Сравнительный обзор различных видов солнечных батарей

Основные критерии выбора

Прежде чем выбрать солнечную панель, необходимо четко знать о том, что она из себя представляет. Это накопитель тока постоянной величины, своего рода фотоэлектрический преобразователь на полупроводниковой основе. Его задача — преобразовывать энергию Солнца в электрическую. Таким образом, человек получает необходимое количество E, которая обеспечивает помещение светом, теплом и возможностью использовать бытовые электроприборы и технику.

Выбирая гелиосистему для частного дома или квартиры, нужно учитывать ряд обстоятельств. Первое — это условия климата. Если жилище находится в сухой и солнечной местности, это будет положительно влиять на производительность и рентабельность панелей. Чем дольше светит Солнце и чем длиннее день, тем выше окупаемость солнечных батарей с экономической точки зрения. Благодаря постоянному накоплению солнечной энергии всегда получится сэкономить на расходах за коммунальные услуги, не переплачивая за них государству. Для того чтобы определить, насколько местность, в которой вы проживаете, подходит для установки гелиосистемы, можно воспользоваться специальной картой освещенности.

Как выбрать солнечную батарею, учитывая процентный показатель потребности человека в тепле? Лучшие панели в данном случае — те, которые покрывают от 40 до 80% теплопотребности. Если система обладает меньшей производительностью — она будет очень дорого обходиться и не оправдает себя.

Подбирать систему нужно так, чтобы она оптимально вписалась в окружающее пространство и находилась в удобном месте — там, где к ней можно обеспечить доступ в любое время. Также понадобится произвести предварительный расчет мощности выбираемого комплекта. Это обеспечит бесперебойное снабжение помещения необходимым количеством энергии, даже в случае внезапного отключения электричества.

Какие солнечные батареи лучше? Безусловно, не стоит вестись на дешевые варианты, а заплатить определенную сумму и подобрать элементы высокого качества. Срок службы панелей, изготовленных из прочного кремния, может составлять до 25 лет, с минимальной потерей КПД и мощности.

Расчет мощности гелиосистемы

Для того чтобы электроснабжение от солнечных батарей было бесперебойным и стабильным, необходимо провести расчет мощности гелиосистемы. Можно сделать это самостоятельно, но если возникают сомнения и сложности, лучше обратиться к специалисту.

Как выбрать солнечную батарею для дома, чтобы она работала эффективно? Сразу стоит отметить, что во избежание потери мощности и стабильности работы гелиоустановки лучше сразу обзавестись таким устройством, как солнечный трекер. Для оптимальной работы панели должны быть постоянно наклонены под углом 90 градусов (по отношению к Солнцу). Тогда два модуля средних размеров смогут вырабатывать мощность до 100 Вт. При невозможности установки трекера рекомендуется обзавестись механической системой вращения на шарнирах. Ее нужно будет поворачивать 3-4 раза в день.

Расчет показателя мощности системы проводят исходя из того, сколько электричества в киловаттах потребляют в месяц. Допустим, в месяц мы тратим 120 кВт электроэнергии. В месяце 30 дней. 120 нужно разделить на 30. У нас получится 4 киловатта в день. Однако потребление электроэнергии за сутки может быть разным. Например, в какой-то день мы были дома, а какой-то — нет. Также следует учитывать особенности летнего и зимнего периода.

Это означает, что для точного расчета нам понадобится средний показатель в час. Для этого нужно полученные 4 киловатта разделить на 24 (количество часов в сутках). Получаем 166 Вт. Далее проводим расчет исходя из длительности светового дня. Обычно, он длится от 4 до 8 часов, в зависимости от широты и времени года. Необходимо 4 киловатта, которые мы потребляем в течение суток, разделить на 4-5 часов ( усредненный показатель длины светового дня). Итоговая сумма — 800 ватт. Это и есть необходимая нам мощность гелиосистемы. Она покроет все: и освещение, и работу бытовых приборов, и обогрев.

Как уже было отмечено, очень желательно установить солнечный трекер — для того, чтобы батареи накапливали в течение дня необходимые 4 кВт мощности в день. Есть и другой выход из положения: если нет возможности установить ни трекер, ни механическую системы вращения панелей, следует увеличить мощность гелиоустановки в 2 раза. Для этого придется монтировать еще одну панель дополнительно.

Технические характеристики: на что обратить внимание

Главным параметром фотоэлементной системы является мощность. Напряжение такой установки достигает максимума при ярком свете и зависит от количества соединенных последовательно элементов, которое почти во всех конструкциях равно 36. Мощность зависит от площади одного элемента и количества цепочек по 36 штук, соединенных параллельно.

