Поколения солнечных батарей


Гелиоэнергетика еще очень молодая. Ей нет еще и семидесяти лет. Первые солнечные батареи были изготовлены на основе полупроводниковых диодов из кремния. Как это не удивительно, даже атомные станции построили раньше, не говоря уже о тепловых или использующих силу воды или ветра. Самые «древние» солнечные батареи представляли собой громоздкие металлические ящики, закрытые с одной стороны стеклом. Для прочности конструкции перпендикулярно длине были размещены покрытые светоотражающим материалом ребра жесткости, которые в электрической схеме выполняли роль положительного электрода. Рабочая поверхность изготавливалась из кремния двух типов – электронного и дырочного. Солнечный свет, подходя к границе соприкосновения двух разных материалов, создавал разность потенциалов, то есть электрическое напряжение. Роль отрицательного электрода выполнял металлический лист под первым слоем кремния. Первые солнечные элементы производили постоянный ток напряжением в пять десятых Вольта.

Совершенствование солнечных батарей шло по 3 направлениям:

  • улучшение характеристик фотоэлементов;
  • применение автоматических систем разворота панелей;
  • решение проблемы охлаждения рабочей поверхности.

В каждой из перечисленных областей сменилось уже несколько поколений воплощенных инженерных решений, причем у разных производителей определенные модели могли сочетать «продвинутый» привод разворота и примитивный фотоэлемент или отличный полихромный кремневый диод и «слабую» систему охлаждения.

Рост эффективности фотоэлементов

Сегодня рынок предлагает для массового потребителя модели солнечных батарей с коэффициентом полезного действия в 3 раза превышающим показатели сорокалетней давности. Это подтверждает значительные успехи в совершенствовании используемых фотоэлементов. В начале двухтысячных годов на мировом рынке появились тонкопленочные многослойные панели, эффективность которых превышала 20%.

Требование рынка получить дешевый материал для фотоэлементов способствовало появлению массового производства панелей из поликристаллического кремния. По показателям эффективности это был явный шаг назад, однако низкая себестоимость таких элементов делает их востребованными по сей день. Кроме того, этот вид панелей более восприимчив к рассеянному солнечному свету. Такое качество позволяет применять батареи из поликристаллического кремния в местности, где часто пасмурно.

Спрос на солнечные батареи, которые можно смонтировать на неровной поверхности без разрушения структуры, породил целый класс изделий, которые принято называть гибкими панелями. Производят их на современных роботизированных линиях путем последовательного нанесения двух полупроводников и защитного слоя на сверхпрочную пленку.

Новинкой на сегодняшний день является солнечная панель, которая использует фотоэлементы, где нижним электронным слоем выступает традиционный кремний, а «дырочным» - минерал, названный в честь русского геолога и коллекционера Перовского. Титанат кальция обладает более высокой пропускной способностью для фотонов, поэтому солнечные батареи с ним лучше работают зимой и в пасмурную погоду. Производство перовскита в несколько раз дешевле получения пластин из кремния, что открывает новые перспективы в удешевлении солнечной энергии для массового потребителя. Большой прогресс достигнут также в напылении различных покрытий на первый слоя полупроводника.

Совершенствование поворотных устройств – трекеров

Одна из главных проблем в разработке солнечных батарей связана с постоянным движением Солнца по небосклону. Как спроектировать систему, которая бы постоянно поворачивала рабочую поверхность под нужным углом и при этом стоила недорого?

Максимальные показатели достижимы только при строго перпендикулярном расположении по отношению к солнечным лучам. При повороте на 45 градусов эффективность работы панели падает на одну треть. Самой совершенной представляется система с электронными датчиками, которая отслеживает положение Солнца в течение дня и по временам года, и разворачивает панель в трех плоскостях при помощи электроприводов. К этому идеалу инженеры стремятся уже 50 лет. С точки зрения механики проблем нет, но если доля трекеров в структуре себестоимости товара превышает 30% - это сводит к нулю возможность конкуренции с другими производителями.

