Rodzaje paneli słonecznych: przegląd porównawczy projektów i wskazówki dotyczące wyboru paneli

Alternatywne źródła energii rozwijają się w Europie maksymalnie, co daje rezultaty.Pojawiają się nowe typy paneli słonecznych, a ich wydajność rośnie.

Jeśli chcesz zapewnić działanie budynku przemysłowego lub lokalu mieszkalnego wykorzystującego energię słoneczną, musisz najpierw poznać różnice między urządzeniami i zrozumieć, które panele słoneczne są odpowiednie dla warunków klimatycznych danego regionu.

Pomożemy Ci rozwiązać ten problem. W artykule omówiono zasadę działania przetworników fotoelektrycznych oraz przedstawiono przegląd różnych typów ogniw słonecznych ze wskazaniem ich charakterystyki, zalet i wad. Po zapoznaniu się z materiałem będziesz mógł dokonać właściwego wyboru przy aranżacji efektywnego układu fotowoltaicznego.

Zasada działania paneli słonecznych

Zdecydowana większość paneli słonecznych to w sensie fizycznym konwertery fotowoltaiczne. Efekt wytwarzania prądu elektrycznego występuje w miejscu złącza p-n półprzewodnika.

To wafle krzemowe stanowią podstawę kosztów paneli słonecznych, ale wykorzystując je jako całodobowe źródło energii elektrycznej, trzeba będzie dodatkowo kupić drogie akumulatory

Panel składa się z dwóch płytek krzemowych o różnych właściwościach. Pod wpływem światła u jednego z nich rozwija się niedobór elektronów, u drugiego ich nadmiar.Każda płytka posiada miedziane paski przewodzące, które są podłączone do przetworników napięcia.

Przemysłowy panel słoneczny składa się z wielu laminowanych ogniw fotowoltaicznych połączonych ze sobą i zamontowanych na elastycznym lub sztywnym podłożu.

Wydajność sprzętu zależy w dużej mierze od czystości krzemu i orientacji jego kryształów. To właśnie te parametry inżynierowie starali się udoskonalać przez ostatnie dziesięciolecia. Głównym problemem jest wysoki koszt procesów leżących u podstaw oczyszczania krzemu i ułożenia kryształów w jednym kierunku w całym panelu.

Każdego roku maksymalna wydajność różnych paneli słonecznych zmienia się w górę, ponieważ miliardy dolarów inwestuje się w badania nad nowymi materiałami fotowoltaicznymi (+)

Półprzewodniki przetworników fotoelektrycznych mogą być wykonane nie tylko z krzemu, ale także z innych materiałów - zasada działania baterii to się nie zmienia.

Rodzaje konwerterów fotoelektrycznych

Przemysłowe panele fotowoltaiczne klasyfikuje się ze względu na cechy konstrukcyjne i rodzaj pracującej warstwy fotowoltaicznej.

W zależności od typu urządzenia rozróżnia się następujące rodzaje akumulatorów:

• elastyczne panele;
• sztywne moduły.

Elastyczne panele cienkowarstwowe stopniowo zajmują coraz większą niszę na rynku ze względu na uniwersalność montażu, ponieważ można je instalować na większości powierzchni o różnorodnych formach architektonicznych.

Rzeczywiste właściwości paneli słonecznych są zwykle niższe niż wskazane w instrukcjach. Dlatego przed zamontowaniem ich w domu wskazane jest samodzielne obejrzenie podobnego zrealizowanego projektu.

Ze względu na rodzaj pracującej warstwy fotowoltaicznej baterie słoneczne dzielą się na następujące typy:

1. Krzem: monokrystaliczny, polikrystaliczny, amorficzny.
2. Tellur-kadm.
3. Na bazie selenku indu, miedzi i galu.
4. Polimer.
5. Organiczny.
6. Na bazie arsenku galu.
7. Łączone i wielowarstwowe.

