Saulės baterijų rūšys: lyginamoji konstrukcijų apžvalga ir patarimai renkantis plokštes

Alternatyvioji energetika Europoje sparčiai vystosi, savo rezultatais rodydama perspektyvumą. Atsiranda naujų rūšių saulės baterijų, didėja jų efektyvumas.

Norint užtikrinti pramoninio pastato ar gyvenamosios patalpos darbą saulės energija, būtina iš anksto išsiaiškinti įrangos skirtumus, suprasti, kokios saulės plokštės tinka konkretaus regiono klimato sąlygoms.

Mes padėsime išspręsti šį klausimą. Straipsnyje apžvelgiamas fotoelektrinių keitiklių veikimo principas, pateikiama įvairių rūšių saulės baterijų apžvalga, nurodant jų charakteristikas, privalumus ir trūkumus. Susipažinę su medžiaga Jūs galėsite teisingai pasirinkti efektyvios saulės sistemos įrengimui.

Saulės plokščių veikimo principas

Didžioji dauguma saulės plokščių fizine prasme yra fotoelektriniai keitikliai. Elektros gamybos efektas atsiranda puslaidininkinės p-n sandūros vietoje.

Būtent silicio plokštės sudaro saulės plokščių savikainos pagrindą, tačiau naudojant jas kaip visą parą veikiantį elektros energijos šaltinį, teks papildomai įsigyti brangių akumuliatorių baterijų.

Plokštė susideda iš dviejų skirtingų savybių silicio plokštelių. Veikiant šviesai, vienoje iš jų atsiranda elektronų trūkumas, o kitoje – jų perteklius. Kiekviena plokštelė turi varines srovę nuvedančias juosteles, kurios prijungiamos prie įtampos keitiklių.

Pramoninė saulės plokštė susideda iš daugybės laminuotų fotoelektrinių elementų, tarpusavyje sujungtų ir pritvirtintų prie lankstaus arba kieto pagrindo.

Įrangos efektyvumas labai priklauso nuo silicio grynumo ir jo kristalų orientacijos. Būtent šiuos parametrus inžinieriai bando pagerinti pastaraisiais dešimtmečiais. Pagrindinė problema yra didelė procesų, susijusių su silicio valymu ir kristalų išdėstymu viena kryptimi visoje plokštėje, kaina.

Kasmet maksimalus įvairių saulės baterijų našumas didėja, nes į naujų fotovoltinių medžiagų tyrimus investuojami milijardai dolerių (+)

Fotoelektrinių keitiklių puslaidininkiai gali būti gaminami ne tik iš silicio, bet ir iš kitų medžiagų – baterijos veikimo principas nuo to nesikeičia.

Fotoelektrinių keitiklių tipai

Pramoninės saulės baterijos klasifikuojamos pagal jų konstrukcines ypatybes ir darbinio fotovoltinio sluoksnio tipą.

Pagal įrenginio tipą skiriami šie baterijų tipai:

• lanksčios plokštės;
• kietieji moduliai.

Lanksčios plonasluoksnės plokštės palaipsniui užima vis didesnę rinkos nišą dėl savo montavimo universalumo, nes jas galima sumontuoti ant daugumos paviršių, turinčių įvairias architektūrines formas.

Tikrosios saulės baterijų savybės paprastai yra mažesnės nei nurodyta instrukcijoje. Todėl prieš jas montuojant namuose patartina patiems pamatyti panašų įgyvendintą projektą.

Pagal darbinio fotovoltinio sluoksnio tipą saulės baterijos skirstomos į šias rūšis:

1. Silicinės: monokristalinės, polikristalinės, amorfinės.
2. Telūro-kadmio baterijos.
3. Indžio-vario-galio selenido pagrindu.
4. Polimerinės baterijos.
5. Organinės baterijos.
6. Galio arsenido pagrindu.
7. Kombinuotosios ir daugiasluoksnės baterijos.