Дополнительные трудности создает ветровая нагрузка. Солнечные батареи размещаются обычно на открытой местности или на крышах домов, и в силу конструктивных особенностей имеют большую парусность. Для борьбы с ветром приходится жертвовать коэффициентом полезного действия и предусматривать жесткое крепление без поворотных механизмов либо монтировать различные варианты перевода панелей в аварийное положение. На сегодняшний день компромиссным и доступным вариантом является панель, которая поворачивается в одной плоскости при помощи электродвигателя.

Эволюция систем охлаждения

Каждые 2 градуса повышения температуры рабочей поверхности солнечной батареи сулят уменьшение ее эффективности на 1 процент. Задача инженеров – не допустить перегрева полупроводниковых пластин, но при этом добиться максимального «потребления» солнечного света.

Первое решение этой проблемы лежало на поверхности. Подвести воду к нижней поверхности подложки полупроводника и отбирать тепло также, как это происходит в двигателе внутреннего сгорания автомобиля. Однако есть одно существенное отличие: солнечная батарея с жидкостным охлаждением не имеет радиатора с вентиляторами. Теплая вода используется для бытовых нужд.

Солнечные батареи последнего поколения

В одной из новых разработок ученых из Калифорнии проблема перегрева пластин полностью снимается с повестки дня. Изобретатели решили не охлаждать полупроводники, а не допускать повышения их температуры. Путь инфракрасному излучению преграждает кварцевое стекло толщиной в несколько микрон, отформованное в виде цепочки тысяч маленьких пирамид. Через эту преграду легко проходят фотоны света, которые «бьют» по электронам двухслойной поверхности, вызывая их отрыв, и возникновение электрического напряжения. В солнечных батареях нового поколения обязательно будут реализованы решения, основанные на отличии в способности к преломлению у волн разной длины.

Одним из перспективных направлений развития альтернативной энергетики является соединение в рамках одного устройства фотоэлементов и полимерных пленок, которые способны вырабатывать электричество при нагревании. Главным недостатком подобного оборудования, предлагаемого сегодня на рынке, является высокая цена. Прирост по энергии не превышает 25%, а себестоимость увеличивается на 50%. Потребителями гибридных панелей могут стать горожане, у которых ограничено место под размещение солнечных батарей, что стимулирует их готовность платить за любой прирост КПД.

Самым последним поколением солнечных батарей принято считать устройства, появившиеся в 2016 году на рынке. Это полупроводники, заключенные во влагозащищенный прочный корпус в виде конуса. Каждый фотоэлемент «обслуживается» несколькими линзами, через которые направляется свет. Охлаждение достигается за счет вращения вокруг своей оси на сложной системе, использующей магниты. Автономный датчик «следит» за положением Солнца и передает данные в управляющий блок, который дает команду на разворот плоскости с фотоэлементами, регулирует положение линз, следит за температурой рабочей поверхности. Каждый узел системы представляет собой независимую станцию по выработке электричества, а вариативность их подключения дает возможность регулировать напряжение и силу тока. Кроме футуристического внешнего вида конусные батареи имеют 2 преимущества: не требуют много места для размещения и легко монтируются. Недостатком является высокая цена, по которой эти установки предлагаются потребителям. В рекламных буклетах производителей утверждается, что при выходе на объем производства продукции, превышающий в натуральном выражении 10000000 штук, стоимость выработки 1 кВт электроэнергии приблизится к десяти центам.

Несмотря на множество интересных разработок, приходиться констатировать, что прогресс в области совершенствования солнечных батарей идет достаточно медленно по сравнению, например, со средствами связи или компьютерной техникой. Отражением данного факта является достаточно высокая цена панелей и долгий срок окупаемости бытовых электростанций.


Написать отзыв

Внимание: HTML не поддерживается! Используйте обычный текст.
    Плохо           Хорошо