Druhy solárnych batérií: porovnávací prehľad konštrukcií a tipy na výber panelov

Alternatívna energetika sa maximálne rozvíja v Európe, pričom výsledkami ukazuje svoju perspektívnosť. Objavujú sa nové typy solárnych batérií, zvyšuje sa ich účinnosť.

Ak chcete zabezpečiť prevádzku priemyselnej budovy alebo obytného priestoru pomocou slnečnej energie, je potrebné vopred sa oboznámiť s rozdielmi medzi zariadeniami a pochopiť, ktoré solárne panely sú vhodné pre klimatické podmienky konkrétneho regiónu.

Pomôžeme Vám zorientovať sa v tejto otázke. Článok sa zaoberá princípom fungovania fotoelektrických meničov, ponúka prehľad rôznych typov solárnych batérií s uvedením ich charakteristík, výhod a nevýhod. Po oboznámení sa s materiálom budete môcť urobiť správny výber pre nastavenie efektívneho heliosystému.

Princíp fungovania solárnych panelov

Prevažná väčšina solárnych panelov sú vo fyzikálnom zmysle fotoelektrické meniče. Elektrogenerujúci efekt vzniká v mieste polovodičového p-n prechodu.

Práve kremíkové dosky tvoria základ nákladov na solárne panely, avšak pri ich používaní ako nepretržitého zdroja elektriny bude potrebné dodatočne zakúpiť drahé akumulátorové batérie.

Panel sa skladá z dvoch kremíkových dosiek s rôznymi vlastnosťami. Pôsobením svetla v jednej z nich vzniká nedostatok elektrónov a v druhej – ich prebytok. Každá doska má medené prúdové zbernice, ktoré sa pripájajú k meničom napätia.

Priemyselný solárny panel sa skladá z množstva laminovaných fotoelektrických článkov, ktoré sú navzájom spojené a pripevnené na ohybnej alebo pevnej podložke.

Účinnosť zariadenia závisí vo veľkej miere od čistoty kremíka a orientácie jeho kryštálov. Práve tieto parametre sa inžinieri snažia v posledných desaťročiach zlepšiť. Hlavným problémom je pritom vysoká cena procesov, ktoré sú základom čistenia kremíka a usporiadania kryštálov v jednom smere na celej ploche panelu.

Každoročne sa maximálne účinnosti rôznych solárnych panelov zvyšujú, pretože do výskumu nových fotovoltaických materiálov sa investujú miliardy dolárov (+)

Polovodiče fotovoltaických meničov môžu byť vyrobené nielen z kremíka, ale aj z iných materiálov – princíp fungovania batérie sa pri tom nemení.

Typy fotoelektrických meničov

Priemyselné solárne panely sa klasifikujú podľa konštrukčných vlastností a typu pracovnej fotovoltaickej vrstvy.

Rozlišujeme také typy batérií podľa typu zariadenia:

• flexibilné panely;
• tuhé moduly.

Flexibilné tenkovrstvové panely postupne obsadzujú čoraz väčšiu medzeru na trhu vďaka svojej montážnej univerzálnosti, pretože ich možno nainštalovať na väčšinu povrchov s rôznymi architektonickými tvarmi.

Skutočné vlastnosti solárnych panelov sú zvyčajne nižšie, ako je uvedené v návode. Preto je pred ich inštaláciou doma vhodné osobne vidieť podobný realizovaný projekt.

Podľa typu pracovnej fotovoltaickej vrstvy sa solárne batérie delia na tieto druhy:

1. Kremíkové: monokryštalické, polykryštalické, amorfné.
2. Telúr-kadmiové.
3. Na báze selenidu india-mede-gália.
4. Polymérové.
5. Organické.
6. Na báze arzenidu gália.
7. Kombinované a viacvrstvové.

Pre širokého spotrebiteľa nie sú zaujímavé všetky typy solárnych panelov, ale iba prvé dva kryštalické poddruhy.

Hoci niektoré iné typy panelov majú vyššiu účinnosť, kvôli vysokej cene sa nerozšírili.

Kremíkové fotovoltické prvky sú dosť citlivé na zahrievanie. Základná teplota na meranie výroby elektriny je 25°C. Pri jej zvýšení o jeden stupeň klesá účinnosť panelov o 0.45-0.5%.

Ďalej budú podrobne rozobraté slnečné panely, ktoré predstavujú najväčší spotrebiteľský záujem.

Charakteristiky panelov na báze kremíka

Kremík pre solárne batérie sa vyrába z kremenného prášku – rozomletých kryštálov kremenca. Najbohatšie ložiská suroviny sa nachádzajú na Západnej Sibíri a v Strednom Urale, preto sú vyhliadky tohto smeru slnečnej energetiky prakticky neobmedzené.

