За цін, що постійно зростають, на електроенергію мимоволі почнеш замислюватися про використання природних джерел для електропостачання. Одна з таких можливостей – сонячні батареї для дому чи дачі. За бажання вони можуть забезпечити повністю всі потреби навіть великого будинку.

Влаштування системи електроживлення від сонячних батарей

Перетворювати енергію сонця на електрику – ця ідея тривалий час не давала спати вченим. З відкриттям властивостей напівпровідників це стало можливим. У сонячних батареях використовують кремнієві кристали. При попаданні на них сонячного світла у них утворюється спрямований рух електронів, який називається електричним струмом. При з'єднанні достатньої кількості таких кристалів отримуємо цілком пристойні за величиною струми: одна панель площею трохи більше метра (1,3-1,4 м2 за достатнього рівня освітленості може видати до 270 Вт (напруга 24 В).

Так як освітленість змінюється в залежності від погоди, часу доби, безпосередньо підключати пристрої до сонячних батарей не виходить. Потрібна ціла система. Крім сонячних панелей потрібно:

• Акумулятор. Протягом світлового дня під впливом сонячного проміння сонячні батареї виробляють електричний струм для дому, дачі. Він не завжди використовується в повному обсязі, його надлишки накопичуються в акумуляторі. Накопичена енергія витрачається негоду.
• Контролер. Не обов'язкова частина, але бажана (за достатньої кількості коштів). Відстежує рівень заряду акумулятора, не допускаючи надмірного розряду або перевищення рівня максимального заряду. Обидва ці стани згубні для акумулятора, тому наявність контролера продовжує термін експлуатації акумулятора. Також контролер забезпечує оптимальний режим роботи сонячних панелей.
• Перетворювач постійного струму змінний (інвертор). Не всі пристрої розраховані на постійний струм. Багато хто працює від змінної напруги в 220 вольт. Перетворювач дає можливість отримати напругу 220-230 Ст.

Сонячні батареї для будинку — лише частина системи

Встановивши сонячні батареї для дому або дачі, можна стати незалежним від офіційного постачальника. Але для цього треба мати велику кількість батарей, кілька акумуляторів. Комплект, який виробляє 1,5 кВт на добу коштує близько 1000 $. Цього достатньо для забезпечення потреб дачі або частини електрообладнання у будинку. Комплект сонячних батарей для виробництва 4 кВт на добу коштує близько 2200 $, на 9 кВт на добу - 6200 $. Так як сонячні батареї для будинку - модульна система, можна купити установку, яка забезпечуватиме частину потреб, поступово збільшуючи її продуктивність.

Види сонячних батарей

Зі зростанням цін на енергоносії ідея використання енергії сонця для отримання електроенергії стає дедалі популярнішою. Тим більше, що з розвитком технологій сонячні перетворювачі стають ефективнішими і водночас дешевшими. Тож, за бажання, можна свої потреби забезпечити встановивши сонячні батареї. Але вони бувають різних типів. Давайте розумітися.

Сама сонячна батарея - кілька фотоелементів, які розташовані в загальному корпусі, захищені прозорою лицьовою панеллю. Для побутового використання фотоелементи виробляють на основі кремнію, тому що він відносно недорогий, і елементи на його основі мають непоганий ККД (близько 20-24%). На основі кремнієвих кристалів виготовляють монокристалічні, полікристалічні та тонкоплівкові (гнучкі) фотоелементи. Деяка кількість цих фотоелементів електрично з'єднана між собою (послідовно та/або паралельно) і виведена на клеми, розташовані на корпусі.

Фотоелементи встановлені у закритому корпусі. Корпус сонячної батареї роблять із анодованого алюмінію. Він легкий, не схильний до корозії. Лицьову панель роблять із міцного скла, яке має витримувати сніго-вітрові навантаження. До того ж воно має мати певні оптичні властивості — мати максимальну прозорість, щоб пропускати якнайбільше променів. Взагалі, через відображення втрачається значна кількість енергії, так що вимоги до якості скла високі і ще воно покривається складом антивідблиску.

Види фотоелементів для сонячних батарей

Сонячні батареї для дому роблять на основі крем'яних елементів трьох типів;

Якщо у вас скатний дах і фасад розгорнутий на південь або схід, занадто сильно думати про площу, що займається, не має сенсу. Цілком можуть влаштувати полікристалічні модулі. При рівній кількості виробленої енергії вони коштують трохи дешевше.

Як правильно вибрати систему сонячних батарей для дому

Є поширені помилки, які змушують вас витрачати зайві гроші на придбання надто дорогого обладнання. Нижче наведемо рекомендації про те, як правильно побудувати систему електроживлення від сонячних батарей і не витратити зайвих грошей.

