Jak działa fotowoltaika?

W trosce o zasoby środowiska naturalnego oraz o własne zdrowie coraz częściej decydujemy się na zamontowanie na dachu naszego domu albo na należącym do nas gruncie paneli fotowoltaicznych. Oto kompendium wiedzy na temat działania fotowoltaiki.

Fotowoltaika co to jest 

Fotowoltaika to dziedzina nauki zajmująca się przetwarzaniem promieniowania słonecznego na energię elektryczną: zajmuje ją wytwarzanie prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego oraz instalacji fotowoltaicznej. Wszystko, co wiemy dzięki tej dziedzinie wiedzy znajduje obecnie zastosowanie na bardzo szeroką skalę: nowoczesne ogniwa fotowoltaiczne pomagają nam pozyskiwać energię ze słońca, przetwarzać ją na energię elektryczną i zaspokajać zapotrzebowanie energetyczne domów, gospodarstw rolnych, firm, spółdzielni oraz wspólnot mieszkaniowych.

Słowo „fotowoltaika” używane jest nie tylko jako nazwa dziedziny nauki, ale także jako synonim instalacji fotowoltaicznej. Mówimy więc, że inwestujemy w fotowoltaikę albo w instalację PV mając na myśli naszą własną przydomową elektrownię słoneczną. 

Choć w praktyce odkrycia fotowoltaiki wykorzystywane były już dawno, dopiero branża OZE (odnawialne źródła energii) spopularyzowała je na tak szeroką skalę.

Fotowoltaika – historia 

Źródeł fotowoltaiki należy szukać w pierwszej połowie XIX wieku, kiedy francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel, podczas eksperymentów z elektrodami metalowymi i elektrolitem, doszedł do wniosku, że część materiałów po wystawieniu na działanie światła jest w stanie wytworzyć niewielkie ilości prądu. Był rok 1839, nikt jeszcze nawet nie śnił o zmianach klimatycznych. Bliskoczterdzieści lat później brytyjscy fizycy – William Grylls Adams oraz jego uczeń Richard Evans Day – odkryli, że materiały zawierające selen są w stanie wytworzyć impuls elektryczny kiedy eksponuje się je na światło.

Kolejny krok w historii fotowoltaiki poczyniła sam Albert Einstein, publikując pierwszą pracę teoretyczną opisującą naturę światła i efekt fotowoltaiczny, w które wykazał, że światło jest strumieniem fotonów, a każdy z nich zawiera kwant energii. Ponad dwadzieścia lat po wydaniu publikacji Einsteina Jan Czochralski opracował metodę wytwarzania krzemu monokrystalicznego, co w przyszłości miało umożliwić powstanie monokrystalicznych ogniw krzemowych. 

W roku 1954 Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller stworzyli pierwszy moduł fotowoltaiczny wykorzystany do zasilania wiatraczka-zabawki oraz radia. Na szerszą skalę jako pierwsza wykorzystała ogniwa fotowoltaiczne armia amerykańska: stanowiły one jedno ze źródeł zasilania orbitujących wokół Ziemi satelitów. Nieco później po fotowoltaikę i instalacja fotowoltaiczne sięgnęła NASA – w 1966 roku powstało pierwsze Obserwatorium Astronomiczne wyposażone w jednowatową instalację fotowoltaiczną. 

Fotowoltaika – jak działa?

Panele fotowoltaiczne zamieniają energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną, co oznacza, że na instalację fotowoltaiczną decydujemy się wtedy, kiedy potrzebne nam jest samodzielne źródło energii elektrycznej (prądu). Ogniwa fotowoltaiczne muszą mieć właściwości półprzewodników, dlatego najczęściej do ich budowy wykorzystuje się takie pierwiastki jak krzem, german i selen.

Od dołu i od góry ogniwa fotowoltaiczne laminuje się przezroczystą folią, dzięki czemu pozostają one w próżni. Cały moduł umieszcza się za szybą z hartowanego szkła, które zmniejsza ilość odbitego promieniowania słonecznego i przyczynia się do ograniczenia strat energii.

