Jak działa fotowoltaika? Działanie instalacji fotowoltaicznej w pigułce.

Czas czytania:0min0s
0%
pv-article-02

Energia elektryczna ze słońca - brzmi intrygująco, prawda? W dzisiejszym artykule przyjrzymy się bliżej, jak działa fotowoltaika i jaką drogę muszą pokonać promienie słoneczne, abyśmy mogli korzystać z czystej energii w naszych domach.

Fotowoltaika to proces wytwarzania energii elektrycznej z darmowego promieniowania słonecznego. Obecnie rozwój fotowoltaiki następuję bardzo dynamicznie, a słońce stanowi trzecie co do wielkości źródło energii odnawialnej na świecie. Energia słoneczna może być wykorzystywana do zasilania niewielkich urządzeń przenośnych, takich jak kalkulatory czy zegarki, lamp i sygnalizacji drogowych oraz parkometrów, a także do ogrzewania pomieszczeń oraz podgrzewania wody w budynkach mieszkalnych. Każdy z nas może czerpać korzyści z naturalnego źródła energii także do zasilenia swoich urządzeń domowych wychodząc naprzeciw postępującej degradacji środowiska naturalnego oraz stale rosnącym cenom prądu.

Działanie fotowoltaiki i paneli fotowoltaicznych

Gdzie powstaje energia elektryczna ze słońca?

Pozyskanie energii elektrycznej ze słońca to proces odbywający się etapami. Jak działa fotowoltaika? Podstawowym elementem instalacji są ogniwa fotowoltaiczne, które aby móc wytwarzać większą ilość energii łączy się w moduły fotowoltaiczne (2). W ogniwach zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, dzięki któremu energia ze słońca zostaje przekształcona w prąd stały. Ogniwa są układami zbudowanymi z materiału półprzewodnikowego, który przewodzi ładunek elektryczny w wyniku działania czynników zewnętrznych m.in. w postaci temperatury lub promieniowania słonecznego. Przy produkcji ogniw najczęściej wykorzystywanym półprzewodnikiem jest krzem. Grupa modułów zasilająca jeden falownik tworzy panel fotowoltaiczy (3), natomiast elementem pozwalającym na zamontowanie paneli na gruncie lub budynku jest konstrukcja wsporcza (1), która jednocześnie ma na celu zapewnić stabilność całego układu.

Jak energia elektryczna ze słońca trafia do naszych gniazdek?

Prąd powstały w modułach zostaje przekazany do falownika (4), którego zadaniem jest przekształcenie go na prąd zmienny cechujący się parametrami zgodnymi z tymi, które posiadają nasze domowe gniazdka (7). Ponadto, falownik dokonuje kontroli pracy naszej mikroelektrowni. Oznacza to, iż na bieżąco dopasowuje on parametry generowanego prądu do parametrów domowej sieci, a także ulega wyłączeniu w momencie wykrycia jakiejkolwiek awarii. Monitoruje on także wszelkie parametry, które mogą być dla nas użyteczne do analizy działania fotowoltaiki.

Co dzieje się z niewykorzystaną energią?

Licznik dwukierunkowy (5) dokonuje pomiarów dwukierunkowego przepływu prądu tzn. zlicza energię elektryczną wyprodukowaną przez naszą instalację oraz pobraną z sieci energetycznej (6). Może się bowiem zdarzyć, iż energii wytworzonej przez naszą mikroelektrownię będzie za dużo lub za mało w stosunku do naszego zapotrzebowania. W pierwszym przypadku nadmiar energii zostaje przekazany do sieci energetycznej, a my możemy odebrać 80% wyprodukowanej przez nas energii. Jest to związane z systemem opustów dla prosumentów, czyli osób wytwarzających energię na użytek własny. Dla instalacji fotowoltaicznej, której moc nie przekracza 10kWp obowiązuje stosunek 1:0,8 w ramach systemu opustu, co oznacza, że za 1kWh oddaną do sieci właściciel mikroelektrowni może odebrać 0,8 kWh. W przypadku instalacji o mocy między 10 a 50 kWp rozliczamy się w stosunku 1:0,7 - oddana przez nas 1 kWh pozwala nam na odbiór 0,7 kWh. W sytuacji, gdy istniejącego zapotrzebowania nie uda nam się całkowicie pokryć wykorzystując wcześniej wytworzoną i odebraną przez nas energię, pozostała różnica zostaje wyrównana energią z sieci w stosunku 1:1.