Plačiajai vartotojų auditorijai įdomūs yra ne visi saulės baterijų tipai, o tik pirmieji du kristaliniai potipiai.

Nors kai kurie kiti plokščių tipai turi didesnį efektyvumą, dėl didelės kainos jie nėra plačiai paplitę.

Silicio fotoelektriniai elementai yra gana jautrūs šilumai. Bazinė elektros gamybos matavimo temperatūra yra 25°C. Jai padidėjus vienu laipsniu, plokščių efektyvumas sumažėja 0,45–0,5%.

Toliau bus išsamiai aptartos saulės plokštės, kurios kelia didžiausią vartotojų susidomėjimą.

Silicio pagrindo plokščių charakteristikos

Silicio saulės baterijoms gaminamas iš kvarcinių miltelių – sumaltų kvarco kristalų. Gausiausių žaliavų telkinių yra Vakarų Sibire ir Vidurio Urale, todėl šios saulės energetikos krypties perspektyvos yra beveik neribotos.

Net ir dabar kristalinės ir amorfinės silicio plokštės užima jau daugiau nei 80 % rinkos. Todėl verta jas išsamiau apžvelgti.

Monokristalinės silicio plokštės

Šiuolaikinės monokristalinės silicio plokštelės (mono-Si) visame paviršiuje yra vienodos tamsiai mėlynos spalvos. Jų gamybai naudojamas švariausias silicis. Monokristaliniai fotoelementai tarp visų silicio plokštelių turi didžiausią kainą, tačiau užtikrina ir geriausią efektyvumą.

Didelės monokristalinės saulės plokštės su sukimo mechanizmais puikiai įsilieja į dykumų peizažus. Ten užtikrinamos sąlygos maksimaliam produktyvumui.

Didelė gamybos savikaina yra dėl visų silicio kristalų orientavimo viena kryptimi sudėtingumo. Dėl tokių darbo sluoksnio fizinių savybių maksimalus efektyvumas užtikrinamas tik statmenai krintant saulės spinduliams ant plokštelės paviršiaus.

Monokristalinės baterijos reikalauja papildomos įrangos, kuri automatiškai jas pasuka per dieną, kad plokščių plokštuma būtų kuo statmenesnė saulės spinduliams.

Silicio sluoksniai su viena kryptimi orientuotais kristalais išpjaunami iš cilindrinio metalo luito, todėl gatavi fotoelektriniai blokai atrodo kaip kampuose suapvalintas kvadratas.

Prie monokristalinių silicio baterijų privalumų priskiriama:

1. Didelis efektyvumas, kurio vertė 17-25%.
2. Kompaktiškumas – mažesnis įrangos išdėstymo plotas, skaičiuojant vienam galios vienetui, palyginti su polikristalinėmis silicio plokštėmis.
3. Ilgaamžiškumas – pakankamas elektros energijos gamybos efektyvumas užtikrinamas iki 25 metų.

Tokių baterijų trūkumų yra tik du:

1. Didelė kaina ir ilgas atsipirkimo laikotarpis.
2. Jautrumas taršai. Dulkės išsklaido šviesą, todėl jomis padengtų saulės plokščių efektyvumas smarkiai sumažėja.

Dėl tiesioginių saulės spindulių poreikio monokristalinės saulės plokštės įrengiamos daugiausia atvirose aikštelėse arba aukštyje. Kuo arčiau pusiaujo vietovė ir kuo daugiau saulėtų dienų joje, tuo labiau pageidautina įrengti būtent tokio tipo fotoelektrinius elementus.

Polikristalinės saulės baterijos

Polikristalinės silicio (multi-Si) plokštės turi netolygų intensyvumo mėlyną atspalvį dėl kristalų įvairiakryptės orientacijos. Jų gamyboje naudojamo silicio grynumas yra šiek tiek mažesnis nei monokristalinių analogų.

Kristalų įvairiakryptė orientacija užtikrina aukštą naudingumo koeficientą esant išsklaidytai šviesai – 12-18%. Jis yra mažesnis nei vienakrypčių kristalų, tačiau debesuotu oru tokios plokštės yra efektyvesnės.

