Солнечные панели: от бесполезной игрушки к революции в энергетике

По данным Международного энергетического агентства, глобальная мощность солнечных фотоэлектрических систем значительно возрастает, и в ближайшем будущем она может превысить полтора тераватта.

Солнечные фотоэлектрические системы обеспечили прирост мощности в 507 ГВт, а к концу 2024 года прогнозные данные составляют уже 1 500 ГВт. Это больше, чем мощность всех источников электроэнергии в таких странах, как Германия и Япония.

Масштабные производства и технологические достижения приводят к тому, что стоимость солнечной энергии неуклонно снижается. Берлинский климатический институт (Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change) подсчитал, что за последнее десятилетие она уменьшилась на 87%.

Прежде чем перейти к ответам на вопросы, касающиеся солнечной энергетики, давайте определимся с терминами.

Название «солнечная батарея» в наше время неправильно, хоть и допустимо. Ведь батарея в понимании обывателя предназначена для хранения энергии. А устройства, которые преобразуют световой поток, солнечное излучение (т.е. свет) в электрическую энергию, технически грамотно называть «фотоэлектрическими преобразователями». Множество таких преобразователей, или ячеек, объединяются в систему, которую в мировой литературе принято называть солнечной панелью или фотоэлектрическим модулем.

Но есть и исключения. К примеру, в космической отрасли термин «солнечная батарея» по отношению к панелям, установленным на крыльях спутников, исторически закрепился. Это слово используется в переносном смысле, как обозначение устройства, которое обеспечивает космический аппарат энергией.

С другой стороны, у слова «батарея» есть еще одно значение: совокупность однотипных или связанных между собой предметов, расположенных в определенном порядке. И с этой точки зрения название «солнечная батарея» можно услышать для обозначения сборной конструкции из множества однотипных элементов — фотоэлектрических ячеек.

Все эти термины будут использоваться в статье для обозначения устройств, которые преобразуют свет, световой поток или солнечное излучение в электрическую энергию, делают экологически чистую электроэнергию доступной для широкого круга потребителей и обеспечивают рост «зеленой» энергетики.

1. Как давно появились солнечные батареи?

История технологий солнечной энергетики началась почти 200 лет назад и шла параллельно с общим прогрессом науки и технологий в мире. Стартовой точкой принято считать открытие фотогальванического и фотоэлектрического эффектов. Затем были разработаны первые экспериментальные образцы фотоэлементов, собраны прототипы, а рабочие идеи зарегистрированы  в виде патентов на эти технологии. Много времени ушло на научные эксперименты и ожидания технологического прорыва, который бы сделал производство солнечных панелей из фотоэлементов массовым и доступным по стоимости.

Такой прорыв произошел, когда к середине XX века сложилось несколько факторов: был открыт фотоэффект в полупроводнике, появилась технология массового производства полупроводниковых кристаллов на основе германия, и, наконец, было найдено более дешевое технологическое решение — вместо дорогого германия стали использовать дешевый кремний. С этого момента ведут отсчет современные промышленные солнечные панели.

С середины XX века по наши дни эффективность всех фотоэлектрических (солнечных) устройств выросла многократно – с доли процента до нескольких десятков (к примеру, максимальная эффективность лабораторных многокаскадных концентраторных элементов достигла 47,6% преобразования, а промышленно производимых кремниевых элементов – 22-26% ), благодаря чему сегодня мы можем рассматривать солнечные панели как инновационный источник энергии.

Основные этапы развития фотоэлементов и солнечных панелей

2. Как работают солнечные панели?

Основа солнечной панели, или батареи — это фотоэлектрический элемент или солнечная ячейка, от английского словосочетания «solar cell». По своей сути это полупроводниковый прибор, работа которого основана на принципе фотоэффекта.

Генерация электрического тока в ячейке происходит следующим образом:

• Фотоны — фундаментальные частицы солнечного света — попадают на поверхность фотоэлемента и взаимодействуют с поверхностью полупроводника, в роли которого чаще всего используется кремний.
• Фотоны выбивают из атомов кремния электроны и занимают их место.
• Свободные электроны, выбитые фотонами, накапливаясь, создают разность потенциалов.
• Из-за разности потенциалов возникает электрическое поле.
• Под воздействием этого поля электроны начинают двигаться по направлению к электродам полупроводника — возникает электрический ток.

