Солнечные панели: устройство, виды и эффективность

Правильно выбрать гелиосистему - значит извлечь максимум пользы из энергии Солнца. Бюджетные и премиум-класса, для горячего водоснабжения и отопления, плоские и вакуумные трубчатые - сегодня ассортимент солнечных панелей способен удовлетворить даже самых взыскательных потребителей

Плоские солнечные коллекторы
Большинство представленных на рынке плоских солнечных панелей основаны на принципе фотовольтаики. Свет, попадая на двухслойное полупроводниковое устройство, создает фотонапряжение, или разность потенциалов между слоями. Таким образом, возникает электрический ток, который течет по внешней цепи и может быть направлен в сеть.

Виды плоских панелей
Монокристаллические пластины. Для таких панелей берут только кремний крайне высокой степени чистоты, с практически идеальной кристаллической структурой - от этого напрямую зависит эффективность панели. Получают его, когда кремниевый монокристалл растет на стержне, который медленно вытягивается из кремниевого расплава. Стержни, полученные таким путем, режут на пластины толщиной от 0,2 до 0,5 мм. Затем эти пластины подвергают ряду производственных операций, таких как обтачивание, шлифовка и очистка; нанесение защитных покрытий; металлизация; антирефлексионное покрытие. КПД солнечной панели на основе монокристаллического кремния составляет 14-17 %. Однако сложная технология производства значительно удорожает цену.

Поликристаллические пластины. При их производстве операция вытягивания опускается, благодаря чему технология становится менее энергоемкой и значительно более дешевой. Однако и эффективность таких солнечных панелей ниже, чем монокристаллических, так как процесс отливки не позволяет добиться четкой кристаллической структуры. КПД солнечной панели на основе поликристаллического кремния - 10-12%.

Тонкопленочные пластины из аморфного кремния являются одной из новейших технологий в производстве плоских солнечных панелей. Аморфный кремний получают при помощи техники испарительной фазы, когда тонкая пленка кремния под действием химически активного газа, например, кремневодорода, осаждается на несущий материал (стекло), а сверху наносится защитное покрытие. Такой кремний называется аморфным, так как он имеет некристаллическую структуру, подобную структуре обычного стекла - оконного или бутылочного. Тонкопленочнью пластины также производят из медного селенида индия или сульфида кадмия, теллурида кадмия, арсенида галлия. Процесс производства по такой технологии - простой и недорогой, благодаря использованию тонкого слоя кремния, который наносится на недорогую основу; к тому же, таким способом удобно производить панели большой площади. Однако эффективность преобразования энергии у таких панелей ниже, а кроме того, элементы подвержены деградации.

Производительность
Важное условие для продуктивной работы плоских коллекторов - ориентация на юг. Производительность солнечной панели прямо пропорциональна интенсивности солнечного излучения. Так, если на панель попадает в два раза меньше максимально возможного количества света, ее производительность, соответственно, также падает вдвое. Типичная монокристаллическая кремниевая панель площадью 100 см2 производит примерно 1,5 Вт электроэнергии напряжением 0,5 В постоянного тока (сила тока -3 А) в солнечный полдень.

Важно подчеркнуть, что вольтаж (электрическое напряжение) солнечной панели не зависит от ее размера и остается практически постоянным при любой интенсивности солнечного излучения. Однако выработка тока прямо пропорциональна интенсивности света и площади панели. Таким образом, чтобы сравнить две различные по размерам панели, необходимо знать плотность электрического тока (А/1 см2). Производительность (КПД) солнечной панели можно повысить, если вмонтировать в систему механизм, который отслеживает положение солнца и разворачивает панель перпендикулярно его лучам. Помогают также зеркала и линзы, усиливающие солнечный свет. Однако распространению таких устройств мешают сложность установки и эксплуатации (время от времени панели потребуется охлаждать), а также достаточно высокая стоимость. В любом случае, плоские солнечные коллекторы стоят дешевле, чем вакуумные трубчатью коллекторы, обладающие более высокой эффективностью.

Трубчатые вакуумные коллекторы
Конструкция коллекторов с вакуумными трубами состоит из параллельных рядов прозрачных трубчатых профилей. Внутренняя труба покрыта специальным селективным слоем, который хорошо абсорбирует солнечную энергию и препятствует потерям тепла. Такие трубы функционируют и в пасмурную погоду, и при отрицательной температуре, они преобразуют прямые и рассеянные солнечные лучи в тепло. Инфракрасное излучение, которое проходит сквозь облака, также поглощается и преобразуется в тепло. Вакуумные коллекторы бывают двух видов: прямоточные (с непосредственной циркуляцией теплоносителя) и с тепловой трубкой (термотрубкой). Коллектор достигает веса - 30-40 кг/м2 Поэтому, прежде чем монтировать его на крыше, убедитесь, что она выдержит такую нагрузку.

Прямоточный вакуумный коллектор состоит из нескольких труб, в каждой из которых закачан абсорбционный слой и соприкасающаяся с ним внутренняя трубка. По ней течет охлажденный в теплообменнике теплоноситель, который забирает тепло из абсорбера. На выходе из внешней трубы внутренняя трубка подсоединяется к общему трубопроводу. Здесь теплоноситель из трубок попадает в общий поток и таким образом переносит тепло из коллектора в накопитель, отдает его и возвращается в трубки коллектора. Вакуум в наружной трубе необходим для уменьшения тепловых потерь. Именно поэтому вакуумные коллекторы эффективнее плоских.

Вакуумные коллекторы со встроенными тепловыми трубками применяются для всесезонных систем. Их конструкция похожа на конструкцию термоса: одна стеклянная/металлическая трубка вставлена в другую большего диаметра. Между ними - вакуум. Благодаря ему потери на излучение, особенно заметные при повышенных температурах нагреваемой воды, очень низкие. В каждую вакуумированную трубку встроена медная пластина поглотителя с гелиотитановым покрытием, гарантирующим высокий уровень поглощения солнечной энергии и малую эмиссию теплового излучения. Под поглотителем установлена тепловая труба, заполненная испаряющейся жидкостью. С помощью гибкого соединительного элемента тепловая труба подсоединена к конденсатору, находящемуся в теплообменнике типа «труба в трубе». Соединение относится к так называемому «сухому» типу, что позволяет поворачивать или заменять трубки и при заполненной установке, находящейся под давлением. Наиболее важное преимущество вакуумного коллектора с тепловой трубкой заключается в том, что он способен работать при температурах до -30 (коллекторы со стеклянными тепловыми трубками) или даже до -45 °С (коллекторы с металлическими тепловыми трубками). Коэффициент поглощения энергии таких коллекторов составляет 98%.