Arkadiusz Mędrzak
Instalacje fotowoltaiczne zasilają budynki w energię elektryczną. Dzięki możliwości zaoszczędzenia na rachunkach za prąd interesuje się nimi coraz więcej osób. Dowiedz się, jak dokładnie wykorzystuje się fotowoltaikę do wytwarzania prądu.
Choć każdy potrafi wskazać na panele fotowoltaiczne, nie zawsze potrafimy wyjaśnić zasadę ich działania. Z poradnika dowiesz się, jak działa fotowoltaika i skąd się bierze prąd w sieci.
Zasada działania fotowoltaiki – podstawowe informacje
Panele fotowoltaiczne na dachu budynku stają się z każdym rokiem bardziej powszechnym sposobem na korzystanie z odnawialnych źródeł energii. To najważniejszy element związany z siecią fotowoltaiczną, który jest w stanie rozpoznać niemal każdy. Jednak nie każdy wie, jak działa fotowoltaika i wyjaśnienie tego zagadnienia komuś bliskiemu może powodować trudności. Dlatego dla zaspokojenia ciekawości opiszemy w prostych słowach, jaka jest zasada działania fotowoltaiki.
Pojęcie fotowoltaiki najczęściej kojarzone jest z energią słoneczną, która zostaje przetworzona na prąd. To najprostsza odpowiedź na pytanie, jak działa fotowoltaika. Panele odbierają energię w postaci fotonów, czyli promieni słonecznych. Następnie z nich wydzielane są elektrony, które już stanowią część składową prądu elektrycznego. To ogólna zasada działania fotowoltaiki, której rozwinięcie znajdzie się w dalszej części tekstu.
Jak działają panele słoneczne – części składowe sieci energetycznej
Panele słoneczne to potoczna nazwa na całą sieć fotowoltaiczną, choć są to tylko jej części widoczne na dachu. Jak działają panele słoneczne i czy tylko one są odpowiedzialne za tworzenie prądu? Do pozyskiwania energii konieczne są inne urządzenia, które dopiero wspólnie pozwalają na skuteczną pracę. Potrzebne są także akcesoria, które przetwarzają energię na prąd, dostosowują go do potrzeb domowych instalacji i nawiązują współpracę z sieciami dostawców. Dowiedz się, jak działa fotowoltaika, poznając składowe części instalacji PV.
Jak działają panele fotowoltaiczne?
Pierwszym i najważniejszym elementem w każdej sieci są panele. To konstrukcje w formie ekranów, które składają się z całej sieci ogniw półprzewodnikowych, najczęściej wykonanych z krzemu. Jak działają panele fotowoltaiczne? Przyjmują one energię słoneczną w postaci światła i ciepła, a następnie nadwyżki elektronów przekazywane są dalej do sieci.
Od czego zależy sprawność modułów?
Często przy informacjach o tym, jak działa fotowoltaika lub jakie panele wybrać, pojawia się informacja o ich sprawności. Co to oznacza? Sprawność paneli to zdolność pozyskiwania energii docierającej do ich powierzchni. Wartość podawana jest w procentach i oznacza ilość elektronów, które są przetwarzane na prąd spośród wszystkich, które osiądą na panelach. Najczęściej sprawność paneli mieści się pomiędzy 10 a 20 procent, przy czym te ostatnie wartości dotyczą paneli uznawanych za wybitnie skuteczne.
Informacje o sprawności paneli pozwolą Ci nie tyle zrozumieć, jak działa fotowoltaika, ale ile jeszcze można zrobić w tej dziedzinie. Jeśli za skuteczne uznajemy urządzenia, które wyłapują jeden na pięć elektronów, nie jest to powód do zadowolenia. To też pokazuje, w którą stronę powinny skierować się badania i dopracowywanie tego, jak działa ogniwo fotowoltaiczne.