Nie wszystkie typy paneli słonecznych są interesujące dla przeciętnego konsumenta, ale tylko dwa pierwsze podtypy krystaliczne.

Chociaż niektóre inne typy paneli mają wysoką wydajność, nie są one powszechnie stosowane ze względu na wysoki koszt.

Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne są dość wrażliwe na ciepło. Podstawowa temperatura pomiaru wytwarzania energii wynosi 25°C. Gdy wzrasta o jeden stopień, wydajność paneli spada o 0,45-0,5%.

Następnie szczegółowo omówione zostaną panele fotowoltaiczne, które cieszą się największym zainteresowaniem konsumentów.

Charakterystyka paneli na bazie krzemu

Krzem do ogniw słonecznych wytwarzany jest z proszku kwarcowego – zmielonych kryształów kwarcu. Najbogatsze złoża surowców znajdują się na zachodniej Syberii i środkowym Uralu, więc perspektywy dla tego obszaru energii słonecznej są niemal nieograniczone.

Już teraz panele z krzemu krystalicznego i amorficznego zajmują już ponad 80% rynku. Dlatego warto rozważyć je bardziej szczegółowo.

Panele z krzemu monokrystalicznego

Nowoczesne monokrystaliczne wafle krzemowe (mono-Si) charakteryzują się jednolitą, ciemnoniebieską barwą na całej powierzchni. Do ich produkcji wykorzystuje się najczystszy krzem. Monokrystaliczne ogniwa słoneczne mają najwyższą cenę spośród wszystkich płytek krzemowych, ale zapewniają także najlepszą wydajność.

Duże monokrystaliczne panele słoneczne z mechanizmami obrotowymi idealnie wpasowują się w pustynne krajobrazy. Istnieją warunki maksymalnej produktywności

Wysoki koszt produkcji wynika z trudności w zorientowaniu wszystkich kryształów krzemu w tym samym kierunku. Ze względu na te właściwości fizyczne warstwy roboczej, maksymalna wydajność jest zapewniona tylko wtedy, gdy promienie słoneczne padają prostopadle do powierzchni płyty.

Baterie monokrystaliczne wymagają dodatkowego wyposażenia, które w ciągu dnia automatycznie je obraca, tak aby płaszczyzna paneli była jak najbardziej prostopadła do promieni słonecznych.

Warstwy krzemu z jednostronnymi kryształami wycina się z cylindrycznego bloku metalu, dzięki czemu gotowe bloki fotowoltaiczne wyglądają jak kwadrat z zaokrąglonymi rogami.

Do zalet akumulatorów monokrystalicznych zalicza się:

1. Wysoka wydajność o wartości 17-25%.
2. Ścisłość - mniejsza powierzchnia wyposażenia na jednostkę mocy w porównaniu do paneli z krzemu polikrystalicznego.
3. Trwałość — zapewniona jest wystarczająca efektywność wytwarzania energii elektrycznej przez okres do 25 lat.

Takie akumulatory mają tylko dwie wady:

1. Wysoka cena i długoterminowy zwrot.
2. Wrażliwość na zanieczyszczenia. Pył rozprasza światło, przez co wydajność pokrytych nim paneli fotowoltaicznych gwałtownie maleje.

Ze względu na potrzebę bezpośredniego światła słonecznego, monokrystaliczny instalowane są panele słoneczne głównie na terenach otwartych lub na wysokościach. Im dany obszar znajduje się bliżej równika i im więcej jest tam słonecznych dni, tym bardziej korzystne jest zainstalowanie tego konkretnego typu elementów fotowoltaicznych.

Polikrystaliczne ogniwa słoneczne

Panele z krzemu polikrystalicznego (multi-Si) charakteryzują się niebieską barwą o nierównomiernej intensywności ze względu na zróżnicowaną orientację kryształów. Czystość krzemu użytego do ich produkcji jest nieco niższa niż w przypadku analogów monokrystalicznych.

