Druhy solárních panelů: srovnávací přehled konstrukcí a rady pro výběr panelů

Alternativní energetika se maximálně rozvíjí v Evropě a svými výsledky ukazuje svou perspektivnost. Objevují se nové typy solárních panelů, zvyšuje se jejich účinnost.

Pokud chcete zajistit provoz průmyslové budovy nebo obytného prostoru pomocí sluneční energie, je třeba se předem seznámit s rozdíly zařízení a pochopit, které solární panely jsou vhodné pro klimatické podmínky daného regionu.

Pomůžeme vám v této problematice zorientovat se. Článek se zabývá principem činnosti fotovoltaických měničů, uvádí přehled různých typů solárních panelů s uvedením jejich vlastností, výhod a nevýhod. Po seznámení s materiálem budete schopni provést správný výběr pro vybavení účinného solárního systému.

Princip fungování solárních panelů

Naprostá většina solárních panelů je ve fyzikálním smyslu fotovoltaickými měniči. Elektrogenerační efekt vzniká v místě polovodičového p-n přechodu.

Právě křemíkové destičky tvoří základ nákladů na solární panely, ale při jejich použití jako celodenního zdroje elektrické energie bude nutné dokoupit drahé akumulátorové baterie.

Panel se skládá ze dvou křemíkových destiček s různými vlastnostmi. Působením světla vzniká v jedné z nich nedostatek elektronů a v druhé jejich nadbytek. Každá destička má měděné proudy odváděcí proužky, které jsou připojeny k napěťovým měničům.

Průmyslový solární panel se skládá z mnoha laminovaných fotovoltaických článků, které jsou spolu spojeny a upevněny na pružném nebo pevném podkladu.

Účinnost zařízení do značné míry závisí na čistotě křemíku a orientaci jeho krystalů. Právě tyto parametry se inženýři snaží zlepšovat poslední desetiletí. Hlavním problémem je přitom vysoká cena procesů, které jsou základem čištění křemíku a uspořádání krystalů v jednom směru na celém panelu.

Ročně se maximální účinnosti různých solárních panelů zvyšují, protože do výzkumu nových fotovoltaických materiálů se investují miliardy dolarů (+)

Polovodiče fotovoltaických měničů mohou být vyrobeny nejen z křemíku, ale také z jiných materiálů – princip fungování baterie se přitom nemění.

Typy fotovoltaických měničů

Průmyslové solární panely se klasifikují podle jejich konstrukčních vlastností a typu pracovní fotovoltaické vrstvy.

Rozlišují se tyto typy panelů podle typu zařízení:

• flexibilní panely;
• pevné moduly.

Flexibilní tenkovrstvé panely postupně zaujímají stále větší mezeru na trhu díky své montážní univerzálnosti, protože je lze instalovat na většinu povrchů s rozmanitými architektonickými tvary.

Skutečné vlastnosti solárních panelů jsou obvykle nižší, než je uvedeno v návodu. Proto je před jejich instalací doma vhodné osobně vidět podobný realizovaný projekt.

Podle typu pracovní fotovoltaické vrstvy se solární panely dělí na tyto druhy:

1. Křemíkové: monokrystalické, polykrystalické, amorfní.
2. Kadmium-teluridové.
3. Na bázi selenidu india-mědi-galium.
4. Polymerní.
5. Organické.
6. Na bázi arsenidu galia.
7. Kombinované a vícevrstvé.

Pro širokého spotřebitele nejsou zajímavé všechny typy solárních panelů, ale pouze první dva krystalické poddruhy.

Ačkoli některé jiné typy panelů mají vyšší účinnost, kvůli vysoké ceně se nerozšířily.

Křemíkové fotovoltaické články jsou dosti citlivé na zahřívání. Základní teplota pro měření výroby elektřiny je 25 °C. Při jejím zvýšení o jeden stupeň účinnost panelů klesá o 0,45–0,5 %.

Dále budou podrobně rozebrány solární panely, které představují největší spotřebitelský zájem.

Charakteristiky panelů na bázi křemíku

Křemík pro solární baterie se vyrábí z křemenného prášku – mletých krystalů křemene. Nejbohatší ložiska suroviny se nacházejí na Západní Sibiři a ve Středním Uralu, takže vyhlídky tohoto směru solární energetiky jsou prakticky neomezené.

