Солнечные батареи

Вся правда о солнечных панелях

Пришло время рассказать о том, насколько эффективна солнечная энергетика в Московской области. Целый год я собирал статистику выработки солнечной энергии с двух 100-ваттных солнечных панелей, установленных на крыше загородного дома и подключенных в сеть с использованием грид инвертора. Я уже писал об этом год назад. А сейчас пора подвести итоги.
Сейчас вы узнаете то, о чем никогда не расскажут продавцы солнечных панелей.
Ровно год назад, в октябре 2015 года, в качестве эксперимента я решил записаться в ряды «зеленых», спасающих нашу планету от преждевременной гибели, и приобрел солнечные панели максимальной мощностью 200 ватт и грид-инвертор рассчитанный максимум на 300 (500) ватт вырабатываемой мощности. На фотографии вы можете увидеть структуру поликристаллической 200-ваттной панели, но через пару дней после покупки стало ясно, что в одиночной конфигурации у неё слишком низкое напряжение (у нее всего 60 ячеек, вместо рекомендуемых 72), недостаточное для правильной работы моего грид-инвертора.
Поэтому мне пришлось её поменять на две 100-ваттных монокристаллических панели. Теоретически они должны быть немного эффективнее, по факту же они просто дороже. Это панели высокого качества, российского бренда Sunways. За две панели я заплатил 14 800 рублей.
Дополнение для тех, кто в танке и не читает текст: на фото поликристаллическая солнечная панель, о которой я написал выше, просто она очень красиво выглядит при съемке крупным планом, поэтому я и поставил сюда её фотографию.
Вторая статья расходов — грид-инвертор китайского производства. Производитель никак себя не обозначил, но устройство сделано качественно, а вскрытие показало, что внутренние компоненты рассчитаны на мощность до 500 ватт (вместо 300, написанных на корпусе). Этот грид также поддерживает режим MPPT, позволяющий получить максимум от солнечных панелей при любой освещенности. Стоит такой грид всего 5 000 рублей. Грид — это гениальное устройство. С одной стороны к нему подключается + и — от солнечных панелей, а с другой стороны он с помощью обычной электрической вилки подключается совершенно в любую электрическую розетку в вашем доме. В процессе работы грид подстраивается под частоту в сети и начинает «выкачивать» переменный ток (сконвертированный из постоянного) в вашу домашную сеть 220 вольт.
Грид работает только при наличии напряжения в сети и его нельзя рассматривать как резервный источник питания. Это его единственный минус. А колоссальным плюсом грид инвертора является то, что вам в принципе не нужны аккумуляторы. Ведь именно аккумуляторы являются самым слабым звеном в альтернативной энергетике. Если та же солнечная панель гарантированно отработает более 25 лет (то есть через 25 лет она потеряет примерно 20% своей производительности), то срок службы обыкновенного свинцового аккумулятора в аналогичных условиях составит 3-4 года. Гелевые и AGM аккумуляторы прослужат дольше, до 10 лет, но они и стоят в 5 раз дороже обычных аккумуляторов.
Поскольку у меня есть сетевое электричество, то мне никакие аккумуляторы не нужны. Если же делать систему автономной, то нужно добавить к бюджету еще 15-20 тысяч рублей на аккумулятор и контроллер к нему.

