Уже не одно десятилетие человечество ищет альтернативные источники энергии, способные хотя бы частично заменить существующие. И самыми перспективными из всех на сегодняшний день представляются два: ветро‑ и солнечная энергетика.
Правда, ни тот ни другой не могут предоставить непрерывного производства. Это связано с непостоянством розы ветров и суточно‑погодно‑сезонными колебаниями интенсивности солнечного потока.
Сегодняшняя энергетика предлагает три основных метода получения электрической энергии, но все они тем или иным образом вредны для окружающей среды:
- Топливная электроэнергетика — самая экологически грязная, сопровождается значительными выбросами в атмосферу углекислого газа, сажи и бесполезной теплоты, вызывая сокращение озонового слоя. Добыча топливных ресурсов для нее также наносит значительный вред природе.
- Гидроэнергетика связана с очень значительными ландшафтными изменениями, затоплением полезных земель, причиняет ущерб рыбным ресурсам.
- Атомная энергетика — самая экологически чистая из трёх, но требует очень значительных расходов на поддержание безопасности. Любая авария может быть связана с нанесением непоправимого долголетнего вреда природе. К тому же требует специальных мер по утилизации отходов использованного топлива.
Строго говоря, получить электроэнергию от солнечного излучения можно несколькими способами, но большинство из них используют промежуточное её преобразование в механическую, вращающую вал генератора и только затем в электрическую.
Такие электростанции существуют, они используют в работе двигатели внешнего сгорания Стирлинга, имеют неплохой КПД, но у них есть и существенный недостаток: чтобы собрать как можно больше энергии солнечного излучения, требуется изготовление огромных параболических зеркал с системами слежения за положением солнца.
Надо сказать, что существуют решения, позволяющие улучшить ситуацию, но все они достаточно дорогостоящие.
Есть методы, дающие возможность прямого преобразования энергии света в электрический ток. И хотя явление фотоэффекта в полупроводнике селене было открыто уже в 1876 году, но только в 1953 году, с изобретением кремниевого фотоэлемента, появилась реальная возможность создания солнечных батарей для получения электроэнергии.
В это время уже появляется теория, позволившая объяснить свойства полупроводников, и создать практическую технологию их промышленного производства. К сегодняшнему дню это вылилось в настоящую полупроводниковую революцию.
Работа солнечной батареи основана на явлении фотоэффекта полупроводникового p-n перехода, по сути представляющего собой обычный кремниевый диод. На его выводах при освещении возникает фото‑эдс величиной 0,5~0,55 В.
При использовании электрических генераторов и батарей необходимо учитывать различия, которые существуют между . Подключая трехфазный электродвигатель в соответствующую сеть, можно в три раза увеличить его выходную мощность.
Следуя определенным рекомендациям, с минимальными затратами по ресурсам и времени можно изготовить силовую часть высокочастотного импульсного преобразователя для бытовых нужд. Изучить структурные и принципиальные схемы таких блоков питания можно .
Конструктивно каждый элемент солнечной батареи выполнен в виде кремниевой пластины площадью в несколько см 2 , на которой сформировано множество соединённых в единую цепь таких фотодиодов. Каждая такая пластина является отдельным модулем, дающим при солнечном освещении определённое напряжение и ток.
Соединяя такие модули в батарею и комбинируя параллельно‑последовательное их подключение, можно получить широкий диапазон значений выходной мощности.
Основные недостатки солнечных батарей:
- Большая неравномерность и нерегулярность энергоотдачи в зависимости от погоды, и сезонной высоты солнца.
- Ограничение мощности всей батареи, если затенена хотя бы одна её часть.
- Зависимость от направления на солнце в различное время суток. Для максимально эффективного использования батареи нужно обеспечивать её постоянную направленность на солнце.
- В связи с вышесказанным, необходимость аккумулирования энергии. Наибольшее потребление энергии приходится на то время, когда выработка её минимальна.
- Большая площадь, требующаяся для конструкции достаточной мощности.
- Хрупкость конструкции батареи, необходимость постоянной очистки её поверхности от загрязнений, снега и т. п.
- Модули солнечной батареи работают наиболее эффективно при 25°C. Во время работы же они нагреваются солнцем до значительно более высокой температуры, сильно снижающей их эффективность. Чтобы поддерживать КПД на оптимальном уровне, необходимо обеспечивать охлаждение батареи.
Следует заметить, что постоянно появляются разработки солнечных элементов, использующих новейшие материалы и технологии. Это позволяет постепенно устранять недостатки, присущие солнечным батареям или уменьшать их влияние. Так, КПД новейших элементов, использующих органические и полимерные модули, достигает уже 35% и есть ожидания достижения 90%, а это делает возможным при тех же размерах батареи получить много бòльшую мощность, либо, сохранив энергоотдачу, значительно уменьшить габариты батареи.
