Сонячна батарея або фотоелемент з якого збирається фотоелектричний масив - це пристрій для прямого перетворення світлової або сонячної енергії в електроенергію, включені паралельно-послідовно. При цьому генерується постійний струм. Просторова орієнтація і нахил панелей також, як і падаючі на них тіні від навколишніх предметів, є важливими параметрами дизайну системи. Перетворення сонячного світла в електрику відбувається в фотоелементах, виготовлених з напівпровідникового матеріалу, наприклад, кремнію, які під впливом сонячного світла виробляють електричний струм. Поєднуючи фотоелементи в модулі або масиви, а ті, в свою чергу, один з одним, можна будувати великі фотоелектричні станції. ККД фотоелектричних установок в даний час складає близько 8-17%, проте окремі фотоелементи можуть досягати ефективності 20% і більше.
Сучасне виробництво фотоелементів практично повністю засноване на кремнії. Близько 80% всіх модулів виробляється з використанням полі- або монокристалічного кремнію, а решта 20% використовують аморфний кремній. Кристалічні фотоелементи - найбільш поширені, зазвичай вони мають синій колір з відблиском. Аморфні, або некристалічні - гладкі на вигляд і змінюють колір в залежності від кута зору. Монокристалічний кремній має найкращу ефективність (близько 14%), але він дорожче, ніж полікристалічний, ефективність якого в середньому становить 11%. Аморфний кремній широко застосовується в невеликих приладах, таких як годинник і калькулятори, але його ефективність і довгострокова стабільність значно нижче, тому він рідко застосовується в силових установках.
Сонячні елементи з монокристалічного кремнію мають найбільшу ККД перетворення сонячної енергії: 14-17%. Термін їх служби близько 20 років. Технологія виготовлення надчистого кремнію «сонячного» якості, що є базовим матеріалом для монокристалічних фотоелементів, добре освоєна і відпрацьована. Монокристал кремнію виростає з насіння, повільно витягає з кремнієвого розплаву. Отримані в результаті стрижні нарізаються на диски товщиною 0,2-0,4 мм. Потім диски піддаються ряду виробничих операцій, які перетворюють їх в монокристалічні фотоелементи. Основним недоліком монокристалічних фотоелементів є їх висока вартість, 50- 70% якої становить ціна самого кремнію. Зниження потужності при затіненні або сильну хмарність - це ще один істотний мінус цих фотоелементів.
Сонячні елементи з полікристалічного кремнію володіють меншою ефективністю в порівнянні з монокристаллическими (ККД становить 10-12%) і мають менший ресурс - до 10 років, але їх вартість менше за рахунок меншої витрати енергії при виготовленні. До того ж, потужність полікристалічних фотоелементів залежить від затінення в меншій мірі, ніж монокристалічних. Освіта полікристалічного кремнію відбувається при повільному охолодженні кремнієвого розплаву. Менша ефективність пояснюється наявністю всередині кристалу полікристалічного кремнію областей, відокремлених своєрідними зернистими межами, які перешкоджають більш високої продуктивності елементів.
Сонячні елементи з аморфного кремнію ще менш ефективні, ніж з кристалічного кремнію - ККД їх близько 8%. Правда вони менш довговічні. Низький рівень споживання енергії, простота виробництва і невисока його вартість, можливість виробництва великих за розмірами елементів робить модулі з аморфного кремнію затребуваними в найширших сферах людської діяльності. Аморфний кремній досить широко застосовується при виробництві годин і калькуляторів, однак його не можна застосовувати для установок з високою потужністю внаслідок меншої стабільності. Такі модулі ефективні навіть в умовах слабкої освітленості і хмарності і краще захищені від агресивного впливу зовнішніх факторів. Фотоелементи з аморфного кремнію набагато дешевше фотоелементів з кристалічного кремнію, оскільки шар кремнію в них становить всього 0,5-1,0 мкм. Сфера застосування їх набагато ширше, ніж кристалічних.
Контролер сонячного заряду перетворює надходить від сонячних панелей напруга в придатне для заряду і змісту акумуляторної батареї. Він захищає батарею від надмірної зарядки і глибокої розрядки. Якщо батарея повністю заряджена, регулятор знижує рівень струму, що виробляється сонячним модулем до величини, що компенсує саморазряд. І навпаки, регулятор перериває постачання енергії на споживають прилади, коли акумулятор розряджається до критичного рівня. Таким чином, раптове припинення енергопостачання може бути викликано не поломкою в системі, а результатом дії цього захисного механізму.
Так само вони обладнані різноманітними індикаторами-світлодіодами, а більш просунуті моделі - LCD-дисплеями, які відзначають стан роботи, режими і поломки системи. У деяких моделях відзначається рівень зарядки батареї, хоча його дуже важко визначити з точністю.
Акумуляторна батарея - це один або безліч паралельно-послідовно з'єднаних акумуляторних блоків (елементів) для створення однієї батареї з необхідною напругою і ємністю. Основна його функція - накопичення електричної енергії під час сонячного максимуму для її подальшого використання в нічний час і похмурі дні.
Як компонент домашньої сонячної енергетичної установки, акумулятор виконує три завдання:
- покриває пікове навантаження, яку не можуть покрити самі фотоелектричні модулі (резервний запас).
- дає енергію в нічний час (короткочасне зберігання).
- компенсує періоди поганої погоди або занадто високого енергоспоживання (середньострокове зберігання).
Найбільш доступні за ціною і наявні в усьому світі - автомобільні акумулятори. Однак вони призначені для передачі великого струму протягом короткого проміжку часу. Вони погано витримують тривалі цикли зарядки-розрядки, типові для сонячних систем, а так само мають досить високий саморозряд. Промисловість випускає різноманітні акумуляторні батареї для систем резервного живлення, в тому числі т.зв. сонячні акумулятори, які відповідають даним вимогам. Їх головна особливість - низька чутливість до роботи в циклічному режимі і низький саморозряд. Ефективність автомобільних батарей становить близько 75%, тоді як спеціалізовані акумулятори мають трохи кращі показники - 80 ... 85%. Так само з часом втрачається частина ємності акумулятора при кожному циклі заряд-розряд, поки не знижується настільки, що його доводиться замінювати. Спеціалізовані акумулятори для систем резервного живлення служать значно довше, ніж потужні автомобільні, термін служби яких становить всього 2-3 роки проти 8-10.
Фактори, що впливають на термін служби акумулятора:
- Значення зарядних і розрядних струмів
- Глибина розряду акумулятора
- Величина напружень стадій заряду і внесення температурної компенсації в ці напруги
- Температура зовнішнього середовища.
Акумуляторні батареї повинні бути одного виробника, однієї ємності, з однаковим терміном виготовлення і з однієї партії поставки.
інвертор перетворює постійний струм низької напруги в стандартний змінний (220 В, 50 Гц). Інвертори бувають від 250 Вт до понад 8000 Вт. Інвертори потужністю 3000 Вт і вище часто здатні працювати до декількох шт. в паралельному підключенні, збільшуючи загальну вихідну потужність до відповідної кількості раз. Так само їх можна об'єднувати для побудови 3-фазної мережі. Електрика, що виробляється сучасними синусоїдальними инверторами, відрізняється кращою якістю, ніж те, яке надходить до вас додому з місцевої енергосистеми. Існують також "модифіковані" синусоїдальні інвертори - вони не такі дорогі, але при цьому придатні для більшості домашніх завдань. Вони можуть створювати невеликі перешкоди, "шум" в електронному обладнанні і телефонах. Інвертор також може служити "буфером" між будинком і комунальної енергосистемою, дозволяючи продавати надлишок електроенергії в загальну електромережу.
Дуже важливим фактором економічного аналізу є термін експлуатації фотоелектричної системи:
- Термін служби фотоелектричних панелей без помітного зниження ККД оцінюється в 20-25 років.
- Каркаси і кріплення з алюмінію і нержавіючої сталі (використовуються в більшості фотоелектричних систем) - термін служби не нижче фотоелектричних модулів.
- Акумулятор. Залежно від характеру циклу заряд / розряд, або буферний режим роботи (розряд не більше, ніж на 30%), середній термін служби складає від 4 до 10-12 років.
- Контролери заряду акумуляторів розраховані щонайменше на 10 - 15 років безремонтної експлуатації.
- Інвертори зазвичай служать не менше 10 - 15 років. Багато виробників дають гарантійний термін експлуатації 5 років
І найголовніше: вартість 1 Вт. потужності системи приблизно становить від $ 3 до 4, в залежності від використовуваних комплектуючих - фотоелектричних модулів, акумуляторних батарей, інверторів.