Що треба купити

Не всі компоненти сонячної електростанції життєво необхідні роботи. Без деяких частин можна обійтися. Вони служать підвищення надійності, але їх система працездатна. Перше, що варто запам'ятати – купуйте сонячні батареї наприкінці зими, на початку весни. По-перше, погода в цей час чудова, багато сонячних днів, сніг відбиває сонце, збільшуючи загальну освітленість. По-друге, тим часом традиційно оголошують знижки. Далі поради такі:

Якщо скористатися тільки цими порадами, і підключити тільки техніку, яка працює від постійної напруги, система сонячних батарей для будинку обійдеться в набагато скромнішу суму, ніж найдешевший комплект. Але це ще не все. Можна ще частину обладнання залишити на потім або взагалі обійтися без нього.

Без чого можна обійтись

Вартість комплекту сонячних батарей на 1 кВт на добу – понад тисячу доларів. Чималі вкладення. Мимоволі замислишся, а чи варто воно того і яким буде термін окупності. За нинішніх тарифів чекати поки відіб'ються свої гроші доведеться не один рік. Але можна витрати зменшити. Не за рахунок якості, але за рахунок незначного зниження комфортності експлуатації системи та за рахунок розумного підходу до підбору її компонентів.

Отже, якщо бюджет обмежений, можна обійтися кількома сонячними панелями та акумуляторними батареями, ємність яких на 20-25% вища за максимальний заряд сонячних панелей. Для моніторингу стану купіть автомобільний годинник, який ще вимірює напругу. Це позбавить вас необхідності кілька разів на день вимірювати заряд на АКБ. Натомість вам треба буде час від часу дивитися на показання годинника. Для старту це все. Надалі можна купувати сонячні батареї для дому, збільшувати кількість АКБ. При бажанні можна придбати інвертор.

Визначаємося з розмірами та кількістю фотоелементів

У хороших сонячних батареях на 12 вольт має бути 36 елементів, на 24 вольти – 72 фотоелементи. Ця кількість є оптимальною. За меншої кількості фотоелементів ви ніколи не отримаєте заявлений струм. І це — найкращий із варіантів.

Не варто купувати здвоєні сонячні панелі — по 72 та 144 елементи відповідно. По-перше, вони дуже великі, що незручно під час перевезення. По-друге, за аномально низьких температур, які у нас періодично трапляються, вони першими виходять з ладу. Справа в тому, що плівка, що ламінує, при морозах сильно зменшується в розмірах. На великих панелях через велике натяг вона відшаровується або навіть рветься. Втрачається прозорість, катастрофічно падає продуктивність. Панель йде у ремонт.

Другий фактор. На великих за розмірами панелях повинна бути більша товщина корпусу та скла. Адже збільшується парусність та снігові навантаження. Але далеко не завжди це роблять, оскільки значно зростає ціна. Якщо ви бачите здвоєну панель, а ціна на неї нижча, ніж на дві «звичайні», краще шукайте щось інше.

Ще раз: найкращий вибір – сонячна панель для будинку на 12 вольт, що складається з 36 фотоелементів. Це оптимальний варіант, перевірений практикою.

Технічні характеристики: на що звернути увагу

У сертифікованих сонячних батареях завжди вказується робочий струм та напруга, а також напруга холостого ходу та струм КЗ. При цьому варто врахувати, що всі параметри зазвичай вказуються для температури +25 °C. Сонячного дня на даху батарея розігрівається до температур, що значно перевищують цю цифру. Це пояснює наявність більшої робочої напруги.

Також зверніть увагу на напругу холостого ходу. У нормальних батареях воно близько 22 В. І все б нічого, але якщо проводити роботи на устаткуванні не відключивши сонячні батареї, напруга холостого ходу виведе з ладу інвертор або іншу підключену техніку, не розраховану на подібний вольтаж. Тому при будь-яких роботах - перемикання проводів, підключення/вимкнення акумуляторів і т.д. і т.п - перше, що ви повинні зробити - відключити сонячні батареї (зняти клеми). Перебравши схему, їх підключаєте останніми. Такий порядок дій збереже вам багато нервів (і грошей).

Корпус та скло

Сонячні батареї для будинку мають алюмінієвий корпус. Цей метал не корродує, за достатньої міцності має невелику масу. Нормальний корпус має бути зібраний із профілю, в якому присутні, як мінімум, два ребра жорсткості. До того ж скло має бути вставлене у спеціальний паз, а не закріплене зверху. Все це ознаки нормальної якості.