Кроме самих батарей, важно подобрать контроллер зарядки аккумуляторов и инвертор, преобразующий заряд аккумуляторных батарей в напряжение сети, а также сами панели. В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя

Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной

В аккумуляторных батареях есть допустимый ток зарядки, который нельзя превышать, иначе система выйдет из строя. Зная напряжение аккумуляторов, легко определить мощность, необходимую для зарядки. Она должна быть больше мощности солнечной электростанции, иначе в солнечный день часть энергии окажется неиспользованной.

Контроллер обеспечивает заряд аккумуляторов и также должен иметь мощность, позволяющую полностью использовать энергию солнца.

К инвертору подключается оборудование, получающее энергию от ФЭС, поэтому его мощность должна соответствовать суммарной мощности электроприборов.

Кроме мощности и напряжения, важно выбрать фирму-производителя. Такое оборудование приобретается на срок несколько десятков лет, поэтому экономить на качестве нельзя

Производители, давно работающие на рынке, это понимают и дорожат своей репутацией. Можно почитать отзывы о них в интернете и выбрать с самыми положительными.

Комплектация батарей

О солнечных батареях множество людей думают ошибочно. Ведь сама по себе панель на крыше не может дать переменный ток.

Чтобы обеспечить жилище электричеством, придется приобрести:

1. Собственно солнечные панели. Это тот элемент конструкции, который крепится на стены или крышу дома. При попадании кванта солнечного света кремниевые кристаллы начинают колебаться, и создается электрический ток.
2. Аккумулятор. Энергия, которая не пошла на расход бытовых нужд, аккумулируется в этом приборе, и потом ночью или в ненастную погоду она расходуется.
3. Контроллер напряжения. Этот элемент является скорее не обязательным, а желательным. Он повышает продолжительность жизни аккумулятора, сообщает о его предельно низком и высоком заряде.
4. Инвертор, или преобразователь энергии. В аккумуляторе электрический ток находится в постоянном значении, а для бытовых нужд необходим переменный. Инвентор и совершает данное преобразование.

Как мы видим, солнечные панели – это лишь малая часть системы. Они сами состоят из более мелких элементов – модулей. Раз устройство данных элементов питания модульное, при необходимости посредством подсоединения составляющих вы можете добавить панели или убрать лишние.

Мощность и напряжение

Мощность панелей определяют следующим образом:

• Рассчитывают среднюю суммарную мощность потребления (по показателям электросчетчика, счетам за электроэнергию). Для среднедневного потребления показатели за месяц делят на количество дней.
• К полученному результату добавляют 20-30%, чтобы получить запас с учетом КД преобразования (потерь на заряд аккумуляторов и работу инвертора).
• По полученным данным рассчитывают выходную мощность панелей с учетом длительности светового дня. Для расчетов она принимается равной 6 ч, соответственно мощность батареи должна превосходить среднее потребление в 4 раза.
• Выбирают напряжение панели. Как правило, производители предлагают батареи с выходным напряжением 12В. Однако для заряда накопителей и повышения КПД преобразования постоянного напряжения переменное на инверторе (особенно при большой мощности), выгоднее иметь более высокие значения.Стандартно используют:
  • 12 В для систем для мощностей до 1 кВт.
  • 24 В или 36 В – до 5 кВт.
  • 48 В – более 5 кВт.

Такие напряжения получают последовательным соединением панелей.

• Определяют пиковую мощность, для чего суммируют мощности всех потребителей в доме.
• Определяют пиковую мощность с запасом 10-20%, например, на пусковые токи электродвигателей и работу нагревательных элементов системы ГВС, стиральной и посудомоечной машин и т.д.
• По пиковой мощности определяют максимальный ток панелей.
• В справочниках находят коэффициент инсоляции (в летнее и зимнее время) для местности.

Для дальнейших расчетов следует воспользоваться формулой:

P = Kc * Wn * Ki, учитывающей

• Кс – сезонный коэффициент, для летнего времени принимается равным 0.5, для зимнего — 0.7;
• Ki – коэффициент инсоляции, для летнего и зимнего времени;
• Wn – номинальную мощность панели.

Выбрав в каталогах производителей несколько моделей батарей для каждой из них рассчитывают мощность генерации в зимнее и летнее время.

Затем определяют необходимое количество панелей, разделив рассчитанную выше среднюю мощность потребления (с запасом) на мощность генерации. Вычисления ведут для зимнего и летнего периода, в качестве итога принимают большее значение.

