Як працюють, де і як виробляються сучасні фотомодулі?

• Особливості влаштування
• Принцип роботи панелей
• Як і з чого виготовляються
• Чому ринок практично монополізований?
• Про вітчизняні бренди
• Виробники-лідери, що завоювали ринок

Влаштування сонячної панелі

У всіх панелей схожа конструкція. В основі напівпровідникові елементи, що перетворюють енергію сонячного світла в електричну. Між собою вони з’єднані тонкими мідними каналами – провідниками виробленої енергії.

Кремнієві елементи та струмопровідні частини з обох сторін покриті полімерною плівкою. Під впливом температури вона перетворюється на прозорий гель, що робить конструкцію повністю герметичною.

З тильного боку їх захищає міцна металева стінка, а з фронтального – скляне покриття. Використовується здебільшого ударостійке скло, що витримує падіння великого граду та навіть великих гілок дерев. Воно не дряпається, не тріскається й не затирається, зберігаючи ідеальну прозорість протягом багаторічної експлуатації.

Щоби металеві елементи всередині не піддавалися корозії, вся конструкція зафіксована в герметичній рамці з нержавіючої сталі. З неї виводиться кабель для підключення панелі до системи.

Через застосування металевих елементів маса панелі часто досягає 18кг. Щоб, компенсувати цей недолік були створені значно легші тонкоплівкові аналоги.

Структура тонкоплівкових панелей

Конструкція складається з гнучкого полімерного матеріалу. Завдяки ньому вона значно легша та еластичніша за кремнієві аналоги, а також стійка до ударів.

В основі ті ж напівпровідникові елементи з телуриду кадмію або аморфного кремнію, тільки закріплені на міцній еластичній плівці. Така панель легко згинається та деформується, що полегшує монтаж.

Гнучкість досягається завдяки технології вакуумного напилення напівпровідникових елементів на полімерну основу. Нерівна структура забезпечує вироблення електрики під будь-яким кутом освітлення.

Завдяки таким властивостям на ринку з’явилися навіть циліндричні тонкоплівкові панелі, що додатково виробляють електрику зі світла відбитого від покрівлі. Вироблена енергія проводиться тонкими мідними каналам, щільно загерметизованими плівкою. Так вони захищені від вологи та опадів.

Попри відмінності у влаштуванні, тонкоплівкові батареї працюють так само як і кремнієві.

Принцип роботи сонячної панелі

В основі фотоелектричної панелі кремнієві фотоелементи. В атомі кремнію всі електрони розташовані в кристалічній решітці, через це в чистому вигляді він погано проводить електрику. Для поліпшення хімічних і фізичних властивостей кремній легують атомами фосфору та бору в пропорції 1:1,00 млн.

У структурі кремнію всього чотири електрони, а у фосфору – п’ять. У процесі легування чотири з них закріплюються в структурі, а п’ятий – висить. Легований фосфором кремній утворює негативне напівпровідникове поле n-типу, що виступає катодом у батареї.

У бору – три електрони й одне пусте місце в структурі, так звана «дірка». У результаті утворюється напівпровідник p-типу, що виступає анодом.

Фотони сонячного світла вибивають електрони з n-шару, після чого ті летять займати вільні місця в p-шарі. Вони проходять через металевий провідник, через що в ньому виникає заряд струму, що протікає до контролера.

Енергії одного фотона світла вистачає для того, щоби вибити вільний електрон зі своєї структури, де залишається вільне місце. Але, проблема в тому, що кремній добре відбиває сонячне світло, тому більша частина фотонів пропадає даремно. Щоби поліпшити ККД, кремнієві елементи покривають матеріалом проти відблиску.

За рівномірного освітлення електрика виробляється на кожній ділянці пластини. Щоби її зібрати та вивести, потрібні мідні смужки. Після з’єднання фотоелементів збільшується потужність батареї. Чим більше площа панелі, тим вона потужніша. Кремнієві елементи з’єднуються, як послідовно, так і паралельно.

Кількість паралельних з’єднань визначає максимальну потужність, а послідовних – напругу. Ми недавно писали, про те, як розрахувати потужність сонячних панелей для будинку.

Сонячні батареї виробляють постійний струм із напругою 12В або 24В. Мідними провідниками він надходить у контролер, а з нього на інвертор. Там він перетворюється в постійний струм із напругою 230В або 380В та протікає в мережу.

