Jak działa fotowoltaika? Wyjaśniamy w kilku prostych krokach!

Energia elektryczna ze słońca? W ten sposób nie tylko chronimy środowisko i troszczymy się o naszą planetę, ale także dbamy o nasz portfel. Taka energia zapewnia nam wymierne oszczędności - zyskujemy prąd niemal za darmo. Brzmi interesująco? Wszystko to gwarantuje nam instalacja fotowoltaiczna. W poniższym artykule przedstawimy w kilku prostych krokach podstawowe zasady działania fotowoltaiki. Jak działa? Jakie elementy wchodzą w skład instalacji? Jaką drogę muszą pokonać promienie słoneczne, żebyśmy mogli korzystać z czystej i taniej energii w naszych domach?

Zasada działania instalacji fotowoltaicznej

Ogniwa fotowoltaiczne, z których zbudowane są moduły fotowoltaiczne, zamieniają energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Zjawisko to nazywamy efektem fotowoltaicznym. Wytworzony prąd stały przepływa przez inwerter (falownik) i zostaje przekształcony w prąd przemienny, czyli dokładnie taki jaki mamy w gniazdkach (230V). Uzyskaną energię elektryczną możemy zużywać na bieżąco, magazynować albo sprzedawać.

Z jakich elementów składa się instalacja fotowoltaiczna?

Do podstawowych elementów zestawu instalacji fotowoltaicznej możemy zaliczyć: panele PV, inwerter, system mocowania, okablowanie oraz akcesoria łączeniowe. W przypadku kiedy chcemy korzystać z wyprodukowanej energii również po zachodzie słońca, należy zastosować system magazynowania energii, czyli tzw. akumulator.

Panele fotowoltaiczne zbudowane są z ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo-równolegle. Pojedyncze ogniwo jest w stanie wyprodukować kilka watów energii elektrycznej. Czasami w instalacjach fotowoltaicznych stosuje się optymalizatory, które nie są niezbędnym elementem zestawu, ale w pewnych przypadkach (np. częściowe zacienienie modułów) ich zastosowanie może zwiększyć wydajność całej instalacji. Na czym polega ich zasada działania? Urządzenia stale śledzą maksymalną moc pojedynczego panelu, po czym przekazują niezbędne dane do inwertera – dzięki temu mamy pełną kontrolę nad pracą modułów i jesteśmy w stanie skutecznie zwiększyć produkcję energii elektrycznej. Moduły fotowoltaiczne mogą różnić się mocą, sprawnością oraz rodzajem. Wyróżniamy panele polikrystaliczne i monokrystaliczne. Dokładne różnice pomiędzy poszczególnymi rodzajami modułami omówimy w dalszej części artykułu.

Inwerter, nazywany również falownikiem, jest określany mianem serca instalacji - steruje pracą systemu PV. Jego głównym zadaniem jest zamiana prądu stałego na prąd zmienny, którego parametry umożliwiają zasilanie urządzeń elektrycznych oraz oddanie go do sieci energetycznej. Falownik pełni również funkcję zabezpieczającą podczas awarii, kiedy następuje zanik napięcia w sieci. Odpowiada on wtedy za odłączenie instalacji PV i przerwanie dostawy energii do sieci publicznej.

Cały układ przymocowany jest do dachu lub podłoża za pomocą systemu montażowego. Najczęściej taki system wykonany jest z aluminium i/lub ze stali nierdzewnej, ze względu na odporność tych materiałów na korozję. Poza dachem i gruntem panele można montować również na balustradach, balkonach czy elewacji.

Aby połączyć poszczególne elementy instalacji w całość wykorzystywane są specjalistyczne akcesoria, do których należą, m.in. skrzynki przyłączeniowe, zabezpieczenia AC/DC, rozgałęźniki czy złącza MC4. Wszystkie te elementy muszą być wodoszczelne i zapewnić niezawodność łączeniową. Okablowanie wykorzystywane do tego rodzaju instalacji powinno być odporne na promienie UV oraz skrajne warunki atmosferyczne.

Schemat działania instalacji fotowoltaicznej

Pozyskanie energii elektrycznej ze słońca to złożony proces, który przebiega określonymi etapami. Jak działa fotowoltaika? W kilku krokach postaramy się przybliżyć jej zasadę działania.

1. Połączone ogniwa fotowoltaiczne tworzą moduły, które są zamontowane na budynku (lub gruncie) na za pomocą specjalnego systemu mocowania, który zapewnia stabilność całego układu.
2. Ogniwa fotowoltaiczne przekształcają energię słoneczną, która dociera do paneli w prąd stały (efekt fotowoltaiczny). Grupa modułów zasila inwerter.
3. Powstały w modułach prąd stały zostaje przekazany do falownika (inwertera), gdzie przekształcany jest w prąd zmienny. Falownik – serce instalacji, jest odpowiedzialny za pracę całej fotowoltaiki - sprawdza jak działa system i kontroluje jego pracę.
4. Licznik dwukierunkowy to niezbędny element instalacji fotowoltaicznej, bez którego nie może zacząć pracować i produkować energii. Zasadą jego działania jest pomiar dwukierunkowego przepływu prądu, tzn. zlicza energię elektryczną wyprodukowaną przez naszą instalację oraz pobraną z sieci publicznej. Licznik montowany jest przez zakład energetyczny.
5. Energia wytwarzana przez instalację fotowoltaiczną jest podłączona do sieci energetycznej operatora. Energia niezużyta na własne potrzeby jest wysyłana do sieci publicznej. Gdy w pewnym okresie produkcja energii słonecznej nie wystarcza na zaspokojenie potrzeb gospodarstwa, zgromadzona wcześniej może być bezpłatnie odebrana z sieci.
6. Dzięki instalacji fotowoltaicznej zyskujemy ogromne oszczędności i dbamy o środowisko naturalne. Od tej chwili w naszym gospodarstwie domowym mamy darmowy prąd ze słońca.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?

Ogniwa to elementarne części paneli fotowoltaicznych. Aby mógł zajść w nich odpowiedni proces przemiany energii słonecznej w energię elektryczną, muszą być zbudowane z materiałów półprzewodzących – najczęściej krzemu.

Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne osiągają moc do kilku watów. Z jednego ogniwa nie zasilimy więc urządzeń większych niż drobna elektronika. Z tego względu, aby wytworzyć więcej energii ogniwa łączy się w szereg i w ten sposób otrzymujemy moduły.

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Znajdująca się na górze pierwsza z nich stanowi cienką i przezroczystą powłokę. Nad nią umiejscawia się elektrodę ujemną i powłokę antyrefleksyjną. Spód stanowi elektroda dodatnia. Druga, dolna warstwa jest grubsza. Obie warstwy oddzielone są odpowiednią barierą potencjałów, opartą o złącza p-n, czyli półprzewodników niesamoistnych. Taka konstrukcja jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania systemu.

Jak to się dzieje, że w ogniwach fotowoltaicznych dochodzi do zmiany energii słonecznej na elektryczną? Zasada ich działania jest prosta. Do ogniwa dociera światło, które w swojej najmniejszej skali składa się z fotonów. Krzem w ogniwie pochłania foton i wybija elektron z jego pozycji, w ten sposób zmuszając go do ruchu. Ruch elektronów to przepływ prądu elektrycznego.

Różnice pomiędzy panelami polikrystalicznymi i monokrystalicznymi

Wszystkie panele fotowoltaiczne posiadają zestaw parametrów mechanicznych i elektrycznych definiujących warunki ich pracy i montażu. Przyjrzyjmy się kilku najważniejszym, na podstawie których najczęściej podejmuje się decyzje odnośnie wyboru paneli do instalacji fotowoltaicznej.

Do parametrów mechanicznych zaliczamy przede wszystkim: wymiary, wytrzymałość i wagę modułów. 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 dachu, ale również nie obciążymy zbytnio jego konstrukcji.

Do najważniejszych parametrów elektrycznych paneli fotowoltaicznych zaliczamy moc oraz sprawność. Są one zależne od kilku czynników, m.in. rodzaju i jakości materiału półprzewodnikowego z jakiego są wykonane czy warunków atmosferycznych, takich jak: natężenie promieniowania słonecznego, temperatura, prędkość wiatru, wilgotność powietrza, zanieczyszczenie atmosfery itd.

Najpopularniejszy podział paneli fotowoltaicznych ze względu na rodzaj wykorzystanych ogniw fotowoltaicznych dzieli je na monokrystaliczne i polikrystaliczne.

Rodzaj:	Polikrystaliczne	Monokrystaliczne
Wygląd	Jasny, odblaskowy, niebieski kolor	Ciemnogranatowy, nawet czarny kolor
Moc pojedynczego modułu:	Średnio 270-285 Wp	Średnio 300-360 Wp
Sprawność:	15-16%	18-20%
Zalety:	- niższa cena, - lepsza praca w warunkach światła rozproszonego (zachmurzenie)	- wyższa wydajność, - lepsza odporność na wysokie temperatury, - lepsza praca w warunkach intensywnego światła słonecznego, - wysoka trwałość, - mniejsza powierzchnia instalacji
Wady:	- niższa wydajność - większa powierzchnia instalacji, - słabsza odporność wysokie temperatury	- wyższa cena

Pierwszą, najbardziej widoczną różnicą jest kolor. Moduły o ciemnoniebieskim, a nawet czarnym kolorze, to panele monokrystaliczne. Z kolei jaśniejsze panele fotowoltaiczne, najczęściej jasnoniebieskie. to panele polikrystaliczne.

