01
Електрика із сонячного світла без жодної рухомої деталі
Перед вами плаский дах будинку ясного весняного дня. Три сонячні панелі стоять у ряд на похилій рамі й дивляться на південь. Сонце сходить на сході, до полудня піднімається і заходить на заході. Показники стежать за світлом на панелях і за потужністю, яку вони дають: до сходу сонця нуль, пік близько полудня, після заходу знову нуль. За такий ясний день одна панель виробляє приблизно від 2,3 до 2,7 кВт·год. А в середньому за березневий день на цій широті, з урахуванням справжньої погоди, виходить приблизно від 1,8 до 2,1 кВт·год.
Саме панель із західного краю ряду ми й розбиратимемо в цих розділах. Це типова дахова панель початку 2020-х, JinkoSolar Tiger Neo на 420 Вт. Її розміри 1722 × 1134 мм, а вага 22 кг. Під склом завтовшки 3,2 мм лежать 108 половинок елементів із кремнію, у сітці 6 у ширину і 18 у висоту. Панель не має рухомих деталей і нічого не накопичує. Вона дає електрику, лише поки на неї падає світло. Новіші панелі мають більші елементи і скло з обох боків, але працюють так само.
На панелі написано 420 Вт. Це її номінальна потужність, виміряна в тестових умовах: 1000 Вт/м² світла, а елементи тримають за температури 25 °C. У такому тесті панель перетворює на електрику 21,5 відсотка світла. На справжньому даху умови гірші. Тут, на 40° північної широти, ясного весняного полудня на панель падає близько 970 Вт/м², а елементи нагріваються значно вище за 25 °C. Тож вона дає близько 380 Вт, тобто 90 відсотків від заявленого. Тепло забирає потужність, і про це розповідає останній розділ.
Панель виконує три завдання. Вона ловить світло. Цим світлом вона звільняє електрони у своєму кремнії. А тоді збирає ці електрони в струм. Коробка на стіні, інвертор, перетворює цей струм на такий, яким живиться дім. Кожен розділ нижче розглядає один крок. Потягніть шкалу часу, щоб посунути сонце, і змініть швидкість відтворення, щоб день минав швидше чи повільніше. Потягніть модель, щоб повернути її. Увімкніть шлях сонця, збільшений елемент, рух струму або підписи, щоб побачити більше.
02
Обличчям до полуденного сонця
Модель показує рівнодення, день у березні чи вересні, коли день і ніч тривають майже однаково. На 40° північної широти, приблизно там, де лежать Мадрид, Філадельфія чи Пекін, сонце сходить точно на сході о 06:00 за сонячним часом і заходить точно на заході о 18:00. Сонячний час іде за самим сонцем, тож полудень настає тоді, коли воно стоїть найвище. Сьогодні це 50° над південним обрієм. Панелі повернуті на південь і відхилені назад, назустріч полуденному сонцю.
Світло, що падає на поверхню навскіс, розтікається по більшій площі, тож кожен квадратний метр отримує менше. Посвітіть ліхтариком прямо на стіну, а тоді нахиліть його: пляма стане більшою і тьмянішою. Це закон косинуса, і саме тому кут між сонцем і панеллю такий важливий. Опівдні сонячне світло падає на цю панель майже прямо. Уранці й увечері воно падає зовсім навскіс і розтікається тонким шаром.
Важить і повітря. Опівдні сонячне світло долає товщу повітря, у 1,3 раза більшу, ніж тоді, коли сонце стоїть просто над головою. Це число називають атмосферною масою. Біля сходу й заходу сонця світло долає набагато довший шлях крізь повітря. Повітря розсіює більшу частину синього світла, тож низьке сонце здається помаранчевим і червоним, а енергії доходить значно менше. Опівдні на цю панель падає близько 970 Вт/м². Якби вона лежала пласко на даху чи стояла вертикально, як стіна, то отримувала б менше.
У день рівнодення найкращий нахил дорівнює широті, 40°, а нахил цієї панелі, 35°, дає майже стільки ж. Дахові панелі не повертаються за сонцем: на будинку двигуни рідко виправдовують свою ціну й вагу. Частина світла приходить з усього неба, а не лише від сонячного диска. Це розсіяне світло, і завдяки йому хмари лише зменшують вироблення, а не зупиняють його. Модель показує ідеально ясне небо, без хмар, і предмети в ній не відкидають тіней. Змініть нахил або перейдіть до одного з трьох моментів дня.
03
Сендвіч, у якому найбільше скла
Розберіть панель, і побачите сендвіч, складений шар за шаром від лицьового боку. Зверху лежить 3,2 мм загартованого скла з низьким вмістом заліза. Виробники панелей обирають його, бо воно дешеве, міцне, стійке й дуже прозоре. Завдяки гартуванню воно витримує вагу снігу. Скло має власне антивідбивне покриття, тож від його поверхні відбивається менше світла і більше доходить до елементів. Тут і в збільшеному елементі тонкі шари намальовано набагато товщими, ніж насправді.
Під склом лежить прозора липка плівка, енкапсулянт. Зазвичай це пластик під назвою EVA. На заводі весь стос шарів нагрівають, і плівка скріплює їх в один герметичний блок, без повітря й води всередині. Далі йдуть елементи: кремнієві пластини завтовшки близько сьомої частки міліметра. По них тягнуться тонкі дроти, що відводять струм. У цій панелі багато тонких круглих дротів замість кількох пласких смужок. Під елементами лежить друга плівка енкапсулянту.
Ззаду панель закриває тильна плівка з міцного пластику. Вона не пускає вологу та ізолює дроти. Анодована алюмінієва рама охоплює краї, робить панель жорсткішою і дає монтажним затискачам за що вхопитися. На тильному боці закріплено розподільну коробку, де дроти виходять до кабелів. У ній також три шунтувальні діоди, про які розповідає розділ про з’єднання. За вагою панель приблизно на три чверті складається зі скла. Кремній, який виконує всю роботу, становить лише малу її частку.
Елементи здаються майже чорними. Голий кремній блищить і відбиває багато світла. Тому на поверхні кожного елемента витравлюють крихітні пірамідки і вкривають її тонким шаром нітриду кремнію. Товщину цього шару підбирають так, щоб він відбивав дуже мало, і саме вона визначає колір, який ви бачите. Чорний не означає кращий: повністю чорна версія цієї панелі має трохи меншу номінальну потужність. Розсуньте шари, а тоді виберіть один, щоб дізнатися, з чого він зроблений і що робить.
04
Один фотон, один електрон
Світло складається з крихітних порцій енергії, які називають фотонами. Коли кремній поглинає фотон, той може вибити електрон зі зв’язку, який його тримав. Тепер електрон вільно блукає кристалом. Після нього лишається порожнє місце, дірка, і вона теж блукає, як бульбашка у воді. Один фотон звільняє щонайбільше один електрон. На яскравому сонці одна половинка елемента звільняє близько 4 × 10¹⁹ електронів щосекунди. Збільшений елемент над панеллю показує зріз одного елемента за роботою.
Щоб звільнити електрон, фотонові потрібно щонайменше 1,12 еВ. Це ширина забороненої зони кремнію. Що синіше світло, то більше енергії несе кожен фотон: 3,1 еВ на 400 нм, 2,1 еВ на 600 нм, 1,24 еВ на 1000 нм. Приблизно від 1100 нм і далі фотони надто слабкі й проходять наскрізь. Це близько 19 відсотків енергії сонячного світла і третина його фотонів. Синіші фотони приносять більше, ніж треба, а надлишок іде в тепло. Так втрачається ще близько 30 відсотків сонячного світла. Ці дві втрати і є головною причиною, чому елемент з одного матеріалу не може перевищити приблизно 33 відсотки.
Кожен колір поглинається на своїй глибині. Синє світло з довжиною хвилі 400 нм поглинається вже в перших 0,1 мкм. Червоне на 680 нм проникає приблизно на 4,5 мкм. Інфрачервоне на 1000 нм іде на 156 мкм, глибше, ніж уся пластина завтовшки 140 мкм. Тому елемент покладається на уловлювання світла: пірамідки спрямовують світло всередину навскіс, а тильний бік елемента відбиває його для другого проходу. Межа для кремнію становить 29,4 відсотка, а найкращий кремнієвий елемент досяг 28,1 відсотка. Типова нова панель досягає приблизно від 22 до 23 відсотків.
Звільнені електрони й дірки треба розсортувати, поки вони не зустрілися знову. Елемент побудовано так, що один шар випускає електрони, але не пропускає дірок, а інший робить навпаки. Ці шари працюють як односторонні двері, тож електрони скупчуються з одного боку, а дірки з другого. Ця нерівновага і є напругою, близько 0,7 В на елемент. У цьому елементі n-типу електрони виходять через тильний бік, а дірки через срібні доріжки на лицьовому боці. На зрізі видно одну доріжку, а шини немає. Пересувайте повзунок від кольору до кольору і дивіться, де зупиняється кожен.
05
Найслабший елемент задає темп
Один елемент дає лише близько 0,7 В, а цього замало, щоб щось живити. Тому елементи з’єднують послідовно, як ланки ланцюга, і їхні напруги додаються. У цій панелі 54 позиції, з’єднані одна за одною, і разом вони дають 38,1 В без навантаження та 31,5 В у найкращій робочій точці. Через кожну позицію тече той самий струм, близько 13,3 А на повній потужності в тестових умовах. Самі електрони лише повільно дрейфують, зі швидкістю близько міліметра за секунду або й менше. Швидко рухається енергія.
Ланцюг міцний настільки, наскільки міцна його найслабша ланка. Якщо один елемент затінений, він дає менше струму і гальмує всі інші. Освітлені елементи можуть навіть проштовхувати струм крізь нього у зворотний бік, і тоді їхня потужність перетворюється на тепло в цьому одному елементі: виникає гаряча точка. Тому в розподільній коробці є три шунтувальні діоди, і кожен стереже третину панелі. На яскравому сонці вони вимкнені. Коли тінь надто сильно гальмує одну з цих третин, її діод вмикається. Струм тече в обхід цієї третини й втрачає близько 0,4 В. Тоді один повністю затінений елемент забирає приблизно третину потужності, а не всю.
У цій панелі використано розрізані навпіл елементи. Верхню й нижню половини панелі з’єднано паралельно, тож її 108 половинок усе одно утворюють 54 послідовні позиції. Напруга лишається тією самою, а кожна половинка елемента несе половину струму, тому дроти марнують менше потужності на тепло. Найбільший виграш з’являється тоді, коли тінь накриває весь нижній край. Кожна третина панелі має верхній і нижній ланцюжок, і верхні далі працюють, даючи приблизно половину потужності. Старіша панель на 60 елементів, намальована тут у тому самому розмірі, не зберігає майже нічого: усі три її третини заходять у тінь.
Графік показує, як струм панелі залежить від її напруги. Коли нічого не під’єднано, напруга найбільша, а струм не тече. З’єднайте два дроти між собою, і струм стане найбільшим, а напруга впаде до нуля. Потужність дорівнює їхньому добутку, і вона досягає піку на згині кривої, у точці максимальної потужності. Через тінь на кривій з’являються сходинки й додаткові піки. У справжній панелі дроти йдуть позаду елементів, а тут кожен ланцюжок намальовано кольоровою лінією спереду. Тінь насувається навскіс, тож спершу темніє один кут. Виберіть схему, дайте тіні підповзти вгору і стежте, як третини вимикаються одна за одною.
06
Від даху до розетки
Панель дає постійний струм, який тече лише в один бік. Будинок живиться змінним струмом, який багато разів на секунду змінює напрямок. Коробка на стіні, інвертор, перетворює один на інший. Він не виробляє енергію і не зберігає її. Він передає далі близько 96 відсотків того, що отримує, а решта перетворюється на трохи тепла. Бурштинові точки показують, куди йде енергія: постійний струм від панелі до інвертора, а далі змінний струм до лічильника і в будинок.
Інвертор також тримає панель у найкращому режимі. Точка максимальної потужності рухається весь день: напруга змінюється з температурою елементів, а струм зі світлом. Тож інвертор намацує її, і цей прийом називають відстеженням точки максимальної потужності. Він трохи зсуває напругу й перевіряє потужність. Якщо потужність зросла, зсуває ще раз у той самий бік. Якщо впала, повертає назад. Так людина в тумані навпомацки знаходить вершину пагорба й тримається біля неї.
Тепло панелі шкодить. На кожен градус понад 25 °C ця панель втрачає 0,29 відсотка потужності. Це число називають температурним коефіцієнтом. Старіші панелі PERC втрачають 0,35 відсотка. Сонячного дня температура елементів сягає приблизно від 45 до 65 °C. Це головна причина, чому ясного весняного полудня панель дає близько 380 Вт, а не 420. На гарячому літньому даху втрати ще більші. Тож холодний ясний день кращий за спекотний: панелі працюють від світла, а не від тепла. Повітря в моделі нагрівається й остигає, як у м’який весняний день.
Енергії одного ясного весняного дня вистачило б, щоб холодильник працював близько двох днів, або щоб зарядити ноутбук приблизно 50 разів. За рік на цій широті панель виробляє приблизно від 600 до 700 кВт·год. Кожен кіловат панелей дає за рік близько 1000 кВт·год у Лондоні чи Берліні і 1800 у Фініксі. Гарантія обіцяє 87,4 відсотка потужності через 30 років. Панель повертає енергію, витрачену на її виготовлення, приблизно за рік. За весь термін служби на кожну кВт·год припадає близько 40 г CO₂. У 2025 році сонячна енергетика дала близько 8,7 відсотка всієї електроенергії світу. Змініть температуру або дайте їй змінюватися разом із днем.