Немного о полугибких ячейках от SunPower Дата: 08.04.2017 Раздел: Солнце
Поговорим о "полугибких" солнечных батареях. Как устроены ячейки их фотоэлементов, в чем их преимущества и недостатки перед обычными классическими батареями на моно или поликристаллических фотоэлементах.
Введение.
В последнее время в продаже довольно часто можно увидеть солнечные батареи, собранные на фотоэлементах с характерной черной поверхностью, на которой совсем не видно никаких электродов.
А если почитать описания на эти батареи, то обычно выделяют такие их важные преимущества перед «классическими» солнечными батареями:
- меньший вес примерно в 1.5…2 раза. - небольшая гибкость, часто пишут полугибкие или даже гибкие. - высокий КПД до 24% в отличие от 15…19% в «обычных» батареях. - повышенная надёжность.
Причем, цена на эти новые батареи практически та же, что и на «классику».
Немного теории.
В данной статье попробуем немного подробнее разобраться с этими новыми батареями, в чем они действительно лучше, а в чем, возможно, уступают «классике».
Если копнуть чуть глубже, то можно найти информацию, что эти батареи сделаны на фотоэлементах американской компании «».
Согласно Википедии, эти фотоэлементы выполнены по технологии «all-back-contact», т.е. с расположением токосъемных контактов (как «+», так и «-») на нижней стороне пластины фотоэлемента, и которая была разработана в Стендфордском университете.
Насколько мне известно, на сегодняшний день, фотоэлементы такого типа другими компаниями массово не производятся, поэтому можно считать, что, покупая солнечные батареи с такими ФЭ, мы покупаем «оригинал», а не «кетайскую» подделку.
Сами ФЭ выпускаются в виде стандартного псевдоквадрата размерами 125х125мм и толщиной 0.12…0.2 мм.
Вид сверху – просто черный квадрат.
Вид снизу (фрагмент контактных площадок увеличен)
На фото видны контактные площадки для подпайки электродов: сверху три плюсовых контакта, снизу – три минуса.
Для использования в компактных солнечных батареях, такие пластины ФЭ режут сверху вниз (относительно фото). Обычно режут на 2, 3, 4 или 6 частей. Лучше если на три, т.к. при этом на каждом сегменте остается полноценная площадка под пайку. К этому моменту вернемся ниже.
Соединяют цельные ячейки с помощью электродов, которые за свою характерную форму прозвали «собачья кость».
Конечно, чем и как соединены резаные ячейки в складных батареях, одному китайскому богу известно.
Вольт-амперная характеристика ФЭ имеет вид.
Это характеристики при стандартных условиях измерения: 1000Вт/м2, 25гр.С, спектр как на уровне моря на широте 45 гр.
Голубая линия на ВАХ – это выход ФЭ при температуре 50гр.С. Как и у всех кремниевых ФЭ, выходное напряжение и мощность таких ячеек уменьшается с ростом температуры: - на 1.8мВ на гр.С (выходное напряжение ячейки) - на 0.32% на гр.С (выходная мощность)
Все ячейки при выходном контроле разбиваются на группы.
Как видим из таблицы, разброс в выходной мощности между худшими и лучшими ФЭ составляет не более 3.8%. Такой разброс важно учитывать при изготовлении «больших» стационарных солнечных батарей, а в «мелких» туристических на него можно не обращать внимание, т.к. нам все равно неизвестно какие точно ФЭ ставит каждый китайский производитель в свои батареи - скорее всего, самые дешевые, но даже в этом случае, мы не потеряем больше 4%, как если бы поставили самые «крутые».
Кстати, из таблицы видно, что ФЭ имеют более высокое выходное напряжение, чем стандартные моно или поликристаллические – 0.57…0.59 В вместо 0.49…0.5 В, поэтому в «больших» солнечных батареях их ставят по 30 шт вместо 36 шт (для получения 17..18 В рабочего напряжения).
ФЭ имеет три основных слоя.