Ще при виборі сонячної батареї зверніть увагу на скло. У нормальних батареях воно не гладке, а текстуроване. На дотик — шорстке, якщо провести нігтями, чути шерех. До того ж має мати якісне покриття, яке зводить до мінімуму відблиски. Це означає, що в ньому не повинно нічого відображатися. Якщо хоч під якимось кутом видно відображення навколишніх предметів, краще знайдіть іншу панель.

Вибір перерізу кабелю та тонкощі електричного підключення

Підключати сонячні батареї додому необхідно мідним одножильним кабелем. Перетин жили кабелю залежить від відстані між модулем та АКБ:

• відстань менше 10 метрів:
  • 1,5 мм2 на одну сонячну батарею потужністю 100 Вт;
  • на дві батареї - 2,5 мм2;
  • три батареї - 4,0 мм2;
• відстань більше 10 метрів:
  • для підключення однієї панелі беремо 2,5 мм2;
  • двох - 4,0 мм2;
  • трьох - 6,0 мм2.

Можна брати перетин більше, але не менше (будуть великі втрати, а нам не треба). При купівлі дротів, зверніть увагу на фактичний переріз, оскільки сьогодні заявлені розміри дуже часто не відповідають дійсним. Для перевірки доведеться вимірювати діаметр і рахувати перетин (як це робити, прочитати можна).

При зборі системи можна плюси сонячних батарей провести за допомогою багатожильного кабелю відповідного перерізу, а для мінуса використовувати один товстий. Перед підключенням до акумуляторів всі "плюси" пропускаємо через діоди або діодні зборки із загальним катодом. Це запобігає замиканню акумулятора (може викликати загоряння) при замиканні або обриві дротів між батареями та акумулятором.

Діоди використовують типу SBL2040CT, PBYR040CT. Якщо такі не знайшли, можна зняти зі старих блоків живлення персональних комп'ютерів. Там зазвичай стоять SBL3040 чи подібні. Пропускати через діоди бажано. Не забудьте, що вони сильно гріються, так що монтувати їх треба на радіаторі (можна на єдиному).

Ще в системі потрібний блок запобіжників. По одному кожного споживача. Усе навантаження підключаємо через цей блок. По-перше, система так безпечніша. По-друге, у разі виникнення проблем, простіше визначити її джерело (за згорілим запобіжником).

Кристалічні грати перовскіту CH3NH3PbI3

Wikimedia Commons

Американські дослідники показали, що в сонячних елементах на основі перовскітів носії заряду, що мають надмірну енергію, здатні долати значну відстань, перш ніж розсіють її у вигляді тепла. Це означає, що реалізувати фотоелектричні елементи на гарячих носіях, для яких теоретична межа ККД вдвічі вища, ніж у звичайних кремнієвих, на практиці цілком можливо. Дослідження опубліковано у журналі Science.

У найпоширеніших на сьогодні сонячних елементах, які використовують як напівпровідник кремній, теоретично можливий коефіцієнт корисної дії ледве перевищує 30 відсотків. Це з тим, що кремнієві елементи здатні використовувати спектр сонячного світла лише частково. Фотони, що мають енергію нижче порогової, просто не поглинаються, а ті, що мають занадто високу, призводять до утворення у фотоелементі так званих гарячих носіїв заряду (наприклад, електронів). Час життя останніх становить близько пікосекунди (10 -12 секунди), потім вони «остигають», тобто розсіюють надмірну енергію у вигляді тепла. Якби гарячі носії вдавалося збирати, це підвищило б теоретичну межу ККД до 66 відсотків, тобто вдвічі. Незважаючи на те, що в деяких експериментах невелике збереження енергії вдавалося спостерігати, елементи на гарячих носіях поки залишаються швидше гіпотетичними.

Вчені з Університету Пердью і Національної лабораторії відновлюваної енергетики (США) зробили внесок у вивчення нового перспективного класу фотоелектричних елементів на основі перовскітів і продемонстрували, що в таких елементах гарячі носії не тільки мають підвищений час життя (до 100 пікосекунд). значні дистанції в кілька сотень нанометрів (що можна порівняти з товщиною шару напівпровідника).

Металорганічні перовскіти отримали свою назву завдяки кристалічній структурі. Вона по суті повторює структуру природного мінералу – перовскіту, або титанату кальцію. Хімічно вони є змішані галогеніди свинцю та органічних катіонів. Автори роботи використовували поширений перовскіт на основі іодиду свинцю та метиламонію. Виходячи з того, що в перовскітах час життя гарячих носіїв суттєво збільшено в порівнянні з іншими напівпровідниками, автори вирішили з'ясувати, на яку відстань можуть переноситися гарячі носії за час їх остигання. З використанням ультрашвидкісної мікроскопії дослідникам вдалося безпосередньо поспостерігати транспорт гарячих носіїв у тонких плівках перовскіту з високою просторовою та тимчасовою роздільною здатністю.

