В чем разница между солнечными панелями?

Панели солнечных батарей или фотоэлементы (англ. photovoltaics (PVs)) не являются новыми устройствами с точки зрения технологий. Тем не менее, в этом направлении постоянно ведутся исследования, совершенствуются технологии производства, а некоторые ученые верят в то, что фотоэлементы смогут конкурировать с традиционными источниками энергии, такими как уголь. Какую роль может занять солнечная энергетика в этом мире, и каковы различия между основными типами фотоэлементов?

Многие компании покинули этот бизнес. Хотя, по мере увеличения популярности это может привести к большому выигрышу компанию, которая сможет развить технологию сверхмощных солнечных батарей, способных конкурировать с традиционными источниками энергии.

«Количество работников, задействованных в солнечной индустрии, на некоторое время превзошло количество работников угольной промышленности в США. А теперь их ряды достаточно велики даже для превышения количества задействованных сотрудников в нефтяной и газовой промышленности» — отмечает Джошуа Пирс, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Мичиганском технологическом университете. «Не редкость, когда солнечная энергия оказывается гораздо менее затратной из-за более низкой стоимости, как для домашних хозяйств, так и для промышленных предприятий. Это приводит к положительной обратной связи, где намечается дополнительный рост. Ожидается, что совокупный мировой рынок солнечной энергетики утроится к 2020 году до почти 700 гигаватт (ГВт), с годовым спросом почти в 100 ГВт в 2019 году».

Национальная лаборатория возобновляемой энергии Департамента энергетики США (NREL) опубликовал падение цен на фотоэлементы. В первом квартале 2016 года расходы уменьшились на 6%, 4% и 20% в жилом, коммерческом и коммунальном секторах по сравнению с последним кварталом 2015. NREL отслеживает основные расходы (структурные и электрические компоненты) и косвенные расходы (приобретение земельных участков, накладные расходы, налог с продаж, оплата труда) с 2009 по 2016 год в рамках своей инициативы SunShot.

Всего за второй квартал 2016 года в США установили солнечных панелей мощностью в 2,051МВт, повысив тем самым общую мощность фотоэлементов до 31,6 ГВт. Это задает отрасли темп, позволяющий в этом году удвоить мощность установленного оборудования. «Более 10 ГВт коммунальных фотоэлементов на данном этапе находятся в строительстве, а в конце 2016 и начале 2017 годов продолжают бить рекорды по добавлению процента солнечной энергетики в энергосистему США», — говорит Кори Ханиман, заместитель директора GTM Research.

Солнечная черепица на крыше домов

Илон Маск, основной акционер SolarCity, презентовал новую версию солнечной черепицы в октябре прошлого года. Маск пытается сделать солнечную черепицу более доступной для потребителей. SolarCity старается снижать стоимость солнечных панелей, делать их максимально удобными для монтажа, и при этом не забывает об их внешней привлекательности. Эти факторы позволяют привлекать все больше людей в использование солнечной энергетики.

Когда появились первые варианты солнечной черепицы в 2005 году, она была очень дорогая и некрасивая. Многие компании покинули отрасль солнечной энергетики, в том числе и производящие черепицу. Тем не менее, мы видим в последнее время значительный рост спроса на электромобили, издержки на которые минимальны, хотя всего несколько лет назад это были туманные перспективы, и многие компании не хотели инвестировать в создание электромобилей. Как мы видим – все кардинально изменилось. Такое же будущее предсказывается многими учеными и альтернативной энергетике, которая сможет занять солидную часть рынка производства электроэнергии. Давайте рассмотрим различные технологии фотоэлементов.

Существует довольно большое количество органических клеток, но пройдет немало времени, пока они смогут выйти на рынок. На данном этапе основным фотоэлементом (ФЭ) являются клетки не кристаллического кремния (c-Si) и тонкопленочные технологии.

Две разновидности кристаллического кремния

Существует два вида клеток не кристаллического кремния: поликристаллический и монокристаллический. Различия между ними минимальны при рассмотрении вопроса о покупке. Довольно часто поставщики предоставляют выбор продукции, состоящую из обеих видов клеток.

Принцип работы солнечного элемента

  Монокристаллы

Эти ячейки можно отнести к первому поколению солнечных элементов или к традиционным солнечным батареям. Как следует из названия, монокристаллические панели изготавливаются из одной кристаллической структуры. Кремниевые породы плавятся при температуре в 2500 0F, после чего происходит наращивание кристалла.

Выращивание кристаллов методом Чохральского может быть более дорогим, чем использовании поликристаллической структуры. Повышение эффективности обработки позволило существенно сократить разрыв в стоимости изготовления, но создание монокристаллических ячеек процесс все еще расточительный и стоит немножко дороже, чем процесс изготовления поликристаллических клеток. В некоторых старых солнечных ячейках (созданных лет 30 назад) можно заметить, что отдельные клетки на самом деле являются круглыми, в отличии от квадратных ячеек, изготавливаемых на сегодняшний день. Форма изменилась, так как площадь, подвергаемая прямому воздействию солнечных лучей, имеет не последнее значение при преобразовании энергии, а круговая форма оставляет пустоты между клетками.