Это описание дает общее, упрощенное представление о работе фотоэлемента. В реальности на процесс влияет множество факторов. Например, фотон может повести себя по-разному в зависимости от того, какой энергией обладает. Он может не только выбить электрон и занять его место, но и отразиться от поверхности или пройти сквозь полупроводник. Имеет значение и то, как происходит процесс p-n перехода на границе между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости, его динамика, общие свойства полупроводников и особенности конкретных материалов, из которых они изготовлены.

Эффективность солнечных преобразователей оценивается коэффициентом полезного действия (КПД), который измеряется в процентах. На текущий момент в России максимальный КПД солнечных технологий достигает 25%.

Количество электричества, которое может произвести солнечная панель, определяется ее номинальной мощностью, которая измеряется в ваттах.

3. Как конструктивно устроена солнечная батарея?

Современная солнечная панель представляет собой единый блок, в котором фотоэлектрические ячейки последовательно соединены друг за другом и защищены слоем стекла или полимера.

Одна ячейка нашего производства может генерировать напряжение от 0,3 до 0,6 В в зависимости от условий окружающей среды — освещенности и температуры. Десятки и сотни таких ячеек последовательно собирают в цепочки, где положительный вывод одной ячейки соединяется с отрицательным выводом следующей ячейки. Затем их инкапсулируют (т.е. заключают внутрь прозрачного герметичного защитного слоя) между листами стекла, либо листами специального просветленного полимерного материала, если производят полугибкие и гибкие панели. Так и получается солнечный модуль.

Чтобы адаптировать солнечные панели к условиям эксплуатации в различных регионах, могут использоваться металлические рамы, специальные защитные покрытия и/или дополнительные ребра жесткости. Для гибких и полугибких солнечных панелей применяют пленки с разными свойствами: например, для катеров и лодок применяют стойкие к соленой воде полимеры.

Готовые модули соединяются в комплексные системы с помощью разнообразных крепежных элементов, рам и кронштейнов. Вместе с другими компонентами, такими как инверторы, контроллеры максимальной мощности и другими устройствами, необходимыми для адаптации при работе с преобразованной солнечной энергией, они входят в состав фотоэлектрической системы.

Самый большой и комплексный тип фотоэлектрической системы — солнечная электростанция, или СЭС. Помимо солнечных панелей, в нее входит оборудование, необходимое для подготовки, преобразования, передачи и, при необходимости, хранения электрической энергии:

• инвертор, преобразующий постоянный ток, полученный из полупроводниковых ячеек, в переменный;
• батарейный аккумуляторный блок, сохраняющий полученную электроэнергию;
• стабилизатор и контроллер заряда батареи;
• соединительные провода, контрольные приборы, защитные автоматы и предохранители.

Также можно установить трекер — механизм, отслеживающий положение солнца. Можно пойти дальше и установить оснащение для умной электростанции, которая будет отслеживать мощность солнечной батареи, оптимизировать ее, предоставлять продвинутые средства мониторинга и контроля.

4. Какие бывают разновидности солнечных панелей (батарей)?

Существует пять типов технологий, на основе которых работают солнечные батареи по всему миру, которые можно определить по типу материала или его комбинаций:

1. Кристаллический кремний

Это самая распространенная и давняя технология на рынке. На ее основе производятся солнечные ячейки из монокристаллических и мульти-, или поликристаллических кремниевых слитков. Монокристаллический кремний обладает более высокой чистотой и более упорядоченной структурой, что позволяет достигать более высокой эффективности преобразования солнечной энергии. Тем не менее, чаще используют мультикристаллический кремний, потому что процесс его производства менее затратен.

2. Монокристаллический арсенид галлия

В ячейках такого типа используют арсенид галлия вместо кремния. Благодаря тому, что этот полупроводник сохраняет свои физические и электрические свойства даже при экстремальных условиях из-за способности поглощать свет в широком спектральном диапазоне, а также высокой скорости, с которой электроны могут двигаться внутри материала под воздействием электрического поля. Эта технология позволяет добиться очень высокой эффективности — свыше 30%, но из-за стоимости сырья и сложности получения такие ячейки используются в основном для космических целей.

