Tipuri de baterii solare: analiză comparativă a construcțiilor și sfaturi pentru alegerea panourilor

Energia alternativă se dezvoltă la maximum în Europa, demonstrând prin rezultate potențialul său. Apar noi tipuri de panouri solare, iar randamentul lor crește.

Dacă doriți să asigurați funcționarea unei clădiri industriale sau a unei locuințe cu energie solară, este necesar să vă informați în prealabil despre diferențele dintre echipamente și să înțelegeti ce panouri solare sunt potrivite pentru condițiile climatice ale unei anumite regiuni.

Vă vom ajuta să înțelegeți această problemă. În articol este analizat principiul de funcționare al convertoarelor fotoelectrice, este prezentată o trecere în revistă a diferitelor tipuri de panouri solare cu indicarea caracteristicilor, avantajelor și dezavantajelor acestora. După ce vă familiarizați cu materialul, veți putea face alegerea corectă pentru amenajarea unui sistem solar eficient.

Principiul de funcționare al panourilor solare

Marea majoritate a panourilor solare sunt, în sens fizic, convertoare fotoelectrice. Efectul de generare a electricității apare la joncțiunea semiconductoare p-n.

Tocmai plăcile de siliciu constitue baza costurilor panourilor solare, dar atunci când acestea sunt utilizate ca sursă de energie electrică non-stop, va fi necesar să cumpărați suplimentar baterii de acumulatori costisitoare.

Panoul este format din două plăci de siliciu cu proprietăți diferite. Sub acțiunea luminii, într-una dintre ele apare o lipsă de electroni, iar în cealaltă — un surplus. Fiecare placă are benzi de cupru care colectează curentul și care se conectează la convertoarele de tensiune.

Un panou solar industrial este format dintr-o multitudine de celule fotoelectrice laminate, unite între ele și fixate pe un substrat flexibil sau rigid.

Randamentul echipamentului depinde în mare măsură de puritatea siliciului și de orientarea cristalelor sale. Tocmai acești parametri încearcă inginerii să îi îmbunătățească în ultimele decenii. Problema principală în acest caz este costul ridicat al proceselor care stau la baza purificării siliciului și al alinierii cristalelor într-o singură direcție pe întregul panou.

În fiecare an, randamentele maxime ale diferitelor panouri solare cresc, deoarece se investesc miliarde de dolari în cercetarea de noi materiale fotovoltaice (+)

Semiconductorii convertoarelor fotovoltaice pot fi fabricați nu doar din siliciu, ci și din alte materiale – principiul de funcționare a bateriei nu se modifică.

Tipuri de convertoare fotoelectrice

Panourile solare industriale se clasifică după caracteristicile lor de construcție și tipul stratului fotovoltaic activ.

Se deosebesc următoarele tipuri de baterii după tipul de dispozitiv:

• panouri flexibile;
• module rigide.

Panourile flexibile cu peliculă subțire ocupă treptat o nișă tot mai mare pe piață datorită versatilității lor de montare, deoarece pot fi instalate pe majoritatea suprafețelor cu diverse forme arhitecturale.

Caracteristicile reale ale panourilor solare sunt de obicei mai mici decât cele indicate în instrucțiuni. Prin urmare, înainte de a le instala acasă, este recomandabil să vedeți personal un proiect similar realizat.

După tipul stratului fotovoltaic activ, bateriile solare se împart în următoarele varietăți:

1. Cu siliciu: monocristaline, policristaline, amorfe.
2. Telur-cadmiu.
3. Pe bază de seleniură de indiu-cupru-galiu.
4. Polimerice.
5. Organice.
6. Pe bază de arseniură de galiu.
7. Combinate și multistrat.

Nu toate tipurile de panouri solare prezintă interes pentru consumatorul larg, ci doar primele două subtipuri cristaline.

Deși unele alte tipuri de panouri au randamente mai mari, din cauza costului ridicat nu au obținut o răspândire largă.

Elementele fotovoltaice din siliciu sunt destul de sensibile la încălzire. Temperatura de bază pentru măsurarea generării de energie electrică este de 25°C. La creșterea acesteia cu un grad, eficiența panourilor scade cu 0,45-0,5%.

În continuare, vor fi examinate în detaliu panourile solare care prezintă cel mai mare interes pentru consumatori.

Caracteristicile panourilor pe bază de siliciu

Siliciul pentru panourile solare se fabrică din pulbere de cuarț – cristale de cuarț măcinate. Cele mai bogate zăcăminte de materie primă se află în Siberia de Vest și în Uralul Mijlociu, astfel încât perspectivele acestei direcții a energiei solare sunt practic nelimitate.

