Применение гибких солнечных батарей

Как устроена солнечная батарея

Два слоя кремния с разными физическими свойствами образуют тонкую пластину. Внутренний слой – монокристаллический чистый кремний с р-типом проводимости, который покрыт снаружи слоем кремния «загрязненного». Это может быть, к примеру, примесь фосфора. Он обладает проводимостью n-типа. Тыльная сторона пластины покрыта сплошным металлическим слоем.

В каркасе фотоэлементы закреплены таким образом, чтобы можно было заменить, вышедший из строя. Вся конструкция покрыта закаленным стеклом или пластиком, которые ее защищают от негативного воздействия внешних факторов.

Устройство гибких солнечных панелей

Преобразование энергии солнца в электрическую люди изучили достаточно давно, но коммерческие образцы солнечных панелей появились на рынке только в последние годы. Ещё несколько десятилетий назад они использовались только в космонавтике или военной сфере. Сейчас выпущено множество устройств, которые функционируют от солнечной энергии. В качестве примера можно привести калькуляторы, аккумулятор для телефона с солнечной панелью, солнечная батарея для зарядки автомобильной АКБ, всевозможные водонагреватели и системы обогрева частных домов.

Самые первые солнечные батареи были тяжёлыми и крупногабаритными. Кроме того, у них был небольшой КПД. Но постепенно конструкция совершенствовалась, размеры уменьшались, а эффективность росла. Сейчас им уже не требуется максимальный солнечный свет для выработки электричества. Затем появились гибкие солнечные батареи, что стало существенным прорывом в области альтернативных источников энергии.

Гибкая панель – это полупроводниковый слой, который напылён на тонкую подложку. Современные образцы имеют толщину около 1 микрометра. При этом по производительности они примерно соответствуют обычным кристаллическим моделям. Первоначально такие батареи производились на базе аморфного кремния. Затем стали использовать:

• диселениды медь-индий, медь-галлий;
• теллуриды и сульфиды кадмия;
• полимерные соединения.

Чтобы увеличить эффективность гибких панелей производители используют многослойную конструкцию. В таких полупроводниковых модулях происходит отражение света и его преобразование происходит несколько раз. Современные технологии позволяют выпускать достаточно износостойкие и прочные панели, которые имеют малую толщину и все. Такие солнечные батареи можно складывать, сгибать, сворачивать. Естественно, что это нужно делать «без фанатизма». На грубую силу они не рассчитаны, но поход или туристическую поездку переносят без проблем.

Какие характерные особенности имеют гибкие солнечные модули? Можно назвать следующие:

• Есть возможность использования на криволинейной поверхности;
• Вырабатывают электричество даже в облачную погоду. То есть, имеют высокую общую выработку энергии;
• Эффективны в южных широтах;
• Высокий уровень оптического поглощения лучей солнца. То есть, более полное усвоение и переработка солнечной энергии;
• Хорошо работают в составе мощных гелиоустановок. По этой причине первоначально гибкие панели использовали на крупных гелиостанциях.

Стоит отметить и ещё один важный плюс гибких модулей. Они дешевле, чем кристаллические панели. Это положительно сказывается на конечной цене изделий из них. Не обходится и без недостатков. Гибкие батареи при одинаковой площади с кристаллическими моделями имеют в два большую площадь поверхности. А значит, занимают больше места при размещении.

Гибридная солнечная панель

Стоит отдельно сказать про такую разновидность солнечных панелей, как гибридные. Это название они получили за то, что умеют вырабатывать сразу два типа энергии, тепло и электричество.

Гибридные солнечные панели, ещё называемые PVT, являются соединением фотоэлектрической батареи и коллектора тепла. Этот симбиоз даёт возможность в 2 раза уменьшить площадь развёртывания системы из теплового коллектора и фотоэлектрических батарей на каком-нибудь здании.

Существенный плюс заключается в том, что гибридная панель имеет возможность отбирать избыточное тепло от фотоэлементов. Это обеспечивает теплоноситель в коллекторе. Именно нагрев фотоэлемента уменьшает эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую. В случае гибридной батареи эта проблема частично решается.

