W obliczu stale rosnących cen prądu coraz więcej osób decyduje się na alternatywne rozwiązania kwestii zaopatrzenia swoich domów w energię elektryczną. Wybór bardzo często pada na fotowoltaikę — pod względem wykorzystania, słońce zajmuje obecnie trzecie miejsce wśród odnawialnych źródeł energii. Fotowoltaika rozwija się bardzo dynamicznie i w ciągu kilkudziesięciu ostatnich lat przeszła długą drogę od zasilania małych przenośnych urządzeń (np. zegarków i kalkulatorów) do właściwie samowystarczalnych przydomowych elektrowni. Jak przebiega proces przekształcania promieni słonecznych w energię elektryczną i jak zbudowana jest instalacja fotowoltaiczna? O tym opowiemy w poniższym tekście.

 

 

Zasady działania ogniw fotowoltaicznych

Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw półprzewodnika — typu n i typu p. Ta pierwsza wykazuje ładunek ujemny, ze względu na zwiększoną liczbę elektronów. Natomiast w drugiej występują atomy z pustymi miejscami po elektronach (tzw. dziurami), co daje jej ładunek dodatni. Pomiędzy nimi znajduje się zaś łącze p-n o obojętnym ładunku. W momencie, gdy na ogniwo padają promienie słoneczne, a właściwie zawarte w nich fotony, pochodząca z nich energia jest pochłaniana przez elektrony ze złącza p-n. Są one „wybijane” z powłok i zaczynają swobodnie krążyć po materiale. W efekcie powstaje różnica ładunków (wzrost liczby elektronów w warstwie n i dziur w warstwie p przy jednoczesnym hamowaniu ich wyrównywania się przez łącze p-n) między warstwami półprzewodnika, czyli napięcie elektryczne. Po zamknięciu obwodu elektrycznego (tj. podłączeniu takiego ogniwa do odbiornika) ruch elektronów staje się uporządkowany — wytwarza się prąd stały. Aby można było go wykorzystać do zasilania domowej instalacji elektrycznej, musi on trafić do inwertera (nazywanego również falownikiem), który przekształci go w prąd przemienny. Warto pamiętać, że wytworzony w ten sposób prąd ma wyższe napięcie od tego sieciowego — jest zatem zużywany w pierwszej kolejności.

 

 

 

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa wykorzystywane w fotowoltaice są najczęściej wykonane z krzemu. Biorąc pod uwagę jego krystaliczną strukturę, do wytwarzania energii elektrycznej z promieni słonecznych wykorzystuje się dwa rodzaje ogniw:
- Polikrystaliczne — struktura krzemu jest tutaj w miarę uporządkowana, choć występują liczne defekty i skazy. Ogniwo takie będzie miało kształt prostokąta i jasnoniebieską barwę. Sprawność opartych o nie układów osiąga 14-16% (tzn. tylko ta część padających nań promieni słonecznych jest przekształcana w prąd). Ogniwa polikrystaliczne są obecnie najszerzej wykorzystywane w domowych instalacjach.
- Monokrystaliczne — krzem monokrystaliczny jest znacznie bardziej uporządkowany i niemal pozbawiony skaz. Wykorzystujące go ogniwa mają zaokrąglone rogi i ciemną (ciemnoniebieską do czarnej) barwę. Sprawność takich ogniw to 15-19%. Niestety trudniej je wytworzyć, co wpływa na ich cenę.

Występuje również krzem amorficzny, jednak ze względu na niską sprawność wykorzystujących go ogniw (9-14%) odchodzi się od jego stosowania w nowych instalacjach.

 

 

 

Z jakich elementów składa się instalacja fotowoltaiczna?

Najbardziej podstawowym elementem instalacji fotowoltaicznej (PV) są wspomniane wyżej ogniwa, z których powstają moduły fotowoltaiczne, składające się na panele fotowoltaiczne (potocznie określane jako panele słoneczne). Oprócz samych ogniw każdy panel zbudowany jest również z powłoki antyrefleksyjnej, ramy (najczęściej aluminiowej) i hartowanej szyby.

Drugą ważną częścią układu fotowoltaiki jest wspomniany inwerter (falownik). Pozwala on nie tylko na przekształcenie wytworzonego prądu stałego w możliwy do wykorzystania prąd zmienny, ale także kontroluje pracę instalacji fotowoltaicznej — dostosowując parametry prądu do domowej instalacji elektrycznej i wyłączając układ fotowoltaiki w przypadku wykrycia awarii. Ponadto monitoruje parametry umożliwiające analizę działania instalacji.

Zestawu dopełniają zabezpieczenia przeciwprzepięciowe (chronią przed wyładowaniami elektrycznymi i przepięciami), stosowne okablowanie oraz system montażowy do paneli fotowoltaicznych. Zależnie od rodzaju instalacji fotowoltaicznej, mogą do tego dochodzić jeszcze specjalne akumulatory.

 

 

Rodzaje instalacji fotowoltaicznych

Na podstawie tego, czy instalacja jest podłączona do publicznej sieci energetycznej, wyróżnia się dwa rodzaje fotowoltaiki — on-grid i off-grid.