Wiemy już, jak działa fotowoltaika. Pora przyjrzeć się bliżej budowie i funkcjonowaniu największej gwiazdy naszej mikroelektrowni - ogniwom fotowoltaicznym. To właśnie w nich zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, dzięki któremu energia promieniowania słonecznego jest przekształcana w energię elektryczną.

Z czego zbudowane są ogniwa fotowoltaiczne?

Jak już pisaliśmy wcześniej, ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z materiału półprzewodnikowego, najczęściej krzemu, który pod wpływem dostarczania energii zamienia się z izolatora (ciało, które nie przewodzi elektryczności) w przewodnik. Ze względu na stopień uporządkowania struktury krystalicznej krzemu wyróżniamy trzy odmiany ogniw:

Ogniwa monokrystaliczne, które zbudowane są z krzemu o silnie uporządkowanej strukturze pozbawionej licznych defektów. Ogniwa fotowoltaiczne zbudowane z tego rodzaju krzemu charakteryzują się najwyższą efektywnością przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną (tzw. sprawnością). Sprawność modułu monokrystalicznego plasuje się na poziomie 15-19%. W praktyce oznacza to, że energia promieniowania słonecznego padająca na 1m2 ogniwa zostaje w 15% przekształcona na energię elektryczną.

Ogniwa polikrystaliczne, które charakteryzują się mniej uporządkowaną strukturą krzemu oraz większą liczbą skaz. Z tego względu sprawność modułów fotowoltaicznych zbudowanych z polikryształów krzemu osiąga 14-16%.

Ogniwa amorficzne, w których krzem nie ma postaci kryształu przez co posiada wysoce chaotyczną strukturę z bardzo dużą liczbą wad. Ma to bezpośredni wpływ na niską sprawność modułów, która wynosi zaledwie 9-14%.

Ze względu na wysoką sprawność, panele monokrystaliczne i polikrystaliczne z powodzeniem mogą być stosowane w instalacjach budowanych na dachach domów lub w ogródkach. Pamiętajmy jednak, że ogniwa monokrystaliczne są o wiele trudniejsze, a przez to też i droższe, w produkcji niż ogniwa zbudowane z polikryształów. Z tego też względu to właśnie te drugie najczęściej są wykorzystywane w naszych przydomowych instalacjach fotowoltaicznych.

Panele fotowoltaiczne – jaka jest ich budowa i podstawowe parametry?

Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne osiągają moc od kilkudziesięciu miliwatów do kilku watów. Z jednego ogniwa nie zasilimy więc urządzeń większych niż drobna elektronika. Z tego względu, aby wytworzyć więcej energii ogniwa łączy się ze sobą w moduły. Ogniwa tworzące moduł laminuje się foliami EVA (3) i PET (5), umieszcza pod szkłem hartowanym (2) i osadza w ramce aluminiowej (1, 6). Zapewnia to trwałość konstrukcji oraz ochronę przed uszkodzeniami. Kolejnym elementem tworzącym moduł jest puszka przyłączeniowa (7) z kablami, które pozwalają nam na połączenie ze sobą kilku modułów. Tak złączone moduły tworzą panel fotowoltaiczny.

Budowa modułów fotowoltaicznych

Wszystkie panele fotowoltaiczne posiadają zestaw parametrów mechanicznych i elektrycznych definiujących warunki ich pracy i montażu. Znajdziemy je w karcie katalogowej oraz na tabliczce znamionowej umieszczanej z tyłu każdego panelu fotowoltaicznego. Przyjrzyjmy się kilku najważniejszym parametrom, na podstawie których najczęściej podejmuje się decyzje odnośnie wyboru danych paneli do instalacji fotowoltaicznej.

Parametry mechaniczne paneli fotowoltaicznych

Do parametrów mechanicznych zaliczamy przede wszystkim: wymiary, wytrzymałość i wagę modułów budujących panel fotowoltaiczny. Porównując między sobą moduły o tej samej mocy powinniśmy dążyć do wybierania jak najmniejszych oraz najlżejszych rozwiązań. Dzięki temu panele fotowoltaiczne nie tylko będziemy w stanie łatwiej rozplanować na naszym dachu, ale również nie obciążymy zbytnio jego konstrukcji.

