Сонячні панелі: монокристалічні або полікристалічні

Сонячні панелі: монокристалічні або полікристалічні

Монокристалічні сонячні панелі виготовляються з високоочищеного кремнію, який формується у вигляді єдиного кристала. Їх легко впізнати за однорідним темно-синім або чорним кольором і характерними заокругленими кутами комірок. КПД таких панелей сягає 20-22%, що робить їх найефективнішими серед кремнієвих технологій.

Полікристалічні панелі створюють з кремнію, який містить безліч кристалів різної орієнтації. Візуально їх можна розпізнати за неоднорідною поверхнею з видимими межами кристалів та блакитним відтінком. Їхній ККД становить 15-18%, що нижче за монокристалічні аналоги, але достатньо для більшості побутових та комерційних застосувань.

Питання вибору між цими двома типами панелей виникає через різницю в характеристиках, вартості та умовах експлуатації. При обмеженій площі даху монокристалічні панелі дають змогу отримати більше енергії з кожного квадратного метра. Якщо площа не є критичним фактором, полікристалічні панелі пропонують кращий баланс між ціною та продуктивністю.

Технологія виробництва та матеріали

Виробництво монокристалічного кремнію починається з кварцового піску певних порід. Сировину плавлять при температурі понад 1400°C та проводять через низку хімічних процесів очищення. Результатом стає кремній чистотою не менше 99,9%. Далі використовують метод Чохральського – виращують циліндричні злитки шляхом занурення затравкового кристала в розплавлений кремній з поступовим обертанням. Процес росту одного злитка може тривати 2-3 доби.

Отримані циліндричні злитки нарізають на тонкі пластини товщиною 180-200 мікрон за допомогою алмазних пилок. Через циліндричну форму злитка комірки мають заокруглені кути – це характерна особливість монокристалічних панелей. З одного злитка діаметром 200 мм можна отримати близько 300-400 пластин.

Виробництво полікристалічного кремнію відрізняється технологією кристалізації. Очищений кремній розплавляють та повільно охолоджують у квадратних формах. При цьому утворюються множинні кристали різної орієнтації. Цей процес простіший і швидший за вирощування монокристалів – формування одного блоку займає 12-24 години. Отримані квадратні блоки нарізають на пластини без втрат матеріалу на заокруглення.

Різниця в чистоті матеріалу безпосередньо впливає на ефективність. Монокристалічний кремній має однорідну кристалічну структуру, що дозволяє електронам рухатися вільніше. У полікристалічному кремнії межі між кристалами створюють опір руху електронів, що знижує загальну ефективність на 3-5%. Водночас використання вторинної сировини та спрощена технологія роблять полікристалічні панелі на 10-15% дешевшими у виробництві.

Ефективність та продуктивність

• КПД монокристалічних панелей становить 20-22% для стандартних моделей та може досягати 24-26% у преміальних версіях з технологією PERC. Це означає, що з кожних 1000 Вт сонячного випромінювання панель перетворює на електроенергію 200-220 Вт. Панель потужністю 400 Вт займає площу приблизно 1,9-2,0 м², що дає питому потужність близько 200-210 Вт/м².
• КПД полікристалічних панелей дещо нижчий – 15-18% для стандартних моделей. Панель такої ж потужності 400 Вт займатиме площу 2,3-2,5 м², що відповідає питомій потужності 160-175 Вт/м². Різниця може здатися невеликою, але вона стає критичною при обмеженій площі даху.
• Порівняння в реальних умовах показує ще більші відмінності. При температурі +25°C обидва типи панелей працюють згідно з паспортними характеристиками. Однак влітку, коли температура панелей досягає +65-70°C, продуктивність знижується. Монокристалічні панелі втрачають близько 0,35-0,4% потужності на кожен градус перевищення +25°C. Полікристалічні мають трохи гірший температурний коефіцієнт – 0,4-0,45% на градус.
• Площа, необхідна для однакової потужності, відрізняється суттєво. Для системи потужністю 10 кВт знадобиться 25 монокристалічних панелей по 400 Вт загальною площею близько 50 м². Та сама потужність на полікристалічних панелях вимагатиме 28-30 панелей площею 60-65 м². Для приватного будинку з дахом 80-100 м² така різниця рідко є критичною, але для комерційних об'єктів з обмеженою площею дахів монокристалічні панелі стають єдиним раціональним вибором.

Вартість та економічна доцільність

Порівняння цін показує, що монокристалічні панелі коштують на 10-15% більше за полікристалічні аналоги. Панель потужністю 400 Вт монокристалічного типу обійдеться в 4500-5500 грн, тоді як полікристалічна того ж класу коштує 3800-4800 грн. Різниця в 700-1000 грн на одну панель може здатися суттєвою, але її потрібно розглядати в контексті загальної ефективності системи.

Співвідношення ціна/продуктивність виявляється цікавішим при детальному аналізі. Якщо порівнювати вартість одного ват встановленої потужності, монокристалічні панелі коштують 11-14 грн/Вт, полікристалічні – 9,5-12 грн/Вт. Однак при розрахунку на квадратний метр картина змінюється. Монокристалічні панелі генерують 200-210 Вт/м² при вартості близько 4500 грн/м², полікристалічні – 160-175 Вт/м² при вартості 3800 грн/м².

Окупність інвестицій залежить від декількох факторів. При середньому тарифі "зеленого" тарифу або споживанні електроенергії за стандартним тарифом система з монокристалічними панелями потужністю 10 кВт окупиться за 5-7 років. Полікристалічна система такої ж потужності окуповується за 5,5-7,5 років. Різниця в термінах окупності становить лише 0,5-1 рік, що не є критичним при терміні служби панелей 25-30 років.

Важливо враховувати й майбутнє розширення системи. Якщо на даху залишається обмежена площа для додаткових панелей, монокристалічні дають змогу отримати більше потужності з доступного простору. При необмеженій площі та бюджетних обмеженнях полікристалічні панелі дозволяють встановити більшу систему за ті ж гроші.

Робота в різних умовах експлуатації

Продуктивність при прямому сонячному світлі є еталонною характеристикою обох типів панелей. За стандартних тестових умов (1000 Вт/м², температура 25°C, спектр AM 1.5) монокристалічні панелі демонструють КПД 20-22%, полікристалічні – 15-18%. В Україні такі умови найчастіше виникають навесні та восени в ясну погоду.

Ефективність у хмарну погоду розрізняється несуттєво. При розсіяному освітленні інтенсивністю 200-300 Вт/м² обидва типи панелей генерують 20-30% від номінальної потужності. Монокристалічні панелі зберігають невелику перевагу – на 2-3% більше енергії при однаковій хмарності. Це пояснюється кращою чутливістю до низькоінтенсивного освітлення завдяки однорідній кристалічній структурі.

Влітку температурний фактор стає критичним. При нагріванні панелей до 60-70°C монокристалічні втрачають 12-16% потужності, полікристалічні – 14-18%. На практиці це означає, що в спекотний липневий день при температурі повітря +35°C монокристалічна панель 400 Вт генеруватиме 336-352 Вт, полікристалічна – 328-344 Вт. Річна різниця в генерації через температурний фактор становить близько 2-3% на користь монокристалічних панелей.

Взимку поведінка панелей також має особливості. При температурі -10°C продуктивність обох типів збільшується на 5-7% порівняно з стандартними умовами. Однак сніговий покрив на панелях повністю блокує генерацію. Монокристалічні панелі завдяки темнішому кольору швидше нагріваються та розтоплюють сніг. Полікристалічні світліші панелі нагріваються повільніше. На практиці різниця становить 20-40 хвилин до початку генерації після снігопаду.

Зовнішній вигляд та конструктивні особливості

Візуальні відмінності між типами панелей помітні з першого погляду. Монокристалічні панелі мають однорідну темно-синю або чорну поверхню без видимих меж між кристалами. Колір залежить від антивідбивного покриття – чорні панелі виглядають естетичніше, але коштують на 5-10% більше. Полікристалічні панелі мають характерну мозаїчну структуру з видимими межами кристалів та блакитний відтінок різної інтенсивності.

Форма елементів також відрізняється. Монокристалічні комірки мають заокруглені кути через циліндричну форму вихідних злитків. Між комірками залишаються невеликі проміжки, які заповнюються білим або чорним тловим матеріалом. Полікристалічні комірки мають прямокутну форму і щільно прилягають одна до одної, що дає вищий коефіцієнт заповнення площі панелі.

Однорідність поверхні впливає не лише на естетику, але й на поведінку панелей при частковому затіненні. Монокристалічна структура забезпечує більш рівномірний розподіл струму по всій площі комірки. У полікристалічних панелях межі кристалів можуть створювати локальні зони з трохи відмінними характеристиками, що теоретично робить їх чутливішими до нерівномірного освітлення.

Товщина та вага обох типів панелей практично однакові. Стандартна панель потужністю 400 Вт має товщину 35-40 мм з рамою та важить 20-22 кг. Алюмінієва рама, загартоване скло товщиною 3,2 мм та захисна плівка на зворотному боці є стандартними для обох типів. Різниця полягає лише у самих кремнієвих пластинах, товщина яких становить 180-200 мікрон.