Транспорт гарячих носіїв у напівпровіднику протягом першої пікосекунди після збудження

Guo et al / Science 2017

Виявилося, що повільне охолодження в перовскітах пов'язане з дальністю пробігу, що становить до 600 нанометрів. Це означає, що носії заряду з надмірною енергією теоретично здатні долати шар напівпровідника і досягати електрода, тобто їх можна збирати (щоправда, як це продати технічно, автори роботи не обговорюють). Таким чином, сонячні елементи на гарячих носіях, можливо, вдасться втілити в життя, взявши за основу перовскіти.

До теперішнього часу максимальний ККД, що сягає 46%, був зареєстрований для багатошарових багатокомпонентних фотоелектричних елементів, до складу яких входить арсенід галію, індій, германій із включеннями фосфору. Такі напівпровідники використовують світло ефективніше, поглинаючи різні частини спектра. Виробництво їх дуже дороге, тому такі елементи використовуються лише у космічній промисловості. Раніше ми також писали про елементи на основі телуриду кадмію, які можна виробляти у вигляді гнучких і тонких плівок. Незважаючи на те, що загальний внесок у виробництво електроенергії сонячної енергетики поки що не перевищує 1%, темпи зростання можна назвати вибуховими. Особливо зацікавлені у використанні відновлюваної енергії сонця такі країни, як Індія та Китай. Компанія Google наприкінці 2016 року заявила, що цього року збирається повністю перейти на відновлювану енергетику.

Нині у побуті використовуються переважно кремнієві фотоелементи, реальний ККД яких становить 10–20 відсотків. Елементи на основі перовскітів з'явилися менше 10 років тому і відразу викликали до себе заслужений інтерес (про них ми вже писали). ККД таких елементів швидко збільшується і практично доведено до 25 відсотків, що можна порівняти з кращими зразками кремнієвих фотоелементів. До того ж, вони дуже прості у виробництві. Незважаючи на технологічний успіх, фізичні принципи роботи перовскітових елементів відносно мало вивчені, тому робота вчених зі США, що обговорюється, робить важливий внесок у фундаментальні основи фотовольтаїки і, звичайно, тягне за собою перспективу подальшого збільшення ККД сонячних елементів.

Дар'я Спаська

Сонячною панеллю прийнято вважати джерело електричної енергії, яке працює безпосередньо від світлового потоку. Якщо говорити про конструктивне виконання, будь-яка геліопанель представляє певний набір фотоосередків, з'єднаних між собою, поміщених у захисний корпус та закритих передньою панеллю зі скла.

Що являє собою фотоосередок

Фотоосередок є напівпровідниковим елементом, який поєднує в собі два типи провідності, що відрізняються недоліком або надлишком електронів:

• n - провідність;
• p - провідність.

Вона складається з двох напівпровідників, в яких електрони вихідного матеріалу поглинають енергію, що отримується із сонячного потоку, що надає їм додаткового імпульсу. Залишаючи свою орбіту, спрямований потік електронів генерує постійний фотострум, який і використовується в практичних цілях.

Застосування у повсякденному житті

Сфера застосування таких пристроїв дуже широка і охоплює різні галузі, серед яких можна відзначити такі напрямки:

• Мікроелектроніка (годинник, калькулятори).
• Електроніка, яка використовується у побуті (зовнішні акумулятори для смартфонів, планшетів, ноутбуків).
• Забезпечення електроенергією як окремих будівель, так і віддалених районів.
• Використання в пересувних засобах зв'язку та різних комплексах.
• Автомобільна промисловість (електромобілі).
• Космічна галузь (космічні станції).

Переваги використання

Серед інших альтернативних джерел енергії сонячні панелі мають низку незаперечних переваг, а саме:

• Є енергонезалежним джерелом енергії, не потребують складного обслуговування та заміни агрегатних вузлів або з'єднань. Максимальний догляд полягає в очищенні скляного покриття від забруднень, що виникають.
• Працюють незалежно, не вимагають комутуючих включень та вимкнень і завжди перебувають у робочому стані. Також відрізняються безшумністю дії та абсолютно екологічно безпечні.
• Невеликий період окупності.
• Термін служби дорівнює 25 років, при цьому в процесі роботи не відбувається зниження потужності елементів. За заявами виробників, зниження вихідної потужності має бути не більше ніж 5%.
• При їх використанні існує можливість конфігурування кінцевої установки в залежності від необхідної потужності та напруги, що проблематично здійснити з іншими джерелами енергії.

