Saules bateriju veidi: konstrukciju salīdzinošais pārskats un padomi paneļu izvēlei

Alternatīvā enerģētika maksimāli attīstās Eiropā, ar rezultātiem pierādot savu perspektīvumu. Parādās jauni saules bateriju veidi, paaugstinās to lietderības koeficients.

Ja vēlas nodrošināt rūpnieciskās ēkas vai dzīvojamās telpas darbību ar saules enerģiju, iepriekš jānoskaidro iekārtu atšķirības, jāsaprot, kādi saules paneļi ir piemēroti konkrētā reģiona klimatiskajiem apstākļiem.

Mēs palīdzēsim izprast šo jautājumu. Rakstā ir aplūkots fotoelektrisko pārveidotāju darbības princips, sniegts pārskats par dažādiem saules bateriju veidiem, norādot to īpašības, priekšrocības un trūkumus. Iepazīstoties ar materiālu, Jūs varēsiet izdarīt pareizo izvēli efektīvas saules sistēmas izveidei.

Saules paneļu darbības princips

Lielais vairums saules paneļu fiziskā ziņā ir fotoelektriskie pārveidotāji. Elektroenerģijas ražošanas efekts rodas pusvadītāju p-n pārejas vietā.

Tieši silīcija plāksnes veido saules paneļu pašizmaksas pamatu, bet, ja tās izmanto kā diennakts elektroenerģijas avotu, papildus nāksies iegādāties dārgas akumulatoru baterijas

Panelis sastāv no divām silīcija plāksnēm ar dažādām īpašībām. Gaismas ietekmē vienā no tām rodas elektronu trūkums, bet otrā – to pārmērība. Katrai plāksnei ir strāvas novadīšanas sloksnes no vara, kas tiek pievienotas sprieguma pārveidotājiem.

Rūpnieciskais saules panelis sastāv no daudzām laminētām fotoelektriskām šūnām, kas savstarpēji savienotas un piestiprinātas uz elastīga vai cieta pamatnes.

Iekārtas lietderības koeficients lielā mērā ir atkarīgs no silīcija tīrības un tā kristālu orientācijas. Tieši šos parametrus inženieri pēdējās desmitgadēs cenšas uzlabot. Galvenā problēma ir augstās izmaksas procesiem, kas ir pamatā silīcija attīrīšanai un kristālu izvietošanai vienā virzienā pa visu paneli.

Katru gadu dažādu saules paneļu maksimālā efektivitāte palielinās, jo jaunu fotoelementu materiālu izpētē tiek ieguldīti miljardi dolāru (+)

Fotoelektrisko pārveidotāju pusvadītājus var izgatavot ne tikai no silīcija, bet arī no citiem materiāliem – baterijas darbības princips šajā gadījumā nemainās.

Fotoelektrisko pārveidotāju veidi

Rūpnieciskos saules paneļus klasificē pēc to konstrukcijas īpatnībām un darba fotoelektriskā slāņa veida.

Atšķir šādus bateriju veidus pēc ierīces tipa:

• elastīgie paneļi;
• cietie moduļi.

Elastīgie plānslāņa paneļi pamazām ieņem arvien lielāku nišu tirgū, pateicoties to montāžas daudzpusībai, jo tos var uzstādīt uz vairuma virsmu ar dažādām arhitektūras formām.

Saules paneļu reālās īpašības parasti ir zemākas nekā instrukcijā norādītās. Tāpēc pirms to uzstādīšanas mājās ir vēlams pašam redzēt līdzīgu realizētu projektu.

Pēc darba fotoelektriskā slāņa veida saules baterijas iedalās šādās šķirnēs:

1. Silīcija: monokristāliskie, polikristāliskie, amorfie.
2. Telūra-kadmija.
3. Uz indija-vara-gallija selenīda bāzes.
4. Polimēru.
5. Organiskie.
6. Uz gallija arsenīda bāzes.
7. Kombinētie un daudzslāņu.

Interesi plašam patērētājam rada ne visi saules paneļu veidi, bet tikai pirmie divi kristāliskie paveidi.

