Зовсім недавно автономні системи енергозабезпечення будинків здавалися фантастикою. Сьогодні вони впевнено входять в наше життя. Дбайливі європейці вже досить давно використовують так звані сонячні батареї для забезпечення свого житла електроенергією. У Росії такі системи поки ще тільки набирають популярність. Пов’язано це з досить високою вартістю устаткування. Проте технології його виробництва вдосконалюються, і ціна на пристрої потроху падає, роблячи їх все більш доступними для покупців. Які панелі вибрати для приватного будинку? Давайте розбиратися.
Принцип дії сонячних батарей
Пристрої, що перетворюють в електроенергію сонячне світло, працюють за досить простим принципом. Щоб його зрозуміти, достатньо згадати шкільний курс фізики. Зокрема освіжити знання про те, що таке pn перехід. Саме він здатний перетворювати енергію світла в електричну. Це явище яскраво ілюструє досвід з транзистором зі спиляною кришкою. Світло падає на pn перехід, а підключений до нього вольтметр починає фіксувати незначні значення електричного струму. При збільшенні площі pn переходу кількість одержуваної електроенергії зростатиме.
Принцип роботи сонячних батарей заснований на перетворенні світлової енергії в електричну. Велика площа панелей дозволяє виробляти більше енергії
Всі сучасні фотоелектричні перетворювачі працюють з використанням цього принципу. Відносно великі площі пластин з pn переходами дозволяють отримувати достатню кількість електроенергії. Постійному удосконаленню піддаються матеріали і конструкція, завдяки чому зростає коефіцієнт фотоелектричного перетворення, він же ККД пристрою. Величина напруги і вихідного струму сонячної батареї безпосередньо залежать від ступеня зовнішньої освітленості пристрою.
Типи фотоелектричних перетворювачів
Кількість різновидів сучасних сонячних батарей наближається до десятку. Кожна варіація має свої особливості. Всі їх можна умовно поділити на дві великі групи – кремнієві і полімерні плівкові. Розглянемо більш докладно кожну з них.
Кремнієві сонячні батареї
Пристрої виробляють постійний струм, який з’являється внаслідок попадання на кремнієву або кремневодневі пластину сонячного випромінювання. Особливості матеріалу такі, що промені сонця, що потрапляють на нього, зрушують електрони з орбіт атомів. Звільнені електрони утворюють електричний струм. Такі пристрої відрізняються максимальною ефективністю, але досить складні у виготовленні, що робить їх недешевими. Існує кілька різновидів кремнієвих батарей.
Вид # 1 – монокристалічні перетворювачі
Відмітна особливість елементів такого типу – спрямованість світлочутливих осередків строго в одну сторону. З одного боку, це дуже добре, оскільки дозволяє отримувати найбільш високий з усіх аналогічних систем ККД. У монокристалічних перетворювачів він досягає 22%. Однак для роботи панель повинна завжди бути розгорнута до сонця, інакше енерговіддача різко знижується.
Розсіяне світло на заході або світанку, в похмурі дні дає дуже невеликий результат, що робить монокристалічні перетворювачі гарним вибором для південних районів, де багато сонячних днів. Зовні такі системи легко відрізнити за скошеним кутах панелей, що обумовлено особливостями їх виготовлення, і глибокому чорному кольору, який дають направлення в одну сторону осередки.
Монокристалічні модулі відрізняються найбільш високим ККД. Вони складаються з орієнтованих строго в одну сторону кристалів кремнію
Вид # 2 – полікристалічні батареї
На пластинах розташовані різноспрямовані кристали кремнію, що дає більш низький у порівнянні з монокристалами ККД. Він становить близько 18%. Зовнішній вигляд панелей так само відрізняється. Вони являють собою пластини правильної квадратної форми темно-синього кольору. Неоднорідність їх структури і кольору пояснюється тим, що до їх складу входять різнорідні кристали кремнію, а крім того присутні деякі домішки.
Полікристалічні сонячні батареї характеризуються неоднорідною структурою і наявністю орієнтованих в різні боки кристалів кремнію
Для виготовлення полікристалічних панелей може використовуватися не тільки первинний кремній, а й підготовлене вторинну сировину. Це пояснює наявність в обладнанні деякої кількості дефектів. Головне достоїнство таких пластин – хороша енергоефективність при розсіяному світлі, що робить їх незамінними для місцевостей, де похмура погода не рідкість.
Вид # 3 – аморфні кремнієві панелі
Аморфні елементи являють собою дуже тонкі шари кремнію, які отримують напиленням матеріалу у вакуумі. Основою стає фольга з високоякісного металу, пластик або скло. ККД таких пристроїв невеликий і становить лише 6%. Це пояснюється більш швидким, ніж у пластин кристалічного виду, вигоранням кремнієвих шарів під впливом сонячної радіації. Як показує практика, ефективність аморфних панелей через два місяці експлуатації знижується приблизно на 20%. Після півтора-двох років батарея може просто вийти з ладу.
Модулі, виконані з аморфного кремнію, відрізняються невисоким ККД, зате вони дуже ефективно працюють в умовах розсіяного світлового потоку
Проте їх застосування цілком виправдано. Світлочутливі осередки орієнтовані хаотично, що істотно підвищує ефективність пристроїв в похмуру погоду і при розсіяному світлі. Крім того ступінь поглинання надходить світлового потоку у аморфних панелей майже в двадцять разів вище, ніж у аналогічних кремнієвих пристроїв-конкурентів. Безвідходна технологія виробництва таких батарей дозволяє істотно знижувати їх вартість. Зовні аморфні пластини можна відрізнити за темно-сірому кольору.
