Jak działa fotowoltaika? – przewodnik po OZE

W obliczu rosnących kosztów energii elektrycznej i zmian klimatycznych coraz więcej osób decyduje się na inwestycję w fotowoltaikę. Jest to nie tylko sposób na obniżenie rachunków za prąd, ale także metoda na zmniejszenie naszego wpływu na środowisko naturalne. W artykule tym wyjaśnimy, jak dokładnie działa fotowoltaika, omówimy jej historię, zasady funkcjonowania oraz różne rodzaje instalacji fotowoltaicznych, w tym instalacji PV, magazynów energii oraz ich integracji z siecią energetyczną.

Fotowoltaika – Co to jest?

Fotowoltaika działa na zasadzie przekształcania energii słonecznej na energię elektryczną. Kluczowym elementem w tym procesie są ogniwa fotowoltaiczne, które są zbudowane z materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, german czy selen.

Jak działa fotowoltaika i jak produkuje prąd?

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw półprzewodnika, które są od siebie oddzielone złączem typu p-n. Górna warstwa to cienka warstwa typu n, która jest przezroczysta i pozwala na przenikanie światła, a dolna warstwa to grubsza warstwa typu p. Kiedy fotony (cząsteczki światła) padają na ogniwo fotowoltaiczne, energia tych fotonów jest pochłaniana przez półprzewodnik, co powoduje wybijanie elektronów z ich pozycji. Te swobodne elektrony zaczynają się przemieszczać, tworząc przepływ prądu elektrycznego.

Prąd stały (DC) generowany przez ogniwa fotowoltaiczne jest następnie przekształcany na prąd zmienny (AC) przez inwerter (falownik). Prąd zmienny jest tym, który możemy bezpośrednio wykorzystać do zasilania domowych urządzeń elektrycznych. W systemach on-grid, nadwyżka energii może być wysyłana do sieci energetycznej, co pozwala na efektywne zarządzanie wyprodukowaną energią.v

Z czego składa się instalacja fotowoltaiczna?

Panele fotowoltaiczne, znane również jako panele PV, składają się z połączonych ze sobą modułów fotowoltaicznych. Moduł to nic innego jak układ połączonych szeregowo lub szeregowo-równolegle ogniw fotowoltaicznych. Moduły są umieszczane w aluminiowej ramie, a od dołu i od góry są chronione przezroczystą folią i szkłem hartowanym, które zmniejsza ilość odbitego promieniowania słonecznego, co minimalizuje straty energii.

W puszce przyłączeniowej, umieszczonej na każdym panelu, znajdują się diody bocznikujące, które chronią panel przed przegrzaniem i zapobiegają znacznemu obniżeniu wydajności w przypadku częściowego zacienienia. Panele montuje się zazwyczaj na dachu budynku, aby zapewnić jak najlepsze warunki nasłonecznienia.

Rodzaje instalacji fotowoltaicznych

Instalacje fotowoltaiczne, w tym instalacje PV, można podzielić na kilka rodzajów w zależności od sposobu ich integracji z siecią elektroenergetyczną oraz miejsca montażu.

Instalacje On-grid

Najpopularniejszym typem instalacji są instalacje On-grid, które są podłączone do sieci energetycznej. W takim systemie, nadwyżki energii elektrycznej, które nie są wykorzystywane na bieżąco, mogą być odsyłane do sieci, a w przypadku braku słońca energia jest pobierana z sieci publicznej. Aby umożliwić taki przepływ energii, niezbędny jest licznik dwukierunkowy, który monitoruje zarówno ilość energii pobieranej z sieci, jak i energii do sieci wprowadzanej.

Instalacje Off-grid

Instalacje Off-grid to systemy niezależne od sieci energetycznej. W takim systemie energia jest magazynowana w akumulatorach, co pozwala na jej wykorzystanie w nocy lub w czasie złych warunków pogodowych. Tego typu instalacje są rzadziej spotykane ze względu na wyższe koszty związane z magazynowaniem energii.

Instalacje hybrydowe

Instalacje hybrydowe łączą cechy obu powyższych systemów, umożliwiając zarówno magazynowanie energii w akumulatorach, jak i odsyłanie nadwyżek do sieci energetycznej. W przypadku przerwy w dostawie prądu, taki system automatycznie przełącza się na tryb Off-grid.

Jak dobrać moc instalacji fotowoltaicznej?

Dobór mocy instalacji fotowoltaicznej zaczyna się od analizy rocznego zużycia energii elektrycznej, które można określić na podstawie rachunków za prąd z ostatnich 12 miesięcy. Znając roczne zużycie w kWh, można oszacować potrzebną moc instalacji, przyjmując, że 1 kWp mocy zainstalowanej produkuje rocznie od 900 do 1 100 kWh energii. Ważne jest także uwzględnienie przyszłych zmian w zużyciu energii, na przykład planowanego zakupu energochłonnych urządzeń, co może wpłynąć na konieczność zwiększenia mocy instalacji. Dodatkowo, dostępna powierzchnia na dachu, jego orientacja, nachylenie oraz potencjalne zacienienie są kluczowymi czynnikami wpływającymi na efektywność instalacji i powinny być dokładnie przeanalizowane.

Wybór odpowiedniej mocy instalacji powinien również uwzględniać sposób rozliczania nadwyżek energii, np. w systemie net-billing, gdzie nadwyżki mogą być sprzedawane do sieci, ale zimą może być konieczne dokupienie brakującej energii. Ostateczny dobór mocy warto skonsultować z ekspertem, który przeprowadzi profesjonalny audyt energetyczny, biorąc pod uwagę specyficzne warunki lokalne oraz indywidualne potrzeby gospodarstwa domowego. Tylko dobrze dobrana moc instalacji fotowoltaicznej zapewni optymalne wykorzystanie energii słonecznej, maksymalizując oszczędności i minimalizując koszty zakupu energii z sieci.

Wydajność fotowoltaiki – co na nią wpływa?

Wydajność instalacji fotowoltaicznej zależy od wielu czynników. Kluczowymi z nich są:

Parametry paneli fotowoltaicznych: Wysoka sprawność paneli PV, która w przypadku paneli monokrystalicznych może sięgać od 15% do 20%, jest kluczowa dla uzyskania maksymalnej ilości energii.
Montaż paneli: Najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy panele są skierowane na południe pod kątem 35-45 stopni. W polskich warunkach klimatycznych, optymalne nachylenie wynosi około 35 stopni.
Zacienienie: Cień jest największym wrogiem fotowoltaiki. Nawet niewielkie zacienienie może drastycznie obniżyć wydajność całej instalacji. Dlatego bardzo ważne jest, aby dokładnie zaplanować miejsce montażu paneli, uwzględniając możliwe źródła cienia.
Nasłonecznienie: Ilość promieniowania słonecznego docierającego do paneli PV jest kluczowym czynnikiem wpływającym na ilość wyprodukowanej energii. W Polsce średnie roczne nasłonecznienie wynosi od 900 do 1300 kWh/m².
Pora roku: W Polsce najwięcej energii słonecznej uzyskuje się od marca do września, podczas gdy w miesiącach jesienno-zimowych produkcja jest znacznie mniejsza.

Wady i zalety fotowoltaiki

Jak każda technologia, fotowoltaika ma swoje wady i zalety.

Zalety:

Niezależność energetyczna: Fotowoltaika pozwala na uniezależnienie się od zewnętrznych dostawców energii, co może być kluczowe w czasach rosnących cen energii.
Oszczędności: Dzięki instalacji PV można znacząco obniżyć rachunki za prąd, a w niektórych przypadkach nawet całkowicie je wyeliminować.
Ekologia: Fotowoltaika jest przyjazna dla środowiska, ponieważ nie generuje szkodliwych emisji podczas produkcji energii.
Bezpłatne źródło energii: Energia słoneczna jest darmowa i praktycznie niewyczerpywalna.

Wady:

Wysoki koszt początkowy: Inwestycja w fotowoltaikę wymaga dużych nakładów finansowych, chociaż możliwe są różne formy wsparcia finansowego, takie jak dotacje czy ulgi podatkowe.
Zależność od warunków pogodowych: Produkcja energii zależy od ilości słońca, co oznacza mniejszą wydajność w pochmurne dni i zimą.
Zmieniające się przepisy: Regulacje prawne dotyczące fotowoltaiki mogą ulegać zmianom, co może wpływać na opłacalność inwestycji.

Fotowoltaika a solary – podstawowe różnice

Choć zarówno panele fotowoltaiczne, jak i kolektory słoneczne (solary) wykorzystują energię promieniowania słonecznego, to służą one do różnych celów. Fotowoltaika przekształca energię słoneczną w energię elektryczną, podczas gdy solary służą do podgrzewania wody użytkowej. Solary są wybierane głównie przez osoby, którym zależy na obniżeniu kosztów podgrzewania wody, podczas gdy fotowoltaika jest bardziej uniwersalnym rozwiązaniem, które pozwala na zasilanie całego domu energią elektryczną.

Czy fotowoltaika działa zimą?

Zimą, ze względu na mniejsze nasłonecznienie i krótsze dni, produkcja energii elektrycznej przez panele PV jest niższa. Jednak nowoczesne panele są zaprojektowane tak, aby działały efektywnie nawet w niskich temperaturach, które mogą sięgać nawet minus 40 stopni Celsjusza. Śnieg pokrywający panele zmniejsza ich wydajność, ale zazwyczaj szybko się topi, a poślizgowa powierzchnia paneli ułatwia zsuwanie się śniegu.

Jakie panele fotowoltaiczne wybrać?

Na rynku dostępne są różne rodzaje paneli fotowoltaicznych:

Panele monokrystaliczne: Charakteryzują się najwyższą sprawnością, wynoszącą od 15% do 20%, co czyni je najbardziej efektywnym rozwiązaniem.
Panele polikrystaliczne: Są nieco mniej efektywne (14-18%), ale nadal cieszą się dużą popularnością. Obecnie producenci coraz częściej rezygnują z ich produkcji na rzecz paneli monokrystalicznych.
Panele amorficzne: Mają niską sprawność (6-10%), ale ich zaletą jest mniejszy spadek mocy wraz ze wzrostem temperatury.
Panele w technologii MWT, HCC, PERC i TOPCon: Nowoczesne technologie, które zwiększają sprawność paneli, dzięki zastosowaniu zaawansowanych materiałów i technik produkcji.

Podsumowanie

Fotowoltaika to zaawansowana technologia, która pozwala na przekształcanie energii słonecznej w energię elektryczną dzięki efektowi fotowoltaicznemu. Dzięki rozwojowi tej technologii systemy fotowoltaiczne mogą znacząco zmniejszyć nasze rachunki za prąd, a jednocześnie przyczynić się do ochrony środowiska. Chociaż inwestycja w instalację PV wymaga początkowo dużych nakładów finansowych, to dzięki dostępnym formom wsparcia oraz oszczędnościom na rachunkach, może się ona szybko zwrócić. Fotowoltaika to przyszłość energetyki, która już dziś staje się rzeczywistością w coraz większej liczbie domów i firm na całym świecie. Dzięki licznikom dwukierunkowym i roli prosumentów, wytwarzanie energii przez fotowoltaikę nie tylko zaspokaja potrzeby indywidualnych użytkowników, ale również przyczynia się do stabilizacji i zrównoważenia sieci energetycznej.