Гибкие солнечные панели: преимущества и отличия от жестких

Как реальная альтернатива традиционным жестким модулям, гибкие солнечные батареи начали появляться около 10 лет назад. Принцип их действия ничем не отличается от «классики», однако ряд конструктивных и физических особенностей открывает путь к блестящим перспективам. За минувшее десятилетие тонкопленочная фотовольтаика значительно повысила свой КПД и сегодня занимает около 20% рынка. По прогнозам специалистов, новые поколения «солнечных пленок» к 2040-2050 годам практически полностью вытеснят жесткие модификации.

Чем гибкие солнечные панели отличаются от жестких модулей

Первое отличие заключается в процессе производства. Базой «классики» служат выращенные по специальной технологии крупные кристаллы кремния. Далее они нарезаются на тонкие пластинки толщиной около 0,3 мм, которые становятся основой прямоугольных ячеек. Полученные элементы;

укладываются рядами на стеклотекстолитовую подложку;
соединяются в единую батарею, обычно в прочной алюминиевой раме;
накрываются листом толстого каленого стекла;
герметизируются.

Результатом становится тяжелый, неэластичный и сравнительно хрупкий модуль. Его невозможно смонтировать на криволинейную поверхность, он чувствителен к перегреву и направлению на солнце.

Гибкие солнечные панели конструктивно сильно отличаются от своих предшественников. Полупроводниковый слой – даже кремниевый – делают методом напыления на сверхтонкие стальные ленты. Таких слоев может быть несколько, причем не обязательно из одного материала. После подключения электродов основа ламинируется.

Полученная в итоге конструкция представляет собой тонкую пленку, способную изгибаться и даже перекручиваться под любыми углами. Наиболее современные модели печатаются на промышленных 3D-принтерах и легко сворачиваются в рулоны. Гибкие батареи могут:

нарезаться произвольным образом;
эффективно использоваться в портативных переносных устройствах;
укладываться в чехлы или футляры;
встраиваться в крыши, окна и т.д.

Они легче, долговечнее, менее чувствительные к неблагоприятным погодным условиям и дешевле в производстве. Исключение составляют только модификации на дорогостоящих редкоземельных металлах, которые используются аэрокосмической промышленностью.

Краткий обзор гибких солнечных панелей без применения кремния

Несмотря на то, что во многих тонкопленочных моделях по-прежнему используется кремний, большинство современных пленок изготавливаются по безкремниевой технологии.

1. Аморфный кремний A-Si.

С момента появления тонкопленочной технологии на базе аморфного кремния ожидалось, что именно эта модификация батарей второго поколения станет ведущей на мировом рынке. Однако к концу второго десятилетия 21 века, несмотря на повышение КПД A-Si до 14-16%, конкуренции с более производительными пленками CdTe та CIGS они не выдержали. Около 20% рынка фотоэлектрических элементов аморфный кремний сохранил. Но технологические наработки последних лет в основном «ушли» в сферу производства ЖК-дисплеев, микротранзисторов и рентгеновских пленок.

2. Теллурид-кадмиевые CdTe.

К 2020 году стали наиболее распространенной модификацией рынка гибких батарей, хотя сохранился выпуск и жестких вариантов. Пользуется популярностью благодаря низкой стоимости и высокой эффективности, в том числе в неидеальных условиях освещения. КПД серийных изделий достигает 20-22%. Температурный коэффициент в 2-3 раза ниже, чем у Mono-Si и Poli-Si, что способствует их массовому применению в жарком климате.

3. Сульфид индия/меди/галлия (CIGS).

Наиболее эффективный на сегодня вариант гибких панелей. Высокая себестоимость производства не позволяет массово использовать их «на земле», однако все космические аппараты оборудованы именно этим типом фотовольтаики. КПД лучших образцов достигает 35-40% и выше. Предельно надежны и минимально деградируют даже в экстремальных условиях чрезмерно низких и высоких температур.

4. Гибкие солнечные батареи на основе полимеров, органики и квантовых точек

Являются представителями третьего поколения тонких пленок. Массовому внедрению пока препятствует сравнительно низкий – менее года – срок эффективной службы, а также КПД в диапазоне 14-17%. Тем не менее, именно этот класс считается наиболее перспективным, ввиду достижения в самом ближайшем будущем:

общедоступного и дешевого производства;
максимальной функциональности;
экологической безопасности;
возможности делать пленки практически прозрачными.

