Из чего делают солнечные панели: Устройство солнечной батареи. Теория

Опубликовано в Разное
/
14 Дек 1974

Содержание

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями.

Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если

солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Как устроены и работают солнечные батареи

Солнечная энергетика становится все более популярной во всем мире. Вместе с коллегами из специализированного портала Elektrik мы разбирались, как устроена солнечная батарея, из чего она состоит и куда отправляется получаемая энергия.

В наше время практически каждый может собрать и получить в свое распоряжение свой независимый источник электроэнергии на солнечных батареях (в научной литературе они называются фотоэлектрическими панелями).

Дорогостоящее оборудование со временем компенсируется возможностью получать бесплатную электроэнергию. Важно, что солнечные батареи – это экологически чистый источник энергии. За последние годы цены на фотоэлектрические панели упали в десятки раз и они продолжают снижаться, что говорит о больших перспективах при их использовании.

В классическом виде такой источник электроэнергии будет состоять из следующих частей: непосредственно, солнечной батареи (генератора постоянного тока), аккумулятора с устройством контроля заряда и инвертора, который преобразует постоянный ток в переменный.

Солнечные батареи состоят из набора солнечных элементов (фотоэлектрических преобразователей), которые непосредственно преобразуют солнечную энергию в электрическую.

Большинство солнечных элементов производят из кремния, который имеет довольно высокую стоимость. Этот факт определят высокую стоимость электрической энергии, которая получается при использовании солнечных батарей.

Распространены два вида фотоэлектрических преобразователей: сделанные из монокристаллического и поликристаллического кремния. Они отличаются технологией производства. Первые имеют кпд до 17,5%, а вторые – 15%.

Наиболее важным техническим параметром солнечной батареи, которая оказывает основное влияние на экономичность всей установки, является ее полезная мощность. Она определяется напряжением и выходным током. Эти параметры зависят от интенсивности солнечного света, попадающего на батарею.

Электродвижущая сила отдельных солнечных элементов не зависит от их площади и снижается при нагревании батареи солнцем, примерно на 0,4% на 1 гр. С. Выходной ток зависит от интенсивности солнечного излучения и размера солнечных элементов. Чем ярче солнечный свет, тем больший ток генерируется солнечными элементами. Зарядный ток и отдаваемая мощность в пасмурную погоду резко снижается. Это происходит за счет уменьшения отдаваемой батареей тока.

Если освещенная солнцем батарея замкнута на какую либо нагрузку с сопротивлением Rн, то в цепи появляется электрический ток I, величина которого определяется качеством фотоэлектрического преобразователя, интенсивностью освещения и сопротивлением нагрузки. Мощность Pн, которая выделяется в нагрузке определяется произведением Pн = IнUн, где Uн напряжение на зажимах батареи.

Наибольшая мощность выделяется в нагрузке при некотором оптимальном ее сопротивлении Rопт, которое соответствует наибольшему коэффициенту полезного действия (кпд) преобразования световой энергии в электрическую. Для каждого преобразователя имеется свое значение Rопт, которая зависит от качества, размера рабочей поверхности и степени освещенности.

Солнечная батарея состоит из отдельных солнечных элементов, которые соединяются последовательно и параллельно для того, чтобы увеличить выходные параметры (ток, напряжение и мощность). При последовательном соединении элементов увеличивается выходное напряжение, при параллельном – выходной ток.

Для того, чтобы увеличить и ток и напряжение комбинируют два этих способа соединения. Кроме того, при таком способе соединения выход из строя одного из солнечных элементов не приводит в выходу из строя всей цепочки, т.е. повышает надежность работы всей батареи.

Таким образом, солнечная батарея состоит из параллельно-последовательно соединенных солнечных элементов. Величина максимально возможного тока отдаваемого батареей прямо пропорциональна числу параллельно включенных, а электродвижущая сила — последовательно включенных солнечных элементов. Так, комбинируя типы соединения, собирают батарею с требуемыми параметрами.

Солнечные элементы батареи шунтируются диодами. Обычно их 4 – по одному, на каждую ¼ часть батареи. Диоды предохраняют от выхода из строя части батареи, которые по какой-то причине оказались затемненными, т. е. если в какой-то момент времени свет на них не попадает.

Батарея при этом временно генерирует на 25% меньшую выходную мощность, чем при нормальном освещении солнцем всей поверхности батареи.

При отсутствии диодов эти солнечные элементы будут перегреваться и выходить из строя, так как они на время затемнения превращаются в потребителей тока (аккумуляторы разряжаются через солнечные элементы), а при использовании диодов они шунтируются и ток через них не идет.

Получаемая электрическая энергия накапливается в аккумуляторах, а затем отдается в нагрузку. Аккумуляторы – химические источники тока. Заряд аккумулятора происходит тогда, когда к нему приложен потенциал, который больше напряжения аккумулятора.

Число последовательно и параллельно соединенных солнечных элементов должно быть таким, чтобы рабочее напряжение подводимое к аккумуляторам с учетом падения напряжения в зарядной цепи немного превышало напряжение аккумуляторов, а нагрузочный ток батареи обеспечивал требуемую величину зарядного тока.

Например, для зарядки свинцовой аккумуляторной батареи 12 В необходимо иметь солнечную батарею состоящую из 36 элементов.

При слабом солнечном свете заряд аккумуляторной батареи уменьшается и батарея отдает электрическую энергию электроприемнику, т.е. аккумуляторные батареи постоянно работают в режиме разряда и подзаряда.

Это процесс контролируется специальным контроллером. При циклическом заряде требуется постоянное напряжение или постоянный ток заряда.

При хорошей освещенности аккумуляторная батарея быстро заряжается до 90% своей номинальной емкости, а затем с меньшей скоростью заряда до полной емкости. Переключение на меньшую скорость заряда производится контроллером зарядного устройства.

Наиболее эффективно использование специальных аккумуляторов – гелевых (в батарее в качестве электролита применяется серная кислота) и свинцовыех батарей, которые сделанны по AGM-технологии. Этим батареям не нужны специальные условия для установки и не требуется обслуживание. Паспортный срок службы таких батарей – 10 — 12 лет при глубине разряда не более 20%. Аккумуляторные батареи никогда не должны разряжаться ниже этого значения, иначе их срок службы резко сокращается!

Аккумулятор подсоединяется к солнечной батарее через контроллер, который контролирует ее заряд. При заряде батареи на полную мощность к солнечной батареи подключается резистор, который поглощает избыточную мощность.

Для того чтобы преобразовать постоянное напряжение от аккумуляторной батареи в переменное напряжение, которой можно использовать для питания большинства электроприемников совместно с солнечной батарей можно использовать специальные устройства – инверторы.

Без использования инвертора от солнечной батареи можно питать электроприемники, работающие на постоянном напряжении, в т.ч. различную портативную технику, энергосберегающие источники света, например, те же светодиодные лампы.

Автор текста: Андрей Повный. Текст впервые опубликован на сайте Electrik.info. Перепечатано с согласия редакции.

Системы солнечных батарей стали одним из самых быстрорастущих источников энергии в Соединенных Штатах. По данным Ассоциации солнечной энергетики, солнечный рынок удвоился в 2016 году.

Именно популярность солнечной энергии создала новую возобновляемую технологию, создавая что-то совершенно новое, под названием солнечная энергия способная обеспечивать вас электричеством. Эту же идею поддерживает компания Tesla, разрабатывая солнечные батареи Tesla Solar Roof в виде крыши, которая будет доступна в различных вариациях включая Smooth (глянец) и Textured (текстурная черепица).

Солнечные электростанции стали самым быстро развивающимся источником электроэнергии в США. Согласно данных ассоциации солнечной энергетики, солнечный рынок удвоился еще в 2016 году. Исследования GTM и Ассоциация по хранению энергии ожидают, что к 2020 году он станет рынком США в 2,5 миллиарда долларов. Ниже мы рассмотрим из чего делают солнечные батареи и из каких элементов конструкции они состоят.

Из чего состоит современная солнечная батарея: элементы конструкции

Солнечная батарея состоит из алюминиевой рамы, закаленного стекла, двух герметиков (EVA), солнечной панели, задней крышки, распределительной коробки.

Из чего состоит солнечная батарея: материалы для фотоэлементов

В современном производстве солнечных панелей используют кремний, как основной материал. Это распространенный материал в природе, но он имеет много лишних примесей, которые следует убрать для дальнейшего использования. Сам процесс очистки является трудоемким и финансово затратным, что в свою очередь влияет на стоимость солнечных батарей. Ведь чем чище кремний, тем выше КПД панелей.

Существует два самых распространенных вида кремния, из чего состоят солнечные батареи, это монокристаллический и поликристаллический. О технологии производства каждого, расскажем ниже.

Монокристаллический кремний. Сначала кремний расплавляют, затем из массы выращивают природный цельный кристалл. Когда монолит достигает необходимых размеров, его режут на очень тонкие пластинки и уже потом используют в производстве фотоэлементов. Это наиболее долгий и затратный процесс. Но благодаря таким монокристаллическим фотоэлементам, можно по максимуму выжать КПД из солнечных электростанций.

Поликристаллический кремний. Здесь используется технология попроще и допускается присутствие примесей, потому он на порядок дешевле. Сначала природный кремний расплавляют, затем полученные пары охлаждают и осаждают. Так получаются пластины для поликристаллических панелей.

Распределительная коробка солнечной панели

Распределительная коробка — это небольшое устройство защищенное от атмосферных воздействий корпус. Коробка являет собой заднюю часть из чего состоит солнечная батарея. Распределительная коробка важная составляющая, поскольку она является центральной точкой, где все ячейки устанавливают межсоединение и защищают от влаги и грязи.

Алюминиевая рама

Алюминиевая рама играет критически важную роль как для защиты батареи, так и для обеспечения надежной структуры для установки панели солнечных батарей. Рама должна быть легкой, но жесткой и способной выдерживать экстремальные нагрузки при сильном ветре и внешних силах.

На этом все. Мы рассказали про основные компоненты конструкции из чего состоит солнечная батарея и технологию производства моно и поликристаллических фотоэлементов. Надеемся вам было интересно.

Солнечные батареи: как это работает

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи.

История создания

Так исторически сложилось, что солнечные батареи – это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы (солнечные термальные электростанции), в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Солнечная термальная электростанция в испанском городе Севилья

Солнечные же батареи производят непосредственно электричество, что намного эффективнее. При прямой трансформации теряется значительно меньше энергии, чем при многоступенчатой, как у коллекторов (концентрация солнечных лучей, нагрев воды и выделение пара, вращение паровой турбины и только в конце выработка электричества генератором).

Современные солнечные батареи состоят из цепи фотоэлементов – полупроводниковых устройств, преобразующих солнечную энергию напрямую в электрический ток. Процесс преобразования энергии солнца в электрической ток называется фотоэлектрическим эффектом.

Данное явление открыл французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Первый же действующий фотоэлемент спустя полвека создал русский ученый Александр Столетов. А уже в двадцатом столетии фотоэлектрический эффект количественно описал не требующий представления Альберт Эйнштейн.

Беккерель, Столетов и Эйнштейн – именно этому «трио» ученых мы обязаны созданием солнечных батарей

 

Принцип работы

Полупроводник – это такой материал, в атомах которого либо есть лишние электроны (n-тип), либо наоборот, их не хватает (p-тип). Соответственно, полупроводниковый фотоэлемент состоит из двух слоев с разной проводимостью. В качестве катода используется n-слой, а в качестве анода – p-слой.

Лишние электроны из n-слоя могут покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Именно лучи света «выбивают» электроны из атомов n-слоя, после чего они летят в p-слой занимать пустующие места. Таким способом электроны бегут по кругу, выходя из p-слоя, проходя через нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой.

Схема работы фотоэлемента

Первым в истории фотоэлектрическим материалом был селен. Именно с его помощью производили фотоэлементы в конце XIX и начале XX веков. Но учитывая крайне малый КПД (менее 1 процента), селену сразу же начали искать замену.

Массовое же производство солнечных батарей стало возможным после того как телекоммуникационная компания Bell Telephone разработала фотоэлемент на основе кремния. Он до сих пор остается самым распространенным материалом в производстве солнечных батарей. Правда, очистка кремния – процесс крайне затратный, а потому мало-помалу пробуются альтернативы: соединения меди, индия, галлия и кадмия.

Селен – исторически первый, а кремний – самый массовый материал в производстве фотоэлементов

Понятное дело, что мощности отдельных фотоэлементов недостаточно, чтобы питать мощные электроприборы. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, тем самым формируя солнечную батарею (другое название – солнечная панель).

На каркас солнечной батареи фотоэлементы крепятся таким образом, чтобы их в случае выхода из строя можно было заменять по одному. Для защиты от воздействия внешних факторов всю конструкцию покрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Мобильный телефон Samsung E1107 оснащен солнечной батареей

 

Существующие разновидности

Классифицируются солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, которая зависит от площади панели и ее конструкции. Мощность потока солнечных лучей на экваторе достигает 1 кВт, тогда как в наших краях в облачную погоду она может опускаться ниже 100 Вт. В качестве примера возьмем средний показатель (500 Вт) и в дальнейших расчетах будем отталкиваться от него.

Наручные часы Citizen Eco-Drive с солнечной батареей вместо циферблата

Самым низким коэффициентом фотоэлектрического преобразования обладают аморфные, фотохимические и органические фотоэлементы. У первых двух типов он равен примерно 10 процентам, а у последнего – всего лишь 5 процентам. Это означает, что при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель площадью один квадратный метр будет вырабатывать соответственно 50 и 25 Вт электроэнергии.

Монтаж солнечных панелей на крыше жилого дома

В противовес вышеупомянутым типам фотоэлементов выступают солнечные батареи на основе кремниевых полупроводников. Коэффициент фотоэлектрического преобразования на уровне 20%, а при благоприятных условиях — и 25% для них привычное дело. Как результат, мощность метровой солнечной панели может достигать 125 Вт.

Гоночный электромобиль Honda Dream на солнечных батареях появился еще в 1996 г.

