Как появились и как работают современные солнечные панели?

Современный мировой тренд на экологически чистые источники энергии предполагает активное использование различных средств ВИЭ. К ним, в числе прочего, относятся ветрогенераторы и солнечные панели. Конечно, идут разработки и других методов генерации чистой энергии, но, как можно заметить, именно солнечные панели чаще рассматриваются в качестве наиболее популярной альтернативы другим, традиционным, инструментам генерации электричества.

В ряде стран государство стимулирует граждан и бизнес использовать солнечные панели в качестве одного из источников чистой энергии. Схожий процесс начинается и в России. В некоторых регионах, где установка панелей оправдана климатическими и экономическими соображениями, бизнес и граждане также активно начинают вовлекаться в этот процесс. Однако далеко не все пока знают и понимают, в чем преимущества и на чем основаны принципы работы солнечных панелей. Именно для таких читателей мы подготовили эту статью.

История изобретения солнечных панелей восходит к работам французского физика Александра Беккереля (1820-1891), открывшего в 1839 г. фотоэлектрический эффект.

Этот термин на английском звучит, как photovoltaic, то есть, “фотовольтаический” (сокращенно PV), или “фотоэлектрический”. Отсюда современное название солнечных панелей в английском языке.

Описанный Беккерелем принцип был положен в основу изобретения итальянского физика и инженера Джакомо Чамичана. Именно ему приписывается изобретение в 1912 году солнечных панелей. Сам он был активным пропагандистом этого способа получения энергии Солнца.

Что же касается первого патента на солнечные панели, то первым его получил в 1941 году американский инженер и исследователь Рассел Ол. Затем в 1954 году компания “Bell Laboratories” объявила о создании солнечных батарей собственного производства. С этого момента можно отсчитывать историю эксплуатации нового изобретения: на космических аппаратах и на Земле в коммерческих проектах.

Знать теорию - это хорошо, но гораздо важнее, с умом использовать ее для вещей практического характера. Открытие Беккереля, как вы уже знаете, смогли с успехом использовать на практике. Но как все это заставили работать? Вот основной вопрос. Конечно, здесь никто не собирается погружать вас в дебри науки и инжиниринга, но дать общее представление о новой технологии было бы нелишним.

Устройство современных солнечных панелей не такое уж и сложное. Формально, они представляют собой пару кремниевых пластин со специальным покрытием (хотя структура представляет собой нечто более сложное, что видно на схеме ниже). Для покрытия используют бор и фосфор. Именно последний позволяет образоваться на пластине свободным электронам, которые двигаются от воздействия солнечного света. Так происходит образование электрического тока, или конвертация солнечного света в энергию. Генерация солнечной энергии происходит в результате поглощения фотонов - частиц солнечного света.

Количество энергии, которую можно получить с помощью солнечной панели, зависит во многом от размера самой панели. То есть, чем она больше, тем больше энергии устройство может выработать (это, кстати, один из недостатков солнечных панелей, который инженеры пытаются преодолеть). Для сравнения, вспомним небольшие калькуляторы, которые могли работать от маленькой солнечной панельки в корпусе. Небольшие по размерам панели можно увидеть и сегодня: например, для питания уличных светофоров или небольших киосков. Большие солнечные панели и целые комплекты таких устройств используют для энергообеспечения целых домов и коммерческих зданий.

Ученые и инженеры продолжают развивать идеи по генерации энергии с помощью солнечных панелей. Современные панели далеко не идеальны по ряду параметров, включая их КПД, однако технологии постепенно совершенствуются и, возможно, буквально через год-два классификация ныне существующих устройств будет иной. Но сегодня они именно такая и определяется видом встроенных в панель ячеек и пленки в общей конструкции. Поэтому на данный момент в мировой практике вы можете встретить следующие виды солнечных панелей:

• Монокристаллические

Само название подсказывает, что в таких панелях используются ячейки, изготовленные из цельного кремниевого кристалла. Чуть ли не главной характеристикой, внешне сразу выделяющую монокристаллические солнечные панели, является их поверхность темно-синего цвета. Одним из преимуществ данной категории панелей является их сравнительная долговечность и большой срок эксплуатации. В портативных солнечных панелях компании EcoFlow также есть встроенные монокристаллические элементы. Они повышают прочность и долговечность изделий.

• Поликристаллические

Очевидно, что по сравнению с монокристаллическими панелями их поликристаллические аналоги изготовлены с применением более одного кристалла кремния. Технология производства предполагает заливку жидкого фрагментированного кремния в квадратную форму. В отличие от монокристаллических поликристаллические панели менее эффективны из-а того, что не могут выдерживать более высокую температуру нагрева. Но зато их стоимость гораздо ниже, что делает их более доступными обычным потребителям.

• PERC-панели

Панели данного типа, по сути, являются модификацией классических монокристаллических аналогов. Инженеры хотели таким образом улучшить качества предшественников и повысить КПД изделий. Задняя поверхность ячеек панели PERC оснащена пассивирующим слоем. Оснащение пассивирующим излучателем и отражающим слоем на задней стороне призвано повысить степень одномоментного поглощения панелью солнечной энергии. Логично, что модификация привела к повышению цены продукта, поэтому PERC-панели по стоимости гораздо дороже монокристаллических.

• Тонкопленочные

Еще один вид солнечных панелей предполагает использование в производстве изделия тончайшего слоя пленки. Это решение позволяет сделать солнечную панель легкой и гибкой. То есть, такие солнечные панели могут быть портативными. Их легко перевозить с собой. Для установки им не нужны специальные подложки. Максимум, чего вполне достаточно, это легкая складная подставка - кронштейн, хотя на практике можно обойтись и без нее. Эти солнечные панели дешевы и более доступны сегодня многим потребителям. Они лучше поддаются утилизации, то есть более экологичны, чем их “собратья”. Недостатком же гибких панелей является меньшая эффективность и не очень большое количество генерируемой электроэнергии.

Современные системы генерации солнечной энергии уже не так просты по своей структуре и возможностям, как первые их поколения. Стоит ожидать, что в будущем солнечную генерацию ждет новый виток развития с учетом требований к экологичности производства и утилизации, КПД самих панелей, их конструкции и другим моментам.

Но уже сегодня эти системы способны если и не сделать ваш дом или офис полностью независимым от государственных и частных поставщиков электроэнергии, то как минимум обеспечить ею на несколько часов или создать резервный источник питания на случай чрезвычайных ситуаций. Ведь даже если при определенных обстоятельствах перестанет поступать электроэнергия из общей сети, то солнечная генерация может работать без особых проблем и поставлять ток на ваши приборы.

Если вы планируете установку солнечных панелей в здании, да и не только, то вам следует знать целый ряд моментов. Во-первых, стоит знать, что солнечные панели могут иногда собирать гораздо больше энергии, чем вам нужно. Вот почему, в ряде государств существует система выкупа электроэнергии у частных лиц, владеющих солнечными панелями или ветрогенерацией, в общую сеть.

Поэтому перед покупкой солнечных панелей надо разобраться в том, сколько энергии вы планируете потреблять, сколько энергии может вырабатывать солнечная панель или их комплект, какие дополнительные компоненты вам потребуются для создания эффективной системы обеспечения солнечной энергией. Современная система генерации, накопления и хранения солнечной энергии включает как минимум 4 важных компонента:

• Солнечные панели. Их задачей, как уже ясно, является преобразование солнечного света в электроэнергию и обеспечение дома или офиса электричеством (если солнечного света достаточно, что тоже следует принимать во внимание).
• Контроллеры заряда солнечных батарей. Задачей контроллеров является управление мощностью, которая идет от солнечных панелей к батареям (аккумуляторам, накопителям), а также предотвращение обратного тока, истощающего батареи, если нет солнца.
• Батареи. Их задачей является накопление и хранение энергии постоянного тока, поступающего от солнечных панелей, чтобы потом использовать его для потребностей дома или офиса.
• Инвертор. Это устройство призвано преобразовывать мощность постоянного тока, поступающего от панелей в мощность переменного тока для потребностей пользователя.

Ответ на этот вопрос не так прост, как кажется. Многое зависит от того, где, как и какие модели солнечных панелей вы планируете использовать. От ответов на эти вопросы зависит то, сколько вам потребуется дополнительного оборудования, сколько средств уйдет на приобретение самих панелей, а также то, потребуется ли вам помощь специалистов при монтаже оборудования.

Например, установка системы солнечной генерации и накопления энергии в доме или на коммерческом предприятии обойдется недешево. Вам потребуется комплекс специального оборудования, а во многих случаях консультация и помощь специалистов. Придется потратиться, хотя в большинстве случаев оно того стоит.

Какие очевидные плюсы вы получите? Во-первых, вы станете меньше тратить денег за электричество. В условиях постоянно растущих тарифов - это важное преимущество. Во-вторых, вы окажетесь в числе тех, кто стремится заботиться о нашей планете и использует экологически чистые источники энергии. Моральный аспект никто не отменял. Тем более, что это даже модно.

В-третьих, солнечную генерацию можно использовать почти при любом климате (за редким исключением). Например, в последние годы можно услышать новости о строительстве солнечных станций не только в Горном Алтае или на Северном Кавказе, но в Якутии и других холодных регионах России. Делается это не только из экологических соображений, но и в результате детальных расчетов.

В-четвертых, и это касается в особенности продукции EcoFlow, всю систему генерации солнечной энергии можно установить и настроить самостоятельно без расходов на привлечение сторонних специалистов.