Už teraz kryštalické a amorfné kremíkové panely zaberajú viac ako 80% trhu. Preto stojí za to preskúmať ich podrobnejšie.

Monokryštalické kremíkové panely

Moderné monokryštalické kremíkové platne (mono-Si) majú jednotnú tmavomodrú farbu po celom povrchu. Na ich výrobu sa používa najčistejší kremík. Monokryštalické fotovoltické články majú spomedzi všetkých kremíkových platní najvyššiu cenu, ale poskytujú aj najlepšiu účinnosť.

Veľké monokryštalické solárne panely s otočnými mechanizmami sa dokonale začleňujú do púštnych krajín. Tam sú zaistené podmienky pre maximálnu výkonnosť.

Vysoká výrobná cena je spôsobená zložitosťou orientácie všetkých kryštálov kremíka v jednom smere. Kvôli týmto fyzikálnym vlastnostiam pracovnej vrstvy je maximálna účinnosť dosiahnutá len pri kolmom dopade slnečných lúčov na povrch platne.

Monokryštalické batérie vyžadujú dodatočné zariadenie, ktoré ich automaticky otáča počas dňa, aby rovina panelov bola čo najviac kolmá na slnečné lúče.

Vrstvy kremíka s jednostranne orientovanými kryštálmi sa vyrezávajú z valcovitej kovovej tyče, preto hotové fotovoltické bloky majú tvar štvorca so zaoblenými rohmi.

Medzi výhody monokryštalických kremíkových batérií patria:

1. Vysoká účinnosť s hodnotou 17 – 25 %.
2. Kompaktnosť – menšia plocha na umiestnenie zariadenia v prepočte na jednotku výkonu v porovnaní s polykryštalickými kremíkovými panelmi.
3. Trvanlivosť – dostatočná účinnosť výroby elektriny je zabezpečená až 25 rokov.

Nedostatkov týchto batérií sú len dva:

1. Vysoká cena a dlhá návratnosť.
2. Citlivosť na znečistenie. Prach rozptyľuje svetlo, preto u slnečných panelov pokrytých ním prudko klesá účinnosť.

Kvôli potrebe priameho slnečného žiarenia sa monokryštalické solárne panely inštalujú hlavne na otvorených priestranstvách alebo vo výške. Čím bližšie je oblasť k rovníku a čím viac slnečných dní má, tým je inštalácia práve tohto typu fotovoltických prvkov vhodnejšia.

Polykryštalické solárne batérie

Polykryštalické kremíkové panely (multi-Si) majú nerovnomerné intenzívne modré sfarbenie v dôsledku rôznorodej orientácie kryštálov. Čistota kremíka použitého pri ich výrobe je o niečo nižšia ako u monokryštalických analógov.

Rôznosmernosť kryštálov zabezpečuje vysokú účinnosť pri rozptýlenom svetle – 12-18%. Je nižšia ako v jednosmerných kryštáloch, ale v podmienkach zamračenej počasia sú takéto panely efektívnejšie.

Nehomogénnosť materiálu vedie aj k zníženiu nákladov na výrobu kremíka. Vyčistený kov pre polykryštalické slnečné panely sa bez zvláštnych trikov leje do foriem.

Pri výrobe sa používajú špeciálne technické postupy na formovanie kryštálov, avšak ich smerovanie nie je kontrolované. Po ochladení sa kremík reže na vrstvy a spracúva sa podľa špeciálneho algoritmu.

Polykryštalické panely nevyžadujú stálu orientáciu smerom k slnku, preto sa na ich umiestnenie aktívne využívajú strechy domov a priemyselných budov.

Cez deň pri ľahkej oblačnosti výhody slnečných panelov z amorfného kremíka nebudú viditeľné, ich prednosti sa prejavia len pri hustých mrakoch alebo v tieni (+)

K prednostiam slnečných batérií s rôznosmernými kryštálmi patrí:

1. Vysoká účinnosť v podmienkach rozptýleného svetla.
2. Možnosť stacionárnej montáže na strechách budov.
3. Nižšia cena v porovnaní s monokryštalickými panelmi.
4. Dĺžka prevádzky – pokles účinnosti po 20 rokoch prevádzky predstavuje len 15-20%.

Nevýhody polykryštalických panelov tiež existujú:

1. Znížená účinnosť s hodnotou 12-18%.
2. Relatívna objemnosť – vyžaduje viac priestoru na inštaláciu v prepočte na jednotku výkonu v porovnaní s monokryštalickými analógmi.

Polykryštalické slnečné panely si získavajú čoraz väčší podiel na trhu medzi ostatnými kremíkovými batériami. To je zabezpečené širokými potenciálnymi možnosťami na zlacnenie ich výrobných nákladov. Každoročne sa zvyšuje aj účinnosť takýchto panelov, ktorá sa rýchlo blíži k 20% u hromadných produktov.

