Produkowanie energii elektrycznej we własnym zakresie stało się niezwykle popularne na przestrzeni kilku ostatnich lat. Olbrzymie dofinansowania, stopniowy spadek cen instalacji fotowoltaicznych oraz rosnące bezpieczeństwo tych systemów sprawiają, że coraz więcej gospodarstw domowych sięga po dobrodziejstwo słonecznej energii. Przyjrzyjmy się, w jaki sposób działają instalacje fotowoltaiczne.
Z czego składa się system fotowoltaiczny?
W skład instalacji wchodzą przede wszystkim moduły fotowoltaiczne (zwane również panelami), falownik, a także system zabezpieczeń.
Moduły to specjalne ogniwa wykonane z krzemu, mono- lub polikrystalicznego. Są one połączone szeregowo oraz umiejscowione w obudowach mających gwarantować stabilność instalacji. Choć najlepsze przewodnictwo i efektywność zapewniają panele wykonane z arsenku galu, z uwagi na ich cenę stosowane są niemal wyłącznie w przemyśle kosmicznym. Najczęściej możemy zobaczyć panele w kształcie kwadratów lub prostokątów. To celowy zabieg, pozwalający na upakowanie jak największej ilości modułów na niewielkiej powierzchni.
Jak działa efekt fotowoltaiczny?
Krzem, jako półprzewodnik, wykorzystywany jest poprzez efekt fotowoltaiczny do generowania energii elektrycznej. Cała reakcja ma jednak swój początek w promieniowaniu słonecznym, które składa się w dużej mierze z fotonów. Oświetlenie paneli powoduje bombardowanie znajdujących się w krzemie elektronów przez fotony. Cząstki ujemne pochłaniają energię fotonu, przechodząc do stanu wzbudzenia. W ten sposób w atomach krzemu powstają dziury elektronowe, a same elektrony zmieniają kierunek. Oddalają się od dziur elektronowych, generując jednocześnie prąd elektryczny.
Czym jest złącze P-N?
W działaniu instalacji fotowoltaicznej kluczowe znaczenie ma złącze P-N. Są to dwa półprzewodniki umieszczone obok siebie, złożone z krzemu z domieszką różnych pierwiastków. W przypadku przewodnika N są to pierwiastki z grupy V układu okresowego. Dla przewodnika P stosuje się pierwiastki z grupy III.
Oświetlenie złącza prowadzi do dyfuzji dziur elektronowych i elektronów, ponieważ w przewodniku P występuje przewaga tych pierwszych, zaś w przypadku przewodnika N, drugich. W efekcie na końcach złącza powstaje napięcie otwartego obwodu, czyli różnica potencjałów. Przy podłączeniu do zacisków obciążenia wywołujemy reakcję fotowoltaiczną, czyli przepływ prądu.
Co dzieje się z generowaną energią elektryczną?
O ile w przypadku czerpania prądu z sieci nie mamy zbyt wielkiego wyboru, jak tę energię wykorzystać, o tyle w instalacjach fotowoltaicznych wygląda to nieco inaczej. Prąd wytworzony wskutek naświetlania paneli można:
- wykorzystać do zasilania urządzeń domowych,
- wykorzystać do podgrzania wody w budynku,
- oddać do sieci przesyłowej,
- magazynować w akumulatorze.
Najprostszym sposobem wykorzystania zachodzącej reakcji jest zasilanie domowego obwodu elektrycznego. Panele fotowoltaiczne generują jednak prąd stały, natomiast praktycznie wszystkie sprzęty domowe wymagają prądu zmiennego. Tutaj niezbędny okazuje się falownik, czyli druga część składowa zestawu. Jego zadaniem jest zamiana prądu stałego na prąd zmienny.
Czy fotowoltaika zawsze działa tak samo sprawnie?
Wydajność instalacji fotowoltaicznej zależy od wielu czynników, dlatego nie wystarczy po prostu zamontować na dachu paneli. Muszą być one ustawione pod odpowiednim kątem, aby zapewnić wystarczająco mocną ekspozycję na światło słoneczne. Możemy także zadecydować o indywidualnym rozłożeniu paneli, ich rodzaju oraz ilości.
Niestety, nie na wszystkie czynniki istotne z punktu widzenia sprawności systemu mamy wpływ. Do elementów zmiennych należą panujące warunki atmosferyczne, struktura krzemu czy degradacja albo delaminacja folii EVA.
Im lepszą instalację zamontujemy, tym szybciej zwróci się jej koszt, a także dłużej będzie funkcjonowała bez konieczności naprawy.
