Rodzaje baterii słonecznych: porównawczy przegląd konstrukcji i porady dotyczące wyboru paneli

Alternatywna energetyka rozwija się maksymalnie w Europie, pokazując swoimi wynikami perspektywiczność. Pojawiają się nowe rodzaje paneli słonecznych, rośnie ich sprawność.

Aby zapewnić działanie budynku przemysłowego lub mieszkalnego przy wykorzystaniu energii słonecznej, konieczne jest uprzednie zapoznanie się z różnicami w wyposażeniu, zrozumienie, jakie panele słoneczne pasują do warunków klimatycznych określonego regionu.

Pomożemy Państwu zrozumieć to zagadnienie. W artykule omówiono zasadę działania przetworników fotowoltaicznych, przedstawiono przegląd różnych rodzajów paneli słonecznych ze wskazaniem ich cech, zalet i wad. Po zapoznaniu się z materiałem będą Państwo mogli dokonać właściwego wyboru dla stworzenia efektywnego systemu solarnego.

Zasada działania paneli słonecznych

Zdecydowana większość paneli słonecznych jest w sensie fizycznym przetwornikami fotowoltaicznymi. Efekt generowania prądu występuje w miejscu półprzewodnikowego złącza p-n.

To właśnie płyty krzemowe stanowią podstawę kosztów własnych paneli słonecznych, jednak przy stosowaniu ich jako całodobowego źródła energii elektrycznej trzeba dodatkowo kupić drogie akumulatory.

Panel składa się z dwóch płytek krzemowych o różnych właściwościach. Pod wpływem światła w jednej z nich powstaje niedobór elektronów, a w drugiej – ich nadmiar. Każda płytka ma paski odprowadzające prąd z miedzi, które są podłączone do przetworników napięcia.

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

Sprawność sprzętu w dużej mierze zależy od czystości krzemu i orientacji jego kryształów. To właśnie te parametry inżynierowie próbują udoskonalić od dziesięcioleci. Głównym problemem jest tutaj wysoki koszt procesów leżących u podstaw oczyszczania krzemu i ułożenia kryształów w jednym kierunku na całej płycie.

Corocznie maksymalne sprawności różnych paneli słonecznych wzrastają, ponieważ w badania nad nowymi materiałami fotowoltaicznymi inwestuje się miliardy dolarów (+)

Półprzewodniki przetworników fotowoltaicznych mogą być wykonane nie tylko z krzemu, ale także z innych materiałów – zasada działania baterii przy tym się nie zmienia.

Rodzaje przetworników fotowoltaicznych

Przemysłowe panele słoneczne klasyfikuje się według ich cech konstrukcyjnych oraz rodzaju roboczej warstwy fotowoltaicznej.

Wyróżnia się następujące rodzaje baterii według typu urządzenia:

• elastyczne panele;
• sztywne moduły.

Elastyczne, cienkowarstwowe panele stopniowo zajmują coraz większą niszę na rynku dzięki swojej uniwersalności montażowej, ponieważ można je zainstalować na większości powierzchni o różnych formach architektonicznych.

Rzeczywiste parametry paneli słonecznych są zwykle niższe niż podane w instrukcji. Dlatego przed ich instalacją w domu warto osobiście zobaczyć podobny zrealizowany projekt.

Ze względu na rodzaj roboczej warstwy fotowoltaicznej baterie słoneczne dzielą się na następujące odmiany:

1. Krzemowe: monokrystaliczne, polikrystaliczne, amorficzne.
2. Tellurkowo-kadmowe.
3. Na bazie selenku indu, miedzi i galu.
4. Polimerowe.
5. Organiczne.
6. Na bazie arsenku galu.
7. Kombinowane i wielowarstwowe.

Dla szerokiego konsumenta interesujące są nie wszystkie typy paneli słonecznych, a jedynie dwa pierwsze krystaliczne podtypy.

Chociaż niektóre inne typy paneli mają wyższą sprawność, to ze względu na wysoki koszt nie zyskały one szerokiego rozpowszechnienia.

Krzemienne ogniwa fotowoltaiczne są dość wrażliwe na nagrzewanie. Podstawowa temperatura do pomiaru generacji energii elektrycznej wynosi 25°C. Przy jej wzroście o jeden stopień efektywność paneli spada o 0,45-0,5%.

W dalszej części szczegółowo omówione zostaną panele słoneczne, które cieszą się największym zainteresowaniem konsumentów.