Сила струму та напруга, що йде від сонячних елементів, вимірюється ще на етапі виробництва.

Як виготовляються сонячні панелі

Перший етап – це вирощування кристалів. Їх роблять із кварцового піску з високим вмістом кремнію. Спочатку сировину розплавляють, нагріваючи до 2000°C, потім очищають і синтезують.

У підсумку виходить легований кремній для вирощування монокристалічних і полікристалічних пластин. Для монокристалічних потрібен матеріал високого рівня очищення (99,99 %), а це дуже енергозатратний процес. Для виплавки 1 кг кремнію в середньому витрачається 13 кВт⋅год електроенергії, що впливає собівартість виробництва.

Зовні вони нагадують квадрати товщиною 0,2–0,3мм чорного чи темно-синього кольору зі зрізаними або закругленими кутами.

У монокристалічних фотоелементів більша тривалість служби та вища продуктивність, але це за умови, якщо сонце світить під прямим кутом – про вплив кута освітлення ми вже писали.

А полікристалічні складаються з витягнутих правильних квадратів темно-синього чи сріблясто-сірого кольору. Товщина, як і в монокристалічних – 0,2–0,3мм. ККД нижчий – 12–18 %, зате не високий поріг включення. Електрика виробляється під будь-яким кутом падіння променів, навіть із відбитого світла.

Кристали виготовляються за менш затратною технологією поступового охолодження кремнієвої основи, через це полікристалічні модулі дешевші.

В обох типах фотоелементи об’єднуються в секції, а секції в готові фотоелектричні модулі. На цьому етапі перевіряються струмові характеристики кожного фотоелементу. Потім, з допомогою вакуумних власників робот переносить секції на скляні плити та формує блоки.

Щоби панель не вийшла з ладу через часткове затемнення, її частини шунтуються діодами. Без них затемнені фотоелементи просто почали б споживати електрику й від неї нагріватися. Від високої температури руйнуються напівпровідникові елементи, а так, діоди перекривають контакти і струм тимчасово не протікає.

Наприкінці готові блоки об’єднують та ламінують етиленвінілацетатною плівкою. Під впливом температури вона перетворюється в гель, на якому фіксується захисне покриття.

На завершальному етапі готові конструкції монтуються в алюмінієву раму та герметизуються спеціальним клеєм-герметиком. Це потрібно, щоби всередину не потрапляла волога, інакше корозія знищить контакти. Саме з цієї причини батареї найчастіше виходять із ладу.

Після цього, готова панель тестується – вимірюється струм короткого замикання, напруга холостого ходу та максимальної потужності тощо.

Весь процес виробництва вимагає впровадження високих технологій та розвиненої ресурсної бази. Тому далеко не всі виробники здійснюють повний цикл, здебільшого вони лише замовляють готові кремнієві елементи і складають із них власні фотоелектричні модулі.

Де виготовляються модульні панелі

Переважно в Китаї, адже саме там зосереджена величезна сировинна база кремнію.

На китайських заводах виробництво виходить значно дешевшим, ніж у будь-якій іншій країні, оскільки поряд випускається все необхідне обладнання та сировина, що заощаджує вартість транспортування. Крім того, тут зосереджені виробничі потужності з автоматизованими процесами, де люди лише контролюють роботу роботів та конвеєрів.

Звідки взялися «українські» бренди

Наприклад, щоби запустити завод сонячних батарей де-небудь у Німеччині, виробнику довелося б закупити обладнання… і все одно в китайського постачальника, бо навіть із транспортуванням воно вийде набагато вигідніше, ніж у Європі.

Щоби випускати кремнієві пластини, необхідно закуповувати сировину й на місці вирощувати кристали. Це дуже енергозатратний процес, середня вартість електрики для підприємств у Німеччині біля 0,3$ за кВт⋅год, тоді як у Китаї – 0,13$ за кВт⋅год, що майже втричі дешевше. Висновок: навіщо возити з Китаю, якщо вигідніше робити там?!

Для порівняння, щоби запустити такий завод в Україні, де порівняно дешева електрика та недорога робоча сила (середня зарплата робітника промислового сектору приблизно 5 500$/рік), необхідно буде закуповувати обладнання за кордоном і розв’язувати питання із сировиною (знову таки з Піднебесної). Дешевше купити готові кремнієві пластини в Китаї, що здебільшого й роблять вітчизняні бренди.

