Co to jest fotowoltaika i na czym polega jej działanie?

Fotowoltaika to nowoczesna technologia, umożliwiająca otrzymanie prądu z promieni słonecznych. Energia słoneczna zdecydowanie jest najbardziej podstawową formą energii, jaką można uzyskać przy wykorzystaniu innowacyjnych procedur, urządzeń i technologii.

Do czego służy fotowoltaika?

W najprostszym ujęciu, system fotowoltaiczny pozwala uzyskać energię. Wykorzystanie fotowoltaiki uznaje się za najłatwiejszą formę wygenerowania energii elektrycznej. Wytworzenie owej energii oparte jest na procesie konwersji promieniowania słonecznego w stały prąd elektryczny, który płynie do inwertera-falownika, a następnie ulega transformacji na prąd zmienny. Jeśli nasza instalacja wytworzy nadwyżkę prądu, trafia on do sieci i dopiero w późniejszym czasie może zostać skonsumowany.

Otrzymywanie energii za pomocą fotowoltaiki tworzy przewagę nad pozostałymi odnawialnymi źródłami energii (biomasa, wiatr, pływy morskie), gdyż z instalacji fotowoltaicznej można czerpać korzyści tak naprawdę wszędzie. Na poziom pozyskanej energii wpływają z kolei takie czynniki jak: intensywność promieniowania słonecznego, pora roku, pora dnia, czy szerokość geograficzna.

Instalacja paneli fotowoltaicznych jest bez wątpienia opłacalną inwestycją. Generuje oszczędności w kwestii opłat za prąd. Przy właściwym doborze wszelkich parametrów, w tym mocy systemu, może całkowicie zastąpić korzystanie z energii elektrycznej z konwencjonalnych źródeł. Koszty z inwestycji, są w stanie zwrócić się w przeciągu około od 7 do 10 lat.

Na moc systemu fotowoltaicznego wpływa kilka czynników. Najważniejsze z nich to wielkość powierzchni gruntu bądź wielkość dachu, kąt jego nachylenia, ekspozycja na słońce, zanieczyszczenia. Na wyższą moc instalacji warto zdecydować się w sytuacji, w której warunki nie są w pełni sprzyjające, tzn. np. dach skierowany jest w kierunku wschód/zachód, czy pojawia się zacienienie. Wówczas, większa moc, będzie w stanie pokryć zapotrzebowanie na prąd.

Fotowoltaika w kontekście gospodarki

Odpowiednio dobrana instalacja fotowoltaiczna pozwala na zmniejszenie kosztów ponoszonych na energię elektryczną, a czasem pozwala nawet na uzyskiwanie jej za darmo. Szacuje się w takich warunkach, przy wydajności paneli przez okres około 35 lat, że  inwestycja jest w stanie zwrócić się po około 9/10 latach. Co ciekawe, w Polsce zauważa się trend instalowania fotowoltaiki w gospodarstwach rolnych. System można zamontować w terenie, np. na nieużytkach rolnych, budynkach gospodarczych albo też budynkach inwentarskich, jak kurniki czy obory. Zwykle w tym przypadku, wygenerowany prąd, pożytkuje się do oświetlenia oraz zasilania urządzeń. Gdy powstanie nadwyżka energii, użytkownik może ją sprzedać do sieci. Stanowi to więc także formę zabezpieczenia. Zdecydowanie na rynku obserwuje się wzrost zainteresowania fotowoltaiką, a opcje dofinansowania przez państwo z pewnością wpływają na szerzenie się tego rodzaju odnawialnego źródła energii w Polsce.

Fotowoltaika i warunki nasłonecznienia w Polsce

Ilość wytworzonej energii przez elektrownie fotowoltaiczne uwarunkowana jest od nasłonecznienia obszaru, w którym się znajdują. Warunki meteorologiczne wyznacza się w oparciu o poziom energii, która trafia do kraju w postaci energii słonecznej. Liczy się ją na podstawie natężenia promieniowania słonecznego, które jest rozproszone oraz ma tzw. cykliczność dobową i roczną. Jeśli chodzi o warunki w naszym kraju, to natężenie energii słonecznej szacuje się na poziomie 900-1200 kWh/m2 w ujęciu rocznym. Lokalizacja Polski w takim położeniu geograficznym sprzyja więc rozwojowi energetyki słonecznej. Zdecydowanie największy poziom nasłonecznienia i wartości natężenia występuje w centrum kraju i na południu.

Innymi uwarunkowaniami oddziałującymi na poziom natężenie nasłonecznienia jest zachmurzenie i zanieczyszczenie powietrza. Promieniowanie słoneczne nie rozkłada się równomiernie w cyklu rocznym. Przyjmuje się, że mniej więcej 80% ogólnej wartości nasłonecznienia zostaje wygenerowana w miesiącach wiosenno-letnich. Pomimo tego, w czasie okresu zimowego, instalacja fotowoltaiczna także spełnia zapotrzebowania na energię elektryczną.