3. Многокаскадные ячейки

Это ячейки, состоящие из нескольких слоев полупроводниковых материалов, каждый из которых имеет свой оптимальный диапазон поглощения света. Обычно решения с такими материалами имеют дополнительную оснастку — концентраторы на основе линз Френеля, которые позволяют увеличить солнечную инсоляцию на поверхности модуля. Многокаскадные ячейки могут достигать эффективности более 45%, но их производство требует очень сложных и дорогостоящих технологических процессов, редких и/или редкоземельных материалов. Поэтому их применение ограничено высокотехнологичными научными проектами, например, в NASA.

4. Тонкие пленки

Это технология, в рамках которой для создания солнечной ячейки на подложку наносятся фотоактивные слои в виде тонких пленок. Для этого могут использоваться различные материалы, такие как аморфный кремний, перовскиты и другие органические и неорганические соединения. Технология позволяет снижать затраты на материалы, но показатели ее эффективности невысокие. Эти ячейки находят применение во встроенных архитектурных решениях, портативных зарядных устройствах и в специализированных проектах, например, в навигационных буях в морской отрасли и других маломощных системах для удаленных объектов.

5. Новые гибридные технологии

Широкий спектр современных разработок, включая экспериментальные технологии, направленные на поиск баланса между увеличением эффективности солнечных элементов и снижением стоимости их производства. Они используют синергию различных фоточувствительных материалов. Это самый динамично развивающийся сегмент солнечных технологий, направленный на преодоление текущих ограничений и создание новых возможностей для применения солнечных модулей в различных областях.

Сравнение основных видов активно применяемых солнечных батарей

5. Где применяются солнечные панели?

Спектр применения солнечных панелей максимально широк: от туризма до промышленности, от бытового калькулятора до космических аппаратов и от зарядки телефона до энергоснабжения поселений.

Вот некоторые важные способы применения фотоэлектрических систем:

• Автономное энергоснабжение

В труднодоступных районах установка солнечных станций часто обходится дешевле, чем прокладка линии электроэнергии. Это один из эффективных способов обеспечения энергопитанием домохозяйств или автономных коммерческих проектов, которые расположены в отдаленных районах. Таким способом можно обеспечить работу скважинных водяных насосов, систем связи, работу осветительного оборудования, систем безопасности и видеонаблюдения.

Также солнечные батареи активно применяют для обеспечения энергопитанием отдельно стоящих телекоммуникационных вышек, пикетов экстренной связи, расположенных на удаленных от населенных пунктов трассах, нефтяных и рудных месторождениях и так далее.

• Основа и составная часть энергетического комплекса

Солнечные батареи активно применяются как часть более крупных электростанций, которые могут включать различные источники энергии и технологии. Они могут иметь гибридный электрическо-термальный тип, где энергия солнца дополнительно превращается в тепловую энергию, могут быть выполнены в формате электроферм, в комбинации с ветровыми турбинами и системами, фокусирующими солнечные лучи для повышения эффективности генерации электричества, а также могут применяться в составе генерации для гидроэнергетики.

• Интеграция в конструктивные элементы зданий

Фотоэлектрические системы можно устанавливать не только на землю, но и на крышу и фасады зданий, например, их интегрируют в кровлю или в элементы конструкции. Несмотря на нестандартные размеры по сравнению с наземными установками, такие солнечные батареи обеспечивают не только большую долю получаемой от солнца электроэнергии, но и дизайнерским решением вносят эстетическую полезность. Солнечные станции на жилых зданиях, как правило, имеют мощность от 5 до 15 кВт, а фотоэлектрические системы коммерческих предприятий — несколько сотен киловатт.

• Системы уличного освещения

Уже сейчас на дорогах крупных городов и небольших населенных пунктов солнечные батареи обеспечивают питание уличных систем оповещения, подсветки дорожных знаков, освещения. Особенно актуально такие элементы располагаются на загородных трассах, например, в местах повышенной опасности.