I nyní krystalické a amorfní křemíkové panely zaujímají již více než 80 % trhu. Proto stojí za to je podrobněji prozkoumat.

Monokrystalické křemíkové panely

Moderní monokrystalické křemíkové desky (mono-Si) mají jednotnou tmavě modrou barvu po celém povrchu. K jejich výrobě se používá nejčistší křemík. Monokrystalické fotovoltaické články mají ze všech křemíkových desek nejvyšší cenu, ale poskytují také nejlepší účinnost.

Velké monokrystalické solární panely s otočnými mechanismy se ideálně hodí do pouštních krajin. Tam jsou zajištěny podmínky pro maximální výkon.

Vysoká výrobní cena je dána složitostí orientace všech křemíkových krystalů jedním směrem. Kvůli těmto fyzikálním vlastnostem pracovní vrstvy je maximální účinnost zajištěna pouze při kolmém dopadu slunečních paprsků na povrch desky.

Monokrystalické baterie vyžadují další zařízení, které je během dne automaticky otáčí tak, aby rovina panelů byla co nejvíce kolmá ke slunečním paprskům.

Vrstvy křemíku s jednostranně orientovanými krystaly se vyřezávají z válcového kovového bloku, takže hotové fotovoltaické bloky mají tvar čtverce se zaoblenými rohy.

K výhodám monokrystalických křemíkových baterií patří:

1. Vysoká účinnost s hodnotou 17–25 %.
2. Kompaktnost – menší plocha pro umístění zařízení na jednotku výkonu ve srovnání s polykrystalickými křemíkovými panely.
3. Trvanlivost – dostatečná účinnost výroby elektřiny je zajištěna až 25 let.

Nedostatků těchto baterií jsou pouze dva:

1. Vysoká cena a dlouhá návratnost.
2. Citlivost na znečištění. Prach rozptyluje světlo, proto u solárních panelů pokrytých prachem prudce klesá účinnost.

Kvůli potřebě přímého slunečního záření se monokrystalické solární panely instalují převážně na otevřených prostranstvích nebo ve výšce. Čím blíže je oblast k rovníku a čím více má slunečných dní, tím je instalace právě tohoto typu fotovoltaických článků výhodnější.

Polykrystalické solární panely

Polykrystalické křemíkové panely (multi-Si) mají nerovnoměrné modré zbarvení v důsledku různé orientace krystalů. Čistota křemíku používaného při jejich výrobě je poněkud nižší než u monokrystalických analogů.

Různá orientace krystalů zajišťuje vysokou účinnost při rozptýleném světle – 12-18%. Je nižší než u jednosměrných krystalů, ale za oblačného počasí jsou tyto panely účinnější.

Nerovnoměrnost materiálu vede také ke snížení výrobních nákladů na křemík. Vyčištěný kov pro polykrystalické solární panely se bez zvláštních úprav nalévá do forem.

Při výrobě se používají speciální technické postupy pro tvorbu krystalů, ale jejich orientace není řízena. Po vychladnutí se křemík řeže na vrstvy a zpracovává podle speciálního algoritmu.

Polykrystalické panely nevyžadují stálou orientaci ke slunci, proto se pro jejich umístění aktivně využívají střechy domů a průmyslových budov.

Přes den při lehké oblačnosti nebudou výhody solárních panelů z amorfního křemíku znatelné, jejich přednosti se projeví pouze při husté oblačnosti nebo ve stínu (+)

Mezi přednosti solárních panelů s různosměrnými krystaly patří:

1. Vysoká účinnost za rozptýleného světla.
2. Možnost stacionární montáže na střechách budov.
3. Nižší cena ve srovnání s monokrystalickými panely.
4. Dlouhá životnost – pokles účinnosti po 20 letech provozu činí pouze 15-20%.

Nevýhody polykrystalických panelů také existují:

1. Snížená účinnost s hodnotou 12-18%.
2. Relativní objemnost – vyžaduje více místa pro instalaci na jednotku výkonu ve srovnání s monokrystalickými analogy.

Polykrystalické solární panely si získávají stále větší podíl na trhu mezi ostatními křemíkovými bateriemi. To je zajištěno širokými potenciálními možnostmi pro zlevnění jejich výrobních nákladů. Každoročně se také zvyšuje účinnost těchto panelů, která se u hromadných výrobků rychle blíží k 20%.