Charakterystyki paneli na bazie krzemu

Krzem do ogniw słonecznych wytwarzany jest z proszku kwarcowego – zmielonych kryształów kwarcu. Najbogatsze złoża surowca znajdują się na Zachodniej Syberii i Środkowym Uralu, dlatego perspektywy tego kierunku energetyki słonecznej są praktycznie nieograniczone.

Nawet obecnie krystaliczne i amorficzne panele krzemowe zajmują już ponad 80% rynku. Dlatego warto przyjrzeć im się bardziej szczegółowo.

Monokrystaliczne panele krzemowe

Nowoczesne monokrystaliczne płyty krzemowe (mono-Si) mają jednolity ciemnoniebieski kolor na całej powierzchni. Do ich produkcji używany jest najczystszy krzem. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne spośród wszystkich płytek krzemowych mają najwyższą cenę, ale zapewniają również najlepszą sprawność.

Duże monokrystaliczne panele słoneczne z mechanizmami obrotowymi doskonale komponują się z pustynnymi krajobrazami. Tam zapewnione są warunki do maksymalnej wydajności.

Wysoki koszt produkcji wynika z trudności w orientacji wszystkich kryształów krzemu w jednym kierunku. Ze względu na takie fizyczne właściwości warstwy roboczej maksymalna sprawność jest zapewniona tylko przy prostopadłym padaniu promieni słonecznych na powierzchnię płyty.

Monokrystaliczne baterie wymagają dodatkowego wyposażenia, które automatycznie obraca je w ciągu dnia, aby płaszczyzna paneli była maksymalnie prostopadła do promieni słonecznych.

Warstwy krzemu z jednostronnie zorientowanymi kryształami są wycinane z cylindrycznego pręta metalu, dlatego gotowe bloki fotowoltaiczne mają kształt kwadratu o zaokrąglonych rogach.

Do zalet monokrystalicznych baterii krzemowych należą:

1. Wysoka sprawność o wartości 17-25%.
2. Kompaktowość – mniejsza powierzchnia zajmowana przez urządzenia w przeliczeniu na jednostkę mocy, w porównaniu z polikrystalicznymi panelami krzemowymi.
3. Trwałość – wystarczająca efektywność generacji energii elektrycznej jest zapewniona przez okres do 25 lat.

Wad takich baterii jest tylko dwie:

1. Wysoki koszt i długi okres zwrotu.
2. Wrażliwość na zabrudzenia. Pył rozprasza światło, dlatego w przypadku pokrytych nim paneli słonecznych gwałtownie spada sprawność.

Ze względu na potrzebę bezpośredniego światła słonecznego monokrystaliczne panele słoneczne są instalowane głównie na otwartych przestrzeniach lub na wysokości. Im bliżej równika znajduje się teren i im więcej ma słonecznych dni, tym bardziej preferowany jest montaż właśnie tego typu ogniw fotowoltaicznych.

Polikrystaliczne panele słoneczne

Polikrystaliczne panele krzemowe (multi-Si) mają nierównomierny pod względem intensywności niebieski kolor ze względu na zróżnicowaną orientację kryształów. Czystość krzemu używanego do ich produkcji jest nieco niższa niż w przypadku monokrystalicznych odpowiedników.

Różnokierunkowość kryształów zapewnia wysoką wydajność przy świetle rozproszonym – 12-18%. Jest ona niższa niż w przypadku kryształów jednokierunkowych, ale w pochmurne dni takie panele są bardziej efektywne.

Niejednorodność materiału prowadzi również do obniżenia kosztów produkcji krzemu. Oczyszczony metal do polikrystalicznych paneli słonecznych jest wlewany do form bez specjalnych udoskonaleń.

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

Panele polikrystaliczne nie wymagają stałego kierowania w stronę słońca, dlatego do ich montażu aktywnie wykorzystuje się dachy domów i budynków przemysłowych.

W dzień przy lekkim zachmurzeniu zalety paneli słonecznych z krzemu amorficznego nie będą zauważalne, ich zalety ujawniają się tylko przy gęstych chmurach lub w cieniu (+)

Do zalet ogniw słonecznych z kryształami o różnej orientacji należą:

1. Wysoka wydajność w warunkach światła rozproszonego.
2. Możliwość montażu stacjonarnego na dachach budynków.
3. Niższy koszt w porównaniu z panelami monokrystalicznymi.
4. Długotrwała eksploatacja – spadek wydajności po 20 latach użytkowania wynosi zaledwie 15-20%.

