С чего делают солнечные панели

Солнечная батарея – альтернативный источник энергии

Заботясь об окружающем мире и, в то же время, экономя бюджет во многих странах применяют альтернативные источники энергии. Какие солнечные батареи и где применяются узнаем в этой статье.

Область применения солнечных батарей

Человечество научилось пользоваться солнечной энергией во многих областях своей жизни. Какие существуют солнечные батареи и где именно применяются? Вот самые интересные факты:

1. Электроника – уже давно во всем мире делают портативные устройства вроде калькуляторов, карманных фонариков и пр.
2. Авиация – в данной области не так давно произошел прорыв: в Швейцарии создан самолет, использующий лишь солнечную энергию, запасая ее в батареи аккумулятора. Первый полет прототипа продолжался 26 часов.
3. Электромобили – здесь применение солнечной энергии малоэффективно, КПД на уровне 10–15%. Поэтому много электричества для аккумулятора автомобиль запасти не может, к тому же солнце светит не всегда, сокращая тем самым суточный пробег.
4. Энергообеспечение зданий – крыши домов некоторых тропических стран оборудованы солнечными батареями. Так значительно экономится электричество.
5. Дороги – в 2014 открылась велодорожка в Голландии, выложенная солнечными панелями. Проект оказался недостаточно эффективен, но сейчас рассматривается строительство проезжих частей из солнечных батарей во Франции. По таким дорогам электромобили смогут передвигаться без подзарядки.
6. Космос – здесь солнце светит постоянно и без помех для солнечного модуля, поэтому на космических аппаратах они устанавливаются повсеместно.
7. Медицина – учеными из Южной Кореи была разработана солнечная батарея, вживляемая под кожу. Она тоньше волоса в 15 раз, ее цель – обеспечить имплантированное в тело оборудование бесперебойным электричеством.

Устройство и принцип работы солнечных батарей

Составные части солнечной батареи называются фотоэлементами. Соединение между ними параллельное и последовательное, а располагают их на каркасе из материалов, не проводящих электричество. Полупроводники работают благодаря фотогальваническому эффекту, означающему трансформацию лучистой энергии солнца в электричество.

Из чего делают солнечные батареи.

Для изготовления солнечных батарей используют кремний, это второй по распространенности химический элемент на Земле. У него высокая электропроводимость и хорошая способность притягивать солнечные лучи. Однако обычный кремний для данного производства не годится, его преобразовывают в пригодный, по специальной технологии. Изготовление такого кремния – очень дорогой и сложный процесс.

Бывают два вида фотоэлектрических преобразователей: на основе монокристаллического и поликристаллического кремния. Их производят по разной технологии. КПД первого равен 17,5%, а второго – менее 15%. Конструкция состоит из отдельных модулей, подключаемых между собой блоками.

Из чего делают солнечные батареи зависит от ее наиболее значимого параметра – полезной мощности. Расчет экономичности всей установки зависит именно от нее. Полезная мощность определяется по напряжению и силе тока на выходе, на которые влияет интенсивность лучей солнца.

В итоге электроэнергия переходит на хранение в аккумуляторы и накапливается там. Аккумулятор – это химический источник тока, который заряжается при контакте с потенциалом больше его собственного напряжения. Слабый солнечный свет снижает интенсивность заряда батареи аккумулятора, тогда она отдает энергию электроприемнику. Получается, что аккумуляторная батарея всегда функционирует в режиме разрядки и подзарядки.

Следить за этими процессами можно при помощи специального контроллера. Циклический заряд требует постоянного напряжения или постоянного заряда тока. Когда заряд батареи полон, к ней еще подключают резистор, поглощающий избыточную мощность.

Какие солнечные батареи можно изготовить своими руками?

Расчет собственной солнечной электростанции не должен сразу быть грандиозным и масштабным. Достаточно будет в первый раз сделать пробную панель небольшой площади, а потом, используя те же схемы, нарастить на конструкцию остальные элементы.