Конкурировать по мощности с кремниевыми солнечными батареями способны разве что решения на основе арсенида галлия. Используя это соединение, инженеры научились создавать многослойные фотоэлементы с КФП свыше 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Портативная солнечная панель Solarland мощностью 130 Вт и стоимостью $860

Если же говорить о площади солнечных батарей, то существуют как миниатюрные «пластинки» мощностью до 10 Вт (для частой транспортировки), так и широченные «листы» на 200 Вт и более (сугубо для стационарного использования).

Беспилотный самолет, разработанный NASA Ames Research Center, способен на солнечной энергии пролететь от восточного побережья США до западного

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КФП фотоэлементов. Это при том, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Получается своеобразная палка о двух концах.

Солнечную батарею Voltaic можно носить у себя за спиной

А если затемнить часть солнечной панели, то неактивные фотоэлементы не только прекращают вырабатывать электричество, но и становятся дополнительной, зловредной нагрузкой.

«Солнечное дерево – культурный и одновременно научный символ австрийского городка Глайсдорф

 

Крупнейшие производители

Лидерами глобального производства солнечных батарей являются компании Suntech, Yingli, Trina Solar, First Solar и Sharp Solar. Первые три представляют Китай, четвертая – США, а пятая, как нетрудно догадаться, является подразделением японской корпорации Sharp.

Гольфкар на солнечных батареях – бесшумное и экологически чистое средство передвижения

Американская компания First Solar не только производит солнечные батареи, но и принимает непосредственное участие в проектировании и строительстве солнечных электростанций. Мощнейшая в мире СЭС Агуа-Калиенте, которая находится в штате Аризона, США – дело рук инженеров First Solar.

Крупнейшую же украинскую СЭС «Перово» строила и снабжала солнечными панелями австрийская компания Activ Solar.

Китайская же компания Suntech прославилась тем, что готовила к летней Олимпиаде-2008 футбольный стадион под названием «Птичье гнездо» в Пекине. Вырабатываемая на протяжении дня с помощью солнечных батарей электроэнергия аккумулируется, а затем используется для освещения стадиона, полива травы на футбольном поле и работы телекоммуникационного оборудования.

Национальный стадион в Пекине густо усеян солнечными батареями производства Suntech

 

Выводы

Еще два десятилетия назад диковинкой казались микрокалькуляторы с фотоэлементами, что позволяло не менять в них «батарейку-таблетку» годами. Сейчас же мобильные телефоны со встроенной в заднюю крышку солнечной панелью никого не удивляют. А ведь это мелочь в сравнении с автомобилями и самолетами (пусть и беспилотными), которые научились передвигаться при помощи одной лишь солнечной энергии.

Будущее солнечных батарей видится точно таким же светлым, как само солнце. Хочется верить, что именно солнечные батареи позволят наконец-то вылечить смартфоны и планшеты от «розеткозависимости».

Гибкие солнечные панели: особенности, преимущества и недостатки

Гибкие солнечные панели представляют собой перспективные устройства, с помощью которых можно обеспечить мобильное или стационарное электроснабжение каких-либо объектов, в том числе и вашего умного дома. Подобные приспособления относятся к возобновляемым источникам энергии, приобретающим особое значение сегодня.Обыкновенные солнечные батареи имеют высокую стоимость и жёсткую конструкцию, что ограничивает область их применения.

Что такое гибкие солнечные панели?

Стандартные виды монокристаллических или поликристаллических солнечных панелей состоят из кремниевых пластин. Они обычно имеют толщину до 200 микрометров, что немного толще человеческого волоса. Чтобы сделать «гибкую» солнечную панель, эти кремниевые пластины должны быть нарезаны шириной всего в несколько микрометров. Использование этих ультратонких кремниевых пластин дает солнечным панелям множество уникальных свойств, в том числе гибкость для некоторых моделей.

Гибкие солнечные панели из ультратонких кремниевых элементов существуют уже давно. Совсем недавно исследования в Массачусетском технологическом институте сменились достижениями в области органических солнечных батарей. Вместо использования кремния в качестве основы для солнечных элементов, исследователи нашли способ использовать органические материалы с электродами графена. До сих пор ограничивающим фактором гибкости панели была хрупкость типичных электродов, но из-за прозрачности и гибкости графена этот метод может привести к более тонким, более гибким и более стабильным солнечным панелям в будущем.

Отличительные характеристики гибких солнечных панелей

Гелиомодули гибкой разновидности обладают рядом особенностей, которые делают их популярными среди большого числа людей. Подобные приспособления характеризуются:

  • Тонкой и податливой структурой, которая даёт возможность применять их для установки на нестандартных поверхностях.
  • Повышенным уровнем продуктивности. Благодаря подобному свойству гибкие солнечные панели часто используются на крупных гелиокомплексах.
  • Возможностью использования даже в облачную погоду. Таким образом, можно ощутимо увеличить производительность.

 Если ваша крыша не выдерживает большой нагрузки традиционных солнечных панелей из-за конструктивных проблем, легкие гибкие панели, такие как тонкая пленка, могут стать отличным решением, которое не нарушит структурную целостность вашего дома.

Строение и принципы работы гибких панелей

При сборке солнечных панелей объединяются две разновидности полупроводников — полупроводник n-типа, полупроводник p-типа. Каждая панель состоит из множества объединённых между собой фотоэлементов. Специфическая конструкция определяет принцип функционирования, который основан на понятии фотовольтаики. Оно предполагает преобразование фотонной энергии в электрическую. Благодаря этому функционирование солнечных панелей заключается в следующем:

  • Свет попадает на фотоэлемент с одной стороны.
  • Фотоны сталкиваются с атомами проводника, высвобождая лишние электроны.
  • Свободные (отрицательно заряженные) частицы перемещаются в сторону другого слоя  с недостаточным числом частиц.
  • В результате производится ток, заряжающий подсоединенные к солнечным панелям аккумуляторы.

Для создания полупроводников применяют такие материалы, как селен, кремний и т. д. Чаще всего панели имеют напыление из полимеров, проводники из алюминия, что позволяет добиться легкости конструкции.

Преимущества гибких солнечных элементов

Популярность солнечных панелей обусловлена следующими положительными сторонами:

  • Надёжностью. Специализированная конструкция позволяет предохранить изделия от механического разрушения, а также воздействия влаги. Благодаря небольшому весу и большой площади панель остаётся невредимой даже при падении с высоты нескольких метров, более того, большинство конструкций оборудовано защитными чехлами.
  • Легкостью. Она ощутимо облегчает монтаж солнечных батарей, а также их транспортировку и перемещение без использования какой-либо техники.
  • Экологичностью. Для изготовления панелей применяются специализированные материалы, которые не способны нанести вред здоровью человека или окружающей среде.
  • Простотой эксплуатации. Чтобы использовать солнечные батареи, не нужно обладать специальными знаниями, навыками.
  • Поскольку гибкие панели могут иметь удобную форму  их можно легко установить на менее традиционные конструкции, такие как навесы для автомобилей.
  • В финансовом отношении гибкие панели уменьшат стоимость установки вашего солнечного блока. Гибкие / тонкопленочные панели требуют меньших трудозатрат при установке, и они намного более портативны и просты в обращении, чем обычные панели, которые могут быть громоздкими и тяжелыми и требовать мощных систем монтажа на крыше.

Недостатки гибких солнечных элементов

Помимо перечисленных выше положительных сторон, солнечные батареи имеют и недостатки, в число которых входит:

  • Наиболее распространённым недостатком для тонкоплёночных или гибких солнечных панелей является их более низкая эффективность, чем у классических панелей. Сегодня показатели эффективности для средних монокристаллических или поликристаллических панелей колеблются между 15 и 20 процентами. Тонкопленочные солнечные панели, с другой стороны, обычно предлагают эффективность от 11 до 13 процентов. Этот показатель  эффективности означает, что вам понадобится больше солнечных панелей для выработки того же количества энергии, что может стать препятствием для некоторых солнечных проектов с ограниченным пространством на крыше для установки.
  • Падение производительности в слишком жаркую погоду. В такой ситуации панель сильно нагревается, что и провоцирует снижение всех рабочих показателей.
  • Непродолжительный срок службы, который редко превышает 3–4 года.

Как правильно выбрать солнечную панель?

Чтобы правильно выбрать солнечные панели, необходимо обращать внимание на климатические условия, в которых предполагается их использовать. Приобретать подобные источники энергии лучше всего для использования в сухой и солнечной местности, так как это положительно будет влиять на производительность и рентабельность.

Ещё необходимо принимать во внимание процентный показатель потребностей в тепле. Отдавать предпочтение стоит тем панелям, которые способны покрыть от 40 до 80%. Если производительность будет ниже, то система солнечных панелей обойдется дорого и не оправдает себя во время использования.

Прежде чем выбрать гибкую панель запишите для себя короткий чек-лист ответов на вопросы

  1. Сколько энергии (мощности) вам нужно?
  2. Как вы измеряете систему и рассчитываете фактическую мощность, которая вам нужна?
  3. Какой у вас бюджет?
  4. Нужно ли размещать панель в определённом месте?
  5. Это постоянная или временная установка?

Не стоит забывать и про мощностные потребности объекта, который предполагается снабжать энергией посредством солнечных панелей. Если правильно подобрать их с учетом этого фактора, то появится возможность полностью покрыть мощностные затраты при внезапном отключении основного источника электроэнергии.

Особенности применения гибких аморфных панелей

Тем, кто впервые использует подобные панели, необходимо ознакомиться с особенностями их применения. Важным моментом является использование подобных приспособлений в холодное время года. В этот период имеет место короткий день, поэтому электричества, собранного панелями, не хватает для функционирования всех приборов. В такой ситуации остаётся пользоваться аккумуляторами, которые заряжаются в более благоприятные дни.

Рациональнее всего использовать подобные приспособления в южных районах, где солнце светит дольше и чаще. В любом случае устанавливать панели необходимо универсально. Это значит, что монтировать их требуется с южной стороны под углом от 35 до 40 градусов. Подобное расположение позволит обеспечить максимально эффективное функционирование в течение всего дня.

Благодаря своей долговечности и мобильности, гибкие солнечные панели лучше всего подходят для небольших солнечных проектов на поверхностях, таких как  большие лодки, яхты, микроавтобусы для путешествий, где они могут испытывать физический износ, который не может возникнуть на стационарной крыше. Их долговечность в сочетании с уменьшенным весом гибких панелей делают их идеальными для этих небольших мобильных солнечных проектов, которые не требуют большого количества энергии.

Как делают солнечные элементы

Человечество в целях заботы об экологии и экономии денежных средств начало использовать альтернативные источники энергии, к которым, в частности, принадлежат солнечные батареи. Покупка такого удовольствия обойдется довольно дорого, но не составляет сложности сделать данное устройство своими руками. Поэтому вам не помешает узнать, как самому сделать солнечную батарею. Об этом и пойдет речь в нашей статье.

Устройство и принципы работы

Солнечные батареи — устройства, генерирующие электроэнергию с помощью фотоэлементов.

Прежде чем говорить о том, как сделать солнечную батарею своими руками, необходимо понять устройство и принципы ее работы. Солнечная батарея включает в себя фотоэлементы, соединенные последовательно и параллельно, аккумулятор, накапливающий электроэнергию, инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный и контроллер, следящий за зарядкой и разрядкой аккумулятора.

Как правило, фотоэлементы изготавливают из кремния, но его очистка обходится дорого, поэтому в последнее время начали использовать такие элементы, как индий, медь, селен.

Каждый фотоэлемент является отдельной ячейкой, генерирующей электроэнергию. Ячейки сцеплены между собой и образуют единое поле, от площади которого зависит мощность батареи. То есть, чем больше фотоэлементов, тем больше электроэнергии генерируется.

Для того чтобы изготовить солнечную панель своими руками в домашних условиях, необходимо понимать сущность такого явления, как фотоэффект. Фотоэлемент – кремниевая пластинка, при попадании света на которую с последнего энергетического уровня атомов кремния выбивается электрон. Передвижение потока таких электронов вырабатывает постоянный ток, который впоследствии преобразуется в переменный. В этом и заключается явление фотоэффекта.

Преимущества

Солнечные батареи имеют следующие преимущества:

  • безвредность для экологии;
  • долговечность;
  • бесшумная работа;
  • легкость изготовления и монтажа;
  • независимость поставки электричества от распределительной сети;
  • неподвижность частей устройства;
  • незначительные финансовые затраты;
  • небольшой вес;
  • работа без механических преобразователей.

Разновидности

Солнечные батареи подразделяются на следующие виды.

Кремниевые

Кремний — самый популярный материал для батарей.

Кремниевые батареи также делятся на:

  1. Монокристаллические: для производства таких батарей используется очень чистый кремний.
  2. Поликристаллические (дешевле монокристаллических): поликристаллы получают постепенным охлаждением кремния.

Пленочные

Такие батареи подразделяются на следующие виды:

  1. На основе теллурида кадмия (КПД 10%): кадмий обладает высоким коэффициентом светопоглощения, что и позволяет использовать его в производстве батарей.
  2. На основе селенида меди — индия: КПД выше, чем у предыдущих.
  3. Полимерные.

Солнечные батареи из полимеров начали изготавливать относительно недавно, обычно для этого используют фуреллены, полифенилен и др. Пленки из полимеров очень тонкие, порядка 100 нм. Несмотря на КПД 5%, батареи из полимеров имеют свои преимущества: дешевизна материала, экологичность, эластичность.

Аморфные

КПД аморфных батарей составляет 5%. Такие панели изготавливаются из силана (кремневодорода) по принципу пленочных батарей, поэтому их можно отнести, как к кремниевым, так и к пленочным. Аморфные батареи эластичны, генерируют электричество даже в непогоду, поглощают свет лучше других панелей.

Материалы

Для изготовления солнечной батареи потребуются следующие материалы:

  • фотоячейки;
  • алюминиевые уголки;
  • диоды Шоттки;
  • силиконовые герметики;
  • проводники;
  • крепежные винты и метизы;
  • поликарбонатный лист/оргстекло;
  • паяльное оборудование.

Эти материалы обязательны для того, чтобы сделать солнечную батарею своими руками.

Выбор фотоэлементов

Чтобы сделать солнечную батарею для дома своими руками, следует правильно подобрать фотоэлементы. Последние подразделяются на монокристаллические, поликристаллические и аморфные.

