Виробництво, пристрій і принцип роботи сонячних панелей || AxiomPlus

1. Пристрій сонячної панелі У всіх панелей схожа конструкція. В основі знаходяться напівпровідникові...
2. Принцип роботи сонячної панелі
3. Як виробляються сонячні панелі
4. Де виробляються модульні панелі
5. Звідки взялися «українські» бренди
6. Виробники завоювали світовий ринок

Пристрій сонячної панелі

У всіх панелей схожа конструкція. В основі знаходяться напівпровідникові елементи, що виконують роль перетворювача енергії сонячного світла в електричну. Між собою вони пов'язані тонкими мідними каналами - провідниками виробленої енергії.

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

З тильного боку їх захищає міцний металева стінка, а з фронтальним - скляне покриття. Тут застосовується ударостійке скло, що витримує падіння великого граду і навіть великих гілок дерев. Воно не дряпається, не тріскається і не затирається, зберігаючи ідеальну прозорість на протязі багаторічної експлуатації.

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

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

Структура тонкоплівкових панелей

Конструкція складається з гнучкого полімерного матеріалу. За рахунок цього вона дуже легше і більш еластично кремнієвих аналогів, і не піддається пошкоджень при ударах.

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

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

Через такого властивості на ринку з'явилися навіть циліндричні тонкоплівкові панелі, додатково виробляють електрику зі світла відбитого від покрівлі. Вироблена енергія проводиться за тонким мідним каналам, щільно загерметизовані плівкою. Так вони захищені від вологи і опадів.

Не дивлячись на зовсім інший пристрій тонкоплівкових батарей, працюють вони так само як і кремнієві.

Принцип роботи сонячної панелі

В основі фотоелектричної панелі знаходяться кремнієві осередки. В атомі кремнію все електрони розташовані в кристалічній решітці, через це в чистому вигляді він погано проводить електрику. Для поліпшення хімічних і фізичних властивостей кремній легируют атомами фосфору і бору в пропорції 1: 1000000.

У структурі кремнію всього чотири електрона, а у фосфору - п'ять. При легуванні, чотири з них закріплюються в структурі, а п'ятий - висить. Легований фосфором кремній утворює негативний напівпровідниковий поле n-типу, що виступає катодом в батареї.

У бору - три електрона, і виходить одне пусте місце в структурі, так звана «дірка». В результаті утворюється напівпровідник p-типу і виступає анодом.

Фотони сонячного світла вибивають електрони з n-шару, після чого вони летять займати вільні місця в p-шарі, при цьому проходять через металевий провідник, через що в ньому виникає навантаження і струмовий заряд, що протікає до контролера.

Енергії одного фотона світла вистачає для того, щоб вибити вільний електрон зі своєї структури, де на його місці утворюється вільне місце. Але, проблема в тому, що кремній добре відбиває сонячне світло і більшість фотонів пропадає даремно. Щоб поліпшити ККД, на кремнієві осередки завдають шар покриття антивідблиску.

При рівномірному освітленні, електрика виробляється на кожній ділянці пластини. Щоб його зібрати і вивести потрібні мідні смужки. При з'єднанні осередків збільшується потужність батареї. Чим більше площа панелі, тим вона потужніша. Кремнієві елементи з'єднані послідовно і паралельно.

Кількість паралельних з'єднань визначає максимальну потужність, а послідовних - напруга. Ми недавно писали, про те як розрахувати потужність сонячних панелей для будинку .

Сонячні батареї виробляють постійний струм з напругою 12В або 24В. За мідним провідникам він надходить в контролер, а з нього на інвертор. Там він перетворюється в постійний струм з напругою 230В або 380В і протікає в мережу.

Сила струму і напруга йде з сонячних осередків змиритися ще на етапі виробництва, до того як модулі знайдуть свій звичний вигляд.

Як виробляються сонячні панелі

Перший етап включає в себе вирощування кристалів. Їх роблять з кварцового піску з високим вмістом кремнію. Спочатку його розплавляють при високих температурах (до 2000 ° C), потім очищають і синтезують.

У підсумку виходить легований кремній для вирощування монокристалічних або полікристалічних пластин. Для монокристалічних потрібен матеріал високого рівня очищення (99,99%), а цей дуже енерговитратний процес. Для виплавки 1 кг кремнію необхідно 13 кВт * год енергії, через це їх вартість вище.

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

У монокристалічних осередків більше термін служби і вище продуктивність, але тільки якщо сонце світить під прямим кутом - про вплив кута освітлення ми вже писали .

А полікристалічні складаються з витягнутих правильних квадратів темно-синього або сріблясто-сірого кольору. Товщина, як і монокристалічних - 0,2-0,3. ККД нижчий 12-18%, зате нижче поріг включення. Електрика виробляється під будь-яким кутом напрямку променя, в тому числі з відбитого світла.

Кристали робляться за технологією поступового охолодження кремнієвої основи, що менш затратно, через це полікристалічні модулі дешевше.

В обох типах осередку згуртовуються в секції, а секції в готові фотоелектричні модулі . На цьому етапі кожна з осередків проходить перевірку на струмові характеристики. Потім, за допомогою вакуумних власників, робот переносить секції на скляні плити і формує блоки.

Щоб панель в процесі роботи не вийшла з ладу при частковому затемненні, її частини шунтуються діодами. Якби діодів не було, затемнені клітинки замість того, щоб виробляти почали б споживати електрику. При цьому вони почали б грітися і руйнуватися від високої температури. А так, діоди перекривають контакти і ток по ним не тече.

Після готові блоки згуртовуються і ламинируются етіленвінілацетатной плівкою. Під впливом температури вона перетворюється в гель, а вже на нього сідає захисне покриття.

На завершальному етапі готові конструкції монтуються в алюмінієву раму і герметизуються спеціальним клеєм-герметиком. Це потрібно, щоб всередину не потрапляла волога, інакше корозія знищить контакти.

Саме з цієї причини батареї найчастіше виходять з ладу.

Після цього, готова панель проходить тестування, де вимірюється струм короткого замикання, напруга холостого ходу і максимальної потужності.

Весь процес виробництва вимагає впровадження високих технологій і розвиненою ресурсної бази. Тому не всі бренди повністю його контролюють, вони лише замовляють готові кремнієві елементи і збирають з них власні фотоелектричні модулі.

Де виробляються модульні панелі

Більшість робиться в Китаї, це викликано тим, що там зосереджена хороша сировинна база кремнію.

На китайських заводах виробництво виходить в рази дешевше, т.к. в безпосередній близькості випускається все необхідне обладнання, що заощаджує кошти на їх транспортуванні. Також практично весь процес покладено на роботизовані конвеєри, а люди лише контролюють цей процес.

Звідки взялися «українські» бренди

Наприклад, щоб запустити завод сонячних батарей де-небудь в Німеччині, виробнику довелося б закупити обладнання ... і все одно у китайського постачальника. Т, до навіть разом з транспортуванням воно вийде набагато вигідніше, ніж при замовленні з Європи.

Щоб випускати кремнієві пластини, необхідно закуповувати сировину і на місці вирощувати кристали. Це дуже енерговитратний процес, вартість електрики в Німеччині близько 0,3 $ за кВт * год, в Китаї - 0,13 $ за кВт * год, що майже в три рази дешевше. Висновок: навіщо возити з Китаю, якщо вигідніше робити там ?!

Для порівняння, щоб запустити такий завод в Україні, де відносно дешеву електрику і недорога робоча сила (в промисловому секторі приблизно 5 500 $ / рік) необхідно буде закуповувати обладнання за кордоном і вирішувати питання з сировиною (знову таки з піднебесної). Дешевше купити готові кремнієві пластини в Китаї, що переважно і роблять вітчизняні бренди.

Проте заводи з повним виробничим циклом працюють в Європі, США і навіть країнах СНД. Наприклад, один з найбільших Astana Solar знаходиться в Астані (Казахстан).

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

Виробники завоювали світовий ринок

В топі світових виробників варто виділити такі бренди:

• Motech - тайванська компанія, що здійснює повний цикл виробництва, включаючи вирощування кремнієвих кристалів, складання пластин і панелей. Частина обслуговуючих заводів розташована США;
• Suntech - одна з перших компаній, яка почала випускати батареї в Китаї. У 2010 році була визнана найбільшим виробником модульних панелей в усьому світі. Орієнтується на високий клас захисту і експлуатацію в жорсткому кліматі. Suntech тестуються в умовах піщаних бур, морського узбережжя і аміачної корозії, що робить їх придатними для експлуатації при будь-якій температурі в будь-якому куточку світу;
• Trina Solar - китайська компанія, яка контролює більшу частину ринку. Свою позицію в рейтингу досягла за рахунок відносно низької вартості і гарної якості батарей. Випускає монокристалічні від 185Вт до 195Вт (серія Mono) і 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, за рахунок чого вдалося скоротити загальні втрати і досягти ККД 21%;
• Hanwha Solar One - південнокорейський бренд з дослідним центром в Німеччині і виробництвом в Сінгапурі. Славиться високою якістю, утримує хорошу ціну за рахунок дешевих поставок сировини;
• Yingli Green Energy - до 2014 року найбільша за обсягами виробництва компанія в Китаї. Домоглася успіху за рахунок низької собівартості випуску монокристалічних модулів;
• Canadian Solar - канадська фірма з заводами в Китаї. Володіє широким асортиментом і гідною якістю товарів, що випускаються. Випускає полікристалічні і 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 в Китаї. У 2016 році почала випускати 5-шинні осередки замість 3-шинних. Як результат, вдалося підвищити ККД до 21,4%, а розподільна потужність модуля склала 303,3 Вт;
• First Solar - американська компанія, відрізняється низькою вартістю модулів. За рахунок того, що замість кремнію за основу матеріалу було взято дешевший телурид кадмію, вдалося знизити ціну при збереженні високої ефективності. Політика First Solar по сьогодні спрямована на здешевлення випуску;
• Sunpower - ще одна компанія з США, що орієнтується на збільшення ККД. Основний продукт - високоефективні сонячні елементи 165 × 165мм (6 дюймів), упаковані 60-елементні модульні панелі з коефіцієнтом перетворення 25,2% потужністю до 360Вт;
• Renewable Energy Corporation - норвезька компанія, що випускає полікристалічні кремнієві пластини. З 2017 року випускає одні з найпотужніших в світі модулі на 60 осередків (295Вт) та 72 комірки (350Вт), вільні від потенційної дегенерації в умовах високої температури і вологості;

За результатами американського дослідницького інституту Global Data, в 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 в Піднебесній, бренд Canadian Solar (Канада).

Перша, незалежна від Китаю, компанія розташувалася лише на п'ятому місці - Hanwha Solar One (Південна Корея).

Виходячи з того, що в КНР найбільш сприятливі умови для випуску фотоелектричних модулів, європейським і американським компаніям важко конкурувати з китайцями на рідному ринку. Проте вони старанно працюють над здешевленням і збільшенням ефективності панелей, а також пошуком альтернативи кремнію, як основного матеріалу для виробництва.

Автор: Владислав С.