Solárne panely z amorfného kremíka

Mechanizmus výroby slnečných panelov z amorfného kremíka sa zásadne líši od výroby kryštalických fotovoltaických prvkov. Tu sa nepoužíva čistý nekov, ale jeho hydrid, ktorého horúce pary sa usadzujú na substrát.

V dôsledku takejto technológie sa klasické kryštály netvoria a náklady na výrobu prudko klesajú.

Fotovoltaické články z deponovaného amorfného kremíka je možné upevňovať ako na pružnú polymérovú podložku, tak aj na pevný sklenený list.

V súčasnosti už existujú tri generácie panelov z amorfného kremíka, v každej z nich sa výrazne zvyšuje účinnosť. Ak prvé fotovoltické moduly mali účinnosť 4 – 5 %, teraz sa na trhu masovo predávajú modely druhej generácie s účinnosťou 8 – 9 %.

Amorfné panely najnovšieho vývoja majú účinnosť až 12 % a už sa začínajú objavovať v predaji, ale sú zatiaľ ešte dosť drahé.

Vďaka špecifikám tejto výrobnej technológie je možné vytvoriť vrstvu kremíka ako na pevnej, tak aj na pružnej podložke. Z tohto dôvodu sa moduly z amorfného kremíka aktívne používajú v pružných tenkovrstvových solárnych moduloch. Ale varianty s elastickou podložkou stoja oveľa viac.

Fyzikálno-chemická štruktúra amorfného kremíka umožňuje maximálne absorbovať fotóny slabého rozptýleného svetla na generovanie elektrickej energie. Preto sú takéto panely vhodné na použitie v severných oblastiach s veľkými voľnými plochami.

Účinnosť batérií na báze amorfného kremíka neklesá ani pri vysokej teplote, hoci v tomto parametri ustupujú panelom z arzenidu gália.

Pri rovnakej cene zariadenia vykazujú solárne panely z hydridu kremíka vyššiu produktivitu ako ich mono- a polykryštalické analógy (+)

Sumarizujúc, možno uviesť takéto výhody amorfných solárnych panelov:

1. Univerzálnosť – možnosť výroby pružných a tenkých panelov, montáž batérií na akékoľvek architektonické tvary.
2. Vysoká účinnosť pri rozptýlenom svetle.
3. Stabilná prevádzka pri vysokých teplotách.
4. Jednoduchosť a spoľahlivosť konštrukcie. Takéto panely sa prakticky nelámu.
5. Zachovanie prevádzkyschopnosti v náročných podmienkach – menší pokles produktivity pri zaprášení povrchu ako u kryštalických analógov

Životnosť takýchto fotovoltaických prvkov, počnúc druhou generáciou, je 20 – 25 rokov pri poklese výkonu o 15 – 20 %. K nevýhodám panelov z amorfného kremíka možno priradiť iba potrebu väčších plôch na umiestnenie zariadenia požadovaného výkonu.

Prehľad nekremíkových zariadení

Niektoré solárne panely vyrobené s použitím vzácnych a drahých kovov majú účinnosť viac ako 30 %. Sú niekoľkonásobne drahšie ako ich kremíkové analógy, ale napriek tomu obsadili vysokotechnologickú obchodnú niku vďaka svojim zvláštnym charakteristikám.

Solárne panely zo vzácnych kovov

Existuje niekoľko typov solárnych panelov zo vzácnych kovov a nie všetky majú účinnosť vyššiu ako monokryštalické kremíkové moduly.

Avšak schopnosť pracovať v extrémnych podmienkach umožňuje výrobcom takýchto solárnych panelov vyrábať konkurencieschopné produkty a vykonávať ďalší výskum.

Panely z teluridu kadmia sa aktívne používajú pri obklade budov v rovníkových a arabských krajinách, kde sa ich povrch cez deň zahrieva na 70-80 stupňov.

Hlavnými zliatinami používanými na výrobu fotovoltaických prvkov sú telurid kadmia (CdTe), selenid india-meď-gálium (CIGS) a selenid india-meď (CIS).

Kadmium je toxický kov, indium, gálium a telúr sú pomerne vzácne a drahé, preto je hromadná výroba solárnych panelov na ich základe aj teoreticky nemožná.

Účinnosť takýchto panelov je na úrovni 25-35 %, hoci vo výnimočných prípadoch môže dosiahnuť až 40 %. Predtým sa používali hlavne v kozmickom priemysle, ale teraz sa objavil nový sľubný smer.

Vďaka stabilnej prevádzke fotovoltaických prvkov z vzácnych kovov pri teplotách 130-150 °C sa používajú v solárnych tepelných elektrárňach. Pritom sa lúče slnka z desiatok alebo stoviek zrkadiel koncentrujú na malom paneli, ktorý súčasne generuje elektrickú energiu a zabezpečuje prenos tepelnej energie vodnému výmenníku tepla.

