W jaki sposób działają ogniwa fotowoltaiczne?

Specjaliści od dekad pracują nad różnymi rozwiązaniami, pozwalającymi wykorzystywać darmową energię słoneczną. Efektem są m.in. ogniwa fotowoltaiczne, czyli półprzewodnikowe elementy, zbudowane najczęściej na bazie krzemu, w których pod wpływem padającego światła powstaje różnica potencjałów elektrycznych, czyli prąd.

Dzięki połączeniu pojedynczych ogniw w moduły, a tych w panele, można uzyskiwać taką ilości energii elektrycznej, która wystarcza do zasilania różnych domowych urządzeń o znacznej mocy. W naszych warunkach klimatycznych raczej nie da się ogrzewać domu wyłącznie dzięki słońcu, ale możliwe jest dodatkowo przygotowywanie c.w.u. i zasilanie np. pompy ciepła, która może być już źródłem domowego ciepła.

Panele PV są najważniejszym, ale nie jedynym elementem instalacji. Do jej działania niezbędny jest też inwerter i okablowanie, a opcjonalnie wykorzystuje się optymalizatory i magazyny energii.

Infografika: Jak zaplanować instalację fotowoltaiczną?

Panele PV - najważniejszy element instalacji

Montuje się je na dachu domu lub na gruncie. W pierwszym przypadku trzeba zastosować stelaż przymocowany do pokrycia, w drugim - konstrukcję wsporczą. Kluczowa jest orientacja paneli względem stron świata i odpowiedni kąt nachylenia. Najlepiej skierować je wprost na południe, bo to najbardziej nasłoneczniony kierunek. Dopuszczalne jest też pewne odchylenie na zachód lub wschód. Zakładanie paneli od północy, czyli tam, gdzie nie ma bezpośredniego nasłonecznienia, albo w miejscu stale zacienionym, nie ma sensu, bo co prawda instalacja będzie dawać prąd, ale o wiele mniej, niż wynosi jej nominalna moc. I choć w sprzedaży są systemy umożliwiające automatyczne ustawianie się paneli względem słońca, to ze względu na wysokie koszty nie przyjęły się w budownictwie jednorodzinnym.

Jeżeli chodzi o kąt nachylenia - najlepiej gdy jest to 35°. Taka wartość jest najkorzystniejsza biorąc pod uwagę uzysk energii liczony w całym roku (kąt padania promieni słonecznych jest inny latem, a inny zimą).

Panele PV najlepiej ustawić w kierunku południowym. Optymalny kąt nachylenia to 35°. (fot. Kratki Energy)

Lokalizacja na gruncie to najczęściej wynik tego, że dach zorientowany jest w nieodpowiednim kierunku, ma inny niż wymagany spadek lub po prostu brakuje wolnej przestrzeni na połaci (typowa instalacja fotowoltaiczna zajmuje 20-40 m² powierzchni). Jeżeli ktoś dysponuje odpowiednio dużą działką - miejsce nie może być zacienione, zasłonięte przez drzewa, budynki itp. - i nie przeszkadza mu taka "ozdoba", może wybrać ten wariant.

Warto wtedy rozważyć zakup paneli bifacjalnych (dwustronnych), które odbierają (pochłaniają) promienie słoneczne z obu stron. To dlatego, że w przeciwieństwie do typowych modeli moduł pokryty jest szybą nie tylko z przodu, ale też z tyłu. Oczywiście tył nie pochłania tyle promieni słonecznych, co przód (maksymalnie 50%), ale i tak ich zastosowanie pozwala znacząco zwiększyć uzysk energii. Szczególnie jeśli kolor nawierzchni pod panelami będzie jasny (dobrze sprawdza się beton, a najlepiej warstwa białego żwirku).

Nasłonecznienie dzienne 1 m² powierzchni - płaszczyzna o nachyleniu 45° (dane dla Warszawy).

Pozostałe elementy instalacji

Drugim ważnym elementem instalacji PV jest falownik (inwerter), czyli urządzenie, które przetwarza prąd stały na przemienny. Dlaczego jest niezbędny? Bo panele PV produkują energię w postaci prądu stałego (DC), tymczasem w sieci energetycznej płynie prąd przemienny (AC) i właśnie takim zasilane są urządzenia elektryczne używane w domu.

Dzięki temu, że falowniki wyposażone są w funkcję monitoringu pracy instalacji, możemy na bieżąco - przez Internet albo aplikację mobilną - sprawdzać aktualne parametry systemu.

Falownik musi być podłączony do tablicy rozdzielczej budynku, przyłączonej do sieci elektrycznej. Przeważnie umieszcza się go w pomieszczeniu suchym, gdzie nie będzie narażony na zapylenie (kotłownia, poddasze). Urządzenie nie może się przegrzewać podczas pracy, dlatego wokół niego należy zachować wolną przestrzeń. W sprzedaży są też modele przystosowane do montażu na zewnątrz. Najczęściej zakłada się je pod panelami montowanymi na gruncie (te tworzą jakby zadaszenie).