Chiar și acum, panourile din siliciu cristalin și amorf ocupă deja peste 80% din piață. Prin urmare, merită să le examinăm mai detaliat.

Panouri solare monocristaline din siliciu

Plăcile moderne din siliciu monocristalin (mono-Si) au o culoare uniformă albastru-închis pe întreaga suprafață. Pentru producția lor se utilizează cel mai pur siliciu. Dintre toate plăcile de siliciu, celulele fotovoltaice monocristaline au cel mai mare preț, dar asigură și cea mai bună eficiență.

Panourile solare monocristaline mari cu mecanisme de rotire se integrează perfect în peisajele deșertice. Acolo sunt asigurate condițiile pentru o productivitate maximă.

Costul ridicat de producție se datorează complexității orientării tuturor cristalelor de siliciu într-o singură direcție. Din cauza acestor proprietăți fizice ale stratului activ, eficiența maximă este asigurată doar atunci când razele solare cad perpendicular pe suprafața plăcii.

Bateriile monocristaline necesită echipamente suplimentare care să le rotească automat pe parcursul zilei, astfel încât planul panourilor să fie cât mai perpendicular pe razele solare.

Straturile de siliciu cu cristale orientate unilateral sunt tăiate dintr-un bloc cilindric de metal, astfel încât blocurile fotovoltaice finite au aspectul unui pătrat cu colțurile rotunjite.

Printre avantajele bateriilor din siliciu monocristalin se numără:

1. Eficiență ridicată cu o valoare de 17-25%.
2. Compactitate – suprafață mai mică de amplasare a echipamentelor pe unitatea de putere, în comparație cu panourile din siliciu policristalin.
3. Durabilitate – eficiența suficientă a generării de energie electrică este asigurată timp de până la 25 de ani.

Deficiențele unor astfel de baterii sunt doar două:

1. Cost ridicat și o perioadă lungă de amortizare.
2. Sensibilitate la murdărie. Praful difuzează lumina, astfel încât la panourile solare acoperite de el eficiența scade drastic.

Din cauza necesității de raze solare directe, panourile solare monocristaline sunt instalate în principal pe terenuri deschise sau la înălțime. Cu cât zona este mai aproape de ecuator și cu cât are mai multe zile însorite, cu atât este mai preferabilă instalarea acestui tip de elemente fotovoltaice.

Panouri solare policristaline

Panourile din siliciu policristalin (multi-Si) au o culoare albastră neuniformă ca intensitate, datorită orientării variate a cristalelor. Puritatea siliciului utilizat în producția lor este ușor mai mică decât cea a omologilor monocristalini.

Orientarea diversă a cristalelor asigură un randament ridicat în lumină difuză – 12-18%. Acesta este mai mic decât în cristalele unidirecționale, dar în condiții de vreme înnorată, astfel de panouri se dovedesc a fi mai eficiente.

Neomogenitatea materialului duce și la reducerea costului de producție a siliciului. Metalul purificat pentru panourile solare policristaline este turnat în forme fără artificii speciale.

În producție se folosesc tehnici speciale pentru formarea cristalelor, însă orientarea lor nu este controlată. După răcire, siliciul este tăiat în straturi și prelucrat conform unui algoritm special.

Panourile policristaline nu necesită o orientare constantă spre soare, de aceea pentru amplasarea lor se folosesc activ acoperișurile caselor și clădirilor industriale.

Ziua, în condiții de nori ușori, avantajele panourilor solare din siliciu amorf nu vor fi vizibile; calitățile lor se relevă doar la nori denși sau la umbră (+)

Printre avantajele panourilor solare cu cristale multidirecționale se numără:

1. Eficiență ridicată în condiții de lumină difuză.
2. Posibilitatea de montare staționară pe acoperișurile clădirilor.
3. Cost mai mic comparativ cu panourile monocristaline.
4. Durata de exploatare – scăderea eficienței după 20 de ani de exploatare este de numai 15-20%.

Panourile policristaline au și dezavantaje:

1. Randament redus cu o valoare de 12-18%.
2. Voluminozitate relativă – necesită mai mult spațiu pentru instalare pe unitatea de putere în comparație cu omologii monocristalini.

Panourile solare policristaline câștigă o cotă de piață tot mai mare printre alte baterii cu siliciu. Acest lucru este asigurat de potențialele largi de reducere a costului de producție. De asemenea, randamentul acestor panouri crește anual, apropiindu-se rapid de 20% la produsele de masă.

Panouri solare din siliciu amorf

Mecanismul de producție a panourilor solare din siliciu amorf diferă fundamental de fabricarea elementelor fotovoltaice cristaline. Aici nu se utilizează nemetalul pur, ci hidrura acestuia, ai cărei vapori fierbinți se depun pe substrat.

Ca urmare a acestei tehnologii, cristalele clasice nu se formează, iar costurile de producție scad drastic.

Fotoelementele din siliciu amorf depus pot fi fixate atât pe un substrat polimeric flexibil, cât și pe o placă rigidă de sticlă.

În prezent, există deja trei generații de panouri din siliciu amorf, la fiecare dintre acestea eficiența crescând considerabil. Dacă primele module fotovoltaice aveau o eficiență de 4-5%, acum pe piață se vând în masă modelele din a doua generație, cu o eficiență de 8-9%.

Panourile amorfe din ultimele dezvoltări au o eficiență de până la 12% și încep deja să apară în vânzare, dar sunt încă destul de scumpe.

Datorită particularităților acestei tehnologii de producție, se poate crea un strat de siliciu atât pe un substrat rigid, cât și pe unul flexibil. Din această cauză, modulele din siliciu amorf sunt utilizate activ în modulele solare flexibile cu peliculă subțire. Însă variantele cu substrat elastic costă mult mai mult.

Structura fizico-chimică a siliciului amorf permite absorbția maximă a fotonilor luminii slabe difuze pentru generarea de energie electrică. De aceea, astfel de panouri sunt utile pentru aplicarea în regiunile nordice cu suprafețe libere mari.

Eficiența bateriilor pe bază de siliciu amorf nu scade nici la temperaturi ridicate, deși sunt inferioare din acest punct de vedere panourilor din arseniură de galiu.

La același cost al echipamentului, panourile solare din hidrură de siliciu prezintă o productivitate mai mare decât omoloagele lor mono- și policristaline (+)

În concluzie, se pot menționa următoarele avantaje ale panourilor solare amorfe:

1. Versatilitate – posibilitatea fabricării de panouri flexibile și subțiri, montarea bateriilor pe orice forme arhitecturale.
2. Eficiență ridicată la lumină difuză.
3. Funcționare stabilă la temperaturi ridicate.
4. Simplitate și fiabilitate a construcției. Astfel de panouri practic nu se strică.
5. Menținerea funcționalității în condiții dificile – o scădere mai mică a productivității la înfundarea suprafeței cu praf, comparativ cu omoloagele cristaline

Durata de viață a acestor elemente fotovoltaice, începând cu a doua generație, este de 20-25 de ani, cu o scădere a puterii de 15-20%. Printre dezavantajele panourilor din siliciu amorf se poate menționa doar nevoia de suprafețe mai mari pentru amplasarea echipamentelor de putere necesară.

Prezentare generală a dispozitivelor fără siliciu

Unele panouri solare fabricate cu metale rare și costisitoare au o eficiență de peste 30%. Sunt de câteva ori mai scumpe decât omoloagele lor din siliciu, dar totuși au ocupat o nișă comercială de înaltă tehnologie, datorită caracteristicilor lor speciale.

Panouri solare din metale rare

Există mai multe tipuri de panouri solare din metale rare, și nu toate au o eficiență mai mare decât modulele monocristaline din siliciu.

Cu toate acestea, capacitatea de a lucra în condiții extreme permite producătorilor unor astfel de panouri solare să lanseze produse competitive și să efectueze cercetări suplimentare.

Panourile din telurură de cadmiu sunt utilizate activ la placarea clădirilor în țările ecuatoriale și arabe, unde suprafața lor se încălzește ziua până la 70-80 de grade.

Principalele aliaje utilizate pentru fabricarea elementelor fotovoltaice sunt telurura de cadmiu (CdTe), seleniura de indiu-cupru-galiu (CIGS) și seleniura de indiu-cupru (CIS).

Cadmiul este un metal toxic, iar indiul, galiul și telurul sunt destul de rare și costisitoare, de aceea producția în masă a panourilor solare pe baza lor este imposibilă chiar și teoretic.

Randamentul acestor panouri este la nivel de 25-35%, deși în cazuri excepționale poate ajunge până la 40%. Anterior, acestea erau utilizate mai ales în industria spațială, iar acum a apărut o nouă direcție promițătoare.

