Гибкие солнечные батареи: обзор типовых конструкций, их характеристик и особенностей подключения

Подбор узлов гелиоэлектростанции

Для изучения проекта независимого источника питания можно рассмотреть электростанцию на дачу из фотоэлектрических панелей.

Исходные параметры:

• потребление (Е), кВт/ сутки — 14;
• мощность нагрузки (среднее, максимальное, пиковое значение), Вт — 700, 1500, 1850;
• место расположения объекта недвижимости — г. Казань.

Подразумевается сезонная генерация (март — сентябрь).

Определение рабочего напряжения системы

Напряжение сети постоянного тока, V	Особенности	Рекомендованная мощность, кВт
12	Параллельное включение АКБ увеличивает силу тока на выходе, поэтому применяют провода с большим поперечным сечением	До 1,5
24	Замена аккумуляторных батарей выполняется парами	1,5-3
48	Этот уровень напряжения увеличивает опасность поражения пользователей электрическим током	6 и более

Комплектование батареи солнечными модулями

Формула расчета мощности панели преобразователя — P = (Е*1000)/ (К*И), где:

• Е — среднесуточное потребление электроэнергии;
• 1000 — относительная светочувствительность фотоэлементов;
• К — коэффициент потерь;
• И — инсоляция при оптимальном положении панелей относительно падающих лучей.

Если рабочая зона блока установлена горизонтально, среднее значение солнечной радиации для Казани летом составляет 4,49 кВт*ч/м кв. Подставив исходные параметры, вычисляют мощность электрического источника автономного питания: P = (14*1000)/ (4,49*0,7) ≈ 4450 Вт.

Обустройство аккумуляторного энергоблока

При выборе АКБ учитывают следующие факторы:

• для системы с фотоэлектрическими преобразователями подходят АКБ с маркировкой Solar;
• необходимо покупать комплект батарей из одной товарной партии (подразумеваются одинаковые технические параметры АКБ);
• полная разрядка уменьшает срок службы аккумуляторов, поэтому значение поддерживают от 50 до 70%;
• достаточный энергетический запас — сутки.

Для установки АКБ применяют отапливаемое помещение. Рекомендуемая температура воздуха: +25°C.

Аккумулятор для солнечных батарей.

Выбор хорошего контроллера

Хорошее оснащение блока управления обеспечивает поэтапный процесс зарядки, продлевающий ресурс АКБ. Сложный контроллер обеспечивает коммутацию автономного и сетевого источников питания по установленному алгоритму.

Подбор инвертора лучшего исполнения

Эффективное преобразование выполняется без больших потерь (КПД>90%). Важный параметр генерации — форма выходного сигнала. Чем точнее синусоида блока питания, тем лучше.

Использование гибких солнечных панелей

Природа не терпит прямых углов, поэтому гибкие панели лучше соответствуют изгибам окружающей среды, чем стандартные солнечные панели. Гибкие солнечные панели можно устанавливать на навесах, палатках или изогнутых крышах зданий и транспортных средств.

Лодки

Лодки на солнечных батареях варьируются от прогулочных судов и дневных лодок до барж и плавучих домов. Гибкие солнечные панели могут соответствовать неправильным формам многих поверхностей, будь то навес над палубой или крыша рулевой рубки.

Обязательно приобретите хорошо закрытые панели, подходящие для морских условий. Ищите степень защиты от атмосферных воздействий 67 или выше. Добавьте аккумулятор для хранения электроэнергии, вырабатываемой панелями, и вы сможете плавать, не беспокоясь об остановках для дозаправки. ()

Дома на колесах и кемперы

Welcomia / Getty Images

Добавление гибких солнечных панелей на крышу вашего дома на колесах не превратит ваш жилой дом в электромобиль на солнечной энергии, но они могут позволить вам управлять фарами и приборами от электроэнергии, вырабатываемой солнечными панелями.