КПД первых составляет 13%, но такие фотоэлементы малоэффективны в непогоду, внешне представляют собой ярко-синие квадраты. Поликристаллические фотоэлементы способны генерировать электроэнергию даже в непогоду, хотя их КПД всего лишь 9%, внешне темнее монокристаллических и срезаны по краям. Аморфные фотоячейки изготавливаются из гибкого кремния, их КПД составляет 10%, работоспособность не зависит от погодных условий, но изготовление таких ячеек слишком затратное, поэтому их редко используют.

Если вы планируете применять генерируемую фотоэлементами электроэнергию на даче, то советуем собрать солнечную батарею своими руками из поликристаллических ячеек, так как их КПД достаточно для ваших целей.

Следует покупать фотоячейки одной марки, так как фотоэлементы нескольких марок могут сильно отличаться — это может стать причиной возникновения проблем со сборкой батареи и ее функционированием. Следует помнить, что количество производимой ячейкой энергии прямо пропорционально ее размеру, то есть чем крупнее фотоячейка, тем больше электроэнергии она производит; напряжение ячейки зависит от ее типа, а никак не от размера.

Количество производимого тока определяется габаритами самого маленького фотоэлемента, поэтому следует покупать фотоячейки одинакового размера. Конечно же, не стоит приобретать дешевую продукцию, ведь это значит, что она не прошла проверку. Также не следует покупать фотоэлементы, покрытые воском (многие производители покрывают фотоячейки воском для сохранности продукции при перевозке): при его удалении можно испортить фотоэлемент.

Расчеты и проект

Устройство солнечной панели своими руками — несложная задача, главное, подойти к ее выполнению ответственно. Чтобы изготовить солнечную панель своими руками, следует подсчитать дневное потребление электроэнергии, затем узнать среднесуточное солнечное время в вашей местности и рассчитать нужную мощность. Таким образом, станет понятно, сколько ячеек и какого размера нужно приобрести. Ведь как было сказано выше, генерируемый ячейкой ток зависит от ее габаритов.

Зная необходимый размер ячеек и их количество, нужно рассчитать габариты и вес панели, после чего необходимо выяснить выдержит ли кровля или другое место, куда планируется установка солнечной батареи, задумываемую конструкцию.

Устанавливая панель, следует не только выбрать самое солнечное место, но и постараться закрепить ее под прямым углом к солнечным лучам.

Этапы работы

Корпус

Прежде чем начать делать солнечную панель своими руками, необходимо соорудить для нее каркас. Он защищает батарею от повреждений, влаги и пыли.

Корпус собирается из влагостойкого материала: фанеры, покрытой влагоотталкивающим средством, или алюминиевых уголков, к которым силиконовым герметиком приклеивается оргстекло или поликарбонат.

При этом нужно соблюдать отступы между элементами (3-4 мм), так как необходимо учитывать расширение материала при повышении температуры.

Пайка элементов

Фотоэлементы выкладываются на лицевую сторону прозрачной поверхности, так, чтобы расстояние между ними со всех сторон было 5 мм: таким образом учитывается возможное расширение фотоячеек при повышении температуры.

Фиксируются преобразователи, имеющие два полюса: положительный и отрицательный. Если вы хотите увеличить напряжение, соединяйте элементы последовательно, если ток — параллельно.

Во избежание разрядки аккумулятора ночью, в единую цепь, состоящую из всех необходимых деталей, включают диод Шоттки, подсоединяя его к плюсовому проводнику. Затем все элементы спаивают между собой.

Сборка

В готовый каркас размещаются спаянные преобразователи, на фотоячейки наносится силикон — все это накрывается слоем из ДВП, закрывается крышкой, а места соединений деталей обрабатываются герметиком.

Даже городской житель может сделать и разместить солнечную батарею на балконе своими руками. Желательно, чтобы балкон был застеклен и утеплен.
Вот мы и разобрали, как сделать солнечную батарею в домашних условиях, оказалось, это совсем несложно.

Идеи из подручных материалов

Можно сделать солнечную батарею своими руками из подручных материалов. Рассмотрим самые популярные варианты.

Солнечная батарея из фольги

Многие удивятся, узнав, что фольгу можно применять для изготовления солнечной батареи своими руками. На самом деле, в этом нет ничего удивительного, ведь фольга увеличивает отражающие способности материалов. Например, для уменьшения перегрева панелей, их кладут на фольгу.

Как сделать солнечную батарею из фольги?

  • 2 «крокодильчика»;
  • медная фольга;
  • мультиметр;
  • соль;
  • пустая пластиковая бутылка без горлышка;
  • электрическая печь;
  • дрель.

Очистив медный лист и вымыв руки, отрезаем кусок фольги, кладем его на раскаленную электроплиту, нагреваем полчаса, наблюдая почернение, затем убираем фольгу с плиты, даем остыть и видим, как от листа отслаиваются куски. После нагревания оксидная пленка пропадает, поэтому черный оксид можно аккуратно удалить водой.

Затем вырезается второй кусок фольги такого же размера, как и первый, две части сгибаются, опускаются в бутылку так, чтобы у них не было возможности соприкоснуться.

Далее «крокодильчики» прицепляются к панели, провод от ненагретой фольги — к плюсу, от нагретой — к минусу, соль растворяют в воде и выливают раствор в бутылку. Батарея готова.

Также фольгу можно применять для подогрева. Для этого ее необходимо натянуть на раму, к которой затем нужно подсоединить шланги, подведенные, например, к лейке с водой.

Вот мы и узнали, как самому сделать солнечную батарею для дома из фольги.

Солнечная батарея из транзисторов

У многих дома завалялись старые транзисторы, но не все знают, что они вполне подойдут для изготовления солнечной батареи для дачи своими руками. Фотоэлементом в таком случае является полупроводниковая пластина, находящаяся внутри транзистора. Как же изготовить солнечную батарею из транзисторов своими руками? Сначала необходимо вскрыть транзистор, для чего достаточно срезать крышку, так мы сможем разглядеть пластину: она небольших размеров, чем и объясняется низкий КПД солнечных батарей из транзисторов.

Далее нужно проверить транзистор. Для этого используем мультиметр: подключаем прибор к транзистору с хорошо освещенным p-n переходом и замеряем ток, мультиметр должен зафиксировать ток от нескольких долей миллиампера до 1 или чуть больше; далее переключаем прибор в режим измерения напряжения, мультиметр должен выдать десятые доли вольта.

Прошедшие проверку транзисторы размещаем внутри корпуса, например, листового пластика и спаиваем. Можно изготовить такую солнечную батарею своими руками в домашних условиях и использовать ее для зарядки аккумуляторов и радиоприемников маленькой мощности.

Солнечная батарея из диодов

Также подходят для сборки батарей старые диоды. Сделать солнечную батарею своими руками из диодов совсем несложно. Нужно вскрыть диод, оголив кристалл, являющийся фотоэлементом, затем нагревать диод 20 секунд на газовой плите, и, когда припой расплавится, извлечь кристалл. Остается припаять вытащенные кристаллы к корпусу.

Мощность таких батарей невелика, но для электропитания небольших светодиодов ее достаточно.

Солнечная батарея из пивных банок

Такой вариант изготовления солнечной батареи своими руками из подручных средств большинству покажется очень странным, но сделать солнечную батарею своими руками из пивных банок просто и дешево.

Корпус сделаем из фанеры, на которую поместим поликарбонат или оргстекло, на задней поверхности фанеры зафиксируем пенопласт или стекловату для изоляции. Фотоэлементами нам послужат алюминиевые банки. Важно выбрать именно банки из алюминия, так как алюминий менее подвержен коррозии, чем, например, железо и обладает лучшим теплообменом.

Далее в нижней части банок проделываются отверстия, крышка срезается, и ненужные элементы загибаются для обеспечения лучшей циркуляции воздуха. Затем необходимо очистить банки от жира и грязи с помощью специальных средств, не содержащих кислоты. Далее необходимо герметично скрепить банки между собой: силиконовым гелем, выдерживающим высокие температуры, или паяльником. Обязательно нужно очень хорошо просушить склеенные банки в неподвижном положении.

Прикрепив банки к корпусу, окрашиваем их в черный цвет и закрываем конструкцию оргстеклом или поликарбонатом. Такая батарея способна нагревать воду или воздух с последующей подачей в помещение.

Мы рассмотрели варианты того, как сделать солнечную панель своими руками. Надеемся, что теперь у вас не возникнет вопроса, как сделать солнечную батарею.

Видео

Как сделать солнечные батареи своими руками – видео урок.

Человечество в целях заботы об экологии и экономии денежных средств начало использовать альтернативные источники энергии, к которым, в частности, принадлежат солнечные батареи. Покупка такого удовольствия обойдется довольно дорого, но не составляет сложности сделать данное устройство своими руками. Поэтому вам не помешает узнать, как самому сделать солнечную батарею. Об этом и пойдет речь в нашей статье.

Устройство и принципы работы

Солнечные батареи — устройства, генерирующие электроэнергию с помощью фотоэлементов.

Прежде чем говорить о том, как сделать солнечную батарею своими руками, необходимо понять устройство и принципы ее работы. Солнечная батарея включает в себя фотоэлементы, соединенные последовательно и параллельно, аккумулятор, накапливающий электроэнергию, инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный и контроллер, следящий за зарядкой и разрядкой аккумулятора.

Как правило, фотоэлементы изготавливают из кремния, но его очистка обходится дорого, поэтому в последнее время начали использовать такие элементы, как индий, медь, селен.

Каждый фотоэлемент является отдельной ячейкой, генерирующей электроэнергию. Ячейки сцеплены между собой и образуют единое поле, от площади которого зависит мощность батареи. То есть, чем больше фотоэлементов, тем больше электроэнергии генерируется.

Для того чтобы изготовить солнечную панель своими руками в домашних условиях, необходимо понимать сущность такого явления, как фотоэффект. Фотоэлемент – кремниевая пластинка, при попадании света на которую с последнего энергетического уровня атомов кремния выбивается электрон. Передвижение потока таких электронов вырабатывает постоянный ток, который впоследствии преобразуется в переменный. В этом и заключается явление фотоэффекта.

Преимущества

Солнечные батареи имеют следующие преимущества:

  • безвредность для экологии;
  • долговечность;
  • бесшумная работа;
  • легкость изготовления и монтажа;
  • независимость поставки электричества от распределительной сети;
  • неподвижность частей устройства;
  • незначительные финансовые затраты;
  • небольшой вес;
  • работа без механических преобразователей.

Разновидности

Солнечные батареи подразделяются на следующие виды.

Кремниевые

Кремний — самый популярный материал для батарей.

Кремниевые батареи также делятся на:

  1. Монокристаллические: для производства таких батарей используется очень чистый кремний.
  2. Поликристаллические (дешевле монокристаллических): поликристаллы получают постепенным охлаждением кремния.

Пленочные

Такие батареи подразделяются на следующие виды:

  1. На основе теллурида кадмия (КПД 10%): кадмий обладает высоким коэффициентом светопоглощения, что и позволяет использовать его в производстве батарей.
  2. На основе селенида меди — индия: КПД выше, чем у предыдущих.
  3. Полимерные.

Солнечные батареи из полимеров начали изготавливать относительно недавно, обычно для этого используют фуреллены, полифенилен и др. Пленки из полимеров очень тонкие, порядка 100 нм. Несмотря на КПД 5%, батареи из полимеров имеют свои преимущества: дешевизна материала, экологичность, эластичность.

Аморфные

КПД аморфных батарей составляет 5%. Такие панели изготавливаются из силана (кремневодорода) по принципу пленочных батарей, поэтому их можно отнести, как к кремниевым, так и к пленочным. Аморфные батареи эластичны, генерируют электричество даже в непогоду, поглощают свет лучше других панелей.

Материалы

Для изготовления солнечной батареи потребуются следующие материалы:

  • фотоячейки;
  • алюминиевые уголки;
  • диоды Шоттки;
  • силиконовые герметики;
  • проводники;
  • крепежные винты и метизы;
  • поликарбонатный лист/оргстекло;
  • паяльное оборудование.

Эти материалы обязательны для того, чтобы сделать солнечную батарею своими руками.

Выбор фотоэлементов

Чтобы сделать солнечную батарею для дома своими руками, следует правильно подобрать фотоэлементы. Последние подразделяются на монокристаллические, поликристаллические и аморфные.

КПД первых составляет 13%, но такие фотоэлементы малоэффективны в непогоду, внешне представляют собой ярко-синие квадраты. Поликристаллические фотоэлементы способны генерировать электроэнергию даже в непогоду, хотя их КПД всего лишь 9%, внешне темнее монокристаллических и срезаны по краям. Аморфные фотоячейки изготавливаются из гибкого кремния, их КПД составляет 10%, работоспособность не зависит от погодных условий, но изготовление таких ячеек слишком затратное, поэтому их редко используют.

Если вы планируете применять генерируемую фотоэлементами электроэнергию на даче, то советуем собрать солнечную батарею своими руками из поликристаллических ячеек, так как их КПД достаточно для ваших целей.

Следует покупать фотоячейки одной марки, так как фотоэлементы нескольких марок могут сильно отличаться — это может стать причиной возникновения проблем со сборкой батареи и ее функционированием. Следует помнить, что количество производимой ячейкой энергии прямо пропорционально ее размеру, то есть чем крупнее фотоячейка, тем больше электроэнергии она производит; напряжение ячейки зависит от ее типа, а никак не от размера.

Количество производимого тока определяется габаритами самого маленького фотоэлемента, поэтому следует покупать фотоячейки одинакового размера. Конечно же, не стоит приобретать дешевую продукцию, ведь это значит, что она не прошла проверку. Также не следует покупать фотоэлементы, покрытые воском (многие производители покрывают фотоячейки воском для сохранности продукции при перевозке): при его удалении можно испортить фотоэлемент.

Расчеты и проект

Устройство солнечной панели своими руками — несложная задача, главное, подойти к ее выполнению ответственно. Чтобы изготовить солнечную панель своими руками, следует подсчитать дневное потребление электроэнергии, затем узнать среднесуточное солнечное время в вашей местности и рассчитать нужную мощность. Таким образом, станет понятно, сколько ячеек и какого размера нужно приобрести. Ведь как было сказано выше, генерируемый ячейкой ток зависит от ее габаритов.