1. Изготовление каркаса. Здесь расчет максимально простой, а материалом служат алюминиевые уголки, либо уже готовые рамы со стеклом. Покрытие может быть прозрачным и с минимальной пропускной способностью ИК-спектра, чтобы не спровоцировать нагревание кремниевых элементов. Менее подходящий – поликарбонат, а наиболее доступным можно считать стекло, оптимальное решение – плексиглас.
2. Монтаж корпуса батареи. Необходимо включить в расчет дополнительное расстояние между модулями, около 3 мм. Схема требует предварительного изготовления рамы, соединение выполняют при помощи метизов. Чтобы расчет долговечности батареи оправдал себя, должна быть обеспечена максимальная герметичность конструкции. В раму закладывается лист прозрачного материала, прижимается и фиксируется, все должно хорошо просохнуть, чтобы испарения герметика не создали пленку на элементах. Соединение углов проводится согласно схемы метизами и шурупами.
3. Пайка солнечных элементов. Кропотливый и сложный процесс, но если произвести расчет, самодельная солнечная батарея обойдется в 4 раза дешевле заводской панели. Сэкономить средства поможет покупка в интернете элементов с дефектами, которые не потеряли своей функциональности. Однако внешний вид всей конструкции несколько пострадает. Сперва необходимо припаять контакты, нужно быть аккуратным, так как солнечные элементы довольно хрупкие. Нужно изготовить картонную заготовку и по ней нарезать проводники. Ориентируйтесь схемы, на пайку уйдет много времени.
4. Сборка солнечной панели. Соединение элементов проще проводить на разметочной подложке, в расчет площади нужно добавить 3–5 мм между каждой частью батареи. За основу можно взять лист фанеры, маркировать уголки на нем и закрепить элементы поочередно на монтажную ленту. Герметизация не нужна, однако такой способ крепления в полевых условиях не обеспечит долгую службу панели. Электрическая схема пайки подразумевает расположение «плюсовых» дорожек на лицевой, а «минусовых» на обратной стороне элементов. Далее следует нанесение флюса и припоя, а затем аккуратная пайка серебряных контактов. Клемма выводится на внешнюю сторону рамы. Соединение токовыводящих проводов должно быть изолировано, для этого могут быть использованы трубки для капельницы.

Добросовестный расчет, качественное оборудование, четкая схема и усидчивость обеспечат долгое функционирование самодельной солнечной батареи для домашних нужд.

Недостатки и преимущества источников солнечной энергии

Устройство солнечной батареи можно охарактеризовать как с положительной, так и с отрицательной стороны.

Плюсы

• все оборудование весит относительно немного;
• отсутствие необходимости прокладывания к опорам кабеля;
• расходы на установку и обслуживание панелей сведено к минимуму;
• оборудование при работе не издает абсолютно никакого шума;
• энергия солнца экологически чистая;
• общедоступность и неисчерпаемость;
• солнечные батареи способны прослужить довольно долго.

Минусы

• процесс сборки и расчет требуют большого труда;
• ночью батареи не вырабатывают электричество;
• солнечные панели очень громоздкие;
• низкий КПД – в электричество преобразуется около 20% энергии, остальное рассеивается в виде тепла;
• эффективность работы панелей снижается при пасмурной погоде;
• оборудование чувствительно к загрязнениям и механическим повреждениям.

Факторы, которые необходимо учитывать при конструировании солнечных батарей:

• региональные особенности солнечной активности;
• расчет угла наклона солнечной панели и возможность ее слежения за солнцем;
• насколько энергоемко оборудование, которое будет питать солнечная батарея;
• важно, из чего изготовлены панели (оргстекло, кремний, стекло и т.д.).

Источник

Из чего делают солнечные батареи: особенности строения различных поколений панелей

До недавних пор на вопрос «из чего делают солнечные батареи» существовал всего один ответ – из кремниевых ячеек в жесткой раме с толстым защитным стеклом. Сегодня ситуация кардинально изменилась, хотя панели на основе кремния по-прежнему занимают большую часть мирового рынка. При изготовлении фотовольтаики дома, из подручных материалов, такие ячейки также применяются чаще других. Однако перспективные разработки последних лет создаются на совершенно иных технологиях и значительно отличаются от старых моделей конструктивно.

Краткая история модифицирования: три поколения солнечных батарей

Специалисты разделяют все фотоэлектрические устройства, способные поглощать световые фотоны и преобразовывать их в электрический ток, на три поколения.

1. Из чего состоят солнечные батареи первого поколения

Конструктивно такие модули состоят из следующих элементов:

• металлического листа-основы – базового контакта;
• нижнего присадочного слоя кремниевого полупроводника с преобладанием электронов n-типа – за счет добавления фосфора;
• верхнего кристаллического слоя, насыщенного электронами р-типа – обычно, путем легирования бором;
• антиотражающего покрытия – для максимизации поглощения излучения;
• тонкого металлизированного контакта сеточного типа с проводом для замыкания сети;
• толстого защитного стекла – как правило, сверхпрочного закаленного;
• обрамляющей рамы.

Толщина монокристаллических Mono-Si или поликристаллических Poli-Si кремниевых пластин в ячейках составляет около 200-300 мкм. Срок службы оценивается в 20-25 лет, с падением производительности в среднем на 0,5% ежегодно. КПД при идеальных условиях освещения достигает 22-24% и резко снижается при высоких температурах либо частичном падении освещенности.

