Из чего сделаны
Чтобы изучить устройство солнечной батареи, нужно разобраться в основных разновидностях, так как технология производства имеет существенные различия в зависимости от используемого сырья:
- Батареи CdTe. Теллурид кадмия применяется при изготовлении пленочных модулей. Слоя в несколько сотен микрометров хватает для того, чтобы получить КПД порядка 11% или немного выше. Это откровенно низкий показатель, зато в пересчета на 1 Ватт мощности себестоимость электроэнергии получается как минимум на 30% дешевле, чем у традиционных вариантов из кремния. При том, что данная разновидность намного тоньше и легче.
- Тип CIGS. Аббревиатура обозначает, что в состав входят медь, индий, галлий и селен. Получается полупроводник, который также наносится небольшим слоем, но в отличие от первого варианта тут эффективность на порядок выше и составляет 15%.
- Типы GaAs и InP отличает возможность нанесения тонкого слоя в 5-6 мкм, при этом КПД будет составлять около 20%. Это новое слово в технологиях добычи электроэнергии из солнечного света. Благодаря высоким рабочим температурам батареи могут сильно нагреваться без потери эксплуатационных характеристики. Но из-за того, что при производстве используются редкоземельные материалы, себестоимость этого типа высока.
- Батареи с квантовыми точками (QDSC). В них в качестве поглощающего материала для преобразования солнечной энергии используются квантовые точки вместо традиционных объемных материалов. За счет особенностей настройки запрещенных зон можно делать многопереходные модули, поглощающие солнечную энергию более эффективно.
- Аморфный кремний наносится методом испарения и имеет неоднородную структуру. Он не отличается высокими показателями КПД, но однородная поверхность очень хорошо поглощает даже рассеянный свет.
- Поликристаллические варианты изготавливаются путем плавления кремния и его охлаждения при определенных условиях, чтобы получить однонаправленные кристаллы. Одно из самых распространенных решений благодаря дешевизне производства и неплохим показателям КПД.
- Монокристаллические элементы состоят из цельных кристаллов, разрезанных на тонкие пластинки и легированных фосфором. Самое долговечное решение, у которого низкие показатели деградации и срок службы, составляющий как минимум 30 лет, но чаще всего больше на 10-15 лет.
Батареи из теллурида кадмия – одни из самых выгодных по себестоимости киловатта электроэнергии.
Кстати! Эффективность того или иного варианта зависит от технологии производства, поэтому ее нужно уточнять.
II. Небольшие гибкие солнечные батареи – 20 ватт.
У этого же продавца в перечень самых продаваемых панелей вошла довольно компактная версия 420 на 330 мм, толщиной также всего 3 мм. В комплект входит:
- переходник на прикуриватель;
- адаптер с парой USB-коннекторов;
- один провод с зажимом-«крокодилом».
Предназначение и параметры
Такая панель также подразумевает установку на крыше автомобиля или катера, а может использоваться для подзарядки аккумулятора автомобиля, с подключением через коннектор.
Заявленная пиковая мощность, согласно сертификату – 20 ватт. Проверил.
1. На солнце она действительно выдала этот показатель – 20 вольт и 1 ампер.
2. Через USB в помещении, даже через чистое стекло, у меня получилось выжать при зарядке смартфона только 0,3 — 0,5 ампера.
3. Подключил светодиодную ленту – на это раз длинную, на 55 метров сразу. Обнаружил, что даже если совсем отвернуть панель от окна на 180 градусов, диоды все равно горят! Пусть и не слишком ярко.
4. После разворота и установки гибкой панели у окна полноценную яркую подсветку удается обеспечить без проблем.
Мой вариант применения
Лично я такие панели использую и планирую использовать в дальнейшем для подзарядки уличных светильников. Точнее, их аккумуляторов через контроллер. Хотя большинство людей покупают данную версию в авто и на природу. Если вас интересует больше информации – в магазине о ней очень много отзывов.
Кстати, мои уличные светильники работают уже 3 года только от энергии солнца и встроенных в них аккумуляторов, рассчитанных на 18 часов непрерывной. Так что плюс от такого альтернативного источника энергии серьезный.
И последнее. Существует вариант подключать такие панели к портативным камерам видеонаблюдения. Это тоже очень интересная идея. Одну из таких камер я уже сделал полностью автономной, за счет использования именно такой солнечной панели. И сейчас тестирую этот гибрид. В будущем постараюсь сделать обзор – не пропустите.
Где и как применяют солнечную энергию?
Гибкие панели применяются в разных сферах. Прежде чем составлять проект энергообеспечения дома при помощи этих солнечных батарей, выясните, где они применяются и каковы особенности их использования в нашем климате.
