Fotowoltaika: panele słoneczne – ekologiczne źródło zasilania

Czas czytania: 7 min.

Światło słoneczne stanowi ekologiczne, odnawialne źródło energii, które może być wykorzystywane na różne sposoby. Jak działają elementy i instalacje fotowoltaiczne? Do czego możesz użyć paneli słonecznych?

Czym jest fotowoltaika?

Fotowoltaika to dziedzina zajmująca się pozyskiwaniem prądu z promieniowania słonecznego przy pomocy tak zwanego zjawiska fotowoltaicznego. W tym celu wykorzystuje się urządzenia nazywane ogniwami fotowoltaicznymi. Fotowoltaiką określa się też potocznie kompletną instalację fotowoltaiczną.

Ogniwa fotowoltaiczne

Działanie ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne (inaczej określane również jako panele słoneczne, ogniwa fotoelektryczne, ogniwa słoneczne lub fotoogniwa) to elementy półprzewodnikowe, wewnątrz których następuje konwersja energii słonecznej (światła widzialnego) w energię elektryczną. Dzieje się tak na skutek zjawiska fotowoltaicznego (efektu fotowoltaicznego), które zachodzi w momencie, gdy na powierzchnię półprzewodnika pada światło słoneczne. Wówczas fotony wzbudzają przepływ elektronów między warstwami, czego następstwem jest wytworzenie różnicy potencjałów i powstanie stałego prądu elektrycznego o nominalnym napięciu wynoszącym około 0,5 V (w przypadku standardowego ogniwa krzemowego).

Baterie słoneczne

Ogniwa fotoelektryczne połączone szeregowo nazywane są bateriami słonecznymi. Ilość ogniw w baterii zależna jest ich wydajności oraz planowanego zastosowania.

Ogniwa fotowoltaiczne, panele słoneczne czy kolektory słoneczne?

Nazwy te bywają (nieprawidłowo) stosowane wymiennie, co może wprowadzać w błąd. Ogniwem fotowoltaicznym nazywamy element półprzewodnikowy zamieniający energię słoneczną na prąd elektryczny przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego. Kolektor słoneczny jest urządzeniem, które służy do konwersji energii słonecznej na ciepło – wykorzystuje w tym celu nośnik ciepła, na przykład glikol, wodę lub powietrze. Kolektory słoneczne najczęściej używa się do podgrzewania wody, chłodzenia budynków czy w charakterze instalacji wspomagającej ogrzewanie centralne. Natomiast panele słoneczne to potoczna nazwa, która może odnosić się zarówno do ogniw fotoelektrycznych (lub ogniw połączonych w większe instalacje, czyli baterii słonecznych), jak i kolektorów słonecznych płaskich – dzieje się tak prawdopodobnie ze względu na podobny wygląd i umiejscowienie architektoniczne takich elementów.

Panel słoneczny mały
Ogniwo słoneczne 0,4W / 5,5V 65x65x3mm - przykład małego ogniwa na złącze USB.

Budowa i rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa słoneczne konstruowane są przy pomocy materiałów półprzewodnikowych. Najczęściej jest to krzemgerman i selen, ale stosuje się również inne substancje. Ze względu na budowę, można podzielić fotoogniwa na trzy grupy:

Ogniwa grubowarstwowe (pierwszej generacji)

Ogniwa grubowarstwowe można podzielić na mono- i polikrystaliczne. Ogniwa monokrystaliczne są wytwarzane z monokryształu krzemu i cechuje je charakterystyczna czarna barwa. Są bardzo żywotne i wydajne, jednak ze względu na czasochłonną produkcję ich cena jest bardzo wysoka. Ogniwa polikrystaliczne wytwarza się z krzemowych płytek o nieregularnej strukturze krystalicznej – można je rozpoznać po niebieskim odcieniu. Są mniej wydajne, ale ich koszt jest niższy, niż ogniw monokrystalicznych. Oprócz tego, lepiej sprawdzają się one w warunkach zachmurzenia.

Ogniwa cienkowarstwowe (drugiej generacji)

Są to ogniwa o grubości oscylującej między 0,001 mm a 0,08 mm. Dzięki temu są bardzo elastyczne, a ich cena jest niższa. Wykonuje się je z takich materiałów, jak tellurek kadmu czy krzem amorficzny.

Ogniwa trzeciej generacji 

Ten rodzaj ogniw znajduje się jeszcze na etapie badań. Wykorzystuje się w nich różne technologie i materiały – trwają prace nad wytworzeniem między innymi ogniw barwnikowych czy polimerowych.

