Co to jest fotowoltaika i jak działa?
Energia elektryczna ze słońca – brzmi intrygująco prawda?
Fotowoltaika to proces wytwarzania energii elektrycznej z darmowego promieniowania słonecznego. Obecnie rozwój fotowoltaiki przebiega bardzo dynamicznie, a słońce stanowi trzecie co do wielkości źródło energii odnawialnej na świecie. Energia słoneczna może być wykorzystywana do zasilania niewielkich urządzeń przenośnych, takich jak kalkulatory czy zegarki, lamp i sygnalizacji drogowych oraz parkometrów, a także do ogrzewania pomieszczeń oraz podgrzewania wody w budynkach mieszkalnych. Każdy z nas może czerpać korzyści z naturalnego źródła energii także do zasilenia swoich urządzeń domowych wychodząc naprzeciw postępującej degradacji środowiska naturalnego oraz stale rosnącym cenom prądu.
Jak działa fotowoltaika?
A więc, podstawowym elementem instalacji są ogniwa fotowoltaiczne, które aby móc wytwarzać większą ilość energii łączymy w moduły fotowoltaiczne ( moduły to nic innego jak panele, które montujemy na dachach czy gruncie). W ogniwach zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, dzięki któremu energia ze słońca zostaje przekształcona na prąd stały.
Jak dobrać moc fotowoltaiki?
Przyjmuje się zasadę, że dla gospodarstw domowych wielkość instalacji powinna być dobrana tak, aby wyprodukowana w ciągu roku energia nie przekraczała całkowitego rocznego zużycia.
Orientacyjnie możesz samemu oszacować moc instalacji fotowoltaicznej, jaka będzie dla Ciebie optymalna. W tym celu musisz sprawdzić swoje roczne zużycie energii – znajdziesz je na fakturze od dostawcy energii elektrycznej. Możesz przyjąć, że na każde 1000 kWh powinieneś dobrać około 1 kWp mocy instalacji PV. Powinieneś pamiętać, że wielkość instalacji ma bezpośredni wpływ na koszt, jaki będziesz musiał ponieść, a co za tym idzie, bezpośrednio przekłada się na okres zwrotu inwestycji.
Jak energia elektryczna ze słońca trafia do naszych gniazdek?
Prąd powstały w modułach zostaje przekazany do falownika, którego zadaniem jest przekształcenie go na prąd zmienny cechujący się parametrami zgodnymi z tymi które posiadają nasze domowe gniazdka. Ponadto falownik kontroluje pracę naszej mikroelektrowni. Oznacza to, że na bieżąco dopasowuje parametry generowanego prądu do parametrów domowej sieci, a także ulega wyłączeniu w przypadku jakiejkolwiek awarii. Monitoruje on również parametry tj. ilość wyprodukowanych kwp w danym dniu, miesiącu czy roku.
Większość falowników dostępnych na rynku posiada aplikacje, które instalujemy na telefonach i w bardzo prosty sposób mamy podgląd tego co się dzieje z naszą mikroelektrownią.
Co się dzieje z niewykorzystaną energią?
Po tym jak nasza instalacja jest zamontowania przez certyfikowanych monterów, energetyka wymienia w naszym gospodarstwie domowych licznik na dwukierunkowy. Licznik dwukierunkowy dokonuje pomiarów dwukierunkowego przepływu prądu tzn. zlicza energię elektryczną wyprodukowana przez nasza instalację oraz pobraną z sieci energetycznej.
Może się bowiem zdarzyć, iż energii wytworzonej przez naszą mikroelektrownię będzie za dużo lub za mało w stosunku do naszego zapotrzebowania. W pierwszym przypadku nadmiar energii zostaje przekazany do sieci energetycznej, a my możemy odebrać 80% wyprodukowanej przez nas energii. W pierwszym przypadku nadmiar energii zostaje przekazany do sieci energetycznej, a my możemy odebrać 80% wyprodukowanej przez nas energii. Jest to związane z systemem opustów dla prosumentów, czyli osób wytwarzających energię na użytek własny.
Dla instalacji fotowoltaicznej, której moc nie przekracza 10kWp obowiązuje stosunek 1:0,8 w ramach systemu opustu, co oznacza, że za 1kWh oddaną do sieci właściciel mikroelektrowni może odebrać 0,8 kWh. W przypadku instalacji o mocy między 10 a 50 kWp rozliczamy się w stosunku 1:0,7 – oddana przez nas 1 kWh pozwala nam na odbiór 0,7 kWh.
W sytuacji, gdy istniejącego zapotrzebowania nie uda nam się całkowicie pokryć wykorzystując wcześniej wytworzoną i odebraną przez nas energię, pozostała różnica zostaje wyrównana energią z sieci w stosunku 1:1.
Jak działają panele fotowoltaiczne? Zjawisko fotowoltaiczne w pigułce.
Wiemy już, że w zależności od rodzaju półprzewodnika z jakiego są zbudowane, panele fotowoltaiczne mogą w bardziej lub mniej efektywny sposób przekształcać energię słoneczną w energię elektryczną. Znamy też parametry, na podstawie których możemy zweryfikować, który rodzaj paneli będzie bardziej efektywny.
Ale jak dochodzi w nich do zjawiska fotowoltaicznego i na czym ono polega?
Aby zrozumieć lepiej efekt fotowoltaiczny omówmy najpierw budowę ogniwa fotowoltaicznego.
Budowa ogniwa fotowoltaicznego.
Ogniwo składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Jedna z nich zbudowana jest z atomów posiadających większą liczbę elektronów na ostatniej z powłok, przez co charakteryzuje się ładunkiem ujemnym (warstwa typu n). Druga zaś złożona jest z atomów posiadających puste miejsca po elektronach tzw. dziury (warstwa typu p). Warstwa ta charakteryzuje się dodatnim ładunkiem elektrycznym. Na granicy tych dwóch warstw atomy z warstwy typu n „oddają” swoje dodatkowe elektrony atomom z warstwy typu p zapełniając ich dziury. W ten sposób powstaje złącze p-n składające się z atomów o obojętnym ładunku elektrycznym.
Produkcja energii elektrycznej w ogniwie fotowoltaicznym ma miejsce tylko wtedy, gdy pada na nie światło słoneczne. Promienie należy przy tym postrzegać, jako strumień cząsteczek (tzw. fotonów) posiadający porcję energii. Energia ta docierając do ogniwa zostaje pochłonięta przez elektrony znajdujące się na ostatniej z powłok elektronowych atomów krzemu na złączu p-n.
Elektrony na skutek dostarczonej energii zostają „wybite” z powłok i krążą swobodnie po materiale półprzewodnikowym w warstwie typu n.
Jednocześnie w warstwie typu p zwiększa się liczba atomów z dziurami. Prowadzi to do powstania różnicy ładunków na obydwu warstwach tzw. napięcia. Swobodne elektrony z warstwy n dążą do ponownego zapełnienia dziur w atomach znajdujących się w warstwie typu p. Jednak złącze p-n, pełniące rolę „izolatora”, skutecznie im to uniemożliwia.
Przyłączenie odbiornika do ogniwa fotowoltaicznego, a tym samym zamknięcie obwodu elektrycznego spowoduje przepływ wolnych elektronów w kierunku atomów z ładunkiem dodatnim. Ten uporządkowany ruch elektronów to prąd! Jego natężenie jest proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego, a także powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.
Co dzieje się dalej? Powstały prąd stały trafia do falownika, który przekształca go na prąd zmienny. Dzięki temu możliwe jest zasilanie naszych domowych sprzętów energią elektryczną.
