Технологии и материалы

Материалы

Солнечные батареи.

Солнечные батареи на крыше.jpg

Стремительное развитие науки и техники кардинально меняет взгляды людей на многие вещи. Каких-то всего 50-70 лет назад сложно было себе представить, что обычный жилой дом может получать электроэнергию не от центральных сетей электроснабжения, а из автономного источника. Однако сейчас это перешло из категории фантастики во вполне доступное инженерное решение. В развитых странах Европы использование энергии солнца для обеспечения электроснабжения дома стала если не абсолютной нормой, то достаточно тривиальным решением. 

У нас же такой подход только набирает обороты. В первую очередь это можно объяснить пока еще высокой ценой оборудования. Хотя такое направление в строительной инженерии считается очень перспективным. Ведь строительство каркасных домов позволяет возводить целые жилые поселки, функционирующие полностью автономно.

Проблема автономного водо и теплоснабжения жилых домов уже давно решена. А вот для автономного электроснабжения все более доступным вариантом становятся солнечные батареи. Ведь с каждым годом технология их производства становится совершеннее, себестоимость продукции медленно, но уверенно снижается. И число желающих использовать такую технологию получения электроэнергии становится все больше.

Однако даже сегодня на рынке представлено несколько видов серийно выпускаемых солнечных преобразователей. Поэтому у потенциальных покупателей возникает традиционная в таких ситуациях проблема – что именно выбрать. Именно об этом пойдет разговор далее.

Принцип действия приборов, преобразующих бесплатную солнечную энергию в электрическую.

Принцип работы приборов, преобразующих энергию солнечного света в электрическую, относительно прост. Те, у кого воспоминания о школьном курсе физики не вызывают нервной дрожи, разберутся в нем без особых проблем. Для этого придется вспомнить о таком термине, как p-n переход. Ведь именно с помощью p-n перехода относительно легко удается преобразовать энергию солнечных лучей в электрическую. Наглядно этот процесс иллюстрирует опыт с обычным транзистором, у которого предварительно спилена крышка. Если на него подать свет, то подключенный к выходу вольтметр покажет появление слабого электрического тока. Если площадь освещаемого p-n перехода увеличивать, то будет расти и значение тока.

Именно по такому принципу действуют все ныне используемые фотоэлектрические преобразователи. При значительной площади принимающих пластин можно добиться получения значительных объемов электроэнергии. Постоянное совершенствование конструкции, используемых материалов позволяет удешевить технологию, повысить коэффициент фотоэлектрического преобразования (в общепринятых терминах – КПД устройства). Ток и напряжение на выходе батарей находится в очевидной зависимости от степени их освещенности. Именно поэтому в регионах со значительным количеством солнечных дней эксплуатация фотоэлектрических преобразователей будет особенно эффективно. И каркасные дома приобретут возможность быть абсолютно независимыми от коммунальных служб.

Типы солнечных батарей.

Рынок современных солнечных батарей стремительно расширяется. Сегодня выпускается около десятка отличающихся по конструкции и используемым материалам фотоэлектрических преобразователей. Если попытаться их классифицировать, то можно выделить два больших класса:

  1. кремниевые;

  2. полимерные пленочные.

Поговорим о каждом из них чуть более подробно.

Класс кремниевых солнечных батарей.

У таких батарей рабочая поверхность выполнена в виде кремниевой или кремнийводородной пластин. Если не вдаваться в подробности атомной физики, то эффект преобразования энергии солнечных лучей в электрический ток происходит за счет электронов с атомарных орбит. И высвободившиеся электроны начинают упорядоченное движение. А это, как известно из того же курса школьной физики, электрический ток. Из всех преобразователей, у таких моделей максимальный КПД. Однако они сложны и дороги в изготовлении. Поэтому они не очень популярны у бытовых потребителей.

Существует несколько подвидов кремниевых батарей.

Подвид 1 – монокристаллические преобразователи.

