Как устроена солнечная панель

Разбираем существующие технологии, материалы и параметры эффективности фотомодулей.

В Украине стремительно растет интерес к альтернативной энергетике и, прежде всего, к солнечной. Благодаря доступности оборудования и зрелости технологии, многие домовладения и бизнес переходят на собственную генерацию.

На территории Украины построено по меньшей мере 1369 крупных и средних сетевых солнечных электростанций и более 35000 частных, а суммарная установленная мощность солнечной генерации превышает 7 ГВт. С учетом автономных и гибридных систем этот показатель достигает примерно 8 ГВт, что позволяет ежегодно производить до 10 ТВт·ч электроэнергии. Это около 6% от общего объема, потребляемого в стране.

В этой статье мы обсудим, как устроена солнечная панель и что отличает один фотомодуль от другого. Ведь развитие солнечной энергетики в стране во многом стало возможным благодаря стремительному прогрессу фототехнологий. За последние 10 лет эффективность модулей выросла с 14–16% до 21–23% даже в массовом сегменте, при этом стоимость за ватт установленной мощности снизилась почти втрое. Современные панели выдают больше энергии при том же количестве света, и дольше сохраняют продуктивность: деградация материала замедлилась, а гарантийный срок нередко превышает 25 лет.

Основной принцип работы солнечных батарей: как свет превращается в электроэнергию

Солнечная панель – это плотно соединенные между собой фотоэлементы, изготовленные чаще всего из кремния. Каждый обладает свойством генерировать электричество при попадании солнечного света. 

Принцип работы базируется на фотоэлектрическом эффекте: когда солнечное излучение попадает на полупроводник (кремниевую пластину), фотоэлементы начинают выталкивать электроны. Это создает постоянный ток, как в батарейке. Только не от химической реакции, а от светового потока. Он преобразуется инвертором в переменный, пригодный для питания бытовых приборов или подачи в сеть. Чем больше света, тем больше тока. В пасмурную погоду генерация не останавливается, но мощность снижается. 

Atmosfera о главном: как устроены солнечные батареи и из чего состоят

Они состоят из набора кремниевых фотоячеек, заключённых в прочный многослойный корпус.

• Ячейки соединены между собой металлическими проводниками (шинами), формируя электрическую цепь, которая собирает и направляет ток.

• Сверху защищены закалённым стеклом. Оно прочное и пропускает максимум солнечного света, одновременно защищая от механических повреждений, дождя и града.

• Под ячейками находится защитная плёнка (EVA, этиленвинилацетат), которая фиксирует их на месте и амортизирует удары.

• С обратной стороны панели расположен слой из прочного и влагостойкого материала (обычно это полиэстер или полимерный лист), который препятствует попаданию пыли и воды внутрь модуля.

• По периметру панели идёт алюминиевая рама, которая придаёт конструкции жёсткость, облегчает установку и защищает края от повреждений.

Современные панели дополнительно оснащаются технологическими улучшениями (например, Half-cut, PERC или TOPCon) которые повышают их эффективность и устойчивость к затенению или нагреву.

Снаружи солнечная панель выглядит как плоский прямоугольник, чаще всего тёмного цвета, с характерным блеском кремния под стеклом. Может монтироваться на крышу, фасад, землю. Одна панель выдает в среднем от 400 до 600 Вт (сейчас делают даже до 800 Вт), а для создания полноценной станции их объединяют в модули и строки.

Например, для построения сетевой СЭС на 10 кВт потребуется около 22–24 панелей. Это типовые показатели для современных фотомодулей, использующих монокристаллический кремний с КПД около 21 %.

Какой кремний бывает и почему это важно

Таким образом, принцип работы солнечной панели основывается на свойствах кремниевых ячеек. Именно кремний чаще всего отвечает за преобразование света в электричество. Но он бывает разным: в одних панелях используется монокристаллический, в других поликристаллический. Это влияет на выходную мощность, поведение при затенении, и срок службы панели.

Их легко отличить даже визуально: первый почти черный и имеет ровные геометрические ячейки, второй синий, с неоднородной текстурой.

