Как работает солнечная батарея

Солнечная батарея работает за счёт явления, которое называется фотоэффектом: частицы света, попадая на особым образом устроенную кремниевую пластину, выбивают из неё электроны и заставляют их двигаться в одном направлении, создавая электрический ток. Свет здесь не нагревает пластину для получения энергии, как в тепловых установках, а напрямую передаёт электронам энергию, достаточную, чтобы вырваться из атома и пойти по цепи. Дальше этот ток проходит через инвертор, который превращает его в форму, пригодную для бытовых приборов или подачи в сеть, а часть энергии при необходимости откладывается в накопитель про запас.

Из чего сделана солнечная панель

Основа подавляющего большинства панелей - кремний, самый распространённый после кислорода элемент в земной коре. Для солнечных элементов его специально очищают до высокой чистоты и выращивают в виде крупных кристаллических слитков, которые затем режут на тонкие пластины толщиной меньше человеческого волоса. Панели из монокристаллического кремния делают из одного цельного кристалла - у них ровный тёмный однородный цвет и обычно чуть более высокий коэффициент полезного действия. Поликристаллические панели собирают из множества сросшихся мелких кристаллов, что дешевле в производстве, но заметно по характерному неоднородному синеватому узору на поверхности.

Сама по себе чистая кремниевая пластина электричества не производит - её нужно превратить в полупроводник с двумя разными слоями. В один слой при выращивании кристалла добавляют примесь фосфора, из-за чего в нём образуется избыток свободных электронов, а в другой слой добавляют примесь бора, создающую, наоборот, недостаток электронов - эти вакантные места физики называют дырками. Место стыка этих двух слоёв называется p-n переходом, и именно на нём происходит основная работа солнечного элемента.

Как свет превращается в электричество

Когда частица света, фотон, попадает в область p-n перехода и обладает достаточной энергией, она выбивает электрон из его связанного состояния, оставляя на его месте дырку. Освободившийся электрон стремится заполнить ближайшую дырку в соседнем слое, но внутреннее электрическое поле, которое существует на границе двух разноимённо заряженных слоёв, не даёт ему двигаться в произвольном направлении, а выталкивает строго в одну сторону - к металлическому контакту на поверхности пластины. Если замкнуть внешнюю цепь между верхним и нижним контактом панели, электроны потекут по этой цепи, и это движение зарядов и есть электрический ток.

Один-единственный такой электрон даёт ничтожно малое количество энергии, поэтому панель состоит из десятков или сотен одинаковых кремниевых элементов, соединённых последовательно и параллельно: последовательное соединение складывает напряжение отдельных элементов, а параллельное - силу тока. Соотношение этих соединений в конкретной панели рассчитывают так, чтобы на выходе получилось напряжение, удобное для дальнейшей передачи и преобразования.

Почему панель даёт постоянный ток

Электрическое поле p-n перехода толкает электроны всегда в одну и ту же сторону, независимо от того, светит солнце ярко или тускло - меняется только количество электронов в потоке, а не направление их движения. Поэтому на выходе панели всегда постоянный ток: напряжение одной полярности, которое не меняет знак со временем, в отличие от переменного тока в бытовой розетке, где направление движения зарядов меняется десятки раз в секунду. Бытовые приборы и промышленная сеть рассчитаны на переменный ток, поэтому постоянный ток с панели напрямую в розетку не подать - для этого и нужен отдельный прибор, который меняет саму природу сигнала, а не просто его напряжение.

Что такое КПД панели и почему он далёк от ста процентов

Коэффициентом полезного действия называют долю энергии солнечного света, которая долетела до панели и в итоге превратилась в электричество на выходе. У большинства современных кремниевых панелей для жилых домов эта доля составляет ориентировочно от пятнадцати до двадцати с небольшим процентов - остальная энергия света теряется на нескольких этапах и не доходит до полезного тока.

Часть света просто отражается от поверхности панели, даже не попав в кремний, поэтому производители наносят на пластины специальное просветляющее покрытие, которое снижает эти потери, но не убирает их целиком. Другая часть теряется потому, что кремний хорошо реагирует не на весь солнечный спектр: фотоны с недостаточной энергией пролетают сквозь пластину, не выбив ни одного электрона, а избыточная энергия фотонов с высокочастотным светом уходит в тепло, а не в электрический ток. Ещё часть уже освобождённых электронов не успевает добраться до контакта и рекомбинирует обратно с дыркой внутри материала, так и не дав вклада в общий ток. Именно борьба с этими тремя источниками потерь - отражением, несовпадением спектра и рекомбинацией - и определяет, какая технология панели окажется дороже, но эффективнее.

От чего зависит реальная выработка электричества

Паспортная мощность панели указывается для стандартных лабораторных условий, а в реальной эксплуатации выработка почти всегда ниже и сильно зависит от конкретной обстановки. Угол наклона и ориентация панели относительно солнца - первый и самый заметный фактор: панель работает лучше всего, когда солнечные лучи падают на неё близко к прямому углу, а не скользят по касательной, поэтому неподвижные панели устанавливают с расчётным наклоном под широту местности, а более дорогие системы с механическим слежением за солнцем разворачивают панель в течение дня.

Температура влияет не так очевидно, но заметно: вопреки бытовому ощущению, что солнечная батарея должна любить жару, кремниевые элементы при сильном нагреве теряют часть напряжения и работают чуть менее эффективно, чем в прохладную, но ясную погоду. Загрязнение поверхности - пыль, листва, птичий помёт, а в некоторых регионах снег - напрямую перекрывает часть света и снижает выработку до её очистки. Облачность режет мощность резче всего, потому что панель использует и прямой, и рассеянный свет, но рассеянного света всегда заметно меньше. Наконец, частичное затенение хотя бы одного элемента в цепочке - например, тенью от трубы или соседнего дерева - способно просадить выработку всей последовательной цепочки, а не только затенённого участка, поэтому при проектировании системы стараются заранее избегать любых постоянных источников тени.

Зачем нужен инвертор

Инвертор - обязательное звено между панелью и любым потребителем переменного тока. Его задача - взять постоянный ток с панели и с помощью быстрого электронного переключения преобразовать его в переменный, причём с той же частотой и формой волны, что и в общей сети, чтобы синхронизировать её с бытовыми приборами или с внешней электросетью. Без такой синхронизации избыточную энергию нельзя было бы ни использовать в доме напрямую, ни, тем более, отдать во внешнюю сеть.

Кроме самого преобразования, инвертор постоянно подстраивает рабочую точку панели так, чтобы снять с неё максимум доступной мощности при текущей освещённости - эта функция называется отслеживанием точки максимальной мощности. Дело в том, что оптимальное сочетание напряжения и тока для панели меняется в течение дня вместе с интенсивностью света, и без постоянной подстройки часть потенциальной выработки просто терялась бы впустую.

Устанавливают инвертор по-разному в зависимости от размера системы. В домашней установке чаще ставят один центральный инвертор на всю цепочку панелей сразу - это проще и дешевле, но если одна панель в цепочке затенена или загрязнена сильнее остальных, это тянет вниз показатели всей группы. Другой подход - маленький инвертор на каждой отдельной панели: тогда затенение одной панели не сказывается на соседних, но стоимость всей системы заметно выше из-за числа отдельных устройств.

Где хранится энергия - накопители

Солнце светит не круглые сутки и не с постоянной интенсивностью, а спрос на электричество в доме от этого расписания не зависит, поэтому во многих системах предусмотрен накопитель - как правило, литий-ионная аккумуляторная батарея, устроенная по тому же принципу, что и в статье как работает аккумулятор телефона, только рассчитанная на куда большую ёмкость. Между панелью и накопителем стоит контроллер заряда, который следит, чтобы батарея не перезаряжалась сверх безопасного уровня и не разряжалась до опасно низкого, продлевая тем самым срок её службы.

