Jak działa fotowoltaika – zasada działania instalacji fotowoltaicznej

Instalacje fotowoltaiczne (PV) szturmem zdobywają polskie domy. Nic dziwnego, biorąc pod uwagę fakt, że trudno znaleźć bardziej ekologiczne i ekonomiczne rozwiązanie niż… energia słońca. Jak to się dzieje, że zmienia się ona w prąd pokrywający – z dużą nadwyżką – zapotrzebowanie naszych gospodarstw domowych? Jak działa panel fotowoltaiczny? Wyjaśniamy podstawowe pojęcia i zasady fotowoltaiki.

Zagadnienia związane z działaniem fotowoltaiki cały czas budzą duże zainteresowanie – u jednych z powodów rosnącej świadomości ekologicznej, u innych przede wszystkim ze względów czysto ekonomicznych. Tak czy inaczej – coraz więcej osób zainteresowanych jest instalacją PV i szczegółami wytwarzania własnego prądu. Zacznijmy więc od prezentacji podstaw tematu.

Fotowoltaika – co to jest i jak działa?

Pojęcie to określa wytwarzanie energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Proces ten odbywa się etapami przy udziale systemu fotowoltaicznego, w skład którego wchodzi kilka podstawowych elementów, o których poniżej.

• Moduły fotowoltaiczne – ich podstawowym elementem jest ogniwo fotowoltaiczne. Pojedyncze ogniwo nie jest jednak w stanie pokryć większego zapotrzebowania na prąd, łączy się je więc w moduły tworzące następnie system fotowoltaiczny produkujący prąd stały.
  
• Inwerter (falownik) – urządzenie przetwarzające prąd stały (DC) na prąd przemienny (AC). Inwerter synchronizuje się z siecią energetyczną tak, aby energia wprowadzana do sieci miała odpowiednie dla niej parametry.
  
• Konstrukcja wspornikowa – podstawa, na której zamontowane są panele fotowoltaiczne (zarówno naziemne, jak i te umieszczane na dachach budynków). Nadaje ona również sztywność i konieczną stabilność całej instalacji fotowoltaicznej.

Działanie ogniwa fotowoltaicznego, czyli jak powstaje prąd?

Do produkcji ogniw fotowoltaicznych najczęściej używany jest krzem. Od rodzaju użytego półprzewodnika zależy wydajność ogniwa. Zbudowane jest ono z dwóch warstw materiału półprzewodnikowego, który przewodzi prąd pod wpływem działania warunków zewnętrznych (w tym przypadku promieniowania słonecznego). Jedna z warstw złożona jest z atomów posiadających ładunek ujemny (większa liczba elektronów o ujemnym ładunku), druga składa się z atomów o dodatnim ładunku elektrycznym. Na styku tych dwóch warstw tworzy się warstwa atomów o ładunku obojętnym. Światło słoneczne padające na panel fotowoltaiczny jest strumieniem fotonów o określonej energii. „Wybija” elektrony z atomów znajdujących się na zewnętrznej powłoce ogniw. Swobodnie krążące elektrony wytwarzają różnicę ładunków w obydwu warstwach, prowadząc do powstania napięcia. W momencie przyłączenia jakiegokolwiek odbiornika elektrycznego do instalacji fotowoltaicznej następuje zamknięcie obwodu i uporządkowany strumień elektronów (prąd) znajduje ujście. Natężenie prądu jest wprost proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego i oczywiście powierzchni ogniwa fotowoltaicznego. Powstały prąd stały trafia do inwertera (falownika), który przekształca go w prąd przemienny (zmienny) mogący zasilać wszelkie urządzenia elektryczne codziennego użytku.

Wydajność instalacji fotowoltaicznej

Korzyści z posiadania własnej minielektrowni są bezsporne, jednak ilość wyprodukowanego przez nią prądu zależy od wielu czynników, które mogą znacząco polepszać lub pogarszać działanie systemu fotowoltaicznego. Na co zatem należy zwrócić szczególną uwagę?

• Rodzaj półprzewodnika – krzem użyty do produkcji ogniwa ma strukturę krystaliczną, uporządkowaną w różnym stopniu, mamy więc:

• ogniwa monokrystaliczne – o sprawności rzędu 15-19%, co oznacza, że energia słoneczna padająca na 1 m2 ogniwa zostaje przekształcona na prąd w co najmniej 15%,
• ogniwa polikrystaliczne – mniej uporządkowana struktura krzemu dająca wydajność ogniwa na poziomie 14-16%,
• ogniwa amorficzne – nieuporządkowana struktura krzemu z dużą ilością wad, skutkująca najniższą sprawnością na poziomie 9-14%.

• Lokalizacja instalacji fotowoltaicznej – wyspecjalizowane ekipy zazwyczaj wybierają najlepszą z możliwych lokalizację paneli na połaciach dachowych lub w ramach konstrukcji naziemnej. W najlepszym ustawieniu panele są skierowane na południe i umieszczone na dachu o idealnym nachyleniu w Polsce od 35 do 38°.

• Odsłonięty teren – system fotowoltaiczny jest tak wydajny, jak jego najsłabsze ogniwo. Moduły są łączone szeregowo, a zatem zacienienie jednego z nich prowadzi do spadku mocy całej instalacji (również modułów niezasłoniętych). Wyjątkiem są instalacje na optymizerach.

Dobre zestawienie poszczególnych elementów instalacji – rodzaj i liczba modułów powinny być dobierane do zapotrzebowania danego gospodarstwa – tak aby jak największa część wyprodukowanego prądu została zużyta na potrzeby mieszkańców. Inwerter musi być dostosowany do mocy paneli fotowoltaicznych. Moc modułów jest podawana dla warunków nominalnych – w rzeczywistości osiągnięcie tej mocy jest możliwe jedynie przez kilkanaście godzin w roku, dlatego można stosować inwerter o mocy 20-30% niższej niż moc modułów.

Co dzieje się z nadwyżkami wyprodukowanej energii?

Ilość wyprodukowanej i zużytej energii mierzą liczniki dwukierunkowe. Podczas pracy instalacji fotowoltaicznej prąd wykorzystywany jest w najbliższym punkcie odbioru, czyli na początku zawsze zostanie spożytkowany w domu lub firmie. Dopiero nadwyżka energii jest wysyłana do sieci energetycznej. Szacuje się, że w okresie roku bezpośrednio udaje się wykorzystać na własne potrzeby mniej więcej 30 do 40% wyprodukowanego prądu, resztę oddaje się sieci energetycznej. Na jakiej zasadzie można tę energię odzyskać? Obecnie zakład energetyczny oddaje nam 80% z tego, co wysłaliśmy do sieci, czyli z każdego 1000 kWh oddanego w ciągu słonecznych dni, 800 kWh wraca do nas w nocy i wtedy, gdy słońce świeci słabiej. Przepisy te mogą jednak wkrótce ulec zmianie, ponieważ dyskutowane są obecnie nowe propozycje regulacji tej kwestii.

Dowiedz się więcej: Panele fotowoltaiczne – wydajna produkcja energii ze słońca