Опубликовано: 09.08.2018
Автор: Владислав С.

Устройство солнечной панели

У всех панелей похожая конструкция. В основе находятся полупроводниковые элементы, выполняющие роль преобразователя энергии солнечного света в электрическую. Между собой они связаны тонкими медными каналами - проводниками выработанной энергии.

Кремниевые элементы и токоведущие части с обеих сторон покрытые полимерной пленкой. Под воздействием температуры она превращается на прозрачный гель, что делает конструкцию полностью герметичной.

С тыльной стороны их защищает прочный металлическая стенка, а с фронтальной - стеклянное покрытие. Здесь применяется ударопрочное стекло, выдерживающее падения крупного града и даже больших веток деревьев. Оно не царапается, не трескается и не затирается, сохраняя идеальную прозрачность на протяжении многолетней эксплуатации.

Чтобы металлические элементы внутри не подвергались коррозии, вся конструкция зафиксирована в герметичной рамке из нержавейки. Из нее выводится кабель для подключения панели к системе.

Из-за применения металлических элементов масса панели часто достигает 18 кг. Чтобы, компенсировать этот недостаток были созданы более легкие тонкопленочные аналоги.

Структура тонкопленочных панелей

Конструкция состоит из гибкого полимерного материала. За счет этого она очень легче и эластичнее кремниевых аналогов, и не подвергается повреждениям при ударах.

В основе те же полупроводниковые элементы из теллурида кадмия или аморфного кремния, только закрепленные на прочной эластичной пленке. Такая панель легко изгибается и деформируется, что облегчает монтаж.

Гибкость достигается за счет технологии вакуумного напыления полупроводниковых элементов на полимерную основу. Неровная структура обеспечивает выработку электричества под любым углом освещения.

Из-за такого свойства на рынке появились даже цилиндрические тонкопленочные панели, дополнительно вырабатывающие электричество из света отраженного от кровли. Выработанная энергия проводится по тонким медным каналам, плотно загерметизированы пленкой. Так они защищены от влаги и осадков.

Не смотря на совсем иное устройство тонкопленочных батарей, работают они так же как и кремниевые.

Принцип работы солнечной панели

В основе фотоэлектрической панели находятся кремниевые ячейки. В атоме кремния все электроны расположены в кристаллической решетке, из-за этого в чистом виде он плохо проводит электричество. Для улучшения химических и физических свойств кремний легируют атомами фосфора и бора в пропорции 1:1000000.

В структуре кремния всего четыре электрона, а у фосфора - пять. При легировании, четыре из них закрепляются в структуре, а пятый - висит. Легированный фосфором кремний образует отрицательное полупроводниковое поле n-типа, выступающее катодом в батареи.

У бора - три электрона, и получается одно пустое место в структуре, так называемая «дырка». В итоге образуется полупроводник p-типа и выступает анодом.

Фотоны солнечного света выбивают электроны из n-слоя, после чего они летят занимать свободные места в p-слое, при этом проходят через металлический проводник, из-за чего в нем возникает нагрузка и токовый заряд, протекающий к контроллеру.

Энергии одного фотона света хватает для того, чтобы выбить свободный электрон из своей структуры, где на его месте образуется свободное место. Но, проблема в том, что кремний хорошо отражает солнечный свет и большинство фотонов пропадает впустую. Чтобы улучшить КПД, на кремниевые ячейки наносят слой антибликового покрытия.

При равномерном освещении, электричество вырабатывается на каждом участке пластины. Чтобы его собрать и вывести нужны медные полоски. При соединении ячеек увеличивается мощность батареи. Чем больше площадь панели, тем она мощнее. Кремниевые элементы соединены последовательно и параллельно.

Количество параллельных соединений определяет максимальную мощность, а последовательных - напряжение. Мы недавно писали, о том как рассчитать мощность солнечных панелей для дома.

Солнечные батареи вырабатывают постоянный ток с напряжением 12В или 24В. По медным проводникам он поступает в контроллер, а с него на инвертор. Там он преобразуется в постоянный ток с напряжением 230В или 380В и протекает в сеть.

Сила тока и напряжение идущее с солнечных ячеек замеряется еще на этапе производства, до того как модули обретут свой привычный вид.