2. Из чего сделаны солнечные батареи второго поколения

Следующее поколение батарей использует тот же физический принцип p/n перехода, однако создано на базе комбинаций редкоземельных элементов (реже – аморфного кремния). Вспомогательные конструкционные элементы панелей в большинстве случаев те же – металлическая основа, антиотражающая пленка и защитное стекло. Однако все чаще появляются и безрамные конструкции, а также тонкопленочные варианты, способные сворачиваться в рулоны и изгибаться под любыми углами.

Наиболее частыми полупроводниками для ячеек таких батарей служат:

• аморфный кремний a-Si;
• теллурид кадмия (CdTe);
• селенид индия/галлия/меди (CIGS).

Иногда на предложение привести примеры, из чего делают солнечные батареи тонкопленочного типа, профильные специалисты приводят и другие, более экзотические варианты. Однако их совокупная доля не превышает 0,1% и используется преимущественно в лабораторных исследованиях.

Название «тонкопленочные» происходит от значительно меньшей толщины рабочих слоев – от 1 до 3 мкм, что почти в 100 раз меньше, чем у кремниевой «классики». КПД при идеальных условиях тонких пленок составляет 16-20%. Однако при рассеянном свете и/или больших углах падения излучения панели CdTe / CIGS могут быть более эффективны.

3. Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения

Принцип действия панелей 3-го поколения по-прежнему фотоэлектрический, но конструкция принципиально иная. Полупроводниковые материалы в них, за исключением квантовых точек, не используются вовсе, уступая место органике и полимерам.

Такие батареи часто не имеют ни рамы, ни защитного стекла, печатаются на 3D-принтерах либо изготавливаются методом травления, подобно компьютерным платам.

Главное их достоинство – фантастическая дешевизна производства, широчайшие возможности геометрии и прозрачность. Третье поколение – это панели ближайшего будущего, которые будут повсеместно встраиваться в дома, окна, одежду и даже мельчайшие бытовые предметы.

Основной недостаток на сегодня – низкий КПД, составляющий от 0,1 до 7%.

Полупроводниковые материалы – из чего делают солнечные батареи сегодня

Основными полупроводниковыми материалами, которые используются для производства 99% фотоэлектрических ячеек на современном мировом рынке, являются:

1. Монокристаллический кремний — Выращивается в виде крупных кристаллов по методу профессора Чохральского. Далее кремниевые цилиндрические «чушки» режутся на очень тонкие диски толщиной 0,2-0,4 мм и подвергаются специализированной химической обработке. Практически готовые ячейки обтачиваются, шлифуются, покрываются защитным покрытием и металлизируются. При желании сделать солнечную батарею своими руками такие фотоэлектрические элементы покупаются в магазине, а остальные детали моноблока изготавливаются самостоятельно из подручных материалов.
2. Поликристаллический кремний — Производится в металлургических тиглях более дешевым методом направленной кристаллизации (block-cast). После расплава кремниевого сырья его медленно остужают, что приводит к образованию «игольчатых» разнонаправленных кристаллов. В эксплуатации такая поверхность чуть хуже монокристалла при идеальной освещенности, но более эффективна в остальных случаях. По этой причине, устанавливая комплект батарей на крышах, на южные скаты часто монтируют Mono-Si, а на юго-западные и юго-восточные – Poli-Si.
3. Аморфный кремний – из чего делают солнечные батареи этого типа Основой батарей данного типа служит гидрогенезированный кремний с большим коэффициентом лучевого поглощения. Современные модели комбинируют из нескольких слоев, обогащенных германием и углеродом. Это позволяет устранить главный недостаток панелей a-Si – быструю деградацию ячеек.

Такая модификация носит название уже не аморфного, а микроморфного кремния и показывает КПД до 12%. Низкая эффективность компенсируется дешевизной производства, поскольку на такие ячейки элементов требуется в 200 раз меньше полупроводника чем для Mono-Si или Poli-Si.

4. Из чего сделаны тонкопленочные солнечные батареи CdTe

Теллурид кадмия считается лучшим однопереходным полупроводниковым материалом по совокупности трех показателей – поглощающая способность, надежность, стоимость. CdTe значительно производительнее кремния и намного дешевле более эффективных пленок на базе дорогостоящих германия и индия.

Подложка пленки может быть не металлической, а стеклянной, а сами ячейки – полужесткими или гибкими. CdTe отличается стабильностью, долговечностью, малой чувствительностью к изменению освещения и быстро растущим КПД новых поколений модулей.

5. Особенность строения солнечных панелей типа CIGS

Основой батарей на сульфидах редкоземельных элементов является композитное смешение галлия, индия и меди. Такие панели являются «чемпионами» по КПД и стойкости, но стоят очень дорого.

Коммерческое применение пока ограничено только космосом и авиационной отраслью, поскольку добыча индия и галлия на планете ограничена всего несколькими сотнями тонн в год. Даже если бы все они пошли на изготовление батарей, общая мощность панелей едва достигла бы 10 ГВт.