6. Чем энергия от солнечных модулей лучше других источников энергии?

В период, пока солнечные батареи обладали сравнительно низкой эффективностью и распространением, главными преимуществами этой технологии производства электроэнергии оставались два самых очевидных: во-первых, ее неиссякаемость, а во-вторых — экологичность. Действительно, ресурс солнечной энергии оценивается в несколько миллиардов лет, а солнечная панель не оставляет углеродного следа, не генерирует никаких отходов в процессе производства электричества и не загрязняет окружающую среду какими-либо выбросами.

По мере развития технологии становятся заметны новые преимущества солнечных панелей:

Снижение затрат на электроэнергию

Солнечные батареи часто используются для уменьшения потребности в электроэнергии из внешних источников. Во-первых, стоимость потребляемой электроэнергии снижается за счет того, что часть энергии объект потребляет не из глобальной электросети, а из собственного энергопроизводства. Во-вторых, излишки электроэнергии, которые были произведены с помощью солнечных батарей, можно передать обратно в глобальную электросеть и продать.

Возможность организации автономного энергоснабжения

В ситуации, когда прокладка линий электропередач может обойтись слишком дорого или просто невозможна, электростанция, собранная на базе солнечных панелей, может полностью обеспечить объект собственной электроэнергией.

Низкие затраты на обслуживание

У солнечного оборудования нет движущихся и трущихся частей, после установки оно почти не подвергается механическим нагрузкам и не подвержено воздействию осадков. Обслуживание солнечных батарей сводится к минимуму — к периодической очистке.

Работа в условиях различной освещенности

Хотя эффективность солнечной панели напрямую зависит от уровня освещенности, современные солнечные энергоустановки могут производить электричество в разных условиях, в том числе при пасмурной погоде.

Надежность и долговечность

Большинство производителей современных монокристаллических солнечных панелей оценивают срок службы своих устройств в 25—30 лет. В течение этого времени при соблюдении условий установки, эксплуатации и целостности изделий, солнечные модули показывают заявленные характеристики. По мере развития технологий надежность и долговечность солнечных панелей продолжает увеличиваться.

Растущая эффективность

В последние десятилетия эффективность солнечных панелей активно растет благодаря внедрению результатов новейших исследований и совершенствованию технологий производства. Сейчас КПД промышленных монокристаллических и гибридных панелей находится на уровне 22–25%, однако развитие технологий внушает уверенность, что уровень эффективности будет подниматься все выше и выше.

7. Насколько солнечные батареи экологичны?

Отдельного внимания заслуживает вопрос экологичности фотоэлектрических систем, ведь солнечные панели позиционируются как технология, которая предлагает источники энергии, которые значительно меньше загрязняют окружающую среду, чем традиционные источники, в частности ископаемое топливо.

Действительно, по данным одного из ведущих международных научных журналов, издания Science, отходов от солнечной энергетики образуется в 800 раз меньше, чем от угольной.

Экологичность солнечных панелей подтверждается на трех этапах:

Производство

Современные поли- и монокристаллические солнечные панели изготавливаются из высокочистого кремния, который не содержит тяжелых металлов и токсичных компонентов. Каждый этап процесса проходит под строжайшим технологическим контролем и оптимизирован таким образом, чтобы свести к минимуму выбросы, а также затраты энергии. На производство одного солнечного модуля в России тратится всего 66 кВт/ч энергии, а за год службы он производит 300—600 кВт/ч, многократно перекрывая энергозатраты на свое производство.

Эксплуатация

Солнечные панели не производят никаких выбросов в атмосферу и работают бесшумно, без вибраций, что способствует сохранению биоразнообразия в окружающих экосистемах. Весь длительный срок службы они не требуют технического обслуживания — замены и обновления компонентов — что тоже сокращает воздействие человеческой деятельности на окружающую среду.

Утилизация

Российские гетероструктурные солнечные модули по экологическим стандартам отнесены к четвертому, самому низкому классу опасности. Это означает, что они не обладают химической или биологической активностью, способной оказывать негативное воздействие на окружающую среду или здоровье человека, и могут утилизироваться, как обычный бытовой мусор.

