Fotowoltaika

Fotowoltaika – co to jest i jak działa system fotowoltaiczny?

LMVGroup
16 stycznia, 2025 0 Comment

W ostatnich latach cały czas mówi się o tym, czym jest energia słoneczna i fotowoltaika. W poniższym kompendium wiedzy opiszemy, jak działa fotowoltaika, jak wygląda montaż instalacji fotowoltaicznej, a także dlaczego panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd. Zapraszamy do lektury!

Czym jest właściwie fotowoltaika?

Fotowoltaika to technologia, która umożliwia pozyskanie energii elektrycznej ze światła słonecznego, a także jej konwersję za pomocą inwertera, czyli falownika. Uzyskany w ten sposób prąd elektryczny możemy wykorzystać na użytek swój, a także na potrzeby użytkowników zewnętrznych. Warto podkreślić, że w zależności od wariantu, który wybierzemy (systemy on-grid i systemy off-grid), sposób działania instalacji będzie się nieznacznie różnił.

Krótka historia o fotowoltaice, czyli jak to się zaczęło?

Nie wszyscy wiedzą, że fotowoltaika, czyli technologia przetwarzania światła słonecznego na energię elektryczną, ma swoje korzenie w XIX wieku. W 1839 roku francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny, który stał się podstawą całej naukowej dziedziny. Warto jednak podkreślić, że pierwsze ogniwo fotowoltaiczne powstało dopiero w 1954 roku. Zastosowano w nim krzem, dzięki któremu dokonano konwersji enegii świetlnej na prąd. W latach 60. działanie paneli fotowoltaicznych wykorzystano do zasilenia komponentów wchodzących w skład satelit, a nawet sond kosmicznych.

Z czego składa się system fotowoltaiczny?

Fotowoltaika przekształca energię światła słonecznego w prąd elektryczny. Jakie komponenty elektryczne wchodzą w skład tej instalacji? Elementem, na który pada światło słoneczne, jest oczywiście panel, który umieszczony jest na specjalnej (sterowanej lub zamocowanej „na stałe”) konstrukcji nośnej. Następnym komponentem jest inwerter, zwany też falownikiem, dzięki któremu uzyskujemy prąd o parametrach takich, jak te, które występują w gniazdku. Ważnym komponentem fotowoltaiki jest też licznik, którego wskazania są podstawą do dalszych rozliczeń.

Jak działa system fotowoltaiczny? Etapy pozyskiwania energii słonecznej

Tak, jak mówiliśmy wcześniej, fotowoltaika przekształca energię słoneczną w elektryczną. Skutkiem tego powstaje prąd stały, gdyż tylko taki może zostać wygenerowany przez panele. Następnie prąd ten przepływa okablowaniem do inwertera, gdzie zachodzą dwa procesy:

  • konwersja przebiegu stałego w zmienny, który powinien być idealną sinusoidą,
  • konwersja napięcia do wartości 230 V.

System off-grid i on-grid

System off-grid działa poza siecią energetyczną. Dlatego nadwyżkę wykorzystanej przezeń energii warto magazynować w tzw. magazynach, czyli przeznaczonych do tego celu akumulatorach o dużej liczbie cykli ładowania/rozładowania. Z kolei system on-grid działa zależnie od sieci energetycznej. W tym przypadku zasada działania instalacji fotowoltaicznej jest nieco inna, gdyż wspomniana nadwyżka jest oddawana do sieci. To oznacza, że magazyn energii na ogół nie jest potrzebny, gdyż deficyt mocy jest pokrywany energią z sieci.

Czy można magazynować energię i wykorzystać ją później? Jak działa magazyn energii?

Nadwyżkę energii wyprodukowanej przez instalację fotowoltaiczną można wykorzystać później. Magazynowanie energii elektrycznej jest możliwe w magazynach energii. Gdy wartość mocy docierającej z paneli jest zbyt mała, można wykorzystać powstałą w ten sposób rezerwę w dowolny sposób. Warto pamiętać, że ilość energii generowanej przez działanie instalacji fotowoltaicznej nie jest stała. Ilość pozyskiwanego prądu zależy m.in. od kąta nachylenia promieni słonecznych, pory dnia lub roku, a także pogody.

