Сонячні батареї

     Використання енергії Сонця для отримання електричної енергії, на сьогодні є доступним рішенням, що має свої переваги в порівнянні з іншими джерелами електроживлення. Тому, якщо виник інтерес чи необхідність купити сонячні батареї, давайте розглянемо які вони бувають, як працюють та як вибрати сонячні батареї для будинку або комерційного об'єкта.

Що собою являє і як працює сонячна батарея?

     Сонячна батарея - це електронний пристрій, або правильніше сказати система електронних пристроїв, в яких енергія світла перетворюється на постійний струм.

     Принцип роботи сонячних батарей ґрунтується на фотоелектричному ефекті - фізичному явищі, при якому енергія фотонів сонячного світла передається електронам напівпровідникового матеріалу, з якого сонячна батарея виготовлена. Внаслідок цієї взаємодії утворюється електричний заряд та протікає електричний струм.

     Окремі структурно відокремлені елементи, в яких енергія світла перетворюється на електричну, називають фотоелементи або фотоелектричні перетворювачі (ФЕП). Але оскільки електрична енергія, вироблена кожним окремим фотоелектричним перетворювачем мала, для збільшення потужності їх об'єднують у єдину конструкцію - сонячну батарею (панель).

     Конструктивно сонячна батарея або сонячна панель складається з необхідної для її потужності кількості з'єднаних у єдиний ланцюг фотоелементів, зверху, для захисту, покритих товстим загартованим склом й обрамлених по периметру алюмінієвою рамою, з клемами для підключення навантаження.

Типи сонячних батарей

     Залежно від напівпровідникового матеріалу, на основі якого працюють фотоелектричні перетворювачі, сонячні батареї можуть бути монокристалічні та полікристалічні.

     До монокристалічних сонячних батарей відносять панелі, в яких для перетворення енергії використовується монокристалічний кремній - напівпровідник, що виготовляється з кремнію високого ступеня очищення та має безперервну кристалічну решітку, тобто являє собою єдиний, цілісний кристал необхідного розміру (монокристал).

     Такий вирощений за спеціальними технологіями монокристал кремнію перед використанням обрамляється, нарізається на пластини необхідної товщини, які після додаткової обробки й стають основою фотоелектричних перетворювачів сонячної батареї.

     Візуально монокристалічна сонячна батарея відрізняється від полікристалічної однорідним кольором, який може бути темно-синім або чорним (для батарей з антивідбивним покриттям), в окремих випадках сірим, (для батарей без покриття). Також фотоелектричні перетворювачі монокристалічної панелі мають форму квадратів зі зрізаними кутами, тому що монокристали з яких вони виготовляються, мають круглу, циліндричну форму.

     Якщо казати про переваги, то монокристалічні сонячні батареї мають більший коефіцієнт корисної дії ніж полікристалічні та дещо більший термін служби. Так, ККД монокристалічної панелі, залежно від її якості, зазвичай становить 18-22%, з терміном служби при збереженні 80% заявленої потужності - 25-30 років.

     Недоліками монокристалічних сонячних батарей є чутливість до правильності кута установки й більша ціна ніж у полікристалічних аналогів.

     Полікристалічні сонячні батареї працюють на основі полікристалічного кремнію у якості напівпровідника, що використовується для перетворення сонячної енергії в електричну.

     На відміну від монокристалічного кремнію, який має безперервну кристалічну решітку, полікристалічний являє собою тіло зі зрощених, дрібних, по-різному орієнтованих кристалів, тобто є полікристалом.

     Процес виготовлення полікристалічного кремнію простіше за монокристалічний, вимагає менших енерговитрат, що позитивно позначається на ціні полікристалічних сонячних батарей. Що стосується обробки полікристалу, для використання у фотоелектричних перетворювачах, то вона аналогічна монокристалу.

     Візуально, полікристалічні сонячні батареї відрізняються темно-синім неоднорідним кольором - з вкрапленням інших кольорів, що зумовлено полікристалічною структурою матеріалу (батареї без антивідбивного покриття, мають неоднорідний сірий колір). Також фотоелементи полікристалічних панелей завжди мають правильну прямокутну форму, на відміну від псевдоквадратів монокристалічних аналогів.