Lai gan dažiem citiem paneļu veidiem ir lielāka efektivitāte, to augsto izmaksu dēļ tie nav guvuši plašu izplatību.

Silīcija fotoelementi ir diezgan jutīgi pret karstumu. Pamata temperatūra elektroenerģijas ražošanas mērīšanai ir 25°C. Paaugstinoties par vienu grādu, paneļu efektivitāte samazinās par 0,45–0,5%.

Tālāk tiks detalizēti apskatīti saules paneļi, kas rada vislielāko patērētāju interesi.

Uz silīcija bāzes veidotu paneļu raksturlielumi

Silīciju saules baterijām izgatavo no kvarca pulvera – sasmalcinātiem kvarca kristāliem. Bagātīgākās izejvielu atradnes atrodas Rietumsibīrijā un Vidusurālos, tāpēc šī saules enerģētikas virziena perspektīvas ir praktiski neierobežotas.

Pat pašlaik kristāliskie un amorfie silīcija paneļi jau aizņem vairāk nekā 80% tirgus. Tāpēc ir vērts tos apskatīt sīkāk.

Monokristāliskie silīcija paneļi

Mūsdienu monokristāliskās silīcija plāksnes (mono-Si) ir viendabīgi tumši zilā krāsā visā virsmā. To ražošanai izmanto visaugstākās tīrības silīciju. Monokristāliskie fotoelementi starp visām silīcija plāksnēm ir visdārgākie, bet nodrošina arī vislabāko efektivitāti.

Lielie monokristāliskie saules paneļi ar pagrieziena mehānismiem lieliski iederas tuksneša ainavās. Tur tiek nodrošināti apstākļi maksimālai ražībai.

Augstās ražošanas izmaksas ir saistītas ar sarežģītību orientēt visus silīcija kristālus vienā virzienā. Šādu darba slāņa fizisko īpašību dēļ maksimālā efektivitāte tiek nodrošināta tikai tad, kad saules stari krīt perpendikulāri plāksnes virsmai.

Monokristāliskās baterijas prasa papildu aprīkojumu, kas dienas laikā tās automātiski pagriež, lai paneļu plakne būtu pēc iespējas perpendikulāra saules stariem.

Silīcija slāņi ar vienpusēji orientētiem kristāliem tiek izgriezti no cilindriska metāla stieņa, tāpēc gatavie fotoelektriskie bloki izskatās kā noapaļotu stūru kvadrāts.

Monokristālisko silīcija bateriju priekšrocības ietver:

1. Augsta efektivitāte ar vērtību 17–25%.
2. Kompaktums – mazāka iekārtu izvietojuma platība uz vienu jaudas vienību, salīdzinot ar polikristāliskiem silīcija paneļiem.
3. Izturība – pietiekama elektroenerģijas ražošanas efektivitāte tiek nodrošināta līdz 25 gadiem.

Šādu bateriju trūkumi ir tikai divi:

1. Augstās izmaksas un ilgs atmaksāšanās laiks.
2. Jutība pret piesārņojumu. Putekļi izkliedē gaismu, tāpēc ar tiem pārklātiem saules paneļiem krasi samazinās efektivitāte.

Tiešo saules staru nepieciešamības dēļ monokristāliskie saules paneļi tiek uzstādīti galvenokārt atklātās teritorijās vai augstumā. Jo tuvāk teritorija atrodas ekvatoram un jo vairāk tajā ir saulainu dienu, jo vairāk ieteicams uzstādīt tieši šāda veida fotoelementus.

Polikristāliskās saules baterijas

Polikristāliskie silīcija paneļi (multi-Si) ir nevienmērīgi zilā krāsā, jo kristāli ir orientēti dažādos virzienos. To ražošanā izmantotais silīcijs ir nedaudz zemākas tīrības pakāpes nekā monokristāliskajiem analogiem.

Kristālu dažādā orientācija nodrošina augstu efektivitāti izkliedētā gaismā – 12-18%. Tā ir zemāka nekā vienvirziena kristālos, taču mākoņainos laikapstākļos šādi paneļi ir efektīvāki.

