Jak działa fotowoltaika? Prosty przewodnik

Czym jest fotowoltaika?

Fotowoltaika to technologia pozwalająca na bezpośrednią zamianę energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Jest to jedna z najczystszych i najbardziej przyjaznych dla środowiska metod wytwarzania energii elektrycznej, która zyskuje coraz większą popularność zarówno w Polsce, jak i na całym świecie.

W tym artykule wyjaśnimy krok po kroku, jak działa instalacja fotowoltaiczna - od momentu, gdy promienie słoneczne padają na panel fotowoltaiczny, aż do chwili, gdy energia elektryczna zasila urządzenia w Twoim domu.

Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego

Serce każdej instalacji fotowoltaicznej stanowią ogniwa fotowoltaiczne, zwane również ogniwami słonecznymi. Ich działanie opiera się na tzw. efekcie fotowoltaicznym, odkrytym przez Alexandra Edmonda Becquerela w 1839 roku.

Efekt fotowoltaiczny - jak to działa?

Efekt fotowoltaiczny to zjawisko fizyczne polegające na powstawaniu napięcia elektrycznego w materiałach półprzewodnikowych pod wpływem promieniowania słonecznego. Oto jak przebiega ten proces:

1. Absorpcja światła - Ogniwo fotowoltaiczne zbudowane jest najczęściej z krzemu, materiału półprzewodnikowego, który absorbuje fotony (cząstki światła) padające na jego powierzchnię.
2. Wybijanie elektronów - Energia fotonów powoduje wybijanie elektronów z atomów krzemu, co tworzy tzw. pary elektron-dziura.
3. Przepływ elektronów - Dzięki specjalnej budowie ogniwa, z warstwą krzemu typu p (z nadmiarem "dziur") i warstwą krzemu typu n (z nadmiarem elektronów), powstaje napięcie elektryczne, które powoduje przepływ elektronów - czyli prąd elektryczny.

Typy ogniw fotowoltaicznych

Na rynku dostępne są różne typy ogniw fotowoltaicznych:

• Ogniwa monokrystaliczne - wykonane z pojedynczego kryształu krzemu, mają najwyższą wydajność (17-22%), ale są też najdroższe.
• Ogniwa polikrystaliczne - składają się z wielu małych kryształów krzemu, mają nieco niższą wydajność (15-17%), ale są tańsze w produkcji.
• Ogniwa cienkowarstwowe - wykonane z bardzo cienkich warstw materiałów półprzewodnikowych naniesionych na podłoże, mają najniższą wydajność (10-12%), ale są elastyczne i mogą być stosowane na różnych powierzchniach.

Budowa i komponenty instalacji fotowoltaicznej

Kompletna instalacja fotowoltaiczna składa się z kilku kluczowych elementów:

1. Panele fotowoltaiczne

Panel fotowoltaiczny to zestaw połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych, zamkniętych w szczelnej i wytrzymałej obudowie. Panele montuje się najczęściej na dachu budynku lub na specjalnych konstrukcjach naziemnych. Ich zadaniem jest wytwarzanie prądu stałego (DC) pod wpływem promieniowania słonecznego.

2. Inwerter (falownik)

Inwerter to urządzenie, które przekształca prąd stały (DC) wytwarzany przez panele fotowoltaiczne na prąd zmienny (AC) używany w domowej instalacji elektrycznej. Jest to kluczowy element systemu, ponieważ bez tej konwersji nie byłoby możliwe zasilanie standardowych urządzeń domowych.

Wyróżniamy kilka typów inwerterów:

• Inwertery stringowe - najpopularniejsze, obsługują grupy paneli połączonych szeregowo (tzw. stringi)
• Mikroinwertery - małe inwertery montowane przy każdym panelu osobno
• Inwertery hybrydowe - umożliwiają współpracę z magazynami energii

3. System montażowy

System montażowy to konstrukcja, na której instalowane są panele fotowoltaiczne. Musi być ona solidna i wytrzymała, aby zapewnić stabilne mocowanie paneli przez wiele lat, niezależnie od warunków atmosferycznych. Systemy montażowe są dostosowane do różnych typów dachów (skośnych, płaskich) oraz do montażu naziemnego.

4. Okablowanie i zabezpieczenia

Specjalistyczne kable i zabezpieczenia elektryczne zapewniają bezpieczny przesył energii od paneli do inwertera, a następnie do sieci domowej. System zabezpieczeń chroni instalację przed przepięciami, zwarciami i innymi zagrożeniami elektrycznymi.

5. Licznik dwukierunkowy

W przypadku instalacji podłączonych do sieci energetycznej (tzw. instalacji on-grid), niezbędny jest licznik dwukierunkowy. Umożliwia on pomiar energii pobieranej z sieci oraz energii oddawanej do sieci, co jest podstawą do rozliczeń z zakładem energetycznym w systemie net-billing.

6. Opcjonalnie: magazyn energii

Magazyn energii (akumulator) pozwala na przechowywanie nadwyżek energii wyprodukowanej w ciągu dnia i wykorzystanie jej w nocy lub w okresach zachmurzenia. Jest to element opcjonalny, ale coraz bardziej popularny, zwłaszcza w kontekście nowego systemu rozliczeń net-billing.

Jak działa kompletna instalacja fotowoltaiczna?

Proces wytwarzania i wykorzystania energii elektrycznej w instalacji fotowoltaicznej przebiega następująco:

1. Produkcja energii elektrycznej

Promienie słoneczne padają na panele fotowoltaiczne, powodując w ogniwach efekt fotowoltaiczny. W wyniku tego procesu powstaje prąd stały (DC).

2. Konwersja prądu

Prąd stały płynie przez kable do inwertera, który przekształca go na prąd zmienny (AC) o parametrach zgodnych z siecią elektryczną (w Polsce 230V, 50Hz).

3. Wykorzystanie energii

Prąd zmienny z inwertera trafia do rozdzielnicy elektrycznej budynku, skąd jest dystrybuowany do urządzeń elektrycznych. W pierwszej kolejności zasilane są urządzenia aktualnie pracujące w budynku.

4. Nadwyżki energii

Jeśli instalacja produkuje więcej energii niż jest aktualnie zużywane w budynku, nadwyżka może być:

• Wprowadzona do sieci energetycznej (w systemie on-grid)
• Zmagazynowana w akumulatorach (jeśli instalacja posiada magazyn energii)

5. Niedobory energii

W sytuacji, gdy instalacja fotowoltaiczna nie produkuje wystarczającej ilości energii (np. w nocy lub podczas pochmurnych dni), energia może być:

• Pobierana z sieci energetycznej
• Pobierana z magazynu energii (jeśli instalacja go posiada)

Systemy rozliczeń z zakładem energetycznym

W Polsce od 1 kwietnia 2022 roku obowiązuje system rozliczeń net-billing, który zastąpił wcześniejszy system opustów.

Net-billing - jak to działa?

W systemie net-billing prosument (osoba produkująca energię na własne potrzeby) sprzedaje nadwyżki energii wprowadzone do sieci po cenach rynkowych i kupuje energię z sieci również po cenach rynkowych. Rozliczenie odbywa się na podstawie wartości energii, a nie jej ilości.

Prosument posiada depozyt prowadzony przez sprzedawcę energii, na którym gromadzona jest wartość sprzedanej energii. Środki z depozytu mogą być wykorzystane do pokrycia kosztów energii pobieranej z sieci.

Wydajność instalacji fotowoltaicznej

Ilość energii, jaką może wyprodukować instalacja fotowoltaiczna, zależy od wielu czynników:

Czynniki wpływające na wydajność

• Lokalizacja geograficzna - wpływa na ilość dostępnego promieniowania słonecznego. W Polsce roczne nasłonecznienie wynosi średnio 1000-1100 kWh/m².
• Orientacja i nachylenie paneli - optymalne ustawienie to kierunek południowy z nachyleniem 30-40 stopni.
• Zacienienie - nawet częściowe zacienienie paneli może znacząco obniżyć produkcję energii.
• Temperatura - wydajność ogniw fotowoltaicznych maleje wraz ze wzrostem temperatury (powyżej 25°C).
• Jakość komponentów - wyższej jakości panele i inwertery zapewniają lepszą wydajność i dłuższą żywotność.

Rzeczywista produkcja energii

W warunkach polskich instalacja fotowoltaiczna o mocy 1 kWp może wyprodukować rocznie około 900-1100 kWh energii elektrycznej przy optymalnym ustawieniu. Oznacza to, że typowa instalacja domowa o mocy 5 kWp może wygenerować 4500-5500 kWh rocznie, co często wystarcza na pokrycie całorocznego zapotrzebowania na energię przeciętnego gospodarstwa domowego.

Konserwacja i żywotność instalacji

Instalacje fotowoltaiczne są stosunkowo bezobsługowe, ale pewne czynności konserwacyjne są zalecane, aby utrzymać ich optymalną wydajność:

Podstawowe czynności konserwacyjne

• Regularne czyszczenie paneli z kurzu, liści i innych zanieczyszczeń (1-2 razy w roku)
• Okresowa kontrola stanu połączeń elektrycznych
• Monitorowanie wydajności instalacji w celu wykrycia ewentualnych problemów

Żywotność komponentów

• Panele fotowoltaiczne - większość producentów gwarantuje, że po 25 latach użytkowania panele będą miały wydajność na poziomie co najmniej 80% wartości początkowej. Rzeczywista żywotność paneli może wynosić 30-40 lat.
• Inwertery - typowa gwarancja na inwertery wynosi 5-12 lat, a ich żywotność to około 10-15 lat.
• Systemy montażowe - wykonane z aluminium lub stali nierdzewnej, mają żywotność porównywalną z panelami (25-30 lat).

Podsumowanie

Fotowoltaika to nowoczesna, ekologiczna technologia, która pozwala na produkcję własnej energii elektrycznej z wykorzystaniem darmowej energii słonecznej. Dzięki spadającym cenom komponentów i dostępnym dofinansowaniom, staje się ona coraz bardziej dostępna dla przeciętnego konsumenta.

Instalacja fotowoltaiczna składa się z kilku kluczowych elementów, które współpracując ze sobą, zamieniają energię słoneczną na prąd elektryczny zasilający urządzenia w Twoim domu. Jest to inwestycja długoterminowa, która może przynieść znaczące oszczędności na rachunkach za energię elektryczną oraz przyczynić się do ochrony środowiska naturalnego poprzez redukcję emisji CO₂.

Jeśli rozważasz montaż instalacji fotowoltaicznej, warto skonsultować się z profesjonalistami, którzy pomogą dobrać system odpowiedni do Twoich potrzeb i warunków technicznych.