Пожалуй, самый популярный сегодня способ использования энергии солнечного излучения – преобразование ее в энергию электрическую. Зародившись в бытовом сегменте, солнечная энергетика нынче вышла на промышленный уровень благодаря прогрессу в технологии производства основного элемента солнечных электростанций - так называемых солнечных панелей, представляющих собой батареи фотоэлектрических преобразователей.
Большинство имеющихся сегодня на рынке панелей для бытовых солнечных энергетических систем можно разделить на три категории: монокристаллические, поликристаллические и тонкопленочные.
Монокристаллические солнечные панели - самые популярные из всех, которые сегодня используются в солнечных установках на крыше. Их легко идентифицировать по внешнему виду: отдельные элементы панели выглядят как ровно окрашенные черные квадраты со срезанными углами (на самом деле – это круги со срезанными сегментами). Каждый солнечный элемент сформирован на пластине монокристаллического кремния. Стандартная солнечная панель содержит 60 или 72 солнечных элемента.
Эффективность монокристаллических панелей может составлять от 17% до 22%, и это - самый высокий показатель среди всех типов солнечных панелей. Это обусловлено материалом элементов: в монокристалле относительно мало дефектов, на которых может происходить рекомбинация свободных носителей заряда, генерируемых под воздействием солнечного света. Меньше скорость рекомбинации носителей – больше ток, генерируемый элементом при прочих равных условиях. Более высокая эффективность монокристаллических солнечных панелей означает, в частности, что для достижения заданной мощности потребуется меньшее количество элементов - это делает применение таких панелей идеальным решением в тех случаях, когда пространство на крыше ограничено.
Хотя кремний – один из самых распространенных на земле элементов, в природе он в свободной форме почти не встречается. Кремний для изготовления полупроводниковых приборов, в том числе и солнечных панелей, получают восстановлением из кварцевого песка. Процесс получения т.н. металлургического кремния требует довольно больших затрат энергии, но еще более энерго- и трудозатратны процессы очистки кремния от примесей и выращивания собственно монокристалла. Из-за этого монокристаллические панели в конечном итоге обходятся дороже, чем другие два вида, распространенные на рынке. Однако по мере совершенствования технологий и производства не только снижается цена модулей из монокристаллического кремния, но и уменьшается разница в цене между ними и поликристаллическими модулями.
Панели на основе поликристаллического кремния, иногда называемые поликристаллическими панелями, популярны среди домовладельцев с ограниченным бюджетом. Обычно у солнечных элементов из поликристаллического кремния не срезаны углы, и они полностью заполняют площадь панели. Кроме того, поликристаллические элементы отличает синий цвет и характерный «морозный» рисунок поверхности.
Подложки из поликристаллического кремния для солнечных панелей производятся почти так же, как монокристаллические пластины, однако вместо выращивания монокристалла из расплава кремния весь объем расплава с помещенным в него затравочным кристаллом охлаждается до температуры кристаллизации. Образующийся таким образом слиток, состоящий из множества разноориентированных кристаллов кремния, затем распиливают на тонкие пластины, в которых формируют солнечные элементы.
Поликристаллической структурой обусловлена более низкая эффективность солнечных панелей, составляющая обычно от 15% до 17%. Однако благодаря новым технологиям за последние годы удалось не только несколько поднять эффективность, но и увеличить мощность стандартных поликристаллических панелей с 60 ячейками с 240 до более 300 Вт.
Тонкопленочные солнечные панели полностью отличаются от монокристаллических и поликристаллических прежде всего по виду: они сплошного черного цвета, без обычных контуров кремниевых элементов, которые вы видите на лицевой стороне кристаллической солнечной панели. Они изготавливаются путем нанесения тонких слоев материалов, составляющих фотоэлектрическую структуру, на твердую поверхность, например - стекло. Структура полупроводника при этом получается аморфной, и этот факт иногда упоминается в названии панели.
Тонкопленочные панели могут быть изготовлены на основе таких материалов, как:
- аморфный кремний (a-Si)
- теллурид кадмия (CdTe)
- селенид меди, индия, галлия (CIGS) и др.
Благодаря тонкопленочной технологии панели получаются легкими и, в некоторых случаях, гибкими. Однако из-за нее же фотоэлементы получаются менее эффективными, чем на основе моно- или поликристаллического кремния. Еще несколько лет назад эффективность тонкопленочных модулей выражалась однозначными цифрами. Недавно сообщалось о достижении эффективности прототипов тонкопленочных элементов в 23,4%, но коммерчески доступные тонкопленочные панели обычно имеют эффективность в диапазоне 10–13%. Их также отличает более короткий срок службы, чем у других типов солнечных панелей. Однако эти недостатки частично компенсируются стоимостью тонкопленочных панелей – самой низкой из всех трех типов, рассмотренных здесь.
Потенциальному покупателю может быть интересно сравнить все 3 типа по удельной стоимости и удельной мощности:
В каталогах и прайс-листах обычно указывается тип панели и номинальная мощность - электрическая мощность, которую панель вырабатывает при стандартных условиях: поток света плотностью 1000 Вт/м2 направлен перпендикулярно панели, спектр соответствует стандарту EN 60904-3, температура модуля 25°C. Помимо этого, указываются размеры панели и эффективность составляющих ее фотоэлементов.
Как на основе этих данных покупатель может принять решение, сколько панелей приобретать и устанавливать? Прежде всего следует определить а) потребность домовладения в электроэнергии и б) доступную площадь крыши, стены, участка, пригодных для размещения солнечных панелей. Это нужно для ответа на вопрос, сколько можно сэкономить на счетах за электроэнергию и сколько лишней энергии можно будет продавать в сеть.
Потенциальных покупателей солнечных энергетических установок в России традиционно волнует вопрос, возможно ли автономное электроснабжение домохозяйства на основе энергии солнца. Ответить на него достаточно просто, если владеть статистикой ежедневного поступления солнечной энергии в интересующем нас регионе: очевидно, что для полной автономности в дни с самым низким поступлением производство электроэнергии должно покрывать суточную потребность в ней. Рассмотрим для примера дом в Московской области со скромным суточным потреблением электроэнергии в 8 кВт∙ч. Самое низкое дневное поступление солнечной энергии случается, конечно же, в декабре и составляет около 100 Вт/м2. За такой хмурый день солнечная панель номинальной мощностью 250 Вт выработает всего-то 25 Вт∙ч, и чтобы набрать 8 кВт∙ч, таких панелей нужно 320 штук… всего-то!
Следующий вопрос – при каком условии возможна генерация электроэнергии на продажу? Вернемся к предыдущему примеру и положим, что на доме установлена солнечная электростанция суммарной номинальной мощностью 1250 Вт – 5 панелей по 250 Вт. Тогда лишняя энергия генерируется, когда дневное поступление солнечной энергии превышает 6,4 кВт∙ч/м2. Даже в Московской области таких дней по статистике около 20 в году, а, например, в Краснодаре - все 65.
И, наконец, самый важный вопрос: окупается ли солнечная электростанция в разумные сроки? Вот солидная компания предлагает сетевые солнечные электростанции в нескольких конфигурациях. Станция минимальной номинальной мощности в 3,5 кВт стоит чуть больше 300 тыс. руб., включая доставку и монтаж. В Московской области она будет вырабатывать в год около 3,5 тыс. кВт∙ч электроэнергии, что позволит владельцу экономить ежегодно около 20 тыс. руб. Срок окупаемости получается лет 15 – не сильно воодушевляет, но не будем забывать, что с развитием технологий и производств стоимость панелей снижается, в то же время электроэнергия дорожает, так что у солнечной энергетики - все впереди.