Как работают солнечные панели: от света до розетки

Солнечная панель превращает свет в электричество без движущихся частей, без шума и без топлива. Звучит просто, но между фотоном, который ударяет в стекло, и лампочкой, которая загорается, лежат пять шагов и минимум шесть узлов. От каждого из них зависит, сколько энергии дойдёт до дома.

Ниже — разбор механизма по шагам. В отличие от общих текстов, здесь стоят числа именно по Молдове: сколько даёт киловатт установленной мощности в Кишинёве, Бельцах и Кагуле, сколько теряется, если скат смотрит не на юг, и почему зимой выработка падает почти вчетверо.

Коротко: путь энергии в пяти шагах

1. Панели ловят свет. Кремниевые ячейки дают постоянный ток (DC), пока на них падает свет, — в том числе в пасмурный день, только меньше.
2. Инвертор преобразует ток. Постоянный становится переменным (AC) на 230 или 400 В и синхронизируется с сетью.
3. Сначала — собственное потребление. Холодильник, насос, кондиционер берут энергию прямо от солнца в момент выработки.
4. Излишек уходит дальше. То, что не потрачено на месте, идёт в сеть через двунаправленный счётчик либо заряжает аккумулятор, если он есть.
5. Нехватка покрывается извне. Ночью и в непогоду дом берёт энергию из сети или из аккумулятора.

Дальше — подробности каждого шага.

Фотоэлектрический эффект: почему кремний даёт ток

Панель не «накапливает тепло» и не имеет отношения к солнечным коллекторам, которые греют воду. Она работает на фотоэлектрическом эффекте: свет высвобождает электрические заряды в полупроводнике.

Фотоэлектрическая ячейка — тонкая пластина кремния из двух слоёв с разными свойствами:

• слой n-типа — с избытком электронов;
• слой p-типа — с недостатком электронов, то есть с «дырками»;
• p-n-переход — граница между ними, где возникает постоянное электрическое поле.

Когда фотон попадает в ячейку, он отдаёт энергию электрону и выбивает его из связи. Поле на переходе не даёт электронам разбегаться хаотично — оно толкает их в одну сторону. Упорядоченное движение электронов и есть электрический ток. Пока падает свет, ток идёт; стемнело — ток мгновенно прекращается. Панели нечего «расходовать», и в ней нет деталей, которые изнашиваются от движения.

В одной панели десятки таких ячеек, соединённых последовательно, и их напряжения складываются. Поэтому на выходе панели не доли вольта, а десятки вольт.

Ячейки p-типа и n-типа: что действительно важно

На рынке есть панели с ячейками p-типа и n-типа. У n-типа обычно выше КПД и медленнее деградация. Но тип ячейки — один критерий из пяти, и на практике остальные четыре весят больше: реальная гарантия производителя, условия монтажа, поведение при частичной тени и соотношение цены и выработки за срок службы.

Инвертор: узел, от которого зависит больше, чем от панелей

Панели дают постоянный ток. Сеть и приборы в доме работают на переменном. Инвертор делает это преобразование — и ещё три вещи, которые заметны только тому, кто смотрит на цифры:

• держит точку максимальной мощности (MPPT). Оптимальное напряжение цепочки панелей меняется вместе со светом и температурой по нескольку раз в минуту, и инвертор непрерывно его ищет. Несколько входов MPPT позволяют ставить панели на скаты с разной ориентацией, не давая слабейшему тянуть вниз всю цепочку;
• синхронизирует фазу с сетью и автоматически отключается при пропадании напряжения, чтобы не подать ток на линию, где работает электрик;
• считает выработку — отсюда берутся цифры в приложении мониторинга.

Сетевой или гибридный: решение, которое потом не переиграть

Это самая дорогая ошибка на этапе проекта.

Сетевой (on-grid) инвертор работает только с сетью. Он дешевле и проще. Аккумулятор к нему физически подключить нельзя — ни сейчас, ни через три года.

Гибридный инвертор умеет и с аккумулятором, и с сетью. Дороже на старте, но оставляет дверь открытой.

Что это значит на практике: если при аварии в сети вы хотите, чтобы свет остался, а система собрана на сетевом инверторе, единственный выход — снять аппарат и купить другой. Модернизации не существует. Поэтому даже при ограниченном бюджете мы проектируем сразу на гибридном инверторе, а аккумуляторы оставляем на потом: за одну и ту же работу платят один раз.

Из чего состоит станция

Сколько даёт киловатт в Молдове: цифры, а не обещания

Здесь большинство текстов в интернете останавливается на слове «зависит». Зависит не от чего угодно — это считается.

Данные ниже — из PVGIS, открытого инструмента Объединённого исследовательского центра Еврокомиссии, для 1 кВт установленной мощности, кристаллические панели, наклон 35°, ориентация на юг, системные потери 14 % (значение по умолчанию, включающее кабели, инвертор, загрязнение и температуру).

То есть станция на 10 кВт в Кишинёве в этих условиях даёт около 11 700 кВт·ч в год. Цифру можно проверить: тот же порядок подтверждает второй, независимый источник — NASA POWER даёт для Кишинёва 1 307 кВт·ч/м² в год на горизонтальную площадку против 1 336 у PVGIS, расхождение 2,2 %.

Почему зимой выработка почти вчетверо меньше

Помесячная выработка в Кишинёве, всё для тех же 1 кВт:

Между июлем и декабрём разница в 3,7 раза. Причины — короткий день, низкое солнце и облачность. Поэтому правильно рассчитанная станция проектируется не по июльскому потреблению, а по годовому, а сезон выравнивается механизмом компенсации с сетью.

Кто обещает «полную независимость в декабре» без аккумулятора и без сети, продаёт не физику.

Сколько теряется, если крыша смотрит не на юг

Те же условия, Кишинёв, меняются только ориентация и наклон:

Практический вывод: юго-восточный или юго-западный скат теряет всего 5–6 % — это не повод отказываться. Восток и запад стоят пятой части выработки, но остаются пригодными, особенно если потребление приходится на утро или вечер. Север берут в расчёт, только когда другой поверхности нет.

Что ограничивает мощность в Молдове

Физика везде одинакова, сеть — нет. Здесь два ограничения, о которых обычно узнают слишком поздно.

На одной фазе — не больше 8 кВт

Если ввод в дом однофазный (220 В), оператор ограничивает мощность инвертора 8 кВт. Запросы на расчёт станции 10 или 15 кВт при одной фазе приходят часто и упираются именно в этот предел.

Переход на три фазы (380 В) запрашивается отдельным разрешением и требует замены вводного кабеля и переделки распределительного щита. Это отдельный проект, и авиз на подключение к итоговой мощности запрашивают только после его выполнения.

Технически правильное решение для инвертора на 8 кВт — загрузить его панелями на 10–15 кВт: тогда инвертор дольше работает на своём максимуме.

Перекос фаз в старых домах

Идеальной трёхфазной сети внутри старого дома практически не бывает. На деле в кухню заведена одна линия, на которой висят плита, духовка, вытяжка и розетки рабочей поверхности, а остальные фазы несут только освещение.

Когда на загруженной фазе одновременно включается несколько мощных приборов — или ставится на зарядку электромобиль — напряжение на ней проседает до 180 В, а на свободных фазах компенсаторно поднимается до 230–250 В. Инвертор видит ошибку и уходит в защиту, обесточивая весь дом. Обычные стабилизаторы здесь не помогают: они не устраняют причину.

Поэтому до подачи документов мы проводим предварительный энергетический аудит объекта. Если находим перекос, требуем перераспределить нагрузку по фазам — и только после этого станция работает без отключений.

Куда уходит излишек

Днём правильно рассчитанная станция вырабатывает больше, чем дом потребляет в этот момент. У излишка два пути:

• сеть — через двунаправленный счётчик, в рамках механизма компенсации. Сеть становится «виртуальным резервуаром»: летом отдаём, зимой берём. Это схема on-grid, самая дешёвая и быстрее всех окупающаяся;
• аккумулятор — если система гибридная. Дороже, но даёт энергию вечером и при авариях в сети.

Выбор между ними — не вопрос вкуса, а вопрос профиля потребления и бюджета. И, как сказано выше, делается он один раз, на этапе проекта.

Как это выглядит на наших объектах

Всё описанное видно на реальных станциях, смонтированных и введённых в эксплуатацию:

• Станция 3 кВт в Пырлице
• Станция 6 кВт в Кишинёве, ул. Мунчешть
• 8 кВт для магазина в Бессарабке
• Станция 15 кВт в Дурлештах
• 30 кВт для EVK International
• 50 кВт для Amialex-AN

Частые вопросы

Панели работают зимой и в пасмурную погоду?

Да, но дают меньше. В Кишинёве киловатт установленной мощности даёт 144 кВт·ч в июле и 39 кВт·ч в декабре — разница в 3,7 раза. В пасмурную погоду выработка падает, но не прекращается: ячейка работает на рассеянном свете.

Можно поставить станцию на 15 кВт, если у меня одна фаза?

Нет. При однофазном вводе оператор ограничивает инвертор 8 кВт. Для большей мощности нужен переход на три фазы: он запрашивается отдельным разрешением и требует замены вводного кабеля и переделки щита.

Можно добавить аккумуляторы через несколько лет?

Только если инвертор с самого начала гибридный. К сетевому инвертору аккумулятор физически не подключается, и модернизации не существует — аппарат меняют целиком.

У меня крыша на восток. Есть смысл?

Есть. В Кишинёве восточный скат даёт 80 % от того, что дала бы та же мощность на юг. Юго-восток и юго-запад теряют всего 5–6 %.

Нужно ли счищать снег с панелей?

Панели стоят под наклоном, и в большинстве случаев снег сходит сам. Счищать его жёстким инструментом рискованно — можно поцарапать стекло. Выработка декабря и января в любом случае самая маленькая за год и окупаемость не определяет.

Нужно ли обслуживать панели?

Правильно спроектированной станции нужны периодические проверки и сезонная чистка. Движущихся частей у неё нет, значит нет и расходников, как у генератора.

Зачем аудит до проекта?

Чтобы не поставить оборудование на внутреннюю сеть, которая его не выдержит. Перекос фаз в старом доме приводит к уходу инвертора в защиту, и стабилизаторами это не лечится.

Хотите узнать, какая мощность подойдёт вашему дому или бизнесу? Разбираем потребление за последние 12 месяцев, проверяем крышу и тип ввода и предлагаем реальную конфигурацию с помесячным прогнозом выработки. Запросить расчёт.