Wytrzymałość mechaniczna z kolei mówi nam o tym, jaka jest maksymalna wartość obciążenia modułu zalegającym śniegiem i wiejącym wiatrem, która nie spowoduje jego uszkodzenia. Nacisk pokrywy śnieżnej symuluje się obciążając panel od przodu, natomiast obciążanie panelu od tyłu pozwala na zbadanie naporu wiatru. Szacuje się, że optymalna wytrzymałość paneli fotowoltaicznych wynosi 5400 Pa od przodu i 2400 Pa od tyłu. W praktyce oznacza to, że ani wiatr o prędkości 130 km/h ani metrowa warstwa zalegającego świeżego śniegu nie powinny wyrządzić krzywdy naszym panelom. Porównując oferty poszczególnych producentów unikaj paneli fotowoltaicznych, które posiadają gorsze parametry niż wskazane 5400/2400 Pa.

Parametry elektryczne paneli fotowoltaicznych

Parametry elektryczne, oprócz materiału półprzewodnikowego z jakiego wykonane są panele fotowoltaiczne, silnie zależą od czynników atmosferycznych, takich jak: natężenie promieniowania słonecznego, temperatura, prędkość wiatru, wilgotność powietrza, zanieczyszczenie atmosfery itd. By móc ze sobą porównywać panele różnych producentów branża fotowoltaiczna uzgodniła, że parametry każdego z paneli testowane będą w ściśle określonych warunkach laboratoryjnych:

  • promieniowanie słoneczne o natężeniu - 1000 W/m2,
  • temperatura panelu fotowoltaicznego - 25°C,

Takie warunki nazywane są standaryzowanymi warunkami testowymi (STC), a moc paneli uzyskana przy takich parametrach nazywana jest mocą w MPP (ang. Maximum Power Point). Parametr ten informuje nas, ile prądu wyprodukuje dany panel w zadanych warunkach i o określonej powierzchni podanej w m2.

Będąc przy mocy maksymalnej warto również wspomnieć o innym parametrze, jakim jest tolerancja mocy panelu fotowoltaicznego. Określa ona, o ile może się różnić wynik mocy maksymalnej danego panelu w warunkach laboratoryjnych. Jeśli wartości tolerancji są dodatnie, nie mamy się czego obawiać. Oznacza to tylko tyle, że nasze panele słoneczne mogą osiągnąć większą moc, niż podana przez producenta. Natomiast paneli fotowoltaicznych z ujemną wartością tolerancji mocy należy unikać, ponieważ ich osiągi prawdopodobnie zostały przez producentów zawyżone.

W rzeczywistości rzadko zdarza się, że warunki atmosferyczne są dokładnie takie same jak parametry testowe w laboratoriach. Z tego powodu producenci poza mocą maksymalną w kartach katalogowych podają również moc w NOCT (ang. Normal Operating Cell Temperature). Wartość ta odpowiada mocy, jaką panele fotowoltaiczne osiągają w warunkach bliższych tym, które występują po zamontowaniu ich na dachach naszych domów tzn.:

  • promieniowanie słoneczne o natężeniu - 800 W/m2,
  • temperatura panelu fotowoltaicznego - 45°C,
  • prędkość wiatru – 1 m/s.

Przyjmuje się, że im wartość mocy w NOCT jest bliższa wartości mocy w MPP tym lepiej.

Moc paneli fotowoltaicznych to nie jedyny parametr, na który powinniśmy zwrócić uwagę przy ich wyborze. Kolejną istotną informacją jest sprawność. Mówi nam o tym, jaka część energii promieniowania słonecznego padającego na 1 m2 ogniwa przetwarzana jest na energię elektryczną. Panele słoneczne o większej sprawności i mniejszej powierzchni wyprodukują tyle samo energii co panele o niższej sprawności, jednak posiadające większą powierzchnię. Z tego względu warto decydować się na produkty o wyższej sprawności. Pozwoli to na umiejscowienie mniejszej liczby modułów na dachu naszego domu.

Kolejne dwa istotne parametry odnoszą się do temperatury, jaką osiągają panele fotowoltaiczne w trakcie swojej pracy. Jest to temperaturowy współczynnik mocy i temperatura modułu w warunkach NCOT. Pierwszy wskaźnik określa, o ile procent zmniejsza się moc panelu wraz ze wzrostem jego temperatury o każdy 1°C w stosunku do temperatury z warunków testowych tzn. 25°C. Z kolei drugi parametr mówi nam o tym, jaką temperaturę osiągnie panel fotowoltaiczny pracując w warunkach najbardziej zbliżonych do tych rzeczywistych. Przy porównywaniu ofert na rynku wybierajmy te panele słoneczne, dla których temperaturowy współczynnik mocy jest bliski zera, a temperatura modułu w warunkach NCOT jest mniejsza lub równa 45°C.

