Элементы солнечной батареи: Солнечные элементы • Ваш Солнечный Дом

Солнечные элементы • Ваш Солнечный Дом

Структура солнечного элемента

• 1 Структура солнечного элемента
• 2 Типы солнечных элементов
• 3 Размеры фотоэлектрических элементов
• 4 Пиковый ватт
• 5 Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей
• 6 Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO₂), также известного под именем «кварцит».

Другая область применения кремния — электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Структура солнечного элемента из кремния 1. свет (фотоны)   2. лицевой контакт  3. отрицательный слой 4. переходной слой  5. положительный слой  6. задний контакт

Прежде всего , в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок. Различают солнечные элементы с переходом p- и n-типа. Первые дешевле и более распространены в настоящее время. Вторые немного дороже, но имеют большую эффективность, и применяются в  солнечных элементах нового типа (например, PERC)

Типы солнечных элементов

Кремниевые солнечные элементы могут быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Есть также гетероструктурные элементы, которые совмещают в себе кристаллический и аморфный солнечные элементы (см. ниже). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют КПД выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза. Одной из последних технологий солнечных модулей из аморфного кремния являются тандемные солнечные модули, которые имеют повышенных КПД.

Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента. В России такие солнечные элементы выпускает завод Хевел.

Производителя солнечных элементов постоянно усовершенствуют их, что приводит к повышению их КПД и выработки электроэнергии на пиковый ватт. Современные технологии солнечных элементов и модулей описаны в нашей статье «Современные солнечные элементы и модули«. Сейчас применяются  PERC, HJT, IBC, Bi-facial, TopCon и другие новые многообещающие технологии для кристаллических кремниевых элементов, которые позволили достичь КПД в солнечном элементе 25 и более процентов (см. карту КПД СЭ справа).

На рисунке приведен график изменения КПД солнечных элементов за последние десятилетия. Как видим, в лабораториях уже получены результаты, приближающиеся к 45%. Конечно, до массового коммерческого использования такие технологии дойдут еще не скоро, но работа по удешевлению изготовления солнечных элементов постоянно ведется во всем мире. Как видно, максимальный КПД получают на многопереходных элементах и концентрированном освещении.

Размеры фотоэлектрических элементов

Тенденция при производстве солнечных элементов — это увеличение их размера. Большие пластины позволяют снизить удельную стоимость пикового ватта солнечного элемента. В настоящее время применяются в основном пластины размером 156 и более мм.

Чем больше размер, тем выше мощность и ниже стоимость, поэтому кремниевая промышленность продолжает выпускать пластины больших размеров от M2, M4, G1, M6 до M12 (G12).

История размеров пластин солнечных элементов

Первые модули мощностью 48 Вт появились в 1983 году, в них использовалось 36 ячеек размером 100 х 100 мм. После этого использовалось много ячеек с разными размерами, начиная с 100 х 100 мм, этот размер ячеек был доступен на рынке примерно до 1996 года. Другие размеры, такие как 125 х 125 мм, затем стали стандартными размерами на многие годы. До 2010 года преобладали монокристаллические кремниевые пластины шириной 125 мм x 125 мм (диаметр кремниевого слитка 165 мм) и лишь небольшое количество пластин размером 156 мм x 156 мм (диаметр кремниевого слитка 200 мм).

После 2010 года пластины размером 156 мм x 156 мм стали все более популярным выбором (более низкая стоимость за ватт) для монокристаллических и мультикристаллических пластин p-типа. Пластина размером 156 мм стала стандартом на более, чем 10 лет. Тогда для модуля размером 156 мм был определен термин «размер пластины M0». К концу 2013 года ряд производителей совместно выпустили стандарты для монопластин M2 (156,75 мм x 156,75 мм) p-типа (кремниевый слиток диаметром 205 мм) и M2 (156,75 мм x 156,75 мм) монопластин p-типа (210 мм). диаметр слитка кремния). В течение этого периода 2013 года на рынке также было несколько пластин M4 (161,7 мм x 161,6 мм) (слиток кремния диаметром 211 мм).

В 2016 году начался переход от 156 x 156 мм к более крупным форматам 156,75 x 156,75 мм в массовом производстве. Без увеличения габаритов модулей на 60 ячеек, пластины M2 могут увеличить мощность модуля более, чем на 5 Вт, что является значительным повышением конкурентоспособной стоимости, поэтому они стали основным размером и сохраняли этот статус в течение нескольких лет.

Старый 6-дюймовый формат (156 мм x 156 мм) полностью исчез с рынка  к концу 2019 года.

Затем размер снова был увеличен на 2 мм до общего размера 158,75 мм (M3/G1), а пластина M4 — до 161,7 мм. M4 в основном использовалась для двусторонних модулей n-типа.

К 2019 году были запущены монопластины M6 (166 мм x 166 мм) p-типа (кремниевый слиток диаметром 223 мм), что дает размер модуля 1776 x 1052 мм для варианта с полуячейками. 6-дюймовый формат M2 (156,75 мм x 156,75 мм) замещен на G1 и M6. В тот же период 2019 года были запущены M12 (G12) M10 M9.

В 2020 году массово появились размеры M12 и даже M12+. Площадь таких элементов в мм2 приведена на рисунке ниже.

Площадь пластин

M12(G12)	M10	M9	M6	G1	M4	M2
44096 мм²	399976 мм²	36862 мм²	27415 мм²	25199 мм²	25825 мм²	244316 мм²

 

Мощность солнечного элемента и мощность солнечного модуля на основе пластин различного размера

Размер пластины	Мощность элемента (Вт) при КПД 22. 5%	Мощность модуля из 60 элементов, Вт	Мощность модуля из 120 полуэлементов, Вт
M12	9.92	583	601
M10	9.00	529	545
M9	8.29	488	502
M6	6.17	363	374
G1	5.67	333	343
M4	5.81	342	352
M2	5.50	323	333

Пиковый ватт

КПД серийно выпускаемых солнечных элементов, %:
монокристаллические:	15-22
поликристаллические:	12-18
аморфные:	6-12
теллурид кадмия:	8-12

Солнечный элемент производит электричество когда освещается светом.

В зависимости от интенсивности света (измеряемой в Вт/м²), солнечный элемент производит больше или меньше электричества: яркий солнечный свет более предпочтителен, чем тень, и тень более предпочтительна, чем электрический свет. Для сравнения СЭ и модулей необходимо знать так называемую номинальную мощность элемента или модуля. Номинальная мощность, выращенная в ваттах пиковой мощности Wp, это мера того, сколько электроэнергии может произвести фотоэлектрический модули при оптимальных условиях.

Для определения и сравнения номинальной мощности солнечных панелей, выходная мощность измеряется при стандартных тестовых условиях (СТУ). Эти условия предполагают:
— освещенность 1000 Вт/м²
— солнечный спектр AM 1.5 (он определяет тип и цвет света)
— температура элемента 25 °C (это важно, так как эффективность СЭ падает при повышении его температуры).

Так как в реальных условиях работы такие параметры практически недостижимы, в последнее время все больше производителей указывают параметры модуля в так называемых «нормальных условиях» (NOCT), т. е. при температуре модуля 40-45 градусов и освещенности 800 Вт/м². Тем не менее, NOCT также не отражает реальную мощность модуля, так как во время работы солнечной батареи освещенность может быть даже выше 1000 Вт/м², а температура существенно ниже 45С.

Пример:

Большинство панелей с площадью 1 квадратный метр имеют номинальную мощность около 120-150 Вт_пик
(уточнение: если они сделаны из кристаллических кремниевых элементов).

