Сонячні панелі для дому: як вони працюють і з чого складається станція

Що таке сонячні панелі

Сонячна панель — це об'єднання фотоелектричних перетворювачів, які напряму перетворюють сонячну енергію на постійний електричний струм. Одиничні фотоелементи часто не дають достатньої потужності, тому їх з'єднують у фотоелектричні модулі.

Такі батареї використовують у портативній електроніці, електромобілях, авіації, для енергозабезпечення будівель і космічних апаратів.

З чого складається сонячна станція

До складу сонячної електростанції входять такі елементи:

• одна або більше сонячних панелей;
• інвертор;
• акумулятор — у деяких випадках;
• сонячний трекер — також не в усіх конфігураціях.

Як це працює і від чого залежить віддача

Потужність потоку сонячного випромінювання на вході в атмосферу Землі становить близько 1366 ват на квадратний метр. Промислово вироблені сонячні батареї перетворюють частину цієї енергії, а їхня ефективність становить 9—24 %. У дуже хмарну погоду в Європі потужність може знижуватися до 100 Вт/м² навіть удень.

Для найбільшої ефективності потрібно правильно підібрати опір навантаження панелі. Окремо слід враховувати нагрівання: решта 80 % енергії сонячного світла нагріває батареї в середньому приблизно до 55 °C. Із підвищенням температури фотогальванічного елемента на 1° його ефективність падає на 0,5 %. Активні системи охолодження вентиляторами чи насосами споживають значну кількість енергії та знижують надійність системи.

Ще один чинник — затінення. Часткове затемнення панелі спричиняє падіння вихідної напруги через втрати в неосвітленому елементі. Щоб позбутися цього недоліку, на кожен фотоелемент можна встановити байпас.

Обмеження технології

• станція не працює вночі й недостатньо ефективно працює у вечірніх сутінках;
• у хмарну погоду панелі з лінзами для концентрування випромінювання стають вкрай неефективними;
• часткове затемнення знижує вихідну напругу;
• із нагріванням ефективність елемента падає;
• фотоелементи можуть містити отруйні речовини, попри екологічну чистоту отриманої енергії.

Ефективність і вартість у цифрах

Ці цифри стосуються зазначених років і не є поточними цінами. Серед найбільших виробників фотоелектричних елементів у 2020 році були LONGi, Jinko Solar, Trina Solar, JA Solar і Canadian Solar.

Нові розробки

Південнокорейські вчені розробили підшкірну сонячну батарею для безперебійної роботи імплантованих приладів. Вона в 15 разів тонша за волосину й може заряджатися навіть під сонцезахисним засобом.

У 2024 році вчені здійснили прорив у розробці прозорих панелей NISC. Їхня видима прозорість становить 70—79 %, а енергії вони, у порівнянні зі стандартними панелями, дають у 1000 разів більше. Перовськіти — клас матеріалів із високою ефективністю поглинання світла та легкістю виготовлення — вважають перспективними для сонячних елементів.

Сонячні батареї використовують і поза Землею, але потужність там відрізняється. На Марсі вона вдвічі менша, ніж на Землі, у районі Венери — у 2 рази більша, а в районі Меркурія — у 6 разів більша.

Навколо технології точаться суперечки

Перехід на сонячні панелі викликає критику: люди говорять про підвищення цін на електроенергію та захаращення природного ландшафту. Противники переходу на альтернативні джерела також стверджують, що власники будинків із сонячними панелями отримують субсидії від держави, а квартиронаймачі — ні. Федеральне міністерство економіки Німеччини розробило законопроєкт щодо пільг для орендарів у будинках з альтернативними джерелами енергії.

Хронологія

• 25 квітня 1948 — Bell Laboratories оголосила про створення перших сонячних батарей на основі кремнію;
• 17 березня 1958 — у США запущено супутник «Авангард-1» із сонячними батареями;
• 15 травня 1958 — у СРСР запущено супутник «Супутник-3» із сонячними батареями;
• березень 2007 — Іспанія почала обладнувати нові будинки сонячними водонагрівачами;
• 2014 — Нідерланди відкрили першу у світі велодоріжку із сонячних батарей;
• лютий 2017 — французький уряд відкрив дорогу із сонячних батарей у селі Tourouvre-au-Perche;
• 2024 — здійснено прорив у розробці прозорих панелей NISC.

Французька дорога в Tourouvre-au-Perche, за наведеними даними, дає 280 мегават-годин електроенергії щороку.

Контекст: як з'явилися сонячні батареї

• 1842 рік — Олександр Едмон Беккерель відкрив ефект перетворення світла в електрику;
• Чарльз Фріттс почав використовувати селен для перетворення світла в електрику;
• перші прототипи сонячних батарей створив італійський фотохімік Джакомо Луїджі Чамічан;
• на початку розробки кремнієвих батарей ефективність склала 6 %;
• під час пресконференції батарея Bell Laboratories слугувала джерелом енергії для іграшкового «колеса огляду» і радіопередавача.

Питання й відповіді

З чого складається сонячна станція?

До неї входять одна або більше сонячних панелей та інвертор. У деяких випадках додають акумулятор і сонячний трекер.

Чи працюють сонячні панелі вночі та в хмарну погоду?

Вночі сонячна електростанція не працює, а у вечірніх сутінках працює недостатньо ефективно. У дуже хмарну погоду в Європі потужність може знижуватися до 100 Вт/м² навіть удень. Панелі з лінзами для концентрування випромінювання в хмарну погоду стають вкрай неефективними.

Яка ефективність сонячних батарей?

Для промислово виготовлених батарей вона становить 9—24 %. У 2014 році ККД батарей Інституту сонячних енергосистем Фраунгофера досяг 46 %, а перша кремнієва батарея Bell Laboratories мала ефективність 6 %.

Чому спека шкодить сонячним панелям?

Зі зростанням температури фотогальванічного елемента на 1° його ефективність падає на 0,5 %. Батареї нагріваються в середньому до близько 55 °C, адже 80 % енергії світла йде на нагрівання. Активне охолодження вентиляторами чи насосами потребує значної кількості енергії й знижує надійність системи.

Що буде, якщо панель частково затінена?

Вихідна напруга падає через втрати в неосвітленому елементі. Щоб уникнути цього, на кожен фотоелемент можна встановити байпас.

Чи екологічні сонячні панелі?

Отримувана енергія екологічно чиста, проте фотоелементи можуть містити отруйні речовини.