Fotowoltaika – jak działa? – kompendium wiedzy o fotowoltaice

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.

Ogólna zasada działania ogniwa fotowoltaicznego jest następująca

  • fotony światła padają na krzemową płytkę mono-, poli- lub  multikrystaliczną a następnie są pochłaniana 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 zostaje przekształcona w elektryczną.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych 

Ogniwa fotowoltaiczne dzielą się na ogniwa pierwszej generacji – monokrystaliczne i polikrystaliczne, oraz obecnie bardzo rzadko stosowane, drugiej generacji – amorficzne. Różnią się one między sobą zarówno budową jak i właściwościami.

W ostatnich latach ze względu na największą wydajność, dobre parametry elektryczne, a także wysoką wytrzymałość, popularność zyskały ogniwa monokrystaliczne, które powoli wypierają inne rodzaje 

Ogniwa monokrystaliczne

Są zbudowane z monolitycznego kryształu krzemu, który hoduje się pod ścisłą kontrolą, powolnie wyciągając z roztopionego krzemu krystaliczny zarodek. Proces ten trwa 48 godzin. Taki kryształ przyjmuje kształt walca o średnicy ok. 30cm. Aby uzyskać ogniwa, kryształ tnie się na płytki o grubości 2-3mm. Mają one pierwotnie kształt kolisty. Aby wyeliminować znaczne straty materiału, nie wycina się z nich kwadratów, a ośmiokąty – stąd pochodzi ich charakterystyczny kształt.

To ogniwa fotowoltaiczne, których sprawność waha się w granicach od 15 do ponad 20%. Przekłada się to na dużą produkcję energii elektrycznej przy wykorzystaniu mniejszej powierzchni. Im większa paneli, tym mniej ich potrzeba, aby zasilić wszystkie sprzęty w domu.

Panele monokrystaliczne w wersji Full Black mają ciemną, jednolitą barwą kryształu krzemu oraz pozostałych elementów instalacji, co perfekcyjnie komponuje się z nowoczesnymi pokryciami dachowymi. Ogniwa monokrystaliczne czarne charakteryzuje wysoka trwałość i odporność na warunki atmosferyczne, dzięki czemu efektywność produkcji jest wysoka nawet po 30 latach.

Ogniwa polikrystaliczne

Zbudowane są z wykrystalizowanego krzemu.  To ogniwa wytwarzane z wielu kryształów krzemu. Jako, że najlepszym kształtem dla ogniw jest kwadrat, pozwalający na szczelne pokrycie panelu materiałem półprzewodnikowym, ogniwa polikrystaliczne krystalizują w prostopadłościennej kadzi po czym również tnie się je na cienkie płytki.

Krystaliczna budowa uwidacznia się poprzez niejednolitą powierzchnię płytki i wraz z kwadratowym kształtem, stanowi charakterystyczną cechę tego typu ogniwa.  Ich sprawność waha się w przedziale od 14-18%. Mają niebieską, mieniącą się barwę, dlatego często myli się je z solarami. 

Ogniwa amorficzne

Mają sprawność jedynie na poziomie 6-10%. Są lekkie i elastyczne, a przy tym tanie, jednak ich żywotność wynosi jedynie ok. 10 lat.

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.

Czy warto zdecydować się na instalację On-grid?

System paneli fotowoltaicznych połączony z siecią publiczną (on-grid) nie wymaga korzystania z akumulatorów w celu przechowywania nadwyżek energii, co redukuje koszty całego systemu o cenę zakupu i konserwacji akumulatorów. W przypadku instalacji on-grid konieczna jest jedynie bezpłatna wymiana licznika dwukierunkowego, dzięki któremu możliwe będzie w obu kierunkach.

W przypadku instalacji off-grid, czyli takich, które nie są podłączone do sieci publicznej, nadwyżki energii przechowuje się w akumulatorach. Mogą one także być użyte, gdy panele nie mogą wyprodukować energii np. w nocy lub podczas długiego okresu niekorzystnej pogody. Konieczność zakupu i serwisowania akumulatorów sprawia, że jest to dużo bardziej kosztowne rozwiązanie.

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!

Indywidualny 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 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 zależą 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.

Autor