Fotowoltaika - co to jest i jak działa?

Fotowoltaika - co to jest i jak działa?
Autor Filip Malinowski
Filip Malinowski29.12.2023 | 6 min.

Co to jest fotowoltaika? To technologia pozwalająca na bezpośrednią konwersję energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną za pomocą specjalnych ogniw fotowoltaicznych. W artykule wyjaśnimy zasadę działania tych ogniw, opiszemy ich budowę, rodzaje i zastosowanie. Dowiesz się również, jakie są zalety i wady instalacji fotowoltaicznych.

Kluczowe wnioski:
  • Ogniwa fotowoltaiczne zamieniają promieniowanie słoneczne na prąd elektryczny
  • Instalacje PV mogą znacząco obniżyć rachunki za prąd
  • Istnieją różne typy modułów i instalacji fotowoltaicznych
  • Zalety to oszczędności i ochrona środowiska
  • Wady to wysoki koszt inwestycji i zależność od nasłonecznienia

Budowa ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne (PV) służą do bezpośredniej konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Ich działanie opiera się na zjawisku fotowoltaicznym, czyli powstawaniu napięcia pod wpływem światła w niektórych materiałach półprzewodnikowych.

Podstawowym elementem ogniwa fotowoltaicznego jest płytka wykonana najczęściej z krzemu. Krzem jest materiałem półprzewodnikowym o szczególnych właściwościach optoelektronicznych. Na powierzchni krzemu umieszczane są domieszki boru i fosforu tworzące tzw. złącze PN. Gdy na ogniwo pada światło słoneczne, fotony są pochłaniane przez krzem, powodując przepływ elektronów i wytworzenie napięcia elektrycznego.

Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne wytwarza stosunkowo niewielkie napięcie (0,5-1 V). Dlatego ogniwa łączy się szeregowo w moduły (panele PV), by uzyskać większe napięcie. Moduły montuje się z kolei w większe instalacje w celu zwiększenia mocy.

Typy ogniw fotowoltaicznych

Wyróżnia się dwa główne typy ogniw PV: wykonane z krzemu monokrystalicznego oraz z krzemu polikrystalicznego. Różnią się one budową wewnętrzną i sprawnością działania.

Ogniwa monokrystaliczne zbudowane są z pojedynczego kryształu krzemu. Charakteryzują się wysoką sprawnością na poziomie 15-22%. Wadą jest wysoka cena i dość skomplikowany proces produkcji.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych polega na konwersji energii światła słonecznego w energię elektryczną poprzez zjawiska zachodzące w półprzewodnikach. Gdy promieniowanie pada na ogniwo, fotony są pochłaniane przez atomy krzemu, powodując wzbudzenie elektronów do tzw. pasma przewodnictwa.

Na styku domieszek typu P i N w krzemie powstaje pole elektryczne, które powoduje przepływ elektronów i wytwarza różnicę potencjałów – napięcie. Przepływające elektrony mogą zostać wykorzystane przez podłączone urządzenie elektryczne do wykonania pracy, a następnie wracają do ogniwa PV.

Sprawność konwersji energii w typowych krzemowych ogniwach wynosi ok. 15-20%. Jest ona zależna od właściwości półprzewodnika, konstrukcji ogniwa oraz natężenia i widma padającego promieniowania.

Czynniki wpływające na wydajność

Na wydajność ogniw fotowoltaicznych wpływają:

  • nasłonecznienie i kąt padania promieni słonecznych
  • temperatura otoczenia
  • zacienienie instalacji
  • kierunek ustawienia i nachylenie modułów

Optymalna pracy osiąga się przy bezpośrednim nasłonecznieniu pod kątem prostym do powierzchni modułów. Zacienienie nawet niewielkiej części instalacji powoduje znaczący spadek wytwarzanej energii elektrycznej.

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych

Energię słoneczną z instalacji fotowoltaicznych wykorzystuje się najczęściej do zasilania:

  • budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej
  • systemów pomp i nawadniania w rolnictwie
  • latarni i sygnalizacji świetlnych
  • zestawów pompowych dla wody i ścieków
  • systemów zasilania awaryjnego

Fotowoltaika znajduje coraz szersze zastosowanie dzięki spadkowi cen instalacji PV oraz systemom wsparcia OZE. Jest atrakcyjnym sposobem na obniżenie rachunków za energię elektryczną lub nawet uzyskanie niezależności energetycznej.

Moc typowej instalacji domowej 4-8 kWp
Pokrycie rocznego zużycia energii 30-60% w zależności od regionu
Okres zwrotu inwestycji 6-8 lat

Rodzaje instalacji fotowoltaicznych

Fotowoltaika - co to jest i jak działa?

Główne typy instalacji PV wyróżniane ze względu na sposób wykorzystania wytworzonej energii elektrycznej to:

Instalacja on-grid

Podłączona jest do sieci elektroenergetycznej. Pozwala na pokrycie bieżącego zapotrzebowania budynku na prąd oraz odprowadzenie jego nadwyżek do sieci w celu rozliczenia.

Instalacja off-grid

Pracuje autonomicznie, bez połączenia z siecią elektroenergetyczną. Wytworzony prąd gromadzony jest w akumulatorach. Instalacje off-grid często wyposaża się w generator prądu do ładowania akumulatorów, gdy zachmurzenie ogranicza produkcję prądu z PV.

Systemy hybrydowe

Łączą zalety instalacji on-grid i off-grid. Mogą pracować połączone z siecią elektroenergetyczną lub autonomicznie z akumulatorami i generatorami prądu.