V dôsledku ohrevu vody vzniká para, ktorá núti turbínu otáčať sa a generovať elektrickú energiu. Takto sa slnečná energia premieňa na elektrickú súčasne dvoma spôsobmi s maximálnou účinnosťou.

Polymérové a organické analógy

Fotovoltaické moduly na báze organických a polymérových zlúčenín sa začali vyvíjať až v poslednom desaťročí, ale výskumníci už dosiahli významné úspechy. Najväčší pokrok vykazuje európska spoločnosť Heliatek, ktorá už vybavila organickými solárnymi panelmi niekoľko výškových budov.

Hrúbka jej rolkovej fóliovej konštrukcie typu HeliaFilm je len 1 mm.

Pri výrobe polymérových panelov sa používajú látky ako uhlíkové fullereny, ftalocyánin medi, polyfenylén a iné. Účinnosť takýchto fotovoltaických prvkov už dosahuje 14-15 % a výrobné náklady sú niekoľkonásobne nižšie ako pri kryštalických solárnych paneloch.

Akútne stojí otázka doby degradácie organickej pracovnej vrstvy. Zatiaľ nie je možné spoľahlivo potvrdiť úroveň jej účinnosti po niekoľkých rokoch prevádzky.

Výhodami organických solárnych panelov sú:

• možnosť ekologicky bezpečnej likvidácie;
• lacnosť výroby;
• flexibilná konštrukcia.

K nevýhodám takýchto fotovoltaických prvkov možno zaradiť relatívne nízku účinnosť a absenciu spoľahlivých informácií o dobe stabilnej prevádzky panelov. Je možné, že o 5-10 rokov všetky mínusy organických solárnych fotovoltaických prvkov zmiznú a stanú sa vážnymi konkurentmi pre kremíkové platne.

Aký solárny panel si vybrať?

Výber solárnych panelov pre vidiecke domy v zemepisnej šírke 45-60° nie je náročný. Tu stačí zvážiť iba dve možnosti: polykryštalické a monokryštalické kremíkové panely.

Pri nedostatku miesta je lepšie dať prednosť efektívnejším modelom s jednostrannou orientáciou kryštálov, pri neobmedzenej ploche sa odporúča zakúpiť polykryštalické batérie.

Orientovať sa na prognózy analytických spoločností o vývoji trhu solárnych panelov sa neoplatí, veď tie najlepšie vzorky možno ešte neboli vynájdené.

Vyberať konkrétneho výrobcu, požadovaný výkon a dodatočné vybavenie je lepšie za účasti manažérov spoločností, ktoré sa zaoberajú predajom a inštaláciou takéhoto zariadenia. Treba vedieť, že kvalita a cena fotovoltaických modulov u najväčších výrobcov sa líšia len málo.

Treba brať do úvahy, že pri objednávke kompletného vybavenia „na kľúč“ bude cena samotných solárnych panelov tvoriť len 30–40 % z celkovej sumy. Doba návratnosti takýchto projektov je 5–10 rokov a závisí od úrovne spotreby energie a možnosti predaja prebytkov elektriny do mestskej siete.

Niektorí majstri uprednostňujú montáž solárnych batérií vlastnými rukami. Na našej stránke nájdete články s podrobným popisom technológie výroby takýchto panelov, ich pripojenia a vybavenia vykurovacích solárnych systémov.

Odporúčame oboznámiť sa:

1. Ako vyrobiť solárny panel svojpomocne: návod na samostatnú montáž
2. Solárne vykurovacie systémy: rozbor technológií zriadenia vykurovania na báze solárnych systémov
3. Schéma zapojenia solárnych panelov: k regulátoru, k akumulátoru a k obsluhovaným systémom

Závery a užitočné video k téme

Uvedené videá ukazujú fungovanie rôznych solárnych panelov v reálnych podmienkach. Tiež vám pomôžu zorientovať sa v otázkach výberu príslušného vybavenia.

Pravidlá výberu solárnych panelov a príslušného vybavenia:

Druhy solárnych panelov:

Testovanie monokryštalických a polykryštalických panelov:

Pre obyvateľstvo a malé priemyselné objekty zatiaľ neexistuje reálna alternatíva ku kryštalickým kremíkovým panelom. Ale tempo vývoja nových typov solárnych batérií dáva nádej, že slnečná energia sa čoskoro stane hlavným zdrojom elektriny v mnohých vidieckych domoch.

Všetkým záujemcom o problematiku výberu a používania solárnych batérií odporúčame zanechávať komentáre, klásť otázky a zapájať sa do diskusií. Kontaktný formulár sa nachádza v dolnom bloku.