Как производятся солнечные панели

Первый этап включает в себя выращивание кристаллов. Их делают из кварцевого песка с высоким содержанием кремния. Сначала его расплавляют при высоких температурах (до 2000°C), затем очищают и синтезируют.

В итоге получается легированный кремний для выращивания монокристаллических или поликристаллических пластин. Для монокристаллических нужен материал высокого уровня очистки (99,99%), а этот очень энергозатратный процесс. Для выплавки 1 кг кремния необходимо 13 кВт*ч энергии, из-за этого их стоимость выше.

Внешне они напоминают квадраты черного или темно-синего цвета со срезанными или закругленными углами, толщиной 0,2-0,3мм.

У монокристаллических ячеек больше срок службы и выше производительность, но только если солнце светит под прямым углом - о влиянии угла освещения мы уже писали.

А поликристаллические состоят из вытянутых правильных квадратов темно-синего или серебристо-серого цвета. Толщина, как и монокристаллических - 0,2-0,3мм. КПД более низкий 12-18%, зато ниже порог включения. Электричество вырабатывается под любым углом направления луча, в том числе из отраженного света.

Кристаллы делаются по технологии постепенного охлаждения кремниевой основы, что менее затратно, из-за этого поликристаллические модули дешевле.

В обоих типах ячейки спаиваются в секции, а секции в готовые фотоэлектрические модули. На этом этапе каждая из ячеек проходит проверку на токовые характеристики. Затем, при помощи вакуумных держателей, робот переносит секции на стеклянные плиты и формирует блоки.

Чтобы панель в процессе работы не вышла из строя при частичном затемнении, ее части шунтируются диодами. Если бы диодов не было, затемненные ячейки вместо того, чтобы вырабатывать начали бы потреблять электричество. При этом они начали бы греться и разрушаться от высокой температуры. А так, диоды перекрывают контакты и ток по ним не течет.

После готовые блоки спаиваются и ламинируются этиленвинилацетатной пленкой. Под воздействием температуры она преобразуется в гель, а уже на него усаживается защитное покрытие.

На завершительном этапе готовые конструкции монтируются в алюминиевую раму и герметизируются специальным клеем-герметиком. Это нужно, чтобы внутрь не попадала влага, иначе коррозия уничтожит контакты.

Именно по этой причине батареи чаще всего выходят из строя.

После этого, готовая панель проходит тестирование, где измеряется ток короткого замыкания, напряжение холостого хода и максимальной мощности.

Весь процесс производства требует внедрения высоких технологий и развитой ресурсной базы. Поэтому не все бренды полностью его контролируют, они лишь заказывают готовые кремниевые элементы и собирают из них собственные фотоэлектрические модули.

Где производятся модульные панели

Большинство делается в Китае, это вызвано тем, что там сосредоточена хорошая сырьевая база кремния.

На китайских заводах производство получается в разы дешевле,т.к. в непосредственной близости выпускается все необходимое оборудование, что экономит средства на их транспортировке. Также практически весь процесс возложен на роботизированные конвейеры, а люди лишь контролируют этот процесс.

Откуда взялись «украинские» бренды

Например, чтобы запустить завод солнечных батарей где-нибудь в Германии, производителю пришлось бы закупить оборудование... и всё равно у китайского поставщика. Т,к даже вместе с транспортировкой оно выйдет гораздо выгоднее, чем при заказе из Европы.

Чтобы выпускать кремниевые пластины, необходимо закупать сырье и на месте выращивать кристаллы. Это очень энергозатратный процесс, стоимость электричества в Германии около 0,3$ за кВт*ч, в Китае - 0,13$ за кВт*ч, что почти в три раза дешевле. Вывод: зачем возить с Китая, если выгоднее делать там?!

Для сравнения, чтобы запустить такой завод в Украине, где относительно дешевое электричество и недорогая рабочая сила (в промышленном секторе примерно 5 500$/год) необходимо будет закупать оборудование за границей и решать вопрос с сырьем (опять таки с поднебесной). Дешевле закупить готовые кремниевые пластины в Китае, что преимущественно и делают отечественные бренды.