6. Из чего состоят солнечные батареи типов GaAs и InP

Базовыми редкоземельными элементами этой группы панелей служат арсенид галлия GaAs и фосфид индия InP. Отличительная черта обоих вариантов ячеек – практически полное сохранение КПД при температурах в несколько сотен градусов Цельсия.

Применение их на земле финансово нецелесообразно, но практически все солнечные панели космических спутников, зондов, МКС и телескопов сделаны именно на их основе. Теоретический КПД этой группы, при условии использовании в конструкции дополнительных концентраторов, может достигать 85%. Практические рекорды сегодня колеблются в зоне 35-45%.

7. Из чего делают органические солнечные батареи

Несмотря на низкий КПД (лабораторный рекорд на сегодня – 10,8%, коммерческие прототипы – до 7%) панели на органической основе 3-го поколения сегодня активно исследуются. Для полимеров органического происхождения характерны следующие важные черты:

• простота и дешевизна создания;
• отсутствие проблем с утилизацией;
• неограниченность сфер применения;
• возможность изготовления в прозрачном виде.

Подобные панели практически невесомы, а при использовании технологии «tandem solar batteries» (тандемное соединение) их можно встраивать в окна и регулировать прозрачность.

8. Из чего состоят солнечные батареи на красителях

Конструктивно в них присутствует тонкая стеклянная подложка и напыляемая токопроводящая «краска». Ее основой является нанокристаллические «катод» и «анод», а также неагрессивный электролит – например, диоксид титана. Удобство использования состоит в возможности получения любых цветовых оттенков и нанесения на любые поверхности сверхтонким слоем.

9. Особенности солнечных батарей с квантовыми точками

Последний перспективный вид батарей ближайшего будущего построен на свойствах физических квантовых точек – микроскопических включений полупроводников в тот или иной материал. Геометрически такие «точки» имеют размер в несколько нанометров и распределяются в материале так, чтобы охватить поглощение излучения всего солнечного спектра – ИК, видимого света и УФ.

Огромным преимуществом подобных панелей является возможность работать даже ночью, генерируя около 40% максимальной дневной мощности.

Физико-технические характеристики, сертификация и маркировка

Независимо от того, из чего сделаны солнечные батареи, каждая из них обладает рядом следующих важных характеристик:

• механические – геометрические параметры, общая масса, тип рамы, защитного стекла, количество ячеек, вид и ширина коннекторов;
• электрические или вольтамперные – мощность, напряжение холостого хода, сила тока при максимальной нагрузке, эффективность панели в целом и отдельных ячеек в частности;
• температурные – изменение КПД при повышении температуры на определенную единицу величины (обычно – 1 градус);
• качественные – срок службы, скорость деградации ячеек, присутствие в рейтинговых списках Bloomberg;
• функциональные – необходимость и удобство ухода, простота монтажа/демонтажа.

Промышленные солнечные панели, из каких бы материалов они не были сделаны, обязательно должны быть сертифицированы. Минимальными требованиями являются сертификаты качества ISO, СE, TUV (международные) и/или Таможенного союза (при продаже в его пределах).

Обязательной является и международные правила маркировки. Например, аббревиатура CHN-350M-72 содержит следующие сведения:

• CHN – идентификатор компании-изготовителя (в данном случае – китайской СhinaLand);
• 350 – мощность панели в ваттах;
• M – обозначение монокристаллического кремния;
• 72 – число фотоэлектрических ячеек в модуле.

Из чего можно сделать солнечные батареи своими руками дома

Для этого необходимо следующее:

1. Предварительно начерченная схема и проведенные расчеты.
2. Определенное количество солнечных ячеек заводского изготовления – купить их дешевле всего в сети, например, на сайте Aliexpress или в других сетевых магазинах. Обращайте внимание на то, чтобы все элементы имели одинаковые электрические характеристики.
3. Самодельный каркас из бруса и фанеры – правила его сборки можно посмотреть на многочисленных видео в сети.
4. Оргстекло или плексиглас для поверхностного защитного покрытия.
5. Краска и термостойкий клей для обработки деревянных поверхностей.
6. Контактные полосы и провода для соединения ячеек. Схемы различные способов соединения также можно изучить в интернете.
7. Паяльник и припой. Паяльные работы следует проводить очень внимательно, чтобы не испортить будущее изделие.
8. Силиконовый клей и саморезы для закрепления сборной батареи в каркасе.

Небольшая батарея потребует около 30-50 долларов вложений, в то время как заводской вариант аналогичной мощности обойдется всего на 10-20% дороже. Разумеется, подобная самодельная конструкция не прослужит 25 лет, не будет обладать мощностью полноценной солнечной электростанции и не сможет похвастаться значительным КПД. Однако стоимость ее будет минимальной настолько, насколько это возможно.

Источник