Види використовуваних пристроїв

Як уже було сказано, всі вони мають у своєму складі фотоелементи, які можуть бути представлені такими напівпровідниками:

Кремнієві геліопанелі

В даний час для фотокамейок використовується монокристалічний, полікристалічний і аморфний кремній.

• З монокристалічного кремнію. Як видно з назви, основним матеріалом у приладах вважається очищений кремній. На вигляд вони виконані у вигляді бджолиних сот, з'єднаних в єдину структуру. Конструктивно очищений монокристалічний кремній є найтоншими пластинами (до 300 мікрон), пов'язані електродною сіткою. Головною перевагою визнана їхня висока ефективність, яка може становити до 20%.
• Полікристалічні елементи. Подібні види значно дешевші за попередній варіант у зв'язку з більш простою технологією виготовлення (охолодження кремнієвої субстанції). Зауважимо, що освіта всередині полікристалів призводить до того, що стабільність роботи стає значно нижчою, а показники кінцевого коефіцієнта корисної дії не перевищують 18%.
• Геліопанелі з аморфного кремнію. Можна віднести як до плівкових, так і до кремнієвих, оскільки основним напівпровідниковим матеріалом у них є силан (або кремневодень). Тонка плівка силану наноситься на спеціально підготовлену підіжки, яка і утворює фотоосередок. Незважаючи на те, що ККД складає всього близько 5%, цей тип знайшов широке застосування. Фотоосередки мають гарне світлопоглинання, завдяки чому незважаючи на малий ККД, здатні працювати за відсутності прямого сонця і в похмуру погоду. У зв'язку з цим застосовують поєднання монокристалічних (або полікристалічних) осередків з аморфними, оскільки збірні секції здатні працювати в будь-яких погодних умовах.

Плівкові геліопанелі

Бувають два види:

• На основі телуриду кадмію. Мають низький ККД (до 10%) та отруйна речовина у своєму складі, але не дивлячись на це низька вартість зумовлює їхню популярність. На основі селеніду меді-індія. Основні матеріали, що застосовуються для створення осередків – мідь, селен та індій. Також є досить дешевими, проте мають ефективність близько 20%.
• Полімерні. На даний момент є більш популярними у зв'язку з їхньою дешевизною та доступністю. Як напівпровідники використовується поліфенілен або фталоціанін міді. Ефективність складає всього 5%, однак у зв'язку з їх доступністю, легкістю встановлення та монтажу, а також екологічною безпекою, вони застосовуються не тільки в промислових, а й у побутових цілях.

Ефективність роботи

На початку, ще на етапі появи сонячних батарей на ринку, коефіцієнт корисної дії був досить невеликий, але на сьогоднішній момент їхня продуктивність піднялася на досить високий рівень. Зараз для монокристалічних кремнієвих батарей вона сягає 24%, для полікристалічних – 20%, кремнієвих тонкоплівкових – 15%, а для тонкоплівкових на основі арсеніду галію – 24%. Для багатошарових геліопанелей ККД сягає 30%.

Якщо звернутися до виробників подібних пристроїв, то найкращі сонячні батареї з високим ККД представлені такими компаніями:

• Панелі, створені інститутом Soitec & Fraunhofer Institute на сьогоднішній день є лідером ефективності використання. ККД досягає неймовірних 46%, проте через колосальну вартість вони використовуються лише у науково-космічній сфері.
• Компанія Sharp – безумовний лідер із 55-ти річним стажем. Випускають сонячні батареї практично всім галузей, починаючи від калькуляторів і закінчуючи космічними станціями. Зараз ККД вироблених ними сонячних панелей сягає 19.8%. У своїх розробках компанії вдалося досягти продуктивності в 44,4%, проте ці технології зараз дуже дорогі і не пропонуються на ринку.
• На третьому місці іспанський інститут IES (Spanish solar research institute). Їм вдалося досягти ефективності в 32,6%.

Однак повернемося на землю, цифри вищі – з галузі високих технологій, які поки що недоступні для використання для комерційних чи житлових об'єктів. При виборі геліосистеми для будинку – найефективніші сонячні панелі з тих, що Ви зможете знайти на ринку, навряд чи перевищать ККД на 20%. Зі свого боку можемо порадити Вам звернути увагу на таких виробників як Amonix, Sun Power, SunTech Power, Q-Cells, Sanyo та First Solar.