Ни NOCT, ни тем более STC мощности не позволяют определить, сколько именно энергии будет вырабатывать солнечная панель в реальных условиях. Для того, чтобы иметь более точное представление о производительности солнечного модуля, в мире делаются попытки ввести новые, дополнительные, показатели эффективности солнечных панелей. Одним из таких дополнительных параметров является PTC, с помощью которого можно более реально определить, сколько энергии можно ожидать от того или иного модуля. На настоящий момент PTC, наряду с NOCT, являются показателями, по которым можно проводить сравнение различных фотоэлектрических модулей. Подробнее о PTC…

Сравнение тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей

Тонкопленочные солнечные элементы бывают обычно 4 основных типов:

1. из аморфного кремния (a-Si) или тонкопленочного кремния (TF-Si)
2. из теллурида кадмия (Cd-Te)
3. из деселенида галлия-меди-индия copper indium gallium deselenide (CIS or CIGS)
4. из синтетических (dye-sensitized solar cell) материалов с органическими добавками.

Тонкопленочные модули из аморфного кремния

. В отличие от кристаллического материала, здесь нет структурированного положения атомов. Поэтому у аморфного кремния хуже полупроводниковые свойства и, следовательно, меньше КПД преобразования света. Однако для производства элементов необходимо гораздо меньше кремния и он может быть нанесен практически на любую поверхность — стекло, металл или другой материал. КПД элементов из аморфного кремния с одним слоем — около 6%. Доля модулей из аморфного кремния на рынке незначительна.

CSG (Crystalline Silicon on Glass) выглядят как модули из аморфного кремния, но на самом деле являются кристаллическими. Специальный технологический процесс позволяет наносить тонкий слой кристаллического кремния (около 2мкм) прямо на стекло (тогда как толщина «обычного» ФЭП составляет 200-300мкм). Контакты внедряются с использованием лазера и трафаретной печати. Первые фотоэлектрические модули, произведенные по такой технологии, имели КПД около 7%.

CdTe модули (кадмий-теллуровые). Эта специальная тонкопленочная технология имеет большой потенциал для снижения стоимости фотоэлектрических модулей. КПД модулей достигает 18%. Содержание кадмия в модуле меньше, чем в обычной пальчиковой батарейке, и производители обещают принимать на переработку все произведенные ими «отработанные» модули.

CIS модули. Основные ингредиенты CIS модулей — медь, индий, селен, и иногда галлий (тогда элементы обозначаются как CIGS). CIS имеют наибольший КПД в группе тонкопленочных ФЭП (до 16-18% в модуле).

В Южной Корее была разработана принципиально новая технология тонкопленочных модулей, что может значительно способствовать массовому их распространению за счет удешевления и увеличения энергоемкости. В новых солнечных элементах присутствуют 3 цветных слоя на базе наногранул из диоксида титана. Благодаря количеству слоев новые солнечные элементы могут собирать видимый свет в трех наиболее активных длинах – красной, синей и зеленой. В результате, солнечный элемент производит электроэнергии почти в 3 раза больше, чем обыкновенные фотоэлектрические панели. 

Еще одним преимуществом таких элементов является их высокая светопропускаемость, поэтому их можно располагать на крышах и окнах жилых домов. Для создания этих элементов использовался метод хроматографии и совсем не использовался кремний, что делает производство недорогим и не зависящим от исчерпаемых природных ресурсов. Толщина готовой пленки составляет всего 20 нанометров, она способна производить до 30 миллиампер электричества с каждого квадратного сантиметра. Ее КПД составляет около 17-18%.

Тонкопленочные солнечные модули состоят из примерно 6 слоев. Прозрачное покрытие закрывает антиотражающий слой, затем идут полупроводники P и N типа, затем контактный слой и подложка. Принцип работы тонкопленочных солнечных элементов тот же самый, что и у кристаллических солнечных элементов.

Ниже приведены основные особенности и отличия в применении тонкопленочных и кристаллических фотоэлектрических модулей.

Тонкопленочные модули в общем случае должны быть дешевле кристаллических за счет меньшего расхода кремния и более простой технологии изготовления. Однако на практике разница в цене не очень большая, так как в последние годы цена на кристаллические солнечные модули сильно снизилась. Эффективность обеих технологий быстро растет, а различие в цене уменьшается. Более того, тонкопленочные модули обычно выполняются с использованием 2 слоев стекла, поэтому они могут быть даже дороже поликристаллических модулей той же мощности. Двойное стекло также делает тонкопленочные модули тяжелее кристаллических модулей, в которых стекло только с лицевой стороны, а с тыльной — PVC пленка (это не относится к новым double glass кристаллическим солнечным модулям).

Есть другой тип тонкопленочных солнечных модулей, в которых полупроводниковый слой нанесен на гибкую основу. Такие модули — легкие и их можно изгибать. Обычно такие модули используются в переносных системах или на кровлях со сложной формой.

Для конечных потребителей и установщиков важно рассмотреть некоторые важные особенности, которые имеют место при проектировании солнечной электростанции на основе различных типов солнечных элементов. На основе этой информации проектировщик может решить, какую технологию солнечных элементов — тонкопленочную или кристаллическую — лучше использовать в конкретном проекте.

В таблице ниже приведено очень короткое сравнение этих двух технологий. При выборе модулей для конкретного проекта необходимо также учитывать много других моментов.

Разновидности технологии	Монокристаллический кремний (c-Si) Поликристаллический кремний(pc-Si/ mc-Si) String Ribbon	Аморфный кремний (a-Si) Теллурид кадмия (CdTe) Copper Indium Gallium Selenide (CIG/ CIGS) Органические фотоэлементы (OPV/ DSC/ DYSC)
Отношение напряжения в рабочей точке к напряжению холостого хода (Vmp/ Voc) (выше — лучше, т.к. меньше разница между Voc и Vmp)	80%-85%	72%-78%
Температурные коэффициенты (низкий температурный коэффициент лучше при работе при высоких температурах окружающей среды)	выше (-0,4-0,5%/градус)	ниже (-0,1-0,2%/градус)
Заполнение вольт-амперной характеристики (идеальный элемент имеет 100% заполнение)	73%-82%	60%-68%
Конструкция модуля	в раме из анодированного алюминия	без рамы, между 2 стеклами — цена ниже, вес больше на гибком основании — легче, дешевле
КПД модуля	13%-19%	4%- 12%
Совместимость с инверторами	Чем меньше температурный коэффициент, тем лучше. Можно использовать бестрансформаторные инверторы	Проектировщик должен учитывать такие факторы, как температурный коэффициент, отношение Voc/Vmp, сопротивление изоляции и т.п. Обычно для тонкопленочных модулей требуется инвертор с гальванической развязкой
Монтажные конструкции	Типовые	Типовые, но может потребоваться специальные зажимы или крепеж. Во многих случаях стоимость установки намного меньше
Соединения постоянного тока	Типовые	Типовые, иногда может потребоваться больше разветвителей и предохранителей
Типовое применение	Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть	Жилые дома/Коммерческие объекты/Генерация в сеть
Требуемая площадь	около 150 Вт/м2	может потребоваться до 50% больше площади для той же мощности СБ

Источник: CIVICSolar

Как видно из таблицы, основное отличие кристаллических и тонкопленочных элементов — в их КПД. Также, у кристаллических элементов дольше срок службы. Расходы на установку кристаллических модулей меньше, так как для одной и той же мощности нужно устанавливать примерно в 2 раза меньше по площади модулей. К недостаткам кристаллических модулей можно отнести высокую стоимость исходного материала (кристаллического кремния), его хрупкость.

