В статье рассмотрено практическое использование моно и поликристаллов кремния при выпуске различных типов современных солнечных батарей, а также отличия этих существующих типов солнечных модулей.
Множество людей на земле до настоящего времени во многом зависят от таких источников энергии как газ, дрова, мазут, керосин и пр. Отсутствие доступа к электрической энергии, у этой части человечества – существенно замедляет их экономическое развитие, а также ведет в большинстве случаев к нанесению большего вреда окружающей среде. Поэтому, внедрение в их жизнь альтернативных источников энергии, таких как ветер, энергия солнечного излучения, энергия водной стихии – для них выгодно, как с экологической, так и моральной и экономической, точек зрения.
Невозобновляемые источники энергии в перспективе развития человечества, по всей видимости уйдут с энергетической арены его обеспечения, а их место займут источники энергии возобновляемой, такие, к примеру, как ветер, вода и энергия солнца. Именно об энергии солнечного излучения и возможности ее использования человеком, мы и поговорим с вами сегодня в нашей статье.
Что собой представляют монокристаллические и поликристаллические фотоэлектрические модули?
В настоящее время из всех типов солнечных батарей, наибольшее распространение среди населения, получили солнечные панели: монокристаллические и поликристаллические, последние из которых часто также называют «мультикристаллическими солнечными панелями».
Конструктивно, монокристаллическая панель состоит из десятков силиконовых фотомодулей, собранных в единую панель. Данные фотоэлектрические элементы, смонтированы в стеклопластиковый, надежный и долговечный корпус, дающий хорошую защиту этим фотомодулям, как от пыли, так и от атмосферной влажности.
Такая панельная конструкция солнечных батарей позволяет эксплуатировать их в разнообразных условиях – как на море, так и на суше. Превращение солнечной световой энергии в солнечных батареях в энергию электрическую, происходит за счет фотоэлектрического эффекта преобразования энергии в самих фотомодулях солнечной панели.
Материалом для изготовления монокристаллических солнечных панелей, является сверх чистый кремний, использующийся также для производства полупроводниковых приборов в радиоэлектронике, и хорошо освоенный современной промышленностью. Стержни кремниевого монокристалла, медленно растут» и вытягиваются из кремниевого расплава, а далее разрезаются на части, с их толщиной 0,2-0,4 мм и уже используются после их последующей обработки, для изготовления фотоэлектрических элементов, входящих в состав солнечных панелей.
Практика использования современных солнечных панелей показала, что уже на протяжении многих лет, одними из наиболее популярных и востребованых в мире – есть солнечные панели монокристаллические. КПД монокристаллических панелей составляет примерно 15-17%.
Когда происходит медленное охлаждение кремниевого расплава, то из него получается поликристаллический кремний, использующийся для изготовления поликристаллических солнечных панелей. В этом случае операция вытягивания кристаллов кремния из расплава полностью опускается, а сам процесс менее трудоемок, нежели при изготовлении монокристаллического кремния, а соответственно и такие солнечные батареи дешевле. Но все-таки, существенным недостатком поликристаллического кремния есть то, что он имеет области с зернистыми границами, которые немного ухудшают его качество.
Рамка поликристаллических солнечных батарей (модулей) изготавливается из алюминия и покрывается специальным антикоррозионным составом, имеющим черный цвет. Высокое качество и долговечность такой конструкции, здесь достигается путем надежного закрепления пленки на обратной стороне каждой рамки и ее плотной герметизации по краям. Все элементы поликристаллической панели солнечной батареи покрываются специальным ламинатом, который устойчив, как к перепадам температур, так и к воздействию снега и дождя.
Дабы ответить на вопрос, что же лучше – «моно» или «поли» кристаллы, а соответственно и типы солнечных батарей, необходимо предварительно разобраться в их отличиях и сходстве.
Основные отличия «моно» и «поли» кристаллических типов солнечных батарей.
1. Основное и главное отличие этих двух типов солнечных батарей состоит в их эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Сегодняшние монокристаллические панели при их серийном производстве – имеют эффективность по преобразованию солнечной энергии максимум до 22%, а используемые в космических технологиях – даже до 38%. Это связано с чистотой сырья монокристаллов кремния, которая в таких батареях – достигает почти 100%.
У серийно выпускаемых поликристаллических панелей – эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую, намного меньше, нежели у монокристаллических панелей, и составляет по максимуму – 18%. Такие низкие показатели по эффективности у данного типа батарей связаны с тем, что для их изготовления, используется не лишь чистый первичный кремний, но и сырье с переработанных солнечных батарей и пр. Здесь также следует понимать, что чем выше у солнечных батарей эффективность по преобразованию солнечного света, тем при одинаковой мощности разных типов батарей – их размер будет меньше.
