Як відбувається генерація енергії у сонячних панелях та які фактори впливають на ефективність?

Сонячна панель є набором фотоелектричних комірок кожна з яких виготовляється з двох шарів напівпровідника — P-тип і N-тип. Найбільш популярним матеріалом є кремній, але для підвищення ефективності виробітку енергії також підмішують фосфор. Якщо говорити зрозумілою мовою, то при попаданні сонячного світла на поверхню відбувається вивільнення електронів та їх упорядкований рух, що, по суті, є визначенням електричного струму.

Схематично процес можна представити так:

Поперечний переріз сонячного елемента

Один модуль може складатися з різної кількості фотоелектричних комірок. Способів обробки кремнію також декілька. Від цих характеристик залежить максимальна ефективність (ККД) сонячної панелі, на основі якої відбувається розрахунок потужності під конкретні проєкти. Але кількість одержуваної енергії залежить і від другорядних умов, які пов'язані з розташуванням та обслуговуванням.

Вибір сонячної панелі буде зробити набагато простіше, якщо визначити всі фактори, що впливають на ефективність вироблення електроенергії:

  • Спосіб виготовлення та кількість фотоелектричних комірок;
  • Матеріали виготовлення;
  • Добова сонячна активність;
  • Наявність хмар;
  • Напрямок та кут нахилу панелей;
  • Рівень забруднення зовнішньої поверхні.

Важливо розуміти, що сонячні батареї є лише ланкою повноцінної системи, а для реалізації проєкту знадобиться додаткове обладнання:

Оскільки основний об'єм річної генерації відбувається з квітня до жовтня (70%), розглядати застосування сонячної енергії для електричного опалення в зимовий період немає сенсу. Але при розгортанні масштабної «ферми» для заробітку такий варіант теж можливий. У більшості випадків домашні сонячні електростанції покривають щоденні побутові потреби з можливістю акумулювання надлишків у батареях для резервного живлення у похмурі дні.

Переваги стаціонарних та портативних моделей залежно від умов місцевості та призначення

При виборі сонячних панелей важливо визначитися із призначенням. Виробники пропонують портативне та стаціонарне обладнання, яке підходить для певних умов.

Портативні сонячні панелі

Призначені для забезпечення мінімальних потреб та нерегулярного застосування. Це мобільний варіант для дачі, пікніків, автомобіля, туристів та екстремалів. Конструкція найчастіше складана і вміщується в багажник, похідний рюкзак.

Для розгортання такої системи достатньо кількох хвилин, не потрібні інструменти та досвід. Найчастіше панелі оснащені контролерами та всіма необхідними роз'ємами для живлення ноутбуків, мобільних гаджетів, USB-світильників тощо.

Переваги портативних сонячних панелей:

  • Невеликі розміри та вага;
  • Простота встановлення та експлуатації;
  • Не потребує додаткових витрат;
  • Наявність роз'ємів USB/DC.

Недоліком портативних сонячних панелей можна вважати обмежену вихідну потужність, яка рідко перевищує 300 Вт. Цього недостатньо, щоб покрити потреби побутової техніки, електроінструменту та систем опалення. Найкращий сценарій використання – створення резервного світлодіодного освітлення, підзарядка смартфонів, повербанків, ліхтариків, живлення комп'ютерної техніки, мережевого обладнання, портативних колонок.

Популярні портативні сонячні панелі

Стаціонарні панелі

Призначені для реалізації складних проєктів, націлених на створення автономного енергопостачання приватного будинку чи квартири, заробітку на «зеленому тарифі». Монтаж здійснюється на землі або на даху за допомогою спеціальних конструкцій, які можуть мати різну функціональність. Одні є нерухомими, інші дають змогу змінювати кут нахилу вручну в залежності від сезону. Найбільш прогресивними вважаються сонячні трекери, які автоматично повертають панелі за рухом сонця.

Стаціонарні сонячні модулі збираються в єдину систему та здатні генерувати достатню кількість енергії для живлення побутової техніки та навіть опалювального обладнання. Вихідна потужність залежатиме від кількості панелей і відповідно від розмірів. Подібні системи можуть займати десятки квадратних метрів для побутового використання та гектари у разі бізнес-проєктів.

Переваги стаціонарних сонячних панелей:

  • Забезпечують повне автономне електропостачання;
  • ДАють можливість заробляти на надлишку потужності, що генерується.

Важливо розуміти, що встановлення сонячних батарей коштує недешево, а окупність становить близько 10 років. Це довгостроковий проєкт на багато років уперед. Неякісні панелі зношуються швидше та втрачають ефективність, генерують менше електрики. Давайте визначимося, на які характеристики потрібно звернути увагу, щоб зробити правильний вибір.

Популярні стаціонарні сонячні панелі

Який тип кристалічного покриття обрати для отримання максимального ККД?

Сонячні панелі можуть мати різну структуру кристалів кремнію. Технологія виробництва визначає тип панелі, її максимальний ККД та інші властивості.

На ринку присутні 3 основні види сонячних панелей:

Для зручності порівняння характеристик кожного типу пропонуємо ознайомитись з таблицею:

Показник Монокристалічна
(Mono-Si)		 Полікристалічна
(Poly-Si)		 Тонкоплівкова
(TFSC)
Ефективність / ККД Висока
(До 22%)		 Середня
(До 18%)		 Низька
(близько 10%)
Довговічність Висока
(близько 30 років)		 Висока
(близько 25 років)		 Низька
(близько 10 років)
Температурний коефіцієнт Низький Високий Середній
Ціна Висока Середня Низька

Очевидно, що монокристалічні модулі найпрогресивніші, що позначається на вартості. Вони виготовляються із цільного шматка кремнію з різними добавками для підвищення ККД та довговічності.

Панелі Mono-Si повністю розкривають свій потенціал при прямому контакті із сонячними променями та оптимально підходять для південних регіонів. Низький температурний коефіцієнт мінімізує втрати при нагріванні поверхні. Хоча і за розсіяного світла ККД буде досить великим, що робить їх найбільш популярними. Панелі дають змогу отримати максимум енергії (близько 1 кВт із кожних 6-8 м²), тому добре вписуються в обмежену площу приватного домоволодіння. Візуально їх можна визначити за насиченим чорним кольором поверхні.

Популярні монокристалічні сонячні панелі

Полікристалічні модулі складаються з великої кількості кристалів кремнію, що робить їх ефективними при обробці розсіяного світла або під сильним кутом (захід і схід сонця). Poly-Si оптимально підходить для регіонів, де активність сонця протягом року невелика, і небо часто затягнуте хмарами. Варто зазначити, що різниця в ефективності монокристалів та полікристалів невелика, але для генерації електрики останні потребують більшої площі поверхні (близько 1 кВт з кожних 8-10 м²). Таким чином, поліпанелі добре підходять для глобальних проєктів, де немає обмежень за розмірами. Модулі характеризуються гарним балансом ціна/ефективність, тому окупність відбувається швидше. Але треба враховувати високий температурний коефіцієнт – при нагріванні від прямих сонячних променів відбувається зниження ККД. Візуально виділяються синім кольором поверхні.

Популярні полікристалічні сонячні панелі

Тонкоплівкові панелі відрізняються підвищеною гнучкістю та мінімальною вагою. Їх легко наклеїти на дах будинку, машини, закріпити на опорах та каркасах, згинати під різними кутами та брати із собою в дорогу. Тонкі пластини кремнію не дають багато енергії, але вироблення більш стабільне, незалежно від нахилу сонячних променів та нагріву. Каменем спотикання є низька довговічність та швидка втрата ефективності генерації з кожним роком експлуатації. Особливості гнучкої конструкції також перешкоджають створенню надійного захисту від механічних пошкоджень, який притаманний моно і полі панелям.

Популярні тонкоплівкові сонячні панелі

Як розрахувати потужність для реалізації різних проєктів?

Насамперед необхідно визначити реальне споживання електроенергії з урахуванням пікових навантажень. Для цього необхідно провести розрахунки на базі параметрів всіх домашніх приладів. Розглянемо на прикладі невеликого приватного будинку площею близько 100 м² у літній період.

Основними споживачами є:

  • Холодильник – 150 Вт;
  • Комп'ютер/ноутбук – 200 Вт;
  • Телевізор – 100 Вт;
  • Посудомийна машина – 1500 Вт;
  • Пральна машина – 1500 Вт;
  • Праска – 1500 Вт;
  • Мікрохвильова піч – 600 Вт;
  • Духова шафа – 600 Вт;
  • Кондиціонер – 2000 Вт;
  • Освітлення внутрішнє та зовнішнє – 300 Вт;
  • Зарядний пристрій для гаджетів – 15 Вт.

Сумарна цифра буде дуже великою, але одночасне використання всіх пристроїв навіть уявити неможливо. Головним споживачем у цьому разі є кондиціонер. З огляду на площу це може бути один потужний прилад з центральним повітроводом або 3 звичайні спліт-системи, встановлені в різних частинах будинку (кухня, коридор, спальні кімнати).

Тому необхідно визначити максимум, який може споживати сім'я протягом дня:

Обладнання Потужність споживання, Вт/год Сумарна потужність, Вт/год
Холодильник 150 4700
ПК 200
Телевізор 100
Кондиціонер 2000
Посудомийна, пральна машина або праска 1500
Мікрохвильова піч або духова шафа 600
Внутрішнє або зовнішнє освітлення 150

Таким чином, забезпечивши сумарну потужність панелей 4700 Вт/год, приватний будинок та всі його користувачі зможуть повноцінно функціонувати без особливих обмежень.

Тепер давайте порахуємо, скільки панелей знадобиться для досягнення бажаного показника, і яку площу займатиме домашня сонячна електростанція. Візьмемо за основу стандартну стаціонарну монокристалічну батарею із заявленим показником 400 Вт та розмірами 1700 х 1000 мм (1.7 м²). Варто врахувати, що цифри є актуальними за ідеальних умов, у яких тестуються товари на етапі виробництва (STC). Реальні показники генерації (NOCT) зазвичай є меншими і залежать від багатьох факторів, які ми визначили на самому початку статті. Уважно вивчіть паспорт продукту. Перевірені бренди завжди вказують стандартні та номінальні параметри.

Орієнтовно розрахункова потужність панелі становитиме 320 Вт. У результаті нам знадобиться 15 таких модулів (15х320=4800 Вт/год), а площа займатиме мінімум 25.5 м². Але і це ще не все, тому що об'єм електрики, що генерується, знижується вранці і ввечері через великий кут нахилу сонячних променів, а також при хмарній погоді. Більше того, частина енергії йтиме на зарядку акумуляторів (ще близько 20%). Тому далі у користувача є 2 варіанти:

  • Залишити розрахункову вихідну потужність без змін. У сонячну погоду вироблення буде максимальним і достатнім. В інших умовах доведеться використовувати резервні акумулятори, центральне електропостачання або скоротити споживання (наприклад, одночасно вмикати 1 кондиціонер або на мінімальну потужність).
  • Компенсувати можливі втрати (близько 40%), встановивши додаткові панелі (близько 6 шт), що також збільшує площу, що займається, майже до 36 м².

Таким чином, розмістити подібну СЕС (сонячну електростанцію) на даху чи у дворі цілком реально. Надлишок можна віддавати державі, отримуючи прибуток, витрачати на обслуговування ділянки (освітлення, полив) чи розваги (басейн, електрогриль, атракціони).

Важливо! Реальні розрахунки потужності, кількості та характеристик панелей, супутнього обладнання та площі повинні здійснюватись фахівцями під кожен окремий проєкт. Наведені цифри є суб'єктивними та несуть інформаційний характер.

Гарантія виробника на технічну складову та продуктивність

Свої розробки у сфері генерації природної енергії пропонують багато країн та виробників. Але візуально визначити якість виготовлення продукції неможливо. Для цього потрібно звертати увагу на два основні показники:

  • Загальна гарантія на виріб (цілісність рами, захисного скла, працездатність).
  • Гарантія збереження продуктивності (існують різні варіанти назв — реальний термін деградації, гарантія відповідності рівня потужності тощо).

Ознакою гарної якості є загальна гарантія терміном від 10-15 років. Другий показник більш специфічний та корисний. Він відображає ефективність генерації не менше 80% від початкових показників протягом 25 років. Таким чином, ви будете впевнені, що в період всього терміну експлуатації вироблення електрики буде ефективним та рентабельним.

При купівлі сонячної панелі повинні видаватися два гарантійні талони, і потрібно звертати увагу на вказані в них терміни. В іншому випадку ви ризикуєте купити неякісний виріб, який вийде з ладу ще до моменту виходу на окупність, а замінити його за гарантією не вдасться.

При виборі важливо брати до уваги наявність сервісних центрів у країні чи регіоні. Це полегшить вирішення проблем, пов'язаних із підключенням, обслуговуванням та заміною сонячних батарей.