Тем не менее заводы с полным производственным циклом работают в Европе, США и даже странах СНГ. Например, один из самых крупных Astana Solar находится в Астане (Казахстан).

Строительство первого в Украине завода кремниевых солнечных батарей запланировано в Виннице. О производственной мощности предприятия, и о том, когда оно будет введено в эксплуатацию пока данных нет.

Производители завоевавшие мировой рынок

В топе мировых производителей стоит выделить такие бренды:

  • Motech - тайваньская компания, осуществляющая полный цикл производства, включая выращивание кремниевых кристаллов, сборку пластин и панелей. Часть обслуживающих заводов расположена США;
  • Suntech - одна из первых компаний, начавшая выпускать батареи в Китае. В 2010 году была признана самым крупным производителем модульных панелей во всем мире. Ориентируется на высокий класс защиты и эксплуатацию в жестком климате. Suntech тестируются в условиях песчаных бурь, морского побережья и аммиачной коррозии, что делает их пригодными для эксплуатации при любой температуре в любом уголке мира;
  • Trina Solar - китайская компания, контролирующая большую часть рынка. Своей позиции в рейтинге достигла за счет относительно низкой стоимости и хорошего качества батарей. Выпускает монокристаллические от 185Вт до 195Вт (серия Mono) и поликристаллические модули от 230Вт до 305Вт (серия Multi);
  • Jinko Solar - китайский бренд, постоянный член рейтинга Tier-1 по версии Bloomberg. Первый, кто начал ставить четыре шины на медные кремниевые модули, за счет чего удалось сократить общие потери и достичь КПД 21%;
  • Hanwha Solar One - южнокорейский бренд с исследовательским центром в Германии и производством в Сингапуре. Славится высоким качеством, удерживает хорошую цену за счет дешевых поставок сырья;
  • Yingli Green Energy - до 2014 года крупнейшая по объемам производства компания в Китае. Добилась успеха за счет низкой себестоимости выпуска монокристаллических модулей;
  • Canadian Solar - канадская фирма с заводами в Китае. Обладает широким ассортиментом и достойным качеством выпускаемых товаров. Выпускает поликристаллические и монокристаллические модули стандарта 165×165мм (6 дюймов);
  • Solarworld - немецкая компания с заводами в Европе, ориентированная на западный рынок. В отличие от прямых конкурентов, у этого бренда нет крупных производственных мощностей в Китае. В 2016 году начала выпускать 5-шинные ячейки вместо 3-шинных. Как результат, удалось повысить КПД до 21,4%, а распределительная мощность модуля составила 303,3 Вт;
  • First Solar - американская компания, отличается низкой стоимостью модулей. За счет того, что вместо кремния за основу материала был взят более дешевый теллурид кадмия, удалось снизить цену при сохранении высокой эффективности. Политика First Solar по сегодня направлена на удешевление выпуска;
  • Sunpower - еще одна компания из США, ориентирующаяся на увеличение КПД. Основной продукт - высокоэффективные солнечные элементы 165×165мм (6 дюймов), упакованные 60-элементные модульные панели с коэффициентом преобразования 25,2% мощностью до 360Вт;
  • Renewable Energy Corporation - норвежская компания, выпускающая поликристаллические кремниевые пластины. С 2017 года выпускает одни из самых мощных в мире модули на 60 ячеек (295Вт) и 72 ячейки (350Вт), свободные от потенциальной дегенерации в условиях высокой температуры и влажности;

По результатам американского исследовательского института Global Data, в 2017 году 9 китайских компаний покрыли половину мирового рынка солнечных панелей. Лидером стал бренд Jinko Solar, второе место уверенно удерживает Trina Solar, и только на четвертом месте расположился первый не китайский, но с производством в Поднебесной, бренд Canadian Solar (Канада).

Первая, независимая от Китая, компания расположилась лишь на пятом месте - Hanwha Solar One (Южная Корея).

Исходя из того, что в КНР наиболее благоприятные условия для выпуска фотоэлектрических модулей, европейским и американским компаниям трудно конкурировать с китайцами на родном рынке. Тем не менее они усердно работают над удешевлением и увеличением эффективности панелей, а также поиском альтернативы кремнию, как основному материалу для производства.