Зная необходимый размер ячеек и их количество, нужно рассчитать габариты и вес панели, после чего необходимо выяснить выдержит ли кровля или другое место, куда планируется установка солнечной батареи, задумываемую конструкцию.

Устанавливая панель, следует не только выбрать самое солнечное место, но и постараться закрепить ее под прямым углом к солнечным лучам.

Этапы работы

Корпус

Прежде чем начать делать солнечную панель своими руками, необходимо соорудить для нее каркас. Он защищает батарею от повреждений, влаги и пыли.

Корпус собирается из влагостойкого материала: фанеры, покрытой влагоотталкивающим средством, или алюминиевых уголков, к которым силиконовым герметиком приклеивается оргстекло или поликарбонат.

При этом нужно соблюдать отступы между элементами (3-4 мм), так как необходимо учитывать расширение материала при повышении температуры.

Пайка элементов

Фотоэлементы выкладываются на лицевую сторону прозрачной поверхности, так, чтобы расстояние между ними со всех сторон было 5 мм: таким образом учитывается возможное расширение фотоячеек при повышении температуры.

Фиксируются преобразователи, имеющие два полюса: положительный и отрицательный. Если вы хотите увеличить напряжение, соединяйте элементы последовательно, если ток — параллельно.

Во избежание разрядки аккумулятора ночью, в единую цепь, состоящую из всех необходимых деталей, включают диод Шоттки, подсоединяя его к плюсовому проводнику. Затем все элементы спаивают между собой.

Сборка

В готовый каркас размещаются спаянные преобразователи, на фотоячейки наносится силикон — все это накрывается слоем из ДВП, закрывается крышкой, а места соединений деталей обрабатываются герметиком.

Даже городской житель может сделать и разместить солнечную батарею на балконе своими руками. Желательно, чтобы балкон был застеклен и утеплен.
Вот мы и разобрали, как сделать солнечную батарею в домашних условиях, оказалось, это совсем несложно.

Идеи из подручных материалов

Можно сделать солнечную батарею своими руками из подручных материалов. Рассмотрим самые популярные варианты.

Солнечная батарея из фольги

Многие удивятся, узнав, что фольгу можно применять для изготовления солнечной батареи своими руками. На самом деле, в этом нет ничего удивительного, ведь фольга увеличивает отражающие способности материалов. Например, для уменьшения перегрева панелей, их кладут на фольгу.

Как сделать солнечную батарею из фольги?

  • 2 «крокодильчика»;
  • медная фольга;
  • мультиметр;
  • соль;
  • пустая пластиковая бутылка без горлышка;
  • электрическая печь;
  • дрель.

Очистив медный лист и вымыв руки, отрезаем кусок фольги, кладем его на раскаленную электроплиту, нагреваем полчаса, наблюдая почернение, затем убираем фольгу с плиты, даем остыть и видим, как от листа отслаиваются куски. После нагревания оксидная пленка пропадает, поэтому черный оксид можно аккуратно удалить водой.

Затем вырезается второй кусок фольги такого же размера, как и первый, две части сгибаются, опускаются в бутылку так, чтобы у них не было возможности соприкоснуться.

Далее «крокодильчики» прицепляются к панели, провод от ненагретой фольги — к плюсу, от нагретой — к минусу, соль растворяют в воде и выливают раствор в бутылку. Батарея готова.

Также фольгу можно применять для подогрева. Для этого ее необходимо натянуть на раму, к которой затем нужно подсоединить шланги, подведенные, например, к лейке с водой.

Вот мы и узнали, как самому сделать солнечную батарею для дома из фольги.

Солнечная батарея из транзисторов

У многих дома завалялись старые транзисторы, но не все знают, что они вполне подойдут для изготовления солнечной батареи для дачи своими руками. Фотоэлементом в таком случае является полупроводниковая пластина, находящаяся внутри транзистора. Как же изготовить солнечную батарею из транзисторов своими руками? Сначала необходимо вскрыть транзистор, для чего достаточно срезать крышку, так мы сможем разглядеть пластину: она небольших размеров, чем и объясняется низкий КПД солнечных батарей из транзисторов.

Далее нужно проверить транзистор. Для этого используем мультиметр: подключаем прибор к транзистору с хорошо освещенным p-n переходом и замеряем ток, мультиметр должен зафиксировать ток от нескольких долей миллиампера до 1 или чуть больше; далее переключаем прибор в режим измерения напряжения, мультиметр должен выдать десятые доли вольта.

Прошедшие проверку транзисторы размещаем внутри корпуса, например, листового пластика и спаиваем. Можно изготовить такую солнечную батарею своими руками в домашних условиях и использовать ее для зарядки аккумуляторов и радиоприемников маленькой мощности.

Солнечная батарея из диодов

Также подходят для сборки батарей старые диоды. Сделать солнечную батарею своими руками из диодов совсем несложно. Нужно вскрыть диод, оголив кристалл, являющийся фотоэлементом, затем нагревать диод 20 секунд на газовой плите, и, когда припой расплавится, извлечь кристалл. Остается припаять вытащенные кристаллы к корпусу.

Мощность таких батарей невелика, но для электропитания небольших светодиодов ее достаточно.

Солнечная батарея из пивных банок

Такой вариант изготовления солнечной батареи своими руками из подручных средств большинству покажется очень странным, но сделать солнечную батарею своими руками из пивных банок просто и дешево.

Корпус сделаем из фанеры, на которую поместим поликарбонат или оргстекло, на задней поверхности фанеры зафиксируем пенопласт или стекловату для изоляции. Фотоэлементами нам послужат алюминиевые банки. Важно выбрать именно банки из алюминия, так как алюминий менее подвержен коррозии, чем, например, железо и обладает лучшим теплообменом.

Далее в нижней части банок проделываются отверстия, крышка срезается, и ненужные элементы загибаются для обеспечения лучшей циркуляции воздуха. Затем необходимо очистить банки от жира и грязи с помощью специальных средств, не содержащих кислоты. Далее необходимо герметично скрепить банки между собой: силиконовым гелем, выдерживающим высокие температуры, или паяльником. Обязательно нужно очень хорошо просушить склеенные банки в неподвижном положении.

Прикрепив банки к корпусу, окрашиваем их в черный цвет и закрываем конструкцию оргстеклом или поликарбонатом. Такая батарея способна нагревать воду или воздух с последующей подачей в помещение.

Мы рассмотрели варианты того, как сделать солнечную панель своими руками. Надеемся, что теперь у вас не возникнет вопроса, как сделать солнечную батарею.

Видео

Как сделать солнечные батареи своими руками – видео урок.

Солнечные элементы преобразуют энергию солнца в электричество, подобно тому, как растения превращают ее в пищу в процессе фотосинтеза. Солнечные элементы работают на основе энергии Солнца, под воздействием которой электроны в полупроводниковых материалах переходят от орбит, близких к ядрам их атомов, в более высокие орбиты, где они могут проводить электричество. Коммерческие солнечные элементы используют кремний в качестве полупроводника, но вот способ сделать солнечную батарею из более доступных материалов, чтобы лично увидеть, как это работает.

Ученые научили солнечные панели «потеть», что подняло их КПД на 15-19%

Ученые научили солнечные панели «потеть», что подняло их КПД на 15-19%

Солнечным панелям, как и людям, тяжело работать на жаре. Ученые из Китая научили их «потеть», чтобы охлаждаться и работать с большей производительностью. Особый гель обеспечил прирост КПД на 19% под открытым небом.

Сегодня в мире вырабатывается свыше 600 ГВт*ч солнечной энергии, обеспечивая 3% мировых потребностей в электричестве. И ее станет в пять раз больше в ближайшее десятилетие. В большинстве случаев панели делают из кремния, который преобразует всего 20% энергии солнца. Остальная энергия в основном превращается в тепло, которое нагревает панели примерно до 40°C.

Проблема в том, что каждый градус выше 25 °C понижает эффективность панелей. В области, где инженеры бьются за каждую 0,1% КПД, даже один процент может дать экономическое преимущество. Его обеспечивает обычная вода. Сегодня многие компании продают системы водного охлаждения солнечных панелей, но эти технологии требуют значительных расходов воды, труб и насосов. И не пригодны в засушливых регионах.

Альтернативный вариант — система сбора воды из атмосферы. За последние годы ученые нашли материалы, способные высасывать влагу из воздуха и конденсировать ее, получая питьевую воду. В частности, хорошие показатели у геля, который впитывает влагу ночью. Он состоит из смеси углеродных нанотрубок с полимерами внутри гидрофильной соли хлорида кальция. Когда днем температура поднимается, гель выделяет влагу.   

Исследователи из Политехнического университета Гонконга придумали другое применение для конденсированной воды — охлаждающее вещество для солнечных панелей. Они наложили стандартный кремниевый чип на сантиметровый слой геля. Их идея заключается в том, чтобы днем гель использовал тепло фотоэлемента для испарения жидкости, которую он впитал за ночь. Испаряясь, влага будет охлаждать саму солнечную панель.

Объем геля зависит в основном от относительной влажности. В засушливых регионах с относительной влажностью 35% на один квадратный метр солнечных панелей требуется 1 кг геля. А там, где сыро, всего 0,3 кг на ту же площадь.

В том и другом случае температура солнечной панели падает на 10 °C. А ее производительность возрастает в среднем на 15%. Под открытым небом, когда есть ветер, КПД может подняться и на 19%.

Пока не ясно, как может повести себя гель под дождем, не вымоет ли из него весь хлорид кальция. Исследователи собираются изучить этот вопрос и разработать второе поколение геля.

Ранее ЭлектроВести писали, что американским ученым Национальной лаборатории по изучению возобновляемой энергии удалось разработать солнечные батареи с максимальным на сегодняшний момент КПД. Он составляет 39,2% при естественном освещении, а при концентрированном солнечном свете – более 47%. Оба этих показателя побили мировой рекорд для солнечных батарей.

Также на открытом воздухе солнечные элементы могут терять производительность, разрушаясь под действием влажности, низкой температуры и, как ни странно, слишком яркого света. Международная команда ученых разработала новый тип фотоэлемента, способного выдерживать воздействия окружающей среды и превращать солнечную энергию в электричество с эффективностью 26,7%.

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

Как работают солнечные панели?

Солнечная энергия имеет решающее значение для нашего выживания как вида, и, к счастью, отрасль процветает. С тех пор, как Конгресс принял налоговую льготу в 2006 году, Ассоциация индустрии солнечной энергии (SEIA) заявляет, что за последнее десятилетие солнечная промышленность в среднем показывала темпы роста 50 процентов. В большинстве областей это будут макро-новости. Но у солнечной энергии есть миссия, выходящая за рамки зарабатывания денег — она ​​должна спасти планету.

Нет никакого плана по предотвращению антропогенного глобального потепления от постоянного искажения климата Земли без солнечных панелей и энергии, которую они могут преобразовать.«Роль возобновляемых источников энергии в смягчении последствий изменения климата доказана», — говорится в заявлении Программы развития Организации Объединенных Наций. Некоторые представители отрасли считают, что к 2050 году отрасль солнечной энергетики вырастет на 6500 процентов, чтобы удовлетворить эту потребность.

☀️Вы любите солнечную. И мы тоже. Давайте вместе поработаем над этим.

Но, несмотря на всю свою важность, солнечные батареи по-прежнему кажутся загадочными. Жесткие и слегка угрожающие черные прямоугольники, они не выглядят и не похожи на спасителей.Величественные водопады и плотины выглядят героически, а вот солнечные батареи — нет. Итак, каковы их внутренние механизмы, как они работают?

Краткая история солнечных панелей

Цифровая библиотека Gallica

Работа в области солнечной энергии началась в 1839 году, когда молодой французский физик Эдмон Беккерель открыл то, что сейчас известно как фотоэлектрический эффект. Беккерель работал в семейном бизнесе — его отец, Антуан, был известным французским ученым, который все больше интересовался электричеством, — когда он сделал свое открытие.

Эдмонда интересовало, как работает свет, и когда ему было всего 19 лет, их интересы совпали — он обнаружил, что электричество можно производить с помощью солнечного света. (Кстати, это также привело его к созданию первой в мире цветной фотографии).

Шли годы, и технология пошла маленькими, устойчивыми шагами. В 1940-х годах такие ученые, как Мария Телкес, экспериментировали с использованием сульфатов натрия для хранения энергии солнца, чтобы создать Dover Sun House. При исследовании полупроводников инженер Рассел Шумейкер Охс исследовал образец кремния с трещиной и заметил, что он проводит электричество, несмотря на трещину.

Но самый большой скачок произошел 25 апреля 1954 года, когда химик Кэлвин Фуллер, физик Джеральд Пирсон и инженер Дэрил Чапин раскрыли, что они построили первый практический кремниевый солнечный элемент.

Этот контент импортирован из {embed-name}. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.

Как и Охс, это трио работало в Bell Labs и раньше взяло на себя задачу создания такого баланса.Чапин пытался создать источники питания для удаленных телефонов в пустынях, где разрядились бы обычные батарейки. Пирсон и Фуллер работали над контролем свойств полупроводников, которые позже будут использоваться для питания компьютеров. Зная о работе друг друга, все трое решили сотрудничать.

Кальвин С. Фуллер, на снимке диффузии бора в кремний.

Архивы AT&T

Через год после создания первого работающего солнечного элемента Bell Labs нашла практическое применение этой технологии.Здесь мастер по ремонту кабелей в Джорджии устанавливает панели для первого в истории телефонного разговора на солнечной энергии 4 октября 1955 года.

Bell Labs

Эти самые ранние солнечные элементы были «в основном собранными вручную устройствами», — говорит Роберт Марголис, старший энергетический аналитик Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), федеральной лаборатории в Голдене, штат Колорадо, посвященной возобновляемым источникам энергии.

Как работают солнечные панели?

Чтобы понять, как кремниевые солнечные панели производят электричество, вы должны подумать на атомном уровне.Кремний имеет атомный номер 14, что означает, что в его центре 14 протонов и 14 электронов вращаются вокруг этого центра. Используя классический образ атомных кругов, вокруг центра движутся три круга. Самый внутренний круг заполнен двумя электронами, а средний круг — восемью.

