Как происходит генерация энергии в солнечных панелях и какие факторы влияют на эффективность?

Солнечная панель представляет собой набор фотоэлектрических ячеек каждая из которых изготавливается из двух слоев полупроводника — P-тип и N-тип. Наиболее популярным материалом является кремний, но для повышения эффективности выработки энергии также подмешивают фосфор. Если говорить понятным языком, то при попадании солнечного света на поверхность происходит высвобождение электронов и их упорядоченное движение, что по сути и является определением электрического тока.

Схематически процесс можно представить следующим образом:

Поперечное сечение солнечного элемента

Один модуль может состоять из разного количества фотоэлектрических ячеек. Способов обработки кремния также несколько. От этих характеристик зависит максимальная эффективность (КПД) солнечной панели, на основе которой и происходит расчет мощности под конкретные проекты. Но количество получаемой энергии зависит и от второстепенных условий, которые связаны с местоположением и обслуживанием.

Выбор солнечной панели будет сделать намного проще, если определить все факторы, которые влияют на эффективность выработки электроэнергии:

  • Способ изготовления и количество фотоэлектрических ячеек;
  • Материалы изготовления;
  • Суточная солнечная активность;
  • Наличие облаков;
  • Направление и угол наклона панелей;
  • Уровень загрязнения внешней поверхности.

Важно понимать, что солнечные батареи являются только звеном полноценной системы, а для реализации проекта понадобится дополнительное оборудование:

Так как основной объем годовой генерации происходит с апреля по октябрь (70%), рассматривать применение солнечной энергии для электрического отопления в зимний период нет смысла. Но при развертывании масштабной «фермы» для заработка, такой вариант тоже возможен. В большинстве случае домашние солнечные электростанции покрывают ежедневные бытовые потребности с возможностью аккумулирования излишков в батареях для резервного питания в пасмурные дни.

Преимущества стационарных и портативных моделей в зависимости от условий местности и назначения

При выборе солнечных панелей важно определиться с их назначением. Производители предлагают портативное и стационарное оборудование, которое подходит для определенных условий.

Портативные солнечные панели

Предназначены для обеспечения минимальных потребностей и нерегулярного применения. Это мобильный вариант для дачи, пикников, автомобиля, туристов и экстремалов. Конструкция чаще всего складная и помещается в багажник, походный рюкзак.

Для развертывания такой системы достаточно нескольких минут, не нужны инструменты и опыт. Чаще всего панели оснащены контроллерами и всеми необходимыми разъемами для питания ноутбуков, мобильных гаджетов, USB-светильников и т.п.

Преимущества портативных солнечных панелей:

  • Небольшие размеры и вес;
  • Простота установки и эксплуатации;
  • Не требует дополнительных затрат;
  • Наличие разъемов USB / DC.

Недостатком портативных солнечных панелей можно считать ограниченную выходную мощность, которая редко превышает 300 Вт. Этого недостаточно, чтобы покрыть потребности бытовой техники, электроинструмента и систем отопления. Лучший сценарий использования — создание резервного светодиодного освещения, подзарядка смартфонов, повербанков, фонариков, питание компьютерной техники, сетевого оборудования, портативных колонок.

Популярные портативные солнечные панели

Стационарные панели

Предназначены для реализации сложных проектов, нацеленных на создание автономного энергоснабжения частного дома или квартиры, заработке на «зеленом тарифе». Монтаж осуществляется на земле или крыше с помощью специальных конструкций, которые могут иметь разный функционал. Одни являются неподвижными, другие позволяют вручную менять угол наклона в зависимости от сезона. Наиболее продвинутыми считаются солнечные трекеры, которые автоматически поворачивают панели вслед за движением солнца.

Стационарные солнечные модули собираются в единую систему и способны генерировать достаточное количество энергии для питания бытовой техники и даже отопительного оборудования. Выходная мощность будет зависеть от количества панелей, и, соответственно, от размеров. Подобные системы могут занимать десятки квадратных метров для бытового применения и гектары в случае бизнес-проектов.

Преимущества стационарных солнечных панелей:

  • Обеспечивают полное автономное электроснабжение;
  • Позволяют зарабатывать на избытке генерируемой мощности.

