Солнечные батареи – энергия Солнца в электричество (часть вторая)

Каких-то пять-семь лет назад будущий владелец гелиопанелей выбирал бы их исключительно среди продукции российских предприятий. По производительности отечественные солнечные батареи уступали импортным моделям ненамного, а по стоимость солнечного киловатта – выигрывали, ведь на западные и американские гелиопанели цена была выше. Года два назад ситуация на рынке солнечной энергетики изменилась благодаря Китаю и его активным субсидиям в области альтернативной энергетики. Американские и европейские производители либо переместили свои производства в КНР, либо вышли из данного направления бизнеса. Число российских производителей сократилось до нескольких единиц. Дешевые китайские солнечные батареи наводнили мировой рынок, заняв его практически полностью.

Владелец загородной недвижимости, твердо намеревающийся обеспечить свое подворье автономным электроснабжением на основе солнечных батарей, будет выбирать модели гелиопанелей среди нескольких отечественных производителей и многих дилеров китайских предприятий солнечной энергетики. И дело вовсе не в том, что продукция китайских компаний однозначно хуже, а российских – дороже. Все дело в качестве моделей солнечных батарей и материалов, использованных в ходе их производства.

В первой части материала «О солнечных батареях» рассматривались три типа фотоэлектрических элементов, применяемых в конструкции гелиопанелей – монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные. На момент написания статьи российский рынок предлагает домовладельцам лишь два первых типа солнечных батарей, поскольку тонкопленочные панели находятся в стадии разработки. Поэтому особое внимание уделим сравнению характеристик фотоэлектрических монокристаллов и поликристаллов.

Солнечный кремний

Фотоэлектрические элементы изготавливаются из кремния – элемента, крайне распространенного на нашей планете. Известно, что около ¼ веса земной коры приходится именно на кремний. Однако в природе кремний присутствует исключительно в состоянии окиси. Ее химическая формула – SiO₂ – это хорошо нам известный песок, входящий в состав любых бетонов.

Кремний с содержанием примесей менее 0,01% стоит сейчас от 100$ за килограмм, его производство обходится недешево в особенности из-за высоких энергозатрат. От чистоты кремния зависит производительность фотоэлементов солнечных батарей – чем ниже процент примесей в солнечном кремнии, тем дороже будут гелиопанели.

Выбор типа фотоэлемента

Отечественный рынок солнечных батарей представлен моделями, оснащенными либо монокристаллическими, либо поликристаллическими фотоэлектрическими элементами. Для принятия решения по выбору первого или второго элемента, необходимо сравнить их по нескольким характеристикам, базирующимся на STC (стандартных условиях тестирования).

Температурный коэффициент мощности. Поскольку гелиопанель размещается на открытом пространстве и свободно освещается солнечными лучами, то подвергается нагреву, вызывающему спад номинальной мощности. В особенно жаркий и солнечный день потери мощности могут составлять порядка 25% от номинального значения. Значение температурного коэффициента для монокристаллических и поликристаллических солнечных батарей в среднем равно -0,45%. Коэффициент применяется так – при росте температуры гелиопанели на 1^оС ее номинальная мощность снизится в соответствии с коэффициентом. В зависимости от качества моделей солнечных батарей и их производителей, температурный коэффициент может быть ниже или выше. К примеру, у продукции крупнейших производителей в области солнечной энергетики его значение немного ниже и составляет -0,43%.

Степень деградации в процессе эксплуатации (LID). Солнечные панели, построенные из монокристаллических фотоэлементов, деградируют в условиях интенсивной инсоляции несколько быстрее, чем поликристаллические аналоги. К концу первого года эксплуатации номинальная мощность монокристаллических солнечных батарей в среднем понижается на 3%, в то время как у качественных поликристаллических моделей – лишь на 2%. Отметим, что деградация гелиопанелей особенно высока только в первый год их использования, а в последующие годы составит около 0,71% для монокристаллических солнечных панелей и 0,67% - для поликристаллических. На значение LID особенно влияет качество фотоэлементов, поэтому крайне важно выяснить их изготовителя. Некоторые российские производители солнечных батарей создают свою продукцию на базе фотоэлектрических элементов, закупаемых по низкой цене у небольших китайских компаний. Деградация гелиопанелей сомнительного происхождения может составить более 20% уже за первый год эксплуатации.

Фотоэлектрическая чувствительность. Поликристаллические элементы менее чувствительны к снижению степени освещенности, чем монокристаллические. Однако разница между ними по этому показателю невелика и не может быть определяющей при выборе типа фотоэлементов.

Выработка электроэнергии за год. Если сравнивать поликристаллические и монокристаллические фотоэлементы с одинаковым качественным исполнением, то гелиопанели на монокристаллах более эффективны.
Стоимость. Технологический процесс создания кремниевых монокристаллов обходится дороже, чем производство поликристаллических элементов, поэтому расценки на солнечные модули, базирующиеся на монокристаллические фотоэлектрические преобразователи, всегда будут выше.