Ile energii zużywa dom i jak wyznaczyć odpowiednią moc paneli fotowoltaicznych?

Obliczenie mocy instalacji fotowoltaicznej rozpoczyna się od zapoznania z rachunkami za prąd. W ten sposób będziemy mogli oszacować poziom energii, jaki zużywa gospodarstwo domowe w trakcie roku i wyznaczyć właściwą wartość mocy paneli. Właścicielom fotowoltaiki przysługują opusty w wysokości 0,8 za 1kWh w instalacjach do mocy 10 kW lub też 0,7 w instalacjach o mocy od 10 do 50 kW. Moc paneli dobiera się także uwzględniając ilość energii jaką w okresie roku, jest w stanie wygenerować instalacja. Pracownik firmy z fotowoltaiką używa kalkulatora, w którym zawiera wszystkie wspomniane dane: miesięczne koszty za prąd, rodzaj dachu, kąt jego nachylenia, lokalizację. Na podstawie wyliczeń, otrzymuje się dane o mocy systemu, ilości paneli, informację jaką powierzchnię zajmą na dachu oraz przybliżoną cenę instalacji systemu.

Należy pamiętać, aby montując panele, wziąć również pod uwagę poziom nasłonecznienia lokalizacji i natężenie promieniowania, Te czynniki zdecydowanie będą wpływały na ich wydajność. Równie ważną kwestią jest czyszczenie z zabrudzeń i odpowiednia konserwacja.

Jaki typ instalacji wybrać?

Energią elektryczną, wygenerowaną przez instalację fotowoltaiczną możemy zagospodarować na dwa sposoby. Pierwszą opcją jest kumulowanie nadwyżki energii w akumulatorach, czyli tzw. instalacja typu off-grid i zużytkowanie jej na potrzeby własne. Rozwiązanie to wykorzystuje się w przypadkach gdy energia elektryczna ma zasilać obiekt z brakiem dostępu do sieci. Utworzenie akumulatorów wiąże się niestety z dużym kosztem. Drugą możliwością wykorzystania powstałej energii elektrycznej jest jej spożytkowanie przez domowe urządzenia i transfer nadwyżki energii do sieci.

Energia elektryczna, która trafia do sieci w momencie nadwyżki , zostaje zmierzona przez licznik dwukierunkowy. Odebranie energii z sieci odbywa się z zastosowaniem współczynnika opustu wynoszącego: 0,8 w przypadku instalacji o mocy do 10 kW, oraz 0,7 dla instalacji o mocy powyżej 10 kW. Co oznacza, że z każdej przesłanej do sieci 1kWh, można odebrać, zależnie od mocy systemu, 0,8 bądź 0,7 kWh.

Dofinansowanie do fotowoltaiki

Z pewnością dużym ułatwieniem do rozwoju rynku fotowoltaiki było pojawienie się ustawy o OZE. Obecnie występuje wiele programów dodatkowego wsparcia, dla osób zainteresowanych tego typu inwestycją. Programy te zakładają pomoc z wdrożeniem systemu fotowoltaicznego w domach jednorodzinnych. Dla przykładu, w ramach Regionalnych Programów Operacyjnych na okres 2014-2020, suma dofinansowania na instalacje fotowoltaiczne wyniosłą 1,26 miliarda złotych. Ostatecznie stanowiło to około 70% całości kosztów poniesionych na inwestycje. Także rolnicy mają możliwość skorzystania z ulgi na wydatki w zakresie fotowoltaiki. Ulga inwestycyjna przyznawana jest w wysokości 25%, w oparciu o dokumenty potwierdzające zakup.

Zgłoszenie instalacji fotowoltaicznej do sieci

Właściciel systemu fotowoltaicznego czy też odbiorca końcowy, zobowiązany jest do zgłoszenia instalacji do operatora. Kwestie związane z przyłączaniem instalacji regulują przepisy ustawy Prawo energetyczne. Warto dodać, że instalacja mała – o mocy nie przekraczającej 50 kW, może zostać przyłączona do sieci elektroenergetycznej o napięciu znamionowym mniejszym niż 110 kV.

Podczas zgłoszenia należy dostarczyć następujące informacje: lokalizacja, rodzaj OZE, moc elektryczna, max moc systemu, rodzaj urządzeń wykorzystywanych do wygenerowania energii, dane osobowe, dane techniczne, certyfikat sprzętu oraz ewentualne pełnomocnictwo. Po zgłoszeniu, operator dokonuje montażu licznika dwukierunkowego, który rejestruje i odczytuje dane.