Теперь, что касается выработки электроэнергии. Вся энергия вырабатываемая солнечными панелями в реальном времени попадает в сеть. Если в доме есть потребители этой энергии, то она вся будет израсходована, а счетчик на вводе в дом «крутиться» не будет. Если же моментальная выработка электроэнергии превысит потребляемую в данный момент, то вся энергия будет передана обратно в сеть. То есть счетчик будет «крутиться» в обратную сторону. Но тут есть нюансы.
Во-первых, многие современные электронные счетчики считают проходящий через них ток без учета его направления (то есть вы будете платить за отдаваемую обратно в сеть электроэнергию). А во-вторых, российское законодательство не разрешает частным лицам продавать электроэнергию. Такое разрешено в Европе и именно поэтому там каждый второй дом обвешан солнечными панелями, что в совокупности с высокими сетевыми тарифами позволяет действительно экономить.
Что делать в России? Не ставить солнечные панели, которые могут выработать энергии больше, чем текущее дневное энергопотребление в доме. Именно по этой причине у меня всего две панели суммарной мощностью 200 ватт, которые с учетом потерь инвертора могут отдать в сеть примерно 160-170 ватт. А мой дом стабильно круглосуточно потребляет примерно 130-150 ватт в час. То есть вся выработанная солнечными панелями энергия будет гарантированно потреблена внутри дома.
Для контроля вырабатываемой и потребляемой энергии я пользуюсь Smappee. Я уже писал про него в прошлом году. У него два трансформатора тока, которые позволяют вести учет как сетевой, так и вырабатываемой солнечными панелями электроэнергии.
Начнём с теории, и перейдем к практике.
В интернете есть много калькуляторов солнечных электростанций, вот можно посмотреть на то, что он из себя представляет. Из моих исходных данных согласно калькулятору следует, что среднегодовая выработка электроэнергии моих солнечных панелей составит 0,66 квтч/сутки, а суммарная выработка за год — 239,9 квтч.
Это данные для идеальных погодных условий и без учета потерь на конвертацию постоянного тока в переменный (вы же не собираетесь переделывать электроснабжение своего домохозяйства на постоянное напряжение?). В реальности полученную цифру можно смело делить на два.
Сравниваем с реальными данными по выработке за год:
2015 год — 5,84 квтч
Октябрь — 2,96 квтч (с 10 октября)
Ноябрь — 1,5 квтч
Декабрь — 1,38 квтч
2016 год — 111,7 квтч
Январь — 0,75 квтч
Февраль — 5,28 квтч
Март — 8,61 квтч
Апрель — 14 квтч
Май — 19,74 квтч
Июнь — 19,4 квтч
Июль — 17,1 квтч
Август — 17,53 квтч
Сентябрь — 7,52 квтч
Октябрь — 1,81 квтч (до 10 октября)
Всего: 117,5 квтч
Вот график выработки и потребления электроэнергии в загородном доме за последние 6 месяцев (апрель-октябрь 2016 года). Именно за апрель-август солнечными панелями была выработана львиная доля (более 70%) электрической энергии. В остальные месяцы года выработка была невозможна по большей части из-за облачности и снега. Ну и не забываем, что КПД грида по конвертации постоянного тока в переменный примерно 60-65%.
Солнечные панели установлены практически в идеальных условиях. Направление строго на юг, поблизости нет высоких домов отбрасывающих тень, угол установки относительно горизонта — ровно 45 градусов. Этот угол даст максимальную среднегодовую выработку электроэнергии. Конечно можно было купить поворотный механизм с электроприводом и функцией слежения за солнцем, но это бы увеличило бюджет всей установки практически в 2 раза, тем самым отодвинув срок её окупаемости в бесконечность.
По выработке солнечной энергии в солнечные дни у меня нет никаких вопросов. Она полностью соответствует расчетным. И даже снижение выработки зимой, когда солнце не поднимается высоко над горизонтом не было бы настолько критично, если бы не… облачность. Именно облачность является главным врагом фотовольтаики. Вот вам почасовая выработка за два дня: 5 и 6 октября 2016 года. Пятого октября светило солнце, а 6 октября небо затянули свинцовые тучи. Солнце, ау! Ты где спряталось?
Зимой есть еще одна небольшая проблема — снег. Решить её можно только одним способом, установить панели практически вертикально. Либо каждый день вручную очищать их от снега. Но снег это ерунда, главное чтобы светило солнце. Пусть даже низко над горизонтом.
Итак, подсчитаем расходы:
Грид инвертор (300-500 ватт) — 5 000 рублей
Монокристаллическая солнечная панель (Grade A — высшего качества) 2 шт по 100 ватт — 14 800 рублей
Провода для подключения солнечных панелей (сечением 6 мм2) — 700 рублей
Итого: 20 500 рублей.
За прошедший отчетный период было выработано 117,5 квтч, по текущему дневному тарифу (5,53 руб/квтч) это составит 650 рублей.
Если предположить, что стоимость сетевых тарифов не изменится (на самом деле они изменяются в большую сторону 2 раза в год), то свои вложения в альтернативную энергетику я смогу вернуть только через 32 года!
А уж если добавить аккумуляторы, то вся эта система никогда себя не окупит. Поэтому солнечная энергетика при наличии сетевого электричества может быть выгодна только в одном случае — когда у нас электроэнергия будет стоить как в Европе. Вот будет стоить 1 квтч сетевого электричества более 25 рублей, вот тогда солнечные панели будут очень выгодны.
Пока же использовать солнечные панели выгодно только там, где нет сетевого электричества, а его проведение стоит слишком дорого. Предположим, что у вас его загородный дом, расположенный в 3-5 км от ближайшей электрической линии. Причем она высоковольтная (то есть потребуется установка трансформатора), а у вас нет соседей (не с кем разделить расходы). То есть за подключение к сети вам придется заплатить условно 500 000 рублей, а после этого еще и платить по сетевым тарифам. Вот в этом случае вам будет выгоднее купить на эту сумму солнечные панели, контроллер и аккумуляторы — ведь после ввода системы в эксплуатацию вам уже больше платить не нужно будет.
А пока стоит рассматривать фотовольтаику исключительно, как хобби.

Солнечный свет, в качестве альтернативного источника энергии, активно используют во всем мире. И это не только независимость от природных ископаемых, которые не безграничны, но и значительный вклад в экологию всей планеты.

Одним из способов получения такой энергии являются солнечные панели или батареи. По научному эти системы называются фотоэлектрическими панелями.

Так что же это за системы и как они работают

Фотоэлектрические системы энергоснабжения (ФСЕ) работают по принципу физического закона фотоэффекта. Не вдаваясь в подробности его можно описать как превращение солнечного света в электрические микроразряды.

Как известно, солнце это неограниченный источник энергии, но только незначительная ее часть доходит к поверхности земли. Однако и этой энергии вполне достаточно, учитывая что современные панели могут использовать до 45% от ее количества.

Где уже применяются и для кого актуальны

Солнечные панели на крышах частных домов

Современный мир уже давно использует ФСЕ в промышленных масштабах, особенно это актуально для стран где солнечный свет активен большую часть года. Сегодня же, благодаря снижению цен на это оборудование и росту стоимость электричества, их часть используют частные дома и дачи в качества основного или дополнительного источника энергии.

А что же с квартирами? Здесь все сложнее, во первых нет достаточной свободной площади для установки панелей. Во вторых это сложно согласовать в различными надзорными органами.

В целом, такую задачу можно решить, но обойдется установка оборудования в многоквартирном доме значительно дороже, чем в частном доме.

