Все, что нужно знать о солнечных панелях

Вы хотите сэкономить на электричестве либо иметь дополнительный и независимый источник альтернативной энергии? А может, вы являетесь сторонником зеленой энергетики? Если так, то солнечные панели – тема для вас.

• Энергия Солнца, или что такое солнечные панели
• Солнечные панели – из истории создания
• Чем отличаются солнечные панели от солнечных коллекторов
• Принцип работы солнечных панелей
• Виды пластин фотоэлементов
• КПД солнечных панелей
• Что влияет на энергоэффективность солнечных панелей?
• Преимущества и недостатки солнечных панелей
• Где применяются солнечные панели

Энергия Солнца, или что такое солнечные панели

Солнце – главный источник энергии для всего живого и самой нашей планеты. Причем количества энергии, поступающей на Землю за каких-то 40 минут, хватает, чтобы удовлетворить энергетические потребности всех жителей земного шара в течение года. Учитывая возобновляемые и  практически безграничные ресурсы небесного светила, перспективы его использования велики. Тем более что из всех альтернативных источников энергии именно солнечная признана самой безопасной и экологически чистой. Поэтому сегодня энергия солнца становится все более востребованной в самых разных сферах жизнедеятельности человека.

Воспользоваться этим даром природы людям помогают специальные устройства – солнечные панели (или солнечные батареи). Они  преобразуют бесплатную энергию Солнца в электрическую и приобретают возрастающую популярность по всему миру.

Солнечные панели – из истории создания

Идея преобразования бесплатных солнечных лучей в энергию, которая будет работать на благо человека, будоражила людей давно. Так сложилось, что первым решением исторически стали солнечные термальные электростанции или солнечные коллекторы, которые принципиально отличатся от солнечных батарей (о принципе  действия коллекторов коротко расскажем ниже). Солнечные же панели стали по факту второй и достаточно удачной попыткой человечества преобразовать энергию солнца в другой вид энергии, которая может использоваться для электроснабжения разного рода жилых, нежилых и хозяйственных обьектов.

И хотя солнечной энергетике не так много лет, ее развитию предшествовал целый ряд открытий и разработок. Но настоящий прорыв в направлении использования энергии света случился в середине 19 века, когда французский ученый Александр Эдмон Беккерель открыл явление фотоэлектрического эффекта. В 1873 году английский инженер-электрик Уиллоуби Смит обнаружил эффект фотопроводимости в селене, а несколькими годами спустя американец Чарльз Фриттс сконструировал  первый фотоэлемент, состоящий из тонкого слоя селена, расположенного между пластинками золота и меди, и имевший эффективность всего 1%.  

В 1987 году Генрих Герц открыл внешний фотоэффект, а в 1889 году русский Александр Столетов, в экспериментальной установке которого потек электрический ток, рожденный световыми лучами, описал закономерности фотоэффекта.  Позднее к этому «приложил руку» и Альберт Эйнштейн. В начале 20 века он  объяснил фотоэлектрический эффект на основе квантовой теории, за что впоследствии даже получил Нобелевскую премию. А первые прототипы солнечных панелей были созданы  итальянским фотохимиком Джакомо Луиджи Чамичаном. В дальнейшем научные изыскания в области полупроводников привели к синтезированию кремниевых   фотоэлементов с КПД 4%. Эта инновация была сделана в 1954 году в лаборатории компании «Bell Telephone». Позднее их эффективность увеличили до 15%, и солнечные батареи были впервые использованы в сельской местности и отдаленных городах как  источник питания для системы телефонной связи, где они успешно использовались на протяжении многих лет. Еще через несколько лет в космос были запущены спутники с использованием солнечных батарей. Впоследствии были разработаны и созданы фотоэлементы на основе других полупроводников.

Чем отличаются солнечные панели от солнечных коллекторов

Как мы уже писали выше, солнечные коллекторы человечество придумало раньше, чем солнечные панели. Это совершенно разные устройства, хотя оба преобразуют энергию Солнца и в названии имеют слово «солнечный». На этом, пожалуй, их общность заканчивается. А теперь рассмотрим различия.

Если сказать коротко, то при использовании солнечных коллекторов потребитель «на выходе» получает тепловую энергию в виде нагретого теплоносителя, а солнечные панели предназначены только для генерации электрического тока.

Солнечные панели непосредственно  преобразуют энергию солнца в электричество при помощи фотоэлементов (ФЭП – фотоэлектрических преобразователей или солнечных элементов).

Солнечный коллектор – это гелиоустановка, задача которой собирать и передавать тепловое излучение теплоносителю, который циркулирует через коллектор. В свою очередь, теплоноситель нагревает емкость, где находится вода для обеспечения горячего водоснабжения. То есть в отличие от солнечных панелей, солнечный коллектор производит нагрев материала-теплоносителя, а затем накопленная энергия используется для определенных целей (нагрева воды, работы отопительной системы, промывочных работ). Попросту говоря, солнечные коллекторы производят горячую воду.