Подытожим результат сравнения – монокристаллические и поликристаллические солнечные батареи различаются между собой по стоимости, занимаемой площади при равной номинальной мощности (гелиопанели на поликристаллах потребуют больше места для установки), сроку службы (фотоэлементы на монокристаллах служат дольше). Их эксплуатационные характеристики определяются не типом фотоэлемента, а качеством самих кристаллов, точностью сборки солнечных батарей.

Оценка качества солнечных батарей

В зависимости от микроструктуры кремниевых кристаллов фотоэлектрические преобразователи делятся на четыре категории.

Первая категория (Grade A). К ней относятся солнечные элементы наивысшего качества – малейшие царапины, сколы и трещины у них отсутствуют. Внешне такие фотоэлементы никак не различаются между собой – цвет, структура полностью идентичны. Превосходят младшие категории по всем параметрам, к примеру, обладают наименьшей степенью деградации, потери номинальной мощности в процессе эксплуатации минимальны.

Вторая категория (Grade B). По эффективности такие фотоэлементы практически не уступают моделям из первой категории, но их кристаллы имеют визуально различимые дефекты – неравномерный окрас, неровный обрез матрицы, полупрозрачные пятна. Производительность солнечных панелей, набранных из элементов Grade B, идентична гелиопанелям из Grade A, однако их степень деградации более высока, что снижает и срок службы.

Третья категория (Grade C). Обладают набором визуальных дефектов от второй категории, а также сколами и микротрещинами. Единственное преимущество – низкая стоимость. Крупные и средние производители рынка солнечной энергетики никогда не станут использовать фотоэлементы, относящиеся к Grade C. Для полноценного энергообеспечения дома такие фотоэлементы совершенно не подходят ввиду низкой производительности, короткого срока эксплуатации и высокой деградации.

Четвертая категория (Grade D). К ней относятся обрезки и обломки кремниевых фотоэлементов, остающиеся после построение солнечных батарей Grade A и Grade B на заводах крупных производителей, а также выбракованные монокристаллы и поликристаллы. Структура панелей, созданных на основе фотоэлементов четвертой категории, неоднородна, дефекты легко различимы. Их характерный признак – размер элементов меньше, чем 103 мм, что требует большего объема паяльных работ. А чем больше пайки, тем ниже качество, срок службы и надежность гелиопанели. Использование солнечных батарей, созданных из элементов четвертой категории, не рекомендуется из-за высокой угрозы выхода из строя всей гелиосистемы, что не оправдывает изначально низкой цены на сами панели.

Каждая солнечная батарея покрыта специальными пленками, обеспечивающими ее эксплуатационные характеристики. При этом качество этих пленок неодинаково.

Пленка EVA, используется для ламинации солнечной батареи с лицевой (обращенной к солнцу) стороны. Предназначена для обеспечения герметичности панели, снижения степени деградации фотоэлементов. EVA производится из этиленвинилацетата, обладает высокой светопроницаемостью и прочностью (используется при создании стекол триплекс). Срок службы пленки зависит от качества, заложенного при производстве, он может быть от 5 до 25 лет. Дешевая пленка EVA держит солнечный ультрафиолет в среднем 3-5 лет, затем быстро теряет прозрачность, желтеет и отстает от солнечной батареи. Внешне качественные и низкокачественные типы пленки EVA никак не отличаются, разница выясняется лишь через несколько лет эксплуатации гелиопанели.

ПЭТ пленка для обратной стороны солнечной панели (PET Backsheet). Предназначена для защиты батареи от пыли и влаги, изолирует энергосистему. Дешевая ПЭТ пленка имеет те же недостатки, что и низкокачественная EVA – желтеет, растрескивается и пропускает влагу, в результате гелиопанель прекращает работать спустя 4-6 лет с момента ввода в эксплуатацию.

Некоторые производители солнечных батарей, как правило, малоизвестные либо небольшие, используют свою систему классификации фотоэлементов, внешне схожую с принятой в мировой солнечной энергетике – добавляют плюсы (к примеру, А++), буквы (к примеру, АА или АВ), цифры (к примеру, А1 или А2). Все эти меры означают лишь попытку выдать Grade B за Grade A, т.е. изобразить менее качественные фотоэлементы продукцией с наивысшими эксплуатационными показателями.

Технические характеристики солнечной батареи

Изучая описание гелиопанелей в техпаспорте, следует обратить внимание на:

• допустимые отклонения (толеранс) по мощности. Указываются в отрицательном и положительном диапазоне, при этом качественные модели будут иметь положительный толеранс. К примеру, паспортная мощность 50 Вт, толеранс 0+4 Вт;
• температурный коэффициент. Обозначает воздействие температур на напряжение, мощность и ток. При росте температуры значения первых двух параметров снижаются, а последнего – растет. Чем ниже коэффициент Pmax, тем лучше;
• коэффициент полезного действия солнечной батареи. Чем выше КПД, тем лучше – потребуется меньшая площадь гелиопанелей для обеспечения электроэнергией бытовых потребителей;
• мощность и габариты. Чем выше мощность модуля солнечной панели, тем дешевле его цена на ватт. Поэтому для достижения необходимой мощности следует приобрести несколько модулей больших габаритов, чем мелких. Прежде всего, это дешевле, а также удастся повысить надежность всего комплекса гелиопанелей за счет меньшего числа соединения между модулями;
• сроки гарантии и службы. Серьезные производители дают более 5 лет гарантии на качество сборки и заявляют не менее 20 лет срока службы.