Как выбрать солнечную батарею

Прежде чем установить такую систему в доме нужно определится с видом самих панелей и комплекта оборудования в целом. И здесь есть несколько очень важных моментов, которые нужно знать и от которых зависеть эффективность установки.

Определяемся с системой

Как выглядит комплект оборудования и как он работает

В комплект солнечных батарей сходят сами панели, аккумулятор, контроллер и инвертор. В некоторых случаях система может быть другой, в зависимости от ее назначения, давайте рассмотрим их подробнее.

1. Автономные системы. Предназначена для обеспечения электроэнергией объекта который не подключен к стационарной сети. Электроснабжение в дневное время происходит от панелей, остаток накапливается в аккумуляторных батареях. Этот заряд расходуется в вечернее и ночное время, а также когда солнечного света не достаточно.
2. Открытые системы. Их еще называют безаккумуляторными, что значительно снижает цену. Такой вариант предусматривает обеспечение объекта электроэнергией только во время дневной солнечной активности. В остальное время потребление производится с сети через инвертор. Он выбирает источник потребления в зависимости от текущей нагрузки. Во многих странах электричество ночью дешевле, поэтому такой вариант экономически оправдан.
3. Комбинированные системы. Этот вариант предусматривает наличие полного комплекта, включая АКБ. В пиковые нагрузки, если не хватает запаса аккумуляторов, инвертор берет недостающую мощность из сети. Такой вариант актуален для домов где возникает периодическая необходимость в большом количестве электричества, а так же если нет необходимого количества резервных батарей.
4. Реверсные системы. Промышленный вариант, а так же, в некоторых странах частным домовладениях разрешено их устанавливать для продажи электричества. Такие установки отличаются большим количеством батарей, задача которых выработать максимум электричества и отправить его в сеть через реверсный счетчик. Киловатты, отправленные таким образом оплачиваются энергокомпаниями по так называемому “зеленому тарифу”. Этот как экономический шаг, дающий возможность снизить энергозависимость, так и политический, показать миру что страна делает свой вклад в экологию.

Виды солнечных панелей

Виды панелей

От этого элемента напрямую зависит эффективность работы всей системы, поэтому к их выбору стоит отнестись серьезно. Их всего три вида, но массовое применение получили только два, о них подробнее.

Монокристаллические

Каждый фотоэлемент состоит из одного кремниевого кристалла. Они самые эффективные за счет одностороннего направления этих кристаллов, КПД составляет 20% – 24%, но и стоят немного дороже. По внешнему виду их легко определить, панели имеют насыщенный синий цвет и округленные края.

Цена панели 250 Вт – 170-200 долларов.

Поликристаллические

Здесь мелкие кремниевые кристаллы объедены в фотоэлементы, что не позволяет сделать однотонную поверхность. Это отрицательно сказывается на КПД панели, ее эффективность примерно на 18% меньше монокристальных. Однако, производство таких батарей менее сложное, а значит они дешевле.

Цена панели 250 Вт – 150 долларов.

Амфорные

Представляют собой слой полупроводника (кремневодорода), напыленный на гибкую подложку. За счет своей гибкости могут монтироваться на криволинейные поверхности. Невысокий КПД, в среднем 10,4%. Однако, такие панели имеют более высокое поглощение, что делает их эффективнее в пасмурную погоду.

Цена панели 150 Вт – 250 долларов.

Сравнительная таблица уровня КПД

Соотношение производительности разных типов панелей различных производителей

Эффективность работы солнечной электростанции по месяцам

По сути, выбирать панели стоит исходя их двух параметров: финансовых возможностей и доступной свободной площади. Если вы хотите немного сэкономить, но обладаете большими площадями для установки, можете взять поликристалические. Если же место ограничено, но нужно выжать максимум, берите монокристалические.

Старение панелей

Еще один важный момент, который нужно знать, это коэффициент старения. С каждым годом производительность блоков немного снижается. Монокремний стареет за 25 лет примерно на 17 – 20%, то для монокристаллических элементов этот показатель может быть все 30%.

Что такое концентрационные солнечные лучи и как они влияют на производительность

Как можно судить из фото иллюстрации, чем больше затенена панель тем меньше ее производительность.

Видео обзор панелей

Инвертор, что нужно знать о нем

Подключение инвектора в сети

Без этого элемента система солнечных батарей просто не сможет работать. Он выполняет функцию преобразователя постоянного тока от панелей в переменный с напряжением 220 вольт. Их мощность может быть от 100 до 8000 Вт.Но, не все так просто, существует 3 вида инвекторов:

• автономные;
• сетевые;
• многофункциональные.

Автономный инвертор (обозначение off grid). Этот прибор установлен внутри системы, выполняя все функции, но не имеет технической возможности для подключения к внешней сети. Не может перенаправлять электричество в аккумуляторы

Сетевой (или синхронный с обозначением on grid) может функционировать с подключением к внешней энергосети. Он может регулировать потоки энергии в зависимости от необходимой мощности. При недостатке электричества от батарей будет брать необходимое с сети. При переизбытке отправлять излишки в аккумуляторные батареи. Излишки электричества также могут быть перенаправлены во внешнюю сеть (если не подключены АКП или они полностью заряжены).

Многофункциональный инвертор. Универсальный вариант, работающий как оба предыдущие типа устройств. Также он обладает большим количеством дополнительных настроек, поэтому самый дорогой. Лучший вариант для домашних электростанций.

Подробная статья о инверторах, как правильно выбрать, что смотреть.

