6 Видов Гибких солнечных панелей

Что такое гибкие солнечные панели?

Стандартные типы монокристаллических или поликристаллических солнечных панелей состоят из кремниевых пластин. Обычно они имеют толщину до 200 микрометров, что немного толще человеческого волоса. Чтобы сделать «гибкую» солнечную панель, эти кремниевые пластины необходимо разрезать до ширины всего в несколько микрометров. Использование этих ультратонких силиконовых листов придает солнечным панелям множество уникальных характеристик, в том числе гибкость для некоторых моделей.

Гибкие солнечные панели, изготовленные из ультратонких кремниевых элементов, существуют уже давно. Недавно исследования в Массачусетском технологическом институте уступили место достижениям в области органических солнечных элементов. Вместо использования кремния в качестве основы для солнечных элементов исследователи нашли способ использовать органические материалы с графеновыми электродами. До сих пор ограничивающим фактором гибкости панелей была хрупкость типичных электродов, но благодаря прозрачности и гибкости графена этот метод может привести к созданию более тонких, гибких и стабильных солнечных панелей в будущем.

Отличительные характеристики гибких солнечных панелей

Солнечные модули гибкой разновидности обладают рядом особенностей, которые делают их популярными среди большого количества людей. Для таких агрегатов характерны:

• Тонкая и гибкая структура, что позволяет использовать их для установки на нестандартные поверхности.
• Повышенный уровень продуктивности. Из-за этого свойства гибкие солнечные панели часто используются в крупных солнечных комплексах.
• Можно использовать даже в пасмурные дни. Таким образом, вы можете значительно повысить свою производительность.

Радиус изгиба современных солнечных панелей может быть довольно большим. Некоторые даже можно свернуть в рулет. Радиус изгиба современных солнечных панелей может быть довольно большим. Некоторые можно даже свернуть

Если ваша крыша не может выдержать большую нагрузку традиционных солнечных панелей из-за структурных проблем, легкие гибкие панели, такие как тонкопленочные, могут стать отличным решением, которое не нарушит структурную целостность вашего дома.

Строение и принципы работы гибких панелей

При установке солнечных панелей комбинируют два типа полупроводников – полупроводник n-типа, полупроводник p-типа. Каждая панель состоит из набора соединенных между собой фотоэлементов. Конкретная конструкция определяет принцип работы, основанный на концепции солнечных батарей. Он включает преобразование энергии фотонов в электрическую энергию. Благодаря этому солнечные панели работают следующим образом:

• Свет падает на фотоэлемент с одной стороны.
• Фотоны сталкиваются с атомами в проводнике и освобождают дополнительные электроны.
• Свободные (отрицательно заряженные) частицы движутся в сторону другого слоя с недостаточным количеством частиц.
• В результате вырабатывается ток, который заряжает аккумуляторы, подключенные к солнечным панелям.

Для изготовления полупроводников используют такие материалы, как селен, кремний и др. чаще всего панели покрывают полимерами, алюминиевыми проводниками, что позволяет добиться простоты конструкции.

Преимущества гибких солнечных элементов

Популярность солнечных батарей обусловлена ​​следующими положительными сторонами:

• Надежный. Специализированная конструкция позволяет защитить изделия от механических повреждений, а также влаги. Благодаря малому весу и большой площади панель остается неповрежденной даже при падении с высоты в несколько метров, к тому же большинство конструкций снабжено защитными кожухами.
• Простота. Это значительно облегчает установку солнечных панелей, а также их транспортировку и перемещение без использования оборудования.
• Экологичность. Для производства панелей используются специализированные материалы, не способные нанести вред здоровью человека или окружающей среде.
• Простое управление. Чтобы использовать солнечные батареи, не нужно обладать специальными знаниями и навыками.
• Поскольку гибким панелям можно придать нужную форму, их можно легко установить на менее традиционные конструкции, такие как навесы для автомобилей.
• с экономической точки зрения гибкие панели снизят стоимость установки вашей солнечной панели. Гибкие/тонкопленочные панели требуют меньше усилий для установки, они гораздо более портативны и просты в обращении, чем обычные панели, которые могут быть громоздкими и тяжелыми и требуют усиленных систем крепления к потолку.