Rodzaje paneli fotowoltaicznych
Jak działa fotowoltaika? Kluczowym elementem każdego panelu fotowoltaicznego jest sieć półprzewodników, które wykonywane są głównie z krzemu. Jednak ich struktura może być różna, co wpływa na zdolność przetwarzania energii, jak i ostateczny koszt paneli fotowoltaicznych. W zależności od rodzaju i sposobu wykonywania półprzewodników można rozróżnić trzy rodzaje ogniw fotowoltaicznych:
- monokrystaliczne – struktura kryształów krzemu jest najlepiej uporządkowana, dlatego sprawność takich konstrukcji jest największa. Może ona osiągać pomiędzy 15 a 19%, a przy nowoczesnych urządzeniach nawet dochodzi do 20%;
- polikrystaliczne – to konstrukcje wykonane z materiału o nieco mniej jednolitej strukturze, gdzie skuteczność pobierania energii ze słońca jest w granicach między 14 a 16%;
- amorficzne – czyli panele wykonane z najbardziej naturalnych półprzewodników krzemowych. Tutaj cena pozyskiwania materiału jest niższa, jednak niejednolita struktura nie gwarantuje dobrych osiągów. Sprawność modułów to między 9 a 14%.
Fotowoltaika – zasada działania falownika
Kolejnym elementem sieci, który ma ogromne znaczenie dla funkcjonowania całego układu, jest falownik, czyli inwerter. To urządzenie jest kluczowe dla całej sieci fotowoltaicznej. Zasada działania falownika polega na przetwarzaniu prądu stałego, jaki powstaje w wyniku pracy paneli, na prąd zmienny, czyli potrzebnego do zasilania urządzeń elektrycznych. Ponadto odpowiada za wyłączenie instalacji w przypadku wykrycia w niej nieprawidłowości. Można zatem powiedzieć, że to, jak działa system fotowoltaiczny, w dużej mierze zależy od sprawności i jakości falownika.
Falownik należy do najbardziej skomplikowanych części sieci fotowoltaicznej. We wszystkich poradnikach opowiadających, jak działa fotowoltaika, znajdziesz informacje o konieczności częstej wymiany tego akcesorium. Jego żywotność najczęściej jest dwukrotnie krótsza, niż żywotność paneli, dlatego przynajmniej raz w czasie użytkowania sieci czeka Cię wymiana. W przypadku awarii inwertera przestaje funkcjonować cała sieć, dlatego nie warto oszczędzać na tym elemencie.
Fotowoltaika – jak działa wzmacniacz paneli by-pass?
Kolejnym elementem sieci pobierających energię słoneczną jest wzmacniacz paneli. To dodatkowe urządzenie, które stosowane jest przy panelach montowanych w częściowym zacienieniu. Ma za zadanie stworzenie obejścia nieskutecznych ogniw i tym samym utrzymanie wysokiej wydajności pozostałych. Niewielki wzmacniacz montowany jest do każdego panelu. Często na każdy panel stosuje się 3 do 5 wzmacniaczy, które łączą ze sobą daną grupę ogniw.
Co to jest i jak działa? Fotowoltaika nie lubi cienia i nawet częściowe zacienienie paneli wpływa na ograniczenie ich funkcjonalności. Przy panelach świetnie sprawdza się powiedzenie, że jesteś tak silny, jak Twoje najsłabsze ogniwo. Cała instalacja generuje tyle energii, ile jest w stanie zgromadzić najsłabiej pracujący panel. Może to prowadzić do spadku wydajności sieci w miejscach, gdzie choćby jeden element jest zacieniony.
Wiedząc, jak działa fotowoltaika, pewnie domyślasz się, jakie zadanie stoi przed wzmacniaczem. Jego funkcją jest wyłączenie z funkcjonowania jednej grupy ogniw i stworzenie obejścia. Tego typu By-pass sprawia, że zamiast obniżać wydajność wszystkich ogniw w panelu, wyłącza się tylko ich część. W tym czasie pozostałe ogniwa pracują z maksymalną wydajnością. Wzmacnianie polega zatem na wyrzuceniu najsłabszych ogniw.
