Гибкие солнечные панели. Выбор из 6 лучших вариантов
Среди альтернативных источников энергии для частного использования одним из наиболее перспективных вариантов признаны солнечные панели. Это обусловлено разнообразием предложений на рынке, практичностью, простотой построения автономных систем электроснабжения для частных и даже многоквартирных домов.
Содержание
Гибкие солнечные батареи и жесткие конструкции – разница в технологиях и характеристиках
В сфере солнечных панелей наметилась жесткая конкуренция между:
- С одной стороны – традиционными поликристаллическими и монокристаллическими батареями в исполнении на жесткой раме;
- С другой – гибкими панелями на базе аморфного кремния, полиморфными и полимерными солнечными элементами.
У каждой из групп есть собственные достоинства и недостатки.
Жесткие моно- и поликристаллические кремниевые батареи с 30% и 53% рынка соответственно, пока, безусловно, лидируют. Для такого положения дел есть веские основания:
Именно по этой причине спрос на моно-/поликристаллические солнечные батареи продолжает расти, заинтересованность в них частных покупателей уже практически достигла уровня покупок предприятиями.
Взрывной рост этого спроса сдерживают несколько факторов:
Свои особенности есть и у каждой из разновидностей гибких панелей.
Виды и свойства гибких солнечных панелей
Сегодня разрабатываются и выпускаются несколько принципиально разных видов гибких солнечных батарей. Они отличаются используемыми материалами и технологиями, что, в свою очередь определяет как характеристики, так и особенности монтажа и эксплуатации.
Аморфные панели (элементы из аморфного кремния)
Аморфные гибкие солнечные панели создаются на базе элементов из аморфного кремния (a-Si). Такое название получил гидрид кремния, образующийся в результате распада силана или кремневодорода (SiH4) под воздействием электрического разряда.
Соединение превосходит кристаллический кремний по коэффициенту поглощения – для полного поглощения солнечного излучения достаточно слоя толщиной 0.5-1 мкм по сравнению со 100-300 мкм для кремниевых кристаллов.
Кроме того, достаточно низкая температура осаждения (порядка 150оС) позволяет формировать пленки необходимой для фотовольтатики толщины не только на металлической или стеклянной, но и на полимерной основе, причем сделать этот процесс непрерывным.
Еще одно достоинство технологии – дешевизна сырья, поскольку для получения кремневодорода не требуется высокая степень очистки кремния. Это позволяет использовать в производстве отходы предприятий металлургической отрасли, поступающие на утилизацию кремниевые солнечные батареи и другие дешевые источники.
Из серьезных недостатков технологии следует выделить:
- Ускоренную деградацию пленок под воздействием ультрафиолета и высокой температуры, что снижает срок службы панелей до 3-5 лет. Бороться с ним можно применением защищающих от УФИ ламинирующих пленок и применение в конструкции эффективных теплоотводов.
- Относительно низкий по сравнению с кристаллическим кремнием коэффициент конверсии, что снижает КПД батареи в целом и требует значительного увеличения площади панелей для обеспечения необходимой потребителям мощности генерации. В настоящий момент единственный путь повышения эффективности – совершенствование технологий.
Поколения аморфных солнечных панелей
Сегодня на рынке можно найти устройства уже трех поколений аморфных солнечных модулей.
- 1 поколение создавалось сразу после разработки технологий. Панели характеризовались невысоким коэффициентом преобразования менее 5% и сроком службы порядка 3-5 лет.
- 2 поколение представлено максимально широко (более 70% продаваемых аморфных панелей относятся именно к нему). Их КПД вырос до 8-9%, а срок эксплуатации продлен до 10 лет.
- 3 поколение – наиболее совершенные аморфные батареи. Значительные средства, инвестированные в разработку, позволили получить панели со сроком службы свыше 15 лет и коэффициентом конверсии на уровне 12%, что всего на 20-30% уступает серийным образцам поликристаллических батарей.
Микроморфные (полиморфные) панели
Одним из направлений развития технологий аморфных солнечных панелей стало производство полиморфных (другое название – микроморфных) модулей.
В таких изделиях фотовольтатическая пленка представляет собой многослойный пирог a-Si с особыми свойствами каждого из слоев. Так, например, предлагаемые компанией Solar Electro панели используют основной слой наноструктурированного аморфного кремния и дополнительный слой, выращенный по обычной технологии. Это позволило:
- уменьшить общую толщину пленки;
- обеспечить повышение эффективности преобразования в инфракрасной части спектра без потери коэффициента поглощения в видимой части;
- снизить на 20-25% скорость деградации.
Добиться этого удалось без значительного усложнения технологий осаждения и использовании в качестве сырья все того же кремневодорда (силана). В результате потребители получают возможность приобрести панели:
- с подтвержденной эффективностью на уровне 9.6%;
- с потерей мощности не более 10% после 10 лет эксплуатации и не более 20% при 25-летнем сроке;
- с устойчивой генерацией с отклонением в пределах 10% от номинальной мощности в диапазоне температур от -10 до +85оС.
Достоинства и недостатки аморфных гибких панелей
Электрофизические свойства полупроводниковой пленки из аморфного кремния и технология производства определили достоинства гибких аморфных солнечных батарей:
Арсенид-галлиевые гибкие солнечные батареи
Арсенид галлия (GaAs) фактически является идеальным полупроводником для фотовольтатики. В результате гелиоэлементы на его основе демонстрируют самый высокий из достигнутых на настоящий момент КПД преобразования – до 44% (порядка 30% у серийно выпускаемых), что значительно превышает показатели лучших кремниевых образцов. На его основе выпускают солнечные модули для нужд космоса и мощных концентраторных электростанций.