Принцип работы солнечных панелей

Солнечные панели предназначены для преобразования энергии Солнца в электрическую. Их также называют солнечными батареями или солнечными модулями. Солнечная панель представляет собой устройство, состоящее из фотоэлементов, которые как раз и занимаются преобразованием одного вида энергии в другой. Фотоэлементы  – это полупроводниковые пластины, напрямую преобразующие солнечное излучение в электрический ток. Между собой фотоэлементы соединяются в параллельные или последовательные электрические цепи, которые в совокупности работают как единый источник электрического тока. 

Фотоэлементы изготавливают из разных элементов, но наиболее распространены солнечные элементы на основе кремния. Именно их выпускают в промышленных масштабах. Реже используют кадмий, теллур, селениды меди, аморфный кремний. Еще меньший процент – порядка 10%– составляют тонкопленочные солнечные элементы (например, CdTe).

Если говорить о кремниевых ФЭП, то каждый из элементов представляет собой тонкую пластину, состоящую из двух слоев кремния с собственными физическими свойствами, которые соединены между собой. Поскольку речь идет о полупроводниках, слои должны иметь разную проходимость для того, чтобы свободные электроны беспрепятственно переходили из одного слоя в другой. Ведь полупроводник – это материал, в атомах которого либо не хватает электронов (p-тип), либо есть лишние электроны (n-тип). Как правило, верхний слой – отрицательный (n-слой), он используется в качестве катода, а нижний слой – положительный (p-слой), он представляет собой анод. Излишек электронов из n-слоя может покидать свои атомы, тогда как p-слой эти электроны захватывает. Вот как раз солнечные лучи и выступают катализатором такой реакции – «выбивают» электроны из атомов n-слоя, а затем они летят занимать пустые места в p-слой. То есть при попадании на фотоэлемент частиц света (фотонов) из-за неоднородности кристалла между слоями полупроводника образуется вентильная фотоэлектродвижущая сила.

В результате этого возникает разность потенциалов и ток электронов, которые движутся по замкнутому кругу, выходя из p-слоя, проходя через внешнюю нагрузку (в данном случае аккумулятор) и возвращаясь в n-слой. Таким образом, принцип работы солнечной панели напоминает своеобразное колесо, по которому вместо белки «бегают» электроны. При этом аккумулятор постепенно заряжается.

Верхний слой пластинки-фотоэлемента, который обращен к Солнцу, делается из кремния, но с добавлением фосфора. Он и становится источником избыточных электронов в системе p-n-перехода.

Виды пластин фотоэлементов

По технологии изготовления кремниевые пластины ФЭП бывают двух видов: монокристаллические и поликристаллические. Монокристаллические выполняются в виде квадрата со скошенными углами, поликристаллические – ровные квадраты. Но форма – не главное их различие.

Монокристаллические ФЭП делают из искусственно выращенного цельного кристалла кремния. А поликристаллические получают достаточно простым и недорогим методом постепенного охлаждения расплавленного кремния. 

Поэтому монокристаллические фотоэлементы имеют однородную структуру и более высокий коэффициент полезного действия (КПД). Однако себестоимость их производства выше,  они дороже, чем поликристаллические пластины.

Минусом поликристаллических пластин является их невысокая производительность  – не больше 15%. Это связано с их недостаточной чистотой и внутренней структурой. КПД  монокристаллического фотоэлемента достигает уже 20-25%.

КПД солнечных панелей

Стандартные фотоэлементы из кремния – однопереходные, то есть переток  электронов осуществляется только через один p-n-переход, зона которого ограничена по энергии фотонов. Это означает, что каждый отдельно взятый ФЭП может производить электроэнергию лишь от лучей определенного узкого спектра. Остальная энергия света пропадает впустую. Это и является основной причиной не очень высокой эффективности фотоэлементов.

КПД солнечных панелей сегодня пытаются повысить разными способами. К примеру, одно из решений  – каскадные (многопереходные) кремниевые элементы. Каждый из таких ФЭП имеет несколько переходов и рассчитан на определенный спектр солнечных лучей.  В сумме эффективность преобразования лучей света в электрический ток увеличивается, а с ним и производительность панели в целом. Однако цена таких элементов выше, чем однопереходных. Поэтому в каждом конкретном случае потребитель должен решать дилемму, что ему важнее – цена или энергоэффективность.

Обычно число фотоэлементов в одной солнечной панели кратно 12, а номинальная мощность одного такого устройства составляет от 30 до 350 Вт. Наиболее низким КПД, от 5% до 10%, обладают аморфные, органические  и фотохимические ФЭП. Такая панель площадью 1м² будет вырабатывать от 25 до 50 Вт/ч электроэнергии.  КПД самых распространенных сегодня кремниевых солнечных батарей составляет 17 – 25%. Это означает, что на 1м² площади панели генерируется до 125 Вт/ч. Вообще же, разработчики по всему миру сегодня работают над увеличением КПД до 30%, и такие решения уже есть. Например,  солнечные панели на основе арсенида галлия. Именно они способны составить конкуренцию кремниевым панелям, а при площади 1м² такая панель даст электроэнергии в объеме 150 Вт/ч.