Установка тонкоплёночных модулей на гибкой основе требует определённых навыков от монтажников. Мы не знаем в России никого, кто мог бы качественно установить такие модули (более того, недавно установленные в Сколково тонкоплёночные модули TegoSolar были смонтированы с грубыми нарушениями, что привело к возгоранию крыши и уничтожению довольно дорогостоящей солнечной батареи из гибких фотоэлектрических модулей).

Справедливости ради нужно отметить, что в реальных условиях модули из аморфного кремния вырабатывают больше энергии с пикового ватта, чем моно и поликристаллические солнечные панели. Последние 2 года в Москве в ИВТАНе ведутся сравнительные испытания различных модулей, предварительные результаты говорят о том, что тонкопленочные модули GET вырабатывают примерно на 13% больше электроэнергии, чем все лучшие экземпляры модулей из кристаллических солнечных элементов.

 

Различия между моно и поликристаллическими солнечными элементами

Этот вопрос выделен в отдельную статью:

ВЫБОР СОЛНЕЧНЫХ ПАНЕЛЕЙ: МОНО ИЛИ ПОЛИ?

В видео ниже — обзор технологий солнечных элементов и их КПД на 2021 год. 

Неплохая статьи по теме на стороннем ресурсе:

Как делают солнечные элементы (17 фото + 2 видео)

Эта статья прочитана 24445 раз(а)!

• Качество солнечных элементов и модулей

  10000

  2 основных параметра для оценки качества солнечных модулей Нам часто задают вопрос — почему у вас солнечные панели стоят столько, а у каких-то других продавцов — дешевле. Простой ответ похож на известную и набившую оскомину фразу. Согласно известной рекламе, «не…

• STC, NOCT и PTC — что это такое ?

  10000

  Тестирование параметров солнечных батарей Что такое STC и PTC? Как оценить и сравнить параметры солнечных батарей При выборе солнечных модулей очень важно понимать параметры, которыми описывается модуль — мощность, напряжения, токи в различных режимах. Но не менее важно знать, при…

• Солнечные батареи. Руководство для покупателя

  10000

  Руководство для покупателя по выбору солнечных панелей При перепечатке ссылка на этот сайт обязательна, См. Правила копирования. «Ваш Солнечный Дом» Общее правило при покупке солнечных батарей Последние несколько лет, очень много компаний, начиная от ландшафтных дизайнеров до установщиков окон, крыш,…

• 12 преимуществ Double-Glass солнечных модулей

  10000

  Солнечные фотоэлектрические модули с двойным стеклом Модули с двойным остеклением (double glass) Солнечные модули с двойным стеклом  появились на рынке сравнительно недавно — 5-7 лет назад, но до недавнего времени они были дороже обычных модулей. В 2017 году они стали…

• Тонкопленочные модули из аморфного кремния

  63

  Тонкопленочные фотоэлектрические модули из аморфного кремния Тонкопленочные технологии часто рассматривают как будущее фотоэлектрической энергетики, несмотря на то, что в настоящее время более 90% всех производимых в мире солнечных модулей — кристаллические. Тем не менее, технологии тонкопленочных модулей развиваются очень быстро,…

• Основы фотоэнергетики (Содержание)

  60

  Что такое солнечные элементы, модули, инверторы, контроллеры, электростанции? Солнечная энергетика становится мейнстримом современной энергетики, и с каждым годом вызывает все больший интерес. Фотоэлектрическая энергетика — новая отрасль, которая стремительно развивается и уже сейчас современный мир невозможно представить без солнечных фотоэлектрических…

Устройство солнечной батареи. Теория

Состав и устройство солнечной батареи, ее элементов определяют эффективность выработки энергии готовым изделием. В настоящее время, для генерации электрической энергии используются солнечные панели на основе кремния (с-Si, mc-Si & кремниевые тонкопленочные батареи), теллурида кадмия CdTe, соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2, а также концентраторные батареи на основе арсенида галлия (GaAs). Ниже будут даны краткие описания каждой из них.

Солнечные батареи основе кремния

Солнечные батареи (СБ) на основе кремния составляют на сегодняшний день порядка 85% всех выпускаемых солнечных панелей. Исторически это обусловлено тем, что при производстве СБ на основе кремния использовался обширный технологический задел и инфраструктура микроэлектронной промышленности, основной «рабочей лошадкой» которой также является кремний. В результате, многие ключевые технологии микроэлектронной промышленности такие как выращивания кремния, нанесения покрытий, легирования, удалось адаптировать для производства кремниевых батарей с минимальными изменениями и инвестициями. Кроме того, кремний – один из самых распространенных элементов земной коры и составляет по разным данным 27-29% по массе. Таким образом, нет никаких физических ограничений для производства значительной доли электроэнергии Земли с имеющимися запасами Si.

Различают два основных типа кремниевых СБ – на основе монокристаллического кремния (crystalline-Si, c-Si) и на основе мультикристаллического (multicrystalline-Si, mc-Si) или поликристаллического. В первом случае используется высококачественный (и, соответственно, более дорогой) кремний выращенный по методу Чохральского, который является стандартным методом для получения кремниевых пластин-заготовок для производства микропроцессоров и микросхем. Эффективность СБ изготовленных из монокристаллического кремния составляет обычно 19-22%. Не так давно, фирма Panasonic заявила о начале промышленного выпуска СБ с эффективностью 24,5% (что вплотную приближается к максимально возможному теоретически значению ~30%).

Во втором случае для производства СБ используется более дешевый кремний произведенный по методу направленной кристаллизации в тигле (block-cast), специально разработанного для производства СБ. Получаемые в результате кремниевые пластины состоят из множества мелких разнонаправленных кристаллитов (типичные размеры 1-10мм) разделенных границами зерен. Подобные неидеальности кристаллической структуры (дефекты) приводят к снижению эффективности – типичные значения эффективности СБ из mc-Si составляют 14-18%. Снижение эффективности данных СБ компенсируется их меньшей ценой, так что цена за один ватт произведенной электроэнергии оказывается примерно одинаковой для солнечных панелей как на основе c-Siтак и mc-Si.

Тонкопленочные солнечные панели

Возникает вопрос – зачем разрабатывать другие типы модулей, если солнечные панели на основе моно- и мультикристаллического кремния уже созданы и показывают неплохие результаты? Очевидный ответ — чтобы добиться еще большего снижения стоимости и улучшения технологичности и эффективности, по сравнению с обычными c-Si и mc-Siсолнечными батареями.

Дело в том, что обычные кремниевые фотоэлектрические модули наряду с преимуществами, перечисленными выше, обладают и рядом недостатков. Кемний из-за своих особых электрофизических свойств (непрямозонный полупроводник) обладает довольно низким коэффициентом поглощения, особенно в области инфракрасных длин волн. Таким образом, толщина кремниевой пластины для эффективного поглощения солнечного излучения должна составлять довольно внушительные 100-300 мкм. Более толстые пластины означают больший расход материала, что ведет к удорожанию СБ.

В то же время, прямозонные полупроводники на вроде GaAs, CdTe, Cu(InGa)Se2, и даже некоторые модифицированные формы Si, способны поглощать требуемое количество солнечной энергии при толщине всего в несколько микрон. Открывается заманчивая перспектива сэкономить на расходных материалах, а также на электроэнергии, которой требуется значительно меньше для изготовления более тонкого слоя полупроводника. Еще одной положительной чертой СБ на основе вышеназванных полупроводников – в отличие от СБ на основе c-Si и mc-Si– является их способность не снижать эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую даже в условиях рассеянного излучения (облачный день или в тени).