Вид # 4 – гібридні фотоперетворювачі
Такі панелі об’єднують мікрокристали і аморфний кремній. Властивості гібридних перетворювачів світлового потоку дуже близькі до властивостей полікристалічних елементів. Єдина різниця в тому, що їх продуктивність в умовах розсіяного світла набагато вище. Ще одне відмітна властивість таких панелей – здатність перетворювати в електричний струм не тільки випромінювання ультрафіолетового спектра, але і промені інфрачервоного діапазону.
Полімерні плівкові сонячні перетворювачі
Перспективна альтернатива кремнієвим батареям. Являють собою плівку, що складається з полімерного активного шару, алюмінієвих електродів, органічної гнучкою підкладки і особливого захисного шару. Плівкові фотоелементи об’єднуються між собою, в результаті чого виходить рулонна сонячна батарея. Такі пристрої дуже гнучкі, компактні та легкі. Їх вартість дещо нижча кремнієвих аналогів, оскільки у виробництві не використовується дорогий кремній. Крім того пристрою більш екологічні, оскільки роблять на навколишнє середовище менший вплив.
ККД таких пристроїв невисокий. Він становить близько 6,5%. У промислових масштабах перші полімерні батареї почали випускати в Данії. Процес виробництва полягає в особливій багатошарової друку фотоелемента на спеціальну гнучку плівку. Її згодом можна різати, скручувати і виготовляти сонячні батареї практично будь-яких розмірів. Вартість плівкових елементів на порядок нижче, ніж у кремнієвих. Однак знайти такі панелі в продажу поки ще дуже складно. Виробництво знаходиться в ранній стадії розвитку.
Для виготовлення полімерних сонячних модулів не потрібен дорогий кремній, що суттєво здешевлює виробництво
Що пропонує ринок – огляд виробників
На російському ринку у великому асортименті представлені полі-і монокристалічні панелі. Велика їх частина зроблена в Китаї, що не дивно, оскільки ця країна – лідер з виробництва та продажу різних систем генерації сонячної енергії. На ринку так само представлена німецька продукція від компаній SCHOTT і Calixo, японська від фірми SHARP і товари російських компаній. Останні найчастіше займаються складанням сонячних елементів з комплектуючих китайського виробництва.
Тим не менш, в Росії є підприємства, що виробляють фотоперетворювачі. Завод «Хевел», розташований в Новочебоксарске, випускає тонкоплівкові гібридні панелі. Завод «Сатурн» в Краснодарі спеціалізується на сонячних батареях, що працюють на арсеніді галію. Останні здебільшого призначені для космічної промисловості. Побутові модулі виробляють два підприємства: «Завод металокерамічних приладів» в Рязані і «Телеком-СТВ» в Зеленограді.
Вітчизняні виробники випускають різні типи кремнієвих сонячних батарей
Завод в Рязані виробляє два основних типи пристроїв:
- RZMP-130-Т з діапазоном потужностей від 105 до 145 Вт
- RZMP-220-Т з діапазоном потужностей від 200 до 240 Вт
Пристрої складаються з декількох послідовно з’єднаних елементів. Панель покрита високопрозрачним загартованим текстурованим склом і поміщена в алюмінієвий профіль. Така конструкція надає батареї міцність і захищає від несприятливих атмосферних впливів. Вартість таких пристроїв досить висока. Наприклад, модель RZMP-130-Т, потужність якої 120 Вт, обійдеться покупцеві в більш ніж 16 000 руб.
«Телеком-СТВ» випускає набагато більше різних моделей сонячних батарей. Серед них полі- і монокристалічні модулі, спеціалізовані та особливі гнучкі батареї, а так само монокристалічні панелі підвищеної ефективності. Вихідна напруга може бути адаптоване як для високовольтних систем (34-38 В), так і для низьковольтних (17-18,5 В).
Кремнієві модулі випускаються в алюмінієвій рамці, накриті спеціальним текстурованим склом. Виробник дає на свої батареї п’ять років гарантії і сертифікує своє обладнання, хоча за законом це робити не обов’язково. Зеленоградська панелі більш легкі й менш габаритні, ніж рязанські. Вартість їх майже в півтора рази нижче, незважаючи на те, що якість сонячних батарей незмінно високу.
Сонячні модулі на основі аморфного кремнію від заводу «Хевел» можуть працювати в різних кліматичних умовах
Завод «Хевел» єдиний в Росії, випусковий модулі по мікроморфной технології. Це пластини, виконані на базі аморфного кремнію з деякою кількістю вкраплень мікрокристалів. Панелі ефективно працюють в умовах розсіяного світла і впевнено конкурують з полі- та монокристалічними батареями. Підприємство тільки початок випуск продукції, тому знайти її поки можна не в усіх магазинах. Вартість таких панелей досить демократична. За пристрій потужністю 125 Вт доведеться віддати близько 10 000 руб, що трохи вище, ніж у основного конкурента підприємства Тайванської Green Energy Technology. Їхня продукція з аналогічними властивостями коштує близько 7000 руб.
Асортимент сонячних батарей дуже широкий. І тільки людина, що збирається придбати фотоперетворювач, може вирішити, на якому варіанті йому зупинитися. При цьому варто врахувати і думку фахівців, які рекомендують для облаштування автономного електропостачання будинку зупинити свій вибір на полікристалічних модулях. Зрозуміло, що монокристалічні більш ефективні, але не потрібно забувати, що це досить умовний показник. Використання сонячних батарей стає все більш популярним. Незважаючи на свою дорожнечу, ці пристрої досить швидко окупаються. А головне, вони дозволяють отримувати необхідну електроенергію практично «з нічого».