Solární panely z amorfního křemíku

Mechanismus výroby solárních panelů z amorfního křemíku se zásadně liší od výroby krystalických fotovoltaických prvků. Zde se nepoužívá čistý nekov, ale jeho hydrid, jehož horké páry se usazují na substrát.

V důsledku této technologie nevznikají klasické krystaly a výrobní náklady prudce klesají.

Fotovoltaické články z deponovaného amorfního křemíku lze upevnit jak na flexibilní polymerní substrát, tak na pevnou skleněnou desku.

V současné době již existují tři generace panelů z amorfního křemíku, přičemž u každé z nich se výrazně zvyšuje účinnost. Zatímco první fotovoltaické moduly měly účinnost 4–5 %, nyní se na trhu masově prodávají modely druhé generace s účinností 8–9 %.

Amorfní panely nejnovějšího vývoje mají účinnost až 12 % a začínají se objevovat v prodeji, ale jsou stále poměrně drahé.

Díky specifikům této výrobní technologie lze vytvořit vrstvu křemíku jak na pevném, tak na flexibilním substrátu. Z tohoto důvodu se moduly z amorfního křemíku aktivně používají ve flexibilních tenkovrstvých solárních modulech. Varianty s elastickým substrátem jsou však mnohem dražší.

Fyzikálně-chemická struktura amorfního křemíku umožňuje maximálně absorbovat fotony slabého rozptýleného světla pro výrobu elektřiny. Proto jsou tyto panely vhodné pro použití v severních oblastech s velkými volnými plochami.

Účinnost baterií na bázi amorfního křemíku neklesá ani při vysoké teplotě, i když v tomto parametru zaostávají za panely z arsenidu gallia.

Při stejné ceně zařízení vykazují solární panely z hydridu křemíku vyšší výkon než jejich mono- a polykrystalické analogy (+)

Shrneme-li, lze uvést následující výhody amorfních solárních panelů:

1. Univerzálnost – možnost výroby flexibilních a tenkých panelů, montáž baterií na jakékoli architektonické tvary.
2. Vysoká účinnost při rozptýleném světle.
3. Stabilní provoz při vysokých teplotách.
4. Jednoduchost a spolehlivost konstrukce. Takové panely se prakticky nelámou.
5. Zachování funkčnosti v náročných podmínkách – menší pokles výkonu při zaprášení povrchu než u krystalických analogů

Životnost těchto fotovoltaických článků, počínaje druhou generací, je 20–25 let při poklesu výkonu o 15–20 %. K nevýhodám panelů z amorfního křemíku lze přiřadit pouze potřebu větších ploch pro umístění zařízení požadovaného výkonu.

Přehled nekřemíkových zařízení

Některé solární panely vyrobené s použitím vzácných a nákladných kovů mají účinnost přes 30 %. Jsou několikanásobně dražší než jejich křemíkové analogy, ale přesto si díky svým speciálním vlastnostem našly vysoce technologické tržní místo.

Solární panely ze vzácných kovů

Existuje několik typů solárních panelů ze vzácných kovů a ne všechny mají účinnost vyšší než monokrystalické křemíkové moduly.

Nicméně schopnost fungovat v extrémních podmínkách umožňuje výrobcům těchto solárních panelů vyrábět konkurenceschopné produkty a provádět další výzkum.

Panely z teluridu kadmia se aktivně používají při opláštění budov v rovníkových a arabských zemích, kde se jejich povrch během dne zahřeje na 70–80 stupňů.

Hlavními slitinami používanými k výrobě fotovoltaických článků jsou telurid kadmia (CdTe), selenid india, mědi a galia (CIGS) a selenid india a mědi (CIS).

Kadmium je toxický kov, zatímco indium, galium a telur jsou poměrně vzácné a drahé, takže masová výroba solárních panelů na jejich bázi je i teoreticky nemožná.

Účinnost těchto panelů se pohybuje na úrovni 25–35 %, i když ve výjimečných případech může dosáhnout až 40 %. Dříve se používaly hlavně v kosmickém průmyslu, ale nyní se objevil nový perspektivní směr.