Rozliczanie nadwyżek z instalacji fotowoltaicznej w net-billingu

Net-billing to aktualnie obowiązujący system rozliczania nadwyżek energii z instalacji fotowoltaicznej, który zastąpił wcześniejszy model opustów. W tym systemie wartość wyprodukowanej energii jest przeliczana na pieniądze według rynkowej ceny energii, a następnie umieszczana na specjalnym koncie prosumenta, czyli tzw. koncie depozytowym. Jak działa on w praktyce?

  • Produkcja energii: Instalacja fotowoltaiczna generuje energię elektryczną, z której część jest zużywana na bieżąco, a nadwyżki trafiają do sieci.
  • Sprzedaż nadwyżek: Nadmiar energii jest sprzedawany operatorowi po cenie rynkowej, zgodnie z cennikiem godzinowym obowiązującym na giełdzie energii.
  • Zakup energii: W razie zapotrzebowania na energię, np. w nocy lub w zimie, prosument kupuje prąd z sieci po cenach rynkowych, które mogą być wyższe od cen sprzedaży.

Ogniwo, moduł a panel fotowoltaiczny – różnice. Jak zbudowane jest ogniwo, a jak moduł?

Ogniwo, moduł i panel fotowoltaiczny to trzy pojęcia związane z budową instalacji fotowoltaicznych, które często bywają używane zamiennie, choć różnią się znaczeniem.

Ogniwo fotowoltaiczne ]

Ogniwo fotowoltaiczne to najmniejszy element całej instalacji. Jego zadaniem jest przekształcenie energii słonecznej w prąd, wykorzystując do tego celu zjawisko generowania siły elektromotorycznej przez cienką warstwę półprzewodnika, którym w tym przypadku jest krzem. Ogniwo generuje relatywnie niewielkie napięcie. Wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych ma sens wówczas, gdy zostaną one ze sobą galwanicznie połączone w sposób szeregowy i równoległy.

Moduł fotowoltaiczny

Moduł fotowoltaiczny to element, który składa się z wielu pojedynczych ogniw fotowoltaicznych. Zwykle w jego skład wchodzą 60 lub 72 ogniwa, a jego łączne wymiary wynoszą 1 x 1,7 metra. Warto dodać, że moduły często są wyposażone w dodatkowe warstwy ochronne, takie jak np. folia EVA, która dodatkowo chroni je przed uszkodzeniami mechanicznymi. Moduł wytwarza większą energię niż ogniwo. Im większa liczba modułów, tym tej energii jest więcej.

Panel fotowoltaiczny

Panel fotowoltaiczny to termin często stosowany zamiennie z modułem, jednak w praktyce oznacza kompletny element instalacji, gotowy do montażu. W zależności od wariantu, jest to pojedynczy moduł lub zestaw kilku połączonych ze sobą galwanicznie modułów. Panel wyposażony jest w rozwiązania umożliwiające montaż instalacji fotowoltaicznej w wybranym miejscu.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne? Od czego zależy moc instalacji fotowoltaicznej?

Ogniwa fotowoltaiczne przekształcają światło słoneczne w energię elektryczną dzięki zjawisku fotowoltaicznemu. Proces ten opiera się na właściwościach materiałów półprzewodnikowych, takich jak krzem, i odbywa się w kilku kluczowych etapach:

  1. Pochłanianie światła słonecznego

Na tym etapie ogniwo, czyli element systemu fotowoltaicznego, pochłania energię słoneczną. Fotony, które stanowią istotę światła, pobudzają jego elektrony, dzięki czemu te są niejako „wybijane” z określonego miejsca.

  1. Powstanie par elektron – dziura

Powyższy proces doprowadził do zjawiska, dzięki któremu działa instalacja fotowoltaiczna. Stworzenie par elektron-dziura umożliwia przepływ ładunków elektrycznych w obrębie tworzywa półprzewodnikowego. Dzięki temu jest możliwa produkcja energii elektrycznej.

  1. Różnica potencjałów

W tym miejscu warto podkreślić, że fotowoltaika zamienia energię słoneczną w elektryczną dlatego, że ogniwo stanowiące jej podstawowy budulec składa się z dwóch warstw półprzewodnika: n i p. Warstwa n jest bogata w elektrony, dzięki czemu zyskuje potencjał ujemny. Z kolei warstwa typu p jest uboga w elektrony, dzięki czemu ma potencjał dodatni. Zaistnieje różnicy potencjałów pozwala na przepływ prądu elektrycznego.