Materiāla neviendabīgums samazina arī silīcija ražošanas pašizmaksu. Attīrīto metālu polikristāliskajiem saules paneļiem bez īpašas piepūles ielej veidnēs.

Ražošanā tiek izmantotas īpašas tehniskas metodes kristālu veidošanai, taču to orientācija netiek kontrolēta. Pēc atdzišanas silīciju sagriež slāņos un apstrādā pēc īpaša algoritma.

Polikristāliskie paneļi neprasa pastāvīgu orientāciju pret sauli, tāpēc to izvietošanai aktīvi izmanto dzīvojamo un rūpniecības ēku jumtus.

Dienā ar nelielu mākoņu daudzumu amorfā silīcija saules paneļu priekšrocības nebūs manāmas, to stiprās puses atklājas tikai pie blīviem mākoņiem vai ēnā (+)

Pie saules bateriju ar dažādi orientētiem kristāliem priekšrocībām pieder:

1. Augsta efektivitāte izkliedētā gaismā.
2. Iespēja stacionārai uzstādīšanai uz ēku jumtiem.
3. Zemākas izmaksas salīdzinājumā ar monokristāliskajiem paneļiem.
4. Ilgs kalpošanas laiks – efektivitātes samazinājums pēc 20 gadu ekspluatācijas ir tikai 15-20%.

Polikristāliskajiem paneļiem ir arī trūkumi:

1. Pazemināta efektivitāte ar vērtību 12-18%.
2. Relatīvi lieli izmēri – nepieciešams vairāk vietas uzstādīšanai uz jaudas vienību, salīdzinot ar monokristāliskajiem analogiem.

Polikristāliskie saules paneļi iegūst arvien lielāku tirgus daļu starp citiem silīcija bateriju veidiem. To veicina plašās iespējas samazināt ražošanas izmaksas. Arī šādu paneļu efektivitāte katru gadu palielinās, strauji tuvojoties 20% masveida produktos.

Saules paneļi no amorfa silīcija

Amorfā silīcija saules paneļu ražošanas mehānisms būtiski atšķiras no kristālisko fotoelektrisko elementu izgatavošanas. Šeit tiek izmantots nevis tīrs nemetāls, bet gan tā hidrīds, kura karstie tvaiki tiek nogulsnēti uz pamatnes.

Šādas tehnoloģijas rezultātā klasiskie kristāli neveidojas, un ražošanas izmaksas strauji samazinās.

Fotoelementus no nogulsnēta amorfā silīcija var nostiprināt gan uz elastīgas polimēra pamatnes, gan uz cietas stikla loksnes.

Pašlaik jau pastāv trīs paaudzes no amorfā silīcija izgatavotu paneļu, kurās katra ievērojami paaugstinās efektivitāte. Ja pirmajiem fotoelektriskajiem moduļiem bija 4–5% efektivitāte, tad tagad tirgū masveidā tiek pārdoti otrās paaudzes modeļi ar 8–9% efektivitāti.

Jaunākās izstrādes amorfajiem paneļiem ir efektivitāte līdz 12%, un tie jau sāk parādīties pārdošanā, taču tie pagaidām ir pietiekami dārgi.

Pateicoties šīs ražošanas tehnoloģijas īpatnībām, silīcija slāni var izveidot gan uz cietas, gan uz elastīgas pamatnes. Tādēļ moduļi no amorfā silīcija tiek aktīvi izmantoti elastīgos plānslāņa saules moduļos. Bet varianti ar elastīgu pamatni ir ievērojami dārgāki.

Amorfā silīcija fizikāli ķīmiskā struktūra ļauj maksimāli absorbēt vājas izkliedētas gaismas fotonus elektroenerģijas ražošanai. Tādēļ šādi paneļi ir ērti izmantošanai ziemeļu reģionos ar lielām brīvām platībām.

Amorfā silīcija bateriju efektivitāte nemazinās arī pie augstas temperatūras, lai gan tās pēc šī parametra atpaliek no gallija arsenīda paneļiem.