Panele fotowoltaiczne – budowa

Panele fotowoltaiczne składają się z modułów. Te z kolei zbudowane są z ogniw fotowoltaicznych – fotoogniw. Wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne i pod wpływem promieniowania, wytwarzają napięcie elektryczne. W wyniku absorpcji promieniowania słonecznego przez półprzewodnik, tworzą się nośniki ładunku. Następnie generuje się przepływ prądu stałego do mocy promieniowania padającego na ogniwo.

Ogniwa fotowoltaiczne wytwarza się z półprzewodników, a więc z materiałów takich jak krzem, selen, czy german. Typowe fotoogniwo złożone jest z dwóch warstw półprzewodnika, w których warstwa górna jest przeźroczysta i cienka, a drugą umieszcza się na dole fotoogniwa. Rozróżnia się 3 rodzaje ogniw fotowoltaicznych:

• 1 generacji – ogniwa polikrystaliczne (mc-Si), ogniwa monokrystaliczne (Sc-Si), ogniwa wielozłączowe (mj-cells) – wykorzystywane w technice kosmicznej,
• 2 generacji – ogniwa cienkowarstwowe z półprzewodników (z miedzi, selenu, falu, indu), ogniwa cienkowarstwowe z tellurku kadmu (Cd-Te), ogniwa cienkowarstwowe z krzemu armoficznego (a-Si),
• 3 generacji – ogniwa barwnikowe – funkcjonujące na zasadzie sztucznej syntezy (SDDC).

Moduły fotowoltaiczne montuje się w aluminiowej bądź też stalowej ramie. Składa się ona z hermetycznie uszczelnionych ochronnych szyb. Stanowią ochronę ogniw przed warunkami atmosferycznymi  i uszkodzeniami mechanicznymi. Ogniwa, dodatkowo kładzie się między warstwy folii PET i EVA.

Panele fotowoltaiczne zbudowane są zwykle z kilkunastu modułów, które łączy się ze sobą szeregowo. Powstały łańcuch, powoduje zwiększenie napięcia. Aby uzyskać wysoką wartość prądu wyjściowego, stosuje się również połączenie modułów równoległe, które tworzy macierz fotowoltaiczną.

Ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne jest kluczowym elementem systemu fotowoltaicznego. Wytwarza się je najczęściej z krzemu, gdyż materiał ten jest dobrym półprzewodnikiem. Niewielkie cząstki światła – fotony, padając na płytkę krzemową, powodują powstanie nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych – dodatnich i ujemnych. Płyta krzemowa pełni rolę złącza p-n, przez co dodatnie ładunki kierują się do warstwy p, natomiast ładunki ujemne – do warstwy n. W wyniku powstaje napięcie elektryczne. Po połączeniu w obwód, warstwy z ładunkami ujemnymi z warstwą o ładunkach dodatnich, następuje przepływ prądu stałego.

Z uwagi na budowę atomową krzemu, rozróżniamy ogniwa: monokrystaliczne, polikrystaliczne i amorficzne.  Jak sama nazwa wskazuje, ogniwa monokrystaliczne składają się z monokrystalicznych kryształków krzemu. Rozmiar ogniwa to przeważnie 10cm x 10cm. Są one ciemnej barwy, a ich kształt przypomina kwadrat ze ściętymi rogami. Sprawność ogniwa szacuje się na około 15-18% i są one zwykle droższe. Ogniwa polikrystaliczne są koloru niebieskiego. Cechuje je mniejsza sprawność niż ogniwa monokrystaliczne. Wycina się je po uprzednim przetopieniu i wykrystalizowaniu krzemu. Ogniwa polikrystaliczne są zdecydowanie częściej stosowane. Ich sprawność utrzymuje się na poziomie 18-20%. Trzecim typem ogniw są ogniwa amorficzne. Zbudowane są z niewykrystalizowanego krzemu. Nanosi się go na płytkę ze szkła, stali nierdzewnej lub też tworzywa sztucznego. Przyjmują brązowy, czasem bordowy matowy kolor. Są najtańszym rodzajem ogniw pod kątem ich wytworzenia. Niemniej jednak ich sprawność jest najniższa – około 6-8%.

Jaką funkcję pełni falownik?

Ogniwa fotowoltaiczne generują prąd stały, który następnie musi zostać przekształcony w prąd zmienny. Konwersja ta jest możliwa dzięki urządzeniu zwanym falownikiem. W jego budowie wyróżnia się trzy główne elementy. Pierwszym z nich jest układ wejściowy. Jest on odpowiedzialny za reagowanie urządzenia na zmienne wartości przesyłanego prądu stałego. Zawiera on rozłączniki i bezpieczniki. Kolejnym elementem jest tranzytowy układ mostkowy. To z kolei stanowi serce inwertera i przekształca prąd stały w prąd przemienny. Układ wyjściowy falownika zawiera filtr przeciwzakłóceniowy, który eliminuje niekontrolowane zmiany natężenia prądu przemiennego.