Medžiagos nevienalytiškumas taip pat lemia silicio gamybos savikainos mažėjimą. Išgrynintas metalas polikristalinėms saulės plokštėms be ypatingų gudrybių pilamas į formas.

Gamyboje naudojami specialūs techniniai metodai kristalams formuoti, tačiau jų kryptis nėra kontroliuojama. Atvėsęs silicis pjaustomas sluoksniais ir apdorojamas pagal specialų algoritmą.

Polikristalinėms plokštėms nereikia nuolatinės orientacijos į saulę, todėl joms talpinti aktyviai naudojami namų ir pramonės pastatų stogai.

Dieną esant lengvai debesuotumui, amorfinio silicio saulės plokščių pranašumai nebus pastebimi, jų privalumai atsiskleidžia tik esant tankiems debesims arba šešėlyje (+)

Prie saulės baterijų su įvairiakrypčiais kristalais privalumų priskiriama:

1. Didelis efektyvumas esant išsklaidytai šviesai.
2. Galimybė stacionariai montuoti ant pastatų stogų.
3. Mažesnė kaina, palyginti su monokristalinėmis plokštėmis.
4. Eksploatacijos trukmė – efektyvumo sumažėjimas po 20 metų eksploatacijos sudaro tik 15-20%.

Polikristalinės plokštės taip pat turi trūkumų:

1. Sumažintas naudingumo koeficientas, kurio vertė 12-18%.
2. Santykinis stambumas – reikia daugiau vietos montavimui, skaičiuojant vienam galios vienetui, palyginti su monokristaliniais analogais.

Polikristalinės saulės plokštės užkariauja vis didesnę rinkos dalį tarp kitų silicio baterijų. Tai užtikrina plačios galimybės sumažinti jų gamybos sąnaudas. Kasmet didėja ir tokių plokščių naudingumo koeficientas, sparčiai artėdamas prie 20% masiniuose produktuose.

Amorfinio silicio saulės plokštės

Amorfinio silicio saulės plokščių gamybos mechanizmas iš esmės skiriasi nuo kristalinių fotovoltinių elementų gamybos. Čia naudojamas ne grynas nemetalas, o jo hidridas, kurio karšti garai nusodinami ant pagrindo.

Dėl tokios technologijos klasikiniai kristalai nesusidaro, o gamybos sąnaudos smarkiai sumažėja.

Fotoelementai iš nusodinto amorfinio silicio gali būti tvirtinami tiek ant lanksčios polimerinės pagrindo, tiek ant kieto stiklo lakšto.

Šiuo metu jau egzistuoja trys amorfinio silicio plokščių kartos, kiekvienoje iš jų žymiai padidėja efektyvumas. Jei pirmieji fotoelektriniai moduliai turėjo 4–5 % efektyvumą, tai dabar rinkoje masiniu būdu parduodami antrosios kartos modeliai su 8–9 % efektyvumu.

Naujausios kūrimo amorfinės plokštės turi iki 12 % efektyvumą ir jau pradedamos pardavinėti, tačiau jos dar yra gana brangios.

Dėl šios gamybos technologijos ypatumų silicio sluoksnį galima sukurti tiek ant kieto, tiek ant lankstaus pagrindo. Dėl to amorfinio silicio moduliai aktyviai naudojami lanksčiuose plonasluoksniuose saulės moduliuose. Tačiau variantai su elastinga pagrindu kainuoja daug brangiau.

Amorfinio silicio fizikinė-cheminė struktūra leidžia maksimaliai sugerti silpnos išsklaidytos šviesos fotonus, kad būtų generuojama elektros energija. Todėl tokios plokštės yra patogios naudoti šiauriniuose regionuose su dideliais laisvais plotais.

Amorfinio silicio baterijų efektyvumas nesumažėja net esant aukštai temperatūrai, nors šiuo parametru jos nusileidžia galio arsenido plokštėms.