Однако крайняя окружность, содержащая четыре электрона, заполнена наполовину. Это означает, что он всегда будет стремиться заполниться с помощью ближайших атомов. Когда они соединяются, они образуют так называемую кристаллическую структуру.

Бен Миллс

Со всеми этими электронами, тянущимися и соединяющимися друг с другом, у электрического тока не так много места для движения. Вот почему кремний, содержащийся в солнечных батареях, нечистый, смешанный с другим элементом, например фосфором. Внешний круг из фосфора состоит из пяти электронов.

Этот пятый электрон становится так называемым «свободным носителем», способным переносить электрический ток без особых усилий.Ученые увеличивают количество свободных носителей, добавляя примеси в процессе, называемом легированием. В результате получился так называемый кремний N-типа.

Обзоры чистой энергии

Кремний N-типа — это то, что находится на поверхности солнечной панели. Ниже находится его зеркальная противоположность — кремний P-типа. В то время как кремний N-типа имеет один дополнительный электрон, P-тип использует примеси таких элементов, как галлий или бор, которые имеют на один электрон меньше. Это создает еще один дисбаланс, и когда солнечный свет попадает на P-тип, электроны начинают двигаться, заполняя пустоты друг в друге.Уравновешивающее действие, которое повторяется снова и снова, генерируя электричество.

Что такое солнечная панель?

Pramote Полиамат Getty Images

Солнечные элементы сделаны из кремниевых пластин. Они сделаны из кремния, твердого и хрупкого кристаллического вещества, которое является вторым по распространенности элементом в земной коре после кислорода. Если вы находитесь на пляже и видите на песке блестящие черные точки, это кремний.Как обнаружил Охс, он естественным образом преобразует солнечный свет в электричество.

Кремний, как и другие кристаллы, можно выращивать. Ученые, подобные тем, что работают в Bell Labs, выращивают кремний в трубке в виде единого однородного кристалла, разворачивая трубку и разрезая полученный лист на так называемые пластины.

«Визуализируйте круглую палку», — говорит Викрам Аггарвал, основатель и генеральный директор EnergySage, торговой площадки для сравнительных покупок солнечных панелей. Эта палочка нарезается как «пепперони, тонко нарезанный рулет салями для бутербродов — они очень тонко бреют их», — говорит он.Вот где исторически было очень сложно — либо слишком толстые, либо отходы, либо слишком тонкие, что делало их неточными и склонными к растрескиванию ».

Резервная копия Vanguard 1, первого в истории спутника, использующего солнечную энергию. Резервная копия находится в Смитсоновском музее авиации и космонавтики.

Смитсоновский музей авиации и космонавтики.

Они стараются сделать эти вафли как можно более тонкими, чтобы получить как можно больше пользы от своего кристалла. Этот тип солнечных элементов сделан из монокристаллического кремния.

Хотя первые солнечные элементы внешне напоминают сегодняшние, есть ряд отличий. По словам Марголиса, в Bell Labs первоначальная надежда заключалась в том, что солнечные элементы подойдут для грядущей космической гонки, поэтому было важно снизить вес. Фотоэлементы, как их стали называть, были помещены в легкий корпус.

И это сработало. Спустя всего четыре года после разработки первого работающего солнечного элемента, 17 марта 1958 года, Лаборатория военно-морских исследований построила и запустила первый в мире спутник на солнечной энергии.

Панели солнечных батарей сегодня

Производство фотоэлементов на заводе First Solar в Питтсбурге, штат Пенсильвания.

Первая солнечная

В настоящее время фотоэлектрические элементы производятся серийно и разрезаются лазерами с большей точностью, чем мог представить любой ученый из Bell Labs. Хотя они используются в космосе, они нашли гораздо больше цели и ценности на Земле. Поэтому вместо того, чтобы делать упор на вес, производители солнечных батарей теперь делают упор на прочность и долговечность.Прощай, легкий инкапсулятор, привет, стекло, выдерживающее непогоду.

Один из основных приоритетов любого производителя солнечной энергии — это эффективность: сколько солнечного света, попадающего на каждый квадратный метр солнечной панели, можно преобразовать в электричество. По словам Аггарвала, это «основная математическая проблема», которая лежит в основе всего производства солнечной энергии. Здесь эффективность означает, сколько солнечного света можно правильно преобразовать через кремний P- и N-типа.

Рабочие в Калифорнии устанавливают солнечные батареи на крыше.Эффективность имеет решающее значение для получения от них максимальной мощности.

Джо Сом / Видения Америки / Universal Images Group Getty Images

«Допустим, у вас есть 100 квадратных футов свободной крыши», — гипотетически говорит Аггарвал. «В этом ограниченном пространстве, если эффективность панелей составляет 10 процентов, то это менее 20 процентов. Эффективность означает, сколько электронов они могут произвести на квадратный дюйм кремниевых пластин. Чем они эффективнее, тем большую экономию они могут принести».

Около десяти лет назад, по словам Марголиса, эффективность использования солнечной энергии составляла около 13 процентов.В 2019 году эффективность использования солнечной энергии выросла до 20 процентов. Существует явная тенденция к росту, но она говорит о том, что у Марголиса есть предел с кремнием. Из-за природы кремния как элемента верхний предел солнечных панелей составляет 29 процентов.


Лучшие солнечные панели

Лучший выбор

Монокристаллическая солнечная панель мощностью 160 Вт

Если вы не совсем уверены, с чего начать, эта солнечная панель — надежный вариант.Это относительно дешево (солнечные панели могут быть дорогими , быстро ), и он работает. Он изготовлен из ПЭТ, ЭВА и монокристаллического кремния, обладает антибликовым покрытием и высокой прозрачностью. Он также прост в использовании и имеет компактный размер, поэтому его легко хранить, когда он не нужен.

Лучшее при слабом освещении

Монокристаллическая складная солнечная панель DOKIO

Если вы живете в местах с плохим освещением, вы можете беспокоиться, что солнечные батареи не для вас, но они действительно отлично работают в условиях низкой освещенности.Фотоэлектрическая панель с высокой эффективностью преобразования 100 Вт может заряжать батареи 12/24 В, и она поставляется с портативным складным чемоданом. Его легко взять с собой в дорогу, если вы в походе, и легко хранить, если вы используете его дома, на случай отключения электроэнергии.

Лучшее развлечение

Монокристаллическая солнечная панель Renogy мощностью 300 Вт

Если вы действительно хотите сделать все возможное, вы не ошибетесь с 10-элементными 300-ваттными солнечными панелями Renology.Они способны выдерживать сильный ветер и снеговые нагрузки, обладают антибликовым покрытием и чрезвычайно универсальны. Они идеально подходят для жилых или коммерческих крыш, но они также совместимы с наземным креплением.

Лучшее для начинающих

Стартовый комплект Renogy, 100 Вт, 12 В, монокристаллическая солнечная энергия

Любой, кто плохо знаком с солнечными батареями, должен начать с хорошего комплекта, такого как этот от Renology. Вы получите все необходимое в одном устройстве, в том числе солнечную панель мощностью 100 Вт, контроллер отрицательного заземления с ШИМ 30 А, разъемы MC4, кабель для лотка 8 футов 10 AWG и монтажные Z-образные кронштейны для дома на колесах или лодки.Он может полностью зарядить батарею на 50 Ач с 50% за 3 часа.


Несмотря на эти достижения, есть некоторые внешние силы, которые временно сдерживают рост производства солнечных батарей. До начала пандемии COVID-19 в начале этого года солнечные панели на крышах составляли около 40 процентов от общего мирового рынка. Но из-за личного финансового бремени, которое ложится на потребителей, многие из которых не имеют работы и не могут получить своевременный доступ к пособиям по безработице, аналитики прогнозируют, что солнечная промышленность будет постоянно расти в течение 2020 года, согласно исследованию Вуд Маккензи. фирма.

Итак, что же нам дальше?

Будущее солнечной энергии

Профессор Чарльз Чи Сурья из Политехнического университета Гонконга позирует с тандемным солнечным элементом из перовскита и кремния, который имеет одни из самых высоких в мире показателей эффективности.

К. Я. Ченг / South China Morning Post через Getty Images, Getty Images

Некоторые ученые работают над использованием новых материалов. Есть минерал, известный как перовскит, который Аггарвал описывает как «очень интересный».«Впервые обнаруженный на Урале на западе России, перовскит вызвал удивление при испытаниях — с 10% эффективности в 2012 году до 20% в 2014 году. Его можно создать искусственно из обычных промышленных металлов, что упрощает поиск, и для этого используется более простой процесс, чем балансирующий танец кремния типа P и N для проведения электричества.

Но и Аггарвал, и Марголис предупреждают, что эта технология все еще находится на начальной стадии «. Эффективность лаборатории быстро выросла, но есть разница между лаборатория и реальный мир », — говорит Марголис.В то время как перовскит показал большой прогресс в чистой окружающей среде, он быстро снижается при попадании в такие элементы, как вода, с которыми он может столкнуться при повседневном использовании.

Марголис и его команда работают не над новыми материалами, а над концепцией, которую он называет «солнечный плюс». По его словам, по мере увеличения использования солнечной энергии есть потенциал для улучшения того, как «солнечная энергия взаимодействует с другими зданиями в целом».

Представьте, что в городе очень жаркое лето. Вы идете в офис по работе, а вечером возвращаетесь домой.Здесь жарко и влажно, поэтому вы включаете кондиционер, как и все жители города. Электрическая сеть становится напряженной.

Но Марголис считает, что можно хранить и использовать солнечную энергию, чтобы уменьшить напряжение. «За два часа до того, как вы вернетесь домой, когда солнце еще светит, кондиционер может заранее запустить и охладить ваш дом». То же самое происходит в холодную зиму, когда трубы могут замерзнуть. «Вы можете сильно нагреть воду в жаркий день и по-прежнему использовать эту горячую воду для мытья посуды или принятия душа на следующее утро… мы только начинаем думать о том, как интегрировать солнечную энергию в нашу систему ».

Несмотря на борьбу с преобладанием солнечной энергии, например, конкуренцию со стороны природного газа и политический климат, благоприятствующий ископаемым видам топлива, Марголис настроен оптимистично.

« Мы » На этом этапе коммунальные предприятия и инженеры понимают, что солнечная энергия становится достаточно большой, и мы должны с этим справиться, — говорит он. — Это забавные задачи ».

Дэвид Гроссман Дэвид Гроссман — штатный автор PopularMechanics.com.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Основы солнечных фотоэлектрических элементов

| Министерство энергетики

Кремний

Кремний, безусловно, является наиболее распространенным полупроводниковым материалом, используемым в солнечных элементах, составляя примерно 95% модулей, продаваемых сегодня.Это также второй по распространенности материал на Земле (после кислорода) и наиболее распространенный полупроводник, используемый в компьютерных микросхемах. Кристаллические кремниевые ячейки состоят из атомов кремния, соединенных друг с другом, чтобы сформировать кристаллическую решетку. Эта решетка обеспечивает организованную структуру, которая делает преобразование света в электричество более эффективным.

Солнечные элементы, изготовленные из кремния, в настоящее время обеспечивают сочетание высокой эффективности, низкой стоимости и длительного срока службы. Ожидается, что модули прослужат 25 или более лет, и по истечении этого срока все еще будут вырабатывать более 80% своей первоначальной мощности.

Тонкопленочная фотогальваника

Тонкопленочный солнечный элемент изготавливается путем нанесения одного или нескольких тонких слоев фотоэлектрического материала на поддерживающий материал, такой как стекло, пластик или металл. Сегодня на рынке представлены два основных типа тонкопленочных фотоэлектрических полупроводников: теллурид кадмия (CdTe) и диселенид меди, индия, галлия (CIGS). Оба материала можно наносить непосредственно на переднюю или заднюю поверхность модуля.

CdTe является вторым по распространенности фотоэлектрическим материалом после кремния, и элементы CdTe могут быть изготовлены с использованием недорогих производственных процессов.Хотя это делает их рентабельной альтернативой, их эффективность по-прежнему не так высока, как у кремния. Ячейки CIGS обладают оптимальными свойствами для фотоэлектрического материала и высокой эффективностью в лаборатории, но сложность, связанная с объединением четырех элементов, делает переход от лаборатории к производству более сложным. И CdTe, и CIGS требуют большей защиты, чем кремний, чтобы обеспечить длительную работу на открытом воздухе.

Перовскитная фотогальваника

Перовскитные солнечные элементы представляют собой тип тонкопленочных элементов, названных в честь их характерной кристаллической структуры.Ячейки из перовскита состоят из слоев материалов, которые напечатаны, покрыты или нанесены вакуумным осаждением на нижележащий опорный слой, известный как подложка. Как правило, их легко собрать, и они могут достигать эффективности, аналогичной эффективности кристаллического кремния. В лаборатории эффективность перовскитных фотоэлементов повышается быстрее, чем у любого другого фотоэлектрического материала, с 3% в 2009 году до более 25% в 2020 году. Чтобы быть коммерчески жизнеспособными, перовскитные фотоэлементы должны стать достаточно стабильными, чтобы выдержать 20 лет на открытом воздухе, поэтому исследователи работают над тем, чтобы сделать их более долговечными и разрабатывают крупномасштабные и недорогие технологии производства.

Органические фотоэлектрические элементы

Органические фотоэлектрические элементы, или OPV, состоят из богатых углеродом (органических) соединений и могут быть адаптированы для улучшения определенных функций фотоэлектрических элементов, таких как ширина запрещенной зоны, прозрачность или цвет. Элементы OPV в настоящее время примерно вдвое менее эффективны, чем элементы из кристаллического кремния, и имеют более короткий срок службы, но могут быть дешевле в производстве в больших объемах. Их также можно наносить на различные вспомогательные материалы, такие как гибкий пластик, благодаря чему ОПВ может использоваться в самых разных целях.PV

Солнечная энергия не всегда так экологична, как вы думаете

Солнечные панели, мерцающие на солнце — это символ всего зеленого. Но хотя производство электроэнергии с помощью фотоэлектрических элементов действительно лучше для окружающей среды, чем сжигание ископаемого топлива, несколько инцидентов связали изготовление этих ярких символов экологической добродетели с химическим загрязнением. И оказывается, что время, необходимое для компенсации затраченной энергии и выбросов парниковых газов при производстве фотоэлектрических панелей, существенно зависит от технологии и географии.