Исследования СБ на основе теллурида кадмия (CdTe) начались еще в 1970х годах ввиду их потенциального использования в качестве перспективных для космических аппаратов. А первое широкое применение «на земле» подобные СБ нашли в качестве элементов питания карманных микрокалькуляторов.

Данные элементы представляют собой гетероструктуру из тонких слоев p-CdTe / n-CdS (суммарная толщина 2-8 мкм) напыленных на стеклянную подложку (основу). Эффективность современных фотоэлектрических элементов данного типа равняется 15-17%. Основным (и фактически единственным) производителем СБ на основе теллурида кадмия является американская фирма FirstSolar, которая занимает 4-5% всего рынка.

К сожалению, есть проблемы с обоими элементами входящими в состав соединения CdTe. Кадмий – это экологически вредный тяжелый метал, который требует особых методов обращения и ставит сложный вопросутилизации старых изделий. В виду этого, законодательство многих стран ограничивает свободную продажу гражданам СБ этого типа (строятся только масштабных солнечных электростанций под гарантии утилизации от фирмы производителя). Второй элемент – теллур, довольно редко встречается в земной коре. Уже в настоящее время более половины всего добываемого теллура идет на изготовление солнечных панелей, а перспективы нарастить добычу – довольно призрачны.

Солнечные батареи на основе соединения медь-индий (галлий)-селен Cu(InGa)Se2 (иногда обозначаются как CIGS) являются новичками на рынке солнечной энергетики. Несмотря на то, что начало исследований элементов этого типа было положено еще в середине 70х, в настоящее время коммерческий выпуск в боле-менее солидных масштабах ведет всего лишь фирма SolarFrontierKKиз Японии. Отчасти это связано с технически сложным и дорогим процессом изготовления, хотя в некоторых (удачных!) случаях их эффективность может достигать 20%.

Несмотря на отсутствие экологически вредных элементов в составе этого соединения, значительному расширению производства данных солнечных модулей в будущем угрожает дефицит индия. Ведутся исследования с целью заменить дорогой In на более дешевые элементы и может быть скоро появятся новые изделия на основе соединения Cu2ZnSn(S,Se)4.

Фотоэлектрические модули на основе аморфного кремния a-Si:H. Тонкопленочные солнечные батареи могут быть построены также и на основе хорошо известного кремния, если удастся каким-либо образом улучшить его способности к поглощению солнечного света. Применяются две основные методики:

— увеличить путь прохождения фотонов посредством многократного внутреннего переотражения;

— использовать аморфный кремний (a-Si), обладающий гораздо большим коэффициентом поглощения чем обычный кристаллический кремний (с-Si).

По первому пути пошла австралийская фирма CSGSolarLtd, разработавшая СБ с эффективностью 10-13% при толщине слоя кремния всего 1,5 мкм. По второму – швейцарская OerlikonSolar (которую сейчас перекупили японцы), создавшая комбинированные солнечные панели на основе слоев аморфного и кристаллического кремния a-Si / с-Si эффективность которых также составляет 11-13%. Своеобразной особенностью СБ из аморфного кремния является снижение эффективности их работы при понижении температуры окружающего воздуха (у всех остальных — наоборот). Так, фирма производитель рекомендует устанавливать данные модули в странах с жарким климатом.

Концентраторные солнечные модули

Наиболее совершенные и самые дорогие на сегодняшний день солнечные модули обладают эффективностью фотоэлектрического преобразования до 44%. Они представляют собой многослойные структуры из разных полупроводников последовательно выращенных друг на друге слой за слоем. Наиболее успешной является структура состоящая из трех слоев:  Ge (нижний полупроводник и подложка), GaAsи GaInP. Благодаря тому, что в подобной комбинации каждый отдельный полупроводниковый слой поглощает наиболее эффективно свой определенный диапазон солнечного спектра (определяемый шириной запрещенной зоны полупроводника), достигается наиболее полное поглощение солнечного света во всем диапазоне длин волн, недостижимое для СБ состоящих из одного типа полупроводника. К сожалению, процесс изготовления подобных многослойных полупроводниковых слоев очень сложен технически и, как следствие, весьма дорог.  

Если солнечные батареи стоят очень дорого, фокусировка солнечного излучения на меньшей площади СБ может применяться как эффективный способ снижения финансовых затрат. Например, собрав при помощи линзы солнечный свет с 10 см2 и сфокусировав его на 1 см2 солнечной батареи, можно получить тоже количество электроэнергии, что и от элемента площадью 10 см2 без концентратора, но экономя при этом целых 90% площади! Но при этом, набор подобных ячеек (солнечная батарея + линза) должен быть смонтирован на подвижной механической системе, которая будет ориентировать оптику в направлении солнца в то время как оно движется по небу в течении дня, что увеличивает стоимость системы.

В настоящее время экономически оправдано использовать подобные дорогие концентраторные солнечные модули только в тех странах и регионах земного шара, где круглый год имеется в достатке прямое солнечное излучение (рассеянное излучение не может быть сфокусировано линзой). Так, французская фирма-производитель концентраторных СБ SOITEC устанавливает свои СБ в Калифорнии, ЮАР, на юге Франции (Прованс), в Испании.  

Органические солнечные батареи и модули фотосенсибилизованные красителем

Но есть и новый тип тонкопленочных солнечных батарей, такой как сенсибилизированные красителем солнечные элементы, которые работают на совершенно ином принципе, чем все модули рассмотренные выше, на принципе больше напоминающем фотосинтез у растений. Но их пока нет в коммерческой продаже.

 

Трушин М.В. Ph.D

 

 

 

 

Все о солнечных батареях — Forbes Home

Если вы новичок в мире солнечной энергетики и ищете лучшую систему для своего здания, или уже много лет украшаете свой дом солнечными панелями, солнечная батарея может иметь огромное значение. в эффективности и универсальности вашей солнечной установки. Солнечные батареи хранят избыточную энергию, вырабатываемую вашими солнечными панелями, которую затем можно использовать для питания вашего дома в мрачные, дождливые дни или после захода солнца.

Наш справочник по солнечным батареям может помочь ответить на ваши вопросы о солнечных батареях и помочь в выборе наилучшего варианта для удовлетворения потребностей вашего объекта или домашнего хозяйства. Но обратите внимание, что не все компании, занимающиеся установкой или продажей солнечных батарей, предлагают солнечные панели.

Что такое солнечные батареи и как они работают?

Без направления энергии, вырабатываемой вашими солнечными панелями, солнечная энергия была бы довольно неэффективной — ваши приборы будут работать только тогда, когда светит солнце и ваши панели работают. Если вы не используете энергию, она будет потрачена впустую — и вы не сможете использовать ее ночью. Введите солнечные батареи, которые хранят энергию, вырабатываемую вашими панелями, для использования, когда она вам действительно нужна. Солнечные батареи являются альтернативой (или дополнением) подачи энергии обратно в сеть и могут помочь вам сделать ваш дом или объект в некоторой степени защищенным от перебоев в подаче электроэнергии и даже полностью отключить его от сети.

Типы солнечных батарей

В мировой солнечной энергетике используются четыре основных типа батарей: свинцово-кислотные, литий-ионные, никель-кадмиевые и проточные батареи.

Свинцово-кислотные

Свинцово-кислотные аккумуляторы используются десятилетиями и являются одним из наиболее распространенных типов аккумуляторов, используемых в автомобильной и промышленной технике. Они имеют низкую плотность энергии (это означает, что они не могут удерживать много энергии на кг веса), но остаются экономически эффективными и надежными и, таким образом, стали распространенным выбором для использования в домашних солнечных установках.