На практике гибридные панели пока не получили широкого распространения. В настоящий момент они успешно используются в роли тепловых насосов, нагрева воды в бассейне, аккумулирования тепла скважины и т. п.

https://youtube.com/watch?v=t5Os8yisXI0

Это интересно: Как правильно паять светодиодную ленту — разбираемся детально

Советы по выбору

Чтобы правильно выбрать солнечную панель, необходимо учесть множество факторов. Для начала следует определиться с типом батареи, а они бывают:

1. Монокристаллические – наиболее эффективны в регионах, где солнечная активность выше.
2. Поликристаллические – рекомендуется их использовать там, где активность Солнца не слишком высока.
3. Гибкие – панель изготавливается их аморфного кремния и предназначается для закрепления на покатых, неровных поверхностях, например, крышах домов. Такой тип исполнения отличный вариант для регионов, где солнечные дни большая редкость. Эта разновидность самая дешевая и ее рекомендуется использовать для дачи.
4. Солнечная батарея из микроморфного кремния – универсальная разновидность, которая одинаково эффективно работает в пасмурную и ясную погоду, не требовательна к углу наклона. Эта последняя разработка, соответственно и стоимость ее выше, чем предыдущих разновидностей.

Панель для эффективной работы должна иметь оптимальный угол наклона, чтобы улавливать солнечную энергию. Считается, что оптимальным показателем тут является угол на 15º больше географической широты. Но это рассчитать не каждый может, поэтому выбор оптимального положения осуществляется вручную, путем наблюдения за зарядкой аккумуляторов.

Выбор солнечной батареи по мощности необходимо осуществлять, исходя из потребностей в альтернативном электрическом питании. Условно это понятие можно разделить на 4 режима:

1. Аварийное электроснабжение – необходимо обсчитывать совокупную мощность приборов, которые нужны, если отключат электроснабжение. Зачастую это 4–5 кВт/ч. Обычно такой режим делается для отопления и резервного освещения.
2. Базовое электроснабжение – это практически полное замещение электрической энергии солнечной. Тут, чтобы правильно выбрать характеристики, нужно рассчитать суточное потребление. Необходимо учесть также среднемесячные показатели.
3. Умеренный режим или комфортный. Когда на альтернативный источник электроэнергии садится только часть приборов. Зачастую это телевизор, чайник, вытяжка. Реже СВЧ-печи, электрические панели, духовые шкафы или холодильники.
4. Режим полной замены электричества. Тут помимо расчетов, главное, подобрать оборудование, которое будет успевать аккумулировать необходимое количеств энергии.

Собственно выбор солнечной батареи сводится к определению необходимой ее площади при определенных потребностях в снабжении электроэнергией. Другими словами – это способность заряжать аккумуляторы. Солнечная батарея, ее мощность напрямую зависит от площади поверхности, например:

• Батарея размером 290×350×25 обладает мощностью – 20Вт;
• 475×513×25 – 30Вт;
• 470×676×25 – 40Вт;
• 1650×991×35 – 280Вт.

Существует большое количество размеров солнечных батарей, что значительно упрощает их выбор. Это также определяет большое разнообразие устройств по мощности.

На видео ниже предоставлена технология расчета мощности системы. Рекомендуем просмотреть ролик, т.к. он поможет определиться с выбором:

Рассчитываем мощность системы

Внимание! Следует учесть, что выбрать солнечную панель не достаточно, необходимо подобрать соответствующие потребностям энергоснабжения аккумуляторы. Именно они обеспечивают автономность, поэтому заряда их должно хватать на ночь и на время непогоды, когда эффективность панелей сильно снижается. Из нескольких АКБ собираются специальные блоки

Из нескольких АКБ собираются специальные блоки.

Использование гибких солнечных панелей

Природа не терпит прямых углов, поэтому гибкие панели лучше соответствуют изгибам окружающей среды, чем стандартные солнечные панели. Гибкие солнечные панели можно устанавливать на навесах, палатках или изогнутых крышах зданий и транспортных средств.

Лодки

Лодки на солнечных батареях варьируются от прогулочных судов и дневных лодок до барж и плавучих домов. Гибкие солнечные панели могут соответствовать неправильным формам многих поверхностей, будь то навес над палубой или крыша рулевой рубки.