2. Относительно внешнего вида – отметим следующее. У монокристаллических элементов солнечных панелей – углы скруглены, а поверхность однородна. Округленность их форм связана здесь с тем, что монокристаллический кремний, при его производстве получают в цилиндрических заготовках. Поликристаллические элементы солнечных модулей имеют квадратную форму, поскольку их заготовки при производстве – также квадратной формы. По своей структуре – цвет поликристаллов неоднороден, ибо состав поликристаллического кремния также неоднороден и включает в себя множество разнородного кристаллического кремния, а также в незначительном количестве и примеси.
3. Относительно ценовой политики солнечных модулей, то солнечные батареи из монокристаллического кремния незначительно дороже (примерно на 10%), нежели цена солнечных батарей из поликристаллического кремния – если брать, конечно же, в пересчете на единицу их мощности. Как, наверное, вы уже поняли, большая цена монокристаллических солнечных батарей, в первую очередь связана с более дорогостоящим процессом изготовления и очистки исходного монокристаллического кремния.
Подводя небольшой итог сказанному, можно предположить, что основные параметры по которым мы подбираем себе солнечные батареи для нашей солнечной электростанции, к примеру, для загородного дома – от типа применяемых в них фотоэлектрических элементов, не зависят. Если мы хотим более экономный вариант исполнения, то наш выбор падет на поликристаллические солнечные модули – которые при той же мощности, будут немного больше по площади, нежели модули монокристаллические, но зато немного их дешевле. Цвет же самой поверхности солнечных панелей, роли вообще никакой не играет при их выборе, учтите это!
Скажем еще пару слов относительно использования солнечных батарей в мире по их типам. На первом месте здесь с объемом рынка продаж в 52,9%, стоят более дешевые, поликристаллические солнечные панели. Второе место по праву, относительно продаж, принадлежит панелям из монокристаллического кремния, которых на рынке примерно 33,2%. Третье же место по продажам – за аморфными и прочими солнечными батареями, с их соотношением к общему рынку продаж в 13,9% (их мы в статье не рассматривали).
При выборе модуля часто задается вопрос: какая солнечная батарея лучше – монокристаллическая или поликристаллическая, а может аморфная? Ведь они самые распространенные в наш век. Чтобы найти ответ, было проведено множество исследований. Рассмотрим, что же показали результаты:
КПД и срок службы
Монокристаллические элементы имеют КПД около 17-22%, сроки их службы не менее 25 лет. Эффективность поликристаллических может достигать 12-18%, служат они тоже не менее 25 лет. КПД аморфных составляет 6-8% и снижается гораздо быстрее кристаллических, работают они не более 10 лет.
Температурный коэффициент
В реальных условиях использования солнечные батареи нагревается, что приводит к снижению номинальной мощности на 15-25%. Средний температурный коэффициент для поли и моно составляет -0,45%, аморфного -0,19%. Это значит, что при повышении температуры на 1°C от стандартных условий кристаллические батареи будут менее производительными, чем аморфные.
Потеря эффективности
Деградация солнечных монокристаллических и поликристаллических модулей зависит от качества исходных элементов – чем больше в них бора и кислорода, тем быстрее снижается КПД. В поликремниевых пластинах меньше кислорода, в монокремниевых – бора. Поэтому при равных качествах материала и условий использования особой разницы между степенью деградации тех и других модулей нет, в среднем она составляет около 1% в год. В производстве аморфных батарей используется гидрогенизированный кремний. Содержанием водорода обусловлена его более быстрая деградация. Так, кристаллические деградируют на 20% через 25 лет эксплуатации, аморфные быстрее в 2-3 раза. Однако некачественные модели могут потерять эффективность на 20% уже в первый год использования. Это стоит учесть при покупке.
Стоимость
Тут превосходство полностью на стороне аморфных модулей – их цена ниже, чем кристаллических, из-за более дешевого производства. Второе место занимают поли, моно же самые дорогие.
Размеры и площадь установки
Монокристаллические батареи более компактны. Для создания массива требуемой мощностью понадобится меньшее количество панелей по сравнению с другими видами. Так что при установке они займут немного меньше места. Но прогресс не стоит на месте, и по соотношению мощность/площадь поликристаллические модули уже догоняют моно. Аморфные же пока отстают от них – для их установки понадобится в 2,5 раза больше места.