Кстати, средний КПД автомобильного двигателя не превышает 35%, что позволяет говорить о достаточно серьёзной эффективности солнечных панелей.Появляются разработки элементов на основе нанотехнологий, одинаково эффективно работающих под разными углами падающего света, что избавляет от необходимости их позиционирования.
Таким образом, уже сегодня можно говорить о преимуществах солнечных батарей по сравнению с другими источниками энергии:
- Отсутствие механических преобразований энергии и движущихся частей.
- Минимальные расходы на эксплуатацию.
- Долговечность 30~50 лет.
- Тишина при работе, отсутствие вредных выбросов. Экологичность.
- Мобильность. Батарея для питания ноутбука и зарядки аккумулятора для светодиодного фонарика вполне поместится в небольшом рюкзаке.
- Независимость от наличия постоянных источников тока. Возможность подзарядки аккумуляторов современных гаджетов в полевых условиях.
- Нетребовательность к внешним факторам. Солнечные элементы можно разместить в любом месте, на любом ландшафте, лишь бы они достаточно освещались солнечным светом.
В приэкваториальных районах Земли средний поток солнечной энергии составляет в среднем 1,9 кВт/м 2 . В средней полосе России он находится в пределах 0,7~1,0 кВт/м 2 . КПД классического кремниевого фотоэлемента не превышает 13%.
Как показывают опытные данные, если прямоугольную пластину направить своей плоскостью на юг, в точку солнечного максимума, то за 12‑часовой солнечный день она получит не более 42% суммарного светового потока из‑за изменения угла его падения.
Это означает, что при среднем солнечном потоке 1 кВт/м 2 , 13% КПД батареи и её суммарной эффективности 42% удастся получить за 12 часов не более 1000 x 12 x 0,13 x 0,42 = 622,2 Втч, или 0,6 кВтч за день с 1 м 2 . Это при условии полного солнечного дня, в облачную погоду — значительно меньше, а в зимние месяцы эту величину нужно разделить ещё на 3.
Учитывая потери на преобразование напряжения, схему автоматики, обеспечивающую оптимальный зарядный ток аккумуляторов и предохраняющую их от перезаряда, и прочие элементы можно принять за основу цифру 0,5 кВтч/м 2 . Этой энергией можно в течение 12 часов поддерживать ток заряда аккумулятора 3 А при напряжении 13,8 В.
То есть для заряда полностью разряженной автомобильной батареи ёмкостью 60 Ач потребуется солнечная панель в 2 м 2 , а для 50 Ач — примерно 1,5 м 2 .Для того чтобы получить такую мощность можно приобрести готовые панели, выпускающиеся в диапазоне электрических мощностей 10~300 Вт. Например, одна 100 Вт панель за 12‑ти часовой световой день с учётом коэффициента 42% как раз обеспечит 0,5 кВтч.
Такая панель китайского производства из монокристаллического кремния с очень неплохими характеристиками стоит сейчас на рынке около 6400 р. Менее эффективная на открытом солнце, но имеющая лучшую отдачу в пасмурную погоду поликристаллическая — 5000 р.
При наличии определённых навыков в монтаже и пайке радиоэлектронной аппаратуры можно попробовать собрать подобную солнечную батарею и самому. При этом не стоит рассчитывать на очень большой выигрыш в цене, кроме того, готовые панели имеют заводское качество как самих элементов, так и их сборки.
Но продажа таких панелей организована далеко не везде, а их транспортировка требует очень жёстких условий и обойдётся достаточно дорого. Кроме того, при самостоятельном изготовлении появляется возможность, начав с малого, постепенно добавлять модули и наращивать выходную мощность.
Подбор материалов для создания панели
В китайских интернет‑магазинах, а также на аукционе eBay предлагается широчайший выбор элементов для самостоятельного изготовления солнечных батарей с любыми параметрами.
Ещё в недалёком прошлом самодельщики приобретали пластины, отбракованные при производстве, имеющие сколы или другие дефекты, но существенно более дешёвые. Они вполне работоспособны, но имеют немного пониженную отдачу по мощности. Учитывая постоянное снижение цен, сейчас это уже вряд ли целесообразно. Ведь теряя в среднем 10% мощности, мы теряем и в эффективной площади панели. Да и внешний вид батареи, состоящей из пластин с отколотыми кусочками выглядит довольно кустарно.