Это плохие новости. Хорошая новость заключается в том, что отрасль может легко устранить многие существующие разрушительные побочные эффекты. В самом деле, давление в пользу этого нарастает, отчасти потому, что с 2008 года производство фотоэлектрической энергии переместилось из Европы, Японии и США в Китай, Малайзию, Филиппины и Тайвань; сегодня почти половина фотоэлектрических элементов в мире производится в Китае. В результате, хотя общий послужной список отрасли хороший, страны, производящие сегодня наибольшее количество фотоэлектрических элементов, обычно делают худшую работу по защите окружающей среды и своих работников.

Чтобы точно понять, в чем заключаются проблемы и как их можно решить, полезно немного узнать о том, как изготавливаются фотоэлектрические панели. Хотя солнечная энергия может быть получена с использованием различных технологий, подавляющее большинство солнечных элементов сегодня начинаются с кварца, наиболее распространенной формы кремнезема (диоксида кремния), который перерабатывается в элементарный кремний. Есть первая проблема: кварц добывают в шахтах, что подвергает горняков риску одной из старейших профессиональных опасностей цивилизации — силикозу, заболеванию легких.

Первоначальное рафинирование превращает кварц в металлургический кремний, вещество, которое в основном используется для упрочнения стали и других металлов. Это происходит в гигантских печах, и поддержание их в горячем состоянии требует много энергии, к которой мы вернемся позже. К счастью, уровни образующихся выбросов — в основном двуокиси углерода и двуокиси серы — не могут причинить большого вреда людям, работающим на заводах по переработке кремния, или окружающей среде.

Однако следующий шаг — превращение металлургического кремния в более чистую форму, называемую поликремнием, — создает очень токсичное соединение тетрахлорид кремния.Процесс очистки включает объединение соляной кислоты с металлургическим кремнием, чтобы превратить его в так называемые трихлорсиланы. Затем трихлорсиланы реагируют с добавленным водородом, образуя поликремний вместе с жидким тетрахлоридом кремния — три или четыре тонны тетрахлорида кремния на каждую тонну поликремния.

Фото: Imaginechina / AP Photo Acid Drain: Сточные воды выходят с завода, эксплуатируемого Jinko Solar Holding Co. В 2011 году фтористоводородная кислота, используемая компанией для производства солнечных батарей, загрязнила речную воду, в результате чего погибли сотни рыб и десятки свиней.

Большинство производителей перерабатывают эти отходы, чтобы произвести больше поликремния. Улавливание кремния из тетрахлорида кремния требует меньше энергии, чем получение его из сырого диоксида кремния, поэтому переработка этих отходов может сэкономить деньги производителям. Но оборудование для переработки может стоить десятки миллионов долларов. Таким образом, некоторые предприятия просто выбросили побочный продукт. При контакте с водой — а это трудно предотвратить, если она случайно выброшена, — тетрахлорид кремния выделяет соляную кислоту, подкисляя почву и выделяя вредные пары.

Когда индустрия фотоэлектрических элементов была меньше, производители солнечных элементов получали кремний от производителей микросхем, которые отклоняли пластины, не соответствующие требованиям компьютерной индустрии к чистоте. Но бум фотогальваники потребовал большего, чем остатки полупроводниковой промышленности, и в Китае было построено много новых заводов по переработке поликремния. В то время в немногих странах были строгие правила, касающиеся хранения и утилизации отходов тетрахлорида кремния, и Китай не был исключением, как выяснили некоторые репортеры Washington Post.

В исследовании газеты, опубликованном в марте 2008 года, был представлен профиль китайского предприятия по производству поликремния, принадлежащего Luoyang Zhonggui High-Technology Co., расположенного недалеко от реки Хуанхэ в провинции Хэнань. Этот объект поставлял поликремний для Suntech Power Holdings, в то время крупнейшего в мире производителя солнечных элементов, а также для нескольких других известных компаний, работающих в области фотоэлектрических систем.

Журналисты обнаружили, что компания сбрасывала отходы тетрахлорида кремния на соседние поля вместо того, чтобы вкладывать средства в оборудование, которое могло бы их переработать, делая эти поля бесполезными для выращивания сельскохозяйственных культур и вызывая воспаление глаз и горла близлежащих жителей.В статье говорилось, что компания не единственная в этой практике.

После публикации статьи Washington Post цены на акции компаний, работающих в сфере солнечной энергетики, упали. Инвесторы опасались, что это разоблачение подорвет отрасль, которая так полагается на свои экологические достижения. В конце концов, это то, что привлекает большинство клиентов и привлекает общественную поддержку политики, способствующей внедрению солнечной энергии, такой как налоговый кредит на возобновляемые источники энергии для жилищного строительства в Соединенных Штатах. Те, кто покупает солнечные системы для жилых домов, могут вычесть 30 процентов стоимости из своих налоговых счетов до истечения срока действия льгот в 2016 году.

Чтобы защитить репутацию отрасли, производители фотоэлектрических панелей начали интересоваться экологической практикой своих поставщиков поликремния. Следовательно, сейчас ситуация улучшается. В 2011 году Китай установил стандарты, согласно которым компании должны перерабатывать не менее 98,5% отходов тетрахлорида кремния. Этим стандартам легко соответствовать, если на заводах установлено надлежащее оборудование. Тем не менее, еще предстоит увидеть, насколько хорошо соблюдаются правила.

Эта проблема может полностью исчезнуть в будущем.Исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо, ищут способы производства поликремния с этанолом вместо химикатов на основе хлора, тем самым полностью избегая образования тетрахлорида кремния.

Борьба за сохранение зеленого цвета фотоэлектрических элементов не заканчивается на производстве поликремния. Производители солнечных элементов очищают куски поликремния, чтобы сформировать слитки, похожие на кирпичи, а затем разрезают слитки на пластины. Затем они вводят примеси в кремниевые пластины, создавая основную архитектуру солнечных элементов, создающую фотоэлектрический эффект.

Все эти шаги связаны с опасными химическими веществами. Например, производители полагаются на фтористоводородную кислоту для очистки пластин, устранения повреждений, вызванных распиливанием, и текстурирования поверхности для лучшего улавливания света. Плавиковая кислота отлично справляется со всем этим, но когда она касается незащищенного человека, эта сильно коррозионная жидкость может разрушить ткани и декальцинировать кости. Таким образом, обращение с фтористоводородной кислотой требует особой осторожности, и ее необходимо утилизировать должным образом.

Но несчастные случаи все же случаются, и они более вероятны в местах с ограниченным опытом производства полупроводников или слабыми экологическими нормативами.В августе 2011 года завод в китайской провинции Чжэцзян, принадлежащий Jinko Solar Holding Co., одной из крупнейших фотоэлектрических компаний в мире, пролил фтористоводородную кислоту в близлежащую реку Муцзяцяо, в результате чего погибли сотни рыб. А фермеры, работающие на прилегающих землях, которые использовали зараженную воду для мытья своих животных, случайно убили десятки свиней.

При исследовании мертвых свиней китайские власти обнаружили уровни фтористоводородной кислоты в реке, в 10 раз превышающие допустимый предел, и предположительно провели эти измерения спустя много времени после того, как большая часть фтористоводородной кислоты вымылась ниже по течению.Сотни местных жителей, расстроенные инцидентом, штурмовали и временно оккупировали производственный объект. И снова инвесторы отреагировали: когда на следующий день основные средства массовой информации опубликовали эту новость, цена акций Jinko упала более чем на 40 процентов, что привело к потере стоимости почти на 100 миллионов долларов США.

Эта угроза окружающей среде не должна продолжаться. Исследователи из Rohm & Haas Electronic Materials, дочерней компании Dow Chemical, определили заменители фтористоводородной кислоты, используемой в производстве солнечных элементов.Один хороший кандидат — гидроксид натрия (NaOH). Хотя NaOH сам по себе является едким химическим веществом, его легче обрабатывать и утилизировать, чем плавиковую кислоту, и он менее опасен для рабочих. Также легче обрабатывать сточные воды, содержащие NaOH.

Хотя более 90 процентов фотоэлектрических панелей, производимых сегодня, начинаются с поликремния, существует более новый подход: технология тонкопленочных солнечных элементов. Доля тонкопленочных разновидностей на рынке, вероятно, вырастет в течение следующего десятилетия, поскольку они могут быть столь же эффективны, как солнечные элементы на основе кремния, но при этом дешевле в производстве, поскольку они потребляют меньше энергии и материалов.

Источник: Аргоннская национальная лаборатория / Fengqi You et al. Углерод в созидании: Производителям солнечных панелей требуется электричество и тепловая энергия, а выбросы углерода от их производства могут сильно различаться в зависимости от местоположения. Панели, произведенные в Китае, который в значительной степени использует уголь для выработки электроэнергии, имеют больший углеродный след, чем панели, произведенные в Европе.

Изготовители тонкопленочных ячеек наносят слои полупроводникового материала непосредственно на подложку из стекла, металла или пластика вместо того, чтобы вырезать пластины из слитка кремния.Это дает меньше отходов и полностью исключает сложное плавление, вытягивание и нарезку, используемое для изготовления традиционных ячеек. По сути, кусок стекла вставляется в один конец фабрики, а полностью функциональный фотоэлектрический модуль выходит из другого.

Переход на тонкопленочные солнечные элементы устраняет многие риски для окружающей среды и безопасности при производстве, потому что нет необходимости в определенных проблемных химикатах — ни плавиковой, ни соляной кислотах. Но это не значит, что вы можете автоматически поставить отметку на тонкопленочном солнечном элементе как зеленый.

Сегодня доминирующими тонкопленочными технологиями являются теллурид кадмия и более поздний конкурент селенид галлия, индия, меди (CIGS). В первом случае один полупроводниковый слой состоит из теллурида кадмия; второй — сульфид кадмия. В последнем случае основным полупроводниковым материалом является CIGS, а вторым слоем обычно является сульфид кадмия. Таким образом, каждая из этих технологий использует соединения, содержащие кадмий тяжелого металла, который является одновременно канцерогеном и генотоксином, а это означает, что он может вызывать наследственные мутации.

Такие производители, как First Solar, базирующаяся в Темпе, штат Аризона, имеют большой опыт защиты рабочих от воздействия кадмия во время производства. Но имеется мало информации о воздействии кадмия на работников на ранних стадиях жизненного цикла металла, на цинковых рудниках, где большая часть кадмия образуется в процессе плавки, который очищает кадмий и превращает его в полупроводниковые материалы. Воздействия после того, как солнечные панели были выброшены, также вызывают озабоченность. Большая часть теллурида кадмия, который производители утилизируют из-за повреждений или производственных дефектов, перерабатывается в безопасных контролируемых условиях.Что касается постпотребительской части уравнения, промышленность активно создала схему сбора и переработки солнечных панелей в Европе. Отдельные компании также внедрили программы утилизации, такие как система возврата First Solar с предварительным финансированием. Но нужно сделать больше; не каждый потребитель имеет доступ к программе бесплатного возврата, и действительно, многие потребители могут даже не осознавать необходимости ответственно утилизировать панели.

Лучший способ избежать воздействия токсичного кадмия на рабочих и окружающую среду — это свести к минимуму его количество или вообще не использовать кадмий.Два основных производителя фотоэлектрических систем CIGS — Avancis и Solar Frontier — уже используют сульфид цинка, относительно безвредный материал, вместо сульфида кадмия. И исследователи из Бристольского университета и Университета Бата в Англии; Калифорнийский университет в Беркли; и многие другие академические и правительственные лаборатории пытаются разработать тонкопленочные фотоэлектрические элементы, которые не требуют токсичных элементов, таких как кадмий, или редких элементов, таких как теллур. Тем временем First Solar неуклонно сокращает количество кадмия, используемого в своих солнечных элементах.

Токсичность — не единственная проблема. Для производства солнечных элементов требуется много энергии. К счастью, поскольку эти элементы вырабатывают электричество, они окупают первоначальные затраты энергии; большинство из них делают это всего через два года работы, а некоторые компании сообщают о сроках окупаемости всего за шесть месяцев. Это время «окупаемости энергии» не то же самое, что время, необходимое для окупаемости финансовых вложений потребителей в солнечные панели: оно измеряет инвестиции и время окупаемости в киловатт-часах, а не в деньгах.

Аналитики также судят о влиянии энергии, используемой для изготовления солнечной панели, по количеству углерода, образующемуся при производстве этой энергии — число, которое может варьироваться в широких пределах. Для этого мы даем энергии значение углеродоемкости, обычно представленное в килограммах CO 2 , выделяемых на выработанный киловатт-час. Места, которые в значительной степени зависят от угля, имеют наиболее углеродоемкую электроэнергию в мире: китайская электроэнергия является хорошим примером, ее углеродоемкость примерно в два раза выше, чем у U.С. электричество. Это согласуется с результатами исследователей из Аргоннской национальной лаборатории и Северо-Западного университета из Иллинойса. В отчете, опубликованном в июне этого года, они обнаружили, что углеродный след фотоэлектрических панелей, произведенных в Китае, действительно примерно вдвое больше, чем у панелей, произведенных в Европе.

Если фотогальванические панели, произведенные в Китае, были установлены в Китае, высокая углеродоемкость используемой энергии и экономия энергии компенсировали бы друг друга, и время, необходимое для уравновешивания выбросов парниковых газов во время производства, было бы таким же, как и срок окупаемости энергии.Но это не то, что происходило в последнее время. Производство в основном находится в Китае, а панели часто устанавливаются в Европе или США. При удвоении углеродоемкости на компенсацию выбросов парниковых газов уходит в два раза больше времени, чем на окупаемость инвестиций в энергетику.

Источник: Коалиция токсичных веществ Кремниевой долины. The Solar Scorecard: Коалиция по токсичным веществам Кремниевой долины оценивает производителей солнечных панелей по ряду критериев экологической безопасности и безопасности работников.Здесь показаны 10 компаний с наивысшим рейтингом из 40, оцененных в оценочной таблице коалиции за 2013 год. Первое место в списке занимает китайская компания Trina Solar, набравшая 77 баллов из 100 возможных. (Обновление: Trina повысила свой балл до 92 в Solar Scorecard 2014 года, а калифорнийская компания Sunpower заняла второе место с 88 баллами).