Комплектация оборудования

Помимо солнечной батареи система выработки электроэнергии из солнечного излучения комплектуется аккумуляторами достаточной емкости, контроллером заряда и инвертором.

Произведенный фотоэлементами гелиопанели электрический ток запасается в аккумуляторах. Их заряд расходуется на нужды бытовых потребителей в ночное время и при недостаточной степени освещенности солнечных панелей (в пасмурные дни).

Контроллер заряда управляет циклами зарядки и разрядки гелиопанелей, отслеживает и не допускает превышения заряда аккумуляторов и чрезмерную их разрядку. Обычно встраивается в аккумуляторные блоки БП или в инвертор.
Инвертор предназначен для изменения параметров тока с постоянного, напряжением 12, 24 или 48 В, на переменный, имеющий напряжение 220В. В отсутствии инвертора гелиосистема сможет питать только портативные бытовые приборы, рассчитанные на постоянное напряжение, или энергосберегающие лампы на светодиодах.

Производители и цены

В России находятся семь относительно крупных предприятий, создающих солнечные батареи – московские ОАО «НПП Квант» и ООО «Инверта», зеленоградские ООО «Санвэйс» и ЗАО «Телеком-СТВ», ОАО «Рязанский завод металлокерамических приборов», краснодарские ООО «Солнечный ветер» и ОАО «Сатурн».

Стоимость ватта солнечной панели без учета аккумуляторов, инвертора и контроллера заряда, в среднем составляет 85 руб. Полный комплект гелиосистемы с установочной мощностью 800 Вт обойдется покупателю в сумму порядка 143000 руб.

Установка солнечных батарей

Поверхности Земли достигают два типа солнечных лучей – прямые и рассеянные. Первые поступают от Солнца, их мощность зависит от чистоты неба, положения солнечного диска по отношению к горизонту, а также от положения освещаемой плоскость к Солнцу. Верхние слои атмосферы формируют рассеянные лучи, их интенсивность связана с отражающими свойствами земной поверхности и состоянием атмосферы. К примеру, чередующееся отражение рассеянных лучей между заснеженной землей и плотными облаками приводит к высоким значениям их мощности. Поэтому гелиопанели вырабатывают электрическую энергию и при отсутствии прямых солнечных лучей, но все же их максимальная производительность достигается в погожий день и при расположении панелей строго перпендикулярно по отношению к солнечным лучам.

Солнечные панели необходимо устанавливать под углом по отношению к горизонту, при этом величина угла определяется согласно географическому положению здания, на котором они смонтированы. Строгое соответствие оптимальному местоположению и углу не принципиально. Из-за вращения нашей планеты положение солнца за день будет меняться по направлению с востока на запад, а солнечные лучи – поступать на поверхность земли под непостоянным углом.

Монтаж гелиопанелей выполняется жестко, менять своего положения и вращаться вслед за солнцем они не могут. Поэтому производительность солнечных батарей в течение светового дня непостоянна.

Также угол падения солнечных лучей меняется в зависимости от времени года. Во время зимы солнце находится под более острым углом по отношению к горизонту, чем в летние месяцы. Соответственно, солнечным панелям следует придать больший угол – это мера позволит фотоэлементам эффективно поглощать рассеянные лучи, отраженные снежным покровом. Кроме того, большой угол защитит солнечные батареи от скопления на них снежных масс.

Ближе к лету угол наклона гелиопанелей нужно уменьшить для их переориентирования под прямые солнечные лучи. В идеальных условиях установку панелей следует производить так, чтобы угол их наклона можно было изменить согласно времени года. Если это невозможно, то выбирается оптимальный угол – средний между наиболее подходящими значениями для зимы и для лета. Оптимальный угол определяется по широте данной местности и соответствует ее значению. При допустимости сезонных изменений наклона солнечной батареи, зимой к широте нужно прибавить 12-15^о, а летом наоборот – отнять те же 12-15^о. Обратите внимание – повороты гелиопанели меньше чем на 5^о от оптимального угла на ее производительность влияния практически не оказывают.

В северном полушарии Земли солнечные батареи следует ориентировать только на юг.

В завершении

При доступности центрального электроснабжения дополнительно реализовывать систему электропитания от солнечных батарей невыгодно. Действительно, качественные гелиопанели прослужат владельцу не менее четверти века, если выполнять их обслуживание не реже одного раза в семь лет. Но аккумуляторы и силовая электроника имеют меньший срок службы – в среднем от 5 до 12 лет, а значит, придется нести расходы по их замене.
На этом изучение солнечных панелей завершено. Серию «Автономное энергоснабжение загородного дома» продолжит материал, посвященный ветрогенераторам.