Можно приобрести такие модули и в российских онлайн‑магазинах, например, molotok.ru предлагает поликристаллические элементы с рабочими параметрами при световом потоке 1,0 кВт/м 2:
- Напряжение: холостого хода — 0,55 В, рабочее — 0,5 В.
- Ток: КЗ — 1,5 А, рабочий — 1,2 А.
- Рабочая мощность — 0,62 Вт.
- Габариты — 52х77 мм.
- Цена 29 р.
Изготовление солнечной батареи для дома своими руками
Для изготовления солнечной панели нам понадобится подходящая рама, которую можно сделать самостоятельно или подобрать готовую. Из материалов для нее лучше всего использовать дюралюминий, он не подвержен коррозии, не боится сырости, долговечен. При соответствующей обработке и покраске для защиты от атмосферных осадков подойдёт и стальная, и даже деревянная.
Совет: Не стоит делать панель очень больших размеров: она будет неудобна в монтаже элементов, установке и обслуживании. К тому же маленькие панели имеют низкую парусность, их можно удобнее разместить под требуемыми углами.Рассчитываем комплектующие
Определимся с размерами нашей рамы. Для зарядки 12-ти вольтового кислотного аккумулятора требуется рабочее напряжение не ниже 13,8 В. Примем за основу 15 В. Для этого нам придётся соединить последовательно 15 В / 0,5 В = 30 элементов.
Совет: Выход солнечной панели следует подключать к аккумулятору через защитный диод во избежание его саморазряда в темное время суток через солнечные элементы. Так что на выходе нашей панели будет: 15 В – 0,7 В = 14,3 В.Чтобы получить зарядный ток 3,6 А, нам необходимо соединить в параллель три таких цепочки, или 30 x 3 = 90 элементов. Это будет нам стоить 90 x 29 р. = 2610 р.
Совет: Элементы солнечной панели соединяются параллельно‑последовательно. Необходимо соблюдать равенство количества элементов в каждой последовательной цепочке.Таким током мы можем обеспечить стандартный режим заряда для полностью разряженного аккумулятора ёмкостью 3,6 x 10 = 36 Ач.
Реально эта цифра будет меньше из‑за неравномерности солнечного освещения в течение дня. Таким образом, для заряда стандартной автомобильной батареи 60 Ач, нам нужно будет соединить параллельно две таких панели.
Эта панель может нам обеспечить электрическую мощность 90 x 0,62 Вт ≈ 56 Вт.
Или в течение 12‑часового солнечного дня с учётом поправочного коэффициента 42% 56 x 12 x 0,42 ≈ 0,28 кВтч.
Разместим наши элементы в 6 рядов по 15 штук. Для установки всех элементов нам потребуется поверхность:
- Длина — 15 x 52 = 780 мм.
- Ширина — 77 x 6 = 462 мм.
Для свободного размещения всех пластин примем габариты нашей рамы: 900×500 мм.
Совет: Если есть готовые рамы с другими габаритами, можно пересчитать количество элементов в соответствии с приведёнными выше намётками, подобрать элементы других типоразмеров, попробовать разместить их, комбинируя длину и ширину рядов.Также нам потребуются:
- Паяльник электрический 40 Вт.
- Припой, канифоль.
- Монтажный провод.
- Силиконовый герметик.
- Двусторонний скотч.
Этапы изготовления
Для монтажа панели необходимо подготовить ровное рабочее место достаточной площади с удобным подходом со всех сторон. Сами пластины элементов лучше разместить отдельно в стороне, где они будут защищены от случайных ударов и падений. Брать их следует аккуратно, по одной.
Устройства защитного выключения повышают безопасность домашней электросети, снижая вероятность поражения электричеством и возникновения пожаров. Детальное ознакомление с характерными особенностями разных видов выключателей дифференциального тока подскажет, для квартиры и дома.
При эксплуатации электросчетчика возникают ситуации, когда его надо заменить и заново подключить — об этом можно прочитать .
Обычно для изготовления панели используют способ приклеивания предварительно распаянных в единую цепь пластин элементов на плоскую основу‑подложку. Мы предлагаем другой вариант:
- Вставляем в раму, хорошо закрепляем и герметизируем по краям стекло или кусок плексигласа.
- Раскладываем на нем в соответствующем порядке, приклеивая их двусторонним скотчем, пластины элементов: рабочей стороной к стеклу, выводами для пайки — к задней стороне рамы.
- Положив раму на стол стеклом вниз, мы сможем удобно распаивать выводы элементов. Выполняем электрический монтаж в соответствии с выбранной принципиальной схемой включения.
- Склеиваем окончательно пластины с задней стороны скотчем.
- Подкладываем какую‑либо демпфирующую прокладку: листовую резину, картон, ДВП и т. п.