Pie vienādām iekārtu izmaksām saules paneļi no silīcija hidrīda uzrāda lielāku ražīgumu nekā to mono- un polikristāliskie analogi (+)

Apkopojot, var norādīt šādas amorfu saules paneļu priekšrocības:

1. Daudzpusība – iespēja izgatavot elastīgas un plānas plāksnes, bateriju uzstādīšana uz jebkurām arhitektūras formām.
2. Augsta efektivitāte izkliedētā gaismā.
3. Stabila darbība augstās temperatūrās.
4. Konstrukcijas vienkāršība un uzticamība. Šādi paneļi praktiski nelūzt.
5. Darbspējas saglabāšana sarežģītos apstākļos – mazāks ražīguma kritums pie virsmas putekļainības nekā kristāliskajiem analogiem

Šādu fotoelektrisko elementu kalpošanas laiks, sākot ar otro paaudzi, ir 20–25 gadi ar jaudas kritumu 15–20%. Pie amorfā silīcija paneļu trūkumiem var minēt tikai nepieciešamību pēc lielākām platībām vajadzīgās jaudas iekārtu izvietošanai.

Pārskats par bezsilīcija ierīcēm

Dažiem saules paneļiem, kas izgatavoti, izmantojot retus un dārgus metālus, ir efektivitāte virs 30%. Tie ir vairākkārt dārgāki nekā to silīcija analogi, taču tomēr ir ieņēmuši augsto tehnoloģiju tirdzniecības nišu, pateicoties savām īpašajām īpašībām.

Saules paneļi no retajiem metāliem

Pastāv vairāki saules paneļu veidi no retiem metāliem, un ne visiem tiem ir augstāka efektivitāte nekā monokristāliskajiem silīcija moduļiem.

Tomēr spēja strādāt ekstremālos apstākļos ļauj šādu saules paneļu ražotājiem ražot konkurētspējīgu produkciju un veikt turpmākus pētījumus.

Kadmija telurīda paneļi tiek aktīvi izmantoti ēku apšuvumā ekvatoriālās un Arābijas valstīs, kur to virsma dienā uzkarst līdz 70–80 grādiem.

Galvenie sakausējumi, ko izmanto fotoelektrisko elementu ražošanai, ir kadmija telurīds (CdTe), indija–vara–gallija selenīds (CIGS) un indija–vara selenīds (CIS).

Kadmijs ir toksisks metāls, savukārt indijs, gallijs un telūrs ir diezgan reti un dārgi, tāpēc masveida saules paneļu ražošana uz to bāzes pat teorētiski nav iespējama.

Šādu paneļu efektivitāte ir 25–35% līmenī, lai gan izņēmuma gadījumos tā var sasniegt 40%. Iepriekš tos galvenokārt izmantoja kosmosa nozarē, bet tagad ir parādījies jauns perspektīvs virziens.

Pateicoties stabilai reto metālu fotoelementu darbībai 130–150°C temperatūrā, tos izmanto saules siltuma elektrostacijās. Saules stari no desmitiem vai simtiem spoguļu tiek koncentrēti uz neliela paneļa, kas vienlaikus ģenerē elektroenerģiju un nodrošina siltumenerģijas pārnesi ūdens siltummainim.

Ūdens sildīšanas rezultātā veidojas tvaiks, kas liek turbīnai griezties un ģenerēt elektroenerģiju. Tādējādi saules enerģija tiek pārveidota elektroenerģijā vienlaicīgi divos veidos ar maksimālu efektivitāti.

Polimēru un organiskie analogi

Fotoelektriskos moduļus uz organisku un polimēru savienojumu bāzes sāka izstrādāt tikai pēdējā desmitgadē, taču pētnieki jau ir guvuši ievērojamus panākumus. Vislielāko progresu demonstrē Eiropas uzņēmums Heliatek, kas jau ir aprīkojis vairākas augstceltnes ar organiskiem saules paneļiem.

Tās ruļļa plēves konstrukcijas HeliaFilm biezums ir tikai 1 mm.