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne i budowane z nich urządzenia (panele słoneczne i instalacje fotowoltaiczne) mają wiele zastosowań. Należą do nich między innymi:

Energetyka słoneczna

W wielu krajach, na przykład Stanach Zjednoczonych, Niemczech, Korei Południowej czy Austrii, budowane są tak zwane elektrownie słoneczne (nazywane też farmami słonecznymi lub farmami fotowoltaicznymi). Są to duże obszary pokryte panelami słonecznymi. Szczególnie popularne są one na mocno nasłonecznionych terenach.

Zasilanie pojazdów i urządzeń

Fotoogniwa wykorzystuje się jako źródła energii w wielu urządzeniach i pojazdach. Mogą one zasilać między innymi układy telemetryczne w stacjach pomiarowo-rozliczeniowych, ładować akumulatory w miejscach o utrudnionym dostępie do energii elektrycznej (jachty, samochody terenowe, domy letniskowe) czy stanowić źródło energii w przestrzeni kosmicznej (satelity, promy, sondy kosmiczne, stacje orbitalne). Doskonale nadają się również do zasilania elektroniki użytkowej (zegarki, kalkulatory, lampki) oraz urządzeń umieszczonych w dużej odległości od sieci energetycznej (na przykład fotoradarów przy rzadko uczęszczanych drogach).

Przenośne panele słoneczne

Małe panele słoneczne wykorzystuje się w niewielkich urządzeniach elektronicznych o niedużym zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Na rynku dostępny jest jednak również szeroki wybór przenośnych paneli słonecznych z odpowiednim wyprowadzeniem przewodowym. Mogą one posłużyć jako mobilne źródło prądu (na przykład do naładowania akumulatora samochodowego podczas wyjazdu), stać się częścią projektu elektronicznego (jak robot zasilany energią słoneczną), a w połączeniu z odpowiednimi systemami magazynowania energii – umożliwić stworzenie własnej instalacji fotowoltaicznej. Dostępne są między innymi panele składane i panele zwijane, co ułatwia ich przechowywanie i ewentualny transport.

Ważne!

Panele słoneczne (również te przenośne) przekształcają energię słoneczną na prąd przemienny. Jeżeli chcesz zasilać nimi urządzenia na prąd stały (na przykład te, które podłącza się do sieci elektrycznej), będziesz potrzebował odpowiedniego zasilacza. Czasem jednak jest on wbudowany w wyprowadzenie przewodowe, dlatego przed zakupem konkretnego modelu paneli zapoznaj się ze specyfikacją techniczną udostępnioną przez producenta..

Panel słoneczny składany
Składany, elastyczny panel solarny - F16-3600 - 60W 1207x1308mm.

Budowa instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna to szereg elementów, które połączone ze sobą umożliwiają pozyskanie energii elektrycznej z energii słonecznej, a następnie jej zmagazynowanie i ewentualną dystrybucję.

Baterie słoneczne

Najważniejszą częścią każdej instalacji fotowoltaicznej jest są baterie słoneczne, złożone z połączonych szeregowo ogniw fotoelektrycznych. W domowych instalacjach fotowoltaicznych wykorzystuje się panele mono- i polikrystaliczne.

Falownik

Oprócz tego, niezbędny jest również odpowiednia przetwornica napięcia, czyli falownik (inwerter). Jest to urządzenie, które przekształca produkowany przez baterię prąd stały na prąd przemienny, który nadaje się do zasilania urządzeń sieciowych. Dostosowuje również wartości częstotliwości i napięcia  Najczęściej wykorzystuje się w tym celu inwertery MPPT (z angielskiego Maximum Power Point, czyli inwertery mocy maksymalnej), które umożliwiają regulowanie napięcia i prądu wytwarzanego przez ogniwa fotowoltaiczne przez cały czas ich działania w taki sposób, by w konkretnych warunkach nasłonecznienia uzyskać jak najwyższą moc. Pomaga to utrzymać maksymalną sprawność instalacji i zminimalizować potencjalne straty energii. Nowoczesne falowniki umożliwiają połączenie się z siecią i kontrolowanie działania całego systemu z dowolnego miejsca na świecie za pomocą komputera lub urządzenia mobilnego, takiego jak smartfon czy tablet.

Przewody

Do połączenia paneli słonecznych z falownikiem oraz falownika z rozdzielnicą wykorzystuje się specjalne przewody solarne o odpowiednim przekroju, który zależny jest od znamionowej mocy instalacji fotowoltaicznej. Przewody umieszczone na zewnątrz budynku muszą posiadać odpowiednie zabezpieczenie przed niesprzyjającymi warunkami atmosferycznymi, takimi jak promieniowanie ultrafioletowe, skrajne temperatury, wiatr, deszcz, śnieg czy obecność pyłu.

Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe

Odpowiednio dobrane bezpieczniki zapobiegają uszkodzeniu drogiej instalacji fotowoltaicznej i instalacji elektrycznej znajdującej się w budynku, a także chronią przed pożarem lub porażeniem prądem. Warto pamiętać, że zabezpieczenia antyprzepięciowe muszą znajdować się zarówno po stronie prądu stałego, jak i po stronie prądu przemiennego.

Elementy montażowe

Do elementów montażowych można zaliczyć między innymi zestawy umożliwiające przymocowanie paneli słonecznych do dachu, a także części znajdujące się wewnątrz budynku (na przykład ułatwiające poprowadzenie przewodów solarnych). Zwłaszcza te pierwsze są szczególnie istotne – jeżeli będą zbyt niskiej jakości lub zostaną nieprawidłowo zamontowane, może dojść do uszkodzenia dachu lub zerwania paneli słonecznych w przypadku silnego wiatru

DF Robot - sterowanie panelami słonecznymi
Moduł zarządzania energią słoneczną do akumulatorów kwasowo-ołowiowych 12V - DFRobot DFR0580 Solar Power Manager.

Parametry instalacji fotowoltaicznych

W zależności od budowy, rodzaju i przeznaczenia, instalacje fotowoltaiczne cechują się różnymi parametrami użytkowymi.

Wielkość i generowana moc

Moc generowana przez instalację fotowoltaiczną jest w ogromnej mierze zależna od jej wielkości. Przyjmuje się, że system jest w stanie wytworzyć około 1000 kWh rocznie z 1-1,25 kWp (mocy szczytowej).

Wytrzymałość na warunki atmosferyczne

Instalacja fotowoltaiczna musi być odporna na niesprzyjające warunki atmosferyczne – deszcz, wiatr, skrajne temperatury oraz promieniowanie ultrafioletowe. Oprócz tego, panele powinny być także niewrażliwe na zanieczyszczenie takie jak amoniak, mgła solna czy pyły.

Jak sprawdza się wytrzymałość paneli słonecznych?

Podczas sprawdzania wytrzymałości paneli słonecznych wykonuje się cztery podstawowe testy: test cykli termicznych (nagłe zmiany temperatury), test wilgoci i ciepła (wysoka temperatura i wilgotność), test obciążeń dynamicznych (nacisk, nagłe zmiany temperatury i wilgotności) oraz test odporności na zjawisko PID (z angielskiego Potential Induced Degradation, zjawisko degradacji indukowanej potencjałem – zjawisko utraty mocy występujące w niektórych instalacjach fotowoltaicznych na skutek upływania prądu do ziemi poprzez uziemioną konstrukcję montażową oraz ramę). Ogniwa fotowoltaiczne o najlepszych parametrach jakościowych tracą maksymalnie 2% mocy po każdym z opisanych testów.

Liniowy spadek mocy

Spadek sprawności paneli słonecznych wynika z degradacji materiału, który z czasem starzeje się i prowadzi do obniżenia wydajności całej instalacji. W przypadku dobrej jakości ogniw uśredniona wartość spadku mocy wynosi około 80% po 25 latach od zamontowania paneli.

Wady i zalety korzystania z instalacji fotowoltaicznych

Podobnie jak każdy system pozyskiwania energii elektrycznej, wykorzystywanie instalacji fotowoltaicznych ma swoje dobre i złe strony. Sprawdź, jakie są najistotniejsze argumenty za i przeciw!

Zalety

Niższe rachunki za prąd

Duża instalacja fotowoltaiczna jest w stanie pokryć sporą część zapotrzebowania na prąd w Twoim domu. Zazwyczaj nie instaluje się systemów o tak dużej mocy, ale w każdym przypadku montaż paneli słonecznych oznacza obniżenie rachunków za zużycie energii elektrycznej (również w formie upustu w zamian za energię oddawaną do sieci).

Ekologiczne, odnawialne źródło

Energia słoneczna nigdy się nie kończy, nie prowadzi do zużycia zasobów naturalnych i nie powoduje emisji zanieczyszczeń (z wyjątkiem tych powstałych w procesie produkcji i transportu instalacji fotowoltaicznej). Jest również bezpieczna (na przykład w porównaniu z energetyką jądrową, która jest ekologiczna, ale wymaga składowania niebezpiecznych odpadów). Dlatego wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych to jeden z najbardziej przyjaznych dla środowiska naturalnego sposobów na pozyskiwanie energii elektrycznej.

