Fotowoltaika od podstaw: Zasada działania i budowa instalacji

Fotowoltaika to dziedzina nauki i techniki, która zajmuje się badaniem, analizowaniem i rozwijaniem zjawiska fotowoltaicznego. Mówiąc najprościej, jest to proces wytwarzania energii elektrycznej ze światła.

Uzyskaną w ten sposób energię wykorzystuje się do zasilania domów oraz urządzeń przenośnych, takich jak kalkulatory, zegarki, lampy, sygnalizacje drogowe czy parkometry. Coraz częściej energia słoneczna, przetworzona w ten sposób, służy do ogrzewania pomieszczeń lub podgrzewania wody.

Jak działa fotowoltaika?

Podstawowym urządzeniem, które umożliwia pozyskanie darmowej energii słonecznej, są moduły fotowoltaiczne zbudowane z ogniw fotowoltaicznych. W ogniwach, pod wpływem światła słonecznego, zachodzi efekt fotowoltaiczny, polegający na przekształceniu energii świetlnej w prąd stały.

Wydajność tego procesu zależy od wielu czynników, takich jak: natężenie promieniowania, kąt nachylenia i lokalizacja paneli, warunki atmosferyczne, a także struktura i sprawność ogniwa fotowoltaicznego.

Wytworzony prąd stały jest przesyłany przewodami do falownika, gdzie następuje jego konwersja na prąd zmienny, stosowany w gniazdkach elektrycznych. Wyprodukowana energia jest zużywana na bieżąco lub oddawana do sieci energetycznej.

W przypadku oddawania energii do sieci prosument może ją później odebrać z zakładu energetycznego na zasadach określonych w ustawie o odnawialnych źródłach energii (OZE). Aby instalacja fotowoltaiczna generowała odpowiednią ilość energii elektrycznej, konieczne jest przeprowadzenie audytu i właściwe określenie jej mocy już na etapie planowania inwestycji.

Budowa instalacji fotowoltaicznej

Najważniejszymi elementami instalacji fotowoltaicznej są:

• moduły fotowoltaiczne montowane na dachu lub na gruncie,
• falownik, którego zadaniem jest przekształcenie prądu stałego na prąd zmienny,
• licznik dwukierunkowy,
• zabezpieczenia po stronie DC i AC
• system montażowy.

Urządzenia te, połączone zgodnie z zasadami dobrego montażu sprawiają, że promienie słoneczne przetwarzane w energię elektryczną trafiają do gniazdek naszych domów.

Moduły fotowoltaiczne

Moduły fotowoltaiczne składają się z ogniw fotowoltaicznych. Do produkcji ogniw najczęściej stosuje się krzem wysokiej czystości. Dzięki swoim właściwościom fizykochemicznym materiał ten doskonale nadaję się do konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną

Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne łączą się ze sobą w szeregi ogniw, tworząc matrycę ogniw. Matryca zabezpieczona jest folią EVA która hermetyzuje i izoluje ogniwa od czynników zewnętrznych.

Od frontowej strony modułu stosuje się  szybę ze szkła hartowanego o wysokiej przepuszczalności światła, która usztywnia matrycę. Tylna strona modułu PV zabezpieczona jest folią elektroizolacyjną.

Całość modułu fotowoltaicznego zamyka rama aluminiowa, a na tylnej stronie montowane jest gniazdo przyłączeniowe wraz z okablowaniem. Warto sprawdzać karty techniczne modułów - określone są w nich parametry mechaniczne i elektryczne modułów oraz informacje dotyczące ich pracy i stosowania.

Sposób działania falownika fotowoltaicznego

Falownik (inaczej: inwerter) to jeden z najważniejszych elementów instalacji fotowoltaicznej. Jego zadaniem jest zmiana prądu stałego wytworzonego w panelach PV na prąd zmienny.

Falownik automatycznie przekształca prąd stały na prąd zmienny o parametrach zgodnych z siecią energetyczną. Niewykorzystana energia elektryczna trafia do zakładu energetycznego. Zgodnie z obecną Ustawą OZE prosument oddający energię do zakładu może ją odebrać bezpłatnie w ilości 80% ilości oddanej, Pozostałe 20% przepadają na rzecz zakładu energetycznego.

Licznik dwukierunkowy

Ważną częścią instalacji jest również licznik dwukierunkowy dostarczany i montowany przez Operatora Systemu Dystrybucyjnego. Zlicza on ilość oddanej energii elektrycznej oraz energii pobranej z zakładu energetycznego. Na tej podstawie następuje rozliczenie prosumenta z zakładem energetycznym.

Jeśli instalacja nie wyprodukowała wystarczająco dużo prądu, żeby pokryć całe zapotrzebowanie, licznik zapisuje ile energii zostało przekazane gospodarstwu z zakładu energetycznego. Za pobraną energię z sieci trzeba będzie zapłacić dostawcy prądu.

Jeśli po zakończeniu okresu rozliczeniowego ilość energii wyprodukowanej i zużytej jest równa zeru, koszty jakie ponosi prosument są związanie jedynie z kosztami obsługi sieci, są to tzw. koszty stałe.

Jeżeli w danym okresie rozliczeniowym instalacja produkuje więcej prądu niż zużywa gospodarstwo, to prąd ten zostaje oddany do zakładu energetycznego, a licznik dwukierunkowy zapisuje jaka ilość kWh została przekazana.

W takiej sytuacji prosument ponosi jedynie koszt związany z opłatą stałą za obsługę sieci. Nadprodukcja energii nie przepada i będzie mogła być wykorzystana w przyszłości. Należy jednak pamiętać, że z nadprodukowanej energii można skorzystać w ciągu jednego roku, po tym czasie zapasy energii przepadają.

Działanie fotowoltaiki zimą

Instalacja fotowoltaiczna jest systemem, który działa cały rok. Należy jednak pamiętać, że jej wydajność uzależniona jest od ilości światła słonecznego. Inną wydajność będzie miała latem, a inną zimą.

Instalacja fotowoltaiczna produkuje energię zawsze gdy jest jasno, nie przeszkadza jej niska temperatura, ani nawet mróz. Latem kiedy jest dużo słońca, a dzień najdłuższy, efektywność paneli fotowoltaicznych jest najwyższa.

Instalacja produkuje wówczas na ogół więcej energii niż wynosi zapotrzebowanie na prąd. Nadwyżki wyprodukowanej energii przekazywane są do sieci energetycznej, a w okresie zimowym gdzie produkcja prądu jest niższa, można ją odebrać.  

Zimą występują dwa czynniki, które mogą wpłynąć na niską efektywność pracy paneli fotowoltaicznych - są to: krótszy dzień, a co za tym idzie mniejsza ilość słońca oraz częste opady śniegu które mogą zalegać na powierzchni modułów blokując dostęp światła.

źródło i zdjęcie: Bruk-Bet Fotowoltaika