Более подробно о контроллере

Этот прибор контролирует зарядку аккумуляторных батарей. Он ограничивает подачу тока от панелей на АКП когда их, максимально возможный по техническим параметрам, уровень заряда достигнут. Это его основная функция, но некоторые типы этих приборов могут отслеживать и частично контролировать:

• Величину напряжения входа.
• Значение общей мощности солнечных элементов.
• Измерять температуру электролита в батарее.

Можно ли не использовать контроллер в системе? Можно, но в этом случае необходимо следить за уровнем заряда батарей и вручную отключать подачу питания на АКП. Если этого не делать, батареи очень быстро выйдут из строя, выкипает электролит и высохнут банки.

Какой выбрать аккумулятор для солнечных батарей

АКП накапливают излишки электричества во время максимальной солнечной активности и раздают его, когда это необходимо. Поскольку это оборудование стоит достаточно дорого, важно подобрать его правильно что получить максимальную выгоду. Рассмотрим самые распространенные типы.

Самое важное, что нужно знать при выборе батареи, это количество циклов зарядки-разрядки, которые она выдержит. Условно говоря, батарея заряжается днем, а отдает свой заряд ночью, пусть и не полностью, а даже 90%, это уже 1 цикл.

Литий-железо-фосфатные АКБ (lifepo4) – это самый лучший вариант для автономных электростанций любых видов. Относительно новый тип батарей, практической использование его на данный момент не превышает 10-12 лет.

Свинцово-кислотные аккумуляторы. Они нам всем хорошо известны так как стоят практически в каждом автомобиле. Самые распространенный в солнечных электростанциях.

AGM-аккумуляторы. Это самые слабые по всем показателям батареи. КПД не превышает 80%, не более 500 циклов заряда и рабочая температура в пределах +15-25 градусов. Это делает их неконкурентоспособными как по качеству так и по цене, относительно других типов.

Видео обзор аккумулятров

Какой комплект солнечных батарей выбрать для дома

Типичный комплект солнечной электростанции

Такие системы бывают всего нескольких видов, разобраться в них не сложно. Собирать комплект этого оборудования стоит исходя из ваших задач, давайте рассмотрим несколько вариантов.

1. Для обеспечения электричеством в дневное время без доступа к внешней сети вам понадобится (это самый дешевый вариант):

• необходимое по расчетам количество панелей,
• автономный инвертор.

1. Если хотите обеспечивать свой дом или дачу круглосуточно, при этом не важно есть ли доступ к сети или его нет, необходим более полный комплект оборудования:

• солнечные панели,
• сетевой или многофункциональный инвертор,
• аккумуляторные батареи,
• контроллер заряда.

1. Если же хотите пользоваться энергией солнечных панелей только днем, а в остальное время брать электричество с сети, вам понадобится:

• необходимое по расчетам количество панелей,
• сетевой или многофункциональный инвертор.

1. Для продажи выработанной от солнца электроэнергии, например по зеленому тарифу в Украине, вам понадобится:

• солнечные панели,
• сетевой или многофункциональный инвертор,
• аккумуляторные батареи,
• контроллер заряда,
• реверсный счетчик.

Это основные комплекты солнечных электростанций, которые применяются в частных домовладениях.

Видео обзор комплектов

Мифы о солнечных батареях

Солнечные батареи не работают в холодном климате.
Это совсем не так. Для работы их необходим только солнечный свет. Температура окружающей среды здесь совсем не важна.

Сейчас не стоит покупать это оборудование, нужно подождать разработку более эффективного.
Здесь можно возразить. Современные монокристальные блоки работают с КПД 22%, значительно увеличить этот показатель в ближайшие годы не получится. От остального оборудования производительность не зависит.

Установка будет долго окупаться.
Это относительное понятие, к тому же срок окупаемости зависит от многих факторов. Обычно это 6-15 лет, но используя различные государственные системы кредитования в этой области, его можно значительно снизить.
Посмотреть все строительные мифы

Немного практических расчетов цены системы

Установка солнечных батарей мощностью до 1 кВт/час = 90 000 руб (без аккумуляторная система, 8 монокристаллов и автономный инвертор). Бытовые нужды, плюс теплые полы.

Считаем рентабельность. Допустим, месяц расходуем:

Таким образом мы вычислили что солнечное электричество в 28 раз дороже обычной сети, цифра пугает, но не все так плохо. Теперь рассчитаем окупаемость:

Стоимость в год, при расхода 600 кВт = 38000 руб.

Вложили 90 000 руб, делим на годовой расход, теоретическая окупаемость наступить через 2.3 года. Однако, средне годичный световой день для Московской области составляет 34 %, это значит что наши батареи будут работать только треть времени, соответственно их срок окупаемости увеличится ровно в 3 раза, то есть до 6.9 года.

Эксплуатационные характеристики солнечных панелей

Для изготовления фотоэлектрических элементов солнечных батарей используют кремний с минимальным количеством примесей менее 0,01%. Качество фотоэлементов зависит от количества примесей и цена тоже.

Существует три типа фотоэлемента — это монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. Последние находятся еще на стадии разработки, поэтому их рассматривать не будем. Остановимся на сравнение характеристик монокристаллических и поликристаллических фотоэлементов.

Сравнение типов фотоэлементов

Фотопанели размещаются на открытом пространстве, поэтому на их работу будут влиять эти параметры фотопанелей;

— Температурный коэффициент мощности. Под палящим солнцем, фотоэлементы нагреваются, и теряется часть мощности солнечных батарей. В очень жаркие дни доля потери мощности составляет 25%. В случае монокристаллических и поликристаллических фотопанелей, температурный коэффициент мощности достигает -0,45%, то есть произойдет снижение мощности на -0,45%, на каждый градус прироста температуры. На температурный коэффициент мощности сильно влияет качество фотопреобразователей;

— Степень деградации LID. Деградация монокристаллов панелей происходит быстрее, чем поликристаллов. Год работы снижает мощность монокристаллических батарей до 3%, а поликристаллических до 2%. Такое уменьшение мощности наблюдается в первый год работы гелиопанелей, в дальнейшем эта деградация для монокристаллов будет 0,71%, для панелей из поликристаллов 0,67%.

Деградация зависит от качества фотоэлементов. Для панелей сомнительного качества деградация может достичь в первый год эксплуатации 20%. Поэтому панели важно выбирать не по низкой стоимости, а по производителю и качеству исполнения;

— Фотоэлектрическая чувствительность. Поликристаллические фотоэлементы не так чувствительны к снижению освещения, по сравнению с монокристаллами, но разница в чувствительности небольшая и не является критерием выбора по этому параметру;

— Эффективность панелей. Для выработки одинаковой мощности для поликристаллических панелей необходимо больше площади, т. е. эффективность поликристаллических гелиопанелей меньше монокристалических. Срок службы монокристаллов выше.

Качество солнечных панелей

По качеству исполнения фотоэлектрические элементы можно разделить на четыре категории качества.

Первая категория — Grad A. Это солнечные батареи самого высокого качества — без микротрещин, отсутствуют сколы. По внешнему состоянию эти фотоэлементы полностью одинаковы по цвету, структуре. Эта категория имеет самую малую деградацию и высокое КПД.

Вторая категория — Grad B. Эти фотопреобразователи практически не отличаются от фотоэлементов первой категории, но имеют небольшие изменения в цвете. Но у них большая деградация и меньший срок эксплуатации.

Третья категории — Grad С. Отличие от предыдущей категории — это наличие сколов и трещин, неоднородный окрас, но низкая стоимость. Для энергоснабжения частного дома такие фотопанели не следует применять из-за низкого КПД, высокой деградации и небольшого срока эксплуатации.

Четвертая категория — Grad D имеет самое низкое качество исполнения. Структура этих панелей неоднородная с видимыми дефектами. Небольшой размер фотоэлементов нуждается в дополнительной пайке, что еще ухудшает параметры. Такие элементы имеют небольшую надежность. Их устанавливать не рекомендуется даже при небольшой стоимости.

Пленка EVA. Предназначена для ламинации панелей с солнечной стороны. Она хорошо герметизирует фотоэлементы, снижает деградацию, защищает от механических повреждений, прозрачна. Срок службы этой пленки также зависит от качества исполнения и меняется от 5 до 15 лет.

Недорогая пленка со временем желтеет, теряет прозрачность, отслаивается и имеет срок эксплуатации 3-5 лет. Визуально качественную пленку отличить невозможно, это можно определить только через несколько лет ее работы.

ПЭТ пленка. Эта пленка изолирует тыльную сторону фотопанелей от влаги, пыли и механических повреждений. Качество пленки также можно определить через несколько лет по внешнему состоянию. Цвет становится желтее, появляются трещины.

Технические характеристики солнечной панели

Посмотреть их можно в инструкции на изделие. К техническим характеристикам гелиопанелей относится;

Пример характеристики солнечной панели

— Мощность солнечных панелей и размеры. Чем больше мощность, тем меньше стоимость на ватт. Для большой мощности выгоднее приобретать большие панели;

— Допустимые пределы отклонения по мощности или толеранс. Отклонение может быть положительным и отрицательным. Покажем на примере, толеранс 0 + 4 ватта;

— КПД солнечной панели. Конечно же, лучше приобретать панели с высоким КПД;

— Температурный коэффициент — это влияние температуры на такие параметры как мощность, напряжение и ток. Температурный коэффициент должен быть минимальным;

— Срок службы солнечных панелей. Отдельные производители дают 20 лет эксплуатации панелям с гарантией 5 лет. Правильная установка солнечных батарей может резко поднять эффективность. После 15 лет работы гелиопанели могут снизить производительность на 10%, а после службы в 30 лет на 20%. Хорошего качества панели могут работать в диапазоне температур -40 +90 °С.

Солнечные батареи и из чего они сделаны

С того момента, когда в далеком 1839 году французский ученый Александр Беккерель случайно наткнулся на непонятное явление, связанное с воздействием света на некоторые материалы, произошло много событий. И наткнувшись на старую публикацию в физическом журнале, немецкий физик Генрих Герц уже не случайно проводит опыты, облучая ультрафиолетовым светом цинковые разрядники резонатора.

Его исследования привели к открытию того, что сейчас называется «внешний фотоэффект». Далее эстафету принял русский ученый Александр Столетов, который, исследуя это явление, сделал несколько важнейших открытий и вывел первый закон фотоэффекта. В начале ХХ века Альберт Эйнштейн, взяв за основу гипотезу Макса Планка, дал принципиальное объяснение фотоэффекта.

С тех пор многие выдающиеся ученые занимались изучением фотоэффекта, надеясь найти этому явлению практическое применение. И решение было найдено. Вначале итальянец Джакомо Луджи Чамичан создает прототип, а уже в 1954 году американская компания Bell Laboratories объявила о том, что ее специалистами создана первая в мире солнечная батарея, вырабатывающая электрический ток под воздействием солнечного света. Это и был фотоэффект в действии.

Так что же это такое, из чего сделаны солнечные батареи, как они работают.

Как правило, когда говорят «солнечная батарея», подразумевают, что это один или несколько фотопреобразователей, которые, будучи облучены солнечным светом, преобразовывают его в электричество. Главный элемент преобразования солнечного излучения в электричество – это, конечно же, материал, который, будучи освещенным, преобразовывает поток света в электроэнергию. Материал этот – полупроводник.

В электротехнике, электронике используются, как правило, два полупроводника – германий (Ge) и кремний (Si). В фотовольтаике в большинстве своем используется кремний как наиболее распространенный и дешевый. Германий – редкий элемент, дорогой, поэтому он используется в исключительных случаях.

Структура солнечной батареи

Для изготовления солнечных фотопреобразователей используются два вида кремния – монокристаллический и поликристаллический. Как уже явствует из характеристик, монокристаллические фотопреобразователи изготавливаются из кристаллов кремния, выращенных искусственно.

Эти кристаллы затем по специальной технологии нарезаются на тонкие пластины, из которых изготавливаются сами фотопреобразователи. Нарезанные пластины тщательнейшим образом проверяются на точность нарезки, толщину самой пластины, отсутствие физических дефектов.

Этот контроль необходим для последующей сборки самого солнечного модуля, так как малейшее отклонение параметров хотя бы одного элемента влечет за собой значительные потери мощности всего солнечного модуля. Пластины монокристаллического кремния окрашены в равномерный темно-серый цвет – это естественный цвет кристаллов кремния.

Кремниевые фотоэлементы
Поликристаллический (слева), монокристаллический (справа)

В отличие от монокристаллов, поликристаллические фотопреобразователи изготавливаются методом литья. Такие фотопреобразователи более просты и доступны. Если солнечные элементы из монокристаллического кремния представляют собой восьмиугольники строго выдержанного размера (допуск ± несколько микрометров), то поликристаллические элементы – как правило, прямоугольной формы с голубовато-синим отливом. К кремнию для получения особых свойств добавляют определенное количество мышьяка (As) и бора (B).

Преобразование света в электричество

Это и есть практическое применение фотоэффекта – прямое преобразование энергии света в энергию электрическую. Собственно, реакция материала на облучение светом зависит от кристаллической структуры полупроводника. Структурно каждый фотоэлемент состоит из двух слоев. Один слой в кристаллической решетке имеет переизбыток электронов и называется областью электронов.

Второй слой, соответственно испытывает недостаток электронов и называется дырочной областью (в электронике места, в которых должны быть электроны, но они там отсутствуют, называются дырками). Граница между этими слоями называется электронно-дырочный p-n переход. В зависимости от типа полупроводника свойства перехода могут быть другими. Тогда он называется дырочно-электронный n-p переход.

Принцип работы фотоэлемента

Под воздействием света эти два слоя начинают взаимодействовать, электроны из одного слоя начинают замещать дырки в другом слое. При этом возникает электродвижущая сила, превращая, по сути, эти два слоя в электроды обычной батарейки.

Теперь, чтобы использовать эту электрическую энергию, остается только подпаять к поверхности каждого слоя тонкие проводники и подключить нагрузку. Следует отметить, что этот процесс не вызывает никаких химических реакций в полупроводнике, а, следовательно, солнечная батарея, набранная из таких фотопреобразователей, может служить очень долго.

Во многих странах, в исследовательских центрах проводятся работы, которые призваны решить проблему повышения эффективности солнечных батарей. Пробуются комбинации различных материалов для использования их в качестве фотоэлементов. В тонкослойные кремниевые элементы добавляют в различных пропорциях галлий, мышьяк, медь, кадмий. Причем эти присадки могут быть как в чистом виде, так и в комбинациях материалов, например, арсенид галлия (GaAs).

Кроме того, на эффективность солнечных батарей большое влияние оказывает если не совпадение, то максимальная схожесть как физических (размеры), так и электрических (вольт-амперные характеристики) элементов, входящих в один солнечный модуль. В процессе эксплуатации солнечных батарей может возникнуть ситуация, при которой один или несколько фотопреобразователей могут быть затенены.

Таким образом, они на какой-то промежуток времени исключаются из рабочей конфигурации модуля. Но, будучи включенными в общую цепь, они могут разогреваться и, как следствие, выйти из строя. Отвод тепла от фотопреобразователей, постоянно облучаемых солнцем, также является достаточно серьезной проблемой, над решением которой работают многие ученые.

Разновидности солнечных батарей

Существуют несколько наиболее широко распространенных типов солнечных батарей. В первую очередь это, конечно же, солнечные панели, собранные на базе кремниевых фотопреобразователей. Наиболее высокая эффективность у модулей, изготовленных на базе монокристаллического кремния.

Монокристаллический модуль

Коэффициент полезного действия таких модулей по последним данным в некоторых случаях может достигать 23%. В среднем же достигается значение эффективности, равное 18%. Более дешевые панели собраны на базе поликристаллического кремния.

Эффективность таких фотопреобразователей ниже и средний показатель ее не превышает 16%. Однако за счет того, что поликристаллические элементы имеют прямоугольную форму, они более полно заполняют корпус модуля. Поэтому значения мощностей, вырабатываемых модулями на базе монокристаллического и поликристаллического кремния, будут отличаться друг от друга на весьма незначительную величину.

Поликристаллический модуль

Наиболее дешевые гелиевые батареи выполнены на базе аморфного кремния. Эти модули имеют наименьшую эффективность – порядка 8%, но и стоимость производимого электричества у этих устройств также самая низкая.

Модуль на базе аморфного кремния

Следует также отметить гелиевые панели на базе теллурида кадмия (CdTe), выполненные по тонкопленочной технологии. Пленка толщиной в несколько сотен микрометров из этого полупроводника наносится на панель. Производство этих панелей является наименее вредоносным по сравнению с производством панелей других видов. Эффективность этих батарей достигает 12%.

Модуль на базе теллурида кадмия

В последнее время получают распространение гелиевые модули на основе полупроводникового соединения, в состав которого входят индий, галлий, медь и селен (CIGS). Эти модули, как и модули из теллурида кадмия, изготавливаются по тонкопленочной технологии. Их эффективность достигает 15%.

Модуль на базе CIGS

Разумеется, потребителю вовсе не обязательно знать, как устроена и работает его домашняя солнечная электростанция. Ведь никого не интересует, как устроен, скажем, телевизор. Мы просто смотрим передачи. Но, покупая телевизор, мы уже знаем его характеристики, знаем фирму, которая его выпускает, слышали отзывы о нем.

А вот, чтобы выбрать себе оборудование для домашней электростанции, нужно иметь хотя бы приблизительное представление о том, что именно вы собираетесь приобрести и как это будет работать. И нет сомнений в том, что элементарные знания об устройстве тех или иных элементов помогут вам сделать правильный выбор.

Солнечные панели — эффективный источник энергии, который уже длительное время используется во многих странах мира в качестве альтернативной возможности получать тепло и свет экологически чистым способом. Особенно привлекательны они для людей, которые ценят чистоту окружающей среды и являются активными сторонниками ее сохранения. Человеку, который серьезно задумался о такой необычной покупке, будет полезно узнать, какими бывают солнечные батареи — характеристики тех или иных разновидностей могут отличаться: мощность аккумулятора, уровень комплектации, качество материала, из которого изготовлены панели, их размеры и, наконец, цена.

Немного о сфере применения

Солнечные батареи уже длительное время широко применяются в разных сферах человеческой деятельности, начиная с их установки на крупных промышленных объектах и заканчивая бытовым использованием на крышах жилых домов и автомобилей. Подробнее о промышленных солнечных батареях →

Их активно используют:

• в селах и деревнях, где часто отключается электричество;
• в условиях слабой электрификации местности;
• как резервные источники энергии;
• при реализации экспериментальных проектов (например, использование энергии Солнца с целью получения горячей воды).

Разновидности солнечных панелей

Существуют следующие разновидности модулей:

1. Монокристаллические. Их структура представлена силиконовыми ячейками, которые преобразуют энергию Солнца в электрическую. Несомненные плюсы — компактность и эффективность в плане производительности, среднее число которой составляет 22-25%. Монокристаллические модули и по сей день являются уверенными лидерами по показателям мощности, КПД и долговечности. Это отражается и на стоимости: цена их очень высока.
2. Поликристаллические. Производятся из кремния, имеющего поликристаллическую структуру. Стоят намного дешевле первого варианта. Но их технические характеристики, в том числе и производительность, уже ниже — 18-23%. Благодаря этому солнечные панели перестали быть чем-то недоступным для обычных людей. Человек со средним уровнем достатка вполне может воспользоваться именно этим предложением.
3. Аморфные. Их конструкция предусматривает наличие фотоэлементов, изготовленных из тонкой пленки. В отличие от поли- и монокристаллических модулей, они не могут выработать большого количества энергии. Но и стоимость у них гораздо меньше. При этом аморфные панели обладают очень ценным преимуществом: они могут полноценно работать в условиях не только рассеянного, но и совсем слабого освещения. Тонкопленочные панели являются экспериментальной разработкой. Поэтому в широкой продаже их встретить пока нереально.

Влияние факторов внешней среды на уровень производительности

Как уже упоминалось, вещество, из которого производятся все типы батарей — это кремний. Чем меньше в нем находится сторонних примесей, тем качественнее получается модуль. И тем выше становится его цена при поступлении в розничную продажу.

Поскольку все фотоэлементы должны быть размещены не внутри, а снаружи помещений, существует множество факторов, которые будут оказывать влияние на их производительность. Прежде всего, речь идет о температурном коэффициенте мощности.

Батарея находится под воздействием прямых солнечных лучей и очень сильно нагревается. Следовательно, некоторое количество мощности будет потеряно в результате нагрева. Поскольку именно мощность представляет из себя физическую величину, от которой напрямую зависит объем энергии, производимой солнечным аккумулятором, процент ее потери мгновенно оказывает влияние на его работу. Так, если на улице долго стоит сухая и очень жаркая погода, процент потери мощности может составлять до 25 — как у моно-, так и у поликристаллов.

Установлено, что монокристаллы подвергаются деградации гораздо быстрее, нежели поликристаллы. В течение первого года непрерывной работы уровень мощности снижается до двух процентов у поликристаллических и до трех — у монокристаллических солнечных батарей. В дальнейшем, если качество фотоэлементов высокое, процент деградации значительно уменьшится (от 0,67 до 0,71% в год).

При выборе батареи не стоит «вестись» на чрезмерно низкую цену. Чаще всего она означает и соответствующий уровень качества. Ну и, конечно, если учитывать структуру поликристаллов, они физически будут занимать больше места, чем монокристаллические панели. При этом уровень мощности у последних будет таким же, а площадь — гораздо меньше.

Качественные характеристики

Размер солнечной панели обычно составляет 1-2 м², показатель мощности при этом — 220-250 Вт.

На основании качественных характеристик все фотоэлементы делятся на несколько категорий:

1. Grade A. В них применяется самый чистый кремний, качество — самое высокое. Микротрещины и сколы полностью отсутствуют. Модули аккуратные, имеют одинаковую цветовую гамму. Отличаются минимальным процентом деградации и максимальным КПД. После проведения PID теста (теста на старение) происходит снижение мощности не более чем на 5%.
2. Grade B. Эти фотоэлементы имеют дефекты во внешней или внутренней структуре. После PID теста мощность снижается не более чем на 30%.
3. Grade C. Присутствуют трещины и сколы, неравномерность цвета, низкая цена. Не рекомендуется применение в жилых домах по причине низкой производительности и малого срока годности. Фиксируется снижение мощности более чем на 30%.
4. Grade D. самое плохое качество, сильные дефекты, маленькие размеры, слабая степень надежности. Их использование очень нежелательно, невзирая на минимальный ценник.

Для максимальной эффективности к приобретению можно рекомендовать панели уровня А и B. В крайнем случае — С, если есть нужда в альтернативном источнике энергии для небольшого производственного помещения, который будет использоваться не регулярно, а время от времени.

Описание комплектации и функция каждого устройства

В стандартную комплектацию солнечной электростанции входят:

• собственно модули или панели (как правило, их несколько);
• обычная аккумуляторная батарея;
• инвертор;
• контроллер;
• клеммы;
• кабель;
• стеллаж для установки.

Солнечные модули накапливают энергию, а затем преобразовывают ее в электрическую. Одна из функций контроллера — корректное распределение постоянного тока по находящимся в доме приборам, потребляющим электричество. Также он контролирует уровень температуры, режим зарядки и напряжения.

Инвертор — это преобразователь, который необходим для того, чтобы постоянный ток становился переменным, обеспечивая стабильное функционирование электропитания. Обычная аккумуляторная батарея (АКБ) нужна для накопления энергии, которая будет использована. Например, ночью или в пасмурные дни, когда солнце редко выходит из-за облаков или туч.

Сроки службы

Желающих приобрести этот экологически чистый альтернативный источник энергии прежде всего интересует вопрос о том, сколько лет он будет исправно работать и не возникнет ли с ним серьезных проблем в ближайшее время.

Производителями указывается, что сроки службы у таких АКБ — от 20 до 30 лет. Однако многие из них могут исправно работать и далее. Известно, что до сих пор сохранилась солнечная батарея, которая была изготовлена одной из первых в мире. Она прекрасно работает и сейчас, хотя уже давно появились панели, технические характеристики которых значительно обогнали первые разработки.

При постоянном использовании любого агрегата снижается как его мощность, так и количество энергии, которое он вырабатывает в течение определенного времени. Однако показатель этот не является фатальным: он составляет около 1% в год. Следовательно, за 10 лет постоянной эксплуатации произойдет снижение мощности на 10%.

Продлить срок службы любой панели можно, приобретя дополнительно специальную защитную пленку и заламинировав с ее помощью модули со стороны солнца. Пленка обеспечивает надежную герметизацию и защиту от механического воздействия и может прослужить от 5 до 15 лет. Для защиты батареи с внутренней стороны (от пыли, воды и т.д.) также имеются разные виды пленочных покрытий.

Принцип работы

Любая солнечная батарея — это не огромная монолитная конструкция. Она состоит из нескольких блоков или модулей. Их может быть сколько угодно — в зависимости от особенностей помещения и от того, какой объем электроэнергии в нем потребляется изначально. Исходя из средних расчетов потребления и делается вывод о том, сколько модулей может понадобиться и будет ли выработанное ими количество преобразованной солнечной энергии соответствовать потребностям обитателей жилого дома или работников производства.

Принцип работы любого солнечного модуля основан на преобразовании солнечного света в определенный потенциал электрической энергии с генерацией тока постоянной величины. Если возникает необходимость в увеличении такого показателя системы как мощность, устанавливается большее число элементов. Размеры солнечных панелей, связанных между собой, могут составлять от одного метра до нескольких.

Продуктивность работы таких аккумуляторов зависит от нескольких факторов, связанных с природными условиями и внешней средой в целом:

• сила солнечного света;
• правильное расположение;
• климатическая зона;
• время года и суток.

В целях грамотного учета эксплуатационных свойств солнечных батарей и особенностей внешней среды не следует пытаться осуществлять их монтаж самостоятельно. Лучше довериться в этом профессиональным установщикам.

Примерные цены

Цена на разные виды солнечных панелей может разниться от 30 000 до 2 000 000 рублей. Все зависит от количества модулей, качества их исполнения, фирмы-производителя и количества комплектующих частей. Есть самые «бюджетные» варианты, которые могут стоить от 10 500 рублей. Целесообразность их приобретения стоит рассматривать в индивидуальном порядке.

Солнечные батареи — альтернативный источник энергии, который можно использовать в качестве эффективного резерва. Главное — учитывать климатические условия региона проживания. Ведь производительность работы такой системы, большей частью, зависит от количество солнечных дней в году.