Сонячні панелі

Розвитку сонячної енергетики приділяє все більше країн, всіляко сприяючи відкриттю нових потужних сонячних електростанцій (СЕС). Особливої популярності останнім часом набули невеликі переносні блоки з фотоелементами. Найбільш популярні вони серед любителів вилазок на природу. Так кожен може купити необхідну кількість невеликих панелей і зібрати свою переносну міні-електростанцію. Їхню основу представляють панелі, складені зі спеціальних фотоелементів.

Сонячна панель – це пристрій, у якому під впливом сонячних променів виробляється електричний струм. Технічною мовою – сонячна панель є об'єднанням певної кількості фотоелементів, що є напівпровідниковими пристроями.

Принцип роботи пристрою зводиться до того, що він перетворює енергію світлових променів електричний струм. А сама електрика необхідна для роботи побутових приладів та обладнання. Уряди багатьох країн спонсорують «зелені проекти», особливо це є актуальним у зв'язку з кліматичними змінами.

Сонячна енергетика – перспективний напрямок у розвитку альтернативних джерел енергії. Технологія просунулась настільки, що сучасні батареї здатні закрити потреби в електриці заміського будинку навіть у тих широтах, де кількість ясних днів дуже обмежена.

Використання сонячних батарей ґрунтується на можливості взаємодії сонячного світла (а це електромагнітне випромінювання) з речовиною. При цьому взаємодії енергія фотонів (світлових частинок) передається електронам речовини, тобто енергія світла перетворюється на постійний електричний струм.

Ця можливість була відкрита ще в ХІХ столітті, і отримала назву фотоелектричного ефекту. Для його виникнення та підтримки необхідні фотоелектричні напівпровідникові перетворювачі (фотоелементи). Перші сонячні панелі мали ККД лише 1%, хімічної основою яких був селен.

Напівпровідник – матеріал з надлишком чи нестачею електронів. У напівпровідниковому елементі є два шари з різною провідністю. Шар із зайвими електронами грає роль катода, шар із нестачею електронів – анода. У більшості сучасних виробів роль напівпровідників виконують кремнієві пластини, що мають необхідні напівпровідникові властивості.

Окремі фотоелементи мають надто малу потужність, щоб живити електроприлад. Тому їх об'єднують в електричний ланцюг, який формує те, що називають сонячною панеллю:

• Пристрій виглядає як панель, де заламіновані кремнієві пластини, відповідальні за перетворення енергії.
• Зверху панель захищає загартоване скло. Щоб підвищити ефективність, вибирають марку із високою прозорістю скла, що вирішується низьким вмістом оксидів заліза.
• Панель виходить повністю герметичною завдяки ламінації , а матеріали, що використовуються, роблять її стійкою до вітрових і снігових впливів.

Тип панелей (модулів) визначається технологією нанесення кремнію:

• Полікристалічний тип. Бюджетний варіант недовговічних сонячних панелей підходить як додаткове джерело енергії для заміського будинку. Як правило, за цією технологією робляться якісні мобільні та складні моделі, які вбудовуються в гаджети або їх можна взяти у подорож чи похід. Їхня ефективність порівняно низька – до 18 %, причому в хороший сонячний день.

• Монокристалічний кремній. Їх термін експлуатації до 40-50 років менше падає якість перетворення, зберігаючи його протягом роботи на рівні не нижче 70-80% початкової потужності. Панелі з монокристалічних елементів демонструють ефективність до 22% (у серії) у хороший сонячний день; ті, що використовують у космічній галузі – до 38 %. Ця технологія, як правило, не використовується для виробництва вбудованих та переносних панелей.

• Мультикристалічний кремній. Модулі з мультикристалічного кремнію прості у виготовленні, тому мають більш доступну вартість. ККД сягає 15 % при прямому сонячному світлі, служба розрахована на 25 років. Найчастіше використовується у виробництві іграшок та побутових приладів з підживленням від сонячної енергії.

• Тонкоплівкові батареї. Можуть функціонувати при розсіяному світлі (без прямого сонячного світла), що є плюсом у туманному кліматі чи запиленому повітрі. Це дає додатково 10-15% потужності на рік (якщо порівнювати із традиційними кристалічними системами).

• Сонячні панелі з аморфного кремнію. ККД невисокий (6-8 %), зате електроенергія, що виробляється, – одна з найдешевших.

• Моделі на основі CIGS (напівпровідникові). До складу напівпровідника входить мідь у суміші з індієм, галієм та селеном. В основі виготовлення батареї лежить плівкова технологія, ефективність досягає 15% за стандартної освітленості.
• Батареї с з використанням телуриду кадмію (CdTe). Виготовляються за плівковою технологією, відрізняються надтонким напівпровідниковим шаром. ККД не перевищує 11 %, зате енергія, що генерується, обходиться на 20-30 % дешевше, ніж у кремнієвих моделей.