Wady paneli polikrystalicznych również występują:

1. Obniżona wydajność o wartości 12-18%.
2. Względna nieporęczność – wymaga więcej miejsca do instalacji w przeliczeniu na jednostkę mocy w porównaniu z monokrystalicznymi odpowiednikami.

Polikrystaliczne panele słoneczne zdobywają coraz większy udział w rynku wśród innych baterii krzemowych. Jest to zapewnione dzięki szerokim potencjalnym możliwościom obniżenia kosztów ich produkcji. Corocznie wzrasta również wydajność takich paneli, szybko zbliżając się do 20% w produktach masowych.

Panele słoneczne z amorficznego krzemu

Mechanizm produkcji paneli słonecznych z krzemu amorficznego zasadniczo różni się od wytwarzania krystalicznych ogniw fotowoltaicznych. Stosuje się tu nie czysty niemetal, ale jego wodorek, którego gorące pary osadzają się na podłożu.

W wyniku takiej technologii klasyczne kryształy nie powstają, a koszty produkcji gwałtownie spadają.

Elementy fotowoltaiczne z osadzonego krzemu amorficznego można mocować zarówno na elastycznym podłożu polimerowym, jak i na sztywnym szkle.

Obecnie istnieją już trzy generacje paneli z krzemu amorficznego, a w każdej z nich zauważalnie wzrasta sprawność. Podczas gdy pierwsze moduły fotowoltaiczne miały wydajność 4-5%, obecnie na rynku masowo sprzedawane są modele drugiej generacji o sprawności 8-9%.

Amorficzne panele najnowszej konstrukcji mają wydajność do 12% i już zaczynają pojawiać się w sprzedaży, ale wciąż są dość drogie.

Dzięki specyfice tej technologii produkcyjnej, warstwę krzemu można utworzyć zarówno na sztywnym, jak i elastycznym podłożu. Z tego powodu moduły z krzemu amorficznego są aktywnie wykorzystywane w elastycznych, cienkowarstwowych modułach słonecznych. Jednak warianty z elastycznym podłożem są znacznie droższe.

Struktura fizykochemiczna krzemu amorficznego pozwala na maksymalną absorpcję fotonów słabego, rozproszonego światła w celu wytwarzania energii elektrycznej. Dlatego takie panele są wygodne do stosowania w regionach północnych z dużymi wolnymi powierzchniami.

Sprawność baterii opartych na krzemie amorficznym nie spada również w wysokiej temperaturze, chociaż pod tym względem ustępują one panelom z arsenku galu.

Przy takich samych kosztach sprzętu, panele słoneczne z wodorku krzemu wykazują wyższą wydajność niż ich mono- i polikrystaliczne odpowiedniki (+)

Podsumowując, można wymienić następujące zalety amorficznych paneli słonecznych:

1. Wszechstronność – możliwość wytwarzania elastycznych i cienkich paneli, montażu baterii na dowolnych formach architektonicznych.
2. Wysoka sprawność przy świetle rozproszonym.
3. Stabilna praca w wysokich temperaturach.
4. Prostota i niezawodność konstrukcji. Takie panele praktycznie się nie psują.
5. Zachowanie wydajności w trudnych warunkach – mniejszy spadek wydajności przy zapyleniu powierzchni niż w przypadku odpowiedników krystalicznych

Żywotność takich elementów fotowoltaicznych, począwszy od drugiej generacji, wynosi 20-25 lat przy spadku mocy o 15-20%. Do wad paneli z krzemu amorficznego można zaliczyć jedynie konieczność większych powierzchni do umieszczenia urządzeń o wymaganej mocy.

Przegląd urządzeń bezkrzemowych

Niektóre panele słoneczne wykonane z użyciem rzadkich i drogich metali mają sprawność powyżej 30%. Są one wielokrotnie droższe od swoich krzemowych odpowiedników, ale mimo to zajęły niszę handlową o wysokiej technologii, dzięki swoim szczególnym właściwościom.

Panele słoneczne z metali rzadkich

Istnieje kilka typów paneli słonecznych z metali rzadkich i nie wszystkie mają sprawność wyższą niż monokrystaliczne moduły krzemowe.

Jednak zdolność do pracy w ekstremalnych warunkach pozwala producentom takich paneli słonecznych 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-galu (CIGS) oraz selenek indu-miedzi (CIS).

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

Sprawność takich paneli wynosi 25-35%, choć w wyjątkowych przypadkach może sięgać 40%. Wcześniej stosowano je głównie w przemyśle kosmicznym, a teraz pojawił się nowy obiecujący kierunek.

