Pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych to realizacja marzeń o energetycznym perpetuum mobile. Wprawdzie instalacje wiatrowe czy fotowoltaiczne nie są wiecznie poruszającą się maszyną, ale wieczne i niewyczerpalne są źródła energii, która je zasila. Fotowoltaika wykorzystująca światło słoneczne jest obecnie trzecim co do wielkości obszarem OZE. W Polsce przeżywa burzliwy okres wzrostu – w każdym kolejnym roku ilość energii elektrycznej wygenerowanej przez ogniwa fotowoltaiczne wzrasta nawet sześciokrotnie!
Jak działa instalacja fotowoltaiczna?
Zrozumienie zasad funkcjonowania fotowoltaiki wymaga poznania teorii efektu fotowoltaicznego. Jako pierwszy zaobserwował go w warunkach laboratoryjnych, a następnie opisał w roku 1839 Aleksander Becquerel. Na praktyczne zastosowanie w ogniwach odkrycie profesora Becquerela czekało ponad sto lat. Istotą zjawiska fotowoltaicznego jest generowanie pod wpływem promieniowania słonecznego, a dokładnie światła rozumianego jako strumień fotonów, ładunków energii w półprzewodnikowym materiale. Energia fotonów wybija z powłok elektrony krążące po zewnętrznych powłokach atomów. Elektrony przemieszczają się w poszukiwaniu dziur, czyli miejsc, które mogłyby zapełnić. Ten ruch elektronów powoduje powstanie różnicy potencjałów, czyli prądu stałego. Aby móc wyprodukowaną energię elektryczną wykorzystać w domu, prąd stały należy konwertować na prąd zmienny, czyli dokładnie taki, jaki płynie w domowej instalacji elektrycznej zasilającej rozmaite urządzenia. To jak działa fotowoltaika, jest wypadkową wielu czynników. Najważniejsze z nich to: rodzaju instalacji ze względu na budowę ogniw, ulokowanie względem stron świata i ruchu słońca, wyeliminowanie zacienienia i zanieczyszczeń. Instalacja najwydajniej pracuje w bezchmurne dni przy temperaturze +20° C, wietrze o sile 1 m/s, nasłonecznieniu 800 W/m2,
Fotowoltaika zasady działania a budowa ogniwa
Charakterystyka zjawisk zachodzących w panelach wymaga opisu dotyczącego konstrukcji tych urządzeń. Instalacja fotowoltaiczna zbudowana jest z ogniw, które łączy się w moduły zwane panelami. Każde ogniwo to elektrownia słoneczna w miniaturze. Do budowy ogniw używa się materiałów półprzewodnikowych – najbardziej popularnym i powszechnie dostępnym jest krzem. Oprócz paneli krzemowych spotyka się także konstrukcje zawierające m.in. gal, ind, tellur, selen. Dlaczego w ogniwach są półprzewodniki? Cechą materiałów półprzewodnikowych, które zazwyczaj mają budowę krystaliczną, jest ich zmienna w szerokim zakresie konduktywność, czyli zdolność przewodnictwa elektrycznego. Co ważne zmiany tej cechy następują pod wpływem czynników zewnętrznych – w przypadku instalacji FV tym czynnikiem jest światło.
Rodzaje paneli fotowoltaicznych krzemowych
Panele fotowoltaiczne z krzemu mogą być konstruowane z ogniw:
- Monokrystalicznych – monokrystaliczny krzem zbudowany jest z pojedynczych, niemal idealnych w formie kryształów; struktura takiego materiału jest bardzo uporządkowana, co przekłada się na wysoką efektywność procesów fotowoltaicznych zachodzących wewnątrz ogniwa; instalacja fotowoltaiczna zbudowana z ogniw monokrystalicznych ma wydajność powyżej 20%; ze względu na kolor popularnie nazywa się takie ogniwa panelami czarnymi,
- Polikrystalicznych – krzem polikrystaliczny tworzą kryształy posiadające więcej defektów, co wpływa na zaburzenie uporządkowania struktury; wydajność ogniwa to średnio ok. 18%, ale coraz lepsze metody produkcji dają w efekcie ogniwa polikrystaliczne o wydajności nawet 21%; kolor instalacji fotowoltaicznej niebieski;
- Amorficznych– zwanych ogniwami cienkowarstwowymi; półprzewodnik nie przybrał formy krystalicznej, stąd jego struktura jest chaotyczna z dużą liczbą wad; moc instalacji zbudowanej z ogniw cienkowarstwowych jest najniższa; zaletą ogniw jest niska stosunkowo cena, lekkość i elastyczność, która umożliwia montowanie cienkowarstwowej fotowoltaiki na ścianach budynków.
Żywotność fotowoltaiki szacuje się na 25 – 30 lat. Instalacja fotowoltaiczna zużywa się powoli – po dziesięciu – 15 latach działa na poziomie 90-95 % sprawności wyjściowej.
