Обзор солнечных панелей для систем автономного питания



Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ №16-08-00243 а

Приведены виды, описание и характеристики солнечных панелей. Рассмотрено несколько ведущих направлений в солнечной энергетике: фотопреобразование энергии солнечного излучения, солнечной панели с концентраторами, энергетическая эффективность системы позиционирования плоских солнечных панелей, новый электрогенерирующий покрывной материал в виде черепицы, а также усиление света в металлических нанокластерах и наноагрегатах в нанокомпозитном покрытии. Дополнительно сделаны выводы на каждое из направлений.

Ключевые слова: солнечная энергия, фотопреобразование энергии, монокристаллические, поликристаллические, аморфные, теллурид кадмия, селенид меди-индия, полимерные.

В настоящее время все большее внимание уделяют альтернативным источникам энергии, и не зря, так как запасы сырья невечные, к тому же катастрофическое влияние на окружающую среду вызывает их переработка. Так же немаловажной проблемой является постоянный рост цен на энергию, связано это с увеличение цен нефти и газа на мировом рынке из-за истощения их запасов. Вследствие всех вышеперечисленных факторов и начались разработки новых, альтернативных, источников энергии, такие как: ветроэнергетика, биотопливо, гелиоэнергетика, геотермальная энергетика и т.д. [1].

Наиболее доступной является солнечная энергия. Каждый день Земля получает огромные мощности от солнечного света, преобразование которых позволит удовлетворить практически любые энергетические запросы человечества.

В настоящий момент существуют две гелиотехнологии, которые могут претендовать на развитие в будущем. Одна основана на извлечении тока в результате фотоэлектрического эффекта. Вторая состоит в преобразовании тепловой энергии солнца, эта технология основана на нагреве теплоносителя от концентрированного солнечного луча [2].

Рассмотрим виды и краткую характеристику солнечных батарей [3, 4, 5].

Рис. 1. Виды солнечных панелей

Монокристаллические солнечные панели. Для производства таких элементов используется кремний высокой чистоты. Такие солнечные панели изготавливаются в виде силиконовых сот (ячеек), соединенных в одну структуру. Период окупаемости ≈ 2 года.

Поликристаллические солнечные батареи. Для изготовления поликристалла используется менее чистый и более дешевый кремний.

Внешне такие батареи можно распознать по своеобразному узору ярко синего цвета, различной форме и ориентации кристаллов кремния.

Период окупаемости ≈ 2-3 года.

Аморфные солнечные панели или батареи из аморфного кремния. Для их изготовления использую не кристаллы, а очень тонкие слои кремния, напыленные на пластик. Изготавливаются как в жестком, так и в гибком виде. Имеют однородный блекло-серый цвет.

Панели на основе теллурида кадмия. Создается на основе пленочной технологии. Полупроводниковый слой наносят очень тонким слоем (несколько сотен мм). Пока не очень популярны.

Солнечные панели на основе селенида меди-индия. В качестве полупроводникового материала используется медь, индий (галлий) и селен.

Полимерные солнечные панели. Тонкопленочные батареи, работающие по принципу, напоминающему фотосинтез растений. В качестве полупроводникового материала используется полифенилен, фуреллены, фталоцианин меди. Полупроводник – очень тонкая пленка (≈100нм).

Таблица 1

Достоинства и недостатки солнечных панелей

Вид солнечных панелей	Достоинства	Недостатки
Монокристаллические	- коэффициент полезного действия на уровне 20%; - надежны; - долговечны (срок службы до 50 лет); - просты в установке, компактные; - большая годовая выработка; - технология производства совершеннее, точнее.	- стоимость (самые дорогие); - снижение температурного коэффициента при нагревании солнечной батареи.
Поликристаллические	-КПД достаточно высокий– 12-16%; -стоимость ниже монокристаллических СП; - срок службы не менее 25 лет; - технология производства проще, компактные; - средняя годовая выработка выше.	-снижение температурного коэффициента при нагревании солнечной батареи; - меньшая эффективность элементов за счет оделенных границ в структуре.
Аморфные	- метод изготовления самый простой и малобюджетный; -невысокая стоимость; - высокая производительность при пасмурной погоде; - повешенная гибкость - толщина элементов ≤ 1мм.	- низкий КПД 5-8%; - низкий срок эксплуатации - 10 лет; - быстрое снижение эффективности за счет выгорания слоя; - большая площадь установки.
На основе теллурида кадмия	- КПД 11-15%; - высокая способность поглощения; - стоимость 1Вт мощности дешевле на 20-30% чем у кремниевых.	- стоимость; - экология (вредность кадмия); - редкость теллурия.
На основе селенида меди-индия	- КПД 15-20%	- сложный и дорогой процесс производства [4]
Полимерные	- доступные материалы; - стоимость; - экологически чистые - эластичные.	- КПД 5-6% - быстро теряют мощность из-за окружающей среды.

Одним из ведущих направлений в солнечной энергетике является фотопреобразование энергии солнечного излучения. Исследуются особенности устройств кремниевого метода выработки электрической энергии, используя солнечные элементы для преобразования солнечной энергии в электрическую с фотолюминесценцией солнечного излучения, с радиальными p-n-переходах в микроструктурах вертикального исполнения и с проводящими квантовыми нитями в объеме монокристалла кремния. Скопление квантовых нитей является основным структурным фактором при создании фотоэлементов третье поколения с повышенной конверсионной эффективностью, длительным сроком эксплуатации наземной и космоэнергетики, а также радиационной стабильностью.