     Перевагами полікристалічних сонячних батарей є менша ціна ніж у монокристалічних, а також менша залежність від правильності кута встановлення по відношенню до сонця.

     Якщо говорити про недоліки, то для полікристалічних сонячних батарей, це менший ККД, що становить 16-18% і трохи менший термін служби, ніж у монокристалічних, - 25 років зі збереженням 80% потужності, для якісних батарей.

Вибір потужності сонячних батарей

     Потужність сонячної батареї що зазначена в її технічних характеристиках, - це показник вироблення сонячної батареї в стандартних умовах роботи. Ці умови загальноприйняті та є розрахунковими практично для всіх марок сонячних батарей незалежно від країни виготовлення й чітко визначені:

• - інсоляція 1000 Вт/м2;
• - температура 25 °С;
• - коефіцієнт повітряної маси AM 1,5.

     На практиці ж, при відхиленні реальних умов роботи від стандартних, потужність сонячної батареї також змінюватиметься. Давайте розглянемо кожну з цих умов, щоб зрозуміти, наскільки їх зміна вплине на вироблення.

Інсоляція

     Рівень інсоляції характеризує інтенсивність сонячного випромінювання, тобто кількість енергії, яку несе сонячне світло. Поряд із нашою планетою, потік сонячного випромінювання має середню потужність 1367 Вт/м2 (сонячна постійна), але при проходженні через атмосферу його енергія зменшується. Згідно з дослідженнями, у середині літнього, ясного дня, потужність сонячного світла, що перпендикулярно падає на поверхню, має середнє значення 1000 Вт/м2.

     Як відомо, вироблення сонячної батареї прямо пропорційне інтенсивності сонячного випромінювання. При цьому, потужність сонячного світла змінюється протягом дня (від світанку до заходу сонця), залежно від погодних умов, а також від пори року. Тому, для зручності розрахунку прогнозованого вироблення використовують середню сумарну потужність сонячного випромінювання, отриману за період що розглядається в місці установки сонячних батарей згідно зі статистичними даними. Наприклад, для Києва, середній рівень сонячного випромінювання у березні становить 2950 Вт/м2 на день. Це означає, що в середньому за один день у березні, загальна отримана сонячна енергія еквівалентна приблизно 3 годинам ідеальних, описаних вище умов з рівнем інсоляції 1000 Вт/м2.

Як впливає температура на потужність сонячної батареї?

     Сонячна батарея здатна досягти своєї максимальної потужності при температурі не більше 25 °С. При підвищенні температури вище цього значення, вироблення сонячної батареї буде знижуватися на 0,45% за кожен наступний градус. Величина й динаміка зменшення потужності при збільшенні температури, у монокристалічних та полікристалічних сонячних батарей однакові, й точні їх значення можна отримати з графіка зміни вольт-амперних характеристик сонячної батареї залежно від температури.

     Найбільший вплив на потужність сонячної батареї, збільшення температури здійснює у безвітряну погоду влітку, коли батарея нагрівається вище 50 °С. Взимку потужність не змінюється через температуру, тому при меншій інсоляції, сонячна батарея здатна забезпечити пропорційно більше вироблення (більше на одиницю потужності потоку сонячного випромінювання порівняно з літнім періодом).

Що означає AM 1,5?

     АМ – це коефіцієнт повітряної маси, абревіатура є скороченням англійських слів Air Mass.

     Проходячи через атмосферу Землі, сонячне випромінювання втрачає енергію, а також змінюється його спектр. Це відбувається через розсіювання сонячного світла атмосферним пилом, смогом, аерозолями та поглинанням частини спектра водяною парою, молекулярним озоном, азотом, вуглекислим газом. І чим довший шлях сонячного світла через атмосферу, тим сильніший цей вплив.