Обязательно приобретите хорошо закрытые панели, подходящие для морских условий. Ищите степень защиты от атмосферных воздействий 67 или выше. Добавьте аккумулятор для хранения электроэнергии, вырабатываемой панелями, и вы сможете плавать, не беспокоясь об остановках для дозаправки. ()

Дома на колесах и кемперы

Welcomia / Getty Images

Добавление гибких солнечных панелей на крышу вашего дома на колесах не превратит ваш жилой дом в электромобиль на солнечной энергии, но они могут позволить вам управлять фарами и приборами от электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями.

Гибкие панели уменьшают вес вашего автомобиля и легко устанавливаются. Ряд жилых автофургонов, домов на колесах и трейлеров поставляются либо с местами под солнечные панели, либо с солнечными панелями. Ваша система будет работать лучше всего, если у вас будет достаточная выходная мощность от солнечных панелей и аккумулятора для хранения этой электроэнергии для использования ночью и в пасмурные дни. Батарея, безусловно, тише генератора, но не ожидайте, что она сможет питать кондиционер всю ночь.

Кемпинг и пеший туризм

Если вы путешествуете по дикой местности и беспокоитесь о том, что аккумулятор вашего смартфона разрядится, вы можете прикрепить гибкую солнечную панель к открытой стороне вашего рюкзака и заряжать свой смартфон во время похода. Если вы собираетесь в автомобильном кемпинге, поместите панели на люк на крыше, чтобы зарядить портативный аккумулятор, чтобы ваши фонари работали после наступления темноты. Зимой в кемпинге гибкая панель лучше поглощает свет, преломленный снегом, а также прямые солнечные лучи.

Альтернативные солнечные панели для крыши

Обладая легкостью, гибкие солнечные панели подходят для крыш, которые не выдерживают веса стандартных солнечных панелей.

Установка гибких панелей намного проще, чем стандартных солнечных панелей, поскольку для последних требуются монтажные кронштейны и уплотнительные материалы для предотвращения протекания крыши. И без необходимости в монтажных кронштейнах и другом оборудовании гибкие панели легче перемещать, если, например, вы решили продать свой дом и хотите взять с собой солнечные панели.

Гибкие солнечные панели также могут расширять традиционные солнечные панели на крыше, заполняя пространства, слишком маленькие или слишком деформированные для размещения стандартных солнечных панелей, или вы можете добавлять их в систему, когда ваши потребности в электроэнергии растут.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

• Вес. Этот показатель, бесспорно, является самым основным преимуществом для гибких элементов. Можно сравнивать разные модели, но в основном разница будет видна примерно в 30%, а этого уже достаточно, чтобы говорить о комфорте. К примеру, туристы знают об этом не понаслышке, каждая вещь в рюкзаке или на нем должна иметь максимально меньший вес. В походе каждые 100 грамм стают заметны и чтобы понять это, достаточно пройтись неровной местностью десяток километров. Вопрос соотношения веса к мощности гибкие солнечные батареи решают банально – чем больше вес, тем выше мощность. Например, модель мощностью 3 Вт имеет вес 149 грамм, а модель на 6 Вт – 284 грамма. Заметим ради справедливости, что твердая солнечная батарея на 6 Вт весит 390 грамм.
• Размер. Здесь гибкие батареи проигрывают своим твердым собратьям. Если брать одинаковую мощность в 6 Вт, то размер гибкого элемента будет около 1,5 квадратных метра, тогда как твердый вариант будет иметь площадь 0,9 квадратных метра. Конечно, неоспоримым преимуществом гибких батарей является их возможность складываться, но это не всегда является таким уж высоким показателем. Особенно, когда речь идет о пешем туризме, где все приходится носить на себе.
• Эффективность. Точные цифры сложно выяснить. Во-первых, производители часто завышают мощность своего товара, а во-вторых, даже элементы одного производителя и одной партии могут значительно отличаться по мощности.