Гибкость, тонкость и легкость — три основных преимущества гибких солнечных панелей Гибкость, тонкость и легкость — три основных преимущества гибких солнечных панелей

Недостатки гибких солнечных элементов

Помимо перечисленных выше положительных сторон, солнечные панели имеют и недостатки, к которым относятся:

• Наиболее распространенным недостатком тонкопленочных или гибких солнечных панелей является их более низкая эффективность, чем у обычных панелей. Сегодня эффективность средних монокристаллических или поликристаллических панелей колеблется от 15 до 20 процентов. С другой стороны, тонкопленочные солнечные панели обычно обеспечивают эффективность от 11 до 13 процентов. Этот показатель эффективности означает, что вам нужно больше солнечных панелей для выработки того же количества энергии, что может стать препятствием для некоторых солнечных проектов с ограниченным пространством на крыше для установки.
• Снижение производительности в очень жаркую погоду. В такой ситуации панель сильно нагревается, что провоцирует снижение всех показателей производительности.
• Короткая продолжительность жизни, редко превышающая 3-4 года.

Гибкие солнечные батареи и жесткие конструкции – разница в технологиях и характеристиках

Внутри солнечных панелей существует жесткая конкуренция между:

• С одной стороны — традиционные поликристаллические и монокристаллические батареи в исполнении с жестким каркасом;
• С другой стороны, гибкие панели на основе аморфного кремния, полиморфные и полимерные солнечные элементы.

Каждая группа имеет свои преимущества и недостатки.

Жесткие моно- и поликристаллические кремниевые батареи, занимающие соответственно 30% и 53% рынка, являются явными лидерами. У этого состояния есть веские причины:

Виды и свойства гибких солнечных панелей

На сегодняшний день разрабатывается и производится несколько принципиально разных типов гибких солнечных элементов. Они отличаются используемыми материалами и технологиями, которые в свою очередь определяют как характеристики, так и функции монтажа и эксплуатации.

Аморфные панели (элементы из аморфного кремния)

Аморфные гибкие солнечные панели основаны на ячейках аморфного кремния (a-Si). Такое название получил гидрид кремния, который образуется в результате разложения силана или кремния водородом (SiH4) под действием электрического разряда.

Соединение превосходит кристаллический кремний по коэффициенту поглощения – для полного поглощения солнечного излучения достаточно слоя толщиной 0,5–1 мкм, по сравнению со 100–300 мкм у кристаллов кремния.

Кроме того, достаточно низкая температура осаждения (около 150°С) позволяет формировать пленки необходимой для солнечных элементов толщины не только на металлической или стеклянной основе, но и на полимерной основе, и сделать этот процесс непрерывным.

Еще одним преимуществом технологии является дешевизна сырья, так как для получения кремниевого водорода не требуется высокой степени очистки кремния. Это дает возможность использовать для вторичной переработки отходы металлургической промышленности, кремниевые солнечные батареи и другие дешевые источники.

В результате аморфные солнечные панели считаются одним из наиболее перспективных направлений развития солнечной энергетики в ближайшие годы. Прогнозируется, что к 2023-2025 гг эти модули на основе аморфных элементов станут лидерами рынка и значительно вытеснят как поли-, так и монокристаллические изделия.

Из серьезных недостатков технологии стоит выделить:

1. Ускоренная деградация пленок под воздействием ультрафиолета и высокой температуры, что снижает срок службы панелей до 3-5 лет. Бороться с ним можно, применяя ламинирующие пленки, защищающие от УФ-излучения, и применяя в конструкции эффективные охлаждающие ребра.
2. Относительно низкий коэффициент преобразования по сравнению с кристаллическим кремнием, что снижает КПД батареи в целом и требует значительного увеличения площади панелей для обеспечения необходимой потребителям мощности генерации. На данный момент единственным способом повышения эффективности является совершенствование технологий.

Поколения аморфных солнечных панелей

Сегодня на рынке представлены блоки трех поколений аморфных солнечных модулей.

• поколение 1 было создано сразу после развития технологий. Панели характеризовались низким коэффициентом преобразования менее 5% и сроком службы примерно 3-5 лет.
• максимально широко представлено второе поколение (к нему относится более 70% продаваемых аморфных панелей). Их КПД увеличился до 8-9%, а срок службы увеличился до 10 лет.
• 3 поколение — самые современные аморфные аккумуляторы. Значительные средства, вложенные в разработку, позволили получить панели со сроком службы более 15 лет и коэффициентом преобразования 12%, что лишь на 20-30% хуже серийных образцов поликристаллических аккумуляторов.

Микроморфные (полиморфные) панели

Одним из направлений развития технологий аморфных солнечных панелей стало производство полиморфных (другое название — микроморфных) модулей.

