В условиях постоянного повышения цен на энергоресурсы, все больше внимания уделяется альтернативным источникам электроэнергии. Таким путем снижается зависимость от централизованных поставок, улучшается экологическая обстановка. Одним из направлений является производство солнечных батарей, которое к настоящему времени в целом обеспечивает растущие потребности населения.
Широким спросом пользуется продукция не только зарубежных изготовителей, но и российского производства. Технологические процессы уже достаточно отработаны, они постоянно развиваются и совершенствуются, способствуя повышению эффективности и качества изделий.
Что такое солнечная батарея
Первые эксперименты в области солнечной энергетики начались в середине прошлого века. Ведущие индустриальные страны попытались использовать термальные станции для получения электрической энергии. Данная технология предполагала нагревание воды концентрированными солнечными лучами, после чего она превращалась в пар. Затем этот пар под давлением подавался на турбины генератора, заставлял их вращаться, в результате чего начинала вырабатываться электроэнергия.
В этих установках солнечная энергия неоднократно трансформировалась, поэтому их эффективность была на очень низком уровне. Постепенно, с развитием производства полупроводников, появились устройства, напрямую преобразующие солнечные лучи в электрический ток. Это стало возможно, благодаря фотоэлектрическому эффекту, открытому еще в 19-м веке. Но вплотную приблизиться к созданию настоящей солнечной батареи удалось только благодаря полупроводникам. Постепенно началось их массовое производство, в том числе и в РФ.
Наиболее эффективным полупроводником оказался кремний, применяющийся в большинстве современных солнечных панелей. Под действием солнечных лучей верхняя пластина нагревается и атомы кремния начинают испускать электроны, занимающие места дырок в нижней пластине. Поскольку электроны стремятся занять свое исходное положение, они начинают двигаться снизу в сторону верхней пластины. Но, на свое место они сразу не попадают, а по соединительным проводникам поступают в аккумулятор и отдают часть энергии на его зарядку. После этого они занимают свое место и весь процесс начинается вновь. Он прекращается с наступлением темноты и значительно снижается в пасмурную погоду.
Наибольший эффект получается от фотоэлементов, созданных на основе монокристаллического кремния, в том числе и российского производства. В таких кристаллах минимальное количество граней, что обеспечивает прямолинейное движение электронов.
Как устроена солнечная панель
В конструкцию панели входит определенное количество элементов, являющихся фотоэлектрическими преобразователями. С их помощью солнечная энергия превращается непосредственно в электрическую. Основным материалом для изготовления служит монокристаллический или поликристаллический кремний, выращенный искусственным путем. Они производятся по разным технологиям и отличаются коэффициентом полезного действия.
Эффективность фотоэлементов определяется их полезной мощностью, которая зависит от напряжения и выходного тока. На состояние этих параметров оказывает влияние интенсивность солнечного излучения, попадающего на поверхность панели. Значение выходного тока зависит еще и от размеров фотоэлементов: чем ярче свет, тем сильнее генерация тока. При пасмурной погоде происходит резкое снижение зарядного тока и отдаваемой мощности.
Соединение фотоэлементов между собой осуществляется с помощью последовательной и параллельной схемы. В первом случае это способствует увеличению выходного напряжения, а во втором выходного тока. Обычно используется комбинированный способ, позволяющий улучшить оба показателя и сделать их наиболее оптимальными. Данное соединение обеспечивает надежную работу всей панели, даже, если какой-то из элементов вышел из строя.
При попадании одного из фотоэлементов в тень, он на этот период сам становится потребителем тока из-за разрядки аккумулятора. В подобной ситуации возможен его перегрев и выход из строя. Чтобы этого не произошло, выполняется шунтирование диодами по 4 штуки на каждый элемент. При частичном попадании панели в тень, ток начинает проходить через диоды, что и спасает затененные места от перегревания.
