Солнечные панели

Развитию солнечной энергетики уделяет внимание всё больше стран, всячески способствуя открытию новых мощных солнечных электростанций (СЭС). Особую популярность последнее время приобрели небольшие переносные блоки с фотоэлементами. Наиболее востребованы они среди любителей вылазок на природу. Так каждый может закупить необходимое количество небольших панелей и собрать свою переносную мини-электростанцию. Их основу представляют панели, составленные из специальных фотоэлементов.

Солнечная панель – это устройство, в котором под воздействием солнечных лучей, вырабатывается электрический ток. Техническим языком – солнечная панель является объединением определенного количества фотоэлементов, являющимися полупроводниковыми устройствами.

Принцип работы устройства сводится к тому, что оно преобразует энергию световых лучей в электрический ток. А само электричество необходимо для работы бытовых приборов и оборудования. Правительства многих стран спонсируют «зеленые проекты», особенно это актуально в связи с климатическими изменениями.

Солнечная энергетика – перспективное направление в развитии альтернативных источников энергии. Технология продвинулась настолько, что современные батареи способны закрыть потребности в электричестве загородного дома даже в тех широтах, где количество ясных дней весьма ограничено.

Использование солнечных батарей основано на возможности взаимодействия солнечного света (а это электромагнитное излучение) с веществом. При этом взаимодействии энергия фотонов (световых частиц) передается электронам вещества, то есть, энергия света преобразуется в постоянный электрический ток.

Эта возможность была открыта еще в XIX веке, и получила название фотоэлектрического эффекта. Для его возникновения и поддержания необходимы фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (фотоэлементы). Первые солнечные панели имели КПД всего 1%, а их химической основой являлся селен.

Полупроводник – материал с избытком или недостатком электронов. В полупроводниковом элементе имеется два слоя с разной проводимостью. Слой с лишними электронами играет роль катода, слой с недостатком электронов – анода. В большинстве современных изделий роль полупроводников выполняют кремниевые пластины, обладающие необходимыми полупроводниковыми свойствами.

Отдельные фотоэлементы имеют слишком малую мощность, чтобы питать электроприбор. Поэтому их объединяют в электрическую цепь, которая формирует то, что называют солнечной панелью:

• Устройство выглядит как панель, в которой заламинированы кремниевые пластины, ответственные за преобразование энергии.
• Сверху панель защищает закаленное стекло. Чтобы повысить эффективность, выбирают марку с высокой прозрачностью стекла, что решается низким содержанием оксидов железа.
• Панель получается полностью герметичной благодаря ламинации, а используемые материалы делают ее стойкой к ветровым и снеговым воздействиям.

Тип панелей (модулей) определяется технологией нанесения кремния:

• Поликристаллический тип. Бюджетный вариант недолговечных солнечных панелей, подходит в качестве дополнительного источника энергии для загородного дома. Как правило, по этой технологии делаются качественные мобильные и складные модели, которые встраиваются в гаджеты или их можно взять в путешествие или поход. Их эффективность сравнительно низкая – до 18 %, причём в хороший солнечный день.

• Монокристаллический кремний. Их срок эксплуатации до 40-50 лет, меньше падает качество преобразования, сохраняя его на протяжении работы на уровне не ниже 70-80 % первоначальной мощности. Панели из монокристаллических элементов демонстрируют эффективность до 22 % (в серии) в хороший солнечный день; те, что используются в космической отрасли – до 38 %. Эта технология, как правило, не используется для производства встраиваемых и переносных панелей.

• Мультикристаллический кремний. Модули из мультикристаллического кремния просты в изготовлении, поэтому обладают более доступной стоимостью. КПД доходит до 15 % при прямом солнечном свете, служба рассчитана на 25 лет. Наиболее часто используется в производстве игрушек и бытовых приборов с подпиткой от солнечной энергии.

• Тонкопленочные батареи. Могут функционировать при рассеянном свете (без прямого солнечного света), что является плюсом в туманном климате или в запыленном воздухе. Это дает дополнительно 10-15 % мощности в год (если сравнивать с традиционными кристаллическими системами).

• Солнечные панели из аморфного кремния. КПД невысокий (6-8 %), зато вырабатываемая электроэнергия – одна из самых дешевых.

• Модели на основе CIGS (полупроводниковые). В состав полупроводника входит медь в смеси с индием, галлием и селеном. В основе изготовления батареи лежит пленочная технология, эффективность достигает 15 % при стандартной освещённости.
• Батареи с использованием теллурида кадмия (CdTe). Изготавливаются по пленочной технологии, отличаются сверхтонким полупроводниковым слоем. КПД не превышает 11 %, зато генерируемая энергия обходится на 20-30 % дешевле, чем у кремниевых моделей.