Достоинства и недостатки в сравнении с жесткими модулями

Гибкие панели выигрывают у классических конкурентов практически по всем параметрам. Главными из них являются два наиболее важных достоинства

1. Среднегодовая производительность.

Практически в любых регионах с количеством солнечных дней в году менее 300, тонкопленочные варианты оказываются эффективнее. Их КПД резко не «проседает» при рассеянном и падающем под большими углами свете.

Они малочувствительны к температурам вплоть до 60-70°C, в то время как кремниевые модули при таком нагреве теряют около 20% генерации. Это сильно сокращает срок окупаемости СЭС на «пленочной» базе и делает вложения в покупку более выгодными.

2. Функциональность.

Благодаря эластичности и малому весу, гибкие батареи могут широко применяться там, где установка традиционных модулей невозможна. Ими можно покрывать изогнутые крыши теплиц, дугообразных остановок общественного и частного транспорта, дизайнерских зданий с нелинейной формой кровли.

Тонкие пленки уже сегодня можно вставлять даже в одежду и обувь, чем часто пользуются модные дизайнеры. Кроме того, быстро набирает популярность комплектация гибкими панелями некоторых видов автомобилей и общественного транспорта. В Китае электробусы, питающиеся от тонкопленочных солнечных батарей, в нескольких небольших городах полностью вытеснили классический вид автобусов.

Частично прозрачные модификации обладают еще более широкими возможностями. В перспективах самого ближайшего будущего – переход на энергосберегающие панорамные окна в офисах крупнейших компаний всех развитых стран мира.

Основных недостатков на сегодняшний день тоже два.

1. КПД при идеальной освещенности и цены.

Доступные по цене гибкие панели пока проигрывают в максимальной эффективности лучшим модулям на базе кремния. У первых – как правило, это теллурид-кадмиевые CdTe – КПД в яркий солнечный день достигает 21%. Для монокристаллических ячеек этот показатель на 3-4% выше. При ухудшении условий освещения ситуация начинает меняться, но в южных солнечных регионах крупные СЭС пока предпочитают использовать Mono-Si и Poli-Si.

Обратная ситуация складывается с гибкими батареями на редкоземельных элементах. КПД у CIGS выше, но стоимость настолько высока, что их использование пока целесообразно только в высокотехнологичных отраслях, где цена изделия не критична.

2. Проблема с утилизацией.

Все без исключения гибкие солнечные батареи являются экологически чистыми в процессе эксплуатации. Однако по завершении срока службы их утилизация обходится производителям в немалые суммы. Причина этого – в ядовитости теллура, галлия, кадмия, германия и прочих редкоземельных элементов, что требует применения дорогостоящих технологий при их захоронении.

Решить проблему кардинально поможет только переход на третье поколение панелей, созданных на основе безопасных природных минералов и органики.

Сферы применения

Помимо ситуаций, где тонкопленочные модификации могут использоваться наравне с классикой, существует несколько сфер, где применение традиционных модулей неудобно или невозможно вовсе:

благодаря чрезвычайно малой массе, гибкие батареи часто устанавливаются на дроны, а также электрические и гибридные автомобили:
использование солнечных пленок очень удобно в портативных СЭС небольшой мощности, что быстро оценили любители многодневных походов пешком или на лодках;
начинается постепенное внедрение тонкопленочной фотовольтаики в традиционные предметы гардероба – одежду, обувь, а также рюкзаки и сумки;
эластичность и небольшой вес незаменимы при снабжении энергией солнца теплиц и прочих конструкций с нелинейной формой кровли, не приспособленных к высокой нагрузке;
во многих странах гибкие панели массово покрывают навесы над стоянками авто и остановками общественного транспорта;
в самом ближайшем будущем тонкие пленки начнут интегрироваться не только в крыши, но и в окна.

Новая гелио технология быстро завоевывает мир, хотя и находится пока в стадии становления. Основным ее преимуществом перед классическими жесткими вариантами является мобильность и варианции использования.

Традиционные кремниевые модули практически не имеют возможностей дальнейшего усовершенствования. Пленочные батареи, напротив, способны в разы увеличить свой КПД, стать еще более функциональными, дешевыми и абсолютно безопасными для окружающей среды.