Из чего сделаны солнечные панели: строение и принцип работы

Дата 11.03.2024

Над проблемой преобразования солнечной энергии в электрическую, работали ученые еще в 19 веке. Первый прототип солнечной батареи был представлен в 1839 году Антуаном-Сезаром Беккерелем. КПД этой батареи был крайне низким и составлял всего 1%, но начало было положено. В начале 20 столетия, Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, это стало толчком в развитии технологии, но первая рабочая версия солнечной батареи была представлена лишь в 1954 году, она была создана на основе кремния, первоначально ее КПД составлял 4%, но постепенно его повысили до 15%. Технология стремительно развивалась, в 20 веке ее использовали точечно — для питания систем телефонной связи в отдаленной местности.

После начала освоения космоса солнечные батареи стали быстро совершенствоваться. Технология стала широкодоступной. Сейчас уже никого не удивишь солнечными панелями на крыше частного дома или огромными по площади солнечными электростанциями. По статистике ежегодно устанавливают новые солнечные электростанции мощностью около 50 мегаватт.

Принцип работы солнечной батареи

Принцип работы солнечных батарей основан на фотоэлектрическом эффекте, который обеспечивают фотоэлементы. Если коротко описать принцип работы солнечной панели — она собирает солнечные лучи, которые попадают на фотоэлектрический слой. Это приводит к высвобождению электронов из двух слоев панели. На свободное место в первом слое встают электроны второго слоя. В результате создается постоянное движение электронов и образованию напряжения. Один из фотоэлектрических слоев приобретает заряд положительный, второй — отрицательный, т.е. начинается выработка электричества, которое набирает, имеющийся в системе аккумулятор. Он накапливает электричество и хранит его, а также питает подключенную к нему энергосистему. Если заряд аккумулятора снижается, автоматика включает солнечные панели в режим накопления энергии.

Принцип работы солнечных панелей основан на способности полупроводников из кристаллов кремния поглощать солнечный свет. Чтобы напряжение и мощность было достаточным, кремниевые элементы собирают в большие панели, где они соединяются последовательно или параллельно. Размер солнечной панели может быть абсолютно разным — от нескольких сантиметров, до нескольких квадратных метров.

Но количество получаемой от батареи электроэнергии также зависит и от интенсивности солнечного света и угла падения солнечных лучей. Это говорит о том, что эффективность их будет существенно отличаться в разной местности в зависимости от графической широты, количества солнечных дней в году, облачности. Не во всех регионах имеет смысл устанавливать солнечные батареи, они не оправдают себя на севере, а также там, где солнце часто скрыто тучами.

Солнечная панель: из чего состоит?

Солнечные электростанции — перспективная технология, например в США, это один из самых быстро развивающихся видов альтернативной энергетики. Особенно выгодно развивать солнечные электростанции в регионах с большим количеством солнца. Сама технология постоянно совершенствуется и удешевляется. Солнечные панели уже вполне доступны среднестатистическому человеку. Поэтому стоит разобраться, как это устроено и работает.

Из чего сделана солнечная панель? Из большого количества фотоэлектрических элементов, изготовленных из полупроводниковых материалов. Верхний защитный слой панели — это плита из стекла, середина — солнечные элементы, расположенные между двумя слоями герметика, нижний слой — стекло или пленка, которые необходимы для защиты фотоэлектрических элементов от атмосферных колебаний. Для простоты монтажа и повышенной прочности солнечная панель по периметру заключена в алюминиевую раму. Ее конструкция позволяет легко монтировать несколько батарей в единое полотно. Что такое солнечная панель мы разобрались — это простая и эффективная конструкция удобна в использовании и долговечна.

Из чего делают солнечные панели? Сначала заметим, что из чего сделана солнечная батарея, зависит от поколения, к которому она относится. Батареи первого поколения изготавливают из кремния. Для производства батарей второго поколения используют несколько видов полупроводников:

Аморфный кремний;
Селенид меди/индия/галлия;
Теллурид кадмия.