Inwerter najczęściej montuje się wewnątrz, w miejscu gdzie nie jest narażony na zapylenie - w pomieszczeniu suchym, jak poddasze czy kotłownia. (fot. Fronius)

Na zewnątrz zakładane są także tzw. mikrofalowniki, czyli inwertery obsługujące od jednego do kilku paneli. Stosowane np. wtedy, gdy panele PV mają różną orientację, pozwalają zoptymalizować pracę instalacji.

Jeżeli niektóre panele są zacienione albo ustawione pod innym niż zalecany kątem, warto pomyśleć o urządzeniach optymalizujących pracę instalacji, takich jak mikrofalowniki czy optymalizatory mocy. (fot. CREATON Polska)

Panele połączone są z domową instalacją przewodami. Jeżeli ogniwa zlokalizowano w oddaleniu od budynku, należy zwiększyć przekrój kabli, aby uniknąć strat energii na przesyle.

Innym niezbędnym elementem jest dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, rejestrujący zarówno pobieranie, jak i oddawanie prądu do sieci. Ważne, że to nie inwestor płaci za niego i ewentualnie organizuje wymianę - robi to operator sieci.

Coraz większą popularnością cieszą się optymalizatory mocy, które połączone są z inwerterem. Montuje się je przy panelach PV. Urządzenia te sterują parametrami prądu generowanego przez dany moduł fotowoltaiczny w taki sposób, by ten nie blokował innych i nie był przez inne blokowany. Takie rozwiązanie sprawdza się wtedy, gdy nie wszystkie panele są jednakowo nasłonecznione (np. ze względu na zacienienie), zamontowane są pod innym kątem nachylenia itp. Dzięki optymalizatorowi, gorszy uzysk energii jednego panelu nie ma wpływu na parametry pracy pozostałych.

Jak widać, skuteczność działania instalacji fotowoltaicznej w ogromnej mierze zależy od tego, jak wiele słońca pochłaniają panele. Niestety, najmocniej świeci ono akurat wtedy, gdy zwykle nie ma nas w domu, czyli w południe. A wieczorem, gdy intensywnie korzystamy ze sztucznego światła, za oknami panuje zmrok. Dodatkowo w naszym klimacie słońce najsłabiej operuje zimą, gdy potrzebujemy najwięcej energii (patrz ramka: Problemy ze słońcem).

Rozwiązaniem jest magazynowanie energii i późniejsze wykorzystywanie jej według potrzeb. Służą temu tzw. magazyny energii, czyli baterie akumulatorów do gromadzenia prądu. Ich drugie zastosowanie to zapewnienie ciągłości zasilania na wypadek przerw w dostawie energii elektrycznej.

W sprzedaży są urządzenia o różnej pojemności. Im większa, tym więcej energii można zgromadzić. Przykładowo akumulator o pojemności 10 kWh pozwoli przechować energię wytworzoną przez mikroinstalację o mocy 5 kWp w ciągu 2-4 godzin.

Choć prace nad udoskonalaniem tego typu baterii ciągle trwają (ich zastosowanie nie ogranicza się przecież tylko do budownictwa, ale też do zasilania maszyn, samochodów itd.), barierą w upowszechnianiu wciąż jest ich niewielka pojemność i wysokie ceny. Dodatkowo zastosowanie magazynu energii wymaga odpowiedniego skonfigurowania także reszty instalacji i wyposażenia jej w inny rodzaj falownika, co podraża instalację.

Schemat mikroinstalacji fotowoltaicznej w domu jednorodzinnym

Co zrobić z prądem?

Skoro magazynowanie energii jest tak kosztowne, to co zrobić z nadmiarem prądu wytworzonego przez mikroinstalację? W naszym kraju nawet ¾ takiej energii trafia do sieci. To zwykle ona, a nie baterie, pełni rolę akumulatora, do którego przekazywany jest nadmiar energii i pobieranie jej, gdy jest potrzebna.

Mikroinstalacje wytwarzają prąd przez cały rok. Również zimą, choć wtedy wydajność systemu jest mniejsza niż w upalne miesiące. (fot. Pionier Energia)

Tego typu instalacje, nazywane on-grid, pracują zawsze w połączeniu z siecią energetyczną - w razie odłączenia od niej przestaną działać. W krajach leżących w cieplejszym klimacie, gdzie słońce świeci mocniej, i to przez cały rok, łatwiej o niezależność energetyczną. Tam dość popularne są układy off-grid, działające bez połączenia z dostawcami energii, albo systemy hybrydowe, które mogą zarówno współpracować z siecią, jak też ładować akumulatory oraz dostarczać energię bezpośrednio do domu, kiedy prąd z sieci nie jest dostępny.