• Надежность. Технология производства позволяет особо не переживать за этот показатель. Обычно гибкие элементы вшиты в чехол, который невосприимчив в относительно высоким нагрузкам. Водостойкость гибких батарей тоже высока. Попав под дождь, батареи не покажут проблем в работе после его окончания. Ударостойкость гибких батарей довольно высока, что объясняется легким весом и пружинистостью во время соприкосновения с поверхностью при падении. Если верить отзывам туристов, то даже после падения на камни с высоты около 10 метров, гибкие батареи продолжали работать. Конечно, такие случаи могут носить индивидуальный характер. Достаточно провести аналогию с человеком, когда одному достаточно упасть в комнате и сломать три ребра и ключицу, а кто-то падает со второго этажа и неспешно продолжает идти куда-то. Царапины на поверхности при падении элементов могут оставаться. На общую работу такие царапины не способны повлиять, но при наличии большого их количества мощность может несколько снизиться.
• Стоимость. Гибкие батареи имеют стоимость выше своих твердых собратьев по причине своей большей компактности. Немного переплатить придется за преимущества гибких батарей и в отдельных случаях за брендовое имя.

Как это работает?

Элементы солнечных батарей состоят из пластин кремния. При попадании фотонов света на кристаллическую решетку этого материала, некоторая часть электронов приходит в движение. А из школьного курса физики нам известно, что движение электронов в проводнике – это и есть электричество.

Общая энергия, излучаемая солнцем во все стороны, составляет примерно 385 млрд. мВт/ч. На каждый квадратный метр поверхности этой, сравнительно небольшой, звезды приходится более 63 кВт. Но, преодолев 150 миллионов километров до земли, пучок фотонов изрядно рассеивается и на экваторе в ясную погоду, в полдень, мощность света составляет около 1 кВ на 1 квадратный метр.

Производство солнечных батарей

Солнечная батарея состоит, как известно, из нескольких обязательных частей. Основой основ у нее, подобно двигателю у машины или сердцу у человека, является солнечная панель – прозрачный прямоугольный короб с темными квадратиками тонко нарезанного кремния внутри. Кремний, используемый в производстве, а точнее его оксид (соединение с кислородом) – основной элемент производства солнечных батарей. 

Технологии, лежащие в основе производства солнечных батарей, все время совершенствуются и состоят из нескольких этапов.

• На первом этапе подготавливают сырье: очищают кварцевый песок, прокаливая его с коксом. В результате он освобождается от кислорода, превращаясь в куски чистого кремния, напоминающие чем-то уголь. Затем, из него выращивают кристаллы – основу солнечных панелей, упорядочив структуру кремния. Для этого чистый кремний опускают в тигель, нагревают до высокой температуры, добавляя в расплавленную лаву затравку. Можно сравнить ее с образцом будущего кристалла, вокруг которого, слой за слоем нарастает кремний упорядоченной структуры. После нескольких часов роста получается кристалл монокремния (или поликристаллический кремний, процесс получения которого более затратный, что сказывается на цене солнечных батарей из него), напоминающий большую сосульку. Затем заготовку  цилиндрическую превращают в параллелепипед. После этого заготовку режут на пластины толщиной 100-200 микрон (толщина трех человеческих волос), тестируют их, сортируют и направляют на следующую стадию обработки.
• На втором этапе пластина паяют в секции, их которых на стекле  формируют блоки, чтобы исключить возможность механического воздействия на  готовые солнечные элементы. Секции обычно состоят из 9-10 солнечных элементов, блоки – из 4-6 секций.
• Третий этап заключается в ламинировании спаянных в блоки пластин этиленвинилацетатной пленкой, а затем защитным покрытием, который осуществляется  с помощью компьютера, который следит за давлением, вакуумом и температурой.
• Четвертый этап заключительный. Во время него монтируется соединительная коробка и алюминиевая рама. Вновь проводят тестирование, во время которого измеряют показатели напряжение холостого хода, ток короткого замыкания, напряжение и ток точки максимальной емкости.

Использование солнечных батарей производства Suntech для освещения стадиона в Пекине

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.

Солнечные панели с гибкой металлической основой находят применение там, где к износостойкости мини-электростанций предъявляются повышенные требования:

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.

Гибкая аморфная панель

В летний зной панели раскаляются, но работают хуже. Зимой, в солнечный день фотоэлементы способны улавливать большее количество света и преобразовывать его в энергию

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.