Конечно, если вы производите фотоэлектрические панели с низкоуглеродным электричеством (например, на заводе, работающем на солнечной энергии) и устанавливаете их в стране с высоким уровнем выбросов углерода, время окупаемости выбросов парниковых газов будет ниже, чем время окупаемости энергии. время окупаемости.Так что, возможно, когда-нибудь использование энергии ветра, солнца и геотермальной энергии для производства фотоэлектрических панелей положит конец опасениям по поводу углеродного следа фотоэлектрических элементов.

Еще одна проблема — вода. Производители фотоэлектрических элементов используют его в большом количестве для различных целей, включая охлаждение, химическую обработку и контроль загрязнения воздуха. Однако самый большой расход воды — это очистка во время установки и использования. Для коммунальных проектов мощностью от 230 до 550 мегаватт может потребоваться до 1,5 миллиарда литров воды для борьбы с пылью во время строительства и еще 26 миллионов литров в год для мытья панелей во время работы.Однако количество воды, используемой для производства, установки и эксплуатации фотоэлектрических панелей, значительно меньше, чем количество воды, необходимое для охлаждения термоэлектрических электростанций, работающих на ископаемом и делящемся топливе.

Выбор, который делают инвесторы и потребители , в принципе, может оказать большое влияние на практику производителей фотоэлектрических систем. Но часто сложно сказать, чем эти компании различаются в отношении заботы о защите окружающей среды. Солнечная промышленность не имеет формальной экологической маркировки, такой как маркировка Energy Star на бытовой технике и бытовой электронике, которая помогает U.S. покупатели идентифицируют энергоэффективные продукты. И большинство людей сами не покупают солнечные батареи. Они нанимают сторонних установщиков. Таким образом, даже если бы существовала схема экомаркировки, это зависело бы от желания установщиков выбирать экологически чистые продукты.

На данный момент потребители могут помочь производителям улучшить свои показатели по охране окружающей среды и безопасности, спросив установщиков о компаниях, производящих продукты, которые они используют. Это, в свою очередь, побудит установщиков запросить дополнительную информацию у производителей.

Исследователи из Национального центра исследований окружающей среды фотоэлектрической энергии в Брукхейвенской национальной лаборатории в Аптоне, штат Нью-Йорк, уже давно публикуют исследования о возможных экологических опасностях фотоэлектрической энергии. В последнее время начали появляться официальные рейтинги экологических показателей солнечной энергетики.

Такие организации, как Центр международной информационной сети по наукам о Земле, пытаются найти способы определения показателей экологической безопасности, здоровья и безопасности производителей в развивающихся странах.Эта группа, в которую входят исследователи из Йельского университета и Колумбии, предлагает Индекс экологической эффективности Китая, который будет действовать на провинциальном уровне, чтобы помочь Китаю отслеживать прогресс в достижении целей экологической политики.

Между тем Ассоциация предприятий солнечной энергетики, национальная торговая организация США, предложила новые отраслевые руководящие принципы в документе под названием «Обязательства по охране окружающей среды и социальной ответственности солнечной энергетики», направленным на предотвращение профессиональных травм и заболеваний, предотвращение загрязнения и сокращение природных ресурсов. используется в производстве.В документе содержится призыв к компаниям просить поставщиков сообщать о производственных технологиях и любых выбросах химических веществ и парниковых газов.

Кроме того, Коалиция по токсичным веществам Кремниевой долины, которая оценивает экологические показатели компаний-производителей электроники, провела опрос и рейтинг компаний-производителей фотоэлектрических систем, базирующихся или действующих в Китае, Германии, Малайзии, Филиппинах и США. Участие является добровольным и пока включает таких крупных производителей, как First Solar, SolarWorld, SunPower, Suntech, Trina и Yingli; Китайские производители Trina и Yingli неизменно входят в тройку самых экологически ответственных компаний мира.Sharp, SolarWorld и SunPower в течение нескольких лет тщательно отслеживают выбросы парниковых газов и химические вещества, используемые при производстве их солнечных панелей.

Такие инициативы появляются не скоро. Многие люди сегодня рассматривают фотовольтаику как панацею от наших энергетических проблем, учитывая, насколько грязными являются большинство альтернатив. Но это не значит, что мы должны закрывать глаза на темные стороны этой технологии. Действительно, нам нужно очень внимательно это рассмотреть. И возможно, благодаря постоянным усилиям потребителей, производителей и исследователей, фотоэлектрическая промышленность однажды станет действительно, а не только символически, зеленой.

Эта статья изначально была напечатана как «Зеленая дилемма Solar».

Эта статья была обновлена ​​12 ноября 2014 г.

Об авторе

Дастин Малвани — доцент кафедры экологических исследований в Государственном университете Сан-Хосе в Калифорнии, где он специализируется на солнечной энергии, биотопливе и газовой промышленности. Хотя он называет себя сторонником и потребителем солнечной энергии — у него во дворе есть фотоэлектрическая батарея, — его исследования заставили его задуматься о значительных рисках для здоровья и экологических издержках производства фотоэлектрических панелей.

Солнечная панель — Energy Education

Рисунок 1. Солнечная панель, состоящая из множества фотоэлектрических элементов. [1]

Солнечная панель или солнечный модуль является одним из компонентов фотоэлектрической системы. Они построены из серии фотоэлектрических элементов, собранных в панель. Они бывают различных прямоугольных форм и устанавливаются в комбинации для выработки электроэнергии. [2] Солнечные панели, иногда также называемые фотоэлектрическими батареями собирают энергию Солнца в виде солнечного света и преобразуют ее в электричество, которое можно использовать для питания домов или предприятий.Эти панели можно использовать для дополнения электричества здания или для обеспечения электроэнергией в удаленных местах.

Помимо бытового и коммерческого использования, солнечная энергия используется в крупных промышленных или коммунальных целях. В этом случае тысячи или даже миллионы солнечных панелей объединяются в обширную солнечную батарею или солнечную ферму, которая обеспечивает электричеством большие городские жители.

Из чего сделаны солнечные панели?

Главный компонент любой солнечной панели — это фотоэлемент.В частности, несколько солнечных элементов используются для создания одной солнечной панели. Эти клетки являются частью устройства, преобразующего солнечный свет в электричество. Большинство солнечных панелей изготовлено из солнечных элементов кристаллического кремниевого типа. [2] Эти элементы состоят из слоев кремния, фосфора и бора (хотя существует несколько различных типов фотоэлектрических элементов). [3] Эти ячейки после создания выкладываются в виде сетки. Количество используемых ячеек во многом зависит от размера создаваемой панели, так как существует множество различных вариантов размеров. [2]

После размещения ячеек панель герметизируется для защиты ячеек внутри и покрывается неотражающим стеклом. Это стекло защищает солнечные элементы от повреждений и не является отражающим, чтобы солнечный свет все еще мог достигать элементов. [2] После герметизации эта панель помещается в жесткий металлический каркас. Эта рама предназначена для предотвращения деформации и включает дренажное отверстие для предотвращения скопления воды на панели, поскольку скопление воды может снизить эффективность панели.Кроме того, задняя часть панели также герметична, чтобы предотвратить повреждение. [2]

Как работают солнечные батареи

основная статья

Солнечные панели служат способом установки ряда солнечных элементов, чтобы их уникальные свойства можно было использовать для выработки электроэнергии. Отдельные клетки поглощают фотоны от Солнца, что приводит к выработке электрического тока в клетке за счет явления, известного как фотоэлектрический эффект. [3] Инвертор используется для преобразования постоянного тока, генерируемого солнечной панелью, в переменный ток. Вместе эти две технологии создают фотоэлектрическую систему. [3] При установке солнечной панели выбирается правильная ориентация, чтобы солнечная панель была обращена в направлении, наиболее подходящем для конкретного применения. Чаще всего это делается для получения максимальной годовой энергии, но не всегда.

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

Из чего сделаны солнечные батареи?

Это зависит от того, на какую солнечную панель вы смотрите.Существует два основных типа солнечных панелей или модулей, используемых в установках на крыше и на земле: кристаллический кремний и тонкопленочный.

Солнечные панели из кристаллического кремния (c-Si) являются наиболее распространенными. Это те, которые выглядят как синие или черные прямоугольные сетки из меньших квадратов. Эти меньшие квадраты представляют собой кремниевые солнечные элементы, и они соединяются последовательно, образуя цепь. Чем больше соединенных между собой ячеек в серии, тем больше электроэнергии вырабатывает система.

Кристаллические панели обычно группируются в панели с 60 и 72 ячейками.Панели меньшего размера также используются на автономном рынке. Эти серии ячеек обычно соединяются шинами. Ленты шинопроводов (обычно из алюминия или меди с серебром) соединяют солнечные элементы вместе для создания более высоких напряжений. Чем больше шин через солнечный элемент, тем больше электронов может пройти через него, а мощность и эффективность солнечной панели возрастут.

Существует два основных типа конструкций кристаллического кремния: поликристаллический и монокристаллический .Монокристаллический кремний солнечный получают путем выращивания монокристалла. Поскольку эти кристаллы обычно имеют овальную форму, на монокристаллических панелях вырезаны характерные узоры, которые придают им узнаваемый внешний вид: нарезанные кремниевые ячейки открывают недостающие углы в решетчатой ​​структуре. Кристаллический каркас в монокристалле ровный, дает устойчивый синий цвет без следов зерна, что обеспечивает наилучшую чистоту и высочайший уровень эффективности.

Поликристаллический солнечный свет производится путем заливки расплавленного кремния в отливку.Однако из-за этого метода строительства кристаллическая структура будет формироваться несовершенно, создавая границы, на которых образование кристаллов нарушается. Это придает поликристаллическому кремнию характерный зернистый вид, так как рисунок типа драгоценного камня подчеркивает границы в кристалле. Эти примеси в кристалле делают поликристаллические модули менее эффективными, а также более дешевыми, чем монокристаллические.

Тонкопленочные солнечные панели

Тонкопленочные панели более традиционно используются в крупных промышленных установках.Тонкий полупроводник наносится на подложки из стекла, пластика или металлической фольги. Тонкая пленка, судя по названию, может быть очень тонкой, а иногда и гибкой. Его легкий вес и гибкость позволили использовать его на изогнутых крышах, автомобилях и других уникальных установках.

Есть три общих тонкопленочных подразделения: аморфный кремний (a-Si), теллурид кадмия (CdTe) и селенид галлия, индия, медь (CIGS). Тонкопленочные солнечные элементы часто создаются путем совместного испарения химических веществ на стеклянном листе.Они имеют более низкую эффективность преобразования, чем кремний, но уменьшают количество материала, необходимого для создания ячейки.

Модуль в сборе

Как правило, все солнечные панели состоят из солнечных элементов со стеклянным слоем спереди и защитным листом сзади. Обычно изготавливаемые из полимера, нижние листы прилегают к задней стороне модулей, обеспечивая электрическую изоляцию. Белые задние листы являются наиболее распространенными, хотя все больше черных задних листов используется в высокоэффективных модулях, ищущих определенную эстетику.

Алюминиевые рамы обычно завершают модуль. Они добавляют панели прочности и защищают край стекла. Рама помогает прикрепить стеллажи и системы крепления к панели, чтобы закрепить ее на крыше или земле.

Но все меняется. Благодаря новому двустороннему дизайну (когда солнечные элементы выставлены как на передней, так и на задней стороне панели) задние листы больше не нужны. Некоторые панели также становятся бескаркасными: солнечные элементы размещаются между двумя кусками стекла, либо используются более прочные задние листы, для которых не нужна рама.

Из чего сделаны солнечные панели? Как делают солнечные панели

Вступая в жаркое, залитое солнцем лето здесь, в Австралии, легко представить себе, насколько солнце является мощным источником энергии. По данным National Geographic, солнце излучает столько энергии, сколько люди используют во всех других формах в год, всего за 15 минут .

В последние годы солнечные панели стали более доступными, чем когда-либо, благодаря эффективности производства. Солнечные панели теперь можно увидеть на крышах многих домов и коммерческих объектов, особенно в новостройках.По данным Ассоциации солнечной энергетики (SEIA), солнечная промышленность в последнее десятилетие демонстрирует среднегодовые темпы роста 50%. Оглядываясь вокруг, мы не удивляемся! Но из чего состоят солнечные панели и как они изготавливаются, остается загадкой для многих людей, планирующих установить солнечные панели у себя дома, на работе, на сельскохозяйственных угодьях или в собственности.

В Captain Green мы не сомневаемся, что солнечные батареи будут освещать наши районы в ближайшие годы. Если вы подумываете об установке солнечных панелей, у вас может возникнуть вопрос: «Из чего сделаны солнечные панели?» И «Как производятся солнечные панели?».Эксперты Captain Green готовы ответить на эти вопросы.

Из чего сделаны солнечные панели?

Итак, из чего сделаны солнечные панели? Есть несколько основных «ингредиентов», которые создают солнечные панели.

Материалы
  • Силикон
  • Солнечные элементы
  • Стекло

Большинство солнечных панелей сделано из кремниевых пластин, более известных как песок. Кремний очень полезен для нашей планеты, потому что он доступен в изобилии.Фактически, по данным LG, кремний составляет 30% земной коры. Это второй по доступности элемент на Земле, уступающий только кислороду.

По сути, солнечные батареи — это то, из чего сделаны солнечные батареи. Для создания солнечных элементов кристаллический кремний разрезают на пластины толщиной в несколько миллиметров. Затем эти пластины разрезаются по форме и полируются, чтобы внести свой вклад в общую солнечную панель, которая вырабатывает электричество через частицы света (фотоны). Мы поговорим об этом чуть позже.

Во-первых, чтобы ответить «из чего сделаны солнечные панели?» Более подробно мы собираемся описать пошаговый процесс производства. Хотя солнце является возобновляемым источником энергии, а производственные процессы в последние годы стали более эффективными, производство солнечных панелей является обременительным и довольно дорогостоящим.