Але в будь-якому випадку використання сонячної панелі, як безпосереднього джерела живлення споживачів, неможливе через нестабільні струми і напруги, що залежать від рівня освітленості та температури, в тому числі залежної навіть від подиху вітру. Тому вони є лише частиною сонячних систем, що включають в себе ще, як мінімум, контролер сонячних панелей, а також обов'язково пристрій накопичення енергії, акумулятор або мережу (при використанні пристроїв підживлення загальної електромережі, наприклад, за «Зеленим тарифом»). А такі системи поділяються на типи:

• Автономні (закриті). Працюють там, де немає можливості підключитись до центральної електромережі. У разі тривалої відсутності сонця (наприклад, взимку) з такими системами є ризик залишитись без електроенергії, якщо не підстрахуватися дизельним/бензиновим генератором.
• Відкриті. Відкрита система називається, коли сонячна панель підключена до загальної електромережі. У такому разі необхідність придбання акумулятора та контролера відпадає. Сонячні батареї приєднуються до спільної мережі за допомогою інвертора. Якщо потужність, що споживається побутовими приладами, не перевищує ту, яку виробляють панелі, то із загальної електромережі струм не береться. У випадку, коли ви увімкнули прилади підвищеного енергоспоживання і батареї не можуть їх забезпечити струмом, електрика береться із загальної мережі. Особливістю є те, що якщо струму не буде в основній мережі, батареї працювати не стануть.
• Комбіновані. Система працює автономне, на генерації від сонця, але при необхідності перемикається на дублююче джерело (електромережа або той же дизель). Джерела повинні бути пов'язані в мережу за допомогою керуючих пристроїв (наприклад, інверторів), що перемикають живлення в автоматичному режимі. Комбіновані мережі не набули широкого поширення, оскільки вони дорогі.

Щоб забезпечити житло електрикою, доведеться придбати:

• Власне сонячні панелі. Це той елемент конструкції, який кріпиться на стіни чи дах будинку. При попаданні кванта сонячного світла кремнієві кристали починають коливатися і створюється електричний струм.
• Акумулятор. Енергія, яка не пішла на витрату побутових потреб, акумулюється в цьому приладі, і потім уночі або в негоду вона витрачається.
• Контролер напруги. Цей елемент є радше не обов'язковим, а бажаним. Він підвищує тривалість життя акумулятора, повідомляє про його гранично низький і високий заряд.
• Інвертор або перетворювач енергії. В акумуляторі електричний струм перебуває у постійному значенні, а для побутових потреб необхідний змінний. Інвентар і здійснює це перетворення.

Енергія сонця відноситься до альтернативних, відновлюваних джерел, її використання вважається прогресивним способом енергоспоживання, але має як переваги, так і недоліки:

• Сонячна енергетика – динамічна галузь і ефективність нових моделей сонячних панелей постійно підвищується. Вони вже можуть працювати навіть при суцільній хмарності, природно, вироблення при цьому знижується, але все ж таки не до нуля.
• Залежно від розмірів встановленої системи та обсягу споживання щомісячні витрати на мережеву електроенергію помітно знизяться.
• Невелика вага, легка експлуатація, відсутність шуму лише збільшують привабливість.
• Однак монтаж системи вимагає великих площ та обслуговування в негоду та після. Втім, витрати на обслуговування залишаються дуже низькими.
• Панелі спочатку вимагають вкладення великих коштів, їм потрібний простір для встановлення, а ККД досить низький навіть у кращих моделей.
• Панелі можуть бути джерелом енергії лише вдень. Щоб користуватися дарами зеленої енергетики цілодобово, необхідний акумулятор – буферний накопичувальний пристрій, а також інвертор (прилад для перетворення постійного струму на змінний). Безкоштовну енергію від природи важко назвати дешевою.
• Зелена технологія шкодить природі не гірше за традиційне спалювання будь-якого палива. Варто згадати особливості виробництва та, особливо, утилізації панелей та акумуляторів. Її екологічність під великим питанням.
• Таке джерело енергії важко назвати незалежним. Ви не маєте точок перетину з державними мережами, але не зможете обійтися без компаній, що займаються обслуговуванням, ремонтом систем, продажом комплектуючих.
• Не завжди можна вийти на окупність системи, частіше технологія виявляється збитковою.

Втім, більшість недоліків, що визначають власну вигоду власника, походять не від методичних чи технологічних недоробок, а від неуважного підбору панелей, низької продуктивності, невідповідних у наших кліматичних умовах та у підборі технічних характеристик контролерів панелей чи гібридних інверторів.

Щоб обладнання виявилося максимально ефективним, рекомендують визначитися з такими питаннями:

• Формат використання . Одна справа – портативна панель, яку можна повісити на вікно або взяти в поїздку, зовсім інша – повноцінна система для встановлення на дах будинку. Вартість залежить від типу, потужності та країни-виробника.
• Характеристики. Щоб вибрати модель потрібного типу та потужності, потрібно не тільки уважно вивчити інструкцію пристрою сонячної системи, до якого панелі підключаються, але корисно звернутися до фахівців, проте все також упирається у спосіб використання. Для зарядки ліхтарика вистачить панелі потужністю 3-4 Вт, для дачного холодильника знадобиться система не менше 100 Вт.
• Розташування. Для монтажу сонячних панелей вибирають поверхню, орієнтовану на південь без затінених ділянок. Кут нахилу вибирають рівним широті місцевості і коригують в залежності від пори року: влітку збільшують на 6 °, взимку на стільки ж зменшують.

Загалом сонячні панелі сьогодні знаходять застосування буквально скрізь. Сонячні батареї – це популярне у багатьох країнах джерело дешевої електрики. Використовуючи природні ресурси, людина навчилася видобувати електроенергію не лише з води, потоків вітру та горіння корисних копалин, а й із сонячних променів. Варто розуміти, що сонячні панелі є частиною системи, самі по собі вони не генеруватимуть корисний електричний струм. Безперечно, що на даному етапі не всі проекти ефективні та фінансово виправдані. Однак майбутнє сонячної енергетики не таке туманне, і рано чи пізно людство злізе з «нафтової голки» і перестане отруювати атмосферу.