Солнечные панели

Солнечные батареи сегодня применяют для обеспечения энергией самой разнообразной техники: от мобильных устройств до электромобилей. Как же они устроены, какие бывают виды, и на что способны новейшие солнечные батареи, мы расскажем в этой статье.

Когда появились солнечные панели?

Солнечные батареи можно назвать второй попыткой человечества обуздать безграничную энергию Солнца. Самыми первыми были разработаны солнечные коллекторы, то есть солнечные термальные электростанции. В них электричество вырабатывалось от нагретой до температуры кипения воды, под сконцентрированными солнечными лучами.
Сегодня солнечные батареи, технология изготовления которых подразумевает создание цепи фотоэлементов, преобразует солнечную энергию непосредственно в электрический ток. Путь преобразования энергии солнца в электрический ток называют - фотоэлектрический эффект.
Это явлении впервые заметил французский физик Александр Эдмон Беккерель в середине XIX века. Однако, первый действующий фотоэлемент был создан почти через 50 лет русским ученым Александром Столетовым. В начале 20го столетия Альберт Эйнштейн опубликовал количественное описание фотоэлектрического эффекта.

Как работают солнечные панели?

Полупроводником принято называть материал, в атомах которого присутствуют лишние электроны (n-тип), или же их меньше положенного (p-тип). Таким образом, в составе полупроводникового типа фотоэлемента имеется два слоя с разной проводимостью. Катодом выступает n-слой, а анодом – p-слой.
Началась история фотоэлектрических материалов с селена. В конце 19го и начале 20го веков из него делали фотоэлементы. Однако, наблюдая очень низкий КПД (менее 1%), ученые начали искать замену селену.
Массово создавать солнечные батареи начало телекоммуникационное предприятие Bell Telephone, разработавшее фотоэлемент на базе кремния. Он и сегодня является наиболее востребованным материалом для создания солнечных батарей. Стоит отметить, что процесс очистки кремния достаточно дорогой, поэтому разработчики ищут альтернативу, например, соединения меди, индия, галлия или кадмия.
Конечно, мощности отдельно взятого фотоэлемента недостаточно для обеспечения питания мощных электроприборов. Чтобы справиться с этой проблемой, их необходимо объединить в электрическую цепь, то есть, создать солнечную батарею, иными словами солнечную панель.
На каркасе солнечной батареи фотоэлементы закреплены так, чтобы не возникало проблем с ремонтом в случае поломки одного из них. Чтобы защитить конструкцию от действия внешних факторов ее закрывают прочным пластиком или закаленным стеклом.

Эффективность солнечных панелей

Главная характеристика эффективной работы солнечной панели - коэффициент преобразования солнечного света в электроэнергию называют. Он определяется в стандартных условиях тестирования фотомодуля STC:

• температура окружающей среды 250 С
• 1000 Вт/м2 светового потока спектра AM 1.5G.

Распространенные поликристаллические солнечные панели КПД демонстрируют 16% - 17,5%. Монокристаллических солнечные батареи отличаются более высоким коэффициентом 17% - 19%. К примеру, для поликристаллического модуля, имеющего размер 1650 мм х 991 мм и КПД 15,9%, мощность достигает 260 Вт, а при КПД 17,1% уровень мощности возрастет до 280 Вт, при аналогичном размере модуля.
Не только технические характеристики солнечных панелей нужно учитывать при их покупке. На эффективность работы солнечной панели оказывают влияние эксплуатационные и проектные решения. Общая производительность солнечной станции зависит от:

• географического положения
• ориентации и угла наклона солнечной батареи
• вида установки и температурных характеристик
• затененности.

Длительный период эксплуатации зависит от качества проектных и монтажных работ, которые проводит фирма инсталлятор. К примеру, очень важно учитывать температурные режимы функционирования солнечной установки. С повышением температуры, снижается уровень производительности выработки электроэнергии солнечной панели в летний период. По этой причине для систем, которые установлены на скатной крыше, нужно оставлять зазор между панелью и кровлей, чтобы гарантировать дополнительную вентиляцию. Таким образом, уменьшается температура ячеек фотомодуля и минимизируется вероятность преждевременной деградации солнечной панели.
Кроме этого, высокая температура нередко становится причиной деструкции герметизирующих материалов, что обязательно отразится на качестве работы системы и эффективности работы в целом. Разгерметизация происходит и в панелях с некачественной сборкой, если использовались дешевые материалы, а также при неблагоприятных условиях окружающей среды, к примеру, в результате града, частых дождей, резких перепадов температурного режима.