Из чего состоят солнечные панели: Процесс производства

Шаг 1. Песок превращается в кристаллизованный силикон

Теперь мы знаем, из чего делают солнечные панели.Однако для производства кремния из песка требуется много энергии и это дорогостоящий процесс. Кристаллизованный кремний получают из песка при очень высокой температуре в печи. При нагревании песка в печи образуются твердые силиконовые породы, которые собираются со дна после охлаждения.

Шаг 2: Формирование слитков

Камни кристаллизованного силикона, собранные со дна печи, затем плавятся. В результате этого процесса образуются слитки, которые по сути представляют собой металлический блок сплошной цилиндрической формы.Когда силикон плавится, оператор машины обеспечивает выравнивание атомов на протяжении всего процесса и вводит бор. Настой бора придает слиткам положительную полярность электричества, что необходимо на более поздних этапах процесса.

Шаг 3: Отшлифовать, отполировать и отполировать

Когда силиконовые слитки полностью остынут, их шлифуют и полируют, чтобы получить гладкие плоские стороны. Когда слиток становится гладким и ровным, производители нарезают диски, также известные как кремниевые пластины, толщиной всего несколько миллиметров.Кремниевые пластины нарезаются как можно тоньше, чтобы уменьшить количество отходов и повысить эффективность производства.

Шаг 4: Поляризационные проводники

К кремниевым пластинам добавлен металлический проводник, например бор. Формируются два типа силикона:

  1. Силикон типа N: лежит на поверхности солнечной панели.
  2. Силикон P-типа: он находится ниже силикона N-типа.

Мы знаем из физики, что положительная и отрицательная энергия будут притягиваться или отталкиваться друг от друга.Обработка силикона N-типа и силикона P-типа создает дисбаланс мощности в солнечной панели. В результате этого дисбаланса кремниевые пластины N-типа и P-типа будут пытаться заполнить пустоты друг в друге.

Шаг 5. Создание солнечной сети

Солнечные элементы, или силиконы N-типа и P-типа, не сбалансированы для проведения энергии, поэтому при формировании солнечной панели силиконы наслоены и спаяны вместе в решетчатой ​​матрице. Когда солнечный свет попадает на панель, дисбаланс заставляет несбалансированные электроны силикона двигаться, чтобы исправить друг друга.Этот процесс происходит неоднократно, и именно это повторение генерирует электричество.

Шаг 6: Стекло и покрытие солнечной панели

Прочное и атмосферостойкое стекло — это то, из чего сделаны солнечные батареи во внешнем слое. Стекло добавляется в процессе производства, а солнечные панели покрываются антибликовым покрытием, которое способствует поглощению солнечного света, а не его отражению.

Шаг 7: Установка После этого группа экспертов установит солнечные панели

на залитом солнцем месте. Они подключат солнечные панели к вашим существующим энергосистемам.Как правило, во время установки в жилых помещениях солнечные панели устанавливаются на крышу, поскольку это зона, подверженная сильному воздействию солнца, и часто это отдельное место, которое не повлияет на фасад дома.

Теперь, когда мы объяснили, из чего состоят солнечные панели, давайте подробнее рассмотрим науку, лежащую в основе солнечных панелей.

Как работают солнечные панели: наука

Теперь мы ответили: «Из чего сделаны солнечные панели?» и «как работают солнечные панели?», пора объяснить научный процесс преобразования частиц солнечного света в энергию.Не интересуетесь наукой о солнечных батареях? Мы рекомендуем пропустить этот раздел и сразу перейти к аспектам, которые повлияют на ваше решение о покупке и установке пакета солнечных батарей; «Сколько энергии производят солнечные панели?».

Солнечные панели состоят из множества соединенных вместе фотоэлектрических (PV) элементов, которые преобразуют солнечный свет в электричество. Фотоэлектрические элементы были первоначально обнаружены французским физиком Эдмоном Беккерелем в 1800-х годах, но только в 1954 году Bell Labs создала первый практический кремниевый солнечный элемент.

Как объяснялось ранее, солнечные панели генерируют энергию за счет дисбаланса мощности в силиконовых дисках или пластинах, которые непрерывно корректируют друг друга. Кремний N-типа представляет собой чистую форму, которая имеет один дополнительный электрон. Силикон P-типа имеет на один электрон и примеси меньше, как правило, из-за вливания бора. Результатом этого электронного дисбаланса является то, что когда солнце попадает на солнечную панель, электроны начинают двигаться, пытаясь исправить недостатки друг друга. Когда фотоны выбивают электроны из атомов, генерируется электричество.

Электричество, собираемое солнечными панелями, преобразуется из постоянного тока в переменный с помощью инвертора. Электроэнергия возвращается в систему электроснабжения отеля.

Подходят ли солнечные батареи именно вам?

Теперь, когда мы знаем, из чего состоят солнечные панели, как они производятся, а также научные данные, лежащие в основе солнечных панелей, важно подумать, подходит ли установка солнечных панелей для вас.

Мы знаем, что используется для производства солнечных панелей и что солнечные лучи используются для производства энергии.Следовательно, первое и самое главное требование для установки солнечных панелей — это иметь крышу или достаточно большое пространство в желаемом месте, которое будет способно получать прямой солнечный свет в течение нескольких часов в течение дня. Нет смысла устанавливать солнечную панель на заднем дворе, засаженном большими деревьями и листвой, которая будет защищать панель от солнца. Постарайтесь найти место, где солнечные панели могут лежать ровно и поглощать как можно больше солнечного света в течение дня.

Второе соображение — это потребление энергии вашим домом.На общее потребление энергии будут влиять несколько факторов, в том числе количество людей в доме, используемые вами приборы и частота их использования. Например, семья из пяти человек с кондиционером, вероятно, будет потреблять гораздо больше энергии, чем семья из трех человек без кондиционера.

Климат вашего местоположения также повлияет на вероятность того, что вы максимизируете электрическую мощность ваших солнечных панелей. Если вы живете в месте, где часто бывают пасмурные дни, ваши солнечные панели не будут вырабатывать столько энергии, как солнечные батареи.В зависимости от места в доме для размещения панелей, в долгосрочной перспективе это может оказаться выгодным вложением.

Поговорите со специалистами по солнечным панелям

У нас уникальное и удачное положение в Австралии, где мы постоянно видим интенсивное солнце и достаточно места для солнечных батарей. Если вы хотите установить систему солнечных панелей в своем доме или коммерческом объекте, свяжитесь с экспертами Captain Green Solar, чтобы узнать больше о солнечных панелях, изготовленных из них, и начать свой путь к солнечной энергии раньше, чем позже.Вы также можете использовать наш калькулятор солнечных батарей, чтобы определить экономию, которую вы можете получить от установки с помощью Captain Green. Мы доступны по телефону 1300 361 682.

Из чего сделаны солнечные панели?

Солнечные панели состоят из отдельных солнечных элементов, которые соединяются вместе, образуя панель или модуль. Сами солнечные элементы содержат полупроводник, который вырабатывает электричество в присутствии солнечного света. Другие компоненты солнечной панели включают металл, стекло и различные типы пластмасс.

Хотя некоторые материалы могут отличаться в зависимости от типа солнечной панели и ее использования, для безопасного и эффективного производства электроэнергии должны присутствовать основные компоненты, которые поглощают и отражают солнечный свет, перемещают ток и удерживают панель вместе.

Фотоэлементы

Treehugger / Алекс Дос Диас

Фотоэлектрический эффект — это процесс, который позволяет солнечным панелям преобразовывать солнечный свет в полезную электроэнергию. Впервые его заметил в 1839 году французский физик по имени Александр-Эдмон Беккерель.Современные фотоэлементы, также известные как солнечные элементы, были запатентованы в 1946 году. Эти солнечные элементы были первыми, в которых успешно использовался кремний с примесями для создания электрического сопротивления, необходимого для правильной работы солнечных элементов.

В качестве полупроводника в солнечном элементе можно использовать самые разные материалы. Каждый из них обладает уникальными свойствами, которые делают его более или менее привлекательным для массового производства солнечных батарей.

Монокристаллический кремний

Кремний — это неметаллический элемент, который считается полупроводником, потому что он проводит больше электричества, чем изолятор, но не так много, как металл.Солнечные элементы, изготовленные из монокристаллического кремния, считаются солнечными элементами первого поколения. Они сделаны путем вырезания кристаллов чистого кремния из больших слитков.

Эти слитки чаще всего формируются с использованием метода кристаллизации кремния Чохральского. Во время этого процесса затравочный кристалл прикрепляется к концу стержня и опускается на поверхность расплавленного кремния. Этот кремний часто смешивают с бором. Затем стержень снова медленно извлекается, и пока он поднимается из тигля, стержень и тигель вращаются в противоположных направлениях.Слиток медленно формируется и затем разрезается на тонкие монокристаллические пластины, которые затем можно наслоить фосфором и использовать в солнечных элементах.

Монокристаллические солнечные элементы имеют более высокую стоимость, чем поликристаллические солнечные элементы, но имеют более высокую эффективность, особенно когда они перпендикулярны солнечному свету.

Поликристаллический кремний

Этот материал состоит из невыровненных кристаллов кремния, образованных путем плавления множества кристаллов кремния вместе. Поскольку электроны должны проходить через несколько кристаллов, а не только через один, эффективность поликристаллических солнечных элементов ниже, чем у монокристаллических.Их преимущество в том, что они значительно дешевле, чем монокристаллические кремниевые полупроводники, поэтому они относительно распространены.

Гидрированный аморфный кремний

Гидрогенизированный аморфный кремний, используемый в тонкопленочных кремниевых солнечных элементах, представляет собой материал, нанесенный тонким слоем на различные подложки, такие как стекло, нержавеющая сталь и пластмассы. Этот тип солнечных элементов считается вторым поколением и имеет определенные преимущества перед моно- и поликристаллическими кремниевыми солнечными элементами первого поколения.

Они относительно дешевы в производстве, поскольку в них не используется много материала. Их можно использовать для изготовления очень маленьких солнечных элементов, а также они более безопасны для окружающей среды, чем некоторые другие типы солнечных элементов, поскольку в них не используются токсичные тяжелые металлы. Однако, поскольку они сделаны из таких тонких слоев, не так много солнечного излучения может быть поглощено, что делает их гораздо менее эффективными, чем другие типы солнечных элементов.

Теллурид кадмия

Другая солнечная технология второго поколения — теллурид кадмия, состоящий из металлического кадмия и металлоидного теллурида, который проявляет свойства как металлов, так и неметаллов.Он имеет относительно высокую эффективность, потому что он может использовать более широкую длину волны света для производства электричества, чем кремниевые солнечные элементы. Кадмий является побочным продуктом других материалов, поэтому его изобилие делает его дешевым для использования в солнечных элементах.

К сожалению, использование солнечных элементов из теллурида кадмия имеет негативные последствия для окружающей среды. Сам по себе кадмий является высокотоксичным материалом, а кадмий и теллурид вместе также проявляют токсичность. Несколько исследований показали, что токсичные металлы выщелачиваются из солнечных элементов и что уровень фильтрата превышает несколько установленных законом пределов содержания металлов в питьевой воде и почве.Несмотря на это, они остаются популярным вариантом для солнечных батарей.

Диселенид меди, индия, галлия

Диселенид меди, индия, галлия (CIGS) — еще один металлический материал, используемый в тонкопленочных фотоэлементах. Это полупроводник, усовершенствованный по сравнению с технологией диселенида меди и индия, за счет добавления галлия для повышения эффективности элемента.

Производство солнечных элементов CIGS требует меньше энергии, чем производство кремниевых солнечных элементов, а также они невероятно легкие и гибкие.

Когда CIGS был протестирован на токсичность фильтрата, некоторые концентрации металлов в фильтре превысили ограничения Всемирной организации здравоохранения для питьевой воды. Однако более новое исследование Токийского университета показало многообещающие данные о переработке фильтрата CIGS и возможности восстановления высокого процента исходных металлов, используемых в солнечных элементах.

Перовскит

Это семейство материалов имеет эффективность преобразования энергии 25%. Они названы в честь минерала перовскита из-за схожей кристаллической структуры.Основное беспокойство по поводу использования этих материалов для производства солнечных элементов связано с использованием поглотителя на основе свинца, который очень токсичен при попадании в окружающую среду. В настоящее время проходят испытания другие материалы, которые могут исключить необходимость использования свинца в перовскитных солнечных элементах.

Прочие материалы для панелей

Есть ряд других компонентов, из которых состоит солнечная панель. Каждый из них играет роль в защите солнечных элементов от элементов, эффективном перемещении электричества через систему или поддержании правильной работы электрических компонентов.Хотя некоторые элементы могут отличаться в зависимости от конструкции или использования, это наиболее распространенные части солнечной панели.

Стекло

Стекло часто используется для покрытия солнечной панели, чтобы предотвратить повреждение элементов. В нем мало железа и он не отражает бликов, что обеспечивает максимальное поглощение солнечного света.

Герметик

Герметики солнечных элементов используются для скрепления слоев солнечного элемента вместе. Этиленвинилацетат (EVA) используется почти в 80% солнечных элементов.Он недорогой, позволяет свету легко проходить через него и обладает высокой адгезией, поэтому он так популярен.

Задняя поверхность

В солнечных панелях, которые поглощают свет только с одной стороны, за группой ячеек размещается лист задней поверхности или подложка, чтобы снизить температуру солнечной панели. Этот задний лист обычно изготавливается из полимеров, а именно из поливинилфторида (ПВФ) или полиэтилентерефталата в сочетании с ПВФ.

Распределительная коробка

Распределительные коробки на задней стороне солнечных панелей охватывают медную проводку, которая содержит электричество, вырабатываемое солнечными элементами.Он содержит переходные диоды, которые удерживают электрический ток в одном направлении, поэтому он не возвращается обратно в панель.

Алюминиевая рама

Солнечные элементы, соединенные вместе, составляют солнечную панель. Ячейки помещены в алюминиевый каркас, который защищает всю панель и предотвращает попадание воды и пыли внутрь корпуса. После кремния алюминий является вторым по распространенности металлом на Земле. Это легкий металл, устойчивый к погодным условиям, что делает его идеальным выбором для каркасов солнечных батарей.

.

Оставить комментарий