Область применения солнечных батарей
Применение гибких солнечных батарей очень широкое. Они с успехом используются в электронике, электрификации зданий, автомобиле- и авиастроении, на космических объектах.
В строительстве такие панели используют для обеспечения жилых и промышленных зданий электричеством.
Солнечная энергия может быть единственным источником электричества, а может дублировать традиционную схему электроснабжения, чтобы на случай недостаточной эффективности в определенный период дом не остался обесточенным
Портативные зарядные устройства на основе гибких солнечных элементов доступны каждому и продаются повсеместно. Большие гибкие туристические панели для добычи электроэнергии в любом уголке Земного шара очень популярны среди путешественников.
Очень необычная, но практичная идея – использовать в качестве основы для гибких батарей дорожное полотно. Специальные элементы защищены от ударов и не боятся больших нагрузок.
Гибкие батареи хороши еще тем, что могут быть применены практически в любых ситуациях. Их можно без труда разместить на крыше автомобиля или корпусе яхты
Эта идея уже реализована. «Солнечная» дорога обеспечивает энергией окрестные деревни, при этом не занимая ни одного лишнего метра земли.
Особенности применения гибких аморфных панелей
Те, кто планирует начинать использование гибких солнечных панелей в качестве источника электроэнергии для своего дома, должны знать особенности их эксплуатации.
Галерея изображений
Фото из
Основа, на которую нанесены кремниевые кристаллы, определяет износостойкость, а вместе с ней и область использования гибкий солнечных батарей
Солнечные батареи, созданные на основе полимерной пленки, легки и удобны для переноски. На их базе сейчас выпускают переносные зарядные устройства для мобильной техники
Если на зарядное устройство не предполагается активное механическое и атмосферное воздействие, батарей на гибкой полимерной пленки с защитным ламинированием — лучшее решение
Наличие встроенного аккумулятора в переносных приборах, помещающихся в сумку, позволяет рационально собирать и хранить полученную энергию
Энергоэффективная вставка на рюкзаке
Портативное зарядное устройство
Эффективная зарядка на дачном участке
Наличие встроенного аккумулятора
Солнечные панели с гибкой металлической основой находят применение там, где к износостойкости мини-электростанций предъявляются повышенные требования:
Галерея изображений
Фото из
Любителям морских путешествий лучше отдать предпочтение гибким солнечным панелям на основе из металлической фольги
Также желательно, чтобы устройства были оснащены водоотталкивающей защитой
Ввиду того, что во время прогулок на катере может подняться порывистый ветер, способный сорвать легкое полимерное устройство, лучше приобрести солнечную батарею на гибком металлическом основании
Важно учесть, что наряду с повышенной износостойкостью у приборов на металлической основе есть недостаток: радиус гибки меньше, чем у полимерных
На металлический кузов автофургона лучше поставить солнечные батареи с гибкой металлической основой. Так кузову нанесен будет минимальный вред
Палуба морского или речного судна
Тент на прогулочном речном катере
Незначительный радиус гибки
Установка на металлический кузов
Прежде всего пользователей волнует вопрос, а что делать зимой, когда световой день короткий и электричества не хватит на функционирование всех приборов?
Да, в условиях пасмурной погоды и короткого светового дня производительность панелей снижается. Хорошо, когда есть альтернатива в виде возможности переключения на централизованное электроснабжение. Если ее нет, нужно запасаться аккумуляторами и заряжать их в те дни, когда погода благоприятная.
Интересная особенность солнечных батарей заключается в том, что при нагревании фотоэлемента его эффективность существенно снижается.
В летний зной панели раскаляются, но работают хуже. Зимой, в солнечный день фотоэлементы способны улавливать большее количество света и преобразовывать его в энергию
Число ясных дней в году зависит от региона. Разумеется, на юге использовать гибкие батареи рациональнее, поскольку солнце там светит дольше и чаще.
Так как в течение дня Земля меняет свое положение относительно Солнца, панели лучше располагать универсально – то есть с южной стороны под углом около 35-40 градусов. Такое положение будет актуальным как в утренние и вечерние часы, так и в полдень.
Область применения
Наиболее широко тонкопленочные элементы применяются на гелиостанциях. Они прекрасно зарекомендовали в разных климатических зонах (даже в местах, где преобладает пасмурная погода).
Солнечные панели не могли не заинтересовать специалистов космической отрасли. Сейчас в России ведутся работы по созданию тонкопленочных фотопанелей для космических станций. Они лучше переносят радиационное излучение, а их производство обходится дешевле кристаллических аналогов.
