Fotowoltaika jak działa? Z czego są ogniwa fotowoltaiczne?

Na dach polskich domów coraz częściej pojawiają się panele fotowoltaiczne. Sprawdźmy, jaką drogą pokonują promienienie słoneczne, aby w naszych gniazdkach znalazła się darmowa, zielona energia.

Fotowoltaika jak działa, czyli gdzie powstaje prąd ze słońca?

Proces wytwarzania prądu ze słońca odbywa się kilkoma etapami. Najważniejszym elementem przydomowej elektrowni słonecznej są ogniwa fotowoltaiczne, które są łączone w moduły fotowoltaiczne. We wspomnianych ogniwach zachodzi tzw. zjawisko fotowoltaiczne, które sprawia że energia słoneczna przekształca się w prąd stały. 

Ogniwa to nic innego jak układy wykonane z półprzewodnikowego materiału, którego zadaniem jest przewodzenie ładunku elektrycznego w wyniku promieniowania słonecznego czy innych czynników zewnętrznych. Najczęściej do produkcji ogniw fotowoltaicznych stosuje się krzem. 

Moduły fotowoltaiczne montuje się na gruncie lub dachu za pomocą konstrukcji wsporczej, która odpowiada za stabilność całej instalacji. W skład zestawu PV wchodzi także falownik (inaczej inwerter), który przekształca prąd stały w zmienny, tak abyśmy mogli z niego korzystać w naszych domowych gniazdkach. 

Zadaniem inwertera jest także kontrolowanie pracy przydomowej elektrowni słonecznej. Na bieżąco ma miejsce monitorowanie wszystkich parametrów instalacji, a w przypadku wykrycia ewentualnej awarii jej wyłączenie.

Z czego zbudowane są ogniwa fotowoltaiczne?

Ogniwa fotowoltaiczne jak już zostało wcześniej wspomniane w większości przypadków są zbudowane z krzemu, a wyróżniamy jego trzy rodzaje: monokrystaliczny, polikrystaliczny, amorficzny. 

Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykazują się największą efektywnością. Tego typu krzem wyróżnia się bardzo uporządkowaną strukturą, która praktycznie rzecz biorąc nie posiada defektów.  

Sprawność paneli monokrystalicznych oscyluje wokół 15-19%. Taki parametr oznacza, że padająca na 1m2 modułu energia słoneczna zostaje w 15-19% przekształcona w prąd. 

Natomiast panele zbudowane z krzemu polikrystalicznego cechują się wydajnością na poziomie 14-16%, co jest związane z mniej uporządkowaną strukturą krzemu oraz większymi jego uszkodzeniami.  

Najmniejszą efektywnością, która wynosi 9-14% charakteryzują się moduły amorficzne. Tego rodzaju krzem nie ma postaci kryształu, jego struktura jest bardzo chaotyczna i posiada wiele skaz. 

Największą popularnością – z uwagi na stosunek ceny do jakości cieszą panele polikrystaliczne. Moduły monokrystaliczne choć są bardziej wydajne, to jednak z uwagi na skomplikowany proces, są droższe.

Jakie są rodzaje instalacji PV?

Generalnie rzecz biorąc wyróżniamy dwa rodzaje instalacji fotowoltaicznych. Pierwszą z nich jest instalacja on-grid, a drugą instalacja off-grid. Te dwie instalacje różni przede wszystkim to, że pierwsza jest przyłączona do sieci energetycznej, a druga nie. 

Obecnie zdecydowanie najpopularniejszym rozwiązaniem jest fotowoltaika w systemie on-grid. W tym przypadku energia wyprodukowana przy pomocy zestawu PV w pierwszej kolejności jest zużywana na potrzeby domowników, a ewentualne nadwyżki trafiają do sieci. 

Warto podkreślić, że w sytuacji, gdy instalacja fotowoltaiczna nie produkuje energii na bieżąco, to oddaną wcześniej do sieci energię można odebrać, ale tylko w 80%. 

Natomiast w systemie off-grid jest możliwość magazynowania energii. To oznacza, że ewentualne nadwyżki energii nie są przesyłane do sieci energetycznej, a magazynowane  w domowych akumulatorach. Właściciel takiej instalacji PV jest w zasadzie niezależny energetycznie i może korzystać z energii elektrycznej także w sytuacjach awaryjnych. 

Na ten moment jednak systemy off-grid nie są zbyt popularne w Polsce. Głównym powodem tego stanu rzeczy jest koszt instalacji w takim systemie. Składa się ona nie tylko z paneli fotowoltaicznych i falownika, ale i także innych urządzeń: regulatora ładowania i odpowiedniej pojemności baterii. 