Ze względu na stabilną pracę ogniw fotowoltaicznych z metali rzadkich w temperaturach 130-150°C są one wykorzystywane w słonecznych elektrowniach cieplnych. Przy tym promienie słoneczne z dziesiątek lub setek luster skupiają się na małym panelu, który jednocześnie generuje energię elektryczną i zapewnia przekazanie energii cieplnej do wymiennika ciepła wodnego.

W wyniku podgrzewania wody powstaje para, która wprawia turbinę w ruch i generuje energię elektryczną. W ten sposób energia słoneczna przekształcana jest w elektryczną jednocześnie dwoma drogami z maksymalną wydajnością.

Polimerowe i organiczne odpowiedniki

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

Grubość jej rolkowej konstrukcji foliowej typu HeliaFilm wynosi zaledwie 1 mm.

Przy produkcji paneli polimerowych używa się takich substancji jak fulereny węglowe, ftalocyjanina miedzi, polifenylen i inne. Sprawność takich ogniw fotowoltaicznych już osiąga 14-15%, a koszt produkcji jest kilkakrotnie niższy niż w przypadku krystalicznych paneli słonecznych.

Ostro stoi kwestia okresu degradacji organicznej warstwy roboczej. Na razie nie jest możliwe wiarygodne potwierdzenie poziomu jej sprawności po kilku latach eksploatacji.

Zalety organicznych paneli słonecznych to:

• możliwość ekologicznie bezpiecznej utylizacji;
• niski koszt produkcji;
• elastyczna konstrukcja.

Do wad takich ogniw fotowoltaicznych można zaliczyć stosunkowo niską sprawność i brak wiarygodnych informacji o okresach stabilnej pracy paneli. Być może za 5-10 lat wszystkie wady organicznych ogniw słonecznych znikną i staną się poważnymi konkurentami dla płytek krzemowych.

Który panel słoneczny wybrać?

Wybór paneli słonecznych dla domów na przedmieściach na szerokości geograficznej 45-60° nie jest trudny. Należy rozważyć tylko dwie opcje: panele polikrystaliczne i monokrystaliczne krzemowe.

W przypadku ograniczonej przestrzeni lepiej wybrać bardziej wydajne modele z jednostronną orientacją kryształów, a przy nieograniczonej powierzchni zaleca się zakup baterii polikrystalicznych.

Nie należy polegać na prognozach firm analitycznych dotyczących rozwoju rynku paneli słonecznych, ponieważ najlepsze z nich być może nie zostały jeszcze wynalezione.

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

Należy pamiętać, że przy zamówieniu kompletu wyposażenia „pod klucz”, koszt samych paneli słonecznych będzie stanowić zaledwie 30-40% całkowitej kwoty. Okresy zwrotu takich projektów wynoszą 5-10 lat i zależą od poziomu zużycia energii oraz możliwości sprzedaży nadwyżek energii elektrycznej do miejskiej sieci.

Niektórzy majsterkowicze wolą samodzielnie składać baterie słoneczne. Na naszej stronie znajdują się artykuły ze szczegółowym opisem technologii produkcji takich paneli, ich podłączania oraz urządzania systemów grzewczych wykorzystujących energię słoneczną.

Zalecamy zapoznać się:

1. Jak zrobić panel słoneczny własnymi rękami: instrukcja samodzielnego montażu
2. Słoneczne systemy ogrzewania: analiza technologii urządzania ogrzewania na bazie systemów solarnych
3. Schemat podłączenia paneli słonecznych: do kontrolera, do akumulatora i obsługiwanych systemów

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Prezentowane filmy pokazują działanie różnych paneli słonecznych w rzeczywistych warunkach. Pomogą również w zrozumieniu kwestii wyboru dodatkowego wyposażenia.

Zasady wyboru paneli słonecznych i dodatkowego wyposażenia:

Rodzaje paneli słonecznych:

Testowanie panelu monokrystalicznego i polikrystalicznego:

Dla ludności i małych obiektów przemysłowych nie ma jeszcze realnej alternatywy dla krystalicznych paneli krzemowych. Tempo rozwoju nowych typów baterii słonecznych pozwala jednak mieć nadzieję, że wkrótce energia słoneczna stanie się głównym źródłem energii elektrycznej w wielu domach na przedmieściach.

Wszystkim zainteresowanym kwestią wyboru i użytkowania baterii słonecznych proponujemy zostawianie komentarzy, zadawanie pytań i udział w dyskusjach. Formularz kontaktowy znajduje się w dolnym bloku.