Wielokierunkowe kryształy zapewniają wysoką skuteczność w świetle rozproszonym - 12-18%.Jest niższy niż w kryształach jednokierunkowych, ale przy pochmurnej pogodzie takie panele są bardziej efektywne.

Niejednorodność materiału prowadzi również do obniżenia kosztów produkcji krzemu. Oczyszczony metal do polikrystalicznych paneli słonecznych wlewa się do form bez żadnych specjalnych sztuczek.

W produkcji stosuje się specjalne techniki formowania kryształów, ale ich kierunkowość nie jest kontrolowana. Po schłodzeniu krzem jest cięty na warstwy i przetwarzany według specjalnego algorytmu.

Panele polikrystaliczne nie wymagają stałej orientacji w kierunku słońca, dlatego dachy domów i budynków przemysłowych są aktywnie wykorzystywane do ich umieszczenia.

W dzień, przy lekkich chmurach zalety paneli fotowoltaicznych z krzemu amorficznego nie będą zauważalne, ich zalety ujawniają się dopiero przy gęstych chmurach lub w cieniu (+)

Do zalet ogniw słonecznych z kryształami wielokierunkowymi zalicza się:

1. Wysoka wydajność w warunkach rozproszonego światła.
2. Możliwość montażu na stałe na dachach budynków.
3. Niższy koszt w porównaniu do paneli monokrystalicznych.
4. Czas trwania operacji — spadek sprawności po 20 latach eksploatacji wynosi jedynie 15-20%.

Panele polikrystaliczne mają również wady:

1. Zmniejszona wydajność o wartości 12-18%.
2. Względna objętość — wymagana jest większa przestrzeń instalacyjna na jednostkę mocy w porównaniu do analogów monokrystalicznych.

Wśród innych baterii krzemowych coraz większy udział w rynku zyskują polikrystaliczne panele słoneczne. Zapewniają to szerokie potencjalne możliwości obniżenia kosztów ich produkcji.Wydajność takich paneli również rośnie z roku na rok, szybko zbliżając się do 20% w przypadku produktów produkowanych masowo.

Panele słoneczne z amorficznego krzemu

Mechanizm produkcji paneli słonecznych z amorficznego krzemu zasadniczo różni się od produkcji krystalicznych ogniw fotowoltaicznych. Tutaj nie stosuje się czystego niemetalu, ale jego wodorek, którego gorące pary osadzają się na podłożu.

Dzięki tej technologii nie powstają klasyczne kryształy, a koszty produkcji ulegają znacznemu obniżeniu.

Ogniwa słoneczne z osadzonego amorficznego krzemu można montować na elastycznym podłożu polimerowym lub na sztywnej płycie szklanej

W tej chwili istnieją już trzy generacje paneli z krzemu amorficznego, z których każda znacząco zwiększa wydajność. O ile pierwsze moduły fotowoltaiczne miały sprawność na poziomie 4-5%, to obecnie na rynku powszechnie sprzedawane są modele drugiej generacji o sprawności na poziomie 8-9%.

Najnowsze panele amorficzne mają sprawność sięgającą 12% i już zaczynają pojawiać się w sprzedaży, ale wciąż są dość drogie.

Dzięki cechom tej technologii produkcji możliwe jest wytworzenie warstwy krzemu zarówno na podłożu sztywnym, jak i elastycznym. Z tego powodu moduły z amorficznego krzemu są aktywnie wykorzystywane w elastycznych cienkowarstwowych modułach słonecznych. Ale opcje z elastycznym podkładem są znacznie droższe.

Fizykochemiczna struktura amorficznego krzemu umożliwia maksymalną absorpcję fotonów słabego światła rozproszonego w celu wytworzenia energii elektrycznej. Dlatego takie panele są wygodne w użyciu w regionach północnych z dużymi wolnymi obszarami.

Sprawność akumulatorów opartych na krzemie amorficznym nie spada nawet w wysokich temperaturach, choć pod tym względem ustępują panelom z arsenku galu.