Также могут использоваться и другие малораспространенные варианты, но их доля в общем объеме производства незначительна. Батареи второго поколения более тонкие и эффективные, они могут быть безрамочными и гибкими.

Из чего состоит солнечная батарея третьего поколения? Она имеет несколько иную конструкцию, в ней практически не используются полупроводники, фотоэлектрический слой в них состоит из полимеров и органических элементов. Таким солнечным батареям не нужен защитный слой из стекла и алюминиевая рама. Благодаря этому они имеют невысокую себестоимость и быстро изготавливаются.

Но солнечные батареи третьего поколения еще не распространены массово, пока активно применяют устройства предыдущего поколения.

Из чего сделаны солнечные панели сегодня? 99% солнечных батарей производят на основе полупроводниковых материалов, самые распространенные — это:

Аморфный кремний;
Поликристаллический кремний;
Монокристаллический кремний.

Преимущества и недостатки солнечных панелей

Как и любое технически сложное устройство, солнечная батарея имеет как преимущества, так и недостатки.

Преимущества:

Экологическая безопасность, солнечные панели бесшумные и не выделяют в атмосферу вредные вещества.
Можно использовать в качестве бытовой домашней электростанции для обеспечения дома бесплатным электричеством.
Солнечные панели могут иметь разный размер и форму, что позволяет устанавливать их на крыше или на земле.
Технический прогресс не стоит на месте, принцип работы солнечных панелей и используемые материалы для их производства могут меняться.
Большой рабочий ресурс. Срок износа солнечной батареи составляет 25 лет и даже больше.

Недостатки:

Современные солнечные панели имеют низкое светопоглощение. Используемые в них фотоэлементы способны обработать лишь пятую часть поступающих солнечных лучей.
КПД солнечных панелей равен 15-20%. По сравнению с традиционными источниками получения электроэнергии, это очень мало.
Работа солнечных панелей зависит от погоды. Если на небе тучи или стоит туман, выработка электроэнергии полностью прекращается.
Высокая стоимость солнечных панелей.
Невозможность использования для электропитания техники с высокой мощностью.
Для установки солнечных панелей нужна большая площадь.

Мощность солнечной панели: как рассчитать?

Если посмотреть, из чего состоит солнечная панель, становится понятно, что она имеет простую конструкцию, что позволяет производить монтаж такого оборудования самостоятельно. Солнечные батареи активно используются в качестве альтернативного источника электроэнергии, это удобно, надежно, эффективно. Сначала их использовали в космонавтике и других наукоемких сферах. Дома с солнечными панелями еще совсем недавно были экзотикой, в последнее время ситуация кардинально изменилась — дома с солнечными панелями на крыше уже никого не удивляют. Интерес к такому альтернативному источнику электричества постоянно растет. Вместе с тем возникают вопросы и самые часто встречающиеся из них — из чего делают солнечные панели и как рассчитать необходимую мощность.

Чтобы рассчитать необходимую мощность, стоит выяснить некоторые моменты:

Солнечные батареи будут работать постоянно или только на протяжении сезона;
Какая бытовая техника будет работать от солнечной электроэнергии;
Какое дополнительное оборудование необходимо? Если знать, из чего сделаны солнечные батареи, станет понятно, что для эффективной работы требуется дополнительное оборудование: аккумуляторы, инвертор, контроллер и т.д.

Мощность солнечной панели узнать не сложно, она указывается производителем. Необходимую мощность определить также не сложно — можно воспользоваться показаниями электросчетчика за месяц, разделить ее на количество дней, получим дневную потребляемую мощность.

Если такой способ по какой-то причине не подходит, узнать нужную мощность можно другим способом — составив список бытовой техники и электроники с указанием ее мощности, а также осветительных приборов.

Но стоит учитывать, что солнечная панель не всегда дает номинальное количество электроэнергии. Часть дня может быть пасмурной, а это напрямую влияет на выработку электроэнергии.