Монокристаллический кремний

Панели изготавливаются из одного кристалла кремния с идеально упорядоченной решёткой. Это сложнее и дороже в производстве, но даёт целый ряд практических преимуществ:

• Выше КПД, обычно 20–22 %, а у топовых моделей до 23–24 %. На одной и той же площади можно установить меньше панелей и получить ту же мощность.

• Эффективная работа при рассеянном свете (утром, в пасмурную погоду и т.п).

• Монокристалл греется так же, как поликристалл, но теряет меньше производительности при перегреве.

Монокристаллы дольше держат заявленную мощность и не теряют её скачками.

Поликристаллический кремний

Панели изготавливаются из множества кремниевых кристаллов, сплавленных вместе.

Особенности:

• Ниже КПД: обычно 16–18 %.

• Частичное затенение (например, тень от антенны или дымохода) может сильно «уронить» выходную мощность.

• На жаре такие панели быстрее теряют мощность. В пиковое лето разница может быть ощутимой.

Цена на 10–15 % ниже за ватт установленной мощности. Но если площадь ограничена или важна стабильность выработки, это может быть экономией с последствиями.

А что кроме кремния? Тонкоплёночные панели

Большинство солнечных панелей это жёсткие прямоугольники из кремния. Но есть и тонкоплёночные модели. Вместо кремниевых пластин используется тонкий светочувствительный слой, который наносят прямо на стекло, металл или гибкую подложку. Изделия выглядят как ровное тёмное стекло без отдельных квадратиков внутри. Панель получается тоньше, легче и даже гнется.

Необходимость в гибкой солнечной панели может возникнуть, например, когда вы обустраиваете свой дом на колесах. Ввиду небольшой площади крыши хочется задействовать максимум ее поверхности, а она зачастую неровная. Эффективность у них ниже, служат они обычно меньше, и в Украине такие панели встречаются редко. Поэтому для дома или бизнеса почти всегда выбирают традиционные кремниевые: они мощнее и проверены временем.

Как устроен рынок солнечных панелей и что за технологии в них применяются

Что влияет на то, как работают солнечные панели при прочих равных (мощности, месте установки и т.д.)? На рынке представлено множество разных технологий, которые используются при производстве фотоэлементов и конструкции панели в целом. Они определяют:

• как панель будет себя вести при перегреве;

• насколько сильно упадёт мощность при затенении одного угла;

• сколько лет панель прослужит без серьёзной деградации;

• как быстро она теряет эффективность с возрастом.

Именно поэтому мощность это только один из параметров, и смотреть нужно на устройство солнечной батареи: что внутри фотоэлемента, какая у него архитектура, как устроены провода, как обрабатывается задняя сторона, как впаяны шины, сколько их, какой тип кремния применён, и т. д.

Чем отличается одна панель от другой

Чтобы добиться высокой производительности, производители используют разные технологические решения, которые влияют на внутреннюю структуру ячейки и поведение панели при различных условиях.

• PERC – самая популярная сегодня технология, позволяет "выжать" больше энергии за счёт отражения света от задней стороны ячейки. Это уже практически стандарт: такие панели ставят почти все, кто выбирает недорогую, но эффективную систему.

• Half-cut : ячейки разрезают пополам, чтобы снизить потери на нагрев и лучше справляться с частичным затенением. Если у вас на крыше есть труба или тень от соседнего здания это must-have.

• TOPCon это следующая ступень. В таких ячейках используются дополнительные тонкоплёночные слои, которые улучшают контакт между кремнием и металлом, а также уменьшают рекомбинацию электронов (то есть потери энергии). Результат ещё выше КПД (до 23 %), лучше работа при высоких температурах и медленнее деградация. Такие панели пока стоят чуть дороже, но быстро набирают популярность благодаря соотношению цена/качество и пригодности для регионов с жарким летом.

• IBC и HJT – топ-сегмент. У IBC все контакты спрятаны сзади, и вся поверхность работает на выработку. HJT совмещает кремний и тонкоплёночные технологии. Работает даже в облачную погоду и почти не деградирует со временем. Это премиум, и ставят такие панели, когда важна максимальная отдача с ограниченной площади (например, на крыше в центре города).

Хотите знать больше? Закажите бесплатную консультацию в Atmosfera: менеджеры с удовольствием расскажут обо всем, что вас интересует.