Як влаштовано сонячну панель

Розбираємо доступні технології, матеріали та параметри ефективності фотомодулів.

В Україні стрімко зростає інтерес до альтернативної енергетики та насамперед до сонячної. Завдяки доступності обладнання та зрілості технології, багато домоволодінь та бізнесів переходять на власну генерацію.

На території України побудовано щонайменше 1369 великих та середніх мережевих сонячних електростанцій і понад 35 000 приватних, а сумарна встановлена потужність сонячної генерації перевищує 7 ГВт. З урахуванням автономних та гібридних систем цей показник досягає приблизно 8 ГВт, що дозволяє щорічно виробляти до 10 ТВт·год електроенергії. Це близько 6% від загального обсягу споживання в країні.

У цій статті ми обговоримо, як влаштовано сонячну панель і що відрізняє один фотомодуль від іншого. Адже розвиток сонячної енергетики в країні багато в чому став можливим завдяки стрімкому прогресу фототехнологій. За останні 10 років ефективність модулів зросла з 14–16% до 21–23% навіть у масовому сегменті, при цьому вартість за ват встановленої потужності знизилася майже втричі. Сучасні панелі видають більше енергії при тій же кількості світла і довше зберігають продуктивність: деградація матеріалу сповільнилася, а гарантійний термін нерідко перевищує 25 років.

Основний принцип роботи сонячних батарей: як світло перетворюється на електроенергію

Сонячна панель – це щільно з'єднані між собою фотоелементи, виготовлені найчастіше із кремнію. Кожен має властивість генерувати електрику при попаданні сонячного світла.

Принцип роботи виходить з фотоелектричного ефекту: коли сонячне випромінювання потрапляє на напівпровідник (кремнієву пластину), фотоелементи починають виштовхувати електрони. Це створює постійний струм, як у батареї. Тільки не від хімічної реакції, а від світлового потоку. Він перетворюється інвертором на змінний, придатний для живлення побутових приладів або подачі в мережу. Чим більше світла, тим більше струму. У похмуру погоду генерація не зупиняється, але потужність знижується.

Atmosfera про головне: як влаштовані сонячні батареї та з чого складаються

Вони складаються з набору кремнієвих фотоосередків у міцному багатошаровому корпусі.

• Осередки з'єднані між собою металевими провідниками (шинами), формуючи електричний ланцюг, який збирає та спрямовує струм.

• Зверху захищені загартованим склом. Воно міцне та пропускає максимум сонячного світла, одночасно захищаючи від механічних пошкоджень, дощу та граду.

• Під осередками знаходиться захисна плівка (EVA, етиленвінілацетат), яка фіксує їх на місці та амортизує удари.

• На звороті панелі розташований шар з міцного і вологостійкого матеріалу (зазвичай це поліестер або полімерний лист), який перешкоджає попаданню пилу і води всередину модуля.

• По периметру панелі йде алюмінієва рама, яка надає конструкції жорсткості, полегшує встановлення та захищає краї від пошкоджень.

Сучасні панелі додатково оснащуються технологічними покращеннями (наприклад, Half-cut, PERC або TOPCon), які підвищують їх ефективність та стійкість до затінення або нагрівання.

Зовні сонячна панель виглядає як плаский прямокутник, найчастіше темного кольору, з характерним блиском кремнію під склом. Може монтуватись на дах, фасад, землю. Одна панель видає в середньому від 400 до 600 Вт (зараз роблять навіть до 800 Вт), а для створення повноцінної станції їх поєднують у модулі та рядки.

Наприклад, для побудови мережевої СЕС на 10 кВт потрібно близько 22-24 панелей. Це типові показники для сучасних фотомодулів, які використовують монокристалічний кремній із ККД близько 21%.

Який кремній буває і чому це важливо

Таким чином, принцип роботи сонячної панелі ґрунтується на властивостях кремнієвих осередків. Саме кремній найчастіше відповідає за перетворення світла на електрику. Але він буває різним: в одних панелях використовують монокристалічний, в інших полікристалічний. Це впливає на вихідну потужність, поведінку при затінку та термін служби панелі.

Їх легко відрізнити навіть візуально: перший майже чорний і має рівні геометричні осередки, другий синій, із неоднорідною текстурою.