- Вставляем в раму заднюю стенку и герметизируем её.
При желании вместо задней стенки можно залить раму сзади каким‑нибудь компаундом, например, эпоксидкой. Правда, это уже исключит возможность разборки и ремонта панели.
Конечно, одной батареи в 50 Вт не хватит для обеспечения энергией даже небольшого домика. Но с её помощью уже можно реализовать в нем освещение, используя современные светодиодные светильники.
Для комфортного существования городского жителя сейчас в сутки требуется не менее 4 кВтч электроэнергии. Для семьи — соответственно количеству её членов.
Следовательно, солнечная батарея частного дома для семьи из трёх человек должна обеспечивать 12 кВтч. Если предполагается электроснабжение жилища только от солнечной энергии нам нужна будет солнечная батарея площадью, не менее 12 кВтч / 0,6 кВтч/м 2 = 20 м 2 .
Эту энергию необходимо запасти в аккумуляторных батареях, ёмкостью 12 кВтч / 12 В = 1000 Ач, или примерно 16 батарей по 60 Ач.
Для нормальной работы аккумуляторной батареи с солнечной панелью и её защиты потребуется контроллер заряда.
Чтобы преобразовать 12 В постоянного тока в 220 В переменного, нужен будет инвертор. Хотя сейчас на рынке уже в достаточном количестве представлено электрооборудование на напряжения 12 или 24 В.
Совет: В низковольтных сетях электроснабжения действуют токи значительно более высоких значений, поэтому для выполнения проводки к мощному оборудованию следует выбирать провод соответствующего сечения. Проводка для сетей с инвертором выполняется по обычной схеме 220 В.Делаем выводы
При условии аккумулирования и рационального использования энергии, уже сегодня нетрадиционные виды электроэнергетики начинают создавать солидную прибавку в общем объёме её выработки. Можно даже утверждать, что они постепенно становятся традиционными.
Учитывая значительно снизившийся в последнее время уровень энергопотребления современной бытовой техники, применение энергосберегающих осветительных приборов и значительно увеличившийся КПД солнечных батарей новых технологий, можно сказать, что уже сейчас они способны обеспечивать электроэнергией небольшой частный дом в южных странах с большим количество солнечных дней в году.
В России же они вполне могут применяться, как резервные или дополнительные источники энергии в комбинированных системах электроснабжения, а если эффективность их удастся повысить хотя бы до 70%, то вполне реально будет и их использование в качестве основных поставщиков электроэнергии.
Видео о том, как изготовить прибор для сбора солнечной энергии самому
Мировой вклад России в производство фотоэлектрических станций на сегодняшний день составляет не более 1% , тогда как солнечная фотоэнергетика является одной из наиболее быстро растущих отраслей мировой экономики (мировой темп роста - 30-50% в год). При этом в нашей стране пока еще нет лабораторий осуществляющих испытания и сертификацию солнечных элементов и модулей по международным стандартам. Поэтому для Европы Россия в смысле солнечной энергетики , пока является «белым пятном».
Стоит отметить, что солнечные батареи характеризуются рядом неоспоримых преимуществ :
- фотоэлектрические электростанции (ФЭС) самые экологически чистые и легко возводимые, благодаря своей модульной конструкции;
- ФЭС характеризует высокая надежность (до сих пор они являются источником питания практически для всех спутников на земной орбите, потому что работают без поломок и почти не требуют технического обслуживания);
- низкие текущие расходы (благодаря отсутствию подвижных частей, ФЭС не требуют особого ухода);
- экологичность (это бесшумные и чистые модули, при их работе не происходит сжигания топлива);
- модульность (благодаря этому свойству, ФЭС могут достигать совершенно различных размеров, в зависимости от потребности в электроэнергии);
- длительный срок службы (работают до 30 лет);
- низкие затраты на строительство (обычно ФЭС строят близко к потребителю, т. е. нет нужды тянуть линии электропередач на дальние расстояния, не нужно закупать трансформаторы);
- независимость ФЭС от изменения цен на энергоносители.
Особенной популярностью солнечные батареи пользуются в южных странах, где их устанавливают непосредственно на крышах жилых домов. Можно назвать несколько крупных «солнечных парков» : «Солнечный парк» PEX в Испании на 30 МВт, способный обеспечить энергией до 16000 домов, «Солнечный парк» в Баварии на 11 МВт и в Лейпциге на 5 МВт, в Португалии - на 11 МВт, в Южной Корее на 4 МВт и в Израиле — на 100 МВт.
На сегодняшний день существует несколько технологий производства солнечных батарей , основанных на использовании того или иного материала при изготовлении пластины. Основано это на различном поглощении разными материалами солнечного излучения.