     Як відомо, кут сонця над горизонтом змінюється не тільки протягом дня, від сходу до заходу сонця, а й залежно від пори року, - влітку сонце підійматися вище над горизонтом ніж узимку. При цьому, чим нижче сонце знаходиться над горизонтом, тим більший шлях сонячним променям потрібно пройти через атмосферу, щоб досягнути поверхні землі, й тим сильніший її вплив на потужність та спектр сонячного випромінювання. Ці зміни ми можемо бачити на світанку або під час заходу сонця, коли сонце й небо забарвлюються в помаранчеві та червоні тони, що свідчить про переважання довгохвильового випромінювання у спектрі.

     Для того, щоб враховувати вплив атмосфери Землі на потужність та спектр сонячного випромінювання і використовують коефіцієнт повітряної маси АМ. Так, значення AM 1,5, тобто півтори атмосфери, характеризує відстань яку пройде сонячне світло до поверхні землі, при зенітному куті сонця 48,2 градуси, що прийнято вважати середнім показником впливу атмосфери на інтенсивність та спектр сонячного потоку.

Як погода впливає на продуктивність сонячних батарей?

     Вироблення електроенергії сонячними батареями не постійне у часі та змінюється:

• - протягом дня, від сходу до заходу сонця, досягаючи свого піку, коли сонце знаходиться у зеніті;
• - у разі появи хмар.

     Це незручно, тому що пік споживання зазвичай припадає саме на вечір, окрім того, раптова зміна погоди вдень може істотно знизити продуктивність. Тому, для накопичення та зберігання енергії, що виробляється сонячними батареями, використовуються акумуляторні батареї. Така система складається не тільки з АКБ, але і з контролерів заряду, інвертора, що перетворює постійний струм на змінний, і разом із сонячними батареями, називається фотоелектрична система або сонячна електростанція.

     При зміні погоди, можна розраховувати, що в хмарність, сонячні батареї забезпечать близько 60-80% своєї потужності, в похмуру погоду, вироблення скоротиться до 20-30%.

     Окрім розглянутих вище факторів, на потужність сонячної батареї впливає орієнтація щодо сторін світу та кут нахилу по відношенню до руху сонця. Тому, для досягнення максимальної виробітки, сонячні батареї повинні бути правильно встановлені.

Встановлення сонячних батарей

     Найбільш ефективно сонячні батареї працюють при встановленні у напрямку на південь та перпендикулярному падінні сонячних променів. Якщо сонячні панелі спрямовані до інших сторін світу, їхня ефективність буде меншою та орієнтовно становитиме:

• - для південного заходу та південного сходу, 95% потужності;
• - захід та схід, 80% потужності;
• - північний захід та північний схід, 50-65% потужності;
• - для півночі, 30% і менше потужності сонячних батарей.

     Коли йдеться не про промислову сонячну електростанцію, а про встановлення сонячних батарей для будинку, на практиці, орієнтація точно на південь є скоріше винятком ніж правилом. Тому, у разі неможливості реалізації ефективних альтернативних рішень щодо встановлення, питання зниження потужності вирішується збільшенням загальної площі сонячних батарей.

     Чому сонячні батареї мають високу продуктивність, якщо спрямовані на південь та під яким кутом вони повинні бути встановлені?

Орієнтація та кут встановлення сонячних батарей

     Орієнтація сонячних батарей щодо сторін світу й кут установки, пов'язані з рухом, яке здійснює сонце по небу від свого сходу до заходу.

     Через нахил земної осі, влітку Земля трохи розгорнута до сонця північною півкулею, а взимку навпаки - південною. Тому, влітку у північній півкулі сонце підійматися над горизонтом вище ніж взимку та його шлях небом є довшим. Це і є причиною того, що влітку дні тривають довше ніж узимку, а ночі коротші. Схід сонця літом відбувається на північному сході, а захід на північному заході. Взимку ж навпаки, - сонце підійматися над горизонтом нижче та проходить по небу менший шлях, дні при цьому коротші ніж влітку, а ночі довші. Сходить сонце взимку на південному сході та заходить на південному заході. Навесні й восени, кут сонця над горизонтом та його шлях по небу від сходу до заходу сонця, знаходяться посередині між літнім і зимовим значеннями. При цьому, в будь-яку пору року, шлях сонця по небу від сходу до заходу сонця проходить через південь, де сонце і досягає своєї найвищої точки над горизонтом, коли знаходиться у зеніті.