Мнение эксперта
Гребнев Вадим Савельевич
Монтажник отопительных систем

Округления ведут до большего целого числа. При напряжениях более 12 В округляют до чисел кратных 2 для систем с питание 24В, 3 для 36В и 4 для 48 В.

После расчетов проверяют:

• Максимальную токовую нагрузку на панели по пиковому потреблению. Если максимальный ток больше, чем обеспечивают соединенные параллельно батареи, следует выбрать более мощные.
• Бюджет. Определяют общую стоимость панелей и сравнивают с выделенной на их покупку суммой.

Кремниевые монокристаллические панели

Описание

Для самих же пластин характерна поверхность однородного синего цвета. Кремний в этом случае требует высокой очистки. Понятно, что технологический процесс по очистке его отличается дороговизной. Затратным является и процесс, результатом которого является ориентирование кристаллов в одном направлении.

Важно: Характеристики рабочего слоя наибольший КПД обеспечивают лишь в случае, когда лучи падают на панели пол прямым углом. КПД у них достаточно высокий, но и цена тоже самая большая, в сравнении с другими видами пластин

КПД у них достаточно высокий, но и цена тоже самая большая, в сравнении с другими видами пластин.

Солнечным панелям монокристаллическим большой площади необходимы поворотные устройства. В таком виде они считаются идеальным решением для пустынь. Там их производительность наилучшая.

Из выращенного в условиях производства кристалла, имеющего вид цилиндра, вырезаются слои. Вот почему у готовых блоков углы скруглены.

Преимущества

• Высокий КПД – от 17 до 25 процентов;
• Небольшая площадь для установки;
• Период эксплуатации достигает 25 и более лет.

Рекомендуем:

Недостатки

Их немного:

• достаточно высокая цена;
• небыстрая окупаемость;
• поверхности панелей слишком чувствительны к различным загрязнениям. Поскольку свет хуже рассеивается на покрытой пылью панели, то и эффективность ее резко падает;
• необходимость в прямых лучах требует их размещения только на открытых местах и высоко от земли.

Чем область ближе расположена к экватору, тем большее там количество в году солнечных дней. И это вид панелей, использующих энергию солнца, наиболее предпочтительный.

Устройство и принцип работы солнечных панелей

Принцип работы солнечной батареи Первый вопрос, который волнует владельцев частных домов: «Как работает солнечная батарея для электроснабжения?». Давайте разбираться. Принцип функционирования заключается в эффекте полупроводников. Кремний отлично справляется с этой задачей

Однако важно понять, как возникает эффект полупроводников при нагревании панелей

Фотоэлементы являются полупроводниками. А любой полупроводник — это такой тип материала, в атомарной структуре которого либо есть лишние электронные пары, либо их нет. Исходя из этого можно классифицировать полупроводник как материал, состоящий из двух слоев с разной проводимостью. Именно они и выступают в качестве катода (n) и анода (p) при подключении полупроводника (а в нашем случае фотоэлемента) в электрическую цепь.

Затем электроны переходят в цепь и проходя через нагрузку (аккумулятор) накапливают энергию, которая в свою очередь может быть потрачена на освещение, обогрев или работу тех или иных электроприборов.

Принцип работы солнечной электростанции для жилого дома

Разумеется, один фотоэлемент вырабатывает сравнительно небольшое количество энергии, поэтому солнечная батарея для частного дома должна быть многофункциональной. Это модули из множества фотоэлементов, объединенных в общую цепь – панель.

Также важно помнить, как правильно крепить модуль на крышу дома. Размещать панели нужно на хорошо освещенном участке, на балконе, веранде или прилегающей территории

Размещать панели нужно на хорошо освещенном участке, на балконе, веранде или прилегающей территории.

Чтобы лучи падали под углом в 90 градусов (южное направление). А сила тока солнечной системы зависит от интенсивности освещения.

Рассмотрим устройство солнечных батарей. В панели каждый фотоэлемент крепится в своей ячейке, чтобы была возможность легкой замены в случае поломки или выхода из строя отдельных блоков разной мощности. Сама конструкция для защиты от факторов окружающей среды, а также механического или иного физического воздействия покрывается прочной пластмассовой пластиной или каленым защитным стеклом.

Из чего делают пленочные батареи?

Разработка пленочных батарей обусловлена:

1. Потребностями в снижении стоимости солнечных батарей.
2. Необходимостью в улучшении производительности и технических характеристик.

