Energia ze słońca – jak działa fotowoltaika
Energia elektryczna ze słońca – brzmi intrygująco?
Przyjrzymy się bliżej, jak działa fotowoltaika i jaką drogę muszą pokonać promienie słoneczne, abyśmy mogli korzystać z czystej energii w naszych domach.
Gdzie powstaje energia elektryczna ze słońca?
Pozyskanie energii elektrycznej ze słońca to proces odbywający się etapami. Jak działa fotowoltaika? Podstawowym elementem instalacji są ogniwa fotowoltaiczne, które aby móc wytwarzać większą ilość energii łączy się w moduły fotowoltaiczne. W ogniwach zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, dzięki któremu energia ze słońca zostaje przekształcona w prąd stały. Ogniwa są układami zbudowanymi z materiału półprzewodnikowego, który przewodzi ładunek elektryczny w wyniku działania czynników zewnętrznych m.in. w postaci temperatury lub promieniowania słonecznego. Przy produkcji ogniw najczęściej wykorzystywanym półprzewodnikiem jest krzem. Grupa modułów zasilająca jeden falownik tworzy panel fotowoltaiczy, natomiast elementem pozwalającym na zamontowanie paneli na gruncie lub budynku jest konstrukcja wsporcza, która jednocześnie ma na celu zapewnić stabilność całego układu.
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 dokonuje kontroli pracy naszej mikroelektrowni. Oznacza to, iż na bieżąco dopasowuje on parametry generowanego prądu do parametrów domowej sieci, a także ulega wyłączeniu w momencie wykrycia jakiejkolwiek awarii. Monitoruje on także wszelkie parametry, które mogą być dla nas użyteczne do analizy działania fotowoltaiki.
Co dzieje się z niewykorzystaną energią?
Licznik dwukierunkowy dokonuje pomiarów dwukierunkowego przepływu prądu tzn. zlicza energię elektryczną wyprodukowaną przez naszą 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. 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.
Wiemy już, jak działa fotowoltaika.
Pora przyjrzeć się bliżej budowie i funkcjonowaniu największej gwiazdy naszej mikroelektrowni – ogniwom fotowoltaicznym. To właśnie w nich zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, dzięki któremu energia promieniowania słonecznego jest przekształcana w energię elektryczną.
Z czego zbudowane są ogniwa fotowoltaiczne?
Jak już pisaliśmy wcześniej, ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z materiału półprzewodnikowego, najczęściej krzemu, który pod wpływem dostarczania energii zamienia się z izolatora (ciało, które nie przewodzi elektryczności) w przewodnik. Ze względu na stopień uporządkowania struktury krystalicznej krzemu wyróżniamy trzy odmiany ogniw:
Ogniwa monokrystaliczne, które zbudowane są z krzemu o silnie uporządkowanej strukturze pozbawionej licznych defektów. Ogniwa fotowoltaiczne zbudowane z tego rodzaju krzemu charakteryzują się najwyższą efektywnością przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną (tzw. sprawnością). Sprawność modułu monokrystalicznego plasuje się na poziomie 15-19%. W praktyce oznacza to, że energia promieniowania słonecznego padająca na 1m2 ogniwa zostaje w 15% przekształcona na energię elektryczną.
Ogniwa polikrystaliczne, które charakteryzują się mniej uporządkowaną strukturą krzemu oraz większą liczbą skaz. Z tego względu sprawność modułów fotowoltaicznych zbudowanych z polikryształów krzemu osiąga 14-16%.
Ogniwa amorficzne, w których krzem nie ma postaci kryształu przez co posiada wysoce chaotyczną strukturę z bardzo dużą liczbą wad. Ma to bezpośredni wpływ na niską sprawność modułów, która wynosi zaledwie 9-14%.
Ze względu na wysoką sprawność, panele monokrystaliczne i polikrystaliczne z powodzeniem mogą być stosowane w instalacjach budowanych na dachach domów lub w ogródkach. Pamiętajmy jednak, że ogniwa monokrystaliczne są o wiele trudniejsze, a przez to też i droższe, w produkcji niż ogniwa zbudowane z polikryształów. Z tego też względu to właśnie te drugie najczęściej są wykorzystywane w naszych przydomowych instalacjach fotowoltaicznych.
Panele fotowoltaiczne – jaka jest ich budowa i podstawowe parametry
Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne osiągają moc od kilkudziesięciu miliwatów do kilku watów. Z jednego ogniwa nie zasilimy więc urządzeń większych niż drobna elektronika. Z tego względu, aby wytworzyć więcej energii ogniwa łączy się ze sobą w moduły. Ogniwa tworzące moduł laminuje się foliami EVA i PET , umieszcza pod szkłem hartowanym i osadza w ramce aluminiowej. Zapewnia to trwałość konstrukcji oraz ochronę przed uszkodzeniami. Kolejnym elementem tworzącym moduł jest puszka przyłączeniowa z kablami, które pozwalają nam na połączenie ze sobą kilku modułów. Tak złączone moduły tworzą panel fotowoltaiczny.
Fotowoltaika to proces wytwarzania energii elektrycznej z darmowego promieniowania słonecznego. Obecnie rozwój fotowoltaiki następuję 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.
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.