Весь набор фотоэлементов размещается в общем корпусе, соединяющем и скрепляющем всю конструкцию. Каркас изготавливается из алюминиевого профиля, а для защиты используется специальное закаленное стекло, покрытое отражающей пленкой. Шунтирующие диоды размещаются в распределительной коробке.
Солнечная батарея не может отдавать выработанный ток непосредственно потребителю. Для этой цели используется специальное оборудование аккумуляторы, контроллеры, инверторы, соединительные провода и другие детали.
Разновидности кремниевых установок
Прежде чем рассматривать изготовление солнечных батарей, необходимо изучить материалы, используемые в фотоэлектрическом слое элементов. Это связано с тем, что каждый материал требует собственной технологии производства и в конечном итоге влияет на характеристики и стоимость конкретного изделия.
В большинстве солнечных панелей применяются кремниевые кристаллы. Разрабатываются батареи с другими материалами, однако, несмотря на их высокий КПД, они не нашли широкого применения из-за своей высокой стоимости. В настоящее время производители солнечных батарей не изготовляют таких устройств, поскольку это неэффективно и нецелесообразно.
Элементы на основе кремния обладают повышенной чувствительностью к нагреву. Для замеров электрической генерации используется базовая температура в 25 градусов. С каждым повышением ее на 1 градус происходит снижение эффективности панелей до 0,5%. Основой кремния служат размолотые кристаллы кварцевого песка, превращенного в порошок.
В зависимости от способа производства, все панели разделяются на следующие виды.
Монокристаллические
Отличаются темно-синим цветом, равномерно распределенным по всей поверхности. Изготавливаются из наиболее чистого кремния, что позволяет получить лучший КПД, хотя и за высокую цену. Такая повышенная стоимость получается за счет сложности технологических процессов, ориентирующих кристаллы в одном направлении. В этом случае для максимального КПД требуется строго перпендикулярное падение лучей солнца на поверхность фотоэлементов.
В связи с этим, монокристаллическим панелям необходимо дополнительное оборудование, обеспечивающее их вращение и приведение в нужное положение в течение дня. Среди них широким спросом пользуются российские солнечные панели.
Поликристаллические
Обладают неравномерным синим окрасом различной интенсивности по причине хаотичной ориентации кристаллов. В фотоэлементах используется кремний, не такой чистый как в монокристаллическом варианте, однако, из-за различной направленности кристаллов обеспечиваются хорошие показатели КПД даже в пасмурную погоду.
Более низкие требования и неоднородная структура кремния существенно удешевляет его производство, что влияет и на конечную стоимость таких панелей. Им не требуется постоянная ориентация относительно солнца, поэтому они чаще всего устанавливаются на крышах частных домов и промышленных объектов.
Панели с аморфным кремнием
Технология изготовления совсем другая по сравнению с предыдущими вариантами. В данном случае применяется не чистый кремний, а гидрид кремния, разогреваемый до состояния пара и осаждаемый на специальную подложку. У таких панелей сравнительно низкий КПД всего 8-9%, но и цена у них небольшая.
Сегодня показатель КПД удалось поднять до 12%, но таких изделий на рынке еще очень мало, и они дорогие. На эффективность аморфных панелей не оказывает влияния даже значительное повышение температуры.
Изготовление фотоэлементов
На всех специализированных предприятиях производство солнечных батарей начинается с изготовления фотоэлементов. Для каждого типа кристаллов существует собственная технология производства.
Монокристаллический кремний получается в результате термической обработки исходного сырья. На выходе получается слиток материала в виде прямоугольного бруска с однородной кристаллической решеткой и высокой степенью чистоты. Углы бруска обрезаются, а сам он разрезается на тонкие пластинки. В результате получаются квадраты с закругленными углами, которые используются в качестве фотоэлементов.
Производство поликристаллических элементов более простое, поскольку не требуется выращивание кристаллов с однородной структурой. Здесь также используется термическая обработка сырья. После разрезания брусков получаются тонкие пластинки с видимой разнородной структурой и хаотичным расположением частичек. Свет, попадая на них, отражается на соседние частички, в результате чего, общая отражающая способность снижается примерно на 25%.