W Polsce najczęściej spotykane są instalacje typu on-grid, w których nadwyżka energii oddawana jest do sieci. (fot. Kratki Energy)

Zasady współpracy właścicieli mikroinstalacji z zakładami energetycznymi reguluje ustawa OZE. Zgodnie z jej zapisami, prosumentem, czyli jednocześnie producentem i konsumentem energii elektrycznej, może być osoba fizyczna (katalog podmiotów jest dużo większy, ale to właśnie osoby fizyczne dominują, jeśli chodzi o domy jednorodzinne) wytwarzająca ją w mikroinstalacji na własne potrzeby. Nie można więc nikomu jej odsprzedawać.

Warunkiem jest zawarcie z dostawcą energii elektrycznej tzw. umowy kompleksowej, która określa zasady rozliczeń za zużywaną energię z sieci oraz za jej przesył do odbiorcy. Jest ona gwarancją, że nadmiar wytworzonego przez prosumenta prądu zostanie odebrany. Co ważne, ewentualna wymiana licznika na wspomniany dwukierunkowy (pobór/przekazywanie) leży po stronie zakładu energetycznego.

Zgodnie z przepisami, za 1 kWh prądu oddanego do sieci możemy potem odebrać 0,8 kWh (jeżeli moc mikroinstalacji nie przekracza 10 kWp) lub 0,7 kWh (gdy jest wyższa). M.in. z tego powodu panele PV w domach jednorodzinnych bardzo rzadko mają powyżej 10 kWp mocy zainstalowanej.

Jak duża instalacja?

Planując instalację PV należy sprawdzić, ile prądu zużywamy lub oszacować, ile planujemy zużywać. Przyjmuje się, że zapotrzebowanie na prąd przeciętnego gospodarstwa domowego (4-osobowa rodzina) to 4000-5000 kWp rocznie. Ponieważ z 1 kWp mocy zainstalowanej minielektrowni PV uzyskuje się rocznie ok. 1000 kWh, w większości przypadków wystarcza instalacja o mocy 4-6 kWp.

Nie warto budować na zapas, bo zgodnie z obowiązującym w Polsce systemem rozliczania za energię właściciele instalacji o mocy powyżej 10 kWp mogą odebrać nie 80, a 70% energii. A przecież dodatkowe panele kosztują. Nakłady te warto ponieść jedynie wtedy, gdy planujemy ogrzewać dom pompą ciepła. Urządzenie to wykorzystuje darmową energię zgromadzoną z gruncie, wodzie lub powietrzu, ale potrzebuje zasilania. Stanowi więc idealny duet z instalacją PV.

Typowa instalacja fotowoltaiczna ma moc 4-6 kWp. (fot. Columbus Energy)

Jakie nakłady finansowe?

Choć ceny paneli PV w ostatnich latach wyraźnie spadły, taka inwestycja wciąż pochłania spore sumy. Za kilowat mocy zainstalowanej trzeba zapłacić 3,5-6 tys. zł (materiały z robocizną), co oznacza, że wykonanie typowej mikroinstalacji to wydatek rzędu 20-30 tys. zł. Ceny akumulatorów do fotowoltaiki są zróżnicowane - za urządzenie o pojemności do 10 kWh zapłacimy przynajmniej 10 tys. zł.

Wydatki można obniżyć, korzystając z ogólnopolskiego programu "Mój Prąd", który jest finansowany z funduszy unijnych. W jego ramach inwestorzy indywidualni budujący mikroinstalacje PV mogą łatwo uzyskać dofinansowanie w wysokości 5000 zł. Niedawno zakończyła się II edycja programu, kolejna ma ruszyć 1 lipca br.

Dodatkowe wsparcie to program "Czyste Powietrze", w którym udzielane są pożyczki na preferencyjnych warunkach w wysokości do 6 tys. zł za 1 kW mocy zainstalowanej (maksymalnie 30 tys. zł). Zobowiązanie trzeba spłacić w ciągu maksymalnie 15 lat.

Stosowanie ogniw fotowoltaicznych na dużą skalę upowszechniło się w ostatnich latach, wraz ze spadkiem cen. W naszym kraju boom związany jest przede wszystkim z rządowymi dopłatami z programu "Mój Prąd". (fot. Columbus Energy)

Co ważne, niektóre samorządy prowadzą lokalne programy wsparcia takich inwestycji, dlatego warto sprawdzić, czy można dodatkowo ograniczyć wydatki na fotowoltaikę.

Szacuje się, że typowa instalacja PV, wybudowana ze wsparciem któregoś z powyższych programów, zwróci się w ciągu 6-8 lat.

Norbert Skupiński
Na schemacie otwierającym: Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego