Сонячна панель: з чого вона складається та як працює

Людство вже давно задумувалось про використання сонячного світла як джерела енергії. Перші спроби використати енергію сонця датуються XX століттям. Тоді вчені намагались реалізувати концепцію термальної електростанції, яка б трансформувала сонячну енергію. Та ця ідея виявилась неефективною. Добре поміркувавши над невдачею учені дійшли висновку, що необхідно застосовувати сонячну енергію напряму без трансформації. Так з’явилась теорія фотоелектричного ефекту Александра Беккереля. Але перевірити цю теорію вдалося лише через 34 роки, у 1873. Саме цього року були відкриті напівпровідники – обов’язкові учасники фотоелектричного ефекту. З цього і почалася довга та насичена історія сонячних електростанцій. 

Що собою представляє сонячна панель 

Сонячна батарея – це фотоелектричний модуль, який «збирає» сонячне світло та використовує його для вироблення електроенергії. Зовнішній вигляд, потужність та можливості сонячних панелей відрізняються, в залежності від їх типу. 

За конструкцією з гнучкі та жорсткі фотоелектричні модулі. Гнучкі панелі дуже пластичні, їх можна навіть скрутити трубочкою, не пошкодивши при цьому. Завдяки пластичності такі панелі дуже невибагливі до місця установки. Основний мінус гнучких моделей – дуже низька ефективність. Через це гнучкі батареї використовуються доволі рідко. 

Традиційна сонячна панель, яку ми звикли бачити на дахах будинків та автомобілів – це модель с жорсткою конструкцією. Її ефективність залежить від матеріалу виготовлення. Розрізняють такі типи: 

• Тонкоплівкові. Виготовляються такі панелі з аморфного кремнію (до речі, саме цей матеріал використовується для виробництва гнучких панелей), діселеніда індію та міді. КПД аморфних моделей складає всього 6%.
• Полікристалічні. Виготовляються з полікристалів кремнію. КПД панелей складає до 18%. 
• Монокристалічні. Для їх виготовлення використовують монокристали кремнію. Коштують такі панелі дорожче, але і показник ефективності у них вищий – до 24%. Слід зазначити, що КПД сучасних експериментальних монопанелей складає до 43%.

Як влаштована сонячна панель 

Конструкція фотоелектричного модуля досить проста. Основна частина панелі складається з кремнієвих фотоелементів (напівпровідників), які і виконують функції маленьких генераторів електроенергії. Всі фотоелементи скріплені між собою та надійно зафіксовані у герметичній алюмінієвій рамі. Зверху напівпровідники вкриті захисною полімерною плівкою та міцним загартованим склом.  

На тильній стороні сонячної панелі розташована герметична розподільна коробка. Саме в ній відбувається перехід від фотоелементів, до електричних дротів, котрі далі йдуть до контролера. 

Кремнієві елементи дуже добре відбивають сонячні промені. Через це велика частина сонячної енергії втрачається. Щоб зменшити ці втрати та зробити сонячну батарею більш ефективною, фотоелементи покривають спеціальним антибліковим покриттям. 

Як працюють кремнієві напівпровідники 

Коли промені сонця потрапляють на фотоелемент, він нагрівається і таким чином частково поглинає сонячну енергію. Ця додаткова енергія вивільнює електрони всередині напівпровідника. Під дією зовнішнього електричного поля електрони починають рухатись у певному напрямку, в результаті чого і виникає електричний струм. Щоб отримати достатню кількість електроенергії, потрібно задіяти дуже багато фотоелементів. Саме тому, щоб забезпечити електроенергією дім або хоча б окремі побутові прилади потрібно використовувати великі сонячні панелі площею в декілька квадратних метрів. 

Розглянемо процес вироблення електроенергії трохи детальніше. Напівпровідникові фотоелементи називають кремнієвими, але насправді вони виготовляються не з чистого кремнію. Бо у своєму чистому вигляді кремній дуже неохоче ділиться електронами, навіть під дією великої кількості сонячного світла. Причина такої «жадібності» у міцних зв’язках атома кремнію. Щоб ці зв’язки послабити, кремній модифікують, додаючи до нього атоми фосфору. В результаті виходить удосконалений легований кремній. З нього зроблений верхній n-шар фотоелемента. Під дією сонячного світла у ньому з’являється велика кількість незв’язаних електронів. 

Вільні електрони прагнуть рухатись за законами фізики – від негативних, до позитивно заряджених часток нижнього p-шару (він утворюється завдяки комбінації кремнію та брому). Щоб цього не сталось у конструкції використовується зовнішнє електричне поле, яке змушує електрони рухатись у протилежному напрямку. В результаті цього дисбалансу і виникає електричний струм. 

Вироблена електроенергія направляється до контролера та інвертора, який перетворює постійний струм у змінний (адже для роботи всіх побутових електроприладів, гаджетів та девайсів нам потрібен саме змінний струм). В залежності від типу та комплектації сонячної електростанції струм може направлятись одразу у мережу, або в акумулятор. 

Як впливає тінь на роботу сонячних панелей

Існує міф, що фотоелектричні модулі можуть генерувати електроенергію тільки під прямими сонячними променями, а у тіні взагалі перестають працювати. Насправді ж сучасні СЕС здатні виробляти електроенергію навіть у хмарну погоду. Щоправда їх потужність в таких умовах дійсно знижується. Давайте розбиратись, як тінь впливає на ефективність різних панелей.

Всі фотоелементи складаються з декількох шарів з n-p переходами. Це дозволяє панелям уловлювати сонячні промені різної довжини. У стандартних модулів таких шарів три. Через таку конструкцію затінення навіть одного фотоелемента призводить до зниження потужності. А от у сучасних панелей, які також називають спліт-модулями, таких шарів не три, а шість. Панелі цього типу виготовляють за технологією half cell, котра дозволяє мінімізувати втрати потужності при затіненні. 

Зменшувати вплив тіні також можна, обираючи правильний кут для встановлення сонячної панелі.