В системах без собственного накопителя роль буфера фактически играет внешняя электросеть: избыток дневной выработки отдаётся в сеть, а вечером и ночью дом потребляет обычное сетевое электричество. Учёт того, сколько энергии дом отдал в сеть, а сколько взял обратно, ведётся тем же прибором, что и обычное потребление - устройство и принцип его работы описаны в статье как работает счётчик электроэнергии.

Другие материалы для солнечных элементов

Кремний - не единственный материал, из которого можно сделать солнечный элемент, просто он самый распространённый и отработанный в производстве. Тонкоплёночные панели наносят светопоглощающий слой толщиной в считанные микроны на гибкую подложку - стекло, металл или пластик, используя вместо кристаллического кремния такие соединения, как теллурид кадмия или смесь меди, индия, галлия и селена. Материала на такую панель уходит в разы меньше, сама она легче и гибче, что удобно для криволинейных крыш или переносных зарядных панелей, но коэффициент полезного действия у тонкоплёночных элементов обычно ниже, чем у кристаллического кремния, поэтому при той же выработке электричества такая панель занимает больше площади.

Для задач, где важнее не цена за киловатт-час, а компактность и вес, - в первую очередь на спутниках и в другой космической технике - применяют многослойные, или каскадные, элементы. В них друг на друга последовательно наносят несколько разных полупроводниковых слоёв, каждый из которых настроен на свою часть солнечного спектра, поэтому в сумме такая структура улавливает заметно больше энергии падающего света, чем один слой кремния. Стоимость производства при этом настолько высока, что для обычной жилой крыши подобное решение экономически не оправдано, и там по-прежнему держится кристаллический кремний.

Как всё это работает вместе

Путь энергии от солнечного луча до розетки выглядит как цепочка последовательных превращений. Свет попадает на кремниевые элементы и создаёт постоянный ток на выходе панели. Контроллер или встроенная электроника подбирают рабочую точку панели так, чтобы снять максимум мощности при текущей освещённости. Дальше ток идёт либо сразу в инвертор, который превращает его в переменный для немедленного использования в доме или отдачи в сеть, либо через контроллер заряда в накопитель, если энергия нужна не прямо сейчас, а позже. Каждое звено этой цепочки добавляет свою небольшую долю потерь, поэтому реальная эффективность всей системы - от солнечного луча до лампочки в комнате - всегда ниже, чем эффективность одной только панели.

Почему панели со временем теряют мощность

Даже без поломок и внешних повреждений солнечные панели постепенно снижают выработку год за годом - этот процесс называется деградацией. Основная причина - медленные изменения в структуре самого кремния и в материалах, которые скрепляют и защищают элементы: под постоянным воздействием ультрафиолета, перепадов температуры и влажности связи между атомами понемногу нарушаются, растёт внутреннее сопротивление, а часть освобождённых электронов чаще рекомбинирует, не доходя до контакта. Производители обычно закладывают в гарантию постепенное снижение мощности на протяжении всего срока службы панели и обещают, что даже спустя пару десятилетий эксплуатации панель сохранит заметную долю первоначальной мощности - конкретные цифры гарантии стоит смотреть в документах на выбранную модель, поскольку они различаются у разных производителей и технологий.

Когда панель всё же вырабатывает свой срок настолько, что её выгоднее заменить, чем эксплуатировать дальше, возникает вопрос утилизации. Стекло, алюминиевая рама и большая часть кремния поддаются переработке и повторному использованию, но сам процесс разборки многослойной панели устроен сложнее, чем переработка обычного бытового стекла или металла, поэтому по мере того, как панели, установленные в период массового распространения технологии, будут одна за другой доходить до конца срока службы, спрос на отлаженные мощности по их переработке станет заметно выше, чем сейчас.