При этом необходимость утилизации солнечных модулей на территории России впервые возникнет только к 2040 году, когда подойдет к концу срок эксплуатации старейшей солнечной станции Кош-Агач. Более подробно вопрос утилизации солнечных батарей мы рассмотрели в отдельной статье.

8. Каковы перспективы солнечных батарей и солнечной энергетики?

Со второй половины XX века и до наших дней солнечные панели прошли путь от плохо применимой для промышленных нужд игрушки и продукта космических технологий до устройств, способных обеспечить энергией реальные жилые и промышленные объекты.

По прогнозам Международного энергетического агентства объем энергии, производимой солнечными панелями, превысит объем энергии, который генерируют атомные электростанции, уже к 2026 году, а к 2028 году доля энергии, производимой с помощью солнца и ветра, в совокупности составит 42% от общего объема.

Применение солнечных батарей идет в двух направлениях. Первое — активное использование наиболее дешевых, хотя и сравнительно менее эффективных поликристаллических солнечных панелей в решениях разного масштаба. Второе — совершенствование технологий производства панелей и самих батарей, чтобы они стали меньше, легче, привлекательнее и эффективнее при одновременном уменьшении себестоимости.

Основные тезисы статьи: коротко о самом важном

1. Солнечная энергия начала развиваться в XIX веке после открытия фотоэффекта, а революционное значение для нее приобрело распространение более доступных полупроводниковых материалов, таких как кремний. С тех пор технологии продвинулись далеко вперед и сделали солнечные панели перспективным источником энергии.
2. Солнечные панели работают благодаря фотоэффекту: когда свет попадает на панель, он высвобождает электроны полупроводника, что создает поток электрического тока.
3. Чтобы произвести электрическую энергию нужной мощности, фотоэлементы объединяются в модули, которые становятся частью энергостанций.
4. На рынке представлено множество технологических решений, на основе которых выпускают солнечные панели, у каждой есть свои достоинства и недостатки. Большинство промышленных и наиболее распространенных решений, включая гетероструктурную технологию, создаются на базе монокристаллического кремния, как наиболее сбалансированного по принципу “цена-эффект”.
5. Солнечные батареи и устройства на их основе применяются в различных областях, включая бытовое применение, энергетику, сельское хозяйство, медицину, транспортные системы и в космических исследованиях, обеспечивая надежное и экологически чистое энергоснабжение в самых разных условиях.
6. Автономное энергоснабжение и снижение стоимости электроэнергии — только начало длинного списка преимуществ солнечных панелей.
7. Солнечные панели являются экологически чистыми. По завершении срока службы солнечные модули могут быть утилизированы без вреда для окружающей среды.
8. Благодаря постоянному развитию технологий солнечные панели становятся всё более эффективными и экономически выгодными. В ближайшей перспективе они составят серьезную конкуренцию другим источникам энергии

Компания "Юнигрин Энерджи" — крупнейшая частная энергетическая компания России. Мы проектируем и строим солнечные электростанции для крупных предприятий и организаций с высоким энергопотреблением на территории Российской Федерации, стран СНГ, Латинской Америки, Азии и Африки.

Наши решения обеспечивают 1,3 ГВт производственной мощности в год. Мы предлагаем разные модели сотрудничества, включая ЕРС, энергосервисные контракты, РРА, договоры аренды и продажу зеленых сертификатов.

Энергетические системы на базе солнечных панелей — лучшее решение для компаний, которые стремятся снизить эксплуатационные расходы и нуждаются в устойчивом и надежном энергоснабжении. Особенно большое значение это имеет для удаленных и труднодоступных регионов, где для энергообеспечения приходится использовать дорогостоящее ископаемое топливо. Наши разработки позволяют снизить зависимость от колебаний цен и сократить операционные расходы на 30%.

Если ваша компания заинтересована в снижении энергозатрат, обратитесь к нам за индивидуальным решением, оптимизированным под специфические потребности вашего бизнеса. Напишите нам на почту info@unigreen-energy.com, оставьте заявку на сайте или позвоните по телефону +7 (800) 505 91 63, и мы с удовольствием инициируем начало плодотворного сотрудничества.