Tak skonstruowane ogniwo(a) osadza się na aluminiowej ramie i chroni dodatkowo szczelną folią typu backsheet. Z puszki przyłączeniowej pojedynczego panelu fotowoltaicznego wychodzą dwa kable zakończone wtyczkami umożliwiającymi łączenie paneli w szeregi. W puszce są także tzw. diody bocznikujące, których zadaniem jest ochrona panelu przed przegrzaniem oraz niedopuszczenie do znaczącego obniżenia ilości wytwarzanej energii elektrycznej.

Fotowoltaika – z czego składa się instalacja fotowoltaiczna?

W zależności od rodzaju instalacji fotowoltaicznej, w jej skład mogą wchodzić różne elementy. Jednak bez względu na rodzaj, praca każdej instalacji PV wymaga zakupu paneli fotowoltaicznych. 

Ogniwo, moduł, panel i instalacja fotowoltaiczna – wyjaśniamy różnice

Terminów ogniwo fotowoltaiczne, moduł fotowoltaiczny oraz panel fotowoltaiczny nie należy traktować jako synonimy. 

Ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne (fotoogniwo, ogniwo słoneczne, ogniwo fotoelektryczne) to płytka o właściwościach półprzewodnikowych, dlatego do jego produkcji najczęściej wykorzystuje się takie pierwiastki jak krzem (Si), german (Ge) i selen (Se).

Od dołu i od góry ogniwo fotowoltaiczne laminuje się przezroczystą folią, dzięki czemu pozostają ono w próżni. Następnie umieszcza się je za szybą z hartowanego szkła, które zmniejsza ilość odbitego promieniowania słonecznego i przyczynia się do ograniczenia strat energii.

Ogniwa słoneczne dzielimy na:

Moduł fotowoltaiczny

Moduł fotowoltaiczny to układ połączonych szeregowo lub szeregowo-równolegle ogniw słonecznych. 

Panel fotowoltaiczny

Panel fotowoltaiczny zbudowany jest z połączonych ze sobą modułów. Podział panelu na moduły pozwala zapobiec negatywnym skutkom zacienienia. Dzięki temu podczas zacienienia tylko część panelu ma mniejszą sprawność, a nie cały panel. 

Instalacja fotowoltaiczna

Instalacja fotowoltaiczna to połączenie paneli fotowoltaicznych z innymi elementami, takimi jak:

  • Inwerter
  • Okablowanie elektroenergetyczne
  • Zabezpieczenia przeciwprzepięciowe
  • System montażowy
  • Licznik dwukierunkowy (w przypadku instalacji On-Grid)
  • Akumulatory (w przypadku instalacji Off-Grid)

Czym się różni fotowoltaika od solarów? 

Panele słoneczne, nazywane też solarami albo kolektorami słonecznymi oraz panele fotowoltaiczne (PV) pozyskują energię promieniowania słonecznego i ją przetwarzają:  solary na energię cieplną, a panele fotowoltaiczne na energię elektryczną. Kolektory słoneczne wybierają inwestorzy, którym zależy przede wszystkim na obniżeniu kosztów uzyskaniu ciepłej wody użytkowej. Panele fotowoltaiczne wybierają ci, którym zależy na uniezależnieniu się od zewnętrznych dostawców energii elektrycznej. 

Jak zbudowane jest ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne zbudowane jest z dwóch warstw półprzewodnika. Pierwsza, górna, to cienka i przezroczystą warstwą typu n. Nad nią umieszczona jest elektroda ujemna i powłoka antyrefleksyjna. Na spodzie znajduje się elektroda dodatnia. Druga, dolna, to grubsza warstwa  typu p. Obie warstwy oddzielone są barierą potencjałów, którą tworzą złącza p-n.

Ogniwa fotowoltaiczne – zasada działania

W ogniwie słonecznym zachodzi zjawisko fotoelektryczne, które przebiega następująco:

  • fotony światła padają na krzemową płytkę mono-, poli- lub multikrystaliczną, a następnie są pochłaniane przez krzem
  • skutkuje to wybijaniem elektronów ze swojej pozycji i zmuszaniem ich do ruchu – ten ruch to właśnie przepływ prądu elektrycznego
  • dzięki zastosowaniu złącza półprzewodnikowego typu p-n możliwe jest połączenie tego procesu z obiegiem elektronów w istniejącej już sieci energetycznej i w ten sposób energia świetlna (energia promieniowania słonecznego) zostaje przekształcona w energię elektryczną

On-grid czy Off-grid 

Jeśli decydujemy się na instalację On-grid – czyli instalację podłączoną do sieci – schemat instalacji przedstawia się następująco:

  • Panel/panele fotowoltaiczne/y
  • Falownik (inwerter) – zmienia prąd stały na zmienny
  • Licznik energii wytworzonej
  • Licznik energii pobranej z sieci
  • Przyłączenia do sieci
  • Zabezpieczenia

Jeśli decydujemy się na instalację Off-grid – czyli instalację niepodłączoną do sieci elektroenergetycznej – schemat instalacji przedstawia się następująco:

  • Panel/panele fotowoltaiczne/y
  • Falownik (inwerter)
  • Regulator ładowania
  • Akumulator
  • Obciążenie
  • Zabezpieczenia

Najdroższymi elementami każdej instalacji fotowoltaicznej są same panele (moduły) fotowoltaiczne. Sercem instalacji jest falownik zamieniający prąd stały w prąd zmienny. Zabezpieczenia AC/DC chronią falowniki, moduły fotowoltaiczne oraz sam dom przed skutkami ewentualnych przepięć. Stelaże, konektory oraz przewody solarne umożliwiają odpowiednie połączenie i skonfigurowanie wymienionych elementów.

Czym kierować się podejmując decyzję o zakupie instalacji PV

Decyzja powinna być podjęta, przede wszystkim, na podstawie rocznego zużycia energii elektrycznej w gospodarstwie domowym, firmie albo budynku użyteczności publicznej. W ten sposób możliwe jest określenie zapotrzebowania danego budynku.

Warto mieć na uwadze także inne czynniki, takie jak:

  • cena poszczególnych urządzeń, która ma wpływ na szybkość zwrotu inwestycji.
  • lokalizacja budynku (rejon Polski)
  • usytuowanie budynku (ekspozycja połaci dachowych) 

Wydajność optymalnie zlokalizowanego systemu paneli fotowoltaicznych w polskich warunkach klimatycznych to nieco ponad 1 000 kWh rocznie z zainstalowanego kW mocy (STC). Zazwyczaj ten wskaźnik dla poprawnych instalacji oscyluje między 950 – 1025 kWh/kW w zależności od technologii wykorzystanych paneli fotowoltaicznych, inwertera i lokalizacji.

Klimat w Polsce sprzyja inwestycjom w panele fotowoltaiczne. W skali kraju 80% uzysków energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej będzie przypadało na półrocze letnie oraz miesiące wiosenne i jesienne, ale na południu Polski może to być nawet o 10% więcej w stosunku do obszarów najbardziej wysuniętych na północ.

Sprawdź, jakie jest nasłonecznienie w Polsce!

Fotowoltaika nasłonecznienie – czy w Polsce mamy sprzyjające warunki? 

Klimat w naszej szerokości geograficznej jest idealny do inwestowania w fotowoltaikę. W zależności od regionu, w Polsce rocznie nasłonecznienie wynosi od 1390 do 1900 godzin. Najwyższe nasłonecznienie wynoszące ok. 1050 kWh/m2/rok ma południowa część województwa lubelskiego. Na pozostałym terenie kraju wynosi ono nieco poniżej 1000 kWh/m2 rocznie. Gdziekolwiek więc planujemy inwestycję, jest ona opłacalna. Dodatkowo możemy skorzystać z kalkulatora fotowoltaicznego do obliczenia szacunkowych kosztów naszej instalacji, jednak należy pamiętać, że nie zastąpi to audytu PV, który da nam najbardziej precyzyjne wyniki.

Fotowoltaika jakie panele wybrać? 

