Солнечные батареи: типы элементов, портативные зарядки и опыт сборки

Типы фотоэлектрических элементов

Солнечные элементы делятся на три основных типа, каждый из которых обладает специфическими характеристиками:

• Кристаллический кремний (single-crystalline silicon). КПД составляет от 9% до 14%, процесс деградации («выгорания») достигает примерно 5% за 10 лет. Элементы крайне хрупкие и требуют механической защиты. Спектр поглощения смещен ближе к красному. Большинство порезанных пластин на потребительском рынке относится ко «второму классу» выбраковки, уступая по КПД промышленным поставкам.
• Аморфный кремний (poly-crystalline silicon). КПД находится в пределах 6–8%, деградация составляет около 5% за 4 года эксплуатации. Напряжение единичного элемента примерно в три раза выше, чем у кристаллического, но из-за меньшего КПД требуется большая площадь. Изделия устойчивы к механическим воздействиям, а рабочий спектр сдвинут в сторону ультрафиолета.
• Тонкопленочные элементы (CIGS — CuInGaSe2). Не подвержены деградации от солнца, легкие и переносят экстремальные нагрузки. Изготавливаются вакуумным осаждением (КПД достигает 19%) либо нанесением спецсоставов методом «печати». Добавка галлия расширяет рабочий спектр.

Портативные солнечные зарядные устройства

Для обеспечения энергией носимой электроники применяются компактные панели и гибридные устройства со встроенными накопителями:

• Унификация под формат АА. Рассматриваются варианты вроде BICO-588S (панель 9 В / 240 мА, выходной ток 5,5 В / до 600 мА, вес 171 г), заряжающие три пальчиковых аккумулятора емкостью 2000 мА·ч примерно за 10 часов.
• Панели прямого заряда (SunCharger). Модель SC-11/12 выдает 11 Вт (рабочее напряжение 12 В, ток 1 А, вес 600 г, габариты в раскрытом виде 630х350х6 мм). На практике модель SC-15/12 при прямом подключении кассеты на 8 аккумуляторов АА (2700 мА·ч) на ярком солнце полностью заряжает комплект за 3 часа, выдавая без нагрузки до 16 В.
• Моноблочные гибриды (power bank с панелью). Устройства типа SBC05 с интегрированным аккумулятором заряжают за ночь 2–3 телефона, однако имеют уязвимые крепления и требуют осторожности из-за негерметичности корпуса и портов.
• При выборе панелей рекомендуется ориентироваться на рабочее напряжение не ниже 12 В, так как меньшие значения неэффективны для универсальных задач.

Самостоятельная сборка панелей из комплектующих

Сборка панели своими руками позволяет существенно снизить затраты мощности . На практике проверена сборка на элементах Evergreen из поликристаллического кремния (заявленный КПД 10–12%):

• Характеристики сборки: напряжение холостого хода — 17,3 В, ток короткого замыкания — 3,65 А. Под нагрузкой 5 Ом батарея отдает 3,3 А при 17 В. При прямом подключении автомобильного 12 В аккумулятора напряжение просаживается до 12,8 В при токе зарядки 3,5 А (около 16 Вт рассеивается в тепло на самих элементах) .
• Технология монтажа: дорожки фиксируются каплями припоя, элементы пропаиваются в гирлянды, монтируются в корпус и закрываются стеклом , , , .

При кустарной сборке необходимо учитывать ряд правил:

1. Все кремниевые пластины требуется предварительно замерять на разброс по току (он может достигать 80%) и группировать одинаковые, иначе вся гирлянда будет работать по худшему элементу.

2. Для герметизации лучше использовать нейтральный силикон или составы на основе латекса (кислотные герметики повреждают контакты).

3. Внешняя защита требует прочного стекла (например, карбамидного или закаленного) для защиты от града.

Кустарные методы и преобразование напряжения

Идеи собирать фотобатареи из старых выпаянных диодов или кремниевых транзисторов признаны нерациональными: микроскопическая площадь кристаллов требует распайки сотен деталей, а отсутствие заводской вакуумной герметизации приводит к быстрой деградации от влаги и статики за несколько месяцев.

В лабораторных условиях демонстрируется фотоэффект на базе пластин из меди

. Медь обжигается на электроплитке мощностью не менее 1100 Вт до образования оксидного слоя

, после чего черный налет осыпается, оставляя закись меди

. Помещенная в банку с солевым раствором пара пластин способна генерировать микроамперные токи при освещении

Для согласования низковольтных панелей (например, 5 В) с 12-вольтовыми нагрузками используются импульсные повышающие DC-DC преобразователи, работающие по принципу накопления энергии в дросселе (индуктивности) с последующей отдачей повышенного напряжения через диод в накопительный конденсатор

Солнечная генерация в сравнении с ветряками и топливными генераторами

Попытки полностью запитать загородный дом от фотопанелей (насос отопления, морозильник, скважинный насос на 1,1 кВт, базовое освещение) упираются в колоссальную стоимость оборудования и низкую инсоляцию в зимний период в средней полосе и на Урале.

В условиях задымленности, смога или плотной облачности производительность фотоэлементов резко падает. Ветрогенераторы могут обойтись дешевле по стоимости за ватт при наличии стабильного ветра, однако требуют монтажа высоких мачт и строгого соблюдения ветрового режима. Для критических ситуаций надежной альтернативой или дополнением солнечной энергетике по-прежнему остаются традиционные дизельные или бензиновые генераторы.