Гибкие панели уменьшают вес вашего автомобиля и легко устанавливаются. Ряд жилых автофургонов, домов на колесах и трейлеров поставляются либо с местами под солнечные панели, либо с солнечными панелями. Ваша система будет работать лучше всего, если у вас будет достаточная выходная мощность от солнечных панелей и аккумулятора для хранения этой электроэнергии для использования ночью и в пасмурные дни. Батарея, безусловно, тише генератора, но не ожидайте, что она сможет питать кондиционер всю ночь.

Кемпинг и пеший туризм

Если вы путешествуете по дикой местности и беспокоитесь о том, что аккумулятор вашего смартфона разрядится, вы можете прикрепить гибкую солнечную панель к открытой стороне вашего рюкзака и заряжать свой смартфон во время похода. Если вы собираетесь в автомобильном кемпинге, поместите панели на люк на крыше, чтобы зарядить портативный аккумулятор, чтобы ваши фонари работали после наступления темноты. Зимой в кемпинге гибкая панель лучше поглощает свет, преломленный снегом, а также прямые солнечные лучи.

Альтернативные солнечные панели для крыши

Обладая легкостью, гибкие солнечные панели подходят для крыш, которые не выдерживают веса стандартных солнечных панелей.

Установка гибких панелей намного проще, чем стандартных солнечных панелей, поскольку для последних требуются монтажные кронштейны и уплотнительные материалы для предотвращения протекания крыши. И без необходимости в монтажных кронштейнах и другом оборудовании гибкие панели легче перемещать, если, например, вы решили продать свой дом и хотите взять с собой солнечные панели.

Гибкие солнечные панели также могут расширять традиционные солнечные панели на крыше, заполняя пространства, слишком маленькие или слишком деформированные для размещения стандартных солнечных панелей, или вы можете добавлять их в систему, когда ваши потребности в электроэнергии растут.

Какую взять: переносную или стационарную солнечную батарею?

Как выбрать солнечную батарею по конструктивному исполнению? Существуют стационарные и переносные модели. Стационарные солнечные панели предназначены для монтажа на крышу дома или гаража. Они имеют немалый вес и не предназначены для перемещения. Стационарную батарею стоит купить, если необходимо запитать дом или дачу.

Переносные складные панели удобны для походов. Если нужно подзарядить телефон или планшет, подключить походный холодильник или телевизор. Некоторые, как например, ФСМ-7МТ, имеют складную конструкцию и превращаются в небольшую сумочку. Они имеют USB-порт для подключения зарядки телефона или планшета. Вес такого устройства всего 300 гр, поэтому его можно свободно носить в рюкзаке.

Существуют мощные складные панели до 150 Вт. Такие панели подходят для палаточных городков или кемпинга на долгих стоянках. Как и мобильные модули они также имеют складную конструкцию – правда, в рюкзак уже не поместятся. Одной из таких хороших складных солнечных батарей является двухпанельный модуль Woodland Sun House мощностью 120 Вт. Длина такой панели в разложенном состоянии составляет 128 см. Производитель предусмотрел для нее специальную сумку для транспортировки, куда солнечная панель помещается в сложенном состоянии.

Так какую солнечную батарею все-таки лучше взять: стационарную или переносную? Если нужно запитать дом, то однозначно стационарную соответствующей мощности. Для походов в лес и долгих стоянок лучше взять складную модель. А для мобильного телефона или планшета небольшую панель в виде сумки.

Новый мировой рекорд: эффективность солнечных батарей повысили до 29,15%

Научно-исследовательская группа Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) описала в журнале Science разработку тандемного солнечного элемента из перовскита и кремния. Его КПД составил 29,15%. На текущий момент — это новый мировой рекорд. Предыдущие показатели КПД были в районе 28%. Исследователи планируют довести эффективность тандемного солнечного элемента до 30% и даже превысить этот показатель.

Для солнечных элементов базовым материалом является кремний, а разработки с использованием перовскита (титаната кальция) ведутся параллельно. Ученые думают, что возможности перовскита еще не раскрыты и используя оба материала, они получают прирост эффективности.