Средний слой – это монокристалл кремния.
Сверху он покрыт, как пишет сайт SunPower «уникальным высокопрозрачным защитным слоем с текстурой». Текстура нужна для обеспечения минимума отражения лучей от ФЭ. Именно поэтому такие ФЭ выглядят очень черными. Зависимость степени поглощения света от длины волны приведена на графике ниже. (желтая линия – ФЭ SunPower, серая – «обычные» ФЭ)
Видим, что ФЭ поглощают большую часть падающего света почти во всем диапазоне видимого спектра, где к нам приходит основной поток энергии. Также, на картинке обведены области, где ФЭ работают лучше классических батарей. Слева показано, что идет больший захват энергии в ультрафиолете, т.е. больше вырабатывается тока при облачной погоде. Справа – что больше захватывается также и инфракрасного излучения, т.е. большая отдача вечером в условиях низкой освещенности. Взято
Под микроскопом верхняя структурированная поверхность выглядит примерно так. (фото не серийных ФЭ SunPower, а других экспериментальных )
Вернемся к конструкции ФЭ, а именно к последнему нижнему слою, расположенному на теневой стороне кристалла. Он состоит из рядов медных проводников, подключенных к областям с проводимостью n и р типов между которыми образуется генерирующий ток p-n переход. В разрезе это выглядит примерно так.
Напомню, обычный монокристалл имеет такую структуру
Картинки Благодаря тому, что слой меди расположен только с одной стороны кристалла, ФЭ от SP будет продолжать вырабатывать ток, даже если в кристалле образовалась трещина, т.к. куски кристалла будут продолжать «висеть» на довольно толстых медных проводниках подложки. (вопрос - как долго?)
Фото
Благодаря такой конструкции с нижним расположением электродов ячейки SP оказываются более стойкими к разным воздействиям – температуры, механическим, коррозии. Для примера график теста на совместное действие температуры и влажности для солнечных батарей SP и классических от других производителей. Вертикальная ось – процент выработки энергии от начального, горизонтальная – часы. Фото , где есть больше информации.
Как утверждает SP, именно использование толстых медных проводников приводит к росту надежности, т.к. медь практически не «ржавеет», в отличие от серебросодержащих покрытий «классических» ФЭ.
Из не рассмотренных преимуществ можно отметить еще следующие:
- ячейки SP имеют самую низкую деградацию среди всех типов ФЭ (возможно за исключением редких или экспериментальных образцов)
- самый высокий КПД (до 23.8%) среди коммерчески используемых солнечных элементов (в среднем 15…19%).
- SP утверждает, что его ФЭ лучше работают при частичном затенении ячеек. И если в солнечных батареях на обычных ФЭ общий её ток определяет элемент с минимальной освещенностью, то у ФЭ SP ток с более освещенных ячеек проходит через затененную, не «упираясь» в нее. Это происходит благодаря тому, что каждый p-n переход в ячейке работает как обходной (bypass) диод. (фактически мы имеем встроенный защитный обходной диод в каждой ячейке, поэтому ставить его специально, как в классических панелях, не нужно)
Переходим к практике.
Сначала несколько типовых примеров батарей для туристов. Как писал выше, исходный квадрат 12.5х12.5см удобно разрезать на 2, 3, 4 и 6 частей. И при выборе батарей стоит обратить внимание на фотографии солнечной батареи с лицевой части, где количество и тип нарезки ФЭ хорошо видны.
Пример, батареи из пластин с назрезкой на 6 частей.
С нарезкой из 1/4 пластин.
Более крупную нарезку обычно используют уже в панелях. Но такие панели для туристов уже не так интересны.
Здесь нарезка 1/2 ячейки.
Глядя на фото батарей уже навскидку можно оценить ее мощность и размеры, независимо от того, что дано в описании магазина (а продавцы частенько «ошибаются», и почему-то всегда в свою пользу ;).