Свинцово-кислотные аккумуляторы бывают как залитыми, так и герметичными, и могут быть классифицированы как с неглубоким циклом, так и с глубоким циклом в зависимости от предполагаемой функции и безопасной глубины разряда (DOD). Последние технологические достижения увеличили срок службы этих аккумуляторов, и свинцово-кислотные аккумуляторы по-прежнему остаются приемлемым вариантом для многих домовладельцев.

Литий-ионные

Технология литий-ионных аккумуляторов намного новее, чем у других типов аккумуляторов. Литий-ионные аккумуляторы обладают высокой плотностью энергии и представляют собой компактный, легкий и более эффективный вариант. Они позволяют пользователю получить доступ к большему количеству энергии, хранящейся в батарее, прежде чем ее нужно будет перезарядить, что делает их отличными для использования в ноутбуках и телефонах, а также в вашем доме.

Основным недостатком литий-ионных аккумуляторов является значительно более высокая стоимость для потребителя. При неправильной установке литий-ионные батареи также могут загореться из-за эффекта, называемого тепловым разгоном.

Никель-кадмиевые

Никель-кадмиевые батареи редко используются в жилых помещениях и наиболее популярны в авиаперевозках и промышленности благодаря их высокой прочности и уникальной способности работать при экстремальных температурах. Никель-кадмиевые батареи также требуют относительно небольшого объема обслуживания по сравнению с другими типами батарей.

К сожалению, кадмий является высокотоксичным элементом, который при неправильной утилизации может оказать значительное негативное воздействие на окружающую среду.

Flow

Батареи потока зависят от химических реакций. Энергия воспроизводится жидкими электролитами, протекающими между двумя камерами внутри батареи. Хотя проточные батареи обладают высокой эффективностью, при глубине разряда 100%, они имеют низкую плотность энергии, а это означает, что резервуары, содержащие жидкий электролит, должны быть достаточно большими, чтобы хранить значительное количество энергии. Этот размер делает их дорогостоящим и непрактичным вариантом для большинства бытовых нужд. Проточные батареи гораздо лучше подходят для больших пространств и приложений.

Реклама

ЭТО РЕКЛАМА, А ​​НЕ РЕДАКЦИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ. Обратите внимание, что мы получаем компенсацию за любые продукты, которые вы покупаете или подписываетесь через эту рекламу, и эта компенсация влияет на ранжирование и размещение любых предложений, перечисленных здесь. Мы не предоставляем информацию о каждом доступном предложении. Информация и суммы сбережений, изображенные выше, предназначены только для демонстрационных целей, и ваши результаты могут отличаться.

Сравните предложения от лучших установщиков солнечных панелей

Выберите штат, чтобы начать работу с бесплатной оценкой без обязательств

Найдите установщика солнечных панелей

Стоимость солнечной батареи

Стоимость солнечной батареи или аккумуляторной системы будет зависеть от типа и размера выбранной батареи. Как правило, свинцово-кислотные батареи несут меньшие первоначальные затраты для потребителя, чем литий-ионные батареи, но в зависимости от того, как используются батареи, инвестиции в литий-ионные батареи могут сэкономить деньги в долгосрочной перспективе.

Одна свинцово-кислотная батарея может стоить от 200 до 800 долларов США или даже больше в зависимости от размера/мощности батареи. Несколько свинцово-кислотных аккумуляторов могут быть необходимы для полного обеспечения домохозяйства электроэнергией. Средняя стоимость бытовой литий-ионной солнечной батареи с установкой колеблется от 7000 до 14000 долларов .

Цены на никель-кадмиевые и проточные батареи сильно различаются и зависят от размера и масштаба установки. Эти батареи обычно не используются в жилых домах и лучше подходят для коммерческих/промышленных условий из-за стоимости, долговечности, размера, устойчивости к экстремальным температурам и требований к утилизации после замены.

На что обратить внимание при выборе солнечной батареи

Несколько факторов влияют на производительность вашей солнечной батареи. Прежде чем выбрать аккумуляторную систему, примите во внимание следующее:

Тип или материал

Каждый из типов аккумуляторов имеет свои преимущества. Взвешивание этих плюсов и минусов может помочь вам решить, какой стиль подходит именно вам. Если вы ищете что-то компактное и долговечное, вам может подойти литий-ионный аккумулятор. Свинцово-кислотные могут быть лучше для тех, кто осознает более насущные бюджетные ограничения.

Срок службы батареи

«Срок службы» любой батареи многогранен; срок службы, тип, качество и глубина разряда батареи влияют на ее долговечность. Обратитесь к спецификациям производителя для батареи, чтобы определить, как долго она может работать.

Как правило, свинцово-кислотные аккумуляторы могут служить от одного до 10 лет в зависимости от того, как они используются. Литий-ионные батареи обычно служат от семи до 15 лет.

Глубина разряда

Глубина разрядки показывает, сколько накопленной энергии батареи используется до ее перезарядки. Как правило, чем глубже разряжен аккумулятор, тем короче срок его службы. Аккумуляторы
часто поставляются как с расчетным сроком службы (указывающим, сколько циклов он прослужит при определенной глубине разряда), так и с рекомендуемой максимальной глубиной разряда.

Как свинцово-кислотные, так и литий-ионные батареи разрушаются быстрее при глубоком разряде, но свинцово-кислотные батареи, как правило, менее устойчивы к глубоким разрядам, чем литий-ионные батареи, что значительно сокращает ожидаемый срок службы при регулярной глубокой разрядке. основа.

Эффективность

Солнечные системы и батареи не на 100% эффективны при передаче и хранении собранной солнечной энергии от панелей к батареям, так как при этом теряется некоторое количество энергии. В зависимости от количества энергии, которую вы можете генерировать с помощью своих панелей, и от того, как настроена ваша система, возможно, стоит инвестировать в более дорогую и более эффективную батарею. Это может помочь сэкономить деньги в долгосрочной перспективе. Любая компетентная команда по продажам и установке рассчитает эффективность вашей солнечной панели и емкость батареи, а ваша система объяснит вам, но наши ресурсы по солнечной энергии также могут помочь вам точно понять, как работает ваша система.

Реклама

ЭТО РЕКЛАМА, А ​​НЕ РЕДАКЦИОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ. Обратите внимание, что мы получаем компенсацию за любые продукты, которые вы покупаете или подписываетесь через эту рекламу, и эта компенсация влияет на ранжирование и размещение любых предложений, перечисленных здесь. Мы не предоставляем информацию о каждом доступном предложении. Информация и суммы сбережений, изображенные выше, предназначены только для демонстрационных целей, и ваши результаты могут отличаться.

Сравните предложения от лучших установщиков солнечных панелей

Бесплатно, оценки без обязательств

Найдите установщика солнечных панелей

Как выбрать лучшую солнечную батарею для ваших нужд

Выбирая солнечную батарею для своей установки, вы можете подумать, как вы будете использовать батареи и что вам действительно нужно, насколько безопасной может быть каждая система и общая стоимость системы.

Рекомендации по использованию и потребностям

Нужна ли вам батарея или блок батарей для обеспечения только коротких всплесков аварийного питания при отключении электричества, или они нужны вам для обеспечения общих потребностей в электричестве всего вашего дома/объекта в течение длительных периодов времени? времени? Как долго вы ожидаете находиться на солнце ежедневно? Подумайте о рекомендуемой глубине разрядки ваших аккумуляторов и о том, как это повлияет на срок их службы.