Тонкопленочные CdTe батареи

Тонкопленочные CdTe батареи

Солнечные батареи на основе теллурида кадмия (CdTe) могут стать реальной альтернативой кремниевым элементам. В настоящее время они демонстрируют эффективность преобразования, в среднем, на 20% выше аналогичных аморфных кремниевых при стоимости на 20% ниже. Достигается это за счет уникальных характеристик полупроводника, обеспечивающую оптимальную ширину запрещенной зоны.

Изготавливаются такие панели путем нанесения слоя полупроводникового материала на тонкие пленки. Технология пока доступна ограниченному кругу производителей, однако серийный выпуск таких батарей уже налажен американской компанией First Solar.

Характеристики кремниевых солнечных батарей

Кварцевый порошок — это сырьевой материал для кремния. Данного материала на Урале и Сибири очень много, поэтому именно кремниевые солнечные панели есть и будут в большем обиходе, чем остальные подтипы.

Монокристалл

Монокристаллические пластины (mono–Si) содержат в себе синевато–темный цвет, равномерно размещенный на всей пластине. Для таких пластин применяется максимально очищенный кремний. Чем он чище, тем солнечные батареи имеют КПД выше и самую наибольшую стоимость на рынке таких устройств.

Преимущества монокристалла:

1. Наивысший КПД — 17–25%.
2. Компактность — задействование сравнительно с поликристаллом меньшей площади для развертывания оснащения в условиях тождества мощности.
3. Износостойкость — бесперебойная работа выработки электроэнергии без замены основных комплектующих обеспечивается за четверть века.

Недостатки:

1. Чувствительность к пыли и грязи — осевшая пыль не дает батареям работать со светом от светила и соответственно уменьшает КПД.
2. Высокая цена равна увеличенному сроку окупаемости.

Так как mono–Si нуждаются в ясной погоде и лучах Солнца, панели устанавливаются на открытых местах и поднятые на высоту. Насчет местности, то предпочтение отдается местности, в которой ясная погода обыденность, а количество солнечных дней приближено к максимальному.

Поликристалл

Поликристаллические пластины (multi–Si) наделены неравномерным синим окрасом из–за разнонаправленности кристаллов. Кремний не настолько чист, как в используемых mono–Si, поэтому КПД несколько ниже, вместе со стоимостью таких солнечных батарей.

Положительные факты поликристалла:

1. Коэффициент полезного действия 12–18%.
2. При неблагоприятной погоде КПД лучше, чем у Mono–Si.
3. Цена данного агрегата меньше, а сроки окупаемости намного ниже.
4. Ориентация на солнце не принципиальна, поэтому можно размещать их на крышах различных строений.
5. Длительность эксплуатации — эффективность поглощения энергии и аккумулирования электричества падает до 20% спустя 20 лет непрерывной эксплуатации.

Недостатки:

1. КПД уменьшен до 12–18%.
2. Требовательность к месту. Для развертывания нормальной станции выработки электроэнергии нужно больше места, чем при задействовании батареи из монокристалла.

Аморфный кремний

Технология производства панелей существенно отличается от предыдущих двух. В приготовлении задействованы горячие пары, опускающиеся на подложку без образования кристаллов. При этом используется меньше производственного материала и это учитывается при формировании цены.

Преимущества:

1. Коэффициент полезного действия — 8–9% во втором поколении и до 12% в третьем.
2. Высокий коэффициент полезного действия при не совсем солнечной погоде.
3. Возможность использования на гибких модулях.
4. Эффективность батарей не падает вниз при повышении температуры, что позволяет монтировать их на всякие поверхности с нестандартной формой.

Основным недостатком можно считать меньший КПД (если сравнивать с иными аналогами), в связи с чем требуется большая площадь для получения сопоставимой отдачи от оборудования.

Эксплуатационные характеристики солнечных панелей

Для изготовления фотоэлектрических элементов солнечных батарей используют кремний с минимальным количеством примесей менее 0,01%. Качество фотоэлементов зависит от количества примесей и цена тоже.

Существует три типа фотоэлемента – это монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. Последние находятся еще на стадии разработки, поэтому их рассматривать не будем. Остановимся на сравнение характеристик монокристаллических и поликристаллических фотоэлементов.