Dodatkowy sprzęt powoduje, że zestaw PV w systemie off-grid kosztuje nawet 40% więcej, niż w systemie on-grid. Nie mniej jednak wydaje się, że powszechne stosowanie magazynów energii to tylko kwestia czasu. Z roku na rok pojemność akumulatorów jest coraz większa, a ich cena systematycznie spada.

Jak działa licznik dwukierunkowy?

Bez wątpienia licznik dwukierunkowy to niezbędny element instalacji fotowoltaicznej w systemie on-grid. To urządzenie jest odpowiedzialne za zliczanie ilości energii wyprodukowanej przez przydomową elektrownie słoneczną oraz pobranej z sieci energetycznej. Na podstawie pomiaru licznika dwukierunkowego ma miejsce rozliczenie pomiędzy prosumentem a zakładem energetycznym. 

Wymiana licznika z jednokierunkowego na dwukierunkowy leży po stronie OSD (Operator Systemu Dystrybucyjnego), inaczej dystrybutora energii elektrycznej. On też ponosi koszty jego montażu. Każdy właściciel instalacji fotowoltaicznej ma jednak obowiązek zgłosić instalację do operatora – korzystając ze specjalnych formularzy. 

Montaż licznika dwukierunkowego powinien odbyć się w ciągu 30 dni od zgłoszenia. Możliwe jest także tylko odblokowanie funkcji zliczenia energii oddawanej do sieci – jeśli oczywiście istniejący licznik ją posiada. 

Jak jest różnica między tymi licznikami? Standardowy, czyli jednokierunkowy licznik prądu mierzy napięcie i zlicza impulsy, co obrazuje nam jaką ilość energii zużyto w danym budynku. Natomiast licznik dwukierunkowy zlicza także energię, która płynie z instalacji fotowoltaicznej do sieci energetycznej. 

W zdecydowanej większości przypadków energia elektryczna wyprodukowana przez zestaw PV nie jest w całości zużywana na potrzeby danego gospodarstwa domowego, dlatego właściciel instalacji po podpisaniu umowy z operatorem ma możliwość oddania jej do sieci. 

Osoby zainteresowane założeniem instalacji fotowoltaicznej nierzadko zastanawiają się czy jest możliwość zostawienia standardowego licznika prądu. Okazuje się, że teoretycznie jest to możliwe. Praktycznie jednak jest to po pierwsze niezgodne z obowiązującym w Polsce prawem, a po drugie mogłoby stwarzać problemy z przepływem niewykorzystanej energii do sieci energetycznej. 

Licznik jednokierunkowy przyłączony do przydomowej elektrowni słonecznej zlicza także impulsy energii, która zostaje oddana do sieci. To powoduje, że pomimo wytwarzania darmowej energii, prosument musiałby płacić za zielony prąd.

Fotowoltaika vs. kolektory słoneczne

Panele i kolektory montuje się na dachu bądź na gruncie i przez wielu z nas z uwagi na podobny wygląd są często mylone. Choć oba systemy łączy to, że wykorzystują energię słoneczną, to zdecydowanie więcej znajdziemy pomiędzy nimi różnic niż podobieństw. 

Działanie kolektorów słonecznych 

W przypadku kolektorów słonecznych promienie słoneczne padając na tzw. absorber, za pomocą którego trafiają do czynnika składającego się przeważnie z glikolu i wody. Taki roztwór oddaje ciepło zasobnikowi – ciepłą wodę. 

Ich wydajność jest uzależniona od kierunku, w którym są zwrócone. Kolektory najkorzystniej jest ustawić na południe. Należy podkreślić, że tzw. solary działają tylko w słoneczne dni, a w zachmurzone, chłodne dni mają sporą stratę ciepła. W polskich warunkach klimatycznych wydajność kolektorów jest najwyższa w okresie od kwietnia do września. 

Ze względu na konstrukcję można wyróżnić płaskie i próżniowe kolektory słoneczne. W płaskich kolektorach absorber ma formę płyty metalowej – od jej spodu styka się z rurkami, w których płynie ogrzewający wodę płyn solarny, a od góry ma zabezpieczenie w postaci tafli hartowanego szkła. Całość znajduje się w obudowie, która jest wykonana m.in. z izolowanej wełny mineralnej. 

Z kolei w kolektorach próżniowych element, który pochłania promienie słoneczne podzielony jest na części, a każda z nich jest ulokowana w szklane rurze. Rury łączą się za pomocą zbiorczej szyny, w której to znajduje się płyn przekazujący ciepło do zasobnika ciepłej wody użytkowej.