Як правильно розрахувати кількість геліопанелей

Для того щоб визначитися з кількістю батарей, що встановлюються в побуті, необхідно брати до уваги наступні фактори:

• Розрахувати необхідну кількість електроенергії у будинку.
• Залежно від місця розташування (регіону) уточнити рівень сонячної радіації протягом року. Як правило, дані є у місцевих метеорологічних служб.
• Розрахувати потужність на добу. При цьому необхідно враховувати втрати заряджання акумулятора (не більше 20%) – W.
• З урахуванням літніх та зимових коефіцієнтів отримати потужність (виробіток) однієї секції на добу N, при цьому літній поправочний коефіцієнт – 0,5, зимовий – 0,7.
• Розділивши W на N, отримаємо необхідну кількість батарей, потрібних для забезпечення потреби в електроенергії.

При розрахунку можна прикинути, що для регіонів середньої смуги Росії кількість необхідних панелей, що забезпечують необхідну електроенергію, в зимовий період у кілька разів більша, ніж улітку.

У цьому вироблення впливає як потужність окремої секції, а й кут її нахилу, наявність чи відсутність поворотних приводів і концентруючих пристроїв. У будь-якому випадку, при недостатньому виробленні електроенергії кількість секцій можна збільшити, що допоможе вирішити проблему.

Підвищення ефективності роботи сонячних панелей

З огляду на те, що їхній коефіцієнт корисної дії досить низький, перед виробниками, як і перед користувачами гостро стоїть проблема його підвищення. Ефективність роботи сонячних батарей залежить від багатьох факторів, тому для збільшення ККД і продуктивності слід дотримуватися основних пунктів:

• Правильний вибір матеріалу. На відміну від полікристалічних моделей, індій-галієві або комірки з кадмій-телура здатні значно підвищити продуктивність.
• Правильне розташування поверхні секції під прямим кутом до світлового потоку, що досягається установкою спеціальних приводів та датчиків, що реагують на напрямок світла.
• Як і для будь-якого іншого приладу, перегрів вкрай небезпечний, тому разом із установкою панелей необхідно передбачити систему вентиляції та охолодження.
• Виключити падіння тіні від високих об'єктів, що стоять неподалік, так як це може знизити продуктивність установки в кілька разів.
• Умови експлуатації, правильне та своєчасне обслуговування всіх вузлів, що входять до складу керування панелями (приводи, контролери, інвертори, акумулятори та інше).

Звичайно, установка геліопанелей не вирішить повністю проблему автономного живлення необхідною кількістю електроенергії, але допоможе підняти її вироблення для запитки хоча б частини електроприладів.

Дата завантаження: 30.04.2015

В наш час відновлювана енергетика, особливо, де використовується сонячна енергія, розвивається дуже інтенсивно. У зв'язку з цим продовжується активний пошук способів та пристроїв, підвищення продуктивності існуючих систем, що дозволяють максимально ефективно перетворити енергію сонця на електрику. Тут можна назвати два напрями - пряме перетворення сонячного випромінювання на електричний струм, і багаторазове перетворення сонячної енергії - в тепло, далі в механічну роботу, та був у електрику. Поки що в другому напрямку досягнуто більш високих результатів - промислові геліоустановки з концентраторами, турбінами або двигунами Стірлінга показують відмінну продуктивність перетворення сонячної енергії. Так, на геліостанції, що експлуатується в Нью-Мексико, з сонячними концентраторами і двигунами Стірлінга отримано ККД на виході, з урахуванням витрат енергії на систему орієнтації та інше - 31,25 %.

Але подібні геліоустановки надзвичайно складні та дорогі, ефективні в умовах дуже високої сонячної інсоляції і поки що достатнього розвитку у світі не отримали. Тому прямі перетворювачі сонячного випромінювання - сонячні батареї , займають лідируюче становище у світі сонячної енергетики з інсталяцій та спектру застосування. Продуктивність серійних промислових сонячних панелей нині, залежно від технології, перебуває у діапазоні від 7 до 20%. Технології не стоять на місці, розвиваються і вдосконалюються, вже розробляються і тестуються нові осередки, принаймні вдвічі продуктивніші за існуючі. Спробуємо коротко розглянути основні напрямки розвитку фотоелектричних панелей, технологій та їхньої продуктивності.

Переважна більшість осередків сонячних перетворювачів сучасних серійних фотомодулів виготовляється з монокристалічного (C-Si) або полікристалічного (МС-Si) кремнію. На сьогоднішній день такі кремнієві фотоелектричні модулі займають близько 90% ринку фотоелектричних перетворювачів, з яких приблизно 2/3 посідає полікристалічний кремній і 1/3 — монокристалічний. Далі йдуть сонячні модулі, фотоелементи яких виготовлені за тонкоплівковою технологією – методом осадження, або напилення фоточутливих речовин на різні підкладки. Істотна перевага модулів з цих елементів - нижча вартість продукції, адже для них потрібна приблизно в 100 разів менше матеріалу порівняно з кремнієвими пластинами. І поки що найменше представлені багатоперехідні сонячні елементи з так званих тандемних або багатоперехідних осередків (multijunction cells).

