Що всередині сонячної панелі - будова та принцип роботи

Сонячна енергетика стрімко набирає популярності у всьому світі. Це стосується і України, монтаж сонячних панелей стає все більш популярним не лише для підприємств, а і для приватного сектору. Найбільш поширене встановлення сонячних панелей на дах, але робиться кріплення сонячних панелей на землі. Для багатоповерхових будинків можливі сонячні панелі на балконі чи на загальному для сусідів даху. Це дозволяє заощаджувати на вартості електроенергії.  

 Завдяки використанню все нових технологій, ККД сонячної панелі стає все більше (ККД – це коефіцієнт корисної дії, її ефективність – зазвичай від 10 до 25%). При цьому окупність сонячних батарей скорочується, вони швидше окупаються і завдяки впровадженню «зеленого тарифу» в країні, по якому держава викупає у населення надлишки сгенерованої сонячними СЕС енергії.

 Проте багато хто не знає, що саме відбувається всередині сонячної батареї, яка її будова, від чого залежить генерація, і як звичайне сонячне світло перетворюється на електричну енергію. У цій статті розберемося детально, як влаштована фотоелектрична сонячна панель, та за яким принципом вона працює.

Яку має будову панель сонячна, з чого вона складається

Типова сонячна батарея для дому чи підприємства, та навіть для промислової СЕС — це багатошарова конструкція, яка забезпечує ефективне захоплення сонячного світла, його перетворення в електрику та довготривалий термін служби. Термін придатності сонячних панелей – біля 25 років. 

Розглянемо основні шари конструкції зверху донизу:

• Загартоване скло

Функція - захищає панель від опадів, пилу, ударів граду та інших зовнішніх впливів. Товщина зазвичай 3–4 мм. Таке скло гарно пропускає сонячність - висока світлопроникність (понад 90%).

• Антивідблискове покриття

Функція - зменшує втрати світла через відбиття, збільшуючи ефективність генерації, то зменшуючи окупність сонячної електростанції. Наноситься покриття шляхом напилення на скло.

• Плівка EVA (етиленвінілацетат)

Функція - склеює шари панелі, забезпечує захист від вологи та ультрафіолету. Властивості EVA шару - гнучка, прозора, стійка до старіння, здатна витримувати механічні навантаження. 

• Сонячні фотоелементи

Функція - перетворення світлової енергії у електричну.

Основний компонент, який мають сонячні панелі. Матеріал - найчастіше монокристалічний або полікристалічний кремній.

• Другий шар EVA

Дублює функції першого шару — додаткова фіксація та захист.

• Задня захисна плівка (Backsheet)

Функція - ізоляція та захист від проникнення вологи. Особливо це важливо від дощової та похмурої погоди, коли перепади температури визивають конденсацію. 

Матеріал - пластик, алюмінієва фольга або композит.

• Рама на сонячну панель

Функція - надає конструкції міцності, спрощує монтаж. Матеріал: анодований алюміній.

• З'єднувальна розподільча коробка (junction box) 

Функція – завдяки ній сонячні батареї з'єднується в систему, та з інвертором.

Розміщена на тильному боці панелі і містить:

1. діоди Шотткі, які захищають від зворотного струму;
2. клеми для підключення кабелів.

Далі система сонячних панелей під'єднується до інверторів чи акумуляторів, с їх допомогою сгенеровану енергію можна використовувати в биту, на підприємстві, накопичувати або відправляти в загальну мережу.

ℹ️ Цікаво! Окупність сонячних панелей і всієї сонячної електростанції в умовах України складає 5-8 років, залежно від комплектації, підключення до «зеленого тарфу» чи інших умов. Але правильно сконфігурована СЕС здатна працювати біля 25 років. 

Як сонячне світло перетворюється на електроенергію

На перший погляд здається, що перетворення сонячного світла в електрику — це щось складне, так воно і є. Насправді, основа процесу закладена в явищі, відомому як фотоелектричний ефект, який був описаний ще Альбертом Ейнштейном. Завдяки цьому ефекту сонячні промені здатні вибивати електрони з атомів напівпровідника, створюючи електричний струм. 

Ось як це відбувається крок за кроком, так працює сонячна батарея:

• Поглинання світла

Фотони (частинки світла) проникають крізь захисне скло та плівку до фотоелементів з кремнію.

• Вивільнення електронів

Фотони, що влучають в атоми кремнію, передають свою енергію електронам. Це змушує електрони «вискочити» з орбіт.

• Утворення електричного поля

Сонячні елементи мають p-n перехід — межу між двома шарами кремнію з різною провідністю:

1. n-шар має надлишок електронів;
2. p-шар має нестачу електронів (так звані «дірки»).

На межі цих шарів виникає електричне поле, яке змушує вивільнені електрони рухатись в одному напрямку.

• Збір струму

✔️ Підсумок! Електрони збираються металевими контактами у вигляді сітки на поверхні елементів, після чого рухаються через електричний ланцюг до інвертора, де перетворюються в змінний струм (AC).

Що далі відбувається з електроенергією?

Далі можлива варіативність використання електроенергії. Тут можна сказати декілька слів з цього приводу. 

Після перетворення струму інвертором, електроенергія:

1. використовується безпосередньо в будинку або на підприємстві;
2. накопичується в акумуляторах (в автономних системах);
3. передається в загальну мережу (у випадку мережевої СЕС).

Типи сонячних панелей - порівняльна таблиця:

✅ Цікавий факт! Фотоелектричний ефект, що лежить в основі роботи сонячних панелей, був вперше теоретично описаний Альбертом Ейнштейном у 1905 році. Саме за це відкриття він отримав Нобелівську премію з фізики у 1921 році.

☀️ Сонячні панелі — це не просто набір темних прямокутників на даху. Це складна інженерна система, в якій кожен шар виконує важливу функцію: від захисту та захоплення світла до генерації та передачі електроенергії. Знання принципу роботи панелей допомагає зробити правильний вибір обладнання, підвищити ефективність його використання та зрозуміти, як саме «працює» сонце на вас.