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.

При построении собственных гелиостанций многие пользователи выбирают гибкие солнечные панели – весьма перспективное решение, которое уже на текущий момент отличается эффективностью, удобством и экономичностью.

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:

Плюсы

Технологии создания моно- и поликристаллических панелей в принципе очень хорошо отработаны.

Многие производители выпускают действительно достаточно солидные объемы одиночных элементов, а также и готовых панелей, которые способны полноценно удовлетворить множество запросов предприятий-сборщиков, кроме того удовлетворить львиную долю потребностей конечного пользователя.

Эти модули остаются лидерами по эффективности преобразования среди изделий массового производства. Речь идет, прежде всего, о монокристаллических панелях с КПД серийных образцов на уровне 24% и некоторых поликристаллических, достигающих 18%-ной эффективности.

Используемые технологии сборки и защиты панелей гарантируют их высокую надежность, устойчивость к различным атмосферным воздействиям и длительный срок службы.

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:

Минусы

Высокая стоимость сырья (чистого кремния) и, соответственно, конечной продукции.

Медленный рост эффективности.

Некоторые специфические свойства солнечных элементов, например, ускоренная деградация при воздействии температур. Последний фактор имеет важное значение, поскольку максимальный прогрев панелей приходится на моменты максимума солнечного излучения.

Свои особенности есть и у каждой из разновидностей гибких панелей.

Обратитесь к нам и наш специалист бесплатно составит смету ➯Заказать услугу

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 150^оС) 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.

В результате аморфные солнечные панели считаются одним из наиболее перспективных на ближайшие годы направлений развития гелиоэнергетики. Прогнозируется, что к 2023-2025 гг. эти модули на основе аморфных элементов станут лидерами рынка, значительно потеснив и поли- и монокристаллические изделия.

Из серьезных недостатков технологии следует выделить:

1. 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.
2. 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.

Коммерческое производство гелиопанелей третьего поколения пока только началось, поэтому цены на них еще существенно превышают стоимость модулей второго. Однако выпуск их налажен у большинства именитых мировых производителей, предлагают их и российские компании, что позволит насытить рынок достаточно быстро.

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:

1. с подтвержденной эффективностью на уровне 9.6%;
2. с потерей мощности не более 10% после 10 лет эксплуатации и не более 20% при 25-летнем сроке;
3. с устойчивой генерацией с отклонением в пределах 10% от номинальной мощности в диапазоне температур от -10 до +85^оС.

Достоинства и недостатки аморфных гибких панелей

Электрофизические свойства полупроводниковой пленки из аморфного кремния и технология производства определили достоинства гибких аморфных солнечных батарей:

Плюсы и минусы

Высокий коэффициент поглощения видимого солнечного излучения (превосходит показатель кристаллического кремния не менее чем в 20 раз). В результате батареи обладают высокой стабильностью при работе в рассеянном свете.

Способность работать с минимальным снижением мощности при значительном прогреве (у кремниевых элементов потеря мощности может достигать 20%).

Уменьшенная скорость деградации при прогреве - аморфные панели третьего поколения и микроморфные модули теряют не более 10% мощности в течение 10 лет эксплуатации.

Простую организацию теплоотвода, причем для этих целей могут служить коллекторы солнечных водонагревателей, что существенно повысит эффективность использования солнечного излучения.

Простота монтажа. Гибкие пленки не требуют специальных конструкция для установки и могут размещаться на любых поверхностях, например, крышах, покрытых черепицей, профнастилом и аналогичными материалами.

Высокая ремонтопригодность. Если при проблемах с кремниевыми модулями на жесткой основе приходится менять панель полностью, то для ремонта гибких достаточно найти и вырезать поврежденный участок, заменить его новым и правильно включить его в цепь.

Низкая цена. За счет более дешевого сырья, простоты технологий и значительных инвестиций в производство уже сегодня стоимость генерации почти в 2 раза ниже, чем у кристаллических элементов (в среднем, 0.6 доллара за 1 Вт против 1 доллара у монокристаллических) и продолжает снижаться.

Недостаточно высокий коэффициент преобразования, что требует увеличения площади батарей для обеспечения требуемой мощности.

Необходимость дополнительной защиты от повреждений при прямом механическом воздействии (ударах).