Czy na coś jeszcze należy zwrócić uwagę? Panele fotowoltaiczne wraz z upływem lat tracą swoją sprawność. W pierwszych latach ich eksploatacji starty te są na poziomie 2-3%, natomiast w kolejnych latach wynoszą około 0,6% rocznie. Decydując się na panele fotowoltaiczne od konkretnego producenta warto sprawdzić, ile wynosi ich liniowa gwarancja mocy. Określa ona minimalną efektywność panelu jaką osiągnie on w danym okresie czasu. Za standard na rynku uznawane są gwarancje, w których sprawność plasuje się na poziomie 80% po 25 latach korzystania z paneli fotowoltaicznych. Oznacza to, że jeśli przed upływem 25 lat efektywność Twoich paneli spadnie poniżej 80%, masz wówczas pełne prawo ubiegać się o rekompensatę. Jednocześnie pamiętaj, że liniowa gwarancja mocy to nie to samo co gwarancja produktu. Jeśli Twoje panele słoneczne przestaną działać, wówczas tylko ten drugi rodzaj gwarancji upoważnia Cię do dochodzenia swoich praw.

Jak działają panele fotowoltaiczne? Zjawisko fotowoltaiczne w pigułce.

Wiemy już, że w zależności od rodzaju półprzewodnika z jakiego są zbudowane, panele fotowoltaiczne mogą w bardziej lub mniej efektywny sposób przekształcać energię słoneczną w energię elektryczną. Znamy też parametry, na podstawie których możemy zweryfikować, który rodzaj paneli będzie bardziej efektywny. Ale jak dochodzi w nich do zjawiska fotowoltaicznego i na czym ono polega?

Aby zrozumieć lepiej efekt fotowoltaiczny omówmy najpierw budowę ogniwa fotowoltaicznego. Ogniwo składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Jedna z nich zbudowana jest z atomów posiadających większą liczbę elektronów na ostatniej z powłok, przez co charakteryzuje się ładunkiem ujemnym (warstwa typu n). Druga zaś złożona jest z atomów posiadających puste miejsca po elektronach tzw. dziury (warstwa typu p). Warstwa ta charakteryzuje się dodatnim ładunkiem elektrycznym. Na granicy tych dwóch warstw atomy z warstwy typu n „oddają” swoje dodatkowe elektrony atomom z warstwy typu p zapełniając ich dziury. W ten sposób powstaje złącze p-n składające się z atomów o obojętnym ładunku elektrycznym.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Produkcja energii elektrycznej w ogniwie fotowoltaicznym ma miejsce tylko wtedy, gdy pada na nie światło słoneczne. Promienie należy przy tym postrzegać, jako strumień cząsteczek (tzw. fotonów) posiadający porcję energii. Energia ta docierając do ogniwa zostaje pochłonięta przez elektrony znajdujące się na ostatniej z powłok elektronowych atomów krzemu na złączu p-n. Elektrony na skutek dostarczonej energii zostają „wybite” z powłok i krążą swobodnie po materiale półprzewodnikowym w warstwie typu n. Jednocześnie w warstwie typu p zwiększa się liczba atomów z dziurami. Prowadzi to do powstania różnicy ładunków na obydwu warstwach tzw. napięcia. Swobodne elektrony z warstwy n dążą do ponownego zapełnienia dziur w atomach znajdujących się w warstwie typu p. Jednak złącze p-n, pełniące rolę „izolatora”, skutecznie im to uniemożliwia. Przyłączenie odbiornika do ogniwa fotowoltaicznego, a tym samym zamknięcie obwodu elektrycznego spowoduje przepływ wolnych elektronów w kierunku atomów z ładunkiem dodatnim. Ten uporządkowany ruch elektronów to prąd! Jego natężenie jest proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego, a także powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.

Efekt fotowoltaiczny w ogniwie krzemowym

Co dzieje się dalej? Powstały prąd stały trafia do falownika, który przekształca go na prąd przemienny. Dzięki temu możliwe jest zasilanie naszych domowych sprzętów energią elektryczną.

Uf… Przebyliśmy długą drogę. Dowiedzieliśmy się, jak działa fotowoltaika, nie pozostaje nam już więc nic innego, jak cieszyć się energią słoneczną zasilającą sprzęty znajdujące się w naszym domu!