Среди широко используемых материалов можно назвать моно- и поликристаллический кремний, а также GaAs, CdTe, аморфный кремний и многие другие. В соответствии с выбранным материалом применяется определенная технология, которая отличается этапами производства и набором оборудования.
Наиболее часто в качестве сырья используется моно- и поликристаллический кремний . КПД пластин на основе этого материала колеблется в пределах от 13 до 18% (в настоящее время ведущие производители солнечных батарей пытаются повысить КПД до 19%). Такие пластины очень хрупкие, требуют дополнительной защиты, но значительно дешевле пластин из других материалов.
Тонкопленочная технология основана на использовании таких материалов, как CdTe, GaAs или аморфный кремний. КПД таких пластин также не превышает 20%, хотя в перспективе есть планы увеличения его до 22%. В зависимости от используемой подложки такие батареи могут гнуться, весьма устойчивы к механическим воздействиям, герметичны. Стоимость их выше стоимости кремниевых систем.
На сегодняшний день производство солнечных батарей в промышленном масштабе наиболее рентабельно выполнять по кремниевой технологии, это наиболее изученная и дающая наивысший выход технология производства.
Ниже приведена схема производства солнечных батарей на основе мультикристаллического кремния. Данная цепочка складывается из следующих этапов:
- Подготовка кремниевой пластины, очистка ее после резки, промывка;
- Структурирование поверхности пластины, создание топологии на ее поверхности, травление;
- Легирование, нанесение фосфора;
- Диффузия фосфора, вжигание;
- Создание P-n-перехода, изолирование его, удаление не нужных слоев;
- Нанесение антиотражающего слоя SiN;
- Металлизация (создание металлических контактов на обратной стороне пластины методом трафаретной печати);
- Сушка и вжигание;
- Создание контактов на лицевой стороне пластины;
- Выравнивание пластины;
- Проверка и тестирование.
Оборудование под каждый из этапов поставляют европейские и американские компании - RENA, Roth&Rau, DESPATCH, BACCINI, MANZ - одни из мировых лидеров по производству оборудования в сфере солнечной энергетики.
Россия сравнительно мало выпускает солнечных панелей, и доля производства энергии за счёт солнца, в России также мала. Тем не менее, производство панелей существует и, вероятно, следует ждать его увеличения в связи с санкциями.
Россия экспортирует свою продукцию (солнечные панели) в Германию и Чехию. Это несколько странно, поскольку Россия также импортирует аналогичную продукцию из стран: Германия, Китай, Тайвань, Таиланд. Можно было бы подумать, что более всего импорт из Китая, но источник утверждает, что это не так, больше всего импорт из Германии.
Перечислим российские компании, выпускающие солнечные батареи (данная информация взята из разных источников, возможно предприятия переименовались или закрылись):
- Москва, Зеленоград: ЗАО «Телеком-СТВ».
- Москва, Зеленоград: ООО «СоларИннТех».
- Краснодар: ООО «Солнечный ветер».
- Москва: московское предприятие ОАО «Всероссийский НИИ электрификации хозяйства» (ОАО «ВИЭСХ»).
- Краснодар: ОАО «Сатурн».
- Рязань: ООО «Солэкс».
- Рязань: ОАО «Рязанский завод металлокерамических изделий».
- Москва: НПП «Квант».
Производство технического кремния:
- Усолье-Сибирское Иркутской области: Nitol Solar (компания Нитол), проект Сибирский кремний (РУСАЛ и РосНано).
- Новочебоксарск, Чувашия: Химпром.
- Волгоград: Волгоградское ОАО Химпром.
- Абакан, Хакасия: Абаканский завод полупроводниковых материалов (АЗПМ).
- Железногорск, Красноярский край: Железногорский завод полупроводникового кремния на базе ФГУП «Горно-химический комбинат».
- Ленинградская область: ПОЛИСИЛ, международный проект Балтийская Кремниевая долина.
Кое-что сохранилось на Украине и в Казахстане.
Фирмы-производители
Солнечная батарея от фирмы “Квант”
«Квант» (Москва) . Эта фирма выпускает солнечные панели, в том числе и для космоса.
Данная фирма производит солнечные панели на основе трёхкаскадного аморфного кремния. Её изделия могут работать при температурах от -40 до +75 градусов Цельсия.
Это важный показатель, поскольку с повышением температуры производительность солнечных панелей уменьшается. Поэтому обычно верхний предел большинство производителей указывает в 60 градусов.
«Квант» выпускает модели солнечных батарей серии: БСА (складные), ЭПС.
Мощность батарей БСА: от о.642 Вт, при напряжении 3.4 В до 15.408 Вт, при напряжении 20.4 В. Напряжение холостого хода несколько выше. Кроме того, чем мощнее панель, тем сильнее ток она выдаёт.
Мощность панелей ЭПС: 50 и 100 Вт при напряжении 12.5 В. На основе этих батарей созданы различные устройства.
Коэффициент полезного действия панелей у данной фирмы превышает девятнадцать процентов. А на некоторых моделях достигнут коэффициент полезного действия в двадцать пять – тридцать процентов.
Стоимость – порядка 90 рублей за ватт.
«Солнечный ветер» (Краснодар) . Фирма производит солнечные батареи на основе монокристаллического кремния.
Выпускаются модули мощностью от 5 до 160 Ватт, но можно заказать модуль и на 200 Ватт. Коэффициент полезного действия у данных моделей невелик – от 12 до 20 процентов, в зависимости от покрытия. Производятся также двухсторонние панели.
Напряжение на панелях для серии ФЭМ (двухсторонние) составляет 12, 20 и 24 вольта, но это не на любую мощность. Серия ТСМ (выпускается в Зеленограде) выдаёт напряжения 17, 19 и 34 вольта.
Солнечная батарея от фирмы “Сатурн”
«Телеком-СТВ» (Зеленоград) . Фирма выпускает солнечные панели мощностью от 30 до 250 ватт серии ТСМ (напряжения: 16.6; 17; 19; 17.5; 30; 31; 34; 36; 38 вольт). Коэффициент полезного действия у них составляет от 24 до 26 процентов, что неплохо. Они могут быть также гибкими и двухсторонними.
Солнечные батареи серии ФСМ могут иметь мощность 300 ватт. Максимальное напряжение у таких панелей: 18; 19; 24; 30; 36; 37; 38 вольт.
«Рязанский ЗМКП» (Рязань) . На сайте компании представлены два модуля с коэффициентами полезного действия от 12 до 70% (сравнительно мало). Мощность от 200 до 240 ватт для напряжений 28-29 вольт. Вторая панель выдаёт мощность от 105 до 145 ватт и напряжение от 20 до 22 вольт.
«Хевел» (Новочебоксарск) . Компания занимается как производством солнечных панелей, так и строительством солнечных электростанций. Мощность выпускаемых солнечных панелей 120 ватт, а выдаваемое напряжение 100 вольт.
«Сатурн» (Краснодар) . Предприятие готовить солнечные панели, в том числе и для космоса. Для геостационарной орбиты выпускаются панели с коэффициентом полезного действия 15,5 и 28%. Удельная мощность 180 и 310 ватт на квадратный метр (соответственно).
«СоларИннТех» (Зеленоград) . Данная фирма выпускает солнечные модули марки Sunways для домов.
Панели выдают мощность в 30 ватт и напряжением 18 вольт. Стоит 2200 рублей. Температура эксплуатации от минус сорока до плюс восьмидесяти пяти градусов Цельсия.
Самая дорога панель стоит двадцать три тысячи, выдаёт мощность сто девяносто пять ватт и напряжение 33 вольта.
Коэффициент представленных панелей, в зависимости от модели, составляет пятнадцать и двадцать процентов.
Обзор батарей, выпускаемых в России
Модули выдают довольно широкий спектр напряжения и мощностей, что позволяет их использовать для питания многих бытовых приборов и ламп. Если этого будет недостаточно, то их можно соединять параллельно и последовательно, повышая, тем самым либо мощность, либо напряжение.
Конструктивно модули могут быть односторонними, двухсторонними, гибкими, складными, тонкоплёночными.
Солнечные батареи, выпускаемые в России, имеют сравнительно низкий коэффициент полезного действия. Как правило, он ниже двадцати процентов, но существуют фирмы, которые выпускают солнечные панели с более высоким КПД. Следует однако отметить, что в стационарном варианте КПД не столь критический параметр.
Если взять наихудший КПД в 12%, и рекордный КПД на данный момент в 46%, то линейные размеры панелей будут отличаться менее чем в два раза. В промышленном исполнении, то, что можно купить за одинаковую цену, линейные размеры будут отличаться слабо, если КПД солнечной панели будет хотя бы 17%.
Рынок солнечной энергетики
Наиболее мощными из них и широко распространёнными сегодня являются гидроэлектростанции. Помимо описанных разрабатываются принципиально иные способы добычи возобновляемой энергии: получение энергии с использованием водорослей (где-то свет, а где-то электричество или водород), использование разности температур в солёной воде (а возможно солёности, или в других случаях) и прочее.