Частки ринку фотоелектричних панелей різних технологій:

Кремнієві кристалічні фотомодулі.

ККД осередків кремнієвих модулів на сьогодні близько 15 - 20% (полікристали - монокристали). Цей показник у цілому скоро може бути збільшений на кілька відсотків. Наприклад, компанія SunTech Power, один із найбільших світових виробників модулів із кристалічного кремнію, заявила про свій намір протягом найближчої пари років випустити на ринок фотомодулі з ККД 22%. Існуючі лабораторні зразки монокристалічних осередків показують продуктивність 25%, полікристалічних - 20,5%. Теоретичний максимальний ККД у кремнієвих одноперехідних (p-n) елементів – 33,7%. Поки що його не досягнуто, і основне завдання виробників, крім збільшення ефективності осередків – удосконалення технології виробництва, здешевлення фотомодулів.

Окремо позиціонуються фотомодулі компанії Sanyo, вироблені за технологією HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) з використанням кількох шарів кремнію, аналогічно багатошаровим тандемним осередкам. ККД таких елементів з монокристалічного C-Si та кількох шарів нано кристалічного nc-Si - 23%. Це найвищий на сьогодні показник ККД осередків серійних кристалічних модулів, свого роду сонячні батареї.

Тонкоплівкові сонячні батареї ефективність.

Під цією назвою мається на увазі кілька різних технологій, про продуктивність яких коротко розповімо. В даний час існує три основних типи неорганічних плівкових сонячних елементів - кремнієві плівки на основі аморфного кремнію (a-Si), плівки на основі телуриду кадмію (CdTe) та плівки селеніду меді-індія-галію (CuInGaSe2, або CIGS). ККД сучасних тонкоплівкових сонячних батарей на основі аморфного кремнію близько 10%, фотомодулів на основі телуриду кадмію - 10-11% (компанія First Solar), на основі селеніду меді-індія-галію - 12-13% (японські сонячні модулі SOLAR). Показники ефективності до серійних елементів: CdTe мають ККД 15.7% (модулі MiaSole), а CIGS елементів 18,7% (ЕМРА). ККД окремих тонкоплівкових сонячних батарей значно вищі, наприклад, дані щодо продуктивності лабораторних зразків елементів з аморфного кремнію - 12,2% (компанія United Solar), CdTe елементів - 17,3% (First Solar), CIGS елементів - 20,5% ( ZSW). Поки сонячні перетворювачі на основі тонких плівок аморфного кремнію лідирують за обсягами виробництва серед інших тонкоплівкових технологій - обсяг світового ринку тонкоплівкових Si елементів близько 80%, сонячних осередків на основі телуриду кадмію - близько 18% ринку, і селенід меді-індія-галію - 2 ринку. Це пов'язано, в першу чергу, з вартістю та доступністю сировини, а також вищою стабільністю характеристик, ніж у багатошарових структурах. Адже кремній - один з найпоширеніших елементів у земній корі, а індій (елементи CIGS) і телур (елементи CdTe) розсіяні і видобуваються в малій кількості. Крім того, кадмій (елементи CdTe) є токсичним, хоча всі виробники таких сонячних модулів гарантують повну утилізацію своєї продукції. Так само процес деградації в елементах тонкоплівкових модулів протікає швидше за кристалічні осередки. Подальший розвиток фотоелектричних перетворювачів на основі тонких неорганічних плівок пов'язаний з удосконаленням технології виробництва та стабілізації їх параметрів.

До тонкоплівкових сонячних батарей відносяться також органічні/полімерні тонкоплівкові світлочутливі елементи та сенсибілізовані барвники. У цьому напрямку комерційне застосування сонячних елементів поки що обмежене, все знаходиться в лабораторній стадії, а також у вдосконаленні технології майбутнього серійного виробництва. Низка джерел заявила про досягнення ККД елементів на органічних перетворювачах більше 10%: німецька компанія Heliatek -10,7%, університету Каліфорнії UCLA - 10,6%. Група вчених із лабораторії в EPFL отримала ККД 12,3% осередків із сенсибілізованих барвників. Взагалі напрямок органічних тонкоплівкових елементів, а також світлочутливих барвників вважається одним з перспективних. Регулярно робляться заяви про досягнення чергового рекорду ефективності, вихід технологій за стіни лабораторій, покриття незабаром усіх доступних поверхонь високоефективними та дешевими сонячними перетворювачами - компанії Konarka, Dyesol, Solarmer Energy. Роботи зосереджені над підвищенням стабільності показників, здешевленням технологій.