     Через те, що максимальної ефективності сонячні батареї досягають при перпендикулярному падінні сонячних променів, а кут сонця над горизонтом протягом року змінюється, при встановленні сонячних батарей, залежно від об'єкта, використовується один із наступних варіантів:

• - сонячні батареї встановлюються під фіксованим кутом, середнім між літнім та зимовим значеннями;
• - сонячні батареї встановлюються зі змінним кутом нахилу, який коригується для кожної пори року або двічі на рік;
• - використовуються трекери, що змінюють кут та напрямок сонячних батарей залежно від руху сонця.

     Якщо говорити про трекери, приріст виробітки який вони забезпечують, у порівнянні з витратами, показує економічну доцільність їх використання у великих проєктах. Однак, бувають і винятки, коли встановлення сонячних батарей на трекери, є хоч і витратним, але найбільш зручним рішенням.

     Оптимальний кут нахилу сонячних батарей залежить від широти місцевості й для весни з осені дорівнює її значенню. Кут рівний широті місцевості також використовується при фіксованій установці сонячних батарей, через те, що його значення є середнім в році. Наведемо у якості прикладу, значення широти для кількох великих міст України від Києва на південь:

     Київ 50,27 градуси;

     Харків 50,0;

     Львів 49,50;

     Дніпро 48,28;

     Одеса 46,29;

     Якщо сонячні батареї встановлюються зі змінним кутом нахилу, для збільшення виробітки, кут можна коригувати для кожної пори року або двічі на рік. Точні значення кутів розраховуються перед установкою, залежно від географічних координат об'єкта, але приблизно, влітку, від весняно/осіннього значення віднімається 10-15 градусів, а взимку, навпаки, - 10-15 градусів додається.

     При відхиленні кута установки від оптимального, ефективність сонячних батарей знижуватиметься, але для малих кутів, це зниження незначне:

• - 9 градусів – 1,2%;
• - 18 градусів – 4.9%;
• - 40 градусів – 19.0%;
• - 45 градусів – 29.0%;

     Після розрахунку кутів, залежно від орієнтації у просторі, тіні та інших чинників, вибирається оптимальне місце для установки. Сонячні батареї встановлюються під заданим або змінним кутом:

• - на скатних дахах;
• - на плоских дахах (під кутом на підтримуючій конструкції);
• - на фасадах будівлі;
• - на альтанках, навісах, прибудовах, у разі потреби, при використанні спеціальних конструкцій, збільшується площа розміщення;
• - наземне встановлення;
• - на трекери.

     Установка сонячних батарей є не менш важливим етапом ніж вибір обладнання, вона повинна бути виконана професіоналами - окрім правильності розміщення, система повинна витримати вплив погодних умов та сильні пориви вітру протягом усього терміну служби сонячних батарей.

Сонячні батареї під ключ

     Наша компанія проєктує та встановлює сонячні батареї під ключ в Україні, з гарантією на все обладнання та виконані роботи. Накопичений досвід дозволяє реалізовувати проєкти та вирішувати завдання будь-якого ступеня складності, у нас можна купити сонячні батареї з необхідним обладнанням, встановленням, гарантією та обслуговуванням в Україні:

• - для приватних будинків, дач, котеджів, таунхаусів;
• - для медичних закладів;
• - для сільськогосподарських об'єктів, тваринницьких ферм, теплиць, сховищ, оранжерей;
• - для бізнесу, комерційних об'єктів, підприємств;
• - а також проєктування та будівництво промислових сонячних електростанцій.

     Якщо прийнято рішення або розглядається можливість використання сонячних батарей, кваліфіковані фахівці нашої компанії дадуть відповіді на питання, розрахують параметри системи та допоможуть знайти найбільш ефективне рішення залежно від індивідуальних потреб замовника, з правильною інтеграцією у наявну систему.