В таких изделиях пленка солнечного элемента представляет собой многослойную лепешку a-Si с особыми свойствами для каждого из слоев. Например, в панелях, предлагаемых Solar Electro, используется основной слой наноструктурированного аморфного кремния и дополнительный слой, выращенный по традиционной технологии. Это позволило:

• уменьшить общую толщину пленки;
• обеспечение увеличения эффективности преобразования в инфракрасной части спектра без потери коэффициента поглощения в видимой части;
• уменьшить скорость распада на 20-25.

Это было достигнуто без существенного усложнения технологий осаждения и использования в качестве сырья того же диоксида кремния (силана). В результате потребители получают возможность купить панели:

1. с доказанной эффективностью 9,6%;
2. с потерей мощности не более 10 % через 10 лет эксплуатации и не более 20 % за 25-летний период;
3. со стабильной генерацией с отклонением в пределах 10% от номинальной мощности в диапазоне температур от -10 до +85°С.

Арсенид-галлиевые гибкие солнечные батареи

Арсенид галлия (GaAs) на самом деле является идеальным полупроводником для солнечных элементов. В результате солнечные элементы на его основе демонстрируют самый высокий из достигнутых на сегодняшний день КПД преобразования — до 44 % (около 30 % для серийно выпускаемых), что значительно превышает показатели лучших кремниевых образцов. Исходя из этого, производятся солнечные модули для нужд космоса и мощные концентрирующие электростанции.

Для стабильного фотоэффекта с максимальным поглощением солнечного излучения достаточно полупроводниковой пленки порядка 2-3 мкм, что позволяет изготавливать модули на гибкой основе, например алюминиевой фольге. Перенести и зафиксировать такую ​​конструкцию на полимерной пленке несложно.

Еще одним преимуществом использования GaAs является возможность создания многослойных пленок из нескольких материалов, что позволяет повысить эффективность за счет использования невидимых частей спектра.

В настоящее время производители принимают ряд мер, которые в первую очередь направлены на снижение себестоимости конечной продукции.

• Уменьшает толщину полупроводниковой пленки. Так, еще в 2012 году компания Solar Devices достигла эффективности преобразования 27,6% при толщине пленки 1 микрон (подтверждено Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии США).
• Создание многослойных конструкций. В настоящее время наиболее перспективным является использование пленки со слоями германия, арсенида галлия и фосфида галлия-индия (толщина каждого слоя менее 1 мкм).

Однако в настоящее время ни один производитель не производит гибкие панели из арсенида галлия в промышленных масштабах, а регулярно представляемые образцы не имеют коммерческой ценности.

Читайте также: Вакуумный выключатель, что это такое, принцип действия и назначения

Тонкопленочные элементы на основе теллурида кадмия

Разработка солнечных элементов на основе теллурида кадмия (CdTe) началась в 1970-х годах прошлого века. Их планировалось использовать в аэрокосмической отрасли. Побочным продуктом широкого использования стали небольшие солнечные источники для калькуляторов.

Полупроводниковая структура основана на тонких (общая толщина 2-8 мкм) пленках CdTe-CdS. Однопереходный полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,46 эВ дает теоретически возможную эффективность преобразования ок. 29%. В настоящее время реальный КПД серийно выпускаемых солнечных элементов составляет 15-17%.

Хотя современные технологии предполагают нанесение пленок материалов на стекло, мировой лидер в производстве аккумуляторов на основе теллурида кадмия американская компания FirstSolar сообщает об успешной разработке гибких элементов на основе полимеров. Такой флок возможен благодаря микронной толщине пленки и относительно низкой (не превышает 200 градусов) температуре осаждения материала. Подобные исследования проводятся и в России, особенно в Воронежском техническом университете (первые работы были опубликованы еще в 2009 г.).

В результате чуть ли не единственным производителем солнечных элементов на основе теллурида кадмия стала уже упомянутая FirstSolar. Однако ей принадлежит около 5% солнечных батарей. К сожалению, по известным причинам, эта продукция пока недоступна для российских покупателей, но легально приобрести аккумуляторы FirstSolar можно на рынках ближнего зарубежья, например, в Украине и Казахстане.

Что же касается стоимости таких панелей, то при КПД, сравнимом с поликристаллическим кремнием, они обеспечивают практически одинаковую цену генерации — около 0,7 доллара за 1 Вт.

Солнечные элементы CIGS

Перспективной альтернативой панелям на основе аморфного кремния являются элементы на основе селенида меди-галлия-индия Cu(InGa)Se2. Материал имеет самый высокий коэффициент поглощения среди полупроводников, используемых в солнечных элементах, что позволяет выращивать пленки толщиной в сотни нанометров, обеспечивая высокую эффективность преобразования.