Díky stabilnímu provozu fotovoltaických článků z vzácných kovů při teplotách 130–150 °C se používají v solárních tepelných elektrárnách. Při tom se sluneční paprsky od desítek nebo stovek zrcadel koncentrují na malý panel, který současně generuje elektřinu a zajišťuje přenos tepelné energie do vodního tepelného výměníku.

V důsledku ohřevu vody vzniká pára, která roztáčí turbínu a generuje elektřinu. Tímto způsobem se sluneční energie přeměňuje na elektrickou současně dvěma způsoby s maximální účinností.

Polymerní a organické analogy

Fotovoltaické moduly na bázi organických a polymerních sloučenin se začaly vyvíjet až v posledním desetiletí, ale výzkumníci již dosáhli významných úspěchů. Největší pokrok vykazuje evropská společnost Heliatek, která již vybavila organickými solárními panely několik výškových budov.

Tloušťka její rolové fóliové konstrukce typu HeliaFilm je pouze 1 mm.

Při výrobě polymerních panelů se používají látky jako uhlíkové fullereny, ftalocyanin mědi, polyfenylen a další. Účinnost těchto fotovoltaických článků již dosahuje 14–15 % a výrobní náklady jsou několikanásobně nižší než u krystalických solárních panelů.

Otázka doby degradace organické pracovní vrstvy je naléhavá. Zatím není možné spolehlivě potvrdit úroveň její účinnosti po několika letech provozu.

Výhody organických solárních panelů jsou:

• možnost ekologicky bezpečné likvidace;
• nízká cena výroby;
• flexibilní konstrukce.

K nevýhodám těchto fotovoltaických článků patří relativně nízká účinnost a absence spolehlivých informací o době stabilního provozu panelů. Je možné, že za 5–10 let všechny nevýhody organických solárních fotovoltaických článků zmizí a stanou se vážnými konkurenty pro křemíkové desky.

Jaký solární panel vybrat?

Výběr solárních panelů pro domy na venkově na šířce 45-60° není obtížný. Zde stojí za to zvážit pouze dvě možnosti: polykrystalické a monokrystalické křemíkové panely.

Při nedostatku místa je lepší dát přednost účinnějším modelům s jednostrannou orientací krystalů, při neomezené ploše se doporučuje pořídit polykrystalické baterie.

Orientovat se podle prognóz analytických společností o vývoji trhu solárních panelů se nevyplatí, protože ty nejlepší vzorky možná ještě nebyly vynalezeny.

Je lepší vybírat konkrétního výrobce, požadovaný výkon a doplňkové vybavení za účasti manažerů firem, které se zabývají prodejem a instalací takového zařízení. Je třeba vědět, že kvalita a cena fotovoltaických modulů u největších výrobců se liší jen málo.

Je třeba mít na paměti, že při objednání kompletního vybavení na klíč bude cena samotných solárních panelů tvořit pouze 30-40% celkové částky. Doba návratnosti těchto projektů je 5-10 let a závisí na úrovni spotřeby energie a možnosti prodeje přebytečné elektřiny do městské sítě.

Někteří řemeslníci dávají přednost montáži solárních panelů svépomocí. Na našem webu jsou články s podrobným popisem technologie výroby takových panelů, jejich připojení a zařízení topných solárních systémů.

Doporučujeme se seznámit:

1. Jak vyrobit solární panel svépomocí: návod k samostatné montáži
2. Solární systémy vytápění: rozbor technologií pro vytápění na bázi solárních systémů
3. Schéma zapojení solárních panelů: k regulátoru, k akumulátoru a napájeným systémům

Závěry a užitečné video k tématu

Prezentovaná videa ukazují práci různých solárních panelů v reálných podmínkách. Také pomohou orientovat se v otázkách výběru doplňkového vybavení.

Pravidla pro výběr solárních panelů a doplňkového vybavení:

Druhy solárních panelů:

Testování monokrystalických a polykrystalických panelů:

Pro obyvatelstvo a malé průmyslové objekty zatím neexistuje žádná reálná alternativa ke krystalickým křemíkovým panelům. Ale tempo vývoje nových typů solárních baterií dává naději, že se sluneční energie brzy stane hlavním zdrojem elektřiny v mnoha venkovských domech.

Všem zájemcům o výběr a použití solárních baterií doporučujeme zanechávat komentáře, klást otázky a účastnit se diskuzí. Kontaktní formulář se nachází ve spodním bloku.