Для стабильного фотоэффекта при максимальном поглощении солнечного излучения достаточно пленки полупроводника порядка 2-3 микрон, что позволяет создавать модули на гибкой основе, например, алюминиевой фольге. Перенести и закрепить такую конструкцию на полимерной пленке труда не составляет.
Еще одно достоинство использования GaAs – возможность создания многослойных пленок из нескольких материалов, что позволяет повысить эффективность использования невидимых частей спектра.
В настоящее время производители предпринимают целый ряд мер, направленных, прежде всего, на удешевление конечной продукции.
- Уменьшение толщины полупроводниковой пленки. Так, еще в 2012 г. Solar Devices достигла при толщине пленки в 1 мкм эффективности преобразования в 27.6% (подтверждено американской Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии).
- Создание многослойных структур. На сегодня наиболее перспективным выглядит использование пленки со слоями германия, арсенида галлия и фосфида галлия-индия (толщина каждого слоя менее 1 мкм).
Однако в настоящее время ни один производитель не выпускает гибкие арсенид-галлиевые панели в промышленных объемах, а регулярно представляемые образцы коммерческого значения не имеют.
Тонкопленочные элементы на основе теллурида кадмия
Разработка солнечных элементов на базе теллурида кадмия (CdTe) стартовала 1970е годы прошлого столетия. Их планировалось использовать в космической отрасли. Побочным продуктом широкого потребления стали малогабаритные солнечные источники для калькуляторов.
Хотя действующая технология предполагает напыление пленок материалов на стекло, мировой лидер в производстве батарей на теллуриде кадмия, американская компания FirstSolar сообщает об успешной разработке гибких элементов на полимерной основе. Это стадо возможным благодаря микронной толщине пленок и относительно невысокой (не превышает 200 градусов) температуре осаждения материалов. Аналогичными исследованиями занимаются и в России, в частности в Воронежском техническом университете (первые работы опубликованы еще в 2009 г.).
Вследствие этого чуть ли не единственным производителем солнечных батарей на основе теллурида кадмия стала упомянутая выше FirstSolar. Тем не менее, ей принадлежит порядка 5% солнечных элементов. К сожалению, в силу известных причин российским покупателям эта продукция пока недоступна, но приобрести батареи FirstSolar совершенно легально можно на рынках стран ближнего зарубежья, например, в Украине и Казахстане.
Что касается стоимости таких панелей, при сравнимой с поликристаллическими кремниевыми эффективности, они дают практически аналогичную цену генерации – порядка 0.7 доллара за 1 Вт.
Солнечные элементы CIGS
Перспективной альтернативой панелям на аморфном кремнии стали элементы изготовленные на основе селенида меди-галлия- индия Cu(InGa)Se2. Материал обладает самым высоким коэффициентом поглощения из используемых в фотовольтатике полупроводников, что позволяет выращивать пленки толщиной всего в сотни нанометров, обеспечивая высокую эффективность преобразования.
Сегодня в списке компаний, выпускающих солнечные элементы CIGS более 10 производителей, использующих различные технологии:
- Напыление слоев металлов с последующей обработкой селеном или гидридом селена при высокой температуре. Подтвержденная эффективность преобразования при таком методе составляет 17.6%.
- Электроосаждение с селенизацией. Удалось подтвердить КПД 13.6%.
- Печать пленок из металлов или их оксидов с последующими восстановлением и селенизацией. Подтвержден КПД 14%.
- Химическое осаждение.
- Электрораспыление.
- Склеивание тонких пленок металлов и пр.
В результате максимальная подтвержденная эффективность модулей превышает 27%, а затраты на их производство оказываются ниже, чем у кремниевых аналогов на 20-40%.
При этом для CIGS-полупроводников также характерны:
- Высокая температурная стабильность;
- Широкий охват спектра излучения.
- Низкая скорость деградации.
Наиболее известным производителем CIGS панелей, продукция которого доступна в России, является японская Solar Frontier Kabushiki Kaisha, однако в ее ассортименте пока нет гибких батарей. Такие элементы предлагают другие компании, однако по цене они обойдутся дороже продукции японского производителя – на уровне сравнимом с ценой поликристаллических кремниевых аналогов,
Органические (полимерные) гибкие солнечные элементы
Полимерные гибкие солнечные панели создаются на основе тонких (менее 100 нм) пленок из фуллеренов, образующих т.н. «полимерный полупроводник». В результате стало возможным производство сверхтонких и сверхдешевых солнечных модулей, удельная стоимость генерации по прогнозам к 2023-2025 г составит порядка 0.16-0.2 доллара на 1 Вт.
Таким образом, желающие создать собственную солнечную электростанцию из гибких панелей должны уяснить несколько фактов:
- Наиболее реальный вариант – аморфные или полиморфные кремниевые панели. В ближайшей перспективе (в течение 2-3 лет) интерес будут представлять полимерные модули.
- Площадь необходима для обеспечения потребителей гибкими батареями больше, чем при использовании кристаллических кремниевых.
- При этом выгода по стоимости генерации сохраняется и составляет до 50% от цены за 1 Вт в монокристаллах кремния, и до 25% – в поликристаллах.
- Эффективность гибких аморфных панелей в рассеянном свете выше, чем жестких кремниевых батарей, поэтому их выгоднее применять в Средней полосе и в северных регионах.
Ох, как мне нравятся такие панели. Они не только для умного дома сгодятся, но и на природу можно с собой брать, на крышу палатки стелить.
Муж второй год грезит солнечными батареями, выбор большой, но меня всё таки терзают сомнения в том, а стоит ли вообще их покупать.
Все чаще задумываюсь о гибких солнечных панелях для своего дачного участка. Солнца у нас в регионе достаточно.
Где снежные зимы, вряд ли эти панели пригодятся или станут в какой-то мере полезными, ну разве что летом.