Мобильные панели
Применяют солнечные панели службы медицины, МЧС, поисковики и пожарные.
Великим благом новая разработка стала для научных экспедиций: с такими источниками энергии стало возможным создавать нужный температурный режим для хранения различных компонентов, необходимых для проведения лабораторных испытаний в полевых условиях. Освещение, зарядка ноутбука, мобильного телефона – все это можно организовать без труда при помощи. А если учесть, что в продаже имеются достаточно мощные – до 3 кВт – так называемые солнечные навесы, то и работу научно-исследовательского оборудования можно легко обеспечить.
Полюбили портативные солнечные батареи и туристы: и их помощью они могут в походе зарядить фотоаппараты, видеокамеры, мобильные телефоны и GPS-трекеры. Особый интерес у любителей путешествовать вызывает модуль для рюкзака. Он исправно заряжает всю необходимую аппаратуру во время марш-броска.
Смотрим видео, туристическая гибридная модель:
Вышеперечисленные способы применения – это только малая часть обширного списка сфер, в которых данная продукция применяется все чаще. Это и судоходство, и кинематография, военные и полицейские службы и т.д.
Устройство панелей
Растущая в цене электроэнергия поневоле заставляет задуматься об экономии. И отличной альтернативой в данном случае считаются природные источники энергии. Оптимальным решение для частного дома является альтернативная электростанция – солнечная батарея.
Изначально может показаться, что вся система солнечной батареи слишком большая, а принцип ее работы невероятно сложен. И чтобы понять, как функционирует солнечная батарея в деле, необходимо детально рассмотреть ее конструкцию.
В действительности гелиосистема устроена довольно просто и состоит из четырех основных элементов.
- Солнечная батарея – по форме и размерам представляет собой прямоугольную панель с определенным количеством пластинок. В основу солнечной батареи входят полупроводниковые материалы. Миниатюрные преобразователи собираются в модули, а модули – в единую систему гелиоколлектора.
- Контроллер – выполняет функцию посредника между солнечным модулем и аккумулятором. Он необходим для отслеживания уровня заряда аккумулятора. Его роль крайне важна во всей цепи – контроллер не дает закипать или падать электрическому потенциалу, который необходим для стабильного функционирования всей системы.
- Инвертор – преобразует постоянный ток солнечного модуля в переменный 220-230 вольт. Гибридный сетевой инвертор может использовать для своей работы как постоянный, так и переменный ток. Но стоит учитывать, что для работы инвертора тоже необходима энергия, и его расход составляет порядка 30% потерь на преобразование. И в пасмурную погоду или в темное время суток вся энергия для работы будет расходоваться из аккумулятора. То есть если аккумулятор разрядится, то инвертор перестанет работать.
- Аккумулятор – преобразованная в электричество солнечная энергия не всегда используется в доме в полном объеме. Излишки могут накапливаться в аккумуляторе и использоваться в темное время суток и в пасмурную погоду.
Но перед тем как приступить к выбору и установке солнечной батареи на крыше, необходимо разобраться в принципах работы устройства, а также рассчитать рабочие узлы гелиосистемы.
Технические характеристики
Основным элементом каждой солнечной батареи является фотоэлектрический преобразователь.
В массовом производстве используется три типа элементов из кремния.
- Монокристаллические – искусственно выращенные кремниевые кристаллы нарезаются на тонкие пластины. В основу модуля входит очищенный чистый кремний. Поверхность больше похожа на пчелиные соты или небольшие ячейки, которые соединяются между собой в единую структуру. Готовые маленькие пластинки соединяются между собой сеткой из электроводов. В данном случае процесс производства более трудоемкий и энергозатратный, что отражается на конечной стоимости солнечной батареи. Но монокристаллические элементы обладают большей производительностью, а средний КПД составляет около 24%. Срок службы монокристаллических батарей больше, они прослужат в среднем около 30 лет.
- Поликристаллические – в основе кремниевый расплав. Такие модули считаются оптимальным решением для жилого частного дачного дома. Несколько кристаллов из кремния объединяются в один фотоэлемент. Поверхность поликристаллической солнечной батареи имеет неоднородную поверхность, из-за чего хуже поглощает свет. И КПД, соответственно, ниже, находится в пределах 20%. Срок службы поликристаллической панели составляет 20-25 лет. Они имеют характерное отличие – темно-синий цвет покрытия. Такие модули дешевле аналогов, что позволяет окупить всю систему примерно за 3 года.
