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
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.
Tagi
Udostępnij artykuł