Сравнение типов фотоэлементов

Фотопанели размещаются на открытом пространстве, поэтому на их работу будут влиять эти параметры фотопанелей;

– Температурный коэффициент мощности. Под палящим солнцем, фотоэлементы нагреваются, и теряется часть мощности солнечных батарей. В очень жаркие дни доля потери мощности составляет 25%. В случае монокристаллических и поликристаллических фотопанелей, температурный коэффициент мощности достигает -0,45%, то есть произойдет снижение мощности на -0,45%, на каждый градус прироста температуры. На температурный коэффициент мощности сильно влияет качество фотопреобразователей;

– Степень деградации LID. Деградация монокристаллов панелей происходит быстрее, чем поликристаллов. Год работы снижает мощность монокристаллических батарей до 3%, а поликристаллических до 2%. Такое уменьшение мощности наблюдается в первый год работы гелиопанелей, в дальнейшем эта деградация для монокристаллов будет 0,71%, для панелей из поликристаллов 0,67%.

Деградация зависит от качества фотоэлементов. Для панелей сомнительного качества деградация может достичь в первый год эксплуатации 20%

Поэтому панели важно выбирать не по низкой стоимости, а по производителю и качеству исполнения;

– Фотоэлектрическая чувствительность. Поликристаллические фотоэлементы не так чувствительны к снижению освещения, по сравнению с монокристаллами, но разница в чувствительности небольшая и не является критерием выбора по этому параметру;

– Эффективность панелей. Для выработки одинаковой мощности для поликристаллических панелей необходимо больше площади, т. е. эффективность поликристаллических гелиопанелей меньше монокристалических. Срок службы монокристаллов выше.

Качество солнечных панелей

По качеству исполнения фотоэлектрические элементы можно разделить на четыре категории качества.

Первая категория – Grad A. Это солнечные батареи самого высокого качества – без микротрещин, отсутствуют сколы. По внешнему состоянию эти фотоэлементы полностью одинаковы по цвету, структуре. Эта категория имеет самую малую деградацию и высокое КПД.

Вторая категория – Grad B. Эти фотопреобразователи практически не отличаются от фотоэлементов первой категории, но имеют небольшие изменения в цвете. Но у них большая деградация и меньший срок эксплуатации.

Третья категории – Grad С. Отличие от предыдущей категории – это наличие сколов и трещин, неоднородный окрас, но низкая стоимость. Для энергоснабжения частного дома такие фотопанели не следует применять из-за низкого КПД, высокой деградации и небольшого срока эксплуатации.

Четвертая категория – Grad D имеет самое низкое качество исполнения. Структура этих панелей неоднородная с видимыми дефектами. Небольшой размер фотоэлементов нуждается в дополнительной пайке, что еще ухудшает параметры. Такие элементы имеют небольшую надежность. Их устанавливать не рекомендуется даже при небольшой стоимости.

Пленка EVA. Предназначена для ламинации панелей с солнечной стороны. Она хорошо герметизирует фотоэлементы, снижает деградацию, защищает от механических повреждений, прозрачна. Срок службы этой пленки также зависит от качества исполнения и меняется от 5 до 15 лет.

Недорогая пленка со временем желтеет, теряет прозрачность, отслаивается и имеет срок эксплуатации 3-5 лет. Визуально качественную пленку отличить невозможно, это можно определить только через несколько лет ее работы.

ПЭТ пленка. Эта пленка изолирует тыльную сторону фотопанелей от влаги, пыли и механических повреждений. Качество пленки также можно определить через несколько лет по внешнему состоянию. Цвет становится желтее, появляются трещины.

Основные виды и классификация солнечных батарей

Все солнечные батареи, известные в настоящее время, можно классифицировать следующим образом:

• Устройства малой мощности, предназначенные для питания и зарядки небольших приборов – смартфонов, планшетов и т.д. Их можно применять вне стационарных сетей.
• Универсальные батареи. Обеспечивают питание электронных устройств при отсутствии стационарной сети.
• Солнечная батарея (панель). Состоят из набора фотоэлементов, закрепленных на подложке. Получили наиболее широкое распространение и в свою очередь разделяются на отдельные категории.