Для улучшения поглощающих свойств поверхность пластинок последовательно обрабатывается щелочами и кислотами. Данную технологию применяет практически каждый завод по производству солнечных батарей.
Аморфные панели изготавливаются методом напыления гидрида кремния на жесткую или гибкую поверхность. С целью придания определенных свойств, в распыленный материал добавляются различные наночастицы и микроэлементы.
Готовые пластины покрываются специальным материалом, снижающим отражающие свойства. В противном случае, примерно 10% излучения отразится назад и выпадет из процесса генерации электрического тока. За счет покрытия, свет проникает максимально глубоко и не отражается обратно.
Производство солнечных панелей
Для сбора заряда на лицевую сторону пластины наносится металлизированная сетка с оптимальной толщиной линий и их расположением относительно друг друга. Как правило, используется специальная паста, содержащая серебро. Высокая проводимость серебра позволяет увеличить КПД фотоэлементов на 15%. Далее, из полученных фотоэлементов собираются солнечные батареи в общую конструкцию.
Все производство готовых изделий можно условно разделить на несколько этапов:
- В первую очередь выполняется тестирование, замеряют электрические характеристики. Для этот используют ксеноновые лампы, способные производить мощные вспышки. По итогам испытаний элементы сортируются и переходят на следующий этап.
- Из готовых элементов выполняется формирование секций, укладываемых на стеклянную подложку. Для укладки используются специальные вакуумные захваты, чтобы исключить любое воздействие на пластины. Один блок состоит из 4-6 секций, а каждая секция включает в себя 9-10 фотоэлектрических пластин. Соединение блоков между собой осуществляется методом пайки, поэтому каждый собранный таким образом компонент, служит дольше.
- Далее выполняется ламинирование соединенных блоков этиленвинилацетатной пленкой, после чего на поверхность наносится защитное покрытие. Все операции производятся на оборудовании с ЧПУ, а параметры ламинирования контролируются в течение всего процесса.
- На последнем этапе готовая конструкция помещается в рамку из алюминиевого профиля. Все соединения выполняются клеем-герметиком. По окончании сборки готовые солнечные панели вновь тестируются на соответствие выдаваемых параметров нормативным показателям. Такие меры позволяют снизить процент брака и увеличить срок службы солнечных батарей.
Производители солнечных батарей
Солнечные батареи уже давно перешли из стадии экспериментов в широкое промышленное производство. Хорошую и качественную продукцию выпускают отечественные заводы. Вниманию потребителей предлагаются следующие российские производители солнечных панелей.
Зеленоградская компания ЗАО Телеком-СТВ (Москва и Подмосковье)
Их продукция примерно на 30% дешевле зарубежных аналогов. Панель, мощностью 100 Вт, стоит примерно 6000 рублей, при заявленном КПД 20%. Предприятие специализируется на выпуске монокристаллических панелей.
Рязанский завод металлокерамических приборов (ЗМКП)
Один из популярных в России завод. Основной упор также делается на монокристаллы. Налажен выпуск дополнительного оборудования инверторов, контроллеров и других компонентов. Производятся панели небольшой мощности для зарядки мобильных устройств.
Краснодарский завод Сатурн
В технологиях применяются металлические, струнные, сетчатые и другие типы каркасов. Продукция компании Сатурн отличается высокими эксплуатационными характеристиками не только в обычных условиях, но и в космосе. Предприятие Сатурн выполняет полный цикл работ по проектированию, изготовлению и испытанию солнечных панелей, считается одним из лучших предприятий.
НПП Квант
Специализируются на выпуске солнечных панелей с двухсторонней чувствительностью. Кроме традиционных материалов, используют арсенид галлия. Самой популярной моделью является Квант КСМ-180П, мощностью 185 Вт, с напряжением 36 В. Срок эксплуатации, заявленный изготовителем, составляет 40 лет, ориентировочная стоимость 20000 рублей.