Критерием выбора гибких солнечных панелей является длина солнечных дней

Важно, чтобы мощность модуля соответствовала потребностям используемых электроприборов. Необходимо найти не только оптимальный участок для размещения изделий, но и резервную площадку, позволяющую впоследствии нарастить мощность

Качество и длительность эксплуатации, а также стоимость продукции зависят от базового материала, номинальной производительности, типа конструкции и параметров фотоэлемента. На профильном рынке востребованы как иностранные, так и заслужившие доверие отечественные бренды – последние оптимально приспособлены к климатическим условиям региона.

Какую выбрать систему

Перед выбором и монтажом системы отопления требуется убедиться в том, что она достаточно мощная для обеспечения ваших нужд. Отопление частного дома солнечными батареями должно организовываться с учетом таких показателей, как площадь жилища, число жильцов, а также необходимый энергетический ресурс. Если в семье насчитывается три человека, то требуется примерно 200-500 кВт энергии ежемесячно. При необходимости организовать горячее водоснабжение энергии потребуется еще больше. Комбинированная отопительная система признана наиболее эффективной. С ее помощью жильцы дома могут подстраховаться на случай аварийных или форс-мажорных ситуаций.

Моно или поликристалл?

Как отличить монокристаллическую панель от поликристаллической? Визуально поли имеет синеватый оттенок, моно – однородного темного цвета.

Какие из них лучше?

Ошибка №16
Однозначно монокристаллические. Нет, поликристаллические.

На самом деле большой разницы между ними нет. Есть адепты как одной, так и другой технологии.

Давайте сначала рассмотрим время работы и степень деградации. У одинаковых по качеству моно и поликристаллов самые большие потери мощности наблюдаются в первый год работы.

У поли это 2%, у моно – 3%. В последующие года они деградируют на 0,67% и 0,73% соответственно.

Как видите цифры не такие огромные, чтобы говорить о какой-то существенной разнице.

Ошибка №17
У моно КПД больше, значит они лучше.

Условно 100 ваттная моно-панель с КПД 22% не будет отдавать больше, чем такая же поли-панель с КПД 18%

И та и другая при равных условиях выдадут в сеть одинаковые 100Вт. Отличие будет заключаться только в занимаемой площади.

Моно по габаритам на 3-5% меньше. Визуально это даже незаметно.

Эффективность или КПД вы можете посчитать самостоятельно. Просто разделите мощность на длину и ширину панели.

Кстати, таким нехитрым способом можно проверить производителя. Не наврал ли он в технических параметрах.

То же самое касается и якобы лучшей выработки эл.энергии в пасмурную погоду у поликристаллов.

Ошибка №18
Здесь все зависит не от типа кристалла, а от природы кремния.

Там, где он более качественный, там и выработка будет чуть больше. Поэтому у кого-то моно работают лучше, у кого-то поли.

Стоимость солнечных батарей

Приблизительная цена одной солнечной панели составляет порядка 90 руб./ 1Вт. Следовательно, блок с максимальной мощностью 200 ВТ будет стоить примерно 18.000 рублей.

Вполне естественно, что нормальной работы всех электросетей и коммуникаций дома одного такого модуля будет не достаточно, и таких блоков придется купить более 10 штук. Так что собственная солнечная электростанция с общей мощностью в 1 кВт обойдется порядка 250.000 рублей, не говоря уже о стоимости дополнительного оборудования и работ по установке.

Однако солнечные элементы, изготовленные на основе моно- или поликристаллического кремния, смогут обеспечить полную автономность дома в любое время

Очень важно при этом грамотно подобрать необходимые фотоэлементы и вычислить необходимое их количество в соответствии с площадью дома и требуемой мощностью

Выводы

Солнечная батарея для отопления дома должна устанавливаться так, чтобы солнечное освещение в этом месте было максимальным. Если выбранное здание не пригодно для монтажа такой системы, то можно воспользоваться соседним строением. Накопитель вполне можно разместить в подвальном помещении. встречаются и такие системы, где используется несколько накопителей. В этом случае их размеры будут немного скромнее. Те, кто решил для себя выбрать отопление частного дома солнечными батареями, может смело говорить о правильности своего решения. Солнечная энергия – это неиссякаемый источник тепла, при этом абсолютно бесплатный. Для этого требуется только вложить определенную сумму в оборудование и монтаж системы, а потом она себя не только полностью окупит, но еще и избавит от необходимости платить деньги коммунальным службам.