Działanie pojedynczego ogniwa FV
Najważniejszym elementem instalacji fotowoltaicznej są ogniwa FV. W Polsce najczęściej używane są panele niebieskie – są tańsze, a w naszych warunkach klimatycznych ich osiągi są bardzo zadowalające. Pojedyncze niewielkie ogniwa wchodzą w skład modułów, a te z kolei składają się na panele. Każde ogniwo zbudowane jest z dwóch warstw półprzewodnika o odmiennych typach przewodnictwa. N – negative to warstwa ze zwiększoną liczbą elektronów na powłokach zewnętrznych, która ma ładunek ujemny. P – jak positive to warstwa zbudowana z atomów z dziurami, czyli wolnymi miejscami po wybitych elektronach. Między powłokami p i n jest neutralna strefa – rodzaj łącznika, gdzie elektrony wpasowują się w dziury atomów o dodatnim naładowaniu – złącze p-n ma więc ładunek obojętny. Gdy duża ilość energii ze strumienia fotonów (światła) pada na warstwę n, to następuje wybijanie elektronów z powłok elektronowych. Jednocześnie zwiększa się ilość atomów z dziurami. Różnica ładunków między warstwami to inaczej napięcie. Wolne elektrony za wszelką cenę chcą znaleźć miejsce w dziurze, aby ją zapełnić. Neutralna przestrzeń w złączu p-n działa jak izolator i uniemożliwi im to – podłączenie jakiegokolwiek odbiornika do ogniwa zamyka obwód i porządkuje ruch elektronów. Taki uporządkowany przepływ elektronów to właśnie jest prąd stały.
Inne elementy instalacji fotowoltaicznej
Oprócz ogniw w instalacji fotowoltaicznej są jeszcze:
– inwertery (falowniki),
– dwukierunkowe liczniki energii elektrycznej,
– okablowanie,
– konstrukcja wsporcza.
Konstrukcja wsporcza potrzebna jest do zamontowania – umocowania instalacji naziemnej lub nadziemnej (na dachu). Instalacje fotowoltaiczne naziemne w przypadku użytkowników produkujących energię na własny użytek są rzadsze – aby wyprodukować 1 kW potrzeba instalacji o powierzchni ok. 7 m2, a przydomowe działki nie są zbyt rozległe. Przewagą instalacji naziemnych jest możliwość zamontowania trakerów, które wprawiają panele w ruch, umożliwiając im w ten sposób ustawianie się do słońca zgodnie z jego dzienną wędrówką po niebie. Wsporniki na dachu muszą uwzględniać wielkość, wagę instalacji oraz zapewnić wolną przestrzeń między panelami a połacią dachu (swobodny przepływ powietrza). W tym miejscu warto wspomnieć o wadze lokalizacji – usytuowania paneli. Najlepszą sprawność ma instalacja fotowoltaiczna z panelami skierowanymi na południe ustawionymi pod kątem nachylenia 30-40 stopni. Zadaniem inwerterów jest przemiana (konwersja) prądu stałego wytworzonego w modułach w prąd przemienny o parametrach zgodnych z wymaganymi dla naszych sieci elektrycznych. Okablowanie służy komunikacji między elementami układu oraz łączy instalację fotowoltaiczną z licznikiem dwukierunkowym i dalej z siecią elektroenergetyczną. Licznik dwukierunkowy dokonuje pomiarów wyprodukowanej energii elektrycznej, energii pobranej z sieci oraz energii oddanej w ramach nadwyżek produkcyjnych.
Co dzieje się z nadwyżkami prądu wytworzonymi w instalacji?
Gdy ilość zużytej energii jest mniejsza od energii wytworzonej, nadwyżka zostaje przekazana do sieci elektroenergetycznej. Prąd jest tam w przenośnym znaczeniu „magazynowany” – w przypadku spadku produkcji lub zwiększonego zużycia energii prosument (wytwórca energii na użytek własny) pobiera brakującą energię z sieci. Podstawą do rozliczenia z prosumentem a zarządcą sieci jest umowa, która określa warunki przepływu energii w obie strony. Mała instalacja nieprzekraczająca poziomu 10kWp rozlicza się w stosunku 1:0,8, czyli jej właściciele za darmo odbierają 80% nadwyżki zmagazynowanej w sieci energii. W praktyce w rozliczeniu na rachunku oznacza to cenę prądu na poziomie 20% obowiązujących stawek. Fotowoltaika o większej mocy zmienia stosunek do 1:0,7. Jeśli instalacja nadal nie będzie zaspokajała popytu, a prosument wyczerpie wszystkie zapasy, wówczas za pobraną energię, rozlicza się według stawek obowiązujących innych użytkowników sieci.