Поликристаллы

Поликристаллы также изготавливаются из кремния. Кремниевую породу загружают в чан или пресс-форму, а затем расплавляют до температуры в 2500 0F на время около 20 часов. Процесс охлаждения кремния занимает около трех дней, после чего процесс обработки может быть продолжен. На выходе получается квадратный слиток, который при  изготовлении  панели позволит уменьшить затраты и количество отходов производства.

С экономической точки зрения производства, поликристаллические элементы более выгодны, однако они менее выгодны при преобразовании энергии. Например, эффективность монокристаллической ячейки примерно на 2% больше, чем поликристаллической (например, 19% против 17%). В мощности разница составит в 10 Вт — 270 Вт (моно) против 260 Вт (поли). Если вам необходима система мощностью в 5400 Вт, то вам необходимо 20 монокристаллических панелей, против 21 поликристаллической. Таким образом, это может привести к дополнительным затратам на установку дополнительной панели или электроники, для управления дополнительной панелью.

Если вопрос площади или количества устройств не стоит слишком резко, то большой разницы между поликристаллическими и монокристаллическими панелями не наблюдается. Однако, из-за низкой стоимости, поликристаллические элементы играют ведущую роль на рынке бытовых солнечных энергосистем.

Тонкопленочные вариации

Тонкопленочные фотоэлементы имеют три основные формы: теллурид кадмия (CdTe); селенид меди, индия, галлия (англ. CIGS);  аморфный кремний (а-Si). В то время как каждая из них может быть сделана различными способами, тонкопленочные ФЭ  все же являются более или менее похожими на панели c-Si относительно слоев материала. Основное отличие состоит в том, что ФЭ может быть осажден или «окрашен» в слой на подложке. Иными словами, что-нибудь из стекла или металла на гибком пластике может быть использовано для изготовления ФЭ.

Данный тип обработки привел к началу исследования новых видов химических и органических составов, но остановимся на трех основных типах пленок.

В слоях тонких пленок могут возникать проблемы даже при эффективных процессах производства с рулона на рулон. Например, натяжение на клетках в процессе производства может приводить к деформации, неравномерному распределению слоев, или диффузии между ними.

Строение солнечного элемента

Теллурид кадмия (CdTe)

Теллурид кадмия занимает большую часть рынка, поскольку он более эффективен и предлагает более низкое сочетание доллар/ватт, чем другие тонкие пленки. CdTe часто изготавливается на стекле, что лишает его гибкости. Это может привести к определенным проблемам при монтаже. Тем не менее, относительно низкая стоимость делает его вполне популярным.

Медь, индий, галлий, селенид

Данная «смесь» (CIGS) сталкивается с проблемами в процессе производства из-за трудностей контроля скорости осаждения частиц в процессе изготовления. Данная технология по эффективности становится все ближе к с-Si, однако процесс изготовления делает солнечные панели дороже. Более того, материал CIGS очень чувствительный к влаге. CIGS должен помещаться в специальную защитную оболочку иначе фотоэлемент перестанет работать.

В 2014 Dow выпустила солнечную черепицу PowerHouse в надежде на изменения сознания потребителей и рационализацию производства. В июне прошлого года Dow заявила о прекращении производства солнечной черепицы.

Аморфный кремний (а-Si)

Большинство гибких солнечных панелей находящихся в продаже на сегодняшний день состоят из аморфного кремния (a-Si). Они имеют наихудшую энергоэффективность и большую стоимость, чем c-Si, но плюс их заключается в простоте изготовления, а также обладают хорошей прочностью и легкостью. Переносные устройства и электроника являют собой основной рынок для этих устройств. Вряд ли вы увидите эти солнечные батареи на домах, однако вы можете купить палатку, в которую они будут встроены. Благодаря своей гибкости данные батареи легко могут монтироваться в переносное оборудования расположенное на открытом воздухе, одежду, некоторые электронные устройства, для поддержания более длительного заряда батареи при отсутствии возможности подзарядки от сети.

Судя по последним новостям от SolarCity, они, скорее всего, собираются воспользоваться партнерством Tesla и Panasonic и использовать технологию гетероперехода Panasonic (HIT). Она включает в себя два различных полупроводниковых материала гидрогенизированного аморфного кремния (а-Si: H) и с-Si для создания p-n перехода рассеянного гомопереходом эмиттера. «Эта технология хорошо работает и предполагает КПД до 22,3%» — говорит Фрэнк Джеффри, президент PowerFilm. «Это приемлемо дорого в производстве, но вполне испытанная технология».

В целом, тонкопленочные фотоэлементы представляют лишь небольшую часть рынка и являются незрелой технологией. Однако, в течении ближайших десяти лет от нее ожидают серьезный прорыв. В настоящее время они являются наиболее дорогими и малоэффективными на рынке ФЭ.

Интеграция с промышленными интернет вещами (IIoT)

Переход к промышленным интернет вещам (IIoT) привел к дистанцированию процессов измерения и обработки сигналов. Если измерения проводятся в полевых условиях, где нет электросети, данные приложения требуют установку источников питания, таких как аккумуляторные батареи, конденсаторы, или солнечные батареи.