- Тонкопленочные – имеют гибкую подложку, что позволяет монтировать батарею на любую поверхность с углами и изгибами. Тонкий слой полупроводников наносится методом напыления на поверхность батареи. Такие системы имеют очевидный недостаток – маленький КПД. Производительность в среднем составляет около 10%. То есть для обеспечения энергией дома потребуется в два раза больше тонкопленочных батарей, чем поликристаллических. И срок службы таких панелей меньше других аналогов – в среднем ресурс работы составляет около 20 лет.
Портативная солнечная батарея – специально для туристов
У каждого в наше время есть электронные гаджеты. Не суть, что у кого-то их меньше, а кого-то больше. Все их необходимо заряжать, а для этого нужны зарядные устройства. Но, особенно остро этот вопрос касается тех, кто попадает в места, где отсутствует электропитание. Единственным выходов являются солнечные батареи. Но, цены на них остаются высокими, а выбор — небольшим. Оптимальным вариантом, как принято считать, является продукция компании Goal Zero (хотя есть и российская продукция, и китайская – как всегда вызывающая сомнении).
Но, оказалось, что не все то плохо, что сделано в Китае или Корее. Особенно порадовала солнечная батарея компания YOLK из Чикаго, которая начала производство компактной солнечной батареи Solar Paper – самой тонкой и легкой. Ее вес всего 120 граммов. Но есть и другие преимущества – модульная конструкция, позволяющая наращивать мощность. Солнечная батарея похожа на пластиковую коробку, по размерам напоминающую Ipad, только тоньше в два раза. На ее лицевой стороне размещена солнечная панель. Есть на корпусе выход для ноутбука и порты USB и для подключения других солнечных панелей, а также фонарик. Внутри этой чудо коробки – аккумуляторы и плата управления. Зарядить девайс можно от розетки, причем, одновременно это могут быть телефон и два ноутбука. Конечно, заряжается устройство и от солнца. Как только на него попадает свет, загорается индикатор. В походных условиях солнечная панель просто незаменима: с успехом заряжает все нужные устройства – телефоны быстрее, ноутбуки.
https://youtube.com/watch?v=EdR_ZGsnLLQ
Портативные солнечные батареи отличаются компактными размерами: они выпускаются даже в виде брелков, прикрепить которые можно к чему угодно. Разрабатывались они для того, чтобы можно было их взять на рыбалку, в поход и пр. Обязательно у них имеется фонарик, чтобы ночью можно было осветить дорогу, палатку и т.д., крепления, позволяющие легко их разместить на рюкзаках, байдарках, палатках
Очень важно, чтобы в таком устройстве был встроенный аккумулятор, позволяющий заряжать девайсы и в ночное время
Конструктивные особенности панели
Гибкой солнечной панелью называют тонкопленочное изделие, которое состоит из тонкой подложки с напыленным на нее слоем полупроводника. Общая толщина составляет всего 1 мкм (0,001 мм). Однако такие маленькие размеры не мешают гибкой панели иметь высокий КПД: он лишь немного уступает данному параметру кристаллических солнечных элементов.
Структура гибкой панели
Первые гибкие солнечные панели производились только на основе кремния (аморфного). В современных моделях применяют теллуриды и сульфиды кадмия, диселениды (медно-галлиевые и медно-индиевые) и некоторые полимеры.
Повышения КПД панелей производители добиваются за счет многокаскадных полупроводниковых структур. В них солнечный свет отражается многократно, что весьма положительно сказывается на энергоэффективности данной панели.
Данные технологии позволяют получить тонкий, легкий модуль, обладающий высокой прочностью и износостойкостью. Гибкие панели можно складывать, сворачивать в трубочку. Изделия требуют определенной бережности в обращении, однако прекрасно выдерживают походные условия.
Гибкие солнечные панели перегреваются?
Существует заметная разница в вероятности перегрева при рассмотрении гибких солнечных панелей по сравнению с жесткими. Однако это в первую очередь связано с тем, как вы монтируете каждый тип. Гибкие солнечные панели, как правило, ровно прилегают к поверхности, к которой они прилегают, подвергая их излучаемому теплу в дополнение к собственному теплу от воздействия солнца.
С другой стороны, более прочное монтажное оборудование, необходимое для использования жестких панелей, также поднимает их и позволяет потоку воздуха охлаждать нижнюю часть панелей. Обычно это приводит к менее распространенному перегреву.Конечно, гибкие панели также могут использовать преимущества этого охлаждения, если они установлены с пространством. Это устраняет одно из их основных преимуществ: способность соответствовать любой форме с низким профилем.