На сегодняшний день в список компаний, производящих солнечные элементы CIGS, входит более 10 производителей, использующих разные технологии:

• Осаждение металлического слоя с последующей обработкой селеном или гидридом селена при высокой температуре. Подтвержденная эффективность преобразования этим методом составляет 17,6%.
• Электроосаждение с селенизацией. Удалось подтвердить КПД 13,6%.
• Печать пленок из металлов или их оксидов с последующим восстановлением и селенизацией. Эффективность 14% подтверждена%.
• Химическое осаждение.
• Электрораспылитель.
• Склеивание тонких металлических пленок и т.д.

В результате максимальный доказанный КПД модулей превышает 27%, а себестоимость производства ниже, чем у кремниевых аналогов на 20-40%.

В то же время для полупроводников CIGS также характерны:

• Высокая температурная стабильность;
• Широкий охват спектра излучения.
• Низкая скорость деградации.

Единственным препятствием для производства гибких модулей на их основе является высокая температура селенизации (порядка 400-500 °С), но и это успешно решается за счет использования термостойких (с термостойкостью выше 450 градусов) полимеров, массовое производство из которых уже реализованы в мире. Кроме того, некоторые из упомянутых технологий позволят отказаться от высокотемпературных стадий процесса, что позволит начать выпуск дешевых гибких модулей.

Самый известный производитель CIGS-панелей, продукция которого доступна в России, — японская компания Solar Frontier Kabushiki Kaisha, но гибких аккумуляторов в ассортименте пока нет. Такие элементы предлагают и другие компании, но по цене они будут стоить дороже продукции японского производителя – на уровне, сравнимом с ценой аналогов поликристаллического кремния,

Органические (полимерные) гибкие солнечные элементы

Полимерные гибкие солнечные панели изготавливаются на основе тонких (менее 100 нм) пленок фуллеренов, образующих т н. «полимерный полупроводник». В результате стало возможным производить сверхтонкие и сверхдешевые солнечные модули.

Поэтому тем, кто хочет сделать свою солнечную электростанцию ​​из гибких панелей, следует уяснить несколько фактов:

1. Наиболее реалистичный вариант — панели из аморфного или полиморфного кремния. В краткосрочной перспективе (в течение 2-3 лет) будут интересны полимерные модули.
2. Площадь, необходимая для обеспечения потребителей гибкими батареями, больше, чем при использовании кристаллического кремния.
3. При этом преимущество сохраняется в виде себестоимости производства и составляет в монокристаллах кремния 50 % от цены за 1 Вт, а в поликристаллах до 25.
4. Эффективность гибких аморфных панелей в рассеянном свете выше, чем жестких кремниевых батарей, поэтому их выгоднее использовать в средней полосе и в северных регионах.

Особенности применения гибких аморфных панелей

Тем, кто впервые использует такие панели, необходимо ознакомиться с особенностями их применения. Важным моментом является использование таких устройств в холодное время года. В этот период день короткий, поэтому электричества, собираемого панелями, не хватает для работы всех приборов. В такой ситуации остается использовать аккумуляторы, которые заряжаются в более благоприятные дни.

Рациональнее всего использовать такие устройства в южных регионах, где солнце светит дольше и чаще. В любом случае панели должны быть установлены универсально. Это значит, что их необходимо монтировать с южной стороны под углом от 35 до 40 градусов. Такое расположение обеспечит максимально эффективное функционирование в течение дня.

Из-за своей долговечности и мобильности гибкие солнечные панели лучше всего подходят для небольших солнечных проектов на таких поверхностях, как большие лодки, яхты, дома на колесах, где они могут подвергаться физическому износу, который не может произойти на фиксированной крыше. Их долговечность в сочетании с уменьшенным весом гибких панелей делает их идеальными для небольших мобильных солнечных проектов, не требующих большой мощности.

Как правильно выбрать солнечную панель?

Чтобы правильно выбрать солнечные панели, необходимо учитывать климатические условия, в которых они будут использоваться. Лучше всего покупать такие источники энергии для использования в сухих и солнечных районах, так как это положительно скажется на производительности и рентабельности.

Вы также должны учитывать процент потребности в отоплении. Стоит отдавать предпочтение тем панелям, которые способны покрывать от 40 до 80%. Если производительность будет ниже, система солнечных батарей будет стоить дорого и не оправдает себя при использовании.

Чтобы не случилось непредвиденного, к выбору солнечных батарей нужно подходить ответственно