В целом, гибкие аморфные панели, особенно последнего поколения, оказываются значительно выгоднее кристаллических модулей. При прочих равных следует отдать предпочтение именно им, особенно в Средней полосе России и более северных регионах.

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.

Плюсы и минусы

Простота корректировки электрофизических (например, ширины запрещенной зоны) и оптических свойств материала внесением примесей.

Слабая зависимость конверсии излучения от температуры (мощность генерации практически не изменяется даже при нагреве до 150-180оС) и других негативных факторов, например, воздействия жесткого излучения.

Дороговизна технологии получения полупроводникового слоя. При прочих равных стоимость генерации оказывается в несколько раз выше, чем для элементов на основе кремния.

Экологическая опасность составляющих, что, при широком распространении компонентов потребует строительства сети предприятий для утилизации элементов.

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.

Основу структуры полупроводника составляют тонкие (суммарная толщина 2-8 мкм) пленки CdTe-CdS. Однопереходной полупроводник с шириной запрещенной зоны 1.46эВ дает теоретически возможный КПД преобразования порядка 29%. В настоящее время реальная эффективность серийно выпускаемых фотоэлектрических элементов составляет 15-17%.

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.).

Плюсы и минусы

Высокая устойчивость к негативным воздействиям, в частности, жесткому излучению.

Температурная стабильность генерации.

Значительно меньшая, по сравнению с кремниевыми элементами скорость деградации.

Экологическую опасность кадмия, что требует специальных мер защиты элементов и панелей, а также создания предприятий по утилизации. Это привело к запрету использования таких панелей в целом ряде стран. Однако результаты исследований показывают, что само соединение CdTe – абсолютно безопасно и, к тому же, отличается высокой стойкостью. Соответственно, ограничительные меры в большей степени являются следствием конкурентной борьбы, чем имеют реальную основу, что позволяет прогнозировать перспективы теллурид-кадмиевых панелей.

Незначительную добычу теллура. Уже сегодня более 50% его используется в производстве гелиоэлементов, а реальных предпосылок к расширению добычи пока нет.

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.

Единственным препятствием для производства гибких модулей на их основе является высокая температура селенизации (порядка 400-500^оС), но и она успешно решается с использованием термостойких (с термоустойчивостью свыше 450 градусов) полимеров, массовое производство которых в мире уже реализовано. Кроме того, некоторые из упомянутых технологий позволят отказаться от высокотемпратурных стадий процесса, что позволяет наладить выпуск дешевых гибких модулей.

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.

Плюсы и минусы

Экологичность, отсутствие необходимости создавать специальные предприятия для утилизации.

Высокая скорость производства.

Возможность его развертывания в любых масштабах, вплоть до печати элементов необходимого размера и конфигурации на 3D-принтерах.

Удобство монтажа, в том числе в труднодоступных местах и на поверхностях сложной формы.

Получение прозрачных в оптическом диапазоне панелей или модулей определенного цвета и т.д.

Низкая эффективность конверсии (подтвержденный КПД в серии пока не превышает 5-7%, у экспериментальных образцов максимум составил 17.4% ).

Высокая скорость деградации – действующие серийные образцы рассчитаны на срок службы не более 3-5 лет

Низкая устойчивость к внешним механическим воздействиям (защитных материалов с необходимыми свойствами и высокой стойкостью пока не разработано).

Сегодня российские покупатели могут приобрести полимерные солнечные модули только онлайн на мировых торговых площадках (например, на AliExpress). В Европе серийно производит их компания Mekoprint A/S, изделия китайских производителей пока остаются «темной лошадкой» с непроверенными характеристиками.

Таким образом, желающие создать собственную солнечную электростанцию из гибких панелей должны уяснить несколько фактов:

1. Наиболее реальный вариант – аморфные или полиморфные кремниевые панели. В ближайшей перспективе (в течение 2-3 лет) интерес будут представлять полимерные модули.
2. Площадь необходима для обеспечения потребителей гибкими батареями больше, чем при использовании кристаллических кремниевых.
3. При этом выгода по стоимости генерации сохраняется и составляет до 50% от цены за 1 Вт в монокристаллах кремния, и до 25% – в поликристаллах.
4. Эффективность гибких аморфных панелей в рассеянном свете выше, чем жестких кремниевых батарей, поэтому их выгоднее применять в Средней полосе и в северных регионах.

Обратитесь к нам и наш специалист бесплатно составит смету ➯Заказать услугу