Esant vienodai įrangos kainai, silicio hidrido saulės plokštės rodo didesnį našumą nei jų mono- ir polikristaliniai analogai (+)

Apibendrinant, galima nurodyti tokius amorfinės saulės plokščių privalumus:

1. Universalumas – galimybė gaminti lanksčias ir plonas plokštes, baterijų montavimas ant bet kokių architektūrinių formų.
2. Didelis efektyvumas esant išsklaidytai šviesai.
3. Stabilus darbas esant aukštoms temperatūroms.
4. Konstrukcijos paprastumas ir patikimumas. Tokios plokštės praktiškai nelūžta.
5. Darbingumo išlaikymas sudėtingomis sąlygomis – mažesnis našumo sumažėjimas esant uždulkėtam paviršiui, nei kristalinių analogų.

Tokių fotoelektrinių elementų tarnavimo laikas, pradedant nuo antrosios kartos, yra 20–25 metai, o galios kritimas siekia 15–20 %. Prie amorfinio silicio plokščių trūkumų galima priskirti tik poreikį didesniems plotams reikiamos galios įrangai išdėstyti.

Nesilicio įrenginių apžvalga

Kai kurios saulės plokštės, pagamintos naudojant retus ir brangius metalus, turi daugiau nei 30 % efektyvumą. Jos yra kelis kartus brangesnės už savo silicio analogus, bet vis tiek užėmė aukštųjų technologijų prekybos nišą dėl savo ypatingų savybių.

Retųjų metalų saulės plokštės

Egzistuoja keletas saulės plokščių iš retųjų metalų tipų, ir ne visos jos turi didesnį efektyvumą nei monokristaliniai silicio moduliai.

Tačiau gebėjimas dirbti ekstremaliomis sąlygomis leidžia tokių saulės plokščių gamintojams išleisti konkurencingą produkciją ir atlikti tolesnius tyrimus.

Kadmio telurido plokštės aktyviai naudojamos pastatų apdailoje pusiaujo ir arabų šalyse, kur jų paviršius dieną įkaista iki 70-80 laipsnių

Pagrindiniai lydiniai, naudojami fotoelektrinių elementų gamybai, yra kadmio teluridas (CdTe), indžio vario galio selenidas (CIGS) ir indžio vario selenidas (CIS).

Kadmis yra toksiškas metalas, o indis, galis ir telūras yra gana reti ir brangūs, todėl masinė saulės plokščių gamyba jų pagrindu net teoriškai neįmanoma.

Tokių plokščių našumas yra 25-35%, nors išskirtiniais atvejais gali siekti iki 40%. Anksčiau jos daugiausia buvo naudojamos kosminėje pramonėje, o dabar atsirado nauja perspektyvi kryptis.

Dėl stabilaus retųjų metalų fotoelementų veikimo 130-150°C temperatūroje jie naudojami saulės šiluminėse elektrinėse. Tuo pačiu metu saulės spinduliai iš dešimčių ar šimtų veidrodžių yra sukoncentruojami į mažą plokštę, kuri vienu metu gamina elektros energiją ir užtikrina šiluminės energijos perdavimą vandens šilumokaičiui.

Dėl vandens kaitinimo susidaro garai, kurie verčia suktis turbiną ir generuoti elektros energiją. Taigi saulės energija vienu metu dviem būdais paverčiama elektros energija su maksimaliu efektyvumu.

Polimeriniai ir organiniai analogai

Fotoelektriniai moduliai organinių ir polimerinių junginių pagrindu buvo pradėti kurti tik paskutinį dešimtmetį, tačiau tyrėjai jau pasiekė reikšmingų laimėjimų. Didžiausią progresą demonstruoja Europos įmonė Heliatek, kuri jau aprūpino organinėmis saulės plokštėmis keletą aukštybinių pastatų.

Jos ritininės plėvelės konstrukcijos tipo HeliaFilm storis yra tik 1 mm.