На основе CdTe

Исследования теллурида кадмия, как светопоглощающего материала для солнечных батарей начались еще в 70-х годах. В то время его рассматривали как один из оптимальных вариантов для использования в космосе, сегодня же батареи на основе CdTe являются одними из самых перспективных в земной солнечной энергетике. Так как кадмий является кумулятивным ядом, то дискуссии возникают лишь по одному вопросу: токсичен или нет? Но исследования показывают, что уровень кадмия, высвобождаемого в атмосферу, ничтожно мал, и опасаться его вреда не стоит. Значение КПД составляет порядка 11%. Согласитесь, цифра небольшая, зато стоимость ватта мощности таких батарей на 20-30% меньше, чем у кремниевых.

На основе селенида меди-индия

Как понятно из названия, в качестве полупроводников используются медь, индий и селен, иногда некоторые элементы индия замещают галлием. Такая практика объясняется тем, что большая часть производящегося на сегодня индия требуется для производства плоских мониторов. Именно поэтому с целью экономии индий замещают на галлий, который обладает схожими свойствами. Пленочные солнечные батареи на основе селенида меди-индия имеют КПД равный 15-20%. Следует иметь в виду, что без использования галлия эффективность солнечных батарей возрастает примерно на 14%.

На основе полимеров

• Низкая стоимость производства.
• Легкость и доступность.
• Отсутствие вредного воздействия на окружающую среду.

Применяются полимерные батареи в областях, где наибольшее значение имеет механическая эластичность и экологичность утилизации. В таблице 2 приведены обобщенные данные о КПД разных видов солнечных батарей.

Таблица 2

КПД солнечных элементов, выпускаемых в производственных масштабах
Моно	17-22%
Поли	12-18%
Аморфные	5-6%
На основе теллурида кадмия	10-12%
На основе селенида меди-индия	15-20%
На основе полимеров	5-6%

Надеемся, что теперь Вы ясно представляете себе, из чего делают поли- и монокристаллические, пленочные, полимерные солнечные батареи и другие. Эта информация поможет Вам сделать правильный выбор при покупке солнечных модулей. Ведь система энергопотребления, основанная на солнечной энергии, является долговременной инвестицией. Переходя на альтернативные, в частности, солнечные источники энергии, Вы не только снижаете свои затраты на потребляемые энергоресурсы, но и делаете ощутимый вклад в чистоту окружающей нас среды.

Статью подготовила Абдуллина Регина

Как выбрать подходящую солнечную батарею

Ранее мы перечислили основные критерии, которыми нужно руководствоваться при выборе солнечных батарей. Наиболее важными из них являются: производитель, качество и количество элементов, максимальная мощность, а также наличие защитных диодов. Сегодня покупатель солнечной батареи оказывается перед выбором: монокристаллические и поликристаллические.

• Монокристаллические. Они отличаются высоким процентом КПД, и с каждым годом эксплуатации заявленный показатель практически не снижается. Монокристаллические системы достаточно надежны и, по мнению специалистов, считаются лучшими среди прочих предложений, особенно для регионов с палящим солнцем. Работают в одностороннем направлении, за счет чего и повышается эффективность.
• Поликристаллические. Здесь кристаллы объединены в фотоэлементы. Такой вид батарей подойдет больше для небольших потребностей снабжения электроэнергии – дача или загородный дом. Они уступают по эффективности монокристаллическим, но зато и стоят дешевле. Применяются в регионах с любым типом активности солнечных лучей.

Если вам нужно выжать из солнечной батареи максимум мощности для обеспечения своих потребностей в электроэнергии, тогда лучше выбирать монокристаллические. Их эффективность выше поликристаллических даже при условии небольшой площади для их размещения.

Снижение мощности солнечной панели в процессе эксплуатации может снижаться, и чаще всего это связано с качеством ламинирующей пленки. Так как агрессивное воздействие ультрафиолетовых лучей ухудшает ее прозрачность. А результатом затемнения пленки является сниженная проходимость света и процент вырабатываемой мощности энергии и ее преобразования. Поэтому не экономьте деньги на качестве модулей, выбирайте Grand A с высоким показателем КПД.

Как выбрать солнечные батареи для частного дома?

При выборе подходящих батарей учитывайте вместимость резервуара для воды. Слишком маленький бак не сможет летом получать все тепло от батарей. С другой стороны, в слишком большом баке вода никогда не будет достаточно горячей, и ее придется повторно нагревать.

Для семьи из четырех человек мы рекомендуем использовать резервуары емкостью около 300 л. Для нагрева такого количества воды достаточно 2 или 3 коллектора площадью около 2 кв. м.

