Jak działa fotowoltaika? Zasada działania instalacji PV
Fotowoltaika przekształca promieniowanie słoneczne w energię elektryczną. W ogniwach powstaje prąd stały, a falownik zmienia go na prąd zmienny, który może zasilać domowe urządzenia.
Jak działa fotowoltaika krok po kroku?
Podstawą działania instalacji jest zjawisko fotowoltaiczne. Zachodzi ono w półprzewodnikowych ogniwach, najczęściej wykonanych z krzemu. Światło dostarcza energii elektronom znajdującym się w materiale, co powoduje ich uporządkowany przepływ i powstanie prądu elektrycznego.
Drogę energii od promieniowania słonecznego do domowego gniazdka można przedstawić w kilku etapach:
- Absorpcja fotonów – światło słoneczne pada na ogniwa fotowoltaiczne. Foton, czyli cząstka światła, przekazuje energię elektronom w strukturze krzemu.
- Powstanie prądu stałego – uwolnione elektrony przemieszczają się w określonym kierunku. W ten sposób ogniwo wytwarza prąd stały, oznaczany jako DC.
- Przesył do falownika – połączone ogniwa tworzą moduły, a moduły przekazują prąd przewodami do falownika.
- Zmiana rodzaju prądu – falownik przekształca prąd stały w prąd zmienny AC, zgodny z parametrami instalacji elektrycznej budynku.
- Zasilanie urządzeń – energia może zostać zużyta na miejscu. Jeżeli produkcja jest większa niż bieżące zapotrzebowanie, nadwyżka może popłynąć do sieci elektroenergetycznej.
Prąd stały płynie w jednym kierunku, dlatego jest rodzajem energii wytwarzanym bezpośrednio przez ogniwa. Prąd zmienny okresowo zmienia kierunek i parametry, a właśnie taki prąd wykorzystuje większość urządzeń podłączonych do domowej instalacji. Zmiana DC na AC jest więc konieczna, aby energia z paneli mogła zasilać standardowe gniazdka.
Z czego składa się instalacja fotowoltaiczna?
Panele są najbardziej widoczną częścią systemu, ale działanie całej instalacji zależy od współpracy kilku elementów. Ich podstawowe role są następujące:
- Panele fotowoltaiczne – zawierają połączone ogniwa i przekształcają światło w prąd stały.
- Falownik – zmienia prąd stały na zmienny, dopasowuje jego parametry do sieci i nadzoruje pracę instalacji.
- Konstrukcja montażowa – utrzymuje moduły na dachu, elewacji albo konstrukcji gruntowej oraz zapewnia ich stabilność.
- Okablowanie i zabezpieczenia – łączą poszczególne urządzenia i chronią obwody po stronie prądu stałego oraz zmiennego.
- Licznik dwukierunkowy – mierzy energię pobraną z sieci i oddaną do sieci. Nie produkuje prądu, lecz rejestruje jego przepływ w obu kierunkach.
W instalacji może znaleźć się także magazyn energii. Nie jest on niezbędny do samego procesu konwersji światła w prąd, ale pozwala przechować część nadwyżki i wykorzystać ją później, na przykład wieczorem.
Rodzaje paneli i ich sprawność
Panele różnią się między innymi budową krzemu, wyglądem oraz sprawnością, czyli udziałem promieniowania zamienianym na energię elektryczną. Najczęściej spotyka się ogniwa monokrystaliczne i polikrystaliczne.
| Typ ogniwa | Przybliżona sprawność | Główne cechy |
|---|---|---|
| Monokrystaliczne | około 18–22% | Wykonane z jednego kryształu krzemu, zwykle ciemne, o uporządkowanej strukturze i wysokiej sprawności. |
| Polikrystaliczne | około 14–18% | Powstają z wielu kryształów krzemu, często mają niebieski kolor i widoczną strukturę kryształów. |
| Amorficzne | około 9–14% | Nie mają klasycznej struktury krystalicznej, dlatego zwykle potrzebują większej powierzchni do uzyskania podobnej mocy. |
Podane wartości są przybliżone, ponieważ sprawność zależy od konkretnej technologii i parametrów modułu. Sama sprawność nie opisuje jeszcze całej instalacji. Znaczenie mają także dostępna powierzchnia, warunki montażu, jakość wykonania oraz sposób pracy falownika.
Co wpływa na wydajność instalacji?
Ilość wyprodukowanej energii zmienia się w ciągu dnia i roku. Instalacja pracuje również przy zachmurzonym niebie, ponieważ ogniwa reagują na światło rozproszone. Produkcja jest wtedy jednak mniejsza niż przy bezpośrednim nasłonecznieniu. Zimą krótszy dzień i niższe położenie słońca zwykle oznaczają niższe uzyski niż wiosną i latem.
Znaczenie ma także orientacja oraz kąt nachylenia modułów. W polskich warunkach korzystne jest zwykle skierowanie ich na południe, ale odchylenie na wschód lub zachód nie przekreśla działania systemu. Ostateczny wynik zależy od konkretnego dachu, lokalizacji i rozkładu zużycia energii.
Dużym problemem może być zacienienie przez drzewa, kominy, anteny albo sąsiednie budynki. Cień padający na część modułów może ograniczyć pracę całego połączonego łańcucha, czyli stringu. Dlatego przy projektowaniu instalacji analizuje się nie tylko wielkość dachu, lecz także przebieg cienia w różnych porach dnia i roku.
Na sprawność wpływa również temperatura. Panele potrzebują światła, ale ich przegrzewanie obniża wydajność ogniw. Z tego powodu moduły powinny mieć możliwość oddawania ciepła, a falownik należy montować w miejscu osłoniętym przed bezpośrednim słońcem i nadmiernym nagrzewaniem.
Fotowoltaika działa więc przez cały rok, lecz z różną intensywnością. Panele wytwarzają prąd stały, falownik przekształca go w prąd zmienny, a licznik dwukierunkowy mierzy wymianę energii z siecią. Na końcową produkcję wpływają głównie światło, orientacja, kąt nachylenia, zacienienie i temperatura modułów.