  1. Przepływ prądu

Powyższa zależność sprawia, że pomiędzy warstwą n i p przepływa strumień elektronów (z warstwy n do p) przez zewnętrzny obwód. Uzyskana w ten sposób energia elektryczna ma przebieg stały w funkcji czasu.

Czym się różnią się panel fotowoltaiczne od paneli solarnych?

Panele fotowoltaiczne i solarne, choć często mylone, pełnią zupełnie inne funkcje i działają na odmiennych zasadach. Oba rodzaje paneli wykorzystują energię słoneczną, ale w różny sposób, dlatego ważne jest zrozumienie ich specyfiki.

Fotowoltaika produkuje prąd. Panele fotowoltaiczne pochłaniają energię słoneczną, by móc wygenerować w ten sposób energię elektryczną. Można ją następnie zmagazynować, oddać do sieci energetycznej, a także wykorzystać na własne potrzeby, dzięki czemu posiadacz instalacji zyskuje dostęp do taniej, a nawet darmowej energii słonecznej.

Inaczej sprawa wygląda w przypadku paneli solarnych, które posiadają rurki wypełnione cieczą (np. glikolem). Ciecz ta nagrzewa się pod wpływem promieni słonecznych i transportuje ciepło do wymiennika w systemie grzewczym. Oznacza to, że w przypadku paneli solarnych nie powstaje prąd stały, lecz ciepło, które następnie jest wykorzystywane na użytek domowy. Na marginesie warto dodać, że energia promieniowania słonecznego jest w tych systemach wykorzystywana bardzo efektywnie, a sam zbiornik na ciepłą wodę jest odpowiednio izolowany przed warunkami zewnętrznymi.

Jakie są rodzaje paneli fotowoltaicznych? Jaka jest ich zasada działania?

Panele fotowoltaiczne dzielą się na kilka typów, różniących się budową, efektywnością oraz zastosowaniem. Wybór odpowiedniego rodzaju zależy od warunków instalacji, budżetu i oczekiwań dotyczących wydajności. Fotowoltaiczna instalacja elektryczna może dzięki temu wyróżniać się nieco innymi właściwościami. Jakimi?

  1. Panele fotowoltaiczne monokrystaliczne – wyróżniają się ciemną, jednolitą barwą, która świadczy o tym, że do ich produkcji użyto pojedynczego kryształu krzemu. Charakteryzują się one doskonałą efektywnością, w związku z czym sprawdzają się na małych dachach. Ich zaletą jest również lepsza wydajność w warunkach słabego nasłonecznienia.
  2. Panele fotowoltaiczne polikrystaliczne – wytwarzane są z wielu kryształów krzemu, dzięki czemu zyskują niebieskawy wygląd. Ich efektywność jest niższa, ale za to są one bardziej ekonomiczne w przypadku budynków o dużej powierzchni dachów. Ich niekwestionowaną zaletą jest zdecydowanie niższa cena niż w przypadku paneli monokrystalicznych.
  3. Panele fotowoltaiczne amorficzne – to ciekawy przypadek instalacji fotowoltaicznej, gdzie panel ma postać cienkiej warstwy krzemu, którą można osadzić na różnych podłożach. Ich efektywność jest stosunkowo niska, ale za to świetnie sprawdzają się one w warunkach rozproszonego światła. Można je instalować na niewielkich powierzchniach, w tym w urządzeniach przenośnych. Ich zaletą jest niska cena, a także niewielka waga.
  4. Panele fotowoltaiczne hybrydowe – to elementy, które łączą cechy paneli monokrystalicznych i cienkowarstwowych, dzięki czemu oferują wysoką wydajność. Stosuje się je w miejscach o ekstremalnych warunkach pogodowych oraz wymagających najwyższej sprawności. Fotowoltaika zbudowana hybrydowo uzyskuje najlepsze osiągi w szerokim zakresie temperatur.
  5. Panele fotowoltaiczne bifacjalne – to konstrukcje, które niezależnie od systemu mocowania pozwalają na „zbieranie” energii słonecznej po obydwu stronach panelu. Dzięki temu zjawisko fotoemisji zachodzi nie tylko w odniesieniu do światła padającego od strony Słońca, ale też odbitego od podłoża. Dzięki temu panel generuje jeszcze większą moc prądu stałego, zwłaszcza jeśli jest usytuowany na jasnym podłożu.
  6. Panele fotowoltaiczne BIPV (zintegrowane z budynkami) – to instalacje, które są wbudowane w elementy konstrukcyjne budynku, takie jak dachówki, okna czy elewacje. Dzięki temu stanowią one integralną część domu, choć ich efektywność jest nieco mniejsza. Panele te znajdują zastosowanie zwłaszcza tam, gdzie kluczową rolę odgrywa estetyka projektu. Ich wykorzystanie eliminuje potrzebę instalacji tradycyjnych paneli słonecznych z wykorzystaniem dedykowanych konstrukcji pod panele.

Czy w Polsce mamy dobre warunki atmosferyczne do fotowoltaiki? Od czego zależy efektywność systemu?

Polska ma odpowiednie warunki atmosferyczne do efektywnego wykorzystania fotowoltaiki. Chociaż nasłonecznienie w naszym kraju nie jest tak wysokie jak w południowych regionach Europy, to średnia ilość energii słonecznej wynosi około 1000–1200 kWh/m² rocznie. Jest to wystarczające, aby instalacje fotowoltaiczne były opłacalne i efektywne. Warto również dodać, że wraz ze zjawiskiem globalnego ocieplenia średnia roczna ilość mocy instalacji fotowoltaicznej wzrasta.

W tym miejscu warto podkreślić, że najlepsze warunki do instalacji fotowoltaiki panują w południowej i centralnej Polsce, np. na Dolnym Śląsku, Podkarpaciu czy w Małopolsce. Ważnym czynnikiem jest również rozwój technologii, która umożliwia wydajne działanie paneli nawet przy częściowym zachmurzeniu.

Czy fotowoltaika działa jak nie ma prądu? Czy energia elektryczna powstaje zawsze?

Wiemy już, jak płynie prąd z fotowoltaiki i jak rozliczane są (lub wykorzystywane) nadwyżki prądu uzyskanego w ten sposób. Czy zatem każda instalacja fotowoltaiczna działa wtedy, gdy nie ma prądu? To zależy. W przypadku instalacji off-grid źródło energii jest niezależne od pracy sieci energetycznej. Jeśli zatem dojdzie do jej awarii, gospodarstwo domowe i tak będzie zużywać energię produkowaną z instalacji fotowoltaicznych. Jeśli jednak korzystamy z instalacji on-grid, to jej praca w przypadku awarii sieci zostanie przerwana. Systemy zabezpieczeń sprawiają, że prąd przemienny nie jest przesyłany do sieci, co w praktyce zapewnia bezpieczeństwo ekipom serwisowym i naprawczym pracującym na liniach. W przypadku instalacji fotowoltaicznej hybrydowej zużycie energii elektrycznej jest możliwe nawet wtedy, gdyż prąd automatycznie przekierowany jest do gospodarstwa (np. do magazynu).

Czy miejsce montażu paneli fotowoltaicznych ma znaczenie?

Tak. Wydajność paneli zależy m.in. od kąta padania promieni słonecznych, ich intensywności, charakteru światła (bezpośrednie, rozproszone), a także od warunków pogodowych. Nowoczesne, pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne mogą uzyskać dość dobrą efektywność nawet wówczas, gdy pada na nie światło rozproszone.

Czym kierować się podejmując decyzję o zakupie instalacji fotowoltaicznej?

Warto zadać sobie pytanie, czy nadwyżki prądu mają być zużyte przez nas, czy też przesłane do sieci energetycznej. W obydwu przypadkach należy dokładnie przemyśleć funkcjonalność takich ogniw. Warto też zwrócić uwagę na zapotrzebowanie gospodarstwa domowego, od którego zależy to, czy zdecydujemy się na mniejszą lub większą instalację fotowoltaiczną.

Reasumując, fotowoltaika produkuje prąd coraz efektywniej i skuteczniej. Instalacje wyposażone w inwerter (falownik) cieszą się ogromną popularnością, ale ich sposób montażu należy dokładnie przemyśleć.