Монокристалічний кремній

Панелі виготовляються з одного кристала кремнію з ідеально впорядкованими решітками. Це складніше і дорожче у виробництві, але дає низку практичних переваг:

• Вище ККД, зазвичай 20-22%, а у топових моделей до 23-24%. На одній і тій же площі можна встановити менше панелей та отримати ту саму потужність.

• Ефективна робота при розсіяному світлі (вранці, у похмуру погоду тощо).

• Монокристал гріється так само як полікристал, але втрачає менше продуктивності при перегріві.

Монокристали довше тримають заявлену потужність і не втрачають її стрибками.

Полікристалічний кремній

Панелі виготовляються з багатьох кремнієвих кристалів, сплавлених разом.

Особливості:

• Нижче за ККД, зазвичай 16–18 %.

• Часткове затінення (наприклад, тінь від антени або димоходу) може сильно «опустити» вихідну потужність.

• На спеку такі панелі швидше втрачають потужність. У пікове літо різниця може бути відчутною.

Ціна на 10–15 % нижче за ват встановленої потужності. Але якщо площа обмежена або важлива стабільність виробітку, це може бути економією з наслідками.

А що крім кремнію? Тонкоплівкові панелі

Більшість сонячних панелей – це жорсткі прямокутники з кремнію. Але є і тонкоплівкові моделі. Замість кремнієвих пластин використовують тонкий світлочутливий шар, який наносять прямо на скло, метал або гнучку підкладку. Вироби виглядають як рівне темне скло без окремих квадратиків усередині. Панель виходить тоншою, легшою і навіть гнеться.

Необхідність гнучкої сонячної панелі може виникнути, наприклад, коли ви облаштовуєте свій будинок на колесах. Зважаючи на невелику площу даху хочеться залучити максимум її поверхні, а вона часто нерівна. Ефективність у них нижча, служать вони зазвичай менше, і в Україні такі панелі трапляються рідко. Тому для дому чи бізнесу майже завжди вибирають традиційні кремнієві: вони потужніші та перевірені часом.

Як влаштований ринок сонячних панелей і які технології в них застосовуються

Що впливає на те, як працюють сонячні панелі за інших рівних (потужності, місця встановлення тощо)? Річ у тім, що на ринку представлено безліч різних технологій, які використовуються при виробництві фотоелементів та конструкції панелі в цілому. Вони визначають:

• як панель поводитиметься при перегріві;

• наскільки сильно впаде потужність при затіненні одного кута;

• скільки років панель прослужить без серйозної деградації;

• як швидко вона втрачає ефективність із віком.

Саме тому потужність це лише один із параметрів, і дивитися потрібно на будову сонячної батареї: що всередині фотоелемента, яка у нього архітектура, як влаштовані дроти, як обробляється задня сторона, як впаяні шини, скільки їх, який тип кремнію застосований тощо.

Чим відрізняється одна панель від іншої

Щоб досягти високої продуктивності, виробники використовують різні технологічні рішення, які впливають на внутрішню структуру осередку та поведінку панелі за різних умов.

• PERC - найпопулярніша сьогодні технологія, що дозволяє "вичавити" більше енергії шляхом відображення світла від задньої сторони осередку. Це вже практично стандарт: такі панелі ставлять майже всі, хто обирає недорогу, але ефективну систему.

• Half-cut: осередки розрізають навпіл, щоб знизити втрати на нагрівання і краще справлятися з частковим затіненням. Якщо у вас на даху є труба або тінь від сусідньої будівлі, це must-have.

• TOPCon це наступний щабель. У таких осередках використовуються додаткові тонкоплівкові шари, які покращують контакт між кремнієм та металом, а також зменшують рекомбінацію електронів (тобто втрати енергії). Результат – ще вище ККД (до 23%), краща робота при високих температурах та повільніша деградація. Такі панелі поки коштують трохи дорожче, але швидко набирають популярності завдяки співвідношенню ціна/якість та придатності для регіонів зі спекотним літом.

• IBC та HJT – топсегмент. У IBC всі контакти заховані ззаду, і вся поверхня працює на вироблення. HJT поєднує кремній та тонкоплівкові технології. Працює навіть у хмарну погоду та майже не деградує з часом. Це преміум і ставлять такі панелі, коли важлива максимальна віддача з обмеженої площі (наприклад, на даху в центрі міста).

Бажаєте знати більше? Замовте безкоштовну консультацію в Atmosfera: менеджери із задоволенням розкажуть про все, що вас цікавить.