Działanie paneli fotowoltaicznych 

Promienie słoneczne padając na moduły fotowoltaiczne są zamieniane na darmową energię – tak w dużym skrócie można opisać działanie fotowoltaiki. Uzyskany w ten sposób prąd stały jest za pomocą falownika zamieniany na prąd zmienny, a następnie trafia do domowych gniazdek. 

Panele fotowoltaiczne produkują energię także w pochmurne dni, nie działają jednak nocą. Wbrew pozorom generują prąd również w okresie zimowym, a ilość pozyskanej energii zależy od wielu czynników. 

Na naszym rynku najchętniej kupowanymi panelami są panele polikrystaliczne oraz monokrystaliczne. Pierwszy rodzaj modułów jest popularniejszy – przede wszystkim z uwagi na niższą cenę, a wyróżnia je niebieska barwa. Wyższą sprawnością, ale i wyższą ceną charakteryzują się panele monokrystaliczne. 

Instalacja fotowoltaiczna jest praktycznie rzecz biorąc bezobsługowa. Nie ma tutaj konieczności ręcznej kontroli pracy instalacji. Rzadko kiedy występuje problem z zanieczyszczeniem paneli, bowiem ustawione pod odpowiednim kątem panele oczyszczają się samodzielnie. 

Panele słoneczne nie posiadają części ruchomych, dzięki czemu są praktycznie bezawaryjne. Instalacji nie trzeba serwisować, dzięki czemu odpadają nam koszty utrzymania i przeglądów.

Kolektory czy panele?

Jeśli zależy Ci wyłącznie na przygotowaniu ciepłej wody użytkowej to oczywistym wyborem są kolektory słoneczne, które w okresie od wiosny do jesieni powinny nawet w pełni pokryć Twoje zapotrzebowanie. 

Okazuje się, że tzw. solary nawet w sezonie chłodniejszym są w stanie podgrzać wodę do temperatury np. 20 stopni Celsjusza, a jej ogrzanie do wyższej będzie po prostu mniej kosztować. 

Kolektory słoneczne są polecane również właścicielom kotłów na paliwo stałe. Dzięki temu w okresie letnim zasobnik wody nie musi być ogrzewany kotłem czy za pomocą grzałki elektrycznej. 

Wiele osób zastanawia się, czy instalacja fotowoltaiczna to dobre dla nich rozwiązanie. Zaletą fotowoltaiki jest jednak jej uniwersalność. Uzyskany z niej darmowy, zielony prąd można spożytkować na różne sposoby: do oświetlenia, zasilenia domowych urządzeń, ogrzania wody czy pomieszczeń.

Przyłączenie instalacji PV do sieci energetycznej

Cały proces przyłączenia przydomowej elektrowni słonecznej do sieci publicznej jest regulowane przez ustawę Prawo energetyczne. Co prawda wielu instalatorów zestawu PV proponuje pomoc w zakresie załatwiania formalności związanych z przyłączeniem, ale warto wiedzieć jak przebiega cały proces. 

O przyłączenie mikroinstalacji do sieci dystrybucyjnej może ubiegać się:

• osoba fizyczna, która nie jest przedsiębiorcą,
• osoba fizyczna, która prowadzi działalność gospodarczą,
• inne podmioty prawa. 

Zgodnie z Prawem energetycznym przyłączenie ma miejsce na podstawie zgłoszenia lub złożenia wniosku o określenie warunków przyłączenia. Ten drugi tryb stosuje się w przypadku większej mocy mikroinstalacji niż mocy przyłączeniowej budynku bądź braku przyłączenia nieruchomości do sieci. 

Zgłoszenia należy dokonać na co najmniej 30 dni przed planowanym jej uruchomieniem. Dystrybutorzy zalecają dokonać zgłoszenia przez internet, a w nim powinny się znaleźć: 

• dane zgłaszającego,
• dane techniczne instalacji fotowoltaicznej oraz wymagane certyfikaty/testy,
• dane nieruchomości, w której zamontowano zestaw PV. 

Z kolei wniosek o określenie warunków przyłączenia powinien zawierać dodatkowo plan zabudowy na mapie sytuacyjnej, dzięki której można określić jakie jest usytuowanie przyłączanego obiektu względem sieci energetycznej. 

Osoba zgłaszająca mikroinstalację od operatora systemu dystrybucyjnego otrzymuje po pierwsze potwierdzenie otrzymania zgłoszenia bądź wniosku oraz informację, w jakim terminie nastąpi przyłączenie do sieci. 

Kolejnym etapem procedury jest potwierