Fotowoltaika stała się w ciągu ostatnich lat bardzo gorącym tematem. Przedstawimy bliżej, jak wygląda mechanizm działania i jakie warunki muszą zostać spełnione by promienie słoneczne mogły zasilać nasz dom w czystą i ekologiczną energię.
Fotowoltaikę w kilku słowach można opisać, jako proces wytwarzania energii elektrycznej z całkowicie darmowego i odnawialnego źródła – promieniowania słonecznego.
Pierwsze przykłady zastosowania fotowoltaiki pamiętamy jeszcze z czasów szkolnych – promienie słoneczne zasilały nasze kalkulatory, zegarki, lampy. Wraz z upływem lat fotowoltaika zagościła także w większych urządzeniach, takie jak sygnalizacja drogowa, parkometry, stacje rowerów miejskich, a także systemy ogrzewania i pomieszczeń i podgrzewania wody w budynkach. Biorąc pod uwagę obecną sytuację związaną z polityką klimatyczną, ograniczeniami, dotacjami, rosnącymi cenami oraz stale rozwijaną technologią, każdy z nas może realnie czerpać korzyści płynące z odnawialnych źródeł energii, w tym także z fotowoltaiki.
Poznaj nasze FAQ. Poznaj podstawy dotyczące fotowoltaiki.
Do produkcji ogniw najczęściej wykorzystuje się krzem, który pełni funkcję półprzewodnika ładunku elektrycznego w wyniku działania czynników zewnętrznych – temperatury lub nasłonecznienia. Ogniwa fotowoltaiczne stanowią integralną i po połączeniu w moduły fotowoltaiczne jedną z najważniejszych części całej instalacji fotowoltaicznej.
To ogniwa są miejscem, w którym dochodzi do transformacji energii słonecznej w prąd stały. Panel fotowoltaiczny to element, który najczęściej widzimy umieszczony na dachach domów i innych budynków i składa się on z modułów zasilających jeden falownik. Montaż na dachu lub na gruncie umożliwia konstrukcja wsporcza, której zadaniem jest także zapewnienie stabilności całego układu. Należy pamiętać, że panel codziennie wystawiany jest na działanie zmiennych warunków atmosferycznych – deszcz, grad, śnieg, wiatr itp.
Za pomiar dwukierunkowego przepływu prądu (tzn. analizę wielkości energii elektrycznej wyprodukowanej przez przydomową instalację fotowoltaiczną oraz pobraną z sieci energetycznej) odpowiada licznik dwukierunkowy. Może dojść do sytuacji, w której nasza instalacja wyprodukuje za dużo lub za mało energii w stosunku do zapotrzebowania. W przypadku nadwyżki energii zostaje ona przekazana do sieci energetycznej, a my, jako dostawca, możemy odebrać 80% wyprodukowanej przez naszą instalację energii. Sytuacja ta wiąże się z systemem opustów dla prosumentów – osób wytwarzających energię na własne potrzeby. Oto trzy scenariusze stosowanych scenariuszy:
1. Dla instalacji, której moc nie przekracza 10kWp obowiązuje stosunek 1:0,8 – w praktyce oznacza to, że za każdy 1kWh oddany do sieci właściciel mikroelektrowni (a więc prosument) może odebrać 0,8 kWh.
2. Instalacja, której moc oscyluje między 10 a 50 kWp prosument rozliczany będzie w stosunku 1:0,7. Oddana do sieci 1 kwH pozwoli na odbiór 0,7 kWh.
3. Gdy zapotrzebowanie nie może zostać w pełni pokryte przez wytworzoną i odebraną różnica zostaje wyrównana energią z sieci w stosunku 1:1.
Posiadamy już podstawową wiedzę na temat działania przydomowych systemów fotowoltaicznych. Czas na pochylenie się nad budową i funkcjonowaniem wspomnianemu wcześniej ogniwu fotowoltaicznemu.
Parę akapitów wcześniej wspomniano, że ogniwa zbudowane są z półprzewodnika, którym jest krzem. Pod wpływem energii zmienia się z izolatora w przewodnik. Można wyróżnić trzy typy ogniw.
Krzem o silnie uporządkowanej strukturze pozbawiony licznych defektów buduje ogniwa monokrystaliczne. Charakteryzują się one efektywnością przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną (nazywamy to sprawnością) na najwyższym poziomie. Sprawność modułu określić można na poziomie 15%-19%, co w oznacza, że energia promieniowania słonecznego padająca na 1m2 ogniwa w 15% przekształca się w energię elektryczną.
Zaraz po ogniwach monokrystalicznych plasują się ogniwa polikrystaliczne, które posiadają większą liczbę defektów oraz mniej uporządkowaną strukturę półprzewodnika – krzemu. Sprawność ogniw polikrystalicznych plasuje się na poziomie 14%-16%.
Ostatnim typem ogniw są amorficzne – zasada jest podobna – w ich liczba wad jest jeszcze większa, a krzem nie ma postaci kryształu, co prowadzi do najbardziej chaotycznej struktury, przez co sprawność wynosi od 9% do 14%.
Dwa pierwsze typy ogniw: mono- i poli-krystaliczne mogą z powodzeniem być wdrażane w instalacjach umieszczanych na dachach domów lub w ogrodach. Wraz ze sprawnością ogniw rośnie ich cena a także stopień zaawansowania wdrożenia. W przydomowych elektrowniach najczęściej spotkać można jednak ogniwa polikrystaliczne.
Ogniwa fotowoltaiczne posiadają moc od kilkudziesięciu miliwatów do kilku watów. To właśnie one zasilają drobną elektronikę. Aby otrzymać efekt synergii ogniwa łączone są ze sobą w moduły. Ogniwa powlekane są foliami EVA i PET, następnie umieszcza się je pod szkłem hartowanym i montowane są w ramce aluminiowej. Dzięki temu mamy pewność, że panel zabezpieczony jest przed uszkodzeniami, a konstrukcja jest trwała. Puszka przyłączeniowa z kablami pozwalają na połączenie ze sobą kilku modułów tworząc panel fotowoltaiczny. Decyzję zakupową paneli do instalacji fotowoltaicznej należy podjąć w oparciu o najważniejsze parametry mechaniczne i elektryczne warunkujące ich pracę i montaż.
Wśród parametrów mechanicznych paneli wyróżnić można m.in. wymiary, wytrzymałość oraz wagę modułów. Podczas porównywania modułów cechujących się tą samą mocną należy zwrócić szczególną uwagę wybór jednocześnie możliwie najmniejszych oraz najlżejszych paneli fotowoltaicznych. Mądry wybór paneli na tym etapie zaoszczędzi nam sporo czasu i energii – łatwiej będzie nam je rozplanować na dachu (lub w ogrodzie), nie obciążając zbytnio konstrukcji dachu.
Panele fotowoltaiczne wystawiane są na działanie różnych warunków atmosferycznych. Obciążenie modułu śniegiem i wiatrem, które nie spowoduje uszkodzenia określane jest wytrzymałością mechaniczną. W przypadku nacisku czapy śnieżnej symuluje się nacisk panelu od przodu, obciążenie panelu od tyłu pozwoli na zbadanie naporu wiatru. W obecnych na rynku rozwiązaniach przyjęło się, że optymalna wytrzymałość paneli fotowoltaicznych wynosi 5400 Pa od przodu (obciążenie śniegiem) i 2400 Pa od tyłu (napór wiatru). Co to oznacza w codziennym korzystaniu z paneli fotowoltaicznych? Nie musimy się martwić, ani wiatrem wiejącym z prędkością 130 km/h lub ani metrową pokrywą śnieżną zalegającą na panelach. Nie jest rekomendowane wybieranie paneli, które posiadają gorsze parametry niż wspomniane 5400 Pa i 2400 Pa.
Dokonując wyboru paneli fotowoltaicznych, poza kierowaniem się materiałem półprzewodnikowym – krzemem, warto wziąć pod uwagę także czynniki atmosferyczne, w jakich przyjdzie pracować naszej instalacji. Wyróżnić tu można m.in. natężenie promieniowania słonecznego, temperaturę, prędkość wiatru a także wilgotność powietrza i zanieczyszczenie atmosfery (smog). Ujednolicenie warunków laboratoryjnych, w których przeprowadzane są testy paneli pozwoliło na łatwiejsze porównywanie możliwości paneli różnych producentów. Panele testowane są w następujących warunkach (nazywane są Standaryzowanymi Warunkami Testowymi STC):
Moc paneli uzyskana w warunkach STC nazywana jest mocą w MMP (z ang. Maximum Power Point). Dzięki temu wskaźnikowi mamy informację, ile prądu wyprodukuje dany panel zbadany w warunkach STC i o określonej powierzchni podanej w m2.
Tolerancja mocy panelu fotowoltaicznego określa możliwe odchylenia wyniku mocy maksymalnej danego panelu w warunkach laboratoryjnych. Nie musimy się niczym martwić, jeśli wartość tolerancji mocy panelu jest dodatnia. W tym przypadku nasze panele mogą osiągnąć wyższą moc, niż ta deklarowana przez producenta. Sytuacja zgoła inna jest, gdy wartość jest ujemna – należy unikać takich paneli, gdyż osiągi paneli zostały prawdopodobnie zawyżone przez producentów.
W kartach katalogowych spotkać się można także z mocą w NOCT (ang. Normal Operating Cell Temperature). Wartość ta odpowiada mocy, jaką panele osiągają w warunkach swojej normalnej pracy, a nie warunków laboratoryjnych. Bierze się wtedy pod uwagę:
Przyjmuje się, że im bliższa wartość NOCT do MPP, tym lepiej.
Kolejnym parametrem, na który warto zwrócić uwagę jest wspomniana wcześniej sprawność. Dzięki tej informacji dowiemy się, jaka część energii promieniowania padającego na 1m2 ogniwa przetwarzana jest na energię, Warto decydować się na panele o wyższej sprawności, dzięki temu możemy umieścić mniej modułów na dachu naszego domu otrzymując przy tym taki sam wynik, jeśli wybierzemy panele o niższej sprawności, a cały dach zostanie nimi pokryty. Warto mieć przestrzeń na dachu w przypadku późniejszej rozbudowy systemu.
Kolejnymi parametrami są temperaturowy współczynnik mocy oraz temperatura modułu w warunkach NCOT. Pierwszy z nich informuje nas o procentowym zmniejszeniu mocy panelu przy jednoczesnym wzroście jego temperatury o każdy 1*C w stosunku do temperatury z warunków laboratoryjnych, tzn. 25*C. Temperatura modułu w warunkach NCOT mówi nam o tym, jaką temperaturę osiągnie panel podczas pracy w warunkach najbliższych rzeczywistym.
Warto zapamiętać, by kierować się temperaturowym współczynnikiem mocy bliskim zeru, a temperatura modułu w warunkach NCOT powinna osiągnąć wartość możliwie jak najmniejszą, a maksymalnie 45*C.
Panele fotowoltaiczne z biegiem czasu tracą swoją sprawność, pierwsze lata ich działania to spadek sprawności na poziomie 2-3%, kolejne lata to około 0,6% strat rocznie. W tym przypadku należy zwrócić szczególną uwagę na liniową gwarancję mocy. Przez liniową gwarancję mocy rozumie się minimalną efektywność panelu osiąganą w danym czasie. Standardem jest, aby sprawność plasowała się na poziomie 80% po 25 latach działania. W praktyce, jeśli przed upływem 25 lat efektywność paneli fotowoltaicznych spadnie poniżej 80% można ubiegać się o rekompensatę. Należy przy tym pamiętać, że liniowa gwarancja mocy to nie gwarancja produktu. Jeśli panele przestaną działać, pozostaje skorzystać z gwarancji producenta.
Poznaliśmy zależności między rodzaju półprzewodnika a efektywnością przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną. Wiemy też, na jakie parametry zwracać szczególną uwagę, który rodzaj paneli będzie najlepszy dla naszej instalacji oraz warunków atmosferycznych i nie tylko. Jak jednak dochodzi do zjawiska fotowoltaicznego w praktyce i na czym ono polega?
W tym przypadku trzeba bliżej przyjrzeć się budowie samego ogniwa, które składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Jedną z nich budują atomy posiadających większą liczbę elektronów na ostatniej z powłok, przez co charakteryzuje się ładunkiem ujemnym (warstwa typu n). Drugą budują atomy posiadające puste miejsca po elektronach – są to tzw. dziury (warstwa typu p). Warstwa ta posiada dodatni ładunek elektrycznym. Granica tych dwóch warstw jest miejscem, gdzie atomy z warstwy typu n “oddają” dodatkowe elektronu atomom z warstwy p uzupełniając ich dziury. Tym sposobem powstaje złącze p-n składające się z atomów o obojętnym ładunku elektrycznym.
Energia elektryczna produkowana w ogniwie jest tylko wtedy, gdy pada na nie światło słoneczne. Promienie słoneczne to fotony posiadające porcję energii, która docierając do ogniwa zostaje pochłonięta przez elektrony znajdujące się na ostatniej z powłok elektronowych atomów krzemu na złączu p-n. Elektrony w skutek dostarczonej energii zostają wytrącone z powłok i krążą po materiale półprzewodnikowym (krzemie) w warstwie typu n. W tym samym czasie w warstwie typu p zwiększa się liczba atomów z dziurami. Skutkuje to powstawaniem różnicy ładunków na obydwu warstwach – dochodzi do zjawiska napięcia. Swobodne elektrony z warstwy n dążą do ponownego napełnienia dziur w atomach znajdujących się w warstwie p. Rolę izolatora pełni w tym przypadku złącze p-n. Zamknięcie obwodu elektrycznego (poprzez przyłączenie odbiornika do ogniwa fotowoltaicznego) spowoduje przepływ wolnych elektronów w kierunku atomów z ładunkiem dodatnim. Tak właśnie powstaje prąd, a jego natężenie jest proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego, a także powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.
W kolejnym kroku powstały prąd stały trafia do falownika przekształcając go na prąd przemienny. Dzięki temu możliwe jest zasilenie naszych sprzętów AGD i RTV energią elektryczną.