Светочувствительность
Здесь лидируют аморфно-кремниевые модули. У них лучший коэффициент преобразования солнечной энергии из-за водорода в составе элемента. Поэтому они, по сравнению с кристаллическими, в условиях слабой освещенности работают эффективнее. Моно и поли, при плохом освещении работают примерно одинаково – значительно реагируют на изменение интенсивности света.
Годовая выработка
В результате тестирования модулей разных производителей было установлено, что монокристаллические за год вырабатывают больше электроэнергии, чем поликристаллические. А те в свою очередь производительнее, чем аморфные, несмотря на то, что последние вырабатывают энергию и при слабой освещенности.
Можно сделать вывод, что солнечные батареи моно и поли имеют небольшие, но важные различия. Хотя mono все-таки эффективнее и отдача от них больше, но poly все равно будут пользоваться большей популярностью. Правда, это зависит от качества продукции. Тем не менее, большинство крупных солнечных электростанций собраны на базе полимодулей. Связано это с тем, что инвесторы смотрят на общую стоимость проекта и сроки окупаемости, а не на максимальную эффективность и долговечность.
Теперь об аморфных батареях. Начнем с преимуществ: метод их изготовления самый простой и малобюджетный, потому что не требуется резка и обработка кремния. Это отражается в невысокой стоимости конечной продукции. Они неприхотливы – их можно установить куда угодно, и не привередливы – пыль и пасмурная погода им не страшны.
Однако у аморфных модулей есть и недостатки, перекрывающие их достоинства: по сравнению с вышеописанными видами, у них самый низкий КПД, они быстро портятся – эффективность снижается на 40% менее чем за 10 лет, и требуют много места для установки.
При выборе солнечного модуля потребитель часто сталкивается с вопросом, какой модуль выбрать, монокристаллический или поликристаллический? На сегодняшний момент проведено не мало тестов относительно данного вопроса, по результатам которых получены следующие результаты:
После таких результатов можно было бы однозначно сказать, что моно генерирует больше, чем поли в любых условиях, однако не все так просто. Ниже представлен тест солнечных модулей от различных производителей.
Как видно из результатов, поликристаллический модуль REC мощностью 230 Вт продемонстрировал наилучший результат, но обратите внимание, что модули из монокристаллического кремния от производителей CH Solar, CSG PVtech при мощности в 180 Ватт, что на 30% меньше, чем у победителя теста REC 230 Вт Поли, генерируют всего на 1-1,5% меньше энергии. Также обратите внимание, что монокристаллический модуль мощностью 230 Вт от производителя Solar World сгенерировал меньше энергии, чем 180 Вт монокристаллические модули CH Solar, CSG PVtech. В данном тесте Вы можете увидеть насколько падает выработка солнечных модулей с течением времени, модули установленные в 2005 году генерируют значительно меньше, чем модули установленные в 2009 и 2010 году. Основываясь на реальных тестах всемирно известной лаборатории PHOTON нельзя сказать однозначно, какая из технологий лучше. По результатам совершенно очевидно, что суммарная выработка поликристаллических модулей не выше, чем у монокристаллических. Многое зависит от качества солнечных элементов и их фоточувствительности, а также качества сборки и пайки. Особое внимание здесь следует уделить качеству солнечных элементов, а точнее их шунтовому сопротивлению. На данную тему известные европейские компании Q-cells, Solon и Ersol провели исследование , которые показали значительную зависимость между внутренним сопротивлением в солнечных элементах модуля и годовой выработки электроэнергии. Шунтовое сопротивление Rsh солнечных элементов зависит от качества исходного сырья (кремния).
Важно, что Rsh имеет нелинейную зависимость от выработки. При Rsh 2-10 ohm выработка при низкой освещенности минимальна, и в тоже время разницы между Rsh 30 и 200 практически нет. Именно шунтовое сопротивление является основным фактором эффективной выработки энергии модулем в пасмурную погоду, все остальные разговоры о том, что поли лучше моно и наоборот не имеют под собой оснований и являются доводами псевдо инженеров.
По состоянию на 2014 год, более 60% сетевых станций собраны на основе поликристаллических солнечных модулей. Этот факт обосновывается тем, что инвесторы в первую очередь смотрят на общую стоимость проекта и сроки окупаемости, а не на максимальные показатели эффективности станций. При этом доля монокристаллических модулей плавно растет.
Качественный монокристаллический модуль, как правило более эффективен и выдает больше мощности при тех же размерах, но поликристалические модули изготовленные по стандартной технологии всегда дешевле. Выбор всегда остается за Вами.