Важно понимать, что установка солнечных батарей обходится недешево, а окупаемость составляет около 10 лет. Это долгосрочный проект на многие годы вперед. Некачественные панели изнашиваются быстрее и теряют эффективность, генерируют меньше электричества. Давайте определимся, на какие характеристики нужно обратить внимание, чтобы сделать правильный выбор.

Популярные стационарные солнечные панели

Какой тип кристаллического покрытия выбрать для получения максимального КПД?

Солнечные панели могут иметь различную структуру кристаллов кремния. Технология производства определяет тип панели, ее максимальный КПД и другие свойства.

На рынке присутствуют 3 основных вида солнечных панелей:

Для удобства сравнения характеристик каждого типа предлагаем ознакомиться с таблицей:

Показатель Монокристаллическая
(Mono-Si) 		Поликристаллическая
(Poly-Si) 		Тонкопленочная
(TFSC)
Эффективность / КПД Высокая
(до 22%)		 Средняя
(до 18%)		 Низкая
(около 10%)
Долговечность Высокая
(около 30 лет)		 Высокая
(около 25 лет)		 Низкая
(около 10 лет)
Температурный коэффициент Низкий Высокий Средний
Цена Высокая Средняя Низкая

Очевидно, что монокристаллические модули самые прогрессивные, что сказывается на стоимости. Они изготавливаются из цельного куска кремния с различными добавками для повышения КПД и долговечности.

Панели Mono-Si полностью раскрывают свой потенциал при прямом контакте с солнечными лучами и оптимально подходят для южных регионов. Низкий температурный коэффициент минимизирует потери при нагреве поверхности. Хотя и при рассеянном свете КПД будет достаточно большим, что делает их наиболее популярными. Панели позволяют получить максимум энергии (около 1 кВт из каждых 6 – 8 м²), поэтому хорошо вписываются в ограниченную площадь частного домовладения. Визуально их можно определить по насыщенному черному цвету поверхности.

Популярные монокристаллические солнечные панели

Поликристаллические модули состоят из множества кристаллов кремния, что делает их эффективными при обработке рассеянного света или под сильным углом (закат и восход). Poly-Si оптимально подходят для регионов, где активность солнца в течение года небольшая, и небо часто затянуто облаками. Стоит отметить, что разница в эффективности монокристаллов и поликристаллов небольшая, но для генерации электричества последние требуют большую площадь поверхности (около 1 кВт из каждых 8 – 10 м²). Таким образом, полипанели хорошо подходят для глобальных проектов, где нет ограничений по размерам. Модули отличаются хорошим балансом цена / эффективность, поэтому окупаемость происходит быстрее. Но нужно учитывать высокий температурный коэффициент — при нагреве от прямых солнечных лучей происходит снижение КПД. Визуально выделяются синим цветом поверхности.

Популярные поликристаллические солнечные панели

Тонкопленочные панели отличаются повышенной гибкостью и минимальным весом. Их легко наклеить на крышу дома, машины, закрепить на опорах и каркасах, сгибать под разными углами и брать с собой в дорогу. Тонкие пластины кремния не дают много энергии, но выработка более стабильная, независимо от наклона солнечных лучей и нагрева. Камнем преткновения является низкая долговечность и быстрая потеря эффективности генерации с каждым годом эксплуатации. Особенности гибкой конструкции также препятствуют созданию надежной защиты от механических повреждений, которая присуща моно и поли панелям.

Популярные тонкопленочные солнечные панели

Как рассчитать мощность для реализации различных проектов?

Первым делом необходимо определить реальное потребление электроэнергии с учетом пиковых нагрузок. Для этого нужно провести расчеты на основе характеристик всех домашних приборов. Рассмотрим на примере небольшого частного дома площадью около 100 м² в летний период.

Основными потребителями являются:

  • Холодильник – 150 Вт;
  • Компьютер / ноутбук – 200 Вт;
  • Телевизор – 100 Вт;
  • Посудомоечная машина – 1500 Вт;
  • Стиральная машина – 1500 Вт;
  • Утюг – 1500 Вт;
  • Микроволновая печь – 600 Вт;
  • Духовой шкаф – 600 Вт;
  • Кондиционер – 2000 Вт;
  • Освещение внутреннее и наружное – 300 Вт;
  • Зарядные устройства для гаджетов – 15 Вт.