Instalacje typu on-grid są połączone z siecią publiczną. Co to oznacza w praktyce? Jakakolwiek nadwyżka wyprodukowanej energii elektrycznej będzie do niej przekazywana. Potrzebny będzie tutaj specjalny licznik dwukierunkowy (najczęściej wbudowany w inwerter sieciowy), który monitoruje zarówno energię pobieraną, jak i przekazywaną do publicznej sieci, umożliwiając łatwe rozliczanie się z zakładem energetycznym. Obowiązek montażu takiego licznika leży po stronie zakładu — wystarczy zgłosić założenie fotowoltaiki i powinien on trafić na miejsce do 30 dni. Osoba, która jest jednocześnie konsumentem i producentem energii jest nazywana prosumentem. Rozlicza się ona bezgotówkowo z zakładem energetycznym na podstawie Ustawy o Odnawialnych Źródłach Energii, uzyskując tzw. opusty. Ich wysokość zależy od mocy instalacji i wynosi:
- 0,8 kWh za każdą wyprodukowaną 1 kWh energii (gdy moc instalacji wynosi do 10 kW),
- 0,7 kWh za każdą wyprodukowaną 1 kWh energii (w przypadku instalacji do 50 kW).

Oznacza to, że za każdą wyprodukowaną kWh prosument może odebrać z sieci publicznej 0,7 lub 0,8 kWh. Jeśli zaś domowa instalacja fotowoltaiczna nie pokrywa w pełni zapotrzebowania, różnica jest pobierana z sieci w stosunku 1:1. Ponadto należy pamiętać, że przekazaną do sieci publicznej nadwyżkę energii można wykorzystać przez 365 dni od chwili jej wprowadzenia. Warto też stosować inwertery hybrydowe, które pozwalają funkcjonować instalacji fotowoltaicznej nawet w przypadku awarii sieci publicznej.

Instalacja fotowoltaiczna typu off-grid nie będzie podłączana do publicznej sieci energetycznej i stanowi oddzielny obwód. Nadwyżki energii mogą być tutaj magazynowane we wspomnianych wcześniej akumulatorach. W instalacjach off-grid wykorzystuje się inwertery wyspowe, umożliwiające korzystanie z energii sieciowej, ale nieprzesyłające dalej nadwyżek wyprodukowanego prądu. Domy wyposażone w instalacje tego typu mogą być całkowicie samowystarczalne, pod warunkiem sprzyjającego klimatu (dużo dni słonecznych) i odpowiednio dobranej mocy fotowoltaiki.

 

 

 

Czy fotowoltaika wymaga wymiany istniejącej instalacji energetycznej?

Choć mogą pojawić się takie obawy, podłączenie instalacji PV na ogół nie wiąże się z koniecznością wymiany instalacji elektrycznej. Oczywiście dużo zależy tutaj od jej stanu — te bardziej sfatygowane trzeba będzie zastąpić nowymi.

O zmianach w instalacji energetycznej warto natomiast pomyśleć, gdy zamierza się podłączyć fotowoltaikę do dopiero powstającego domu. Dobrze jest już na wstępie zadbać o odpowiedni licznik, zabezpieczenia AC/DC i miejsce na montaż falownika (najlepiej w sąsiedztwie głównej rozdzielnicy budynku). Zwłaszcza że wiele profesjonalnych firm zajmujących się instalacjami fotowoltaicznymi pomaga również w ich rozplanowaniu i nie trzeba tego robić na własną rękę — jedną z nich jest Rayhold.

Jak dobrać instalację fotowoltaiczną?

Za najważniejszy parametr fotowoltaiki uznaje się powszechnie moc. Panele fotowoltaiczne podlegają normalizacji, a porównywanie ich między sobą jest możliwe dzięki parametrowi MPP dla NOCT (Normal Operating Cell Temperature), oznaczającemu maksymalną moc w warunkach zbliżonych do rzeczywistości. Warunki te obejmują:
- nasłonecznienie 800 W/m2,
- temperatura ogniw panelu +20°C,
- spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery 1,5 (Am = 1,5),
- prędkość wiatru 1 m/s.

Gdy zna się już moc pojedynczego panelu, można przejść do określenia sumarycznej mocy całej instalacji. Co ciekawe, nie zależy ona bezpośrednio od liczby mieszkańców ani wielkości domu — podstawą jej ustalenia jest roczna tendencja zużycia prądu (którą można wyciągnąć z rachunków za prąd). W naszych warunkach geograficznych przyjmuje się, że instalacja fotowoltaiczna o mocy 1 kW pozwala uzyskać rocznie 950-1050 kWh energii elektrycznej. W związku z tym, przykładowe roczne zużycie prądu na poziomie 3 000 kWh wymagać będzie fotowoltaiki o mocy 3-5 kW.

Kolejnym krokiem będzie ustalenie, jak dużo miejsca będzie potrzebne na daną instalację. Wykorzystując nadal powyższy przykład i zakładając, że będzie ona miała 3 kW mocy, a pojedynczy panel ma jej 300 W, potrzebne będzie dziesięć paneli. Przy wymiarach rzędu 1x1,7 m, na całą instalację będzie potrzebne ok. 18 m2 wolnej powierzchni.

W razie wątpliwości można zwrócić się do firm zajmujących się instalacjami fotowoltaicznymi. Wiele z nich oferuje również darmową wycenę potrzebnej instalacji, co jest sporym udogodnieniem.

 

 

Podsumowanie

Wbrew pozorom fotowoltaika działa na prostych zasadach, korzystając z odnawialnego źródła energii i wytwarzając czystą energię. Warto zatem sięgnąć po to rozwiązanie, zwłaszcza że żywotność instalacji fotowoltaicznej ocenia się na 25 lat, a rząd przewiduje do nich dopłaty (np. z programów „Mój prąd” i „Czyste powietrze”).