Kolejna cecha, która ma bardzo duże znaczenie w funkcjonowaniu modułów, to rodzaj ogniw zastosowanych w panelach. Panele monokrystaliczne wykonane są z monokryształu krzemu, który w czasie produkcji przycinany jest do kształtu ośmiokąta. Panele polikrystaliczne z kolei, wykonywane są z polikryształu krzemu, który jest prostokątny lub kwadratowy.

Poza budową oraz wyglądem zewnętrznym, panele monokrystaliczne i polikrystaliczne różnią się także wydajnością. W przypadku paneli fotowoltaicznych monokrystalicznych, ich sprawność, po zamontowaniu i przy założeniu, że zostało to wykonane prawidłowo, szacuje się na około 20%. W przypadku modułów polikrystalicznych, sprawność oscyluje na poziomie 15-16%.

Jakie panele fotowoltaiczne wybrać: monokrystaliczne czy polikrystaliczne?

To, na który rodzaj instalacji fotowoltaicznej się zdecydujemy, w największej mierze zależy od tego, jak duże zapotrzebowanie na energię elektryczną jest w naszym gospodarstwie domowym. Nie bez znaczenia jest także ilość miejsca na dachu oraz cena samej fotowoltaiki.

Do niedawna dominowały instalacje fotowoltaiczne oparte na panelach polikrystalicznych. Wynikało to głównie z dużej różnicy w cenie. Obecnie jednak ta różnica stała się na tyle niewielka, że coraz większą popularnością zaczęły cieszyć się moduły monokrystaliczne. Ich przewagą jest większa sprawność, co sprawia, że instalacja zajmuje mniej miejsca na dachu. Więcej o cenie paneli fotowoltaicznych znajdziesz tutaj!

Podsumowując zatem, jeżeli problemem jest niewielka ilość miejsca na dachu to najlepszą opcją są moduły monokrystaliczne. Natomiast jeżeli zależy nam przede wszystkim na niższej cenie, instalacja może być oparta na mniej wydajnych i tańszych panelach polikrystalicznych. Pamiętajmy jednak, że zdecydowanie najważniejszą kwestią przy wyborze instalacji fotowoltaicznej jest jej prawidłowy dobór do zapotrzebowania energetycznego budynku. Całą resztę, w tym rodzaj modułów fotowoltaicznych, dostosowujemy właśnie do tej informacji.

Sekcja FAQ: Pytania i odpowiedzi

Z jakich elementów składa się instalacja fotowoltaiczna?

Do podstawowych elementów zestawu instalacji fotowoltaicznej zaliczamy: panele PV, inwerter, system mocowania, okablowanie, akcesoria łączeniowe oraz licznik dwukierunkowy montowany przez zakład energetyczny. Czasami w instalacjach fotowoltaicznych stosuje się optymalizatory, które nie są niezbędnym elementem zestawu, ale w pewnych przypadkach (np. częściowe zacienienie modułów) ich zastosowanie może zwiększyć wydajność całej instalacji.

Jak działa zestaw fotowoltaiczny?

Ogniwa fotowoltaiczne, z których zbudowane są moduły fotowoltaiczne, zamieniają energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Zjawisko to nazywamy efektem fotowoltaicznym. Wytworzony prąd stały przepływa przez inwerter (falownik) i zostaje przekształcony w prąd przemienny, czyli dokładnie taki jaki mamy w gniazdkach (230V). Uzyskaną energię elektryczną możemy zużywać na bieżąco, magazynować albo sprzedawać.

Jak działa ogniwo fotowoltaiczne?

Ogniwa to elementarne części paneli fotowoltaicznych. Podstawową zasadą ich działania jest zmiana energii słonecznej na elektryczną. Do ogniwa dociera światło, które w swojej najmniejszej skali składa się z fotonów. Krzem w ogniwie pochłania foton i wybija elektron z jego pozycji, w ten sposób zmuszając go do ruchu. Ruch elektronów to przepływ prądu elektrycznego.

Jak dobrać moc instalacji fotowoltaicznej?

Moc instalacji fotowoltaicznej dobierana jest na podstawie audytu energetycznego, w którym główną rolę odgrywa wysokość rocznego zużycia energii elektrycznej gospodarstwa domowego. Analizowane są dotychczasowe rachunki otrzymywane z zakładu energetycznego, jak również ewentualne plany inwestycyjne właścicieli nieruchomości (np. montaż klimatyzacji czy zmiana ogrzewania na pompę ciepła). Instalacja fotowoltaiczna, której moc została poprawnie dobrana, powinna wyprodukować rocznie tyle energii, aby całkowicie pokryć roczne zużycie prądu.