Например, мощность можно оценить по количеству полных ФЭ размером 12.5х12.5 см, которые пошли на изготовление солнечной батареи. А так как мы знаем, что каждый квадрат – это чуть больше 3 Вт мощности, то и очень легко посчитать мощность, умножив 3 Вт на количество таких «полных квадратов».
На фото первой батареи видно, что она состоит из шести полных ячеек по 12.5х12.5 см. Значит, ее мощность чуть больше 3 Вт*6 шт = 18 Вт. Хотя в описании дано, что батарея на 21 Вт.
На фото второй батареи в сумме присутствуют те же самые 6 полных ячеек. И ее мощность также составляет 18 Вт. И в описании дано именно 18 Вт, т.е. здесь продавец был честным.
Панель на последнем фото описана как 50 Вт, что практически соответствует действительности: 16 ячеек по 3 Вт = 48 Вт.
Вообще, каждая пластина, согласно таблице в начале статьи, выдает от 3.34 до 3.47 Вт, но в таблице указан КПД чистого элемента. В реале, часть света задерживает ламинирующая пленка или заливка поверх пластины. Также, при резке пластин из-за повреждений краёв выход по току пластин снижается. К тому же, китайцы для изготовления туристических складных батарей с вероятностью близкой к 100% закупают батареи с минимальным КПД, которые, естественно, дешевле, но и выход мощности у них меньше. Поэтому на практике, можно принять мощность разрезанной ячейки общим размером 12.5х12.5см равной 3Вт и это будет очень близко к правде.
Аналогично мощности, можно также быстро оценить размеры батарей, опять же сравнивая то, что написано в описании и размерами базовой квадратной ячейки 12.5х12.5см.
Глянем еще раз на две складные батареи из 3-х и 4-х секций на фото выше. Какую еще информацию можно «вытащить» их их внешнего вида?
Поскольку каждая «полоска» в ламинате выдает 0.57 В, то можно оценить какое напряжение выдает каждый ламинат и как они соединены между собой. Например, в батарее из 3-х секций каждая пластина выдает 12*0.57 = 6.8 В, значит, все три секции в батарее соединены между собой параллельно для получения выхода в 5В (и разрушение любой секции просто на треть снизит общий ток батареи).
В батарее же из 4х секций каждая пластина выдает 3.4 В, значит в ней по 2 шт последовательно и затем эти две последовательные пары – параллельно между собой. Поэтому повреждение одной из 4-х пластин сразу вдвое уменьшит выход по току всей батареи.
Сравним теперь полугибкие батареи не между собой, а с классическими монокристаллами. Как показано первой части статьи, ФЭ от SunPower, действительно, замечательная штука, по сути, следующий шаг в развитии солнечных ФЭ. Они превосходят «классику» практически по всем параметрам. Но будет ли конечный продукт в виде полугибких солнечных батарей иметь столь же явное преимущество перед «классикой»? Большие панели рассматривать не будем, с ними все ясно. Нас же интересуют именно складные батареи пригодные для туристов.
И здесь выбор между классикой и полугибкими уже не столь однозначен. Почему?
Основной причиной здесь вижу более тонкую защитную подложку на которую ламинируются сами ФЭ. Китайцы, видимо, решили, что раз сами ФЭ более надежные (и даже немного гнутся), то и защита для них требуется меньше. А это, куча плюсов для производителя:
- батареи получаются более легкими (отличная реклама, т.к. свойство нужное),
- батареи заметно гнутся, что дает право называть их полугибкими (а в последнее время все чаще приставка «полу» почему-то совсем исчезает из описаний),
- поскольку пользователь верит, что они «гибкие», ломать их (а, значит, и покупать новые) будет гораздо чаще. (все та же тенденция к «одноразовому миру», как и в других областях)
Но сколько ни говори «гибкие», но материал ячеек SunPower - это тот же самый монокристаллический кремний, что и классических фотоэлементах. Все различия с точки зрения механической надежности между полугибкими и классикой сводится к тому, что:
1. полугибкий ФЭ имеет примерно вдвое меньшую толщину, чем классический. За счет этого ему легче изогнуться, чем более толстой «классике» (до 30 градусов между краями ячейки 12.5х12.5см.)
