Гнучка сонячна батарея

01.08.2014

Гибкие солнечные батареи
(на русском языке)

Сонячна енергетика займає малий відсоток від загального обсягу вироблення електроенергії, але це вже не далеке майбутнє, а реальна сучасність. Хоча досі сонячні батареї мають таку високу вартість, яка не виправдовує себе за весь час їх експлуатації, сонячні батареї стали найбільш розповсюдженими пристроями для перетворення сонячної енергії в електричну. Реального ККД сонячної батареї важко назвати високим. У лабораторних умовах найвищий результат - 32%. В реальних умовах важко дотягнути до 20%. Нижче приведено таблицю максимальних ККД доступних на цей час типів сонячних батарей. Дані отримані у лабораторних умовах:

Тип	Коефіцієнт фотоелектричного перетворення, %
Кремнієві
Si (кристалічний)	24,7
Si (полікристалічний)	20,3
Si (тонко плівкова передача)	16,6
Si (тонко плівковий субмодуль)	10,4
III-V
GaAs (кристалічний)	25,1
GaAs ((тонкоплівковий)	24,5
GaAs (полікристалічний)	18,2
InP (кристалічний)	21,9
Тонкі плівки халькогенідів
CIGS (фотоелемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоелемент)	16,5
Аморфний/Нанокристалічний кремній
Si (аморфний)	9,5
Si (нанокристалічний)	10,1
Фотохімічні
На базі органічних барвників	10,4
На базі органічних барвників (субмодуль)	7,9
Органічні
Органічний полімер	5,15
Багатошарові
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaInP/GaAs	30,3
GaAs/CIS (тонкоплівковий)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

Незважаючи на невисокий ККД, сонячні батареї є більш популярними, ніж системи з концентраторами сонячної енергії. В таких системах робоче тіло (рідину або газ) нагрівають за допомогою сонячного концентратора. Потім накопичену теплову енергію перетворюють на електричну, як на звичайних теплових електростанціях. Інколи для обертання генератора використовують двигун стерлінга, який працює на сонячній енергії.

Сонячні батареї мають деякі переваги, які забезпечили їм популярність незважаючи на чималу ціну:

• відсутність рухомих частин. Це спрощує монтаж та обслуговування. Це дуже важливо при використанні у житлових будинках, де наявність шуму може дратувати мешканців;
• не обов’язкове чітке орієнтування на сонце. Сонячна батарея працює навіть коли промені сонця падають під гострим кутом, хоч зрозуміло, що це знижує ефективність. Чого не скажеш про сонячні концентратори. Навіть невелике відхилення від оптимального положення до сонця, знижує потужність концентратора практично до нуля;
• сонячна батарея працює при розсіяному освітленні, наприклад при хмарній погоді. Так, ефективність сонячних батарей буде нижча, але вона хоча б щось буде генерувати, на відміну від сонячних концентраторів, які працюють лише при наявності прямих сонячних променів.

Тестування гнучкої сонячної батареї

Перейдемо від теорії до експериментів. Я замовив для іспитів гнучку сонячну батарею у http://plasticphotovoltaics.org/. До речі, безкоштовно. Її навіть не пакували. Наклеїли адресу і відправили звичайною поштою. Це дійсно надгнучка плівкова сонячна батарея. Таку батарею можна згорнути у рулон і транспортувати у тубусі. Вона не боїться ударів та деформації. Оскільки це тонка і майже прозора плівка її можна наклеїти на вікна, стіни, тощо. А плівкова технологія дозволяє значно зменшити вагу, вартість сонячних батарей та їх транспортування і монтаж.

Але щодо ефективності таких батарей? Як і очікувалось, плівкова технологія не може забезпечити вищої ефективності за кристалічні та полікристалічні батареї. Для порівняння я взяв кристалічну та нашу піддослідну надгнучку плівкову сонячну батарею.

Експерименти показали наступні результати:

	Кристалічна	Плівкова
Напруга холостого ходу, B	2.22	8.14
Струм короткого замикання, мА	24.2	7.15
Довжина, мм	40	100
Ширина, мм	40	80
Площа, cm2	16	80

При навантаженні загрузкою 12 Ом такі данні:

	Кристалічна	Плівкова
Напруга, В	0.2	0.082
Струм, мА	23	6.8

Перше, що спадає на думку, коли в руках тримаєте сонячну батарею, це приєднати до неї щось, що візуально підтвердить роботу батареї. Я підключив звичайний колекторний мікродвигун. Кристалічна батарея при досить гарному освітленні обертала його. Плівкова не змогла зрушити мікродвигуна з місця. Це не відображує реальну потужність сонячних батарей. Насправді, максимальна потужність конкретної моделі сонячної батареї досягається при певному, оптимальному навантаженні.

У наступному експерименті я міняв опір навантаження, при цьому вимірював напругу і струм. По отриманим даним створив графіки для обох сонячних батарей, які відображують їх потужність в залежності від навантаження.

Приблизні графіки такі:

Я назвав графіки приблизними, оскільки освітлення було не максимальним. Однак, головна мета не вияснити абсолютні значення, а показати, що ефективність використання сонячних батарей також залежить від їх правильного підбору до навантаження.

З отриманих даних з’ясувалося, що максимальна потужність цих двох сонячних батарей приблизно однакова, але досягається при різних навантаженнях. Кристалічна батарея більш ефективна за плівкову при більших струмах. Зверніть увагу на розміри цих двох батарей. Площа плівкової сонячної батареї в 5 разів більша за кристалічну, при майже однаковій потужності. Але вага плівкової батареї значно нижча.

Отже, можна сказати, що ефективність плівкових батарей в рази нижча, що є логічним і очікуваним результатом. Але, якщо ціна їх буде нижча у 5-6 разів за кристалічні, це може викликати невеличкий бум. Сподіваюсь, хоча б у сфері надлегких, мобільних, розкладних автономних сонячних міні станцій, наприклад для туристів. Також, використання плівкової технології дозволить створювати, наприклад, наліпки на стекла, які одночасно будуть захищати приміщення від зайвого сонячного світла, та одночасно заряджати Ваш мобільний, тощо. Наднизька вага таких батарей може розширити їх використання у мініатюрних рішеннях. Гнучкість таких батарей може дозволити монтувати їх у одяг, чи будь які інші речі.

Успіхів!

Дивись також:

• Солнечный тепловой концентратор. Солнечная энергетика. Часть 1
• Сонячний тепловий концентратор. Сонячна енергетика. Частина 2
• Двигун Стірлінга на сонячній енергії
• Solar tracker - Система орієнтування на Сонце