Разновидности

Работа солнечной панели зависит от вида конструкции. Делятся солнечные батареи по мощности вырабатываемого электричества, зависящей от площади панели и ее конструкции. Показатель мощности потока солнечных лучей в районе экватора составляет 1 кВт, а вот на территории нашей страны при облачной погоде он опускается ниже 100 Вт.
Самым распространенным и востребованным видом солнечных батарей давно признаны батареи из монокристаллического кремния. Их создают при помощи литья кристаллов кремния высокой чистоты, в процессе которого расплав переходит в твердую фазу вследствие контакта с затравкой кристалла. На этапе охлаждения кремний медленно твердеет, принимая форму цилиндрической отливки монокристалла, диаметр которого составляет 13 — 20 см, а длина 200 см. Далее полученный слиток нарезают листочками толщиной 250 — 300 мкм. Данная конструкция характеризуется более высокой эффективностью в сравнении с другими типами - КПД составляет 19 %,. Такой высокий уровень достигается вследствие особой ориентации атомов монокристалла, способствующей ускорению электронов. Через кремний проходит сетка из металлических электродов. Стандартная конструкция предусматривает наличие алюминиевой рамки и противоударное стекло. Такие фотоэлементы изготавливают темно-синего или черного цвета.
Создание мультикристаллического кремния более легкое, чем монокристаллического. Такой кремний как материал представляет собой случайно собранные разные монокристаллические решетки кремния (период службы 25 лет, КПД до 15%). Такие панели зачастую имеют более низкую цену.
Отличная альтернатива монокристаллическому кремнию - поликристаллический кремний. Он отличается более низкой себестоимостью. Состояние кристаллов - агрегатные, однако они имеют разную форму и ориентацию. От монокристаллических панелей они отличаются ярко синим оттенком. Модернизация системы производства элементов такого вида дает возможность получить компоненты, характеристики которых незначительно уступают по электрическим показателям монокристаллу.
Благодаря разработке тонкопленочной технологии появилась возможность создавать более бюджетные панели. Таким образом, пленочные панели стали востребованными в строительстве крупных «ферм» по выработке электричества из солнечного света. Их можно монтировать не только на крышах, но и на боковых поверхностях зданий.
Тонкопленочным панелям не нужны прямые солнечные лучи. Они способны вырабатывать электроэнергию и при рассеянном излучении, вследствие чего общая годовая мощность выше на 10-15%, в сравнении с обычными кристаллическими солнечными панелями. Такой тип панелей часто применяется для «он-грид» систем, которые генерируют электроэнергию прямо в сеть. Для таких конструкций нужно применять высоковольтные контроллеры и инверторы, которые не стыкуются с маломощными бытовыми системами. Из недостатков таких панелей стоит выделить большую площадь, которые они занимают. Она примерно в 2,5 раза больше, чем в случае с моно- или поли-кристаллическими панелями.
Солнечные батареи из аморфного кремния характеризуются одним из наиболее низких КПД. Он составляет от 6 до 8%. В тоже время из числа всех кремниевых технологий фотоэлектрических преобразователей они производят наиболее дешевую электроэнергию.
Солнечные панели из теллурида кадмия (CdTe) производятся на базе пленочной технологии. Полупроводниковый слой имеет толщину несколько сотен микрометров. Показатель эффективности не очень высок - КПД примерно 11%. Но, если сравнить их с кремниевыми панелями, то ватт мощности подобных конструкций получается на несколько десятков процентов ниже по цене.
Самый низкий коэффициент фотоэлектрического преобразования наблюдается у аморфных, фотохимических и органических фотоэлементов. Причем, для первых двух видов он составляет около 10%, а у последнего – только 5%. Таким образом, при мощности солнечного потока в 500 Вт солнечная панель, площадь которой составляет один квадратный метр, будет давать 50 и 25 Вт электрической энергии.
Более высокий коэффициент фотоэлектрического преобразования наблюдается у солнечных батарей, созданных из кремниевых полупроводников - 18%. При наиболее подходящих погодных условиях уровень мощности метровой солнечной панели достигает 125 Вт.
Еще более высоким коэффициентом обладают солнечные батареи из арсенида галлия. При помощи такого вещества, ученые смогли создать многослойные фотоэлементы с КФП, который превышает 30% (до 150 Вт электричества с квадратного метра).

Использование солнечных панелей

Сегодня солнечные панели используются в таких направлениях:

• реализация электроэнергии в сеть по зеленой ставке. Организация сетевой станции – наиболее легкий и доступный вариант применения энергии солнца. Чтобы такая станция функционировала вам не нужно приобретать дорогие аккумуляторы, или сложные устройства управления. Необходимо просто осуществить монтаж фотомодулей, подключить их к сетевому инвертору, а инвертор включить в сеть через аппарат учета электрической энергии. Отметим, что такой вариант очень быстро окупится вследствие высокой ставки зеленого тарифа
• частичное замещение сетевой электроэнергии. Чтобы снизить счета на оплату электроэнергии стоит устанавливать станции на объектах, где энергия потребляется главным образом в дневные часы, к примеру, на крышах офисов, магазинов. Таким образом, в летний период вы сможете полностью заместить энергопотребление, а в зимнее время уменьшить счета за электроэнергию примерно наполовину
• электроснабжение отдаленных объектов. Автономная солнечная станция является идеальным решением в том случае, когда присутствуют проблемы с подключением потребителя к общей электросети. В таких станциях присутствуют аккумуляторы и контроллеры заряда. Для объектов, которым энергия необходима круглый год, потребуется наличие дублирующих источников, например, бензинового генератора, или ветрогенератора
• освещение и видеонаблюдение. Многие компании, работающие в этом направлении, предлагают решения для уличного освещения и систем видеонаблюдения. При наличии такой системы вам не придется прокладывать длинные кабельные линии и подключать объект к сети
• электротранспорт. Существуют разработки, специально созданные для работы электротранспорта.