Эффективное энергоснабжение: как работают солнечные панели (эффективность работы солнечных панелей используемых для энергоснабжения)

Разновидности солнечных панелей

Солнечные панели представлены в большом разнообразии и используются в различных областях, не только на земле, но и в космосе. Для бытового и коммерческого применении чаще всего используют два типа панелей: монокристаллические и поликристаллические.

Монокристаллические панели создаются из кремниевых фотоэлементов, выращенных из одного кристалла. Эти панели можно узнать по их однородной темно-синей структуре. Они выделяются высокой эффективностью преобразования солнечной энергии.

Поликристаллические панели, напротив, производятся из переработанных кремниевых кристаллов. Их легко распознать по неоднородному оттенку и узору. Хотя такие панели менее эффективны, чем монокристаллические, они являются более доступными по цене.

Влияние вида солнечных панелей на КПД:

Монокристаллические панели: имеют высокий КПД (до 22-23%) благодаря чистоте кремния и структуре ячеек.
Поликристаллические панели: менее эффективны (КПД до 18-20%), но дешевле в производстве.

Технологии производства солнечных модулей постоянно эволюционируют, предлагая всё более эффективные решения. PERC, TOPCon и HJT – это самые распространенные виды технологий которые используются при производстве фотоэлектрических элементов, из которых собираются солнечные панели.

Технология PERC (Passivated Emitter Rear Cell) стала одной из ключевых в производстве солнечных панелей. Она повышает эффективность фотоэлементов за счет применения диэлектрического слоя с микроотверстиями на тыльной стороне. Это позволяет свету отражаться обратно в слои кремния, увеличивая количество генерируемых электронов и повышая КПД элемента до 20% по сравнению с 17-19% у стандартных кремниевых. Производство модулей с технологией PERC простое и доступное, что объясняет ее широкое распространение. Но на рынке уже появилась новая технология – TOPCon, которая представляет собой усовершенствованную версию PERC.

В TOPCon добавляется дополнительный тонкий оксидный слой, удерживающий ещё больше света и повышающий эффективность. Данная технология, являющаяся усовершенствованной версией PERC, демонстрирует впечатляющий рост эффективности. В 2021-2022 гг. производители, такие как LONGi, JinkoSolar и Trina Solar, сообщили о достижении КПД для ячеек TOPCon более 25%. Это достигается простым добавлением оксидного слоя, не вызывающим значительного удорожания. TOPCon считается перспективной технологией, способной занять лидирующую позицию на рынке в течение следующих несколько лет.

В то же время, технология HJT (гетеропереход), разработанная Sanyo и впоследствии приобретенная Panasonic, также рассматривается как преемник PERC. HJT отличается от PERC использованием аморфного кремния в сочетании с традиционным кристаллическим кремнием, что создает уникальную архитектуру солнечного элемента. Данная технология, с ее сложной структурой из разных типов кремния, позволяет поглощать больший спектр солнечного света, достигая рекордного КПД – более 26,7% теоретически и 25,47% в лабораторных условиях. Это делает HJT наиболее эффективным типом солнечных элементов на сегодняшний день. Кроме того, она обладает низким температурным коэффициентом, что повышает ее производительность и позволяет экономить средства потребителям в долгосрочной перспективе. Однако HJT требует полной модернизации производственных линий, что увеличивает стоимость продукта и затрудняет его широкое распространение, несмотря на высокую эффективность.

Совершенствование технологий производства солнечных элементов привело к уменьшению их размеров, при одновременном увеличении эффективности. Современные фотоэлементы, они же ячейки, стали тоньше и компактнее, с уменьшением количества токосъемных шин, что позволило создавать более мощные панели при сохранении или даже уменьшении габаритов. Так, например, стандартный фотоэлемент 125 мм x 125 мм может быть заменен на 156,75 мм x 156,75 мм, или даже 166 мм x 166 мм с увеличением выходной мощности. Это позволяет использовать меньше фотоэлементов для получения той же мощности, что делает солнечные панели более компактными.

В дополнение к традиционным односторонним панелям набирают популярность двусторонние солнечные панели. Их особенность заключается в возможности генерировать энергию с обеих сторон. В таких панелях задняя поверхность также покрыта фоточувствительными элементами, что позволяет получать дополнительную энергию от отраженного света. Хотя это обеспечивает прирост мощности, такие панели требуют более сложной установки, обеспечивающей достаточное освещение с обратной стороны. К преимуществам двусторонних панелей можно отнести возможность получения дополнительной энергии, особенно в условиях отражающей поверхности (например, снега или песка), а также повышение общего КПД за счет использования света, отраженного от земли.

Значимым фактором, влияющим на эффективность солнечной панели, является ее географическое расположение. Многие регионы имеют различные уровни солнечной инсоляции, климатические условия и другие факторы, которые могут как способствовать, так и препятствовать генерации солнечной энергии. Инсоляция (или солнечная радиация) — это количество солнечной энергии, достигающее поверхности Земли в конкретном месте. Регионы с высоким уровнем солнечной инсоляции, такие как пустыни и тропические зоны, обеспечивают максимальную производительность солнечных панелей.

На территории Российской Федерации к регионам с наибольшей эффективностью солнечных панелей относятся:

Южный федеральный округ (Крым, Краснодарский край, Ставропольский край, Ростовская область). Эти регионы характеризуются высоким уровнем солнечной инсоляции и продолжительным солнечным периодом в течение года. Теплый климат и большое количество солнечных дней способствуют высокой эффективности солнечных панелей.

Северо-Кавказский федеральный округ (Дагестан, Чечня, Кабардино-Балкария). Горные районы округа также получают значительное количество солнечной энергии. Высокие уровни инсоляции и чистое небо делают регионы Северного Кавказа благоприятными для использования солнечных панелей.