Polimēru paneļu ražošanā tiek izmantotas tādas vielas kā oglekļa fulerēni, vara ftalocianīns, polifenilēns un citas. Šādu fotoelementu efektivitāte jau sasniedz 14–15%, un ražošanas izmaksas ir vairākas reizes mazākas nekā kristāliskiem saules paneļiem.

Aktuāls ir organiska darba slāņa degradācijas laika jautājums. Pagaidām nav iespējams ticami apstiprināt tā efektivitātes līmeni pēc vairāku gadu ekspluatācijas.

Organisko saules paneļu priekšrocības ir:

• iespēja videi droši utilizēt;
• lēta ražošana;
• elastīga konstrukcija.

Pie šādu fotoelementu trūkumiem var minēt salīdzinoši zemu efektivitāti un ticamas informācijas trūkumu par paneļu stabilas darbības termiņiem. Iespējams, ka pēc 5–10 gadiem visi organisko saules fotoelementu trūkumi izzudīs un tie kļūs par nopietniem konkurentiem silīcija plāksnēm.

Kādu saules paneli izvēlēties?

Saules paneļu izvēle lauku mājām platuma grādos 45-60° nav grūta. Šeit jāapsver tikai divi varianti: polikristāliskie un monokristāliskie silīcija paneļi.

Ja trūkst vietas, priekšroka jādod efektīvākiem modeļiem ar vienpusēju kristālu orientāciju, bet, ja platība ir neierobežota, ieteicams iegādāties polikristāliskās baterijas.

Nav vērts orientēties uz analītisko uzņēmumu prognozēm par saules paneļu tirgus attīstību, jo to labākie paraugi, iespējams, vēl nav izgudroti.

Konkrētu ražotāju, nepieciešamo jaudu un papildu aprīkojumu labāk izvēlēties, piedaloties to uzņēmumu vadītājiem, kas nodarbojas ar šāda aprīkojuma pārdošanu un uzstādīšanu. Jāzina, ka lielāko ražotāju fotoelektrisko moduļu kvalitāte un cena atšķiras maz.

Jāņem vērā, ka, pasūtot aprīkojuma komplektu «pabeigtā veidā», pašu saules paneļu izmaksas būs tikai 30-40% no kopējās summas. Šādu projektu atmaksāšanās laiks ir 5-10 gadi un ir atkarīgs no enerģijas patēriņa līmeņa un iespējām pārdot elektrības pārpalikumus pilsētas tīklā.

Daži meistari dod priekšroku saules bateriju pašrocīgai salikšanai. Mūsu vietnē ir raksti ar detalizētu aprakstu par šādu paneļu izgatavošanas tehnoloģiju, to pievienošanu un apkures saules sistēmu iekārtošanu.

Iesakām iepazīties:

1. Kā pašrocīgi izgatavot saules bateriju: pašmontāžas instrukcija
2. Saules apkures sistēmas: tehnoloģiju analīze apkures ierīkošanai uz saules sistēmu bāzes
3. Saules bateriju pieslēgšanas shēma: kontrolierim, akumulatoram un apkalpojamajām sistēmām

Secinājumi un noderīgs video par tēmu

Piedāvātie videoklipi parāda dažādu saules paneļu darbību reālos apstākļos. Tie arī palīdzēs izprast jautājumus par papildu aprīkojuma izvēli.

Saules paneļu un papildu aprīkojuma izvēles noteikumi:

Saules paneļu veidi:

Monokristāliskā un polikristāliskā paneļa testēšana:

Iedzīvotājiem un nelieliem rūpnieciskiem objektiem reālas alternatīvas kristāliskajiem silīcija paneļiem pagaidām nav. Taču jaunu saules bateriju veidu izstrādes temps ļauj cerēt, ka drīz saules enerģija kļūs par galveno elektroenerģijas avotu daudzās lauku mājās.

Visiem, kas interesējas par saules bateriju izvēli un lietošanu, piedāvājam atstāt komentārus, uzdot jautājumus un piedalīties diskusijās. Saziņas forma atrodas apakšējā blokā.