Суммарная цифра будет очень большой, но одновременное использование всех устройств даже представить себе невозможно. Главным потребителем в данном случае является кондиционер. Учитывая площадь, это может быть один мощный прибор с центральным воздуховодом или 3 обычные сплит-системы, установленные в разных частях дома (кухня, коридор, спальные комнаты).

Поэтому необходимо определить максимум, который может потреблять семья в течение дня:

Оборудование Мощность потребления, Вт/ч Суммарная мощность, Вт/ч
Холодильник 150 4700
ПК 200
Телевизор 100
Кондиционер 2000
Посудомойка, стиралка или утюг 1500
Микроволновка или духовой шкаф 600
Внутреннее или наружное освещение 150

Таким образом, обеспечив суммарную мощность панелей 4700 Вт/ч, частный дом и все его пользователи смогут полноценно функционировать без особых ограничений.

Теперь давайте посчитаем, сколько панелей потребуется для достижения желаемого показателя, и какую площадь будет занимать домашняя солнечная электростанция. Возьмем за основу стандартную стационарную монокристаллическую батарею с заявленным показателем 400 Вт и размерами 1700 х 1000 мм (1.7 м²). Стоит учесть, что цифры актуальны при идеальных условиях, в которых тестируются товары на этапе производства (STC). Реальные показатели генерации (NOCT) обычно меньше и зависят от многих факторов, которые мы определили в самом начале статьи. Внимательно изучите паспорт продукта. Проверенные бренды всегда указывают стандартные и номинальные параметры.

Ориентировочно расчетная мощность панели составит 320 Вт. В итоге нам потребуется 15 таких модулей (15х320=4800 Вт/ч), а занимаемая площадь составит минимум 25.5 м². Но и это еще не все, так как объем генерируемого электричества снижается утром и вечером из-за большого угла наклона солнечных лучей, а также при облачной погоде. Более того, часть энергии будет уходить на зарядку аккумуляторов (еще около 20%). Поэтому дальше у пользователя есть 2 варианта:

  • Оставить расчетную выходную мощность без изменений. В солнечную погоду выработка будет максимальной и достаточной. В остальных условиях придется задействовать резервные аккумуляторы, центральное электроснабжение или сократить потребление (например, одновременно включать 1 кондиционер или на минимальную мощность).
  • Компенсировать возможные потери (около 40%), установив дополнительные панели (около 6 шт), что также увеличивает занимаемую площадь почти до 36 м².

Таким образом, разместить подобную СЭС (солнечную электростанцию) на крыше или во дворе вполне реально. Излишек можно отдавать государству, получая прибыль, расходовать на обслуживание участка (освещение, полив) или развлечения (бассейн, электрогриль, аттракционы).

Важно! Реальные расчеты мощности, количества и характеристик панелей, сопутствующего оборудования и занимаемой площади должны осуществляться специалистами под каждый отдельный проект. Приведенные цифры являются субъективными и несут информационный характер.

Гарантия производителя на техническую составляющую и продуктивность

Свои разработки в сфере генерации природной энергии предлагают многие страны и производители. Но определить визуально качество изготовления продукции невозможно. Для этого нужно обращать внимание на два основных показателя:

  • Общая гарантия на изделие (целостность рамы, защитного стекла, работоспособность).
  • Гарантия на сохранение продуктивности (существуют разные варианты названий — реальный срок деградации, гарантия соответствия уровня мощности и т.д).

Признаком хорошего качества является общая гарантия на срок от 10 – 15 лет. Второй показатель более специфический и полезный. Он отображает эффективность генерации на уровне не менее 80% от первоначальных показателей в течение 25 лет. Таким образом, вы будете уверены, что в период всего срока эксплуатации выработка электричества будет эффективной и рентабельной.

При покупке солнечной панели должны выдаваться два гарантийных талона, и нужно обращаться внимание на указанные в них сроки. В противном случае вы рискуете купить некачественное изделие, которое выйдет из строя еще до момента выхода на окупаемость, а заменить его по гарантии не получится.

При выборе важно обращать внимание на наличие сервисных центров в стране или регионе. Это облегчит решение проблем, связанных с подключением, обслуживанием и заменой солнечных батарей.