Vrste sončnih celic: primerjalni pregled konstrukcij in nasveti za izbiro panelov

Alternativna energetika se v Evropi hitro razvija in s svojimi rezultati kaže svojo obetavnost.

Če želite zagotoviti delovanje industrijskega objekta ali stanovanjskega prostora s pomočjo sončne energije, morate predhodno spoznati razlike med opremo in razumeti, kateri sončni paneli so primerni za podnebne razmere določene regije.

Pomagali vam bomo razumeti to vprašanje. V članku je opisan princip delovanja fotovoltaičnih pretvornikov, podan je pregled različnih vrst sončnih baterij z navedbo njihovih značilnosti, prednosti in pomanjkljivosti. Ko se seznanite z gradivom, boste lahko pravilno izbrali za vzpostavitev učinkovitega sončnega sistema.

Princip delovanja sončnih panelov

Velika večina sončnih panelov je v fizičnem smislu fotovoltaičnih pretvornikov. Elektrogeneracijski učinek nastane na mestu polprevodniškega p-n spoja.

Prav silicijeve plošče predstavljajo osnovo lastne cene sončnih panelov, vendar boste pri njihovi uporabi kot vseskozi vir električne energije morali dodatno kupiti drage akumulatorske baterije.

Panel je sestavljen iz dveh silicijevih plošč z različnimi lastnostmi. Pod vplivom svetlobe v eni od njih nastane pomanjkanje elektronov, v drugi pa njihov presežek. Vsaka plošča ima bakrene odvodne trakove, ki so priključeni na napetostne pretvornike.

Industrijski sončni panel je sestavljen iz številnih laminiranih fotovoltaičnih celic, povezanih med seboj in pritrjenih na prožno ali trdno podlago.

Učinkovitost opreme je v veliki meri odvisna od čistosti silicija in orientacije njegovih kristalov. Prav te parametre poskušajo inženirji izboljšati zadnja desetletja. Glavni problem pri tem je visoka cena postopkov, ki so osnova za čiščenje silicija in razporeditev kristalov v eno smer na celotnem panelu.

Letno se največji izkoristki različnih sončnih panel povečujejo, ker se v raziskave novih fotovoltaičnih materialov vlagajo milijarde dolarjev (+)

Polprevodniki fotovoltaičnih pretvornikov so lahko izdelani ne le iz silicija, ampak tudi iz drugih materialov – načelo delovanja baterije se pri tem ne spremeni.

Vrste fotovoltaičnih pretvornikov

Industrijske sončne panele razvrščamo po njihovih konstrukcijskih značilnostih in vrsti delovnega fotovoltaičnega sloja.

Razlikujemo naslednje vrste baterij glede na vrsto naprave:

• fleksibilne panele;
• toge module.

Fleksibilne tankoplastne panele postopoma zasedajo vse večjo nišo na trgu zaradi svoje montažne vsestranskosti, saj jih je mogoče namestiti na večino površin z različnimi arhitekturnimi oblikami.

Dejanske značilnosti sončnih panel so običajno nižje od tistih, navedenih v navodilih. Zato je pred njihovo namestitvijo doma priporočljivo, da si sami ogledate podoben realiziran projekt.

Glede na vrsto delovnega fotovoltaičnega sloja se sončne baterije delijo na naslednje vrste:

1. Silicijeve: monokristalne, polikristalne, amorfne.
2. Telurij-kadmijeve.
3. Na osnovi selenida indija-bakra-galija.
4. Polimerne.
5. Organske.
6. Na osnovi galijevega arzenida.
7. Kombinirane in večplastne.

Zanimanje za širokega potrošnika ne predstavljajo vse vrste sončnih panel, ampak samo prvi dve kristalni podvrsti.

Čeprav imajo nekatere druge vrste panel višje izkoristke, zaradi visoke cene niso dobile široke razširjenosti.

Silikonski fotonapetostni elementi so precej občutljivi na segrevanje. Osnovna temperatura za merjenje proizvodnje elektrike je 25°C. Pri njenem zvišanju za eno stopinjo se učinkovitost panelov zmanjša za 0,45-0,5 %.

V nadaljevanju bodo podrobno obravnavani sončni paneli, ki predstavljajo največje zanimanje potrošnikov.

Značilnosti panelov na osnovi silicija

Silicij za sončne baterije izdelujejo iz kremenčevega prahu – zmletih kristalov kremena. Bogata nahajališča surovin so v Zahodni Sibiriji in Srednjem Uralu, zato so obeti te smeri sončne energije skoraj neomejeni.

Že danes kristalni in amorfni silicijevi paneli zasedajo več kot 80 % trga. Zato jih velja podrobneje pregledati.