Przy tym samym koszcie sprzętu panele słoneczne na bazie wodorku krzemu wykazują większą wydajność niż ich mono- i polikrystaliczne odpowiedniki (+)

Podsumowując, możemy wskazać następujące zalety amorficznych paneli słonecznych:

1. Wszechstronność — możliwość wykonania elastycznych i cienkich paneli, montażu akumulatorów na dowolnej formie architektonicznej.
2. Wysoka wydajność w rozproszonym świetle.
3. Stabilna praca w wysokich temperaturach.
4. Prostota i niezawodność konstrukcji. Takie panele praktycznie się nie pękają.
5. Utrzymanie wydajności w trudnych warunkach — mniejszy spadek wydajności, gdy powierzchnia jest zakurzona, niż w przypadku krystalicznych analogów

Żywotność takich ogniw fotowoltaicznych, począwszy od drugiej generacji, wynosi 20-25 lat przy spadku mocy 15-20%. Jedyną wadą paneli z krzemu amorficznego jest potrzeba większych powierzchni, aby pomieścić sprzęt o wymaganej mocy.

Przegląd urządzeń bezsilikonowych

Niektóre panele słoneczne wykonane z rzadkich i drogich metali mają sprawność przekraczającą 30%. Są kilkakrotnie droższe niż ich krzemowe odpowiedniki, ale nadal zajmują niszę handlową high-tech ze względu na swoje szczególne cechy.

Rzadkie metalowe panele słoneczne

Istnieje kilka rodzajów paneli słonecznych z rzadkich metali i nie wszystkie z nich są bardziej wydajne niż moduły z krzemu monokrystalicznego.

Jednak zdolność do pracy w ekstremalnych warunkach pozwala producentom takich paneli fotowoltaicznych wytwarzać konkurencyjne produkty i prowadzić dalsze badania.

Panele z tellurku kadmu są aktywnie wykorzystywane do okładzin budynków w krajach równikowych i arabskich, gdzie ich powierzchnia nagrzewa się w ciągu dnia do 70-80 stopni

Głównymi stopami używanymi do produkcji ogniw fotowoltaicznych są tellurek kadmu (CdTe), selenek indu, miedzi i galu (CIGS) i selenek miedzi i indu (CIS).

Kadm jest metalem toksycznym, a ind, gal i tellur są dość rzadkie i drogie, dlatego masowa produkcja paneli fotowoltaicznych na ich bazie jest wręcz teoretycznie niemożliwa.

Sprawność takich paneli kształtuje się na poziomie 25-35%, chociaż w wyjątkowych przypadkach może sięgać nawet 40%. Wcześniej wykorzystywano je głównie w przemyśle kosmicznym, teraz jednak pojawił się nowy, obiecujący kierunek.

Ze względu na stabilną pracę fotokomórek wykonanych z metali rzadkich w temperaturach 130-150°C, znajdują one zastosowanie w elektrowniach słonecznych. W tym przypadku promienie słoneczne z dziesiątek lub setek luster skupiają się na niewielkim panelu, który jednocześnie generuje prąd i zapewnia przekazanie energii cieplnej do wodnego wymiennika ciepła.

W wyniku podgrzania wody powstaje para, która wprawia turbinę w ruch obrotowy i wytwarza energię elektryczną. W ten sposób energia słoneczna jest przekształcana jednocześnie w energię elektryczną na dwa sposoby z maksymalną wydajnością.

Polimery i analogi organiczne

Moduły fotowoltaiczne oparte na związkach organicznych i polimerowych zaczęto opracowywać dopiero w ostatniej dekadzie, ale badacze poczynili już znaczny postęp.Największy postęp wykazuje europejska firma Heliatek, która wyposażyła już kilka wieżowców w organiczne panele słoneczne.

Grubość struktury folii rolkowej wynosi Film Helia wynosi tylko 1 mm.