Классификация и типы солнечных батарей (модулей):

• Фотоэлектрические преобразователи. Конструктивно являются полупроводниковыми устройствами для преобразования солнечной энергии напрямую в электрическую. Несколько элементов, соединенных между собой, становятся солнечной батареей, которая выглядит как панель. Принцип действия заключается в фотоэлектрическом эффекте, когда в неоднородных полупроводниковых структурах под действием солнечного света появляется электрический ток. Электрофизические характеристики полупроводников могут отличаться, что влияет и на эффективность самого преобразователя.
• Гелиоэлектростанции. Представляют собой солнечные установки, работающие от концентрированной энергии солнца, приводящей в движение паровые, газотурбинные и другие агрегаты. Принцип работы основан на использовании обычных линз или вогнутых зеркал, собирающих и концентрирующих солнечные лучи. В фокусе размещается нагревательный элемент, температура которого постепенно увеличивается. Зеркала считаются более эффективными, поскольку дают возможность получить более мощное излучение.
• Солнечные коллекторы. Относятся к низкотемпературным нагревательным установкам, обеспечивающим горячее водоснабжение в автономном режиме. Широко применяются и в других сферах. Мощность каждого устройства полностью зависит от его полезной площади. Они способны нагревать жидкости до температур в диапазоне 100-200С.

Дополнительная классификация

Существует еще целый ряд признаков, позволяющих классифицировать солнечные батареи. Среди них большое значение имеет расположение атомов кремния в кристаллическом элементе.

В связи с этим, можно выделить следующие типы солнечных батарей:

• Монокристаллические. Для их изготовления применяется кремний высокой чистоты, получаемый промышленным способом. КПД таких батарей составляет 14-17%.
• Поликристаллические. Этот вид солнечных батарей изготавливается из кремниевого расплава, медленно охлаждаемого до нужного состояния. Данный способ значительно дешевле, а полученный кремний приобретает ярко синий цвет. КПД таких элементов ниже, в пределах 10-12%.
• Панели на основе аморфного кремния. Они относятся к категории тонкопленочных, поскольку кремний наносится на основу как очень тонкая пленка и покрывается защитным материалом. Данный метод изготовления считается наиболее дешевым и простым, но эффективность таких изделий ниже, чем в любом кристаллическом варианте. Компоненты панелей постепенно теряют свои качества. КПД находится на уровне 5-6%.

Основные виды солнечных панелей следует рассмотреть более подробно. Зная их параметры и технические характеристики, гораздо легче сделать правильный выбор.

II. Небольшие гибкие солнечные батареи – 20 ватт.

У этого же продавца в перечень самых продаваемых панелей вошла довольно компактная версия 420 на 330 мм, толщиной также всего 3 мм. В комплект входит:

• переходник на прикуриватель;
• адаптер с парой USB-коннекторов;
• один провод с зажимом-«крокодилом».

Предназначение и параметры

Такая панель также подразумевает установку на крыше автомобиля или катера, а может использоваться для подзарядки аккумулятора автомобиля, с подключением через коннектор.

Заявленная пиковая мощность, согласно сертификату – 20 ватт. Проверил.

1.  На солнце она действительно выдала этот показатель – 20 вольт и 1 ампер.

2.  Через USB в помещении, даже через чистое стекло, у меня получилось выжать при зарядке смартфона только 0,3 — 0,5 ампера.

3.  Подключил светодиодную ленту – на это раз длинную, на 55 метров сразу. Обнаружил, что даже если совсем отвернуть панель от окна на 180 градусов, диоды все равно горят! Пусть и не слишком ярко.

4.  После разворота и установки гибкой панели у окна полноценную яркую подсветку удается обеспечить без проблем.

Мой вариант применения

Лично я такие панели использую и планирую использовать в дальнейшем для подзарядки уличных светильников. Точнее, их аккумуляторов через контроллер. Хотя большинство людей покупают данную версию в авто и на природу. Если вас интересует больше информации – в магазине о ней очень много отзывов.