Что влияет на энергоэффективность солнечных панелей?

 Энергоэффективность – важный показатель солнечных панелей. Для примера, один фотоэлемент (одна пластина) способен при солнечной погоде произвести энергию, которой будет достаточно лишь для зарядки карманного фонарика. Поэтому когда речь идет о более серьезных масштабах генерирования электроэнергии, ФЭПы обычно объединяют в цепи (параллельное соединение – для увеличения напряжения, последовательное – для увеличения силы тока). Их количество и структура во многом определяют  энергоэффективность панелей. Кроме того, на энергоэффективность гелиопанелей влияет такие факторы:

• мощность светового потока;
• угол падения солнечных лучей;
• правильный подбор сопротивления нагрузки;
• температура окружающего воздуха и самой панели;
• отсутствие или наличие антибликового покрытия элементов.

Например, солнечный элемент и сама панель во время работы постепенно нагреваются. Та часть энергии, которая не пошла на производство электрического тока, трансформируется в тепло. Поэтому часто температура на поверхности панели может достигать значений более 50Сº. Однако чем выше температура поверхности, тем хуже работает фотоэлемент.  Это значит, что одна и та же панель в разную погоду работает по-разному: менее эффективно в жару, и более эффективно в холод, а максимальную эффективность показывает в солнечный морозный день.

Преимущества и недостатки солнечных панелей

Как и любое устройство, солнечные панели имеют свои преимущества и недостатки.

Преимущества солнечных панелей

• Неиссякаемость, возобновляемость и всеобщая доступность источника энергии, что важно особенно в условиях истощения других видов природного топлива (нефть, газ, уголь).
• Экологичность. Солнечные электростанции действительно относятся к наиболее экологически чистым видам производства электроэнергии. При работе они не выделяют вредных примесей в воздух, работают бесшумно в сравнении с ветряками. Единственно к чему можно придраться, как и с электрокарами, так это к тому, что при производстве самих панелей, аккумуляторов, электростанций и различных проводников используются токсичные вещества, которые загрязняют окружающую среду.
• Экономичность – солнечные панели дают возможность экономить электроэнергию и, соответственно, деньги. Ведь для выработки электричества применяются солнечные лучи, которые абсолютно бесплатны.
• Износостойкость и большой срок службы. Гарантийный срок обычно составляет 25–30 лет, но фотоэлектростанция не прекратит свою деятельность и после этого периода.  Износ происходит очень медленно, особенно если нет подвижных частей.
• Одномоментность переработки солнечной энергии в электрическую.
• Выработка энергии не только в солнечную, но и в пасмурную погоду.
• Возможность автономизации системы энергоснабжения объекта и независимость от централизованного электроснабжения.
• Простота, стабильность, надежность конструкции и ее монтажа.
• Можно нарастить конструкцию, если есть необходимость увеличения мощности системы это легко сделать благодаря модульности солнечных панелей.

Недостатки солнечных панелей

• Высокая стоимость и длительный период окупаемости (до 10 лет).
• Невысокий КПД.
• Низкая энергоэффективность в пасмурную погоду и ночью.
• Неравномерная выработка электричества, которая зависит от освещенности и погоды. Это можно компенсировать, если подключить систему к сети – тогда днем можно будет продавать излишнее электричество электрокомпании, а ночью использовать централизованное электроснабжение.
• Большие размеры. Панели занимают много места – для их установки требуется наличие значительных площадей. Они могут занимать, например, всю крышу и стены строения.
• Сложность использования в регионах с большим количеством осадков, особенно снега.
• Потребность в установке дополнительных устройств для получения переменного тока (солнечные панели производят только постоянный ток) и для накопления энергии (потому что электричество вырабатывается только на протяжении светового дня).

Где применяются солнечные панели

По мере развития технологий, совершенствуется и солнечная энергетика. Гелиопанели становятся дешевле и эффективней, разрабатываются  новые инженерные решения, расширяется сфера их сфера применения. Из солнечных панелей создают целые солнечные электростанции (СЭС), которые могут производить электроэнергию в  больших масштабах. Поэтому сегодня солнечные панели применяют не только в быту, но также в промышленности, сельском хозяйстве, космической отрасли и дорожном строительстве. Солнечная энергия используется  для уличного освещения, электрокаров, электромоторных судов и других видов транспорта, в частных домовладениях, смартфонах и разных гаджетах, в детских игрушках и даже в устройствах для барбекю. Но судя по всему, это  далеко не предел, и сферы применения солнечных панелей будут развиваться еще активнее и все больше входить в нашу жизнь.