Солнечная батарея может значительно продлить время работы устройства между заменами аккумуляторов или конденсаторов, или же полностью заменить их. Тонкопленочные солнечные элементы отлично подходят для роли удаленного источника питания устройств внутренней установки. Традиционные или кристаллические фотоэлементы хорошо работают с прямыми солнечными лучами, генерируя электрическую энергию от инфракрасного излучения. Тонкие пленки a-Si способны хорошо работать с видимым спектром света, который используется внутри как бытовых, так и промышленных помещений. Данное свойство делает эти устройства практически идеальным вариантом для использования питания IIoT внутри помещений, значительно удешевляя и упрощая монтаж системы питания.

В случае наружной установки удаленный датчик может просто фиксировать время восхода/захода солнца для расчета и сохранения данных о времени наличия солнечного света. Наиболее вероятно для таких приложений потребуется установка дополнительной аккумуляторной батареи, работающей в паре с ФЭ. Внешнее расположение солнечных панелей не всегда имеет хорошую производительность, так как часть поверхности панелей может попадать в тень, например, деревьев или линий электропередач, что будет в значительной степени влиять на производительность ФЭ.

В поли- или монокристаллических панелях клетки соединяются последовательно. Если часть панели попадет в тень, то целый ряд клеток может перестать вырабатывать электроэнергию. В качестве примера можно привести старую гирлянду с последовательным соединением лампочек. Если одна лампа сгорела, то вся линия выходит из строя. Параллельное подключение панелей или дополнительные электронные контроллеры могут предотвратить такие ситуации. Тем не менее, один телефонный столб или дерево может существенно влиять на производительность всей системы, причем в каждое время суток по-разному.

Тонкопленочные панели работают как одна ячейка или могут работать на всей своей площади. Второй подход к работе делает их менее восприимчивыми к частичному затемнению. Например, если тень от дерева заслоняет 60% площади солнечной панели, то остальные 40% по-прежнему будут генерировать электричество. Это также большой плюс при частичном повреждении поверхности солнечной батареи. Если, например, градом, повреждается ячейка c-Si, вся панель с большой вероятностью прекратит свою работу и будет нужна ее замена. Фотоэлемент a-Si будет продолжать генерировать электроэнергию даже с вышедшей из строя ячейкой. Видео данной работы представлено внизу:

«Кроме того, тонкопленочная технология способна работать даже в условиях плохого освещения» — отмечает Джим Кимброу, президент P3solar. «Способность генерировать электроэнергию в большем диапазоне длин волн может сделать тонкопленочную технологию передовой для производства электрической энергии в неидеальных условиях».

Большинство результатов испытаний получены в идеальных условиях работы ФЭ, то есть при прямом свете. Если тонкопленочные батареи работают лучше в условиях плохой освещенности, то, наверное, необходимо опубликовать и эти результаты.

С или без публикации данных по исследованиям низкой освещенности, тонкопленочные элементы не могут быть сравнимы по ценовым качествам с кристаллической панелью (исключение возможно в случае с CdTe). Главный аргумент для a-Si – это возможность работы внутри помещений, а также для устройств, в которых не последнюю роль играет вес. Например, не кристаллическая кремниевая панель (с-Si) весит 7 фунтов, а складная CIGS от P3 весит всего 0,75 фунта. Это очень существенная разница, если вы берете с собой в поход солнечные батареи. Данный аспект привел к росту спроса на эту технологию среди любителей активного отдыха и военных.

Как правило, мобильные устройства стремятся к использованию тонкопленочных технологий, в то время, как крупные потребители энергии (например, крыши домов) будут склоняться к использованию технологии c-Si.

Солнечные панели способные работать при повреждении одной из ячеек

Еще одним не маловажным фактором в технологиях фотоэлементов является их термостойкость. При повышении температуры солнечная батарея может становиться менее эффективной. Например, при превышении температуры на 1 градус Цельсия свыше 250С эффективность c-Si, CdTe, CIGS и a-Si будет уменьшаться на -0.5%, -0.35%, -0,6% и -0.2%. Это значит, что в очень жаркий день эффективность батарей может быть снижена примерно на 10%.

Тонкопленочные устройства должны не только окупать затраты на себя, но и быть конкурентоспособными. К примеру, маленькие складные тонкопленочные панели являются более дорогими, чем кремниевые такого же размера. В зависимости от модели, цена на ватт мощности варьируется от 10$ до 15$, в отличии от 3$ до 6$ аналогичной модели с кремния.

Отрасль солнечной энергетики является весьма конкурентоспособной средой. В этом году прогнозируется падения спроса на солнечные батареи в Китае на 30%, что приведет к перепроизводству их во всем мире. В ноябре прошлого года First Solar заявила, что прогнозирует низкие продажи в 2017. Компания также заявила, что будет сокращать 1600 рабочих мест или примерно 27% от всех ее сотрудников. Данная отрасль по-прежнему очень жесткий рынок с точки зрения бизнеса, несмотря на удивительные преимущества, достигнутые в этой технологии.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Подтвердите, что Вы не бот — выберите человечка с поднятой рукой: