Päikesepatareide liigid: konstruktsioonide võrdlev ülevaade ja nõuanded paneelide valikuks

Alternatiivenergeetika areneb Euroopas maksimaalselt, näidates tulemustega oma perspektiivikust. Ilmuvad uued päikesepatareide tüübid, nende efektiivsus suureneb.

Kui soovite tagada tööstushoone või eluruumi toimimise päikeseenergia abil, tuleb eelnevalt teada seadmete erinevustest, mõista, millised päikesepaneelid sobivad konkreetse piirkonna kliimatingimustega.

Aitame teil selles küsimuses selgust saada. Artiklis käsitletakse fotoelektriliste muundurite tööpõhimõtet, antakse ülevaade erinevatest päikesepatareide tüüpidest koos nende omaduste, eeliste ja puudustega. Materjaliga tutvudes saate teha õige valiku tõhusa päikesesüsteemi rajamiseks.

Päikesepaneelide tööpõhimõte

Valdav osa päikesepaneelidest on füüsikalises mõttes fotoelektrilised muundurid. Elektrigeneratsiooniefekt tekib pooljuhtmaterjali p-n-siirde kohas.

Just räniplaadid moodustavad päikesepaneelide omahinna aluse, kuid nende kasutamisel ööpäevaringse elektriallikana tuleb lisaks osta kulukad akud.

Paneel koosneb kahest erinevate omadustega räniplaadist. Valguse toimel tekib ühes neist elektronide puudujääk, teises aga ülejääk. Igal plaadil on vasest voolujuhtimisribad, mis ühendatakse pingemuunduritega.

Tööstuslik päikesepaneel koosneb paljudest lamineeritud fotoelektrilistest elementidest, mis on omavahel ühendatud ja kinnitatud painduvale või jäigale aluspinnale.

Seadmete efektiivsus sõltub suuresti räni puhtusest ja selle kristallide orientatsioonist. Just neid parameetreid püüavad insenerid viimastel aastakümnetel parandada. Peamine probleem on seejuures protsesside kõrge hind, mis on aluseks räni puhastamisel ja kristallide ühesuunalisel paigutamisel kogu paneeli ulatuses.

Iga-aastaselt erinevate päikesepaneelide maksimaalsed kasutegurid suurenevad, sest uute fotogalvaaniliste materjalide uurimisse investeeritakse miljardeid dollareid (+)

Fotoelektriliste muundurite pooljuhid saab valmistada mitte ainult ränist, vaid ka teistest materjalidest – aku tööpõhimõte seejuures ei muutu.

Fotoelektriliste muundurite tüübid

Tööstuslikud päikesepaneelid klassifitseeritakse nende konstruktsiooniliste omaduste ja töötava fotoelektrilise kihi tüübi järgi.

Seadme tüübi järgi eristatakse järgmisi akutüüpe:

• paindlikud paneelid;
• jäigad moodulid.

Paindlikud õhukeskiledega paneelid hõivavad järk-järgult üha suuremat turunišši tänu oma paigaldusuniversaalsusele, sest neid saab paigaldada enamikule erineva arhitektuurilise vormiga pindadest.

Päikesepaneelide tegelikud omadused on tavaliselt madalamad kui juhendis märgitud. Seetõttu on enne nende koju paigaldamist soovitav ise näha sarnast teostatud projekti.

Päikesepatareid jagunevad töötava fotoelektrilise kihi tüübi järgi järgmisteks liikideks:

1. Ränipõhised: monokristallilised, polükristallilised, amorfsed.
2. Telluur-kadmiumpõhised.
3. Indium-vask-galliumseleniidipõhised.
4. Polümeerpõhised.
5. Orgaanilised.
6. Galliumarseniidipõhised.
7. Kombineeritud ja mitmekihilised.

Laiemale tarbijaskonnale pakuvad huvi mitte kõik päikesepaneelide tüübid, vaid ainult kaks esimest kristallilist alamliiki.

Kuigi mõnel teisel paneelitüübil on suurem kasutegur, ei ole nad kõrge hinna tõttu laialt levinud.

Ränipäikeseelemendid on üsna tundlikud kuumusele. Baastemperatuur elektritootmise mõõtmiseks on 25°C. Selle tõustes ühe kraadi võrra väheneb paneelide efektiivsus 0,45–0,5%.

Järgnevalt käsitletakse üksikasjalikult päikesepaneele, mis pakuvad suurimat tarbijahuvi.

Ränipõhiste paneelide omadused

Räni päikesepatareide jaoks valmistatakse kvartspulbrist – jahvatatud kvartsikristallidest. Rikkalikud toorainevarud asuvad Lääne-Siberis ja Kesk-Uuralis, seega on selle päikeseenergia suuna väljavaated peaaegu piiramatud.

Isegi praegu hõivavad kristallilised ja amorfsed ränipaneelid juba üle 80% turust. Seetõttu tasub neid üksikasjalikumalt käsitleda.

Monokristallilised ränipaneelid

Kaasaegsetel monokristallilistel räniplaatidel (mono-Si) on kogu pinnal ühtlane tumesinine värv. Nende tootmiseks kasutatakse kõige puhtamat räni. Monokristallilised päikeseelemendid on kõigi räniplaatide seas kõrgeima hinnaga, kuid tagavad ka parima kasuteguri.

Suured monokristallilised päikesepaneelid pöördmehhanismidega sobivad ideaalselt kõrbemaastikku. Seal tagatakse tingimused maksimaalseks tootlikkuseks.

Kõrge tootmiskulu tuleneb kõigi ränikristallide ühte suunda orienteerimise keerukusest. Töökihi selliste füüsikaliste omaduste tõttu tagatakse maksimaalne kasutegur ainult siis, kui päikesekiired langevad plaadi pinnale risti.

Monokristallilised akud nõuavad lisavarustust, mis pöörab neid päeva jooksul automaatselt, et paneelide tasapind oleks võimalikult risti päikesekiirtega.

Ühesuunaliselt orienteeritud kristallidega ränikihid lõigatakse silindrilisest metallitükist, seega on valmis fotogalvaanilised plokid ümardatud nurkadega ruudu kujul.

Monokristalliliste räniakude eeliste hulka kuuluvad:

1. Kõrge kasutegur väärtusega 17–25%.
2. Kompaktsus – väiksem seadmete paigutuspind võimsusühiku kohta võrreldes polükristalliliste ränipaneelidega.
3. Vastupidavus – piisav elektritootmise efektiivsus tagatakse kuni 25 aastaks.

Sellistel akudel on ainult kaks puudust:

1. Kõrge hind ja pikk tasuvusaeg.
2. Tundlikkus mustuse suhtes. Tolm hajutab valgust, seega langeb sellega kaetud päikesepaneelide kasutegur järsult.

Otsese päikesevalguse vajaduse tõttu paigaldatakse monokristallilised päikesepaneelid peamiselt avatud aladele või kõrgusele. Mida lähemal on piirkond ekvaatorile ja mida rohkem seal on päikesepaistelisi päevi, seda eelistatum on just seda tüüpi fotogalvaaniliste elementide paigaldamine.

Polükristallilised päikesepatareid

Polükristallilised ränipaneelid (multi-Si) on ebaühtlase intensiivsusega sinise värvusega, mis on tingitud kristallide erinevast orientatsioonist. Nende tootmises kasutatava räni puhtus on mõnevõrra madalam kui monokristallilistel analoogidel.

Kristallide mitmesuunalisus tagab kõrge kasuteguri hajutatud valguse tingimustes – 12–18%. See on madalam kui ühesuunalistel kristallidel, kuid pilvise ilmaga on sellised paneelid efektiivsemad.

Materjali ebaühtlus toob kaasa ka räni tootmise omahinna languse. Puhastatud metall polükristalliliste päikesepaneelide jaoks valatakse ilma eriliste võteteta vormidesse.

Tootmises kasutatakse kristallide moodustamiseks spetsiaalseid tehnilisi võtteid, kuid nende suunda ei kontrollita. Pärast jahtumist lõigatakse räni kihtideks ja töödeldakse spetsiaalse algoritmi järgi.

Polükristallilised paneelid ei vaja pidevat orienteerumist päikese poole, seetõttu kasutatakse nende paigutamiseks aktiivselt majade ja tööstushoonete katuseid.

Päevasel ajal kerge pilvisuse korral ei ole amorfse räni päikesepaneelide eelised märgatavad, nende voorused ilmnevad ainult tihedate pilvede või varju korral (+).

Mitmesuunaliste kristallidega päikesepatareide eelised on järgmised:

1. Kõrge efektiivsus hajutatud valguse tingimustes.
2. Statsionaarse paigalduse võimalus hoonete katustele.
3. Madalam hind võrreldes monokristalliliste paneelidega.
4. Pikk kasutusiga – efektiivsuse langus 20-aastase kasutuse järel on vaid 15–20%.

Polükristallilistel paneelidel on ka puudused:

1. Madalam kasutegur väärtusega 12–18%.
2. Suhteline mahukus – võrreldes monokristalliliste analoogidega on paigaldamiseks vaja rohkem ruumi võimsusühiku kohta.

Polükristallilised päikesepaneelid võidavad üha suuremat turuosa teiste ränipatareide seas. Selle tagavad laialdased võimalused nende tootmiskulude vähendamiseks. Aasta-aastalt kasvab ka selliste paneelide kasutegur, lähenedes kiiresti 20%-le masstoodete puhul.

Amorfsest ränist päikesepaneelid

Amorfsest ränist päikesepaneelide tootmismehhanism erineb põhimõtteliselt kristalliliste fotogalvaaniliste elementide valmistamisest. Siin ei kasutata puhast mittemetalli, vaid selle hüdriidi, mille kuumad aurud settivad aluspinnale.

Sellise tehnoloogia tulemusena klassikalisi kristalle ei teki ja tootmiskulud vähenevad järsult.

Sadestatud amorfse räni fotoelemente saab kinnitada nii paindlikule polümeeralusele kui ka jäigale klaaslehele.

Praeguseks on olemas juba kolm põlvkonda amorfse räni paneele, millest igaühes märgatavalt tõuseb kasutegur. Kui esimeste fotogalvaaniliste moodulite kasutegur oli 4–5%, siis nüüd müüakse massiliselt teise põlvkonna mudeleid, mille kasutegur on 8–9%.

Viimase arenduse amorfsed paneelid on kasuteguriga kuni 12% ja hakkavad juba müügile ilmuma, kuid need on seni veel üsna kallid.

Tänu selle tootmistehnoloogia eripärale saab ränikihti luua nii jäigal kui ka paindlikul alusel. Seetõttu kasutatakse amorfse räni mooduleid aktiivselt paindlikes õhukese kilega päikesemoodulites. Kuid elastse alusega variandid on palju kallimad.

Amorfse räni füüsikalis-keemiline struktuur võimaldab maksimaalselt neelata nõrga hajutatud valguse footoneid elektrienergia tootmiseks. Seetõttu sobivad sellised paneelid hästi kasutamiseks põhjapiirkondades, kus on suured vabad alad.

Amorfsel ränil põhinevate akude kasutegur ei vähene ka kõrgel temperatuuril, kuigi nad jäävad selle parameetri poolest alla galliumarseniidist paneelidele.

Sama varustuse maksumuse juures näitavad ränihüdriidist päikesepaneelid suuremat tootlikkust kui nende mono- ja polükristallilised analoogid (+)

Kokkuvõttes võib välja tuua järgmised amorfsete päikesepaneelide eelised:

1. Mitmekülgsus – võimalus valmistada paindlikke ja õhukesi paneele, akude paigaldamine mis tahes arhitektuurivormidele.
2. Kõrge kasutegur hajutatud valguse korral.
3. Stabiilne töö kõrgetel temperatuuridel.
4. Konstruktsiooni lihtsus ja töökindlus. Sellised paneelid praktiliselt ei purune.
5. Töövõime säilitamine keerulistes tingimustes – väiksem tootlikkuse langus pinna tolmumisel kui kristallilistel analoogidel

Selliste fotogalvaaniliste elementide eluiga alates teisest põlvkonnast on 20–25 aastat, võimsuse langusega 15–20%. Amorfse räni paneelide puudusteks võib pidada ainult suurema pindala vajadust vajaliku võimsusega seadmete paigutamiseks.

Ülevaade ränita seadmetest

Mõned haruldaste ja kallite metallide abil valmistatud päikesepaneelid on kasuteguriga üle 30%. Need on tunduvalt kallimad kui nende ränianaloogid, kuid on siiski hõivanud kõrgtehnoloogilise turuniši tänu oma erilistele omadustele.

Haruldastest metallidest päikesepaneelid

Haruldastest metallidest päikesepaneelide tüüpe on mitu ja mitte kõigil ole nende kasutegur kõrgem kui monokristallilistel ränimoodulitel.

Kuid võime töötada ekstreemsetes tingimustes võimaldab selliste päikesepaneelide tootjatel toota konkurentsivõimelist toodangut ja teha edasisi uuringuid.

Kaadmiumtelluriidist paneelid on aktiivselt kasutusel hoonete katmisel ekvatoriaal- ja Araabiamaades, kus nende pind kuumeneb päeval kuni 70–80 kraadini.

Peamised sulamid, mida kasutatakse fotogalvaaniliste elementide valmistamiseks, on kaadmiumtelluriid (CdTe), indium-vask-galliumseleniid (CIGS) ja indium-vaskseleniid (CIS).

Kaadmium on mürgine metall, indium, gallium ja telluur on aga üsna haruldased ja kallid, mistõttu nende baasil päikesepaneelide masstootmine pole isegi teoreetiliselt võimalik.

Selliste paneelide kasutegur on tasemel 25–35%, kuigi erandjuhtudel võib ulatuda kuni 40%-ni. Varem kasutati neid peamiselt kosmosetööstuses, nüüd on aga tekkinud uus paljutõotav suund.

Haruldastest metallidest fotoelementide stabiilse töö tõttu temperatuuridel 130–150°C kasutatakse neid päikese soojuselektrijaamades. Seejuures koondatakse kümnete või sadade peeglite päikesekiired väikesele paneelile, mis üheaegselt toodab elektrienergiat ja tagab soojusenergia ülekande veesoojusvahetile.

Vee kuumutamise tulemusena tekib aur, mis paneb turbiini pöörlema ja toodab elektrienergiat. Seega muundatakse päikeseenergia elektriliseks üheaegselt kahel viisil maksimaalse efektiivsusega.

Polümeersed ja orgaanilised analoogid

Orgaanilistel ja polümeersetel ühenditel põhinevaid fotogalvaanilisi mooduleid hakati välja töötama alles viimase kümnendi jooksul, kuid teadlased on juba saavutanud märkimisväärseid edusamme. Suurimat edu on näidanud Euroopa ettevõte Heliatek, mis on juba varustanud orgaaniliste päikesepaneelidega mitmeid kõrghooneid.

Tema HeliaFilm tüüpi rullkilekonstruktsiooni paksus on kõigest 1 mm.

Polümeersete paneelide tootmisel kasutatakse selliseid aineid nagu süsinikfulleeenid, vase ftalotsüaniin, polüfenüleen jt. Selliste fotoelementide kasutegur ulatub juba 14–15%-ni ning tootmiskulu on kordades väiksem kui kristallilistel päikesepaneelidel.

Teravalt kerkib küsimus orgaanilise töökihi lagunemise tähtajast. Praegu ei ole võimalik usaldusväärselt kinnitada selle kasuteguri taset pärast mitut aastat kasutamist.

Orgaaniliste päikesepaneelide eelisteks on:

• keskkonnasõbraliku kõrvaldamise võimalus;
• tootmise odavus;
• paindlik konstruktsioon.

Selliste fotoelementide puudusteks võib lugeda suhteliselt madalat kasutegurit ja usaldusväärse teabe puudumist paneelide stabiilse töö perioodide kohta. Võimalik, et 5–10 aasta pärast kaovad orgaaniliste päikesefotoelementide kõik miinused ja neist saavad tõsised konkurendid räniplaatidele.

Millist päikesepaneeli valida?

Päikesepaneelide valik maamajadele laiuskraadidel 45–60° pole keeruline. Siin tasub kaaluda ainult kahte võimalust: polükristall- ja monokristall-ränipaneelid.

Ruumipuuduse korral on parem eelistada tõhusamaid mudeleid ühekülgse kristallorientatsiooniga, piiramatu pinna puhul soovitatakse osta polükristallpatareid.

Analüütiliste ettevõtete päikesepaneelide turu arenguprognoosidele ei tasu loota, sest nende parimad näidised pole võib-olla veel leiutatud.

Konkreetse tootja, nõutava võimsuse ja lisavarustuse valimine on parem teha ettevõtete juhtide abiga, kes tegelevad selliste seadmete müügi ja paigaldusega. Tuleb teada, et suurimate tootjate fotogalvaaniliste moodulite kvaliteet ja hind erinevad vähe.

Tuleb arvestada, et võtmed kätte -seadmekomplekti tellimisel on päikesepaneelide endi maksumus vaid 30–40% kogusummast. Selliste projektide tasuvusaeg on 5–10 aastat ja sõltub energiatarbimise tasemest ning võimalusest müüa elektrienergia ülejääke linnavõrku.

Mõned meistrid eelistavad päikesepatareisid ise kokku panna. Meie veebilehel on artiklid, mis kirjeldavad üksikasjalikult selliste paneelide valmistamise tehnoloogiat, nende ühendamist ja küttepäikesesüsteemide rajamist.

Soovitame tutvuda:

1. Kuidas valmistada päikesepaneel oma kätega: juhend iseseisvaks kokkupanekuks
2. Päikeseküttesüsteemid: heliosüsteemidel põhineva kütte korraldamise tehnoloogiate analüüs
3. Päikesepaneelide ühendusskeem: kontrollerile, akule ja hallatavatele süsteemidele

Järeldused ja kasulik video teemal

Esitatud videod näitavad erinevate päikesepaneelide tööd reaalsetes tingimustes. Samuti aitavad need selgust saada kaasneva varustuse valiku küsimustes.

Päikesepaneelide ja kaasneva varustuse valiku reeglid:

Päikesepaneelide tüübid:

Monokristall- ja polükristallpaneelide testimine:

Elanikkonnale ja väikestele tööstusobjektidele ei ole kristallilistele ränipaneelidele praegu reaalset alternatiivi. Kuid uut tüüpi päikesepatareide väljatöötamise tempo lubab loota, et peagi saab päikeseenergia paljudes maamajades peamiseks elektrienergia allikaks.

Kõigile päikesepatareide valiku ja kasutamise küsimusest huvitatutele pakume võimalust jätta kommentaare, esitada küsimusi ja osaleda aruteludes. Ühenduse võtmise vorm asub alumises plokis.