Проте, заводи з повним виробничим циклом працюють у Європі, США та навіть країнах СНД. Наприклад, один із найбільших Astana Solar розташований в Нурсултані (Казахстан).

Будівництво першого в Україні заводу кремнієвих сонячних батарей заплановано у Вінниці. Про виробничі потужності підприємства, та про те, коли воно буде введено в експлуатацію поки даних немає.

Виробники, що підкорили світовий ринок

Серед найкращих світових виробників варто виділити такі бренди:

• Motech - тайванська компанія з повним циклом виробництва, включно з вирощуванням кремнієвих кристалів, складанням пластин і панелей. Частина обслуговуючих заводів розташована США;
• Suntech - одна з перших компаній, що почала випускати батареї в Китаї. У 2010 році була визнана найбільшим виробником модульних панелей у світі. Орієнтується на високий клас захисту та експлуатацію в жорсткому кліматі. Suntech тестують власну продукцію в умовах піщаних бур, морського узбережжя та аміачної корозії, що робить її придатною для експлуатації за будь-якої температури в будь-якому куточку світу;
• Trina Solar - китайська компанія, що контролює більшу частину ринку. Своє місце в рейтингу посіла завдяки порівняно низькій вартості та високій якості батарей. Випускає монокристалічні від 185Вт до 195Вт (серія Mono) та полікристалічні модулі від 230Вт до 305Вт (серія Multi);
• Jinko Solar - китайський бренд, постійний член рейтингу Tier-1 за версією Bloomberg. Перший, хто почав ставити чотири шини на мідні кремнієві модулі, завдяки чому вдалося скоротити загальні втрати та підвищити ККД до 21 %;
• Hanwha Solar One - південнокорейський бренд із дослідним центром у Німеччині та виробництвом у Сінгапурі. Славиться високою якістю, утримує хорошу ціну завдяки дешевому постачанню сировини;
• Yingli Green Energy - до 2014 року найбільша за обсягами виробництва компанія в Китаї. Домоглася успіху завдяки низькій собівартості виробництва монокристалічних модулів;
• Canadian Solar - канадська фірма з заводами в Китаї. Володіє широким асортиментом та хорошою якістю виробництва. Випускає полікристалічні та монокристалічні модулі стандарту 165×165мм (6 дюймів);
• Solarworld - німецька компанія з заводами в Європі, орієнтована на західний ринок. На відміну від прямих конкурентів, у цього бренду немає великих виробничих потужностей у Китаї. У 2016 році почала випускати 5-шинні фотоелементи замість 3-шинних. У результаті вдалося підвищити ККД до 21,4 %, а розподільна потужність модуля зросла до 303,3 Вт;
• First Solar - американська компанія, що випускає недорогі модулі. Замість кремнію вона використовує дешевший телурид кадмію, що дозволило знизити ціну та зберегти високу ефективність. Політика First Solar спрямована на здешевлення собівартості виробництва;
• Sunpower - ще одна компанія зі США, але вона пішла іншим шляхом, й орієнтується на покращення ККД. Основний продукт – високоефективні сонячні елементи 165×165мм (6 дюймів), упаковані в 60-елементні модульні панелі з коефіцієнтом перетворення 25,2 % та потужністю до 360Вт;
• Renewable Energy Corporation - ннорвезька компанія, що випускає полікристалічні кремнієві пластини. З 2017 року випускає модулі на 60 (295Вт) та 72 фотоелементи (350Вт), стійкі до потенційної дегенерації в умовах високої температури та вологості.

За результатами американського дослідницького інституту Global Data, у 2017 році 9 китайських компаній покрили половину світового ринку сонячних панелей. Лідером став бренд Jinko Solar, друге місце впевнено утримує Trina Solar, і тільки на четвертому місці розташувався перший не китайський, але з виробництвом у Піднебесній, бренд Canadian Solar (Канада).

Перша, незалежна від Китаю, компанія посіла лише п’яте місце – Hanwha Solar One (Південна Корея).

Через те, що в КНР найсприятливіші умови для виробництва фотоелектричних модулів, європейським і американським компаніям важко конкурувати з китайцями на світовому ринку. Проте, вони успішно працюють над здешевленням і збільшенням ефективності панелей, а також пошуком альтернативи кремнію, як основної сировини для виробництва.