Gaminant polimerines plokštes naudojamos tokios medžiagos kaip anglies fullerenai, vario ftalocianinas, polifenilenas ir kiti. Tokių fotoelementų našumas jau siekia 14-15%, o gamybos kaina yra daug kartų mažesnė nei kristalinių saulės plokščių.

Aktualus yra organinio darbinio sluoksnio degradacijos termino klausimas. Kol kas patikimai patvirtinti jo našumo lygį po kelerių metų eksploatacijos nėra įmanoma.

Organinių saulės plokščių privalumai yra:

• galimybė saugiai utilizuoti aplinkai;
• pigumas gamyboje;
• lanksti konstrukcija.

Tokių fotoelementų trūkumams galima priskirti santykinai žemą našumą ir patikimos informacijos apie plokščių stabilaus darbo terminus trūkumą. Gali būti, kad po 5-10 metų visi organinių saulės fotoelementų trūkumai išnyks ir jie taps rimtais konkurentais silicio plokštelėms.

Kokią saulės plokštę pasirinkti?

Saulės baterijų pasirinkimas kaimo namams, esantiems 45-60° platumoje, nėra sudėtingas. Čia verta apsvarstyti tik du variantus: polikristalinės ir monokristalinės silicio baterijos.

Esant vietos trūkumui, pirmenybę geriau teikti efektyvesniems modeliams su vienpuse kristalų orientacija, o esant neribotam plotui, rekomenduojama įsigyti polikristalines baterijas.

Nereikėtų orientuotis į analitinių įmonių prognozes dėl saulės baterijų rinkos plėtros, nes geriausi jų pavyzdžiai galbūt dar nėra išrasti.

Konkretų gamintoją, reikiamą galią ir papildomą įrangą geriau rinktis dalyvaujant įmonių, kurios parduoda ir montuoja tokią įrangą, vadovams. Reikėtų žinoti, kad didžiausių gamintojų fotovoltinių modulių kokybė ir kaina mažai skiriasi.

Reikėtų atsižvelgti, kad užsakant įrangos komplektą „iki rakto“, pačių saulės baterijų kaina sudarys tik 30-40% visos sumos. Tokių projektų atsipirkimo laikotarpis yra 5-10 metų ir priklauso nuo energijos suvartojimo lygio ir galimybės parduoti elektros energijos perteklių į miesto tinklą.

Kai kurie meistrai nori saulės baterijas surinkti patys. Mūsų svetainėje yra straipsnių su išsamiu tokių plokščių gamybos technologijos, jų prijungimo ir šildymo heliosistemų įrengimo aprašymu.

Rekomenduojame susipažinti:

1. Kaip pasidaryti saulės bateriją savo rankomis: savarankiško surinkimo instruktažas
2. Saulės šildymo sistemos: šildymo saulės sistemų pagrindu įrengimo technologijų analizė
3. Saulės baterijų prijungimo schema: prie kontrolerio, prie akumuliatoriaus ir prie prižiūrimų sistemų

Išvados ir naudingas vaizdo įrašas šia tema

Pateikti vaizdo įrašai rodo įvairių saulės baterijų darbą realiomis sąlygomis. Jie taip pat padės suprasti papildomos įrangos pasirinkimo klausimus.

Saulės baterijų ir papildomos įrangos pasirinkimo taisyklės:

Saulės baterijų rūšys:

Monokristalinės ir polikristalinės panelės testavimas:

Gyventojams ir nedideliems pramonės objektams realios alternatyvos kristalinėms silicio plokštėms kol kas nėra. Tačiau naujų tipų saulės baterijų kūrimo tempai leidžia tikėtis, kad netrukus saulės energija taps pagrindiniu elektros energijos šaltiniu daugelyje kaimo namų.

Visiems, besidomintiems saulės baterijų pasirinkimo ir naudojimo klausimais, siūlome palikti komentarus, užduoti klausimus ir dalyvauti diskusijose. Kontaktinė forma yra apatiniame bloke.