Fotowoltaika wydaje się magią: świeci słońce, promienie padają na jakąś ciemną płytę, przewody z niej biegną do niedużej skrzynki i … wychodzi z niej prąd. Jak to możliwe – jak działa system fotowoltaiczny? Trochę fizyki, trochę chemii. Wyjaśnijmy to krok po kroku.
Energia, która powstaje z paneli słonecznych, należy do odnawialnych źródeł energii (OZE), czyli takich, których stosowanie nie jest związane z ich długotrwałym deficytem, ponieważ zasób odnawia się w krótkim czasie. Sama nazwa wyjaśnia wszystko: energia ze słońca skończy się, dopiero kiedy przestanie ono świecić. Proces „umierania” tej gwiazdy rozpocznie się za około 5 mld lat. Czyli trochę czasu jeszcze nam zostało.
Działanie fotowoltaiki - czyli skąd ten prąd?
Od stuleci zastanawiano się, jak wykorzystać to nieskończone źródło energii dla potrzeb człowieka. Jednym z pierwszych zastosowań było np. rozpalanie ognia, czego nauczył się już człowiek pierwotny. Ale fotowoltaika, czyli dziedzina nauki i techniki zajmująca się przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną, to znacznie późniejszy pomysł. Wytwarzanie prądu elektrycznego z wykorzystaniem efektu fotowoltaicznego udało się po raz pierwszy Alexandrowi Edmondowi Becquerelowi w 1839 r. Jednak jego urządzenie dawało tak niewielkie ilości energii, że odkrycie nie upowszechniło się. Trzeba było czekać ponad sto lat, żeby w 1954 r. Daryl Chapin, Calvin Fuller oraz Gerald Pearson zbudowali pierwsze ogniwo fotowoltaiczne. Miało ono wydajność jedynie 4 proc., ale sam pomysł jest stosowany do dziś.
Ogniwo fotowoltaiczne, moduł, panel - co jest czym?
Często zamiennie używa się słów ogniwo fotowoltaiczne, moduł fotowoltaiczny, panel fotowoltaiczny. To błąd. Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem panelu fotowoltaicznego, ale to nie to samo. Zbudowane jest z dwóch warstw: jednej ujemnie naładowanej (półprzewodnik typu n negative) i drugiej naładowanej dodatnio (półprzewodnik typu p positive). Światło słoneczne padając na ogniwo, inicjuje reakcję fizyczną. Między półprzewodnikami powstaje różnica potencjałów i zaczyna płynąć prąd stały. Jak to się dzieje? Do ogniwa dociera światło, które składa się z fotonów. Krzem w ogniwie pochłania foton i wybija elektron z jego pozycji, w ten sposób zmuszając go do ruchu. A ruch elektronów to przepływ prądu elektrycznego.
Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu, germanu i selenu. Łączy się je szeregowo i równolegle w moduły fotowoltaiczne i wówczas osiągają odpowiednie napięcie i moc. Moduł fotowoltaiczny to najmniejszy,
w pełni zabezpieczony przed niekorzystnymi warunkami środowiska, zestaw wzajemnie połączonych ogniw słonecznych.
Z czego składają się panele słoneczne?
Zestaw wzajemnie połączonych mechanicznie i elektrycznie modułów, który jest gotowy do montażu, to panel fotowoltaiczny. Panel oprócz modułów zawiera między innymi szybę, specjalną folię, elektroizolator, ramę, puszkę podłączeniową oraz przewody.
Wybór paneli fotowoltaicznych
Podczas wyboru paneli fotowoltaicznych do instalacji fotowoltaicznej na gruncie kierujemy się parametrami mechanicznymi i elektrycznymi. W tym pierwszym wypadku chodzi o wymiary, wagę, wytrzymałość na temperaturę i czynniki chemiczne.
Przykładowo farma fotowoltaiczna Projekt Solartechnik w Pile o mocy 5 MW została wybudowana z niemal 10 tys. modułów fotowoltaicznych, zajmując powierzchnię ponad 78 tys. m2 co przekłada się na obszar 11 boisk piłkarskich – czyli całkiem spory kawałek przestrzeni.
Parametry elektryczne decydują o efektywności instalacji – to moc i sprawność. Producenci
z roku na rok biją tutaj kolejne rekordy. Najmocniejsze panele fotowoltaiczne osiągają moc nawet 700 W. Z kolei sprawność wzrosła od lat 50. z 4 proc. do prawie 23 proc. obecnie. Te parametry w dużym stopniu zależą od czynników atmosferycznych, takich jak: natężenie promieniowania słonecznego, temperatura, prędkość wiatru, wilgotność powietrza, zanieczyszczenie atmosfery. Aby porównywać panele różnych producentów, ich parametry testowane są w ściśle określonych warunkach laboratoryjnych:
● promieniowanie słoneczne o natężeniu 1000 W/m2
● temperatura panelu fotowoltaicznego 25°C.
Takie warunki nazywane są standaryzowanymi warunkami testowymi (STC), a moc paneli uzyskana przy takich parametrach nazywana jest mocą w MPP (ang. Maximum Power Point). Parametr ten informuje nas, ile prądu wyprodukuje dany panel w zadanych warunkach i o określonej powierzchni podanej w m2. Dlatego mało prawdopodobne jest, że w warunkach naturalnych otrzymamy sprawność na poziomie 23 proc.
