Budowa i działanie instalacji fotowoltaicznych

W Polsce głównym źródłem energii elektrycznej są elektrownie węglowe, jednak z powodu malejących zasobów węgla, wzrasta jego wartość, a co za tym idzie – ceny energii elektrycznej. W związku z tym, coraz większym zainteresowaniem cieszą się odnawialne źródła energii, które do wytworzenia prądu wykorzystują między innymi słońce. W tym artykule wyjaśnimy, z czego zbudowana jest oraz jak działa instalacja fotowoltaiczna.

Z jakich elementów składa się instalacja fotowoltaiczna?

Instalacja fotowoltaiczna umożliwia wykorzystanie naturalnych zasobów, jest więc doskonałym sposobem na oszczędność, z jednoczesną troską o środowisko.

Składają się na nią: panele fotowoltaiczne, licznik dwukierunkowy, falownik i okablowanie.

Panele montowane są na dachach lub gruncie. Obecnie na rynku dostępne są w dwóch rodzajach: monokrystaliczne oraz polikrystaliczne.

Jak wyjaśnia specjalista z PLC System, firmy zajmującej się między innymi montażem instalacji fotowoltaicznych: Panele monokrystaliczne, zbudowane są z połączonych ze sobą ogniw powstałych z monokryształu krzemu. Mają one zwykle ciemnoniebieski lub czarny kolor i należą do najbardziej wydajnych. Niska masa i mniejszy rozmiar pozwalają na zamontowanie większej liczby paneli, które dodatkowo wyprodukują więcej energii elektrycznej. Ich sprawność plasuje się na poziomie 15-19%, co oznacza, że energia słoneczna padająca na 1 metr kwadratowy powierzchni panelu, w 15% zostanie przekształcona w energię elektryczną.

Panele polikrystaliczne powstają z połączenia ogniw, utworzonych z wielu kryształów krzemu. Są one tańsze i nieznacznie mniej wydajne niż ogniwa monokrystaliczne. Wydajność ich plasuje się bowiem na poziomie 14-16%.

Licznik dwukierunkowy jest niezbędnym elementem instalacji fotowoltaicznej. Jego funkcją jest zliczanie ilości prądu pobieranego z sieci energetycznej oraz tego oddawanego do sieci (wytworzonego przez panele fotowoltaiczne). Na podstawie obliczeń prosument (właściciel instalacji) rozlicza się z zakładem energetycznym. Licznik musi być zamontowany przez zakład energetyczny, z którym podpisaliśmy umowę, do 30 dni od momentu zgłoszenia mikroinstalacji.

Falownik (inwerter) ma za zadanie zamianę prądu stałego (wytwarzanego przez panele) na prąd zmienny, (który wykorzystujemy w gospodarstwie domowym). Wyróżnia się falowniki jednofazowe, stosowane przy instalacjach o mocy do 3 kW oraz trójfazowe, wymagane przy instalacjach o mocy powyżej 3,68 kW. Do mocy pomiędzy 3 a 3,67 kW możemy zastosować falownik jednofazowy lub trójfazowy.

Zasada działania mikroinstalacji

Działanie instalacji fotowoltaicznej najlepiej będzie zacząć od opisu budowy ogniwa, od którego wszystko się zaczyna. Składa się ono z dwóch warstw półprzewodnika. Pierwsza z nich, warstwa typu n, zbudowana jest z atomów o przewadze elektronów na ostatniej z powłok, charakteryzuje się więc ładunkiem ujemnym (jak same elektrony). Druga, zwana warstwą typu p,  o ładunku dodatnim, składa się z atomów posiadających puste miejsca (dziury) po elektronach. Na granicy tych dwóch warstw atomy z warstwy typu n zapełniają dziury warstwy p, oddając jej swoje elektrony. Powstaje wtedy tak zwane złącze p-n.

Produkcja energii elektrycznej zaczyna się, gdy strumień cząsteczek światła zwanych fotonami, pada na ogniwo fotowoltaiczne. Ma to miejsce oczywiście w momencie, gdy jest jasno. Cząsteczka światła jest następnie pochłaniana przez elektrony znajdujące się na ostatniej powłoce elektronowej atomów krzemu na złączu p-n. elektrony pod wpływem energii zostają wybite z powłok i krążą po warstwie typu n. W warstwie typu p zwiększa się jednocześnie liczba atomów z dziurami. Proces ten prowadzi do powstania napięcia, czyli różnicy ładunków elektrycznych na obydwu warstwach. Swobodnie poruszające się elektrony z warstwy typu n usiłują ponownie zapełnić dziury w warstwie typu p, jednak uniemożliwia im to złącze p-n, pełniące funkcję izolatora. Obwód elektryczny zamyka się w momencie, gdy do ogniwa zostaje (oczywiście pośrednio) przyłączony odbiornik. Swobodne elektrony przepływają w kierunku atomów z ładunkiem dodatnim i w ten sposób zostaje wytworzony prąd stały. Przepływa on dalej do falownika (zwanego też inwerterem), który następnie przekształca go w prąd zmienny, (z którego korzystamy).

Instalacja w systemie on-grid, off-grid lub hybrydowym. Co to oznacza?

Instalacja fotowoltaiczna może działać w systemie on-grid, off-grid lub hybrydowym. W pierwszym przypadku jest ona zintegrowana z siecią energetyczną, gdzie trafia nadwyżka wyprodukowanego przez instalację prądu. W systemie off-grid instalacja nie jest połączona z siecią, a nadwyżki magazynowane są w specjalnie przeznaczonych do tego akumulatorach. System hybrydowy łączy obie te funkcje – instalacja jest bowiem podpięta do sieci, ale jednocześnie zintegrowana z magazynem energii, co pozwala uzyskać większą niezależność od dostaw energii elektrycznej oraz brak problemu w przypadku ewentualnych przerw w dostawie prądu.