Do produkcji paneli polimerowych wykorzystuje się takie substancje jak fulereny węglowe, ftalocyjanina miedzi, polifenylen i inne. Sprawność takich ogniw fotowoltaicznych sięga już 14-15%, a koszt produkcji jest kilkukrotnie niższy niż krystalicznych paneli słonecznych.

Problem czasu degradacji organicznej warstwy roboczej jest palący. Jak dotąd nie można wiarygodnie potwierdzić poziomu jego efektywności po kilku latach eksploatacji.

Zalety organicznych paneli słonecznych to:

• możliwość bezpiecznej dla środowiska utylizacji;
• niski koszt produkcji;
• elastyczna konstrukcja.

Wadami takich ogniw fotowoltaicznych jest stosunkowo niska sprawność oraz brak wiarygodnych informacji o okresach stabilnej pracy paneli. Możliwe, że za 5-10 lat znikną wszystkie wady organicznych ogniw słonecznych i staną się one poważną konkurencją dla płytek krzemowych.

Jaki panel fotowoltaiczny wybrać?

Wybór paneli słonecznych do domów wiejskich na szerokości geograficznej 45-60° nie jest trudny. Warto tu rozważyć tylko dwie opcje: panele z krzemu polikrystalicznego i monokrystalicznego.

Jeśli brakuje miejsca, lepiej jest preferować bardziej wydajne modele z jednostronną orientacją kryształów, jeśli powierzchnia jest nieograniczona, zaleca się zakup baterii polikrystalicznych.

Nie należy polegać na prognozach firm analitycznych dotyczących rozwoju rynku paneli fotowoltaicznych, ponieważ najlepsze z nich mogły jeszcze nie zostać wynalezione

Lepiej wybrać konkretnego producenta, wymaganą moc i wyposażenie dodatkowe przy udziale menedżerów firm zajmujących się sprzedażą i montażem takiego sprzętu. Warto wiedzieć, że jakość i cena modułów fotowoltaicznych największych producentów niewiele się od siebie różnią.

Należy wziąć pod uwagę, że przy zamawianiu zestawu sprzętu pod klucz koszt samych paneli słonecznych wyniesie tylko 30-40% całkowitej kwoty. Okres zwrotu takich projektów wynosi 5-10 lat i jest zależny od poziomu zużycia energii oraz możliwości sprzedaży nadwyżek energii do sieci miejskiej.

Niektórzy rzemieślnicy wolą montować panele słoneczne własnymi rękami. Na naszej stronie internetowej znajdują się artykuły szczegółowo opisujące technologię wykonania tego typu paneli, sposób ich podłączenia i rozmieszczenia instalacji solarnych.

Radzimy przeczytać:

1. Jak zrobić baterię słoneczną własnymi rękami: instrukcja samodzielnego montażu
2. Słoneczne systemy grzewcze: analiza technologii grzewczych w oparciu o systemy solarne
3. Schemat podłączenia paneli fotowoltaicznych: do sterownika, do akumulatora i serwisowanych układów

Wnioski i przydatne wideo na ten temat

Prezentowane filmy przedstawiają działanie różnych paneli fotowoltaicznych w rzeczywistych warunkach. Pomogą także w zrozumieniu zagadnień związanych z doborem powiązanego sprzętu.

Zasady doboru paneli fotowoltaicznych i związanego z nimi sprzętu:

Rodzaje paneli słonecznych:

Badanie paneli monokrystalicznych i polikrystalicznych:

Dla ludności i małych obiektów przemysłowych nie ma obecnie realnej alternatywy dla paneli z krzemu krystalicznego.Jednak tempo rozwoju nowych typów paneli słonecznych pozwala mieć nadzieję, że energia słoneczna wkrótce stanie się głównym źródłem energii elektrycznej w wielu domach wiejskich.

Zapraszamy wszystkich zainteresowanych problematyką wyboru i użytkowania paneli fotowoltaicznych do pozostawiania komentarzy, zadawania pytań i udziału w dyskusjach. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.