Фотоелектричні модулі (сонячні панелі)

Сонячні панелі складаються з сонячних елементів. Оскільки один сонячний елемент не виробляє достатньої кількості електроенергії для більшості використань, сонячні панелі збираються в сонячних модулях для того, щоб виробляти більше електроенергії.

Модулі виробляють з псевдоквадратних монокремнієвих чи квадратних полікремниєвих фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), покритих антивідбиваючим покриттям.

Сонячні панелі (або сонячні фотоелектричні модулі) виготовляються різних типів та розмірів. Найбільш типові — це кремнієві фотоелектричні модулі потужністю 15-360 Вт (піковий ват, тобто потужністю максимум в 15-360 Вт при яскравому сонці). Такий сонячний модуль має розмір до 2 м². Сонячні панелі (PV modules) можуть з'єднуватися між собою для того, щоб отримати велику потужність (наприклад, 2 модуля по 150 Вт, з'єднаних разом, еквівалентні модуля потужністю 300 Вт).

ККД доступних у продажі модулів варіюється в межах 5-20%. Це означає, що 5-20% від кількості енергії, що падає на фотоелемент, буде трансформовано в електричну енергію. Дослідні лабораторії в усьому світі розробляють нові матеріали для СЕ з більш високим ККД (до 45%). Вартість виробництва також дуже важлива. Деякі нові технології (такі як, наприклад, тонкоплівкові), дозволяють виробляти СЭ в великих масштабах, що значно знизить вартість елементів і модулів

З чого складається снячна панель

Модули из кристаллического кремния являются многослойным «пирогом». В общем случае они состоят из нескольких слоем, показанных на рисунке справа. Герметизирующий материал необходим для того, чтобы обеспечить полную герметичность солнечных элементов при работе на открытом воздухе круглый год. При попадании воздуха или влаги внутрь солнечного модуля происходит окисление и разрушение контактов солнечных элементов, что приводит к выходу модуля из строя. В качестве герметизирующей пленки обычно применяется EVA (этиленвинилацетатная) пленка. К сожалению, она же и является одним из факторов «старения» фотоэлектрических модулей, т.к. со временем теряет свою прозрачность. Сейчас во всем мире ведутся работы по замене этой EVA на другие материалы, но в коммерчески изготовляемых модулях пока в основном применяется именно этот материал.

Солнечные модули обычно выполнены в виде панели, заключенной в каркас из алюминиевого профиля. Бывают солнечные панели без алюминиевой рамы. Панель представляет собой фотоэлектрический генератор, состоящий из стеклянной плиты, с тыльной стороны которой между двумя слоями герметизирующей (ламинирующей) пленки размещены солнечные элементы, электрически соединенные между собой металлическими шинами. Нижний слой герметизирующей пленки защищен от внешних воздействий слоем защитной пленки. К внутренней стороне корпуса модуля прикреплен блок терминалов, под крышкой которого размещены электрические контакты, предназначенные для подключения модуля.

Электрические характеристики солнечной батареи: вольт-амперная характеристика

Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольт-амперной характеристике (ВАХ). Однако, в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен.

Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (V_oc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (I_sc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или MPP). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как V_p (номинальное напряжение) и I_p (номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.

При прямом соединении солнечного модуля к аккумуляторной батарее, модуль работает при напряжении, равном напряжению аккумуляторной батареи в данный момент. По мере заряда АБ ее напряжение растет, поэтому модуль может работать в диапазоне напряжения от 10 до 14,5В (здесь и далее используются напряжения для модуля номинальным напряжением 12В. Для модулей с номинальным напряжением 24В значения напряжения нужно умножить на 2). Соответственно, его рабочая точка может быть довольно далеко от оптимальной. Почему же производители выбрали напряжение модуля в максимальной точке равным 17В?

Почему 12-вольтовые панели на самом деле 17-вольтовые?

Это сделано для того, чтобы компенсировать потери напряжения в фотоэлектрической системе и сохранить возможность полного заряда аккумуляторной батареи. Обычный вопрос, который задают люди — «почему нельзя сделать панели так, чтобы они выдавали 12В?» Если вы сделаете так, то модули будут выдавать необходимое для заряда АБ напряжение только, когда они холодные, в идеальном состоянии и при ярком солнце. Обычно таких условий не бывает в реальности. Поэтому панели должны иметь запас по напряжению для возможности заряжать АБ при пониженной освещенности, под пылью и нагретыми на солнце. Вопреки интуиции, солнечные панели работают лучше в холодную погоду. В нормальных условиях, когда солнечная панель нагревается до 40-45 градусов, ее мощность снижается на 15-17%.

Как известно, для заряда АБ напряжением 12В необходимо довести ее напряжение до 14,5В (или даже до 15В при заряде при низких температурах) . Напряжение солнечного модуля в реальных условиях оказывается ниже, чем 17В. Во-первых, при нагревании солнечного модуля его напряжение снижается примерно на 0,5В. Во-вторых, существуют потери напряжения в соединительных проводах. Также, редко когда уровень освещенности равен 1000 Вт/м². Все это приводит к тому, что реальное напряжение на модуле снижается, и в действительности оно оказывается очень близко к требуемым 14,5В. С другой стороны, при низких температурах, напряжение может быть больше, чем 17В.

Зависимость ВАХ типичного кристаллического модуля мощностью 130Вт от освещенности

Мощность солнечной панели изменяется в зависимости от освещенности практически прямо-пропорционально. При определенной освещенности модуль прекращает выработку. Эта освещенность для кристаллических модулей составляет примерно 150-200 Вт/м², а для аморфных — около 100 Вт/м².

Также, мощность солнечного модуля зависит от его температуры, и обычно падает при повышении температуры. Типичный температурный коэффициент для кристаллических модулей составляет -0,45%/К (т.е. при повышении температуры модуля на каждый градус его выработка уменьшается на 0,45%) . Для аморфных модулей этот показатель обычно раза в 2 меньше, а последние разработки трех-переходных аморфных модулей даже имеют положительный температурный коэффициент мощности.

Новое поколение контроллеров заряда, могут обеспечивать работу солнечной батареи в точке максимальной мощности. Они отслеживают точку максимальной мощности, и поддерживают напряжение на входе равный этой точке. На выходе, за счет преобразования напряжения, обеспечивается напряжение, равное напряжению на АБ. Таким образом, MPPT контроллер понижает напряжение и повышает ток. Слежение за ТММ солнечного модуля обеспечивает увеличение выработки электроэнергии на 15-30%.

Можно найти все эти параметры — (V_oc, I_sc, MPP, V_p, I_p) — на шильдике или прилагаемых к модулю характеристиках (заметьте, что V_p и I_p также называются номинальными значениями. Однако не ожидайте получить номинальную мощность от вашей солнечной батареи — почти невозможно, чтобы собранная система работала все время в точке максимальной мощности. Кроме изменений освещенности, на вырабатываемую мощность влияет температура солнечной батареи — чем выше температура солнечной батареи, тем ниже ее мощность.

Брендовые солнечные панели обычно делаются на производствах с полной автоматизацией. На мелких и некоторых средних заводах про сборке часть операций не автоматизирована (например, часто пайка общих шин солнечной панели, перемещения панелей между этапами производства, сборка алюминиевых рам и т.п. бывают не автоматизированными и выполняются вручную). Это уменьшает цену выпускаемыхно также могут ухудшать и долговременное качество этих панелей.