Кстати, мои уличные светильники работают уже 3 года только от энергии солнца и встроенных в них аккумуляторов, рассчитанных на 18 часов непрерывной. Так что плюс от такого альтернативного источника энергии серьезный.

И последнее. Существует вариант подключать такие панели к портативным камерам видеонаблюдения. Это тоже очень интересная идея. Одну из таких камер я уже сделал полностью автономной, за счет использования именно такой солнечной панели. И сейчас тестирую этот гибрид. В будущем постараюсь сделать обзор – не пропустите.

Выбор

Одним из важных критериев выбора являются климатические условия местности, в которой будут установлены гелиопанели. Учитывается количество солнечных дней в году и длина самого дня. Исходя из этих данных, определяется мощность электроэнергии, которую должна вырабатывать батарея в час или сутки. Для северных районов подойдет текстурированное стекло, оно эффективно справляется с работой даже в пасмурные дни. Модули из микроморфного кремния не требуют точной ориентации на солнце, их суммарная годовая мощность превосходит другие тонкопленочные батареи. На них часто останавливают свой выбор жители районов с малой освещенностью.

Выбирая модуль для дома, необходимо продумать, какие электроприборы будут востребованы, хватит ли для них мощности предполагаемой покупки.

При покупке учитывается тип конструкции, материал, толщина фотоэлемента, производитель модуля – все это влияет на цену, качество и длительность работы. Не обязательно переплачивать за иностранные бренды, хорошо себя зарекомендовали модули российского производства, ориентированные на наши климатические условия.

Для расчета количества модулей, следует учитывать, что семья из 4 человек, в среднем, потребляет 200–300 кВт электроэнергии в месяц. Солнечные панели вырабатывают с одного квадратного метра примерно от 25 Вт до 100 Вт в сутки. Для полного удовлетворения дома в потребностях электричества, понадобится 30–40 секций. Оснащение солнечными батареями обойдется семье около 10 тысяч долларов. Устанавливать панели следует на южную сторону крыши, куда попадает максимальное количество солнечных лучей.

Чтобы определиться с выбором, следует понять, какой тип модуля больше подходит покупателю:

• Монокристаллические фотоэлементы стоят 1,5 доллара за Вт. Они имеют меньшие размеры и более эффективны, чем другие виды подобных батарей. Их общее покрытие занимает меньше места. Учитывая мощность и качество, лучше сделать выбор в их пользу. Единственным минусом является высокая стоимость.
• Поликристаллические батареи стоят 1,3 доллар за Вт. По мощности они уступают монокристаллическим, но и оцениваются дешевле. Бюджетные возможности привлекают покупателей, к тому же последние разработки подобных батарей сильно приблизили их КПД к монокристаллическим аналогам.

• Солнечные тонкопленочные панели имеют меньше мощности на один квадратный метр, чем предыдущие модели. Ситуацию выравнивает появление на рынке модулей из микроморфного кремния. Они вырабатывают хорошую суммарную мощность за годовой отрезок времени, отлично себя зарекомендовали в работе видимого и инфракрасного спектра. Для них не важна привязанность к солнечным лучам. Срок эксплуатации батарей составляет 25 лет. Модули имеют недорогую технологию производства, это сказалось на их стоимости – 1,2 доллара за Вт.
• Большой интерес представляет собой гибридная панель, так как она генерирует тепловую и электрическую энергию. Конструкция соединяет в себе коллектор тепла и элементы фотоэлектрической батареи.

По описанию солнечных батарей видно, что для территорий с малой освещенностью больше подойдут панели микроморфного кремния, южные районы могут воспользоваться поликристаллическими батареями. Для тех, кто не стеснен материально, отличным выбором станут более мощные монокристаллические фотоэлементы.

Сегодня еще остаются претензии к гибким солнечным панелям, но завтрашний день, несомненно, за ними. Их активное усовершенствование приводит к снижению стоимости, они уверенно вытесняют кристаллические аналоги из промышленной и бытовой сферы деятельности человека.