Rodzaje paneli słonecznych
Panele fotowoltaiczne ze względu na rodzaj stosowanych ogniw dzielą się na polikrystaliczne i monokrystaliczne. Różnica jest związana ze sposobem wytwarzania ogniw. Panele polikrystaliczne są stworzone z wielu połączonych kryształów krzemu, które mają kształt kwadratu lub prostokąta. Ogniwa paneli monokrystalicznych są zbudowane z jednego dużego monokryształu. Mają zaokrąglone rogi, co powoduje, że przekrojem kryształu krzemu jest koło. Ponadto różnią się przede wszystkim kolorem – monokrystaliczne są ciemne, niemal czarne, polikrystaliczne niebieskie. Obecnie ze względu na większą wydajność do instalacji fotowoltaicznych używa się paneli monokrystalicznych.
W Projekt Solartechnik dobieramy najbardziej efektywne rozwiązania, tak by zoptymalizować wydajność instalacji PV. Podczas procesu budowy farmy fotowoltaicznej dokonujemy wyboru nie tylko odpowiednich modułów PV, ale także innych elementów instalacji takich jak: inwertery, stacje transformatorowe oraz komponenty konstrukcyjne.
Jak się montuje panele PV?
Moduły fotowoltaiczne wymagają odpowiedniego montażu. W zależności od rodzaju podłoża mogą to być konstrukcje dachowe (montowane na dachach) lub konstrukcje naziemne (montowane na gruncie). Te pierwsze najczęściej stosuje się w budynkach prywatnych, biurowcach, halach produkcyjnych. W przypadku dużych instalacji na gruncie, moduły fotowoltaiczne montowane są za pomocą palowania.
Inwestorzy, którzy decydują się na budowę elektrowni słonecznej często zastanawiają się, czy podłoże działki jest odpowiednie.
Najważniejsze, by teren pod farmę fotowoltaiczną był w miarę płaski i niezacieniony. Konstrukcję można dostosować do różnych rodzajów gruntu, a dzięki najnowocześniejszym systemom kotwiczącym, są one stabilnie i bezpiecznie montowane nawet na najbardziej wymagających podłożach.
Z czego składa się instalacja fotowoltaiczna? Elementy farmy PV.
Jak działa instalacja fotowoltaiczna? Panele fotowoltaiczne muszą być ze sobą wzajemnie połączone odpowiednimi przewodami DC/prądu stałego. Dzięki nim energia w postaci prądu stałego przesyłana jest z modułów do inwertera zwanego też falownikiem. Kable te często pracują w temperaturze wyższej niż otoczenie, narażone są na promieniowanie UV oraz zmienne warunki atmosferyczne, w związku z tym muszą mieć odpowiednie parametry i posiadać podwójną izolację.
Prąd z paneli trafia do inwertera, który jest kluczowym elementem instalacji, jej sercem. Jego zadaniem jest przekształcanie prądu stałego w prąd zmienny. Dobór inwertera zależy od typu instalacji PV i sposobu jej pracy: on-grid lub off-grid. Podstawowa różnica pomiędzy systemami dotyczy sposobu podłączenia. Pierwszy jest zintegrowany z całą siecią zakładu energetycznego, drugi natomiast nie jest wpięty w sieć, można wówczas magazynować energię.
Ważną kwestią podczas budowy instalacji fotowoltaicznej jest dobór odpowiedniego inwertera. Istotne są następujące parametry:
● sprawność – skuteczność, z jaką inwerter zamienia prąd stały w zmienny.
W najlepszych falownikach sprawność ważona (określana rano, w pełnym słońcu i wieczorem) wynosi około 98%
● wyszukiwanie MPPT (ang. Maximum Power Point Tracking, punktu maksymalnej mocy) – najlepsze falowniki dokonują tego w ciągu kilku sekund, gorszym śledzenie zajmuje kilkanaście sekund
● bezawaryjna praca – gwarancją jest zakup inwertera renomowanej firmy
Połączenie inwertera z instalacją elektryczną zapewniają przewody AC/prądu zmiennego, czyli takiego, który płynie w gniazdkach.
Kolejnym elementem farmy fotowoltaicznej są stacje transformatorowe, przez które przepływa energia zanim trafi od sieci energetycznej. Są one wyposażone w transformatory obniżające napięcie, podwyższające napięcie oraz stabilizujące napięcie prądu elektrycznego. Wyróżnia się stacje napowietrzne, budynkowe (wnętrzowe), mobilne oraz wolnostojące (kontenerowe).
Lekka kontenerowa stacja transformatorowa dla farm PV Elgór + Hansen S.A. z Grupy FAMUR
Jak działa system fotowoltaiczny?
Jak wygląda produkcja energii ze słońca? Moduły zamocowane
na specjalnych konstrukcjach łączy się w grupy, zwane stringami (łańcuchami
PV). Promienie słoneczne zostają przekształcone w prąd stały, który poprzez
kable dla prądu stałego trafia do inwerterów o odpowiednio dobranej mocy. Tam
prąd stały zamieniany jest w prąd zmienny. Następnie, przy tak dużych mocach,
jakie powstają na farmach fotowoltaicznych, energia musi przejść przez stację
transformatorową, aby ostatecznie trafić do sieci operatora i naszego
gospodarstwa domowego.