Datorită funcționării stabile a fotoelementelor din metale rare la temperaturi de 130-150°C, acestea sunt utilizate în centralele solare termice. În acest caz, razele soarelui de la zeci sau sute de oglinzi sunt concentrate pe un panou mic, care generează simultan energie electrică și asigură transferul de energie termică unui schimbător de căldură cu apă.

În urma încălzirii apei, se formează abur care face să se rotească turbina și să genereze energie electrică. Astfel, energia solară este transformată în energie electrică simultan pe două căi, cu eficiență maximă.

Analogi polimerici și organici

Modulele fotovoltaice pe bază de compuși organici și polimerici au început să fie dezvoltate abia în ultimul deceniu, dar cercetătorii au obținut deja succese semnificative. Cel mai mare progres îl demonstrează compania europeană Heliatek, care a dotat deja mai multe clădiri înalte cu panouri solare organice.

Grosimea construcției sale de folie rulată de tip HeliaFilm este de doar 1 mm.

La fabricarea panourilor polimerice se utilizează substanțe precum fulerene de carbon, ftalocianină de cupru, polifenilenă și altele. Randamentul acestor fotoelemente atinge deja 14-15%, iar costul de producție este de câteva ori mai mic decât cel al panourilor solare cristaline.

Problema duratei de degradare a stratului de lucru organic este stringentă. Deocamdată, nu este posibil să se confirme cu certitudine nivelul randamentului său după câțiva ani de exploatare.

Avantajele panourilor solare organice sunt:

• posibilitatea de eliminare ecologică sigură;
• costul redus de producție;
• construcția flexibilă.

Printre dezavantajele acestor fotoelemente se numără randamentul relativ scăzut și lipsa de informații fiabile privind perioadele de funcționare stabilă a panourilor. Este posibil ca, peste 5-10 ani, toate minusurile fotoelementelor solare organice să dispară, iar acestea să devină concurenți serioși pentru plăcile de siliciu.

Ce panou solar să alegeți?

Alegerea panourilor solare pentru casele de la țară la latitudini de 45-60° nu este dificilă. Aici merită să luați în considerare doar două opțiuni: panourile din siliciu policristalin și monocristalin.

În cazul deficitului de spațiu, este mai bine să acordați preferință modelelor mai eficiente cu orientare unilaterală a cristalelor; în cazul spațiului nelimitat, se recomandă achiziționarea de baterii policristaline.

Nu merită să vă orientați după prognozele companiilor de analiză a dezvoltării pieței panourilor solare, deoarece cele mai bune modele ale lor poate nu au fost încă inventate.

Este mai bine să alegeți producătorul specific, puterea necesară și echipamentul suplimentar cu participarea managerilor companiilor care se ocupă de vânzarea și instalarea unui astfel de echipament. Trebuie să știți că calitatea și prețul modulelor fotovoltaice la cei mai mari producători diferă puțin.

Trebuie să țineți cont că, la comandarea unui set de echipamente „la cheie”, costul panourilor solare în sine va constitui doar 30-40% din suma totală. Perioadele de recuperare a unor astfel de proiecte sunt de 5-10 ani și depind de nivelul consumului de energie și de posibilitatea de a vinde surplusul de electricitate în rețeaua urbană.

Unii meșteri preferă să asambleze bateriile solare personal. Pe site-ul nostru există articole cu descrierea detaliată a tehnologiei de fabricare a unor astfel de panouri, a conectării lor și a amenajării sistemelor solare de încălzire.

Vă recomandăm să consultați:

1. Cum să realizați un panou solar cu propriile mâini: instrucțiuni pentru asamblarea proprie
2. Sisteme solare de încălzire: analiza tehnologiilor de amenajare a încălzirii pe baza sistemelor solare
3. Shemă de conectare a panourilor solare: la controler, la acumulator și la sistemele alimentate

Concluzii și material video util pe această temă

Videoclipurile prezentate arată funcționarea diferitelor panouri solare în condiții reale. De asemenea, ele vă vor ajuta să înțelegeți aspectele legate de alegerea echipamentului auxiliar.

Reguli de alegere a panourilor solare și a echipamentului auxiliar:

Tipuri de panouri solare:

Testarea panourilor monocristaline și policristaline:

Pentru populație și obiecte industriale mici, nu există încă o alternativă reală la panourile din siliciu cristalin. Dar ritmul de dezvoltare a noilor tipuri de baterii solare ne face să sperăm că în curând energia solară va deveni principala sursă de electricitate în multe case de la țară.

Tuturor celor interesați de alegerea și utilizarea bateriilor solare le propunem să lase comentarii, să adreseze întrebări și să participe la discuții. Formularul de contact se află în blocul de jos.