Приволжский федеральный округ (Астраханская область, Саратовская область, Оренбургская область). Юг Приволжского федерального округа также обладает хорошими условиями для использования солнечной энергии. Большое количество солнечных дней и умеренный климат способствуют эффективной работе солнечных панелей.

Сибирский федеральный округ (Алтайский край, Республика Хакасия, Забайкальский край). Хотя Сибирь традиционно ассоциируется с холодным климатом, южные и восточные районы имеют высокий уровень солнечной инсоляции, особенно летом. Это делает солнечные панели в этих регионах достаточно эффективными.


Таким образом, в России наиболее эффективное использование солнечных панелей возможно в южных регионах, таких как Крым, Краснодарский край, Ставропольский край и Астраханская область, а также в некоторых районах Сибири и Северного Кавказа. Высокий уровень солнечной инсоляции, умеренные температуры и низкая облачность делают эти регионы идеальными для развития солнечной энергетики.

Преимущества экономической и экологической эффективности солнечных панелей

Солнечные панели предлагают значительные экономические преимущества, включая снижение затрат на электроэнергию. Устанавливая солнечные системы, владельцы частных домов и компании могут значительно уменьшить свои расходы, производя электричество самостоятельно. Кроме того, солнечная энергия устойчива к колебаниям цен на другие виды топлива, что обеспечивает стабильность в затратах на энергоресурсы.

С экологической точки зрения солнечные панели способствуют снижению выбросов парниковых газов, так как производят чистую энергию без углекислого газа, что помогает в борьбе с изменением климата и улучшает качество воздуха. Они также имеют минимальное воздействие на окружающую среду: работают бесшумно и не требуют больших объемов воды. Солнечная энергия является неисчерпаемым возобновляемым ресурсом, доступным практически повсеместно, что помогает сохранить ограниченные природные ресурсы.


Методы повышения эффективности солнечных панелей

Повышению эффективности способствует оптимизация конструкции и конфигурации солнечных панелей. К примеру, технология Half-cut, подразумевает деление солнечной панели на две независимые части. Такие панели в случае затенения или частичного загрязнения теряют гораздо меньше вырабатываемой мощности чем обычные, поскольку каждая половина может генерировать энергию независимо. В результате уменьшаются потери мощности, и панель продолжает производить электроэнергию с максимальной эффективностью.

Современные солнечные панели имеют половинчатые фотоэлементы, которые называются Half-cell. Эти фотоэлементы визуально легко отличить: они не квадратные, а имеют прямоугольную форму со скошенными углами с одной стороны. Напротив, обычно ниже, располагается другой фотоэлемент со скошенными углами на нижней его стороне. Такие половинчатые фотоэлементы обеспечивают лучшую эффективность и долговечность солнечной панели. Для сравнения: обычные панели с 60 и 72 фотоэлементами будут иметь в модификации Half-cell 120 и 144 фотоэлемента соответственно. Когда кремниевые фотоэлементы уменьшаются вдвое, их ток также уменьшается вдвое, поэтому резистивные потери снижаются, и элементы могут производить больше энергии. Фотоэлементы меньшего размера испытывают меньшие механические напряжения, поэтому вероятность растрескивания меньше. Солнечные панели с половинчатыми фотоэлементами Half-cell имеют более высокие выходные характеристики и более надежны, чем традиционные панели.

Существуют специальные приспособления — активные и пассивные трекеры, которые позволяют панелям следовать за движением солнца в течение дня, что увеличивает количество захватываемой солнечной энергии и может повысить эффективность на 15-30%. Применение специальных покрытий на поверхности панелей уменьшает отражение солнечного света и увеличивает количество энергии, поглощаемой фотоэлементами. Разработка конструкций с лучшим охлаждением помогает избежать перегрева панелей и поддерживать их эффективность даже при высоких температурах. А внедрение технологий пассивного охлаждения, таких как теплоотводящие материалы и конструкции, помогает поддерживать оптимальную рабочую температуру панелей.

Холодная погода может оказывать неожиданное влияние на производительность солнечных панелей. При низких температурах, особенно при сильных морозах, наблюдается повышение КПД солнечных панелей. Это связано с тем, что кремний, из которого они изготовлены, становится более эффективным при пониженных температурах. Однако, этот эффект может привести к возникновению проблем с инвертором, поскольку напряжение на панели может превысить допустимые значения на входе в инвертор. Поэтому при выборе инвертора для регионов с холодным климатом необходимо учитывать возможность работы при повышенном напряжении и обеспечить соответствующий запас мощности.

Правильное крепление солнечных панелей к кровле является важным фактором для обеспечения их долговечности и эффективности. Специализированные крепежные элементы обеспечивают необходимый зазор между панелью и кровлей, что позволяет обеспечить хорошую вентиляцию и предотвратить перегрев панели. Также вентиляция снижает нагрев панели от солнечных лучей, что повышает ее КПД и продлевает срок службы. Здесь стоит отметить, что важно использовать только специализированный крепеж, разработанный для установки солнечных панелей, чтобы обеспечить необходимый зазор и безопасность крепления.

Не стоит также забывать, что солнечные панели, генерируя электроэнергию в течение светового дня, позволяют накапливать ее в виде резерва для использования в вечернее и ночное время. Это достигается за счет установки аккумуляторных батарей, которые аккумулируют избыточную энергию, произведенную солнечными панелями. Такая система обеспечивает независимость от централизованной электросети и позволяет использовать солнечную энергию в любое время суток. Аккумуляторы могут быть различных типов и размеров, что позволяет выбрать оптимальный вариант в зависимости от потребностей и условий эксплуатации.