Солнечные панели на МКС
Солнечные панели используются на космических аппаратах. В космосе трудно добыть энергию, солнечные батареи там очень востребованы. На Земле солнечные панели (и не только панели) используются для создания электростанций. С каждым разом они становятся всё мощнее.
Как писалось выше, подхода два: преобразования солнечной энергии непосредственно в электричество и преобразование солнечной энергии предварительно в тепло. Довольно распространённым элементом солнечные панели являются в, так называемых, ЭКО-домах и просто домах. Там их располагают на крышах.
Также, в подобных домах используют накопление тепла от солнца. Достаточно сказать, что если на улице температура около нуля, то, благодаря, лишь солнцу, в доме можно получить температуру восемнадцать-двадцать градусов Цельсия. И это будет круглые сутки.
В последнее время стали широко распространяться осветительные приборы, заряжающееся от солнца (используют солнечные панели). Это стало возможным с переходом на (лампочки). Такие установки используют в городах для освещения улиц. Но и в быту подобные устройства также применяются. Традиционно, в быту, солнечные элементы используются для подзарядки калькуляторов.
Кроме этого, солнечные панели могут устанавливаться на самолётах, автомобилях и яхтах с целью получения электроэнергии для двигателя, или как дополнительной энергии.
Политика государств также заслуживает внимание. Неизвестно, как сейчас, но в две тысячи десятом году на Украине предлагалось ввести льготы для тех потребителе энергии, которые используют солнечные батареи или иные возобновляемые источники. Аналогичная политика ведётся и в других странах.
Лидерами в производстве солнечной энергии являются страны: Китай, США, Франция, Италия, Германия, Япония.
В России доля гидроэлектростанций в производстве энергии достигает пятнадцати процентов. А вот доля остальных возобновляемых источников энергии в её производстве в России менее одного процента.
Мировые производители солнечных батарей
Если рассматривать производство солнечных панелей, то после Китая следуют страны: Япония, Тайвань, Германия.
Приведём список компаний, лидирующих в выпуске кремния для солнечных батарей:
- Южная Корея: Dow Chemical Corporation (DCC).
- США: Globe Metallurgian.
- Бразилия: Cia Brasileira Carbureto de Cal-cio (CBCC), Camargo Correa Metais SA.
- Германия: Eckart Gmbh and Co.
- Испания: Sdad Espanola de Carburos Metalicos SA.
- Норвегия: Elkem A/S silicon Metal Division.
Как выглядит технология производства солнечных батарей?
В мире наблюдается постоянный рост потребления электроэнергии, а запасы традиционных источников энергии уменьшаются. Поэтому постепенно растёт спрос на оборудование, которые вырабатывает электричество, используя нетрадиционные источники сырья. Одним из наиболее распространённых способов получения электричества являются солнечные батареи, работающие от энергии солнца. В их составе работают фотоэлектрические элементы, свойства которых позволяют преобразовывать солнечное излучение в электрический ток. Для их изготовления используется один из самых распространённых на Земле химических элементов – кремний. В этом материале мы поговорим о том, как кремний превращается в фотоэлектрические элементы. Проще говоря, мы рассмотрим, что представляет собой производство солнечных батарей, и какое оборудование для этого требуется.
В сфере производства солнечных батарей уже сформировался довольно большой рынок, на котором присутствуют крупные компании. Здесь уже вращаются миллионы долларов и есть бренды, заработавшие репутацию производителей качественной продукции. Имеется в виду как мировой рынок, так и российский. Технологии, положенные в основу производства солнечных батарей, совершенствуются по мере развития научных исследований в этом направлении. Сейчас выпускаются солнечные батареи самых разных размеров и назначения. Есть совсем маленькие, используемые в калькуляторах и . А есть крупные панели, применяемые в гелиосистемах и . Один фотоэлемент имеет небольшую мощность и вырабатывает совсем небольшой ток. Поэтому их объединяют в . Теперь рассмотрим, как производятся фотоэлементы.
Производство солнечных батарей можно разделить на следующие основные этапы:
- Тестирование. На этом этапе проводится замер электрических характеристик. Для этого используются вспышки мощных ксеноновых ламп. На основании результатов испытаний фотоэлементы сортируют и направляют на следующую стадию производства;
- На второй стадии производства выполняется пайка элементов в секции. Из них формируются секции на стеклянной подложке. Собранные секции переносятся на стекло с помощью вакуумных захватов. Это обязательное требование для исключения механического или иного воздействия на поверхность пластин. Блоки обычно включают в себя 4─6 секций. Секции, в свою очередь, состоят из 9─10 фотоэлектрических панелей;
- Следующий этап производства – ламинирование. Соединённые с помощью пайки блоки фотоэлементов ламинируют при помощи этиленвинилацетатной плёнки. А также наносится специальное защитное покрытие. Все это делается на оборудовании с ЧПУ. Компьютер следит за такими характеристиками, как давление, температура и др. В зависимости от используемого материала, параметры ламинирования можно изменять;
- И завершающий этап заключается в изготовлении рамки из алюминиевого профиля и специальной соединительной коробки. Чтобы обеспечить надёжность соединения применяют клей-герметик. На этом же этапе производства проводится тестирование солнечных батарей. При этом измеряются токи короткого замыкания, выдаваемые напряжение (рабочее и холостого хода), сила тока.
При выборе модуля часто задается вопрос: какая солнечная батарея лучше – монокристаллическая или поликристаллическая, а может аморфная? Ведь они самые распространенные в наш век. Чтобы найти ответ, было проведено множество исследований. Рассмотрим, что же показали результаты.
***КПД и срок службы
Монокристаллические элементы имеют КПД около 17-22%, сроки их службы не менее 25 лет. Эффективность поликристаллических может достигать 12-18%, служат они тоже не менее 25 лет. КПД аморфных составляет 6-8% и снижается гораздо быстрее кристаллических, работают они не более 10 лет.
***Температурный коэффициент
В реальных условиях использования солнечные батареи нагревается, что приводит к снижению номинальной мощности на 15-25%. Средний температурный коэффициент для поли и моно составляет -0,45%, аморфного -0,19%. Это значит, что при повышении температуры на 1°C от стандартных условий кристаллические батареи будут менее производительными, чем аморфные.
***Потеря эффективности
Деградация солнечных монокристаллических и поликристаллических модулей зависит от качества исходных элементов – чем больше в них бора и кислорода, тем быстрее снижается КПД. В поликремниевых пластинах меньше кислорода, в монокремниевых – бора. Поэтому при равных качествах материала и условий использования особой разницы между степенью деградации тех и других модулей нет, в среднем она составляет около 1% в год. В производстве аморфных батарей используется гидрогенизированный кремний. Содержанием водорода обусловлена его более быстрая деградация. Так, кристаллические деградируют на 20% через 25 лет эксплуатации, аморфные быстрее в 2-3 раза. Однако некачественные модели могут потерять эффективность на 20% уже в первый год использования. Это стоит учесть при покупке.
***Стоимость
Тут превосходство полностью на стороне аморфных модулей – их цена ниже, чем кристаллических, из-за более дешевого производства. Второе место занимают поли, моно же самые дорогие.
***Размеры и площадь установки
Монокристаллические батареи более компактны. Для создания массива требуемой мощностью понадобится меньшее количество панелей по сравнению с другими видами. Так что при установке они займут немного меньше места. Но прогресс не стоит на месте, и по соотношению мощность/площадь поликристаллические модули уже догоняют моно. Аморфные же пока отстают от них – для их установки понадобится в 2,5 раза больше места.
***Светочувствительность
Здесь лидируют аморфно-кремниевые модули. У них лучший коэффициент преобразования солнечной энергии из-за водорода в составе элемента. Поэтому они, по сравнению с кристаллическими, в условиях слабой освещенности работают эффективнее. Моно и поли, при плохом освещении работают примерно одинаково – значительно реагируют на изменение интенсивности света.
***Годовая выработка
В результате тестирования модулей разных производителей было установлено, что монокристаллические за год вырабатывают больше электроэнергии, чем поликристаллические. А те в свою очередь производительнее, чем аморфные, несмотря на то, что последние вырабатывают энергию и при слабой освещенности.
Можно сделать вывод, что солнечные батареи моно и поли имеют небольшие, но важные различия. Хотя mono все-таки эффективнее и отдача от них больше, но poly все равно будут пользоваться большей популярностью. Правда, это зависит от качества продукции. Тем не менее, большинство крупных солнечных электростанций собраны на базе полимодулей. Связано это с тем, что инвесторы смотрят на общую стоимость проекта и сроки окупаемости, а не на максимальную эффективность и долговечность.
Теперь об аморфных батареях. Начнем с преимуществ: метод их изготовления самый простой и малобюджетный, потому что не требуется резка и обработка кремния. Это отражается в невысокой стоимости конечной продукции. Они неприхотливы – их можно установить куда угодно, и не привередливы – пыль и пасмурная погода им не страшны.
Однако у аморфных модулей есть и недостатки, перекрывающие их достоинства: по сравнению с вышеописанными видами, у них самый низкий КПД, они быстрее деградируют – эффективность снижается на 40% менее чем за 10 лет, и требуют много места для установки.