Сонце за одну секунду виробляє стільки енергії, скільки людина не змогла отримати за всю свою історію. Це величезний термоядерний реактор. І запасів його палива вистачить приблизно п’ять мільярдів років. Людина підкорила сонячну енергію і навчилася перетворювати її на електричну. Це стало можливим за допомогою сонячних батарей.
Що ж є сонячна батарея і як вона перетворює сонячне світло на електрику? Основа такої батареї – кремній (у природі цей мінерал зустрічається лише як пісок, але цілком можливо виростити кремній штучно, як кристал). Кристалу кремнія надають кубічну форму і ріжуть на пластини – фотоелементи – товщиною 180 мікрон (приблизно три людські волосся). На цю пластину наносять невелику кількість бору та фосфору. У шарі з добавками фосфору виникають вільні електрони (n-тип), а у шарі з бором – відсутні електрони – “дірки” (р-тип).
Коли квант світла потрапляє на пластину, починається рух частинок з одного шару в інший, тобто виникає електричний струм. При спрямованому сонячному світлі електрика збирається у кожному точці кремнієвої пластини, та був виводиться з допомогою спеціальних доріжок – провідників. Коли фотоелементи з’єднуються, потужність батареї збільшується. З’єднання відбувається за допомогою смужок спеціально обробленої міді.
Дуже важливо відзначити, що це з’єднання є послідовно-паралельним. Це робиться для того, щоб на виході отримати більш високу напругу, потужність та струм. До того ж, при несправності одного з фотоелементів робота сонячної батареї не припиняється, а значить вся конструкція надійна і довговічна.
Сонячні батареї можна умовно розділити на дві групи: плівкові та кремнієві. Перші, у свою чергу, бувають на основі телуриду кадмію, меді-індії селеніду або полімерні. А другі поділяють на монокристалічні, полікристалічні та аморфні. Розглянемо їх детальніше.
Кремнієві батареї – найпопулярніші батареї на сьогоднішній день, оскільки цей елемент не є дефіцитним, дешево коштує і дає непогані показники ККД. Монокристалічні сонячні панелі – це набір силіконових осередків, об’єднаних між собою. Монокристал високої чистоти після затвердіння розрізають на пластини, і пронизують безліччю металевих електродів. Плюсом таких панелей є відносно високий ККД – 18-22%, мінусом – дорога технологія виробництва і, як наслідок, висока ціна.
Для виробництва полікристалів кремнію використовується менш дорога технологія, тому кремній, отриманий у такий спосіб, дешевше. Однак, полікристалічні батареї мають ККД лише 12-18%. Це зумовлено утворенням усередині кристалів областей із зернами різної спрямованості, що є наслідком повільного охолодження розплавленого кремнію у процесі виробництва. При виготовленні аморфних панелей використовується з’єднання кремнію – кремнію водень або силан. Його тонким шаром наносять на поверхню підкладки, і в результаті отримують гнучкі батареї з показником поглинання в десятки разів вище, ніж полі- і монокристалів. Товщина таких панелей трохи більше 1 мкм, проте ККД ледь сягає 5-6%.
Переваги кожного виду сонячних батарей
Монокристалічні сонячні панелі:
- високий рівень ККД;
- компактність. Їх розміщують на невеликих майданчиках з огляду на потужність обладнання;
- надійність та довговічність. Монокристалічні панелі успішно перетворюватимуть сонячну енергію на електрику протягом 25 років.
Полікристалічні сонячні панелі:
- ефективно генерують енергію при розсіяному сонячному світлі;
- панелі підходять для монтажу на дахах;
- привабливіша ціна у порівнянні з монокристалічними аналогами;
- довговічність. Протягом 20 років панелі показуватимуть найбільшу потужність, далі показники падають на 15-20%, але все ще дають змогу генерувати енергію.
Кремнієві сонячні панелі:
- універсальні. Підходять для встановлення на будь-яких будинках;
- високий ККД при розсіяних сонячних променях;
- стабільно працюють навіть за високої температури;
- прості та надійні, конструкції практично не ламаються;
- ефективні навіть за складних умов, наприклад, запиленості;
- термін служби – 20-25 років.