Wybór paneli fotowoltaicznych uwarunkowany jest lokalizacją instalacji oraz zapotrzebowaniem energetycznym posesji. Na rynku dostępne są:

  • panele monokrystaliczne – ich sprawność waha się między 15 a 20% .
  • panele polikrystaliczne – cechują się sprawnością w granicach około 14-18 % (Obecnie producenci wycofują się już z ich dalszej produkcji)
  • panele amorficzne (z krzemu amorficznego) – charakteryzują się niskim wskaźnikiem sprawności, raptem 6-10%, ale ich zdecydowaną zaletą jest z kolei bardzo niski wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury
  • panele wykonane w technologiach MWT (Metal Wrap Through) – technologia ta może być stosowana zarówno w modułach poli- jak i monokrystalicznych; HCC (Half Cut Cels)  – tzw. ogniwa połówkowe, mają lepszy współczynnik wypełnienia modułu PV i wyższą sprawność modułu o około 1,5-3%.; PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) –  mają dodatkową warstwę dielektryka, dzięki której zwiększona jest efektywność ogniwa oraz TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact)

Jeśli interesuje nas rzetelność konkretnej firmy i jakość produkowanej przez nią paneli, warto śledzić aktualizowany co kwartał ranking Tier 1 (Bloomberg New Energy Finance – klasyfikację Bloomberga) https://syntezaoze.pl/blog/tier-1-fotowoltaika/

Fotowoltaika wady i zalety 

Do najważniejszych zalet fotowoltaiki zaliczamy:

  • możliwość maksymalnego uniezależnienia się od zewnętrznych dostawców energii
  • natychmiastową redukcję rachunków za prąd oraz brak obaw związanych z corocznymi podwyżkami
  • możliwość gromadzenia energii elektrycznej w sieci (instalacja On-Grid) bądź w magazynach energii-akumulatorach (instalacja On-Grid)
  • możliwość stworzenia przydomowego carportu (wiaty solarnej do zasilania pojazdów elektrycznych i hybrydowych)
  • dbałość o środowisko naturalne

Wady fotowoltaiki:

  • wysoka cena – ale możliwa do zbicia dzięki bezzwrotnym dofinansowaniom albo uldze termomodernizacyjnej
  • zależność od promieniowania słonecznego
  • dość nieprzewidywalna zmienność regulacji prawnych

Indywidualny projekt fotowoltaiki – projekt instalacji fotowoltaicznej

W przypadku każdej inwestycji opracowuje się indywidualny projekt instalacji fotowoltaicznej. Podczas jego opracowywania trzeba wykonać następujące kroki:

  • określenie powierzchni, na której znaleźć mają się panele fotowoltaiczne
  • wybór podzespołów i ich wzajemne dopasowanie (na tym etapie koniecznie trzeba zwrócić uwagę na moc wykorzystywanych paneli oraz inwertera – sugeruje się, żeby stosunek mocy paneli do mocy inwertera wynosiło około 105-120%)
  • stworzenia wstępnej wizualizacji oraz prostego projektu instalacji
  • stworzenie analizy finansowej uwzględniającej określenie ceny, jaką będziemy w stanie uzyskać za kWh energii wyprodukowanej dzięki instalacji fotowoltaicznej oraz koszty samej instalacji
  • rozważenie możliwych źródeł dofinansowania/wsparcia inwestycji, np. dotacja “Mój Prąd

Czy fotowoltaika działa jak nie ma prądu?

Instalacja On-Grid nie zapewni naszej posesji energii, jeżeli nastąpi awaria publicznej sieci energetycznej. Kiedy dochodzi do awarii, zabezpieczenie antywyspowe w inwerterze wyłącza urządzenie. Dzięki niemu zatrzymane jest oddawanie energii do sieci elektroenergetycznej w przypadku, gdy jej parametry nie spełniają określonych wymagań. Gdyby tak się nie stało, panele fotowoltaiczne wciąż dostarczałyby prąd, który byłby przetwarzany i w przypadku nadwyżki trafił do sieci energetycznej. Wiązałoby się to z ogromnym ryzykiem dla osób pracujących nad przywróceniem zasilania. 

Instalacja Off-Grid, czyli niepodłączona do sieci, wytwarza prąd nawet wtedy, kiedy następuje awaria publicznej sieci energetycznej. Ewentualna nadwyżka trafia do akumulatora. 

Instalacja hybrydowa (częściowo On-Grid, częściowo Off-Grid) w przypadku przerwy w dostawie prądu przełącza się na tryb Off-Grid, czyli korzystający wyłącznie z paneli fotowoltaicznych i magazynu energii, a tryb On-Grid zostaje wyłączony. 

Fotowoltaika zimną – Jak zima wpływa na działanie instalacji PV?

Zima to nie tylko mniejsze nasłonecznienie, ale także opady śniegu oraz mróz. W związku ze zmianami klimatycznymi, zimą coraz rzadziej występuje tak radykalne ograniczenie natężenia promieniowania słonecznego, żeby produkcja energii elektrycznej przez system fotowoltaiczny stawała się nieopłacalna. Nieczęsto odnotowuje się także intensywne opady śniegu i wysokie mrozy.

Nowoczesne panele fotowoltaiczne zimą są zdolne pracować efektywnie do temperatur rzędu minus 40 stopni, a pojedyncze pochmurne dni nie mają zbyt dużego znaczenia dla całorocznej produkcji energii. Jeśli chodzi o śnieg, to musimy pamiętać, że pokrywa śnieżna zalegająca na panelach fotowoltaicznych zawsze zmniejsza przepuszczalność promieniowania słonecznego do wnętrza panelu. Przy pokrywie dwucentymetrowej przepuszczalność zmniejsza się nawet o 80%, a przy dziesięciocentymetrowej spada niemal do zera

Czy miejsce montażu PV ma znaczenie

Jeśli na miejsce montażu paneli fotowoltaicznych wybieramy dach, ważne, żeby połać, na której montujemy ogniwa miała azymut najbliższy kierunkowi południowemu, a kąt nachylenia wahał się od 10 do 45 stopni. W takiej konfiguracji uzyski z 1 kWp instalacji PV będą największe.

W Polsce najkorzystniejsze nachylenie dachu wynosi 35 stopni. Na dachach płaskich lub o innym spadku, panele układane są na stelażach korygujących ich nachylenie. Stelaże takie w żaden sposób nie są w stanie uszkodzić dachu. 

Warto pamiętać, że panele fotowoltaiczne mogą  być montowane nie tylko na dachu. Można zamontować je także:

  • Na gruncie – panele montowane są na specjalnych stelażach. Wolnostojące systemy stelaży wbija się w podłoże na głębokość warunkowaną strukturą gleby – chodzi o to, żeby konstrukcja była maksymalnie stabilna. Wielkość stelażu oraz liczba podpór zależy od liczby paneli. 
  • Na betonowych płytach – stelaż nie jest wbijany bezpośrednio w grunt, a przykręcany do betonowych płyt umocowanych w gruncie. Instalacja wymaga równego podłoża betonowego; słupy konstrukcji mają stopy mocowane wkrętami do betonu.

Nowoczesne systemy fotowoltaiczne dają możliwość uniezależnienia się od zewnętrznych dostawców energii, są trwałe (żywotność sięgająca minimum 25 lat.), bezobsługowe i praktycznie nie generują kosztów. Fotowoltaika dla domu lub fotowoltaika dla firmy to rozwiązanie, które coraz bardziej zyskuje na popularności także z uwagi na fakt, że panele fotowoltaiczne są przyjazne dla środowiska naturalnego.

Podsumowanie

Nowoczesne systemy fotowoltaiczne są niemal bezobsługowe i pozwalają na radykalne zmniejszenie rachunków za energię elektryczną. Wiedza na temat ogólnej zasady działania ogniw/modułów/paneli słonecznych oraz zasad działania poszczególnych rodzajów instalacji fotowoltaicznych pozwala nam podjąć decyzję o zakupie konkretnych komponentów.

Autor