Что касаемо выбора самих солнечных панелей, то их можно разделить на три категории по эффективности:

• Высокоэффективные (SunPower);
• Панели со средней эффективностью (REC, QCells, LONGi);
• Бюджетные (полностью поликристаллические модели).

Неэффективность панели вовсе не означает, что она не сможет вырабатывать энергию. Это значит ее более низкую мощность, то есть вам понадобится больше панелей, чтобы получить такой же эффект как у более мощных моделей.

Следует знать, что с увеличением производительности качество изготовления (выражаемое, например, в сроках гарантии на продукт) также увеличивается, но и цена панелей также растет. Так как:

1. Средние и неэффективные фотоэлементы используются в наземных установках, потому что это более выгодно, площадь поверхности не является таким ограничением, и если что-то сломается, то легко заменить;
2. На крышах используются очень эффективные и качественные, среднеэффективные панели, потому что обычно ограничивается поверхность, установка каждой панели стоит дороже, а если что-то сломается, заменить сложнее.

Однако все это лишь общие рекомендации, и все зависит от ситуации и затрат.

Мощность панели определяет, сколько электроэнергии будет производить данная панель (в условиях тестирования), однако ее производительность (или, лучше сказать, эффективность) определяет степень, в которой данная панель преобразует солнечное излучение в электричество.

Обратите внимание, мощность зависит от размера панели, а КПД — нет. Необходимо различать эти две концепции, чтобы можно было хорошо сравнить несколько панелей

Какие солнечные панели наиболее мощные, эффективные?

Панели Bruk-bet имеют самую высокую мощность, но самую низкую эффективность. Преимущество в мощности просто связано с большим количеством ячеек.

Очень хороши солнечные панели REC и Sharp, хотя первые больше по размерам и тяжелее. Размер панелей важен в том смысле, что пространство на крыше обычно ограничено.

Что касаемо надежности. Солнечные батареи — это устройства, настолько простые по своей конструкции, что они не сломаются без внешнего вмешательства. Исключение составляют изделия, которые перестанут работать из-за производственных дефектов. Однако это, как правило, самые дешевые панели китайского производства.

Тем не менее, товар может быть поврежден при транспортировке

С этой точки зрения важно кто продавец панелей, как выглядит гарантийное и послегарантийное обслуживание. Каждый производитель и каждый поставщик должен определять строгие условия гарантии, и они обычно схожи

Поэтому при покупке солнечных батарей следует обязательно обращать внимание на гарантию

Как устроены солнечные батареи?

Стандартная солнечная батарея состоит из алюминиевой рамы, солнечных элементов, специального стекла, подложки, токоведущих жил и распределительной коробки.

Рис. 1 Устройство солнечной батареи

Рама панели – алюминиевая конструкция, придающая жесткость изделию и образующая основу для остальных деталей батареи. Солнечные элементы – кремниевые полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, выращиваемые, как правило, монокристаллическим или поликристаллическим методом. Использование полупроводниковых преобразователей дает возможность прямого, одноступенчатого преобразования энергии, что позволяет использовать солнечные батареи наиболее эффективно.

В солнечной батарее используется фотовольтаический эффект, возникающий в неоднородных полупроводниковых структурах при контакте с солнечным излучением. Неоднородность полупроводникового слоя солнечной батареи достигается легированием одного полупроводникового слоя различными примесями или соединением нескольких слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны – созданием гетеропереходов. Также методом получения неоднородных кремниевых полупроводников является изменение химического состава полупроводника. Эффективность использования фотопроводника характеризуется оптическими свойствами проводника, одним из которых является фотопроводимость. Потери энергии при работе солнечных батарей связаны с несколькими процессами: частичным отражением солнечных лучей от поверхности преобразователей; прохождением части лучей, через фотопреобразователи без поглощения в них; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловых колебаниях решетки; внутренним сопротивлением преобразователей.

Обзор бескремниевых устройств

Некоторые солнечные панели, изготовленные с применением редких и дорогостоящих металлов, имеют КПД более 30%. Они в разы дороже своих кремниевых аналогов, но всё-таки заняли высокотехнологичную торговую нишу, благодаря своим особенным характеристикам.

Солнечные панели из редких металлов

Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей.

Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.

Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов

Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).

Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно.

КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%. Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление.

Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.

В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.

Полимерные и органические аналоги

Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов. Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий.

Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм.

При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.

Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным.

Преимуществами органических солнечных панелей являются:

• возможность экологически безопасной утилизации;
• дешевизна производства;
• гибкая конструкция.

К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.