Monokristalni silicijevi paneli

Sodobne monokristalne silicijeve plošče (mono-Si) imajo enakomerno temno modro barvo po celotni površini. Za njihovo proizvodnjo se uporablja najčistejši silicij. Monokristalni fotonapetostni elementi med vsemi silicijevimi ploščami imajo najvišjo ceno, vendar zagotavljajo tudi najboljši izkoristek.

Veliki monokristalni sončni paneli z vrtljivimi mehanizmi se idealno vključujejo v puščavske pokrajine. Tam so zagotovljeni pogoji za največjo produktivnost.

Visoki proizvodni stroški so posledica zahtevnosti usmerjanja vseh silicijevih kristalov v eno smer. Zaradi takšnih fizikalnih lastnosti delovne plasti je največji izkoristek zagotovljen le pri pravokotnem vpadu sončnih žarkov na površino plošče.

Monokristalne baterije zahtevajo dodatno opremo, ki jih čez dan samodejno obrača, da je ravnina panelov čim bolj pravokotna na sončne žarke.

Plasti silicija z enostransko usmerjenimi kristali se izrežejo iz cilindričnega kovinskega bloka, zato imajo končni fotonapetostni bloki obliko kvadratov z zaobljenimi vogali.

Med prednosti monokristalnih silicijevih baterij spadajo:

1. Visok izkoristek z vrednostjo 17–25 %.
2. Kompaktnost – manjša površina za namestitev opreme glede na enoto moči v primerjavi s polikristalnimi silicijevimi paneli.
3. Vzdržljivost – zadostna učinkovitost proizvodnje električne energije je zagotovljena do 25 let.

Pomanjkljivosti takšnih baterij sta le dve:

1. Visoka cena in dolga doba povračila.
2. Občutljivost na umazanijo. Prah razprši svetlobo, zato pri sončnih panelih, pokritih z njim, močno pade izkoristek.

Zaradi potrebe po neposredni sončni svetlobi se monokristalni sončni paneli nameščajo predvsem na odprtih območjih ali na višini. Čim bližje je območje ekvatorju in čim več sončnih dni ima, tem bolj je zaželena namestitev prav te vrste fotonapetostnih elementov.

Polikristalne sončne baterije

Polikristalni silicijevi paneli (multi-Si) imajo neenakomerno modro barvo zaradi različne usmerjenosti kristalov. Čistost silicija, uporabljenega pri njihovi proizvodnji, je nekoliko nižja kot pri monokristalnih analogih.

Raznousmerjenost kristalov zagotavlja visok izkoristek pri razpršeni svetlobi – 12–18 %. Ta je nižji kot pri enosmernih kristalih, vendar so takšni paneli v oblačnem vremenu učinkovitejši.

Nehomogenost materiala vodi tudi do znižanja proizvodnih stroškov silicija. Prečiščen metal za polikristalne sončne panele se brez posebnih zapletov vliva v oblike.

Pri proizvodnji se uporabljajo posebne tehnične metode za oblikovanje kristalov, vendar njihova usmerjenost ni nadzorovana. Po ohlajanju silicij narežejo na plasti in obdelajo po posebnem algoritmu.

Polikristalni paneli ne potrebujejo stalne usmeritve proti soncu, zato se za njihovo postavitev aktivno uporabljajo strehe hiš in industrijskih objektov.

Čez dan ob rahli oblačnosti prednosti sončnih panelov iz amorfnega silicija ne bodo opazne, njihove prednosti se pokažejo šele pri gostih oblakih ali v senci (+).

Med prednosti sončnih celic z raznousmerjenimi kristali uvrščamo:

1. Visoka učinkovitost v pogojih razpršene svetlobe.
2. Možnost stacionarne montaže na strehah stavb.
3. Nižja cena v primerjavi z monokristalnimi paneli.
4. Dolgotrajnost delovanja – padec učinkovitosti po 20 letih uporabe znaša le 15–20 %.

Slabosti polikristalnih panelov so tudi naslednje:

1. Nižji izkoristek z vrednostjo 12–18 %.
2. Relativna okornost – potrebno je več prostora za namestitev na enoto moči v primerjavi z monokristalnimi analogi.

Polikristalni sončni paneli osvajajo vedno večji tržni delež med drugimi silicijevimi celicami. To omogočajo široke potencialne možnosti za znižanje stroškov njihove proizvodnje. Letno se povečuje tudi izkoristek takšnih panelov, ki se pri množičnih izdelkih hitro približuje 20 %.

Sončni paneli iz amorfnega silicija

Mehanizem proizvodnje sončnih panelov iz amorfnega silicija se bistveno razlikuje od izdelave kristalnih fotovoltaičnih elementov. Pri tem se ne uporablja čisti nekovinski element, temveč njegov hidrid, katerega vroče pare se usedajo na podlago.

Kot rezultat takšne tehnologije klasični kristali ne nastanejo, stroški proizvodnje pa se močno znižajo.

Fotoelemente iz nanesenega amorfnega silicija je mogoče pritrditi tako na fleksibilno polimerno podlago kot na trdo stekleno ploščo.

Trenutno že obstajajo tri generacije panelov iz amorfnega silicija, pri čemer se pri vsaki opazno povečuje izkoristek. Če so prvi fotonapetostni moduli imeli učinkovitost 4–5%, se zdaj na trgu množično prodajajo modeli druge generacije z izkoristkom 8–9%.

Amorfne plošče zadnjega razvoja imajo učinkovitost do 12% in že začenjajo prihajati v prodajo, vendar so še vedno precej drage.

Zaradi posebnosti te proizvodne tehnologije je mogoče ustvariti plast silicija tako na trdi kot na fleksibilni podlagi. Zaradi tega se moduli iz amorfnega silicija aktivno uporabljajo v fleksibilnih tankoslojnih sončnih modulih. Vendar so različice z elastično podlago precej dražje.

Fizikalno-kemijska struktura amorfnega silicija omogoča maksimalno absorpcijo fotonov šibke razpršene svetlobe za proizvodnjo električne energije. Zato so takšne plošče primerne za uporabo v severnih območjih z velikimi prostimi površinami.

Učinkovitost baterij na osnovi amorfnega silicija se ne zmanjša niti pri visoki temperaturi, čeprav so v tem parametru slabše od panelov iz galijevega arzenida.

Pri enakih stroških opreme sončne plošče iz silicijevega hidrida kažejo večjo zmogljivost kot njihovi mono- in polikristalni analogi (+)

Če povzamemo, lahko navedemo naslednje prednosti amorfnih sončnih panelov:

1. Vsestranskost – možnost izdelave fleksibilnih in tankih panelov, namestitev baterij na poljubne arhitekturne oblike.
2. Visok izkoristek pri razpršeni svetlobi.
3. Stabilno delovanje pri visokih temperaturah.
4. Enostavnost in zanesljivost konstrukcije. Takšni paneli se praktično ne zlomijo.
5. Ohranjanje delovanja v težkih pogojih – manjši padec učinkovitosti ob prašni površini v primerjavi s kristalnimi analogi.

Življenjska doba takšnih fotonapetostnih elementov, začenši z drugo generacijo, znaša 20–25 let pri padcu moči za 15–20%. K slabostim panelov iz amorfnega silicija lahko prištejemo le potrebo po večjih površinah za namestitev opreme zahtevane moči.

Pregled naprav brez silicija

Nekatere sončne plošče, izdelane z uporabo redkih in dragih kovin, imajo izkoristek več kot 30%. So večkrat dražje od svojih silicijevih analogov, vendar so kljub temu zasedle visokotehnološko tržno nišo zaradi svojih posebnih lastnosti.

Sončni paneli iz redkih kovin

Obstaja več tipov sončnih plošč iz redkih kovin in nimajo vse višjega izkoristka kot monokristalni silicijevi moduli.

Vendar zmožnost delovanja v ekstremnih pogojih proizvajalcem takšnih sončnih panelov omogoča, da izdelujejo konkurenčne izdelke in izvajajo nadaljnje raziskave.

Paneli iz kadmijevega telurida se aktivno uporabljajo pri oblaganju stavb v ekvatorialnih in arabskih državah, kjer se njihova površina čez dan segreje do 70-80 stopinj.

Glavne zlitine, ki se uporabljajo za izdelavo fotovoltaičnih elementov, so kadmijev telurid (CdTe), indij-bakrov-galijev selenid (CIGS) in indij-bakrov selenid (CIS).

Kadmij je strupena kovina, indij, galij in telur pa so precej redki in dragi, zato je množična proizvodnja sončnih panelov na njihovi podlagi celo teoretično nemogoča.

Izkoristek takšnih panelov je na ravni 25-35%, čeprav lahko v izjemnih primerih doseže 40%. Prej so jih uporabljali predvsem v vesoljski industriji, zdaj pa se je pojavila nova obetavna smer.

Zaradi stabilnega delovanja fotovoltaičnih elementov iz redkih kovin pri temperaturah 130-150 °C jih uporabljajo v sončnih toplotnih elektrarnah. Pri tem se sončni žarki iz desetin ali stotin zrcal koncentrirajo na majhni paneli, ki hkrati proizvaja električno energijo in zagotavlja prenos toplotne energije na vodni toplotni izmenjevalec.

Zaradi segrevanja vode nastaja para, ki povzroči vrtenje turbine in proizvodnjo električne energije. Tako se sončna energija pretvarja v električno hkrati na dva načina z maksimalno učinkovitostjo.

Polimerni in organski analogi

Fotovoltaične module na osnovi organskih in polimernih spojin so začeli razvijati šele v zadnjem desetletju, vendar so raziskovalci že dosegli pomembne uspehe. Največji napredek kaže evropsko podjetje Heliatek, ki je že opremilo več visokih stavb z organskimi sončnimi paneli.

Debelina njene rolo-folijske konstrukcije tipa HeliaFilm znaša le 1 mm.

Pri proizvodnji polimernih panelov se uporabljajo snovi, kot so ogljikovi fulereni, bakrov ftalocianin, polifenilen in druge. Izkoristek takšnih fotovoltaičnih elementov že dosega 14-15%, stroški proizvodnje pa so večkrat nižji kot pri kristaliničnih sončnih panelih.

Ostro se postavlja vprašanje časa degradacije organskega delovnega sloja. Za zdaj ni mogoče zanesljivo potrditi njegovega izkoristka po več letih delovanja.

Prednosti organskih sončnih panelov so:

• možnost okoljsko varne odstranitve;
• poceni proizvodnja;
• prilagodljiva konstrukcija.

Med pomanjkljivosti takšnih fotovoltaičnih elementov lahko štejemo relativno nizek izkoristek in pomanjkanje zanesljivih informacij o času stabilnega delovanja panelov. Mogoče je, da bodo čez 5-10 let vse slabosti organskih sončnih fotovoltaičnih elementov izginile in bodo postali resni konkurenti silicijevim ploščam.

Kateri sončni panel izbrati?

Izbira sončnih panelov za podeželske hiše na zemljepisni širini 45-60° ni težka. Tu je treba upoštevati le dve možnosti: polikristalna in monokristalna silicijeva panela.

Pri pomanjkanju prostora je bolje dati prednost učinkovitejšim modelom z enostransko orientacijo kristalov, pri neomejenem prostoru pa je priporočljivo kupiti polikristalne baterije.

Ni se vredno ravnati po napovedih analitičnih podjetij o razvoju trga sončnih panelov, saj njihovi najboljši primerki morda še niso izumljeni.

Konkretnega proizvajalca, zahtevano moč in dodatno opremo je bolje izbirati ob sodelovanju menedžerjev podjetij, ki se ukvarjajo s prodajo in namestitvijo takšne opreme. Vedeti morate, da se kakovost in cena fotovoltaičnih modulov pri največjih proizvajalcih malo razlikujeta.

Upoštevati je treba, da bo pri naročilu kompleta opreme »na ključ« cena samih sončnih panelov znašala le 30-40 % celotnega zneska. Čas povrnitve naložbe takšnih projektov znaša 5-10 let in je odvisen od ravni porabe energije ter možnosti prodaje presežkov električne energije v mestno omrežje.

Nekateri mojstri raje sestavljajo sončne baterije sami. Na naši spletni strani so članki s podrobnim opisom tehnologije izdelave takšnih panelov, njihovega priklopa in ureditve ogrevalnih heliosistemov.

Priporočamo vam, da si ogledate:

1. Kako izdelati sončno baterijo z lastnimi rokami: navodila za samostojno montažo
2. Solarni ogrevalni sistemi: analiza tehnologij za ureditev ogrevanja na osnovi heliosistemov
3. Shema priključitve sončnih baterij: na regulator, na akumulator in na servisirane sisteme

Zaključki in koristen video na to temo

Predstavljeni videoposnetki prikazujejo delovanje različnih sončnih panelov v realnih pogojih. Prav tako bodo pomagali razumeti vprašanja izbire spremljevalne opreme.

Pravila izbire sončnih panelov in spremljevalne opreme:

Vrste sončnih panelov:

Testiranje monokristalnega in polikristalnega panela:

Za prebivalstvo in manjše industrijske objekte za zdaj ni resnične alternative kristalnim silicijevim panelom. Toda tempo razvoja novih vrst sončnih baterij nam daje upanje, da bo sončna energija kmalu postala glavni vir električne energije v številnih podeželskih hišah.

Vsem, ki jih zanima izbira in uporaba sončnih baterij, predlagamo, da pustijo komentarje, postavljajo vprašanja in sodelujejo v razpravah. Obrazec za stike se nahaja v spodnjem bloku.