Багатоперехідні (багатошарові, тандемні) сонячні панелі характеристики.

Осередки таких елементів містять шари різних матеріалів, що утворюють кілька p-n переходів. Ідеальний сонячний елемент у теорії повинен мати сотні різних шарів (p-n переходів), кожен з яких налаштований на невеликий діапазон довжин хвиль світла у всьому спектрі, від ультрафіолетового до інфрачервоного. Кожен перехід поглинає сонячне випромінювання з певною довжиною хвилі, таким чином охоплюючи весь спектр. Основним матеріалом для таких елементів є сполуки галію (Ga) - фосфід індія галію, арсенід галію, та ін.

Одним із приватних рішень перетворення всього сонячного спектру є застосування призм, що розкладають сонячне світло на спектри, що концентруються на одноперехідних елементах з різним діапазоном перетворення випромінювання. Незважаючи на те, що дослідження в галузі багатоперехідних сонячних елементів тривають уже два десятиліття, і фотомодулі з таких осередків успішно працюють у космосі (сонячні батареї станції «Мир», марсоходів «Mars Exploration Rover» та ін.), їхнє практичне земне використання розпочато порівняно нещодавно. Перші комерційні продукти на таких елементах вийшли ринку кілька років тому й показали відмінний результат, а дослідження у цьому напрямі постійно приковують себе увагу. Справа в тому, що теоретичний ККД двошарових осередків може становити 42% ефективності, тришарових осередків 49%, а вічок з нескінченною кількістю шарів - 68% не фокусованого сонячного світла. Межа продуктивності осередків із нескінченною кількістю шарів становить 86,8% при застосуванні концентрованого сонячного випромінювання. На сьогодні практичні результати ККД для багатоперехідних осередків становлять близько 30% при не сфокусованому сонячному світлі. Цього недостатньо, щоб компенсувати витрати на виробництво таких осередків - вартість багатоперехідного осередку приблизно в 100 разів вище за аналогічну за площею кремнієву, тому в конструкціях модулів із багатоперехідних осередків застосовуються концентратори для фокусування світла в 500 - 1000 разів. Концентратор у вигляді лінзи Френеля та параболічного дзеркала збирає сонячне світло з площі, що у 1000 разів перевищує площу комірки. Повна вартість фотомодулів із багатоперехідних осередків із застосуванням концентраторів (СРV) значно здешевлюється за рахунок недорогих лінз та підкладок, компенсуючи високу вартість виробництва самої комірки. У цьому продуктивність осередків зростає до 40%.

Сонячні батареї характеристики. Наприклад, ККД осередків компанії SolFocus розміром 5,5 мм x 5,5 мм становить 40% при застосуванні концентраторів; а середні розміри осередків у СРV системах мають розміри в діапазоні від 5,5 мм х 5,5 мм до 1 см х 1 см. До чого для виробництва 1см? осередків необхідна 1/1000 сировини порівняно з осередком аналогічної продуктивності кристалічного кремнію. Щоб багатоперехідні осередки працювали з максимальною ефективністю, необхідна стала висока інтенсивність сонячного випромінювання, для цього застосовуються двоосьові системи орієнтації СРV систем. Місцями розгортання сонячних ферм на базі модулів із багатоперехідних осередків із концентраторами є регіони з високою сонячною інсоляцією.

Максимальний ККД багатоперехідних осередків, отриманий у лабораторних умовах із застосуванням концентраторів, становить на сьогодні 43,5% (Solar Junction), і за прогнозами, буде збільшено в найближчі кілька років до 50%.

Як бачимо, на сьогодні існують сонячні осередки з високою продуктивністю, що виготовляються за різними технологіями, і основне завдання виробників – здешевлення кінцевого продукту, адаптація лабораторних досліджень для масового виробництва. Незважаючи на малу витрату сировини в тонкоплівкових сонячних елементах, вартість деяких компонентів у різних видах досить висока, так само, як енергоємні самі технології виробництва. Залишається під сумнівом довготривала стабільність властивостей. Поки що дуже дорогими є багатоперехідні сонячні осередки, для максимальної ефективної роботи яких до того ж потрібна підвищена концентрація сонячного випромінювання. Тому кристалічні кремнієві елементи найближчим часом утримуватимуть лідируючі позиції на ринку фотоелектричних перетворювачів, знижуючись у ціні. Потіснять їх тільки ефективні та дешеві тонкоплівкові модулі, можливо, з полімерних напівпровідників, або світлочутливих барвників. Але прогнози у розвитку тієї чи іншої технології – справа не вдячна. Поживемо побачимо.