Niezależność od elektrowni

Po zainstalowaniu instalacji fotowoltaicznej nie musisz się przejmować drożejącą energią elektryczną czy przerwami w dostawie prądu.

Ogólna dostępność

Instalacja fotowoltaiczna jest zupełnie niezależna od sieci energetycznej, dlatego można stosować ją jako źródło zasilania w miejscach, gdzie dostęp do prądu jest utrudniony (na przykład w domach położonych w dużej odległości od innych zabudowań czy na terenach ściśle chronionych).

Trwałość

Po 25 latach od zainstalowania, panele fotowoltaiczne tracą zaledwie około 20% nominalnej mocy. W gotowej instalacji fotowoltaicznej istnieje możliwość wymiany uszkodzonego ogniwa.

Niezawodność

Panele słoneczne dostarczają prąd niezależnie od dostępności węgla, siły wiatru, strajków w sektorze energetycznym czy klęsk żywiołowych (chyba, że zostaną zerwane z dachu). Nie są również podatne na awarie.

Wady

Wpływ na estetykę budynku

Nie każdemu podoba się dach zabudowany panelami słonecznymi (a ich powierzchnia musi być stosunkowo duża i ustawiona pod odpowiednim kątem, by instalacja była wydajna).

Zależność od nasłonecznienia

Choć instalacja fotowoltaiczna działa również w pochmurne dni, na naszej szerokości geograficznej nie jest to tak ekonomiczny sposób pozyskiwania energii, jak w cieplejszych krajach.

Wysoki koszt

Cena wykonania instalacji fotowoltaicznej o mocy szczytowej 5 kWp, która jest w stanie dostarczać rocznie około 4-4,5 tysiąca kWh, wynosi mniej więcej 25 tysięcy złotych. Nawet przy uzyskaniu rządowej dopłaty w wysokości 5 tysięcy złotych, wciąż jest to kwota nieosiągalna dla wielu osób.

Wrażliwość na warunki atmosferyczne

Dobrze wykonana instalacja fotowoltaiczna jest odporna na większość niesprzyjających czynników atmosferycznych, jednak w przypadku bardzo silnego wiatru mogą zostać uszkodzone lub całkowicie zerwane z dachu.

Fotowoltaika panele słoneczne

Czy zasilanie energią słoneczną jest opłacalne?

To pytanie, które zadają sobie wszystkie osoby rozważające montaż instalacji fotowoltaicznej lub inne sposoby wykorzystywania energii słonecznej do pozyskiwania energii elektrycznej. W przypadku małych systemów, takich jak przenośne panele słoneczne, odpowiedź jest prosta – tak, to prąd za darmo, a ogniwa tej wielkości nie są drogie. Jednak w przypadku instalacji fotowoltaicznych większej mocy jest to bardziej skomplikowana kwestia i zależy od wielu czynników.

Dobór mocy instalacji do potrzeb

Wybudowanie zbyt dużej instalacji mija się z celem, ponieważ nadmiar prądu nie zostanie wykorzystany, a energia odprowadzona do sieci nie jest wystarczająco opłacana (można wyłącznie uzyskać upust na prąd pobierany z sieci). Dlatego warto założyć wykonanie systemu o mocy szczytowej około 1-1.25 kWp na 1000 kWh rocznego zużycia energii – większa instalacja jest po prostu nieopłacalna (mniejsza również, ponieważ wówczas rośnie procentowy udział kosztów stałych wykonania instalacji, na przykład falownika czy montażu).

Dopłaty państwowe do kupna i montażu instalacji fotowoltaicznej

Dzięki programowi Mój Prąd możliwe jest uzyskanie dopłaty do wykonania instalacji fotowoltaicznej w wysokości 5000 złotych. Szczegóły znajdziesz na stronie Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w zakładce “Mój Prąd”. W przypadku osób z dochodem nieprzekraczającym drugiego progu podatkowego możliwe jest również uzyskanie ulgi termomodernizacyjnej w wysokości 18%.

Jak długo zwraca się instalacja fotowoltaiczna?

W przypadku instalacji o mocy 5 kWp (koszt około 25 000 zł) i zużyciu prądu na poziomie 4000 kWh rocznie (koszt około 2400 zł na rok), inwestycja powinna zwrócić się w ciągu 10-12 lat (w zależności od stosunku ilościowego prądu pobieranego z sieci i oddawanego do niej, a także ewentualnego uzyskania dotacji lub ulgi podatkowej).

Dodaj komentarz