Выбор
Одним из важных критериев выбора являются климатические условия местности, в которой будут установлены гелиопанели. Учитывается количество солнечных дней в году и длина самого дня. Исходя из этих данных, определяется мощность электроэнергии, которую должна вырабатывать батарея в час или сутки. Для северных районов подойдет текстурированное стекло, оно эффективно справляется с работой даже в пасмурные дни. Модули из микроморфного кремния не требуют точной ориентации на солнце, их суммарная годовая мощность превосходит другие тонкопленочные батареи. На них часто останавливают свой выбор жители районов с малой освещенностью.
Выбирая модуль для дома, необходимо продумать, какие электроприборы будут востребованы, хватит ли для них мощности предполагаемой покупки.
При покупке учитывается тип конструкции, материал, толщина фотоэлемента, производитель модуля – все это влияет на цену, качество и длительность работы. Не обязательно переплачивать за иностранные бренды, хорошо себя зарекомендовали модули российского производства, ориентированные на наши климатические условия.
Для расчета количества модулей, следует учитывать, что семья из 4 человек, в среднем, потребляет 200–300 кВт электроэнергии в месяц. Солнечные панели вырабатывают с одного квадратного метра примерно от 25 Вт до 100 Вт в сутки. Для полного удовлетворения дома в потребностях электричества, понадобится 30–40 секций. Оснащение солнечными батареями обойдется семье около 10 тысяч долларов. Устанавливать панели следует на южную сторону крыши, куда попадает максимальное количество солнечных лучей.
Чтобы определиться с выбором, следует понять, какой тип модуля больше подходит покупателю:
- Монокристаллические фотоэлементы стоят 1,5 доллара за Вт. Они имеют меньшие размеры и более эффективны, чем другие виды подобных батарей. Их общее покрытие занимает меньше места. Учитывая мощность и качество, лучше сделать выбор в их пользу. Единственным минусом является высокая стоимость.
- Поликристаллические батареи стоят 1,3 доллар за Вт. По мощности они уступают монокристаллическим, но и оцениваются дешевле. Бюджетные возможности привлекают покупателей, к тому же последние разработки подобных батарей сильно приблизили их КПД к монокристаллическим аналогам.
- Солнечные тонкопленочные панели имеют меньше мощности на один квадратный метр, чем предыдущие модели. Ситуацию выравнивает появление на рынке модулей из микроморфного кремния. Они вырабатывают хорошую суммарную мощность за годовой отрезок времени, отлично себя зарекомендовали в работе видимого и инфракрасного спектра. Для них не важна привязанность к солнечным лучам. Срок эксплуатации батарей составляет 25 лет. Модули имеют недорогую технологию производства, это сказалось на их стоимости – 1,2 доллара за Вт.
- Большой интерес представляет собой гибридная панель, так как она генерирует тепловую и электрическую энергию. Конструкция соединяет в себе коллектор тепла и элементы фотоэлектрической батареи.
По описанию солнечных батарей видно, что для территорий с малой освещенностью больше подойдут панели микроморфного кремния, южные районы могут воспользоваться поликристаллическими батареями. Для тех, кто не стеснен материально, отличным выбором станут более мощные монокристаллические фотоэлементы.
Сегодня еще остаются претензии к гибким солнечным панелям, но завтрашний день, несомненно, за ними. Их активное усовершенствование приводит к снижению стоимости, они уверенно вытесняют кристаллические аналоги из промышленной и бытовой сферы деятельности человека.
Существующие разновидности
Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.
Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата
Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.
Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома
В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.
Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.
Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).
Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860
Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).
Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного
На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.
Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной
А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.
«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф
Каковы преимущества гибких солнечных панелей по сравнению с жесткими?
Гибкие солнечные панели имеют ряд преимуществ перед жесткими аналогами. Самым большим из них является их гибкость, как в прямом, так и в переносном смысле. Благодаря своей способности изгибаться, их можно монтировать в гораздо большем количестве конфигураций и мест, чем традиционные панели.
Гибкие панели также значительно легче и имеют более низкий профиль, что является еще одним преимуществом, когда речь идет о расширении места их установки. Во многих случаях их также проще установить. Некоторые модели так же просты, как использование двустороннего скотча или других клеев. Вы можете установить несколько гибких солнечных панелей всего за несколько минут. Это также ценная функция для тех, кто беспокоится о сверлении отверстий в их монтажной поверхности, которые могут пропускать воду и вызывать повреждения.
Поскольку гибкие панели обычно крепятся непосредственно к поверхности, на которой они находятся, они также не имеют воздушного зазора для их охлаждения. В жаркие дни панели могут сильно нагреваться, и тогда они производят меньше энергии. Горячие панели могут терять до 20% своей номинальной мощности. Это тепло также может передаваться на поверхность, к которой они прикреплены, делая все, к чему они прикреплены, более горячим. Это может быть не идеально в жаркий летний день.