Licznik dwukierunkowy – zasada działania
Kolejnym elementem sieci, który ma znaczenie dla tego, jak działa fotowoltaika, jest licznik dwukierunkowy. To urządzenie uznawane jest za akcesorium dodatkowe i w niektórych sieciach wcale nie jest potrzebny. Jednak we wszystkich instalacjach podłączonych do sieci dostawcy energii będzie on niezbędny. Jeśli zatem wybierasz opcję prosumenta, z pewnością będziesz musiał wyposażyć w niego swoją sieć.
Jak działa fotowoltaika wyposażona w licznik dwukierunkowy? Urządzenie pozwala na przesył energii elektrycznej pomiędzy instalacją fotowoltaiczną a siecią operatora. Z jego pośrednictwem możesz obliczyć, jaka ilość nadwyżek energii elektrycznej wyprodukowanej przez panele trafiła do operatora. Z drugiej strony licznik wykazuje energię pobieraną przez obiekt od operatora w czasie niedoboru prądu. Wyniki podawane przez licznik dwukierunkowy stanowią podstawę do rozliczania zużycia z operatorem.
Pozostałe elementy w sieci fotowoltaicznej
Wszystkie wymienione elementy mocno wpływają na to, jak działa fotowoltaika. Jednak sieć to także inne akcesoria, które umożliwiają jej funkcjonowanie. Wybór konkretnego wariantu nie ma może tak wielkiego znaczenie dla działania całej konstrukcji, jednak bez nich sieć nie będzie prawidłowo pracowała. Do dodatkowych elementów należą między innymi:
- konstrukcja wsporcza – konstrukcja nośna, która odpowiada nie tyle za to, jak działa fotowoltaika, ale za jej stabilność. Konstrukcję wsporczą montuje się na połaci dachowej lub specjalnie do tego przygotowanej podstawie na gruncie. Składają się na nią uchwyty mocowane do więźby dachowej, szyny montażowe, a także uchwyty mocujące, trójkąty do ustawiania paneli w poziomie i wiele innych;
- przewody elektryczne – w instalacjach fotowoltaicznych konieczne jest połączenie wszystkich paneli z falownikiem. Na połaci dachowej panują bardzo ciężkie warunki, dlatego podłączenie instalacji wymaga zastosowania wysokiej jakości przewodów. Są to przede wszystkim przewody odporne na wysokie temperatury dochodzące nawet do 90 stopni. Ich osłony muszą być odporne na mróz i nie ulegać pękaniu. Ponadto grubość przewodów musi być dostosowana do rodzaju paneli i całej instalacji;
- magazyny energii – wiedząc, jak działa fotowoltaika, część inwestorów decyduje się nie podłączać jej do sieci. Z kolei w niektórych miejscach okazuje się to niemożliwe. Dlatego tworzona jest instalacja off-grid, w której nadwyżki energii są magazynowane w akumulatorach.
Jak działa panel fotowoltaiczny – podsumowanie
Człowiek już od kilkudziesięciu lat wie, jak działa panel fotowoltaiczny i potrafi z niego korzystać. Samo zjawisko zostało zauważone jeszcze wcześniej, jednak dotychczas czerpanie energii ze słońca za pomocą dostępnej technologii było nieopłacalne. Dopiero koniec XX wieku przyniósł rozwiązania technologiczne, które pozwoliły fotowoltaice trafić do szerokiego kręgu odbiorców.
Wiedząc, jak działa fotowoltaika, lepiej zrozumiesz konieczność montażu poszczególnych elementów i ich wpływ na całą sieć. Teraz będziesz wiedział, które akcesoria poprawią jej funkcjonalność, a na których możesz pozwolić sobie na oszczędność. Ta wiedza przyda Ci się w sytuacji, kiedy sam będziesz wybierał rodzaj instalacji do swojego domu.
