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 чі 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'єднання 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

Модулі з кристалічного кремнію є багатошаровим «пирогом». У загальному випадку вони складаються з декількох шаром, показаних на малюнку праворуч. Герметизуючий матеріал необхідний для того, щоб забезпечити повну герметичність сонячних елементів при роботі на відкритому повітрі цілий рік. При попаданні повітря або вологи всередину сонячного модуля відбувається окислення і руйнування контактів сонячних елементів, що призводить до виходу модуля з ладу. Як герметизуючої плівки зазвичай застосовується EVA (этиленвинилацетатная) плівка. На жаль, вона ж і є одним з факторів «старіння» фотоелектричних модулів, оскільки з часом втрачає свою прозорість. Зараз у всьому світі ведуться роботи по заміні цієї EVA на інші матеріали, але в комерційно виготовлених модулях поки в основному застосовується саме цей матеріал.

Сонячні модулі зазвичай виконані у вигляді панелі, укладеної в каркас з алюмінієвого профілю. Бувають сонячні панелі без алюмінієвої рами. Панель являє собою фотоелектричний генератор, що складається зі скляної плити, з тильного боку якої між двома шарами герметизуючої (ламінуючої) плівки розміщені сонячні елементи, електрично з'єднані між собою металевими шинами. Нижній шар герметизуючої плівки захищений від зовнішніх впливів шаром захисної плівки. На внутрішній стороні корпусу модуля прикріплений блок терміналів, під кришкою якого розміщені електричні контакти, призначені для підключення модуля.

Електричні характеристики сонячної батареї: вольт-амперна характеристика

Сонячний модуль може працювати при будь-якій комбінації напруги і струму, розташованим на його вольт-амперній характеристиці (ВАХ). Однак, в реальності модуль працює в одній точці в даний час. Ця точка вибирається не модулем, а електричними характеристиками ланцюга, до якої даний модуль (або сонячна батарея) підключений.

Напруга, при якому струм дорівнює 0, називається напругою холостого ходу (V_oc). З іншого боку, струм, при якому напруга дорівнює 0, називається струмом короткого замикання (I_sc). У цих крайніх точках ВАХ потужність модуля дорівнює 0. На практиці, система працює при комбінації струму і напруги, коли виробляється достатня потужність. Краще поєднання називається точкою максимальної потужності (ТММ, або MPP). Відповідні напруга і струм позначаються як V_p (номінальна напруга) і I_p (номінальний струм). Саме для цієї точки визначаються номінальна потужність та ККД сонячного модуля.

При прямому з'єднанні сонячного модуля до акумуляторної батареї, модуль працює при напрузі, що дорівнює напрузі акумуляторної батареї в даний момент. По мірі заряду АБ її напруга зростає, тому модуль може працювати в діапазоні напруг від 10 до 14,5 У (тут і далі використовуються напруги для модуля номінальною напругою 12В. Для модулів з номінальною напругою 24В значення напруги потрібно помножити на 2). Відповідно, його робоча точка може бути досить далеко від оптимальної. Чому ж виробники вибрали напруга модуля в максимальній точці рівним 17В?

Чому 12-вольт панелі насправді 17-вольтові?

Це зроблено для того, щоб компенсувати втрати напруги в фотоелектричної системі і зберегти можливість повного заряду акумуляторної батареї. Звичайний питання, яке задають люди — «чому не можна зробити панелі так, щоб вони видавали 12В?» Якщо ви зробите так, то модулі будуть видавати необхідне для заряду АБ напругу тільки, коли вони холодні, в ідеальному стані і при яскравому сонці. Зазвичай таких умов не буває в реальності. Тому панелі повинні мати запас по напрузі для можливості заряджати АБ при зниженій освітленості, під пилом і нагрітими на сонці. Всупереч інтуїції, сонячні панелі працюють краще в холодну погоду. В нормальних умовах, коли сонячна панель нагрівається до 40-45 градусів, її потужність знижується на 15-17%.

Як відомо, для заряду АБ напругою 12В необхідно довести її напругу до 14,5 У (або навіть до 15В при заряді при низьких температурах) . Напруга сонячного модуля в реальних умовах виявляється нижче, ніж 17В. По-перше, при нагріванні сонячного модуля його напруга знижується приблизно на 0,5 Ст. По-друге, існують втрати напруги в сполучних проводах. Також, рідко коли рівень освітленості дорівнює 1000 Вт/м². Все це призводить до того, що реальне напруга на модулі знижується, і в дійсності воно виявляється дуже близько до необхідних 14,5 Ст. З іншого боку, при низьких температурах, напруга може бути більше, ніж 17В.

Залежність ВАХ типового кристалічного модуля потужністю 130Вт від освітленості

Потужність сонячної панелі змінюється в залежності від освітленості практично прямо пропорційно. При певній освітленості модуль припиняє вироблення. Ця освітленість для кристалічних модулів становить приблизно 150-200 Вт/м², а для аморфних   близько 100 Вт/м².

Також потужність сонячного модуля залежить від його температури, і зазвичай падає при підвищенні температури. Типовий температурний коефіцієнт для кристалічних модулів складає -0,45%/До (т. е. при підвищенні температури модуля на кожен градус його вироблення зменшується на 0,45%) . Для аморфних модулів цей показник зазвичай в 2 рази менше, а останні розробки трьох-перехідних аморфних модулів навіть мають позитивний температурний коефіцієнт потужності.

Нове покоління контролерів заряду, можуть забезпечувати роботу сонячної батареї у точці максимальної потужності. Вони відстежують точку максимальної потужності, і підтримують напругу на вході дорівнює цій точці. На виході, за рахунок перетворення напруги, забезпечується напруга дорівнює напрузі на АБ. Таким чином, MPPT контролер знижує напругу і підвищує струм. Спостереження за ТММ сонячного модуля забезпечує збільшення вироблення електроенергії 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 — чим вище температура сонячної батареї, тим нижче її потужність.

Брендові сонячні панелі зазвичай робляться на виробництвах з повною автоматизацією. На дрібних і деяких середніх заводах про складанні частина операцій не автоматизовано (наприклад, часто пайка загальних шин сонячної панелі, переміщення панелей між етапами виробництва, складання алюмінієвих рам і т. п. бувають не автоматизованими і виконуються вручну). Це зменшує ціну выпускаемыхно також можуть погіршувати і довготривале якість цих панелей.