Wybór typu instalacji zależy od potrzeb użytkownika oraz możliwości przyłączenia do sieci elektroenergetycznej. Instalacje on-grid są najpopularniejsze w budownictwie mieszkaniowym i komercyjnym

Korzyści z fotowoltaiki

Fotowoltaika to czysta i odnawialna energia, która przynosi wiele korzyści. Najważniejsze z nich to:

  • obniżenie rachunków za prąd nawet do zera
  • zwrot kosztów inwestycji w ciągu kilku do kilkunastu lat
  • uniezależnienie od wzrostu cen prądu
  • ochrona środowiska dzięki produkcji zielonej energii

Sprawność instalacji PV gwarantowana jest na 20-30 lat pracy. Oznacza to, że po okresie amortyzacji kosztów, użytkowanie prądu ze słońca jest praktycznie darmowe. Dodatkowo, właściciele mogą otrzymywać świadectwa pochodzenia OZE i sprzedawać je, co przynosi kolejne oszczędności.

Wady fotowoltaiki

Najpoważniejszymi wadami fotowoltaiki są:

  • wysokie koszty instalacji sięgające kilkudziesięciu tysięcy złotych
  • długi czas zwrotu inwestycji
  • produkcja energii elektrycznej zależna od nasłonecznienia
  • konieczność wymiany falownika co 10-15 lat

Pomimo tych niedogodności, za sprawą postępu technologicznego i rosnących cen energii konwencjonalnej, opłacalność stosowania fotowoltaiki systematycznie wzrasta. Dlatego cieszy się ona coraz większą popularnością na całym świecie, także w Polsce.

Podsumowanie

Fotowoltaika (PV) to technologia pozwalająca na bezpośrednią konwersję energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Dokonuje się tego za pomocą specjalnych urządzeń zwanych ogniwami lub modułami fotowoltaicznymi. Ich działanie oparte jest o zjawisko fotowoltaiczne występujące w półprzewodnikach, takich jak krzem.

Instalacja PV składa się z paneli słonecznych, falownika, okablowania i konstrukcji montażowej. Może pracować podłączona do sieci elektroenergetycznej lub autonomicznie, dostarczając prąd do zasilania urządzeń i ładowania akumulatorów. Fotowoltaika wykorzystywana jest najczęściej w budynkach mieszkalnych, obiektach usługowych i przemyśle.

Zaletą energii słonecznej jest ekologiczność, niezależność od dostawców prądu i spadek rachunków za energię nawet o 100%. Koszt instalacji fotowoltaicznej to obecnie ok. 4000-5000 zł netto za 1 kWp zainstalowanej mocy. Inwestycja zwraca się zazwyczaj po 6-8 latach i działa sprawnie przez kilkadziesiąt lat.

Mimo stosunkowo wysokich kosztów początkowych, fotowoltaika przyczynia się do realizacji celów polityki klimatyczno-energetycznej UE i jest atrakcyjnym sposobem na ekologiczne wytwarzanie własnej energii elektrycznej ze słońca.

Najczęstsze pytania

Instalacja fotowoltaiczna zamienia energię słoneczną w energię elektryczną za pomocą modułów PV i falownika. Wytworzony prąd można zużyć na potrzeby własne, oddać do sieci lub magazynować w akumulatorach. Sprawność typowej instalacji wynosi 15-20%. Im więcej słońca, tym więcej energii elektrycznej produkują panele PV.

Koszt instalacji fotowoltaicznej wynosi średnio 4000-5000 zł netto za 1 kWp zainstalowanej mocy paneli PV. Całkowity koszt zależy więc od wielkości, miejsca montażu i dodatkowych elementów jak akumulatory czy system monitoringu. Typowa 6 kWp instalacja PV w domu jednorodzinnym to wydatek rzędu 25 000 - 30 000 zł.

Zwrot kosztów instalacji PV następuje zwykle po 6-8 latach i zależy od ceny energii elektrycznej z sieci oraz poziomu dofinansowania. Im droższy prąd i wyższe dopłaty, tym szybszy okres amortyzacji. Koszt produkcji 1 kWh z paneli fotowoltaicznych jest 2-4 razy niższy niż zakup tej energii z sieci elektroenergetycznej.

Do wad fotowoltaiki należą: wysokie koszty montażu sięgające kilkudziesięciu tys. złotych, zależność produkcji energii od nasłonecznienia oraz konieczność wymiany falownika po 10-15 latach. Energię z paneli PV można też wytwarzać tylko w ciągu dnia. Instalacje wymagają również regularnego czyszczenia z kurzu i zanieczyszczeń.

Inwestycja w fotowoltaikę jest opłacalna i zazwyczaj zwraca się w ciągu 6-8 lat. Umożliwia ona realne oszczędności na rachunkach za prąd rzędu kilkuset złotych rocznie i niezależność od wzrostu cen energii. Instalacja PV działa sprawnie nawet przez 30 lat, więc można z niej czerpać darmową energię przez wiele lat po okresie amortyzacji.

5 Podobnych Artykułów

  1. Cena 2 kWh - Najniższa Cena Za Prąd Dla Gospodarstw Domowych
  2. Falownik Growatt - Opinie i porównanie
  3. Enea dla firm - najlepsze oferty energii elektrycznej
  4. Ecopartner - opinie i doświadczenia użytkowników
  5. Cena energii z fotowoltaiki - Fotowoltaika z magazynem energii cena
tagTagi
shareUdostępnij artykuł
Oceń artykuł
rating-fill
rating-fill
rating-fill
rating-fill
rating-fill
Ocena: 0.00 Liczba głosów: 0

Komentarze(0)

email
email

Polecane artykuły