В этом случае надо учесть три момента:

Максимальную мощность панели;
Возможные потери во время работы батареи;
Количество солнца в вашей местности.

Вычисляется мощность следующим способом: максимальная мощность умножается на уровень инсоляции (количество солнца) и летний коэффициент 0,5.

Для зимних месяцев расчет мощности будет отличаться, мощность панели умножаем на средний показатель инсоляции в самый темный месяц и умножаем на коэффициент 0,7.

Разница в мощности зимой и летом может быть очень существенной. Исходя из этих расчетов, можно уже обосновано выбирать солнечные батареи.

Целесообразность использования солнечных батарей в быту

Учитывая немалую стоимость солнечных батарей, их установка дома должна иметь веские основания. Чаще всего к такому решению приходят по нескольким причинам:

В доме отсутствует электричество и его подключение традиционным способом по какой-то причине невозможно;
Частые отключения электричества;
Высокая стоимость электроэнергии.

С помощью солнечных батарей вполне реально обеспечить электричеством дом. Кроме солнечных батарей, в таком случае устанавливают аккумуляторы, накапливающие электроэнергию, контроллер и инвертор. В этом случае нет смысла рассуждать об окупаемости и целесообразности, солнечные батареи являются основным поставщиком электроэнергии, а в условиях климата их применение очень перспективно, ведь Узбекистан, с его солнечным обилием всё больше обращает внимание на использование солнечных батарей в качестве источника чистой энергии. Это не случайность, а отражение стремления страны к устойчивому развитию и диверсификации источников энергии.

При частых отключениях электричества солнечные батареи служат аварийным источником электроснабжения. В этом случае они могут использоваться для электроснабжения лишь критически важной части энергосистемы дома.

Установка солнечных батарей обеспечивает энергетическую независимость дома. Иногда это становится ключевым моментом для принятия решения.

Также владельцы частных энергетических станций на солнечных батареях могут на них зарабатывать, продавая излишки электроэнергии государству. Для этого необходимо оформить лицензию и пакет разрешительных документов, но это реально.

На какие бренды стоит обратить внимание при покупке?

Производство солнечных батарей имеет свою специфику, связанную с кремнием, который необходим для их изготовления. Самые большие залежи кремния находятся в Китае, в связи с чем, именно в Поднебесной сосредоточено больше всего производителей солнечных батарей. Производители в других странах все равно используют элементы кремния, заказанные в Китае.

Солнечные модули китайского производства существенно выигрывают в цене и занимают значительную часть рынка.

Основные производители солнечных батарей в мире:

Canadian Solar — канадский производитель солнечных панелей, заводы компании расположены в Китае. Выпускает поликристаллические и монокристаллические модели.
First Solar — компания из США, предлагающая недорогие модули на основе теллурида кадмия. Замена кремния более дешевым элементом, дало возможность снизить цену без ущерба эффективности.
Hanwha SolarOne — производитель из Южной Кореи, производство расположено в Сингапуре, а исследовательский центр в Германии.
Jinko Solar — китайский производитель, предлагающий модули с КПД 21%.
Yingli Green Energy — китайский производитель монокристаллических солнечных модулей с низкой себестоимостью.
Motech — компания из Тайваня, имеющая полный цикл производства, начиная с выращивания кристаллов кремния.
Suntech — крупнейший производитель солнечных панелей в Китае и в мире. Одно из основных направлений — производство модулей для эксплуатации в сложных климатических условиях.
Sunpower — американский производитель высокоэффективных солнечных панелей с КПД до 25%.
Solarworld — немецкая компания, производство расположено в Европе, предлагает солнечные батареи с КПД до 21,4%.

Выводы

Солнечные батареи используют солнечное излучение для генерации электрической энергии. Они являются экологически чистым источником энергии, уменьшают зависимость от традиционных источников топлива и помогают уменьшить выбросы парниковых газов.