Но в любом случае использование солнечной панели, как непосредственного источника питания потребителей невозможно из-за нестабильных тока и напряжения, зависящих от уровня освещённости и температуры, в том числе зависящей даже от дуновений ветра. Поэтому они являются лишь частью солнечных систем, включающих в себя ещё, как минимум, контроллер солнечных панелей, а также обязательно устройство накопления энергии, как-то аккумулятор или сеть (при использовании устройств подпитки общей электросети, например, по «Зелёному тарифу»). А такие системы делятся на типы:

• Автономные (закрытые). Работают там, где нет возможности подключиться к центральной электросети. В случае длительного отсутствия солнца (например, зимой) с такими системами есть риск остаться без электроэнергии, если не подстраховаться дизельным/бензиновым генератором.
• Открытые. Открытой система называется, когда солнечная панель подключена к общей электросети. В таком случае необходимость приобретения аккумулятора и контролера отпадает. Солнечные батареи подсоединяются к общей сети с помощью инвертора. Если потребляемая бытовыми приборами мощность не превышает ту, которую производят панели, то из общей электросети ток не берется. В случае, когда вы включили приборы повышенного энергопотребления, и батареи не могут их обеспечить током, электричество берется из общей сети. Особенностью является то, что если тока не будет в основной сети, то батареи работать не станут.
• Комбинированные. Система работает автономно, на генерации от солнца, но при необходимости переключается на дублирующий источник (электросеть или тот же дизель). Источники должны быть связаны в сеть с помощью управляющих устройств (например, инверторов), переключающих питание в автоматическом режиме. Комбинированные сети не получили широкого распространения, так как они дороги.

Чтобы обеспечить жилище электричеством, придется приобрести:

• Собственно, солнечные панели. Это тот элемент конструкции, который крепится на стены или крышу дома. При попадании кванта солнечного света кремниевые кристаллы начинают колебаться, и создается электрический ток.
• Аккумулятор. Энергия, которая не пошла на расход бытовых нужд, аккумулируется в этом приборе, и потом ночью или в ненастную погоду она расходуется.
• Контроллер напряжения. Этот элемент является скорее не обязательным, а желательным. Он повышает продолжительность жизни аккумулятора, сообщает о его предельно низком и высоком заряде.
• Инвертор, или преобразователь энергии. В аккумуляторе электрический ток находится в постоянном значении, а для бытовых нужд необходим переменный. Инвертор и совершает данное преобразование.

Энергия солнца относится к альтернативным, возобновляемым источникам, ее использование считается прогрессивным способом энергопотребления, но имеет как преимущества, так и недостатки:

• Солнечная энергетика – динамическая отрасль, и эффективность новых моделей солнечных панелей постоянно повышается. Они уже могут работать даже при сплошной облачности, естественно, выработка при этом снижается, но всё же не до нуля.
• В зависимости от размеров установленной системы и объема потребления ежемесячные затраты за сетевую электроэнергию заметно снизятся.
• Небольшой вес, лёгкая эксплуатация, отсутствие шума лишь увеличивают привлекательность.
• Однако монтаж системы требует больших площадей и обслуживания в непогоду и после. Впрочем, затраты на обслуживание остаются весьма низкими.
• Панели изначально требуют вложения больших средств, им нужно пространство для установки, а КПД достаточно низкий даже у лучших моделей.
• Панели могут служить источником энергии лишь днем. Чтобы пользоваться дарами зеленой энергетики круглые сутки, необходим аккумулятор – буферное накопительное устройство, а также инвертор (прибор для преобразования постоянного тока в переменный). «Бесплатную энергию от природы» трудно назвать дешевой.
• Зеленая технология вредит природе не хуже традиционного сжигания любого топлива. Стоит вспомнить особенности производства и, особенно, утилизации панелей и аккумуляторов. Ее экологичность под большим вопросом.
• Такой источник энергии трудно назвать независимым. Вы не имеете точек пересечения с государственными сетями, но не сможете обойтись без компаний, занимающихся обслуживанием, ремонтом систем, продажей комплектующих.
• Не всегда можно выйти на окупаемость системы, чаще технология оказывается убыточной.

Впрочем, большинство недостатков, определяющих собственную выгоду владельца, исходят не от методических или технологических недоработок, а от невнимательного подбора панелей, низкой производительности, неподходящих в наших климатических условиях и в подборе технических характеристик контроллеров панелей или гибридных инверторов.

Чтобы оборудование оказалось максимально эффективным, рекомендуют определиться со следующими вопросами:

• Формат использования. Одно дело – портативная панель, которую можно повесить на окно или взять в поездку, совсем другое – полноценная система, для установки на крышу дома. Стоимость зависит от типа, мощности и страны-производителя.
• Характеристики. Чтобы выбрать модель нужного типа и мощности, нужно не только внимательно изучить инструкцию устройства солнечной системы, к которому панели подключаются, но полезно обратиться к специалистам, впрочем, все также упирается в способ использования. Для зарядки фонарика хватит панели мощностью в 3-4 Вт, для дачного холодильника понадобится система не менее 100 Вт.
• Расположение. Для монтажа солнечных панелей выбирают поверхность, ориентированную на юг, без затененных участков. Угол наклона выбирают равным широте местности и корректируют в зависимости от времени года: летом увеличивают на 6°, зимой на столько же уменьшают.

В общем, солнечные панели сегодня находят применение буквально везде. Солнечные батареи – это популярный во многих странах источник дешевого электричества. Используя природные ресурсы, человек научился добывать электроэнергию не только из воды, потоков ветра и горения полезных ископаемых, но и из солнечных лучей. Стоит понимать, что солнечные панели являются частью системы, сами по себе они не будут генерировать полезный электрический ток. Несомненно, что на данном этапе не все проекты эффективны и финансово оправданны. Однако будущее солнечной энергетики не так туманно, и рано или поздно человечество слезет с «нефтяной иглы» и перестанет отравлять атмосферу.