2. полугибкий имеет металл электродов только на одной стороне, что позволяет ему не отрываться от электрода и продолжать работать даже при наличии трещины.
Но, как уже сказано, для выполнения п.1 нужна тонкая подложка, которую можно элементарно локально продавить. В «классике» же, чтобы продавить 1.5 мм стеклотекстолита надо еще постараться.
Что касается п.2, то да, это свойство продолжать работать с трещинами замечательное, т.е. сломанная в походе батарея имеет большой шанс дожить до его окончания, т.е. продолжать кормить электричеством потребителей. Остается только открытым вопрос, сколько такой сломанный ФЭ протянет до разрыва проводников. В конце-концов, их толщина всего доли миллиметра, а походную батарею гнут постоянно. И если в целой пластине изгиб распределен по всей ее длине, то в сломанной изгиб (шевеление) будет больше именно по трещине и в итоге проводник просто сломается в этом месте. (здесь вопрос, конечно, более сложный, т.к. часть нагрузки распределяется по подложке, что частично спасает металл проводников от сильных локальных изгибов)
Выводы.
Плюсы полугибких солнечных батарей именно с точки зрения туриста.
1. В полтора-два раза меньший вес по сравнению с «классическими» монокристаллами и гибкими батареями на основе аморфного кремния при одинаковой мощности.
2. Должны вырабатывать немного больше электричества при одной паспортной мощности при реальной эксплуатации. (за счет лучшей работы под облаками и утром/вечером, и возможности пропускать ток через слабо освещенную ячейку при локальных затенениях)
3. Продолжение работы некоторое время после повреждения, т.е. не резкий отказ, а постепенное «умирание» после повреждения - меньше шансов остаться совсем без электричества вдали от людей. (а как в рекламе любят показывать, когда потоптались, а она работает ;) )
Минус или особенность, которую следует учитывать.
1. Тонкая подложка, которую легче продавить, чем у «классических» батарей. Нужно беречь от локальных продавливаний, не забывая, что внутри все тот же хрупкий монокристалл. (некоторая «подлянка» здесь есть со стороны производителей, которые ставят USB стабилизатор к батарее в довольно угловатой коробочке, которая выступает как прыщ на ровной поверхности батареи. Т.е. большой шанс, что именно эта «коробочка» и сделает «дырку» в батарее одним из своих углов)
На рекламные цифры супер КПД обращать внимание нет никакого смысла. В конце-концов, нам КПД не важен, он выливается только в площадь солнечной батареи, нужную для получения заявленной мощности. Поэтому именно на мощность, вес и размеры необходимо обращать внимание в первую очередь. Ну и, конечно, на качество изготовления (качество ламинирования ФЭ, как сделаны провода и пайки, какая электроника, если есть, и как она защищена, и т.д.). Но, боюсь, что судить о качестве нам придется лишь после покупки.
Ну, и из личного опыта общения с такими батареями мне кажется, что в бардаке рюкзака больше шансов выжить у классической жесткой батареи, особенно, если она складывается в компактный «кирпич», как те же томские батареи.
Снаружи на рюкзаке, возможно, чуть больше шансов у полугибкой, т.к. батареи крепятся обычно за люверсы по углам и можно легко переусердствовать и изогнуть даже стеклотекстолит у «жесткой», а полугибкой такие равномерные изгибы не страшны.
С точки же зрения защиты от воды, то оба вида батарей одинаковы.
Итог: покупать солнечные батареи можно обоих типов, у каждой есть свои преимущества и недостатки, и нужно их учитывать.
Автор: Николай Носов 08.04.17
Все статьи на сайте разрешены к копированию, но с обязательным указанием ссылки на нас .