Проведя некий анализ, были выявлены основные способы уменьшения потерь при преобразовании солнечного излучения в электрическую энергию:

1.Фотолюминесценция коротковолнового излучения в области излучения с максимальной длиной ≈ 0,9 мкм делает возможным увеличение эффективности кремниевых элементов.

2.Образование радиальных p-n-переходов в структурах с вертикальным исполнением микропроволок. Есть важный недостаток – ограничение величины КПД фотопреобразования.

3.Устраняется проблема вывода фотогенерированных носителей заряда из объема фотоэлемента с планарной структурой за счет формирования квантовых нитей.

Такие фотопреобразователи, по сравнению с обычными объемными кремниевыми обладают большей эффективностью и длительным сроком эксплуатации [6].

В электроэнергетике стараются добиться минимальных потерь энергии, для этого разрабатываются все новые технологии. Рассмотрим основные параметры солнечной панели с концентраторами. Разберем два способа улучшения эффективности солнечных батарей – улучшение положения панелей и концентрирование солнечных лучей на СП. На основании определенных параметров сделали вывод, что задумка СП с концентраторами возможна, и существенно улучшает производительность по сравнению с существующими модулями. Использование более дешевых светоотражающих материалов позволяет снизить стоимость СП и повышает их энергетическую эффективность.

Еще одна тема, интересующая нас – энергетическая эффективность системы позиционирования плоских СП. Здесь выявлены закономерности поступления солнечной энергии на СП, неподвижно закрепленную и постоянно направляемую системой позиционирования перпендикулярно солнечному излучению. Так же установлены потери энергии в неподвижно смонтированных СП по сравнению с направлением их системой позиционирования.

Сделаны выводы:

1.При стационарном монтаже СП получает наибольшее количество энергии при излучении, падающем под прямым углом на крышу. При другом положении солнца происходит значительное уменьшение КПД.

2.Выявлено, что при стационарном монтаже относительные потери летом составляют 35-47%, зимой 20-80%. Это подтверждает высокую эффективность таких систем.

3.За счет того, что потребление энергии системой не постоянно невозможно установить зависимость солнечных батарей от установленной мощности.

Технологии не стоят на месте, и уже сегодня предлагается новый электрогенерирующий покрывной материал в виде черепицы, который изготавливается из вторичного сырья, в основе которых солнечные элементы и концентратор солнечного излучения. Рассмотрены два варианта такой черепицы: первый – концентраторное исполнение с нарезными солнечными элементами, концентратором солнечного излучение, гелем и оптической отклоняющей системой в виде призмы, и второй – бесконцентраторное исполнение с планарными солнечными элементами, гелем, продлевающим срок службы элементов. «Солнечная черепица» позволяет решить несколько задач: электрогенерация, продление срока службы солнечных модулей, использование пластикового вторичного сырья.

Благодаря совмещению электрогенерирующей, строительно-кровельной и, конечно же, экологической функций такой тип СП является идеальным решением проблемы по электроснабжению при автономном солнечном электрогенерировании частных домов. Так же такая черепица имеет изящный внешний вид.

Покрытие солнечных панелей важнейшая составляющая. Приведена интересная статья на эту тему: «Гигантское усиление света в металлических нанокластерах и наноагрегатах в нанокомпозитном покрытии солнечных панелей», где продемонстрирована композитная пленка с активными сферическими наночастицами, которая может обеспечить идеальное оптическое просветление при различных углах падения внешней волны независимо от оптических свойств подстилающей среды, при этом такой эффект действителен при обращении в нуль эффективного комплексного показателя преломления композитной пленки. Эффект гигантского усиления света, тем самым фото-эдс солнечного элемента многократно возрастает, приводится изменением содержания серебра в пленках. Такие пленки могут найти применение при конструировании нанопокрытий для повышения эффективности солнечных элементов, солнечных панелей и счетчиков фотонов.

Литература:

1. Все о солнечных батареях и энергии солнца [Электронный ресурс] / Solnpanels // Solnpanels. – 2015. – URL: http://www.solnpanels.com/vidy-solnechnyh-batarej/ (дата обращения: 19.09.2016).
2. Сравнение моно, поли и аморфных солнечных панелей [Электронный ресурс] / Альтернативная энергетика // Альтернативная энергетика. – 2013. – URL: http://b-eco.ru/articles/mono_poly_amorphous/ (Дата обращения: 19.09.2016).
3. Ефимов В. П. Фотопреобразователи энергии солнечного излучения нового поколения // Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт. – 2010. – Т.8. № 2. – С.100-114.
4. Ахмедов, Д. Ш., Ерёмин Д. И., Ягфарова Н. И., Кемешева Д. Г. Основные параметры солнечной панели с концентраторами // Вестник ЮГУ. – 2015. – № S2 (37). – С.145-147.
5. Коваль В. П., Ивасечко Р. Р., Козак Е. Н. Энергетическая эффективность систем позиционирования плоских солнечных панелей // Журнал: Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. – 2015. – №3 (134). – С. 2-10.
6. Требков Д. С., Панченко В. А., Иродионов А. Е., Кирсанов А. И. Разработка кровельной солнечной панели // Вестник ВИЭСХ. – 2015.– № 4(21). – С. 106-110.