Тонкоплівкові сонячні панелі:
- ефективно працюють при розсіяному випромінюванні;
- рентабельні в регіонах з туманним та похмурим кліматом або у промисловій місцевості зі складною екологічною обстановкою (задимленістю та запиленістю).
Недоліки різних сонячних панелей
- Монокристалічні найдорожчі за вартістю і чутливі до забруднення повітря. Пил розсіює світло навіть у сонячну погоду, що знижує ККД обладнання.
- Полікристалічні панелі мають знижений ККД (порівняно з попереднім типом батарей). Громіздкі, тому для монтажу потрібно більше простору.
- Панелі з аморфного кремнію вимагають великих площ для установки обладнання.
- Тонкоплівкові панелі – недорогі, але через нижчий ККД для них також потрібно більше місця, ніж для попередніх аналогів.
Місця застосування сонячних батарей збільшуються з кожним роком. Вони входять до складу автономних систем, які зазвичай використовують там, де немає можливості підключитись до централізованої мережі. Резервні та комбіновані системи також використовують сонячні батареї. Розглянемо їх детальніше.
Світло падає на сонячні панелі не завжди – є похмурі дні і нічний час, тому все, що виробляють панелі, накопичується про запас. Для цього існують акумулятори, розрядкою і зарядкою яких розповідає контролер. Струм від панелі спочатку заряджає акумулятори, але цей постійний струм, а побутовим приладам потрібен змінний, тому в ланцюжку є ще один необхідний блок – інвертор. Він перетворює постійний струм на змінний, яким ми користуємося. Всю цю систему зазвичай називають автономною сонячною батареєю, хоча правильніше її називати сонячною електростанцією.
Резервні системи енергопостачання складаються із сонячних батарей. Вони підключаються до мережі та виконують функцію альтернативного джерела живлення. Коли основна мережа дає збій, а також у світлий час доби, включається резервна система і забезпечує безперебійну роботу всіх приладів. За потреби можна примусово вимкнути централізовану мережу та запустити резервну систему.
Комбіновані системи живлення, крім контролера заряду, акумуляторів та інвертора, мають у своєму ланцюжку відразу кілька генераторів електроенергії: сонячні панелі, вітроустановку і так званий резервний або дизель-генератор. У ясний погожий день працює сонячна батарея, за наявності вітру включається вітрогенератор. Якщо відновлювані джерела енергії не дають необхідної потужності, запускається дизель-генератор і таким чином ви завжди отримуєте електрику в потрібній кількості. Перевага гібридних систем живлення у надійності, економічності, безпеці для навколишнього середовища та щодо тихої роботи.
Ще одним типом споживачів сонячних батарей є мобільні та малі споживачі. Компактні установки потрібні у поїздках, на відпочинку, у заміському будинку, де люди бувають лише іноді. Мала сонячна електростанція відмінно підійде для підзарядки телефону та ноутбука, роботи телевізора, електрочайника, освітлення приміщень.
Сонячні батареї також входять до складу систем, які можуть генерувати вироблену енергію безпосередньо до централізованої мережі. Ці системи вигідно застосовувати там, де працює так званий “Зелений Тариф”, тобто механізм, коли енергопостачальні компанії викуповують у приватних осіб надлишкову електроенергію, що виробляється сонячними батареями або іншими джерелами енергії, що відновлюються.
Система скидання електроенергії у загальну мережу по “Зеленому Тарифу” – це:
– Сонячні панелі (тут генерується електроенергія);
– підтримуючі конструкції (для правильної та надійної установки сонячних модулів);
– мережевий інвертор (переводить постійний струм у змінний та скидає вироблену електроенергію до мережі).
Переваги такої системи в безшумності, надійності та довговічності, вона потребує мінімального обслуговування та є екологічно безпечною. Потужність цих систем можна збільшувати залежно потреб споживача.