Jak działa fotowoltaika? Działanie instalacji fotowoltaicznej w pigułce.

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.

panele-fotowoltaiczne 

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 fotowoltaiczny (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, których 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 jego trzy odmiany:

Krzem monokrystaliczny, który posiada silnie uporządkowaną strukturę pozbawioną licznych defektów. Ogniwa 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.

Krzem polikrystaliczny, który charakteryzuje się mniej uporządkowaną strukturą oraz większą liczbą skaz. Z tego względu sprawność modułów zbudowanych z polikryształów krzemu osiąga 14-16%.

Krzem amorficzny, który 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, ogniwa mono- 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.

Jak działają panele fotowoltaiczne? Zjawisko fotowoltaiczne w pigułce.

Wiemy już, że w zależności od rodzaju półprzewodnika z jakiego są zbudowane, ogniwa mogą w bardziej lub mniej efektywny sposób przekształcać energię słoneczną w energię elektryczną. Ale jak dochodzi w nich do zjawiska fotowoltaicznego i na czym ono polega? Aby zrozumieć lepiej efekt fotowoltaiczny omówmy najpierw budowę ogniwa krzemowego. 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_1400

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_1400

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!