Характерная особенность таких батарей – четкая единонаправленность светочувствительных кристаллов. Это дает отличный для такого рода устройств КПД (до 22%). Но есть и противоположная сторона медали – необходимость ориентации поверхности батареи строго на солнечные лучи. В противном случае эффективность резко снижается. Если на поверхность такого преобразователя падают косые (например, на рассвете или закате) или рассеянные (в облачные дни) лучи, то преобразовательная способность будет невелика. Хороши такие модели для регионов с большим количеством солнечных дней.
Внешней характерной особенностью таких преобразователей является яркий черный цвет и скошенные углы. Это вызвано единообразной ориентацией ячеек и особенностями технологии изготовления.

Подвид 2 – поликристаллические преобразователи.

На поверхности этих батарей пластины кремния имеют разную направленность. Это снижает коэффициент преобразования до 18%, но увеличивает эффективность при попадании непрямых лучей в пасмурную погоду.
Для изготовления таких преобразователей используется не только чистый первичный кремний, а и предварительно подготовленное вторичное сырье. Именно поэтому на рабочей поверхности могут быть небольшие дефекты. Но и стоимость их существенно ниже, чем у монокристаллических.
Внешне такие батареи тоже легко опознаваемы. Они имеют темно-синий цвет и строгую квадратную форму. Некоторая внешняя неоднородность объясняется неодинаковостью входящих в состав кристаллов кремния и присутствием небольших порций примесей.

Подвид 3 – аморфные панели из кремния.

Рабочую поверхность аморфных панелей получают путем напыления тонкого слоя кремния в условиях вакуума. Основой для напыления может использоваться металлическая фольга, пластик, стекло. КПД такого фотопреобразующего элемента составляет всего около 6%. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит интенсивное выгорание рабочего слоя. За месяц КПД может падать на 10%. Соответственно срок службы таких фотоэлементов может составлять всего 1,5-2 года.

Основным преимуществом и аргументом в пользу таких батарей считается их высокая эффективность в условиях облачной погоды. Объясняется это хаотической направленностью кристаллов.
За счет того, что технология производства таких панелей практически безотходная, их себестоимость можно снизить в разы. Внешне такие панели имеют характерный темно-серый цвет.

Подвид 4 – гибридные преобразователи.

Такие солнечные батареи суммируют качества поликристаллических и аморфных преобразователей. Их коэффициент полезного действия близок к поликристаллическим, а эффективность работы в условиях рассеянного света также высока, как у аморфных преобразователей. Плюс еще такие батареи способны преобразовывать в ток не только лучи из ультрафиолетовой части спектра, но и из инфракрасной.

Полимерные преобразователи пленочного типа.

Это относительно новая технология изготовления рабочих панелей солнечных батарей. Такой преобразователь напоминает «сэндвич», состоящий из полимерного активного слоя, органической пластичной подложки, алюминиевых электродов и защитного слоя. В результате имеем гибкую пленку, стоимость которой ниже, чем панелей, при изготовлении которых используется кремний.


КПД таких пленок невысок и составляет 6,5%. Но удобство эксплуатации, транспортировки, возможность компоновки панелей любой площади и конфигурации делает эту технологию очень перспективной. Хотя на настоящий момент производство таких пленок находится на начальном этапе развития. Именно поэтому каркасно-панельные дома еще достаточно редко оснащаются такими батареями.

Ассортимент фотоэлектрических преобразователей достаточно широк. Поэтому приняв решение об оборудовании своего дома автономной системой электроснабжения, питающейся от солнечных лучей, надо тщательно проанализировать ситуацию на рынке. При этом не стоит пренебрегать и мнением специалистов в этой области. А они рекомендуют отдавать предпочтение поликристаллическим панелям. Формально их эффективность ниже, чем у монокристаллических. Но учитывая, что наш климатический пояс не относится к сверхсолнечным, получение электроэнергии практически «из воздуха» и в пасмурную погоду, делает их экономически крайне выгодными.