Соображения безопасности

Как нужно хранить батарею, чтобы обеспечить ее безопасное обслуживание? Какое техническое обслуживание требуется аккумулятору? Каков безопасный диапазон температур для вашей батареи и будет ли место хранения поддерживать эту температуру? Когда придет время, как вы планируете утилизировать аккумулятор?

Стоимость

Что для вас имеет больше смысла: платить меньше авансом за свинцово-кислотные аккумуляторы или инвестировать в эффективность и долговечность литий-ионных аккумуляторов? Сколько батарей вам нужно будет купить, чтобы обеспечить ваши потребности? Каков ожидаемый срок службы батареи и готовы ли вы заменить ее, когда она выйдет из строя?

Преимущества использования солнечной батареи

Самое лучшее в накопителях на солнечных батареях — это то, что они позволяют хранить избыточную энергию, которую вы производите. Одним из наиболее важных преимуществ солнечных батарей является то, что они не просто обеспечивают резервное питание; они также производят энергию в нерабочее время, когда вы не хотите отправлять лишнюю солнечную электроэнергию обратно в местную коммунальную компанию.

Энергетическая независимость

Солнечная батарея является важным компонентом дома, полностью зависящего от солнечной энергии. Аккумулятор может накапливать энергию в течение дня, поэтому его можно использовать ночью, чтобы свет оставался включенным в течение всего вечера. Система солнечных батарей также может превратить автономную солнечную систему в аварийный резерв во время отключения электроэнергии.

Экономия на счетах за электроэнергию

Солнечные батареи могут помочь потребителям снабжать энергией свои дома, используя солнце. Это позволит им меньше покупать в сети и сэкономить деньги на счетах за электроэнергию.

Сокращение углеродного следа

Солнечная энергия может минимизировать использование ископаемого топлива и защитить окружающую среду. Солнечные батареи генерируют солнечную энергию под воздействием солнечного света, которую затем можно использовать для питания устройств или для подзарядки аккумулятора ноутбука или телефона.

Стоит ли покупать солнечные батареи?

Солнечные батареи представляют собой значительные первоначальные финансовые вложения, но в конечном итоге могут помочь вам сэкономить деньги на затратах на электроэнергию после захода солнца или во время чрезвычайной ситуации. Если вы живете вне сети, они могут быть важными компонентами вашей энергетической системы.

Солнечные батареи обеспечивают ваш дом чистой, довольно зеленой, возобновляемой энергией, которая в противном случае должна была бы поступать из внешнего источника. В некоторых регионах также предусмотрены льготы или скидки, чтобы помочь снизить затраты на добавление солнечной батареи в вашу систему, и вы можете получить скидку до 30% на установку вашей батареи, если вы имеете право на получение федерального налогового кредита на солнечную энергию.

В конечном счете, только вы можете решить, стоит ли вложение в солнечную батарею и ее вознаграждение затрат и требований к обслуживанию.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как долго работают солнечные батареи?

Срок службы солнечных батарей от 5 до 15 лет. Срок службы солнечной батареи зависит от ее типа, качества обслуживания и частоты использования.

Каковы недостатки использования солнечных батарей?

Стоимость: Покупка и установка солнечных батарей может стоить от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов. Батареи также имеют ограниченный срок службы и в конечном итоге должны быть заменены.

Техническое обслуживание: Для обеспечения безопасной работы различные аккумуляторы требуют различных требований к техническому обслуживанию. Надлежащее техническое обслуживание может быть как дорогостоящим, так и трудоемким.

Пространство: Батареи занимают много места, и, в зависимости от размера вашей системы, а также от типа выбранной вами батареи, количество места, необходимое для хранения и надлежащей вентиляции ваших батарей, может быть значительным.

Безопасность: Существуют неотъемлемые риски, связанные с эксплуатацией любых аккумуляторов (перегрев, утечка и т. д.), особенно если продукты не установлены и не обслуживаются должным образом.

Сложность: Добавление батарей к вашей системе создаст дополнительную сложность в отношении проводки и настройки. В зависимости от вашего уровня знаний в области электротехники, вы можете рассмотреть возможность консультации или найма профессионала при установке солнечных батарей.

Сколько батарей нужно для питания дома от солнечной энергии?

Количество батарей, которые вам понадобятся, зависит от типа батареи, емкости батареи, размера вашей солнечной системы, энергетических потребностей цепей и устройств, которые вы хотите запитать, и количества времени, которое вы хотите использовать. обеспечить питание ваших цепей/приборов.

Лучший способ оценить ваши потребности в энергии — это вычислить количество киловатт-часов, которое вам потребуется в случае отключения электроэнергии, и сравнить его с возможностями и характеристиками аккумуляторов и систем, которые вы рассматриваете.

Как долго солнечные батареи держат заряд?

Продолжительность времени, в течение которого ваша солнечная батарея будет держать заряд, зависит от батареи и количества накопленной энергии. Стандартная солнечная батарея будет хранить энергию от одного до пяти дней.

Какие солнечные батареи лучше?

Лучший тип батареи для одной системы может не подходить для другой. Для домашней солнечной системы подойдет блок герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов подходящего размера или система литий-ионных аккумуляторов, в зависимости от предполагаемого использования (ежедневное, краткосрочное/длительное и т. д.)

Некоторые распространенные марки солнечных батарей включают: Tesla, Panasonic, LG Chem, Electriq Power, Enphase, Generac, Sunpower, Solar Edge, SunVault и Renogy.

Ваш дом. Ваши решения. Наша поддержка.

Получайте советы экспертов по вашему дому, советы по дизайну, сколько платить профессионалам и нанимайте экспертов, доставляемых вам ежедневно.

{{ информационный бюллетеньState.emailErrorMsg }}

Спасибо и добро пожаловать в сообщество Forbes Home Improvement!

{{ информационный бюллетеньState.emailErrorMsg }}

Я согласен получать информационный бюллетень Forbes Home по электронной почте. Пожалуйста, ознакомьтесь с нашей Политикой конфиденциальности для получения дополнительной информации и подробностей о том, как отказаться.

Минералы в солнечных панелях и солнечных батареях

Некоторые люди могут принять солнечную технологию за магию, колдовство или с другой планеты, но солнечные панели и солнечные батареи состоят из минералов, найденных прямо здесь, на Земле. Растущая популярность чистой энергии как одной из наиболее известных форм энергии, разрабатываемых для сокращения глобальных выбросов углерода, создала высокий спрос на все сырье, используемое для создания солнечных панелей, аккумуляторов и других компонентов системы возобновляемых источников энергии.

Таким образом, несмотря на то, что поддержка перехода на экологически чистую энергию имеет много долгосрочных экологических преимуществ, переход на солнечную энергию может оказать чистое положительное влияние на планету только в том случае, если минералы, используемые в технологии, получены и перерабатываются устойчивым образом. Чтобы проиллюстрировать воздействие фотоэлектрических (PV) солнечных панелей на окружающую среду, давайте рассмотрим многие важные минералы, используемые в солнечной промышленности, а также то, как их добывают, очищают и используют для производства возобновляемой энергии.

Минералы в солнечных панелях

В то время как солнечные панели используют почти бесконечную энергию солнца для создания возобновляемой энергии, различные невозобновляемые минералы, добываемые из земли, составляют физические компоненты этих зеленых энергетических систем. In the 2020s, most solar panels contain a combination of the following minerals:

• Aluminum
• Cadmium
• Copper
• Gallium
• Indium
• Lead
• Molybdenum
• Nickel
• Silicon
• Серебро
• Селен
• Теллур
• Олово
• Цинк

Это длинный список материалов, включая некоторые редкоземельные элементы, но некоторые из этих минералов в настоящее время используются только в лабораториях, в тонкопленочных солнечных панелях, или как часть различных новых солнечных технологий. В этой статье (и чтобы мы не перегружали вас) мы сосредоточимся в первую очередь на минералах, используемых в солнечных панелях, часто устанавливаемых на крышах жилых домов.

Где находятся минералы в солнечных панелях?

Как для солнечных батарей, так и для хранения солнечной энергии некоторые минералы, используемые в производстве, находятся в определенных местах, тогда как другие в больших количествах встречаются по всей планете.

Алюминий

Самый распространенный металлический элемент в земной коре, алюминий можно найти в магматических породах (затвердевших из лавы или магмы) по всей планете в виде бокситовой руды. Руда – это природная горная порода или осадок, содержащие один или несколько ценных минералов и металлов. Ведущие алюминиевые рудники расположены в Австралии, Бразилии, Гвинее, Ямайке и Вьетнаме.

Медь

Медь является важным компонентом глобального перехода к снижению выбросов углерода, поскольку ее высокая проводимость необходима для производства электроэнергии. Чили является ведущим производителем меди в мире, за ней следуют Перу, Китай, Демократическая Республика Конго и США.

Кремний

Кремний является вторым наиболее распространенным элементом в земной коре после кислорода. Ведущими производителями кремния в мире являются Китай, Россия, США и Норвегия.

Серебро

Серебро содержится в сплаве электрума, природном сплаве золота и серебра со следовыми количествами свинца, меди и цинка. В результате большая часть серебра, используемого в современной обрабатывающей промышленности, получается при переработке других руд. Мексика имеет самый большой годовой объем производства серебра, а другие ведущие производители серебра включают Перу, Польшу, Норвегию, Канаду, США и Боливию.

Цинк

Цинк встречается более чем в 50 странах мира, при этом ведущими производителями являются Канада, Австралия, Китай, Перу и США. В настоящее время рудник Red Dog на Аляске является крупнейшим цинковым рудником в мире.

Помимо минералов «большой пятерки», в солнечных панелях также содержатся некоторые редкоземельные минералы, которые встречаются в различных частях мира:

• Селен: Хотя существуют богатые селеном руды, селен используется в солнечных панелях обычно получают как побочный продукт меди. Этот элемент в основном добывается в Японии, Канаде, Бельгии и США.
• Галлий: Хотя галлий не присутствует в земной коре в свободном виде, горняки извлекают его из других минералов, таких как алюминий, цинк, бокситы, сфалерит, уголь и германит.
• Никель: Никель, один из важнейших металлов в нашей повседневной жизни, в наибольшем количестве встречается в Индонезии, за которой следуют Филиппины, Россия, Канада, Австралия и Бразилия.
• Индий: Сульфидный заменитель основных минералов, таких как станнит, сфалерит, халькопирит и станнит, индий редко встречается в геологических условиях, поэтому горняки извлекают его из побочных продуктов свинца и цинка. Китай является ведущим производителем индия, за ним следуют Южная Корея, Япония и Канада.
• Теллур: Теллур, получаемый как побочный продукт переработки меди, в основном добывается в Японии и Китае.

Как добываются и перерабатываются минералы в солнечных панелях

Поскольку глобальная солнечная мощность продолжает увеличиваться, надлежащее управление ресурсами важно для поддержания устойчивости отрасли. Для долгосрочного успеха горнодобывающие компании и производственные предприятия должны надлежащим образом управлять исходными материалами, чтобы избежать неблагоприятного воздействия на окружающую среду.

Алюминий

При использовании наземного метода, называемого открытым способом, алюминий добывается из земли в основном в виде бокситовой руды. После извлечения руда дробится, сушится и очищается перед отправкой на переработку.

Бокситная руда превращается в алюминий с помощью четырехэтапного процесса переработки Бейера: вываривание, осветление, осаждение и прокаливание. Здесь боксит перерабатывается в форму глинозема, а затем переплавляется для получения алюминия.

Медь

Медь добывается открытым способом и измельчается при добыче и производстве. Процесс открытых карьеров включает в себя рытье ступенчатых уступов в землю, использование бурильной машины для бурения отверстий, а затем подрыв взрывчатых веществ внутри них.

После добычи медная руда перерабатывается путем ее грубого измельчения для отделения любых отходов. Затем медь транспортируется на завод или плавильный завод для рафинирования. При рафинировании меди удаляются примеси, в результате чего в рафинере остается медь с чистотой 99,9%, высшим сортом меди.

Кремний

Кремний – это другое название промышленных песка и гравия, которые имеют высокое содержание диоксида кремния (SiO2) и могут быть переработаны в кремний. При добыче кремнезема используются открытые карьеры или дноуглубительные работы с использованием стандартного горнодобывающего оборудования. Помимо временного нарушения окружающей среды, процесс добычи кремния оказывает минимальное воздействие на окружающую среду.

Металлический кремнезем изготовлен из диоксида кремния и углеродных материалов, поэтому процесс его очистки направлен на отделение минералов от окружающих их примесей. Когда сырье помещается в печь, нагретую до 4000°F, плавление позволяет материалам превращаться в твердый кремний и монооксид углерода.

Затем аффинажеры обрабатывают металл кислородом, пока он еще находится в расплавленном состоянии, удаляя примеси кальция и алюминия. После этого процесса полученный продукт представляет собой кремний чистотой 98,5–99,9% (с минимальными следами алюминия и кальция) и разливается в горшки для охлаждения.

Серебро

Около 80% мирового серебра производится как побочный продукт других полезных ископаемых, таких как золото, свинец, цинк, медь и уран. Остальной процент приходится на добычу полезных ископаемых открытым способом, когда тяжелая техника достигает месторождений полезных ископаемых вблизи поверхности земли.

После извлечения серебряные руды дробятся, перемалываются, а затем разделяются путем флотации для достижения концентрации минерала, в 30-40 раз превышающей его естественное состояние. Затем аффинажеры подвергают извлеченное серебро электролизу (метод, в котором используется постоянный электрический ток для создания химической реакции), чтобы еще больше сконцентрировать его.

Цинк

Цинк добывают под землей с использованием различных технологий, включая создание почти горизонтального прохода в шахте (называемого «штреком») вдоль жилы цинка. Горняки используют бур для бурения выработки, поэтому они могут извлечь цинковую руду, прежде чем поднимать ее на поверхность для обогащения. После добычи цинковая руда обжигается для удаления примесей серы, а затем перерабатывается с помощью электролиза.

Как минералы используются в солнечных панелях?

Первичные минералы, используемые для создания солнечных панелей, добываются и обрабатываются для повышения электропроводности и эффективности генерации новых систем солнечной энергии.

• Алюминий: Алюминий, который в основном используется в качестве корпуса для солнечных элементов, создает основу для большинства современных солнечных панелей. Это идеальный металл для рамы, потому что он легкий, хорошо проводит тепло, долговечен и может быть легко переработан для других целей.
• Медь: Благодаря высокой проводимости и долговечности медь необходима в производстве солнечной энергии для повышения эффективности и производительности солнечных панелей.
• Кремний: Кремний — это основной минерал, используемый солнечными панелями для выработки электроэнергии. Обладая кристаллической полупроводимостью и светопоглощающими свойствами, кремний улавливает и преобразует солнечный свет в свободные электроны, которые используются для выработки электричества в солнечных элементах.
• Серебро: Серебро, превращенное производителями солнечных батарей в пасту и загруженное на каждую кремниевую пластину, в первую очередь отвечает за передачу нового солнечного электричества от панелей к месту использования или системе хранения батарей.
• Цинк: Используемый в солнечных панелях для улучшения преобразования энергии, цинк продолжает использоваться в высокотехнологичной солнечной генерации из-за его повышенной эффективности.

Негативное воздействие минералов в солнечных панелях на окружающую среду

К сожалению, неправильное обращение или неправильное использование минералов, используемых для создания солнечных энергосистем, может привести к целому ряду негативных последствий для окружающей среды:

• Алюминий : Присутствие алюминия в высоких концентрациях может быть очень токсичным для пресноводных водных животных. Легко перерабатываемый, более 75% алюминия, который когда-либо производился, все еще используется сегодня. Однако настоящие процессы добычи и переработки очень ресурсоемки.
• Медь : При попадании в окружающую среду во время добычи медь присоединяется к органическим веществам, глине, почве и песку. Это приводит к тому, что его соединения выделяют свободные минералы в местную воду, воздух и пищу, что может нанести вред водной и наземной жизни, снижая выживаемость, размножение и рост.
• Кремний : При добыче полезных ископаемых частицы кремнезема могут накапливаться на листьях близлежащих растений, препятствуя фотосинтезу и процессу дыхания.
• Серебро : Когда серебро производится в больших количествах, выбросы ртути могут попадать в воду, воздух и почву, вызывая проблемы со здоровьем местного населения и нанося ущерб окружающей среде.
• Цинк : Если большое количество цинка попадает в окружающую среду во время обработки, это может повлиять на водные ресурсы, урожай, почву и овощи. В местах с сильным загрязнением это может вызвать различные негативные последствия для здоровья человека.

Минералы в солнечных батареях

В то время как новые технологии постоянно изучаются, большинство современных солнечных батарей изготавливаются из одного из трех различных составов соединений:

• Свинцово-кислотные
• Литий-ионные
• Морские
• 0

  В качестве преобладающей технологии, используемой в новых бытовых солнечных батареях, важно знать, что литий-ионные батареи часто содержат ряд элементов и минералов помимо их тезки «литий». В том числе:

  • Хром
  • Кобальт
  • Графит
  • Марганец
  • Ванадий

  Где находятся минералы в солнечных батареях?

  Свинец

  Запасы свинца находятся во многих странах мира. Китай является ведущим производителем, за ним следуют Австралия, Перу, США, Мексика и Россия.

  Литий

  Литий является 33-м наиболее распространенным элементом в природе. Сегодня Чили обладает крупнейшими запасами лития в мире, за ней следуют Австралия, Аргентина и Китай.

  Как добываются и перерабатываются минералы в солнечных батареях?

  Свинец

  В производстве солнечной энергии используются как недавно добытые, так и переработанные ресурсы свинца. Добыча свинца включает извлечение руды из подземных точек с использованием высокомеханизированных методов или открытых карьеров.

  После экстракции свинец измельчается до мелких частиц, по консистенции напоминающих поваренную соль. Затем его подвергают флотации, смешивая с водой, сосновым маслом и пузырьками воздуха для образования масляной пены. Свинцовая руда всплывает на пену, пена снимается и фильтруется для удаления воды. Затем порошок нагревают до температуры более 2500°F для удаления примесей перед превращением в расплавленный свинец.

  Литий

  Высокореакционноспособный щелочной металл, литий встречается в подземных месторождениях глины, рассоле, минеральной руде, геотермальной и морской воде. Горняки начинают с бурения скважины, которую они используют для выкачивания соляного раствора на поверхность. Оказавшись на поверхности, рассол оставляют в покое на месяцы, чтобы он испарился и удалил воду.

  Оставшийся литий затем фильтруется и помещается в другой испарительный бассейн. Этот длительный процесс может занять от восьми месяцев до трех лет, чтобы получить пригодный для использования литий.

  Как минералы используются в солнечных батареях?

  Чтобы помочь вам понять современные варианты хранения, давайте более подробно рассмотрим три основные системы хранения солнечной энергии, которые в настоящее время используются в жилых помещениях, и их основные материалы для солнечных батарей:

  • Свинцово-кислотные: Свинец Кислотные аккумуляторы содержат смесь серной кислоты и воды (электролит), металлическую пластину свинца с отрицательным зарядом (анод) и металлическую пластину из положительно заряженного диоксида свинца (катод). Пластины подвешены в электролите для накопления электроэнергии.
  • Литий-ионные: Наиболее распространенный вариант для хранения избыточной солнечной энергии. Литий-ионные батареи требуют меньше обслуживания, служат дольше, более эффективны и имеют более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные батареи. Вот почему вы также видите литий-ионные батареи, питающие электромобили и дома.
  • Соленая вода: Батареи с морской водой заменяют литий натрием, элементом, содержащимся в поваренной соли, в результате чего получается раствор соленой воды, который может улавливать, хранить и отдавать энергию. В результате батареи с морской водой подлежат вторичной переработке и имеют длительный срок службы, но могут не иметь такой же емкости для хранения энергии.

  Воздействие минералов в солнечных батареях на окружающую среду

  Как свинец, так и литий, используемые для хранения солнечных батарей, могут быть проблематичными при попадании в окружающую среду без надлежащего ухода.

  Свинец: Частицы свинцово-кислотной кислоты могут попасть в почву, воздух и воду независимо от того, были ли они выброшены во время добычи полезных ископаемых или в результате неправильной утилизации батареи. Со временем это может привести к значительному загрязнению.

  Литий: При добыче лития токсичные химические вещества могут выбрасываться в близлежащие водоемы, загрязняя и причиняя вред как водным обитателям, так и животным, которые пьют из этого источника.

  Воздействие минералов в солнечных панелях и солнечных батареях на окружающую среду

  Больше узнать о производстве солнечных панелей — это первый шаг к пониманию экологических преимуществ использования солнечной энергии, а также шагов, предпринимаемых отраслью для снижения любых потенциальных экологических проблем. Когда мы узнаем, как добываются и перерабатываются минералы, используемые в солнечных технологиях, у нас больше шансов создать еще более устойчивые решения для борьбы с глобальным потеплением.

  Хотя солнечная энергия, безусловно, является возобновляемым источником энергии, это не означает, что все минералы, используемые для создания технологии, гарантированно будут экологически чистыми. Чтобы свести к минимуму экономический эффект от новых добытых и переработанных материалов, солнечная промышленность должна соблюдать необходимые меры предосторожности, сводя к минимуму нарушение почвы, контролируя выбросы газа, применяя обработку почвы и воды и предотвращая дренаж кислых пород.

  Если мы действительно хотим сделать мир лучше с помощью устойчивых энергетических систем, солнечная промышленность должна продолжать развивать свою цепочку поставок. Хотя панели могут генерировать электричество без выбросов, мир должен внимательно следить за различными материалами и процессами, которые можно использовать в производстве и разработке, чтобы продолжать делать эти процессы более экологичными.

  Если вы хотите узнать больше об установке солнечных батарей в вашем доме, поговорите с опытными профессионалами в области солнечной энергетики в компании Palmetto уже сегодня. Вы можете начать с использования нашего бесплатного инструмента для проектирования и оценки солнечной энергии, чтобы увидеть макет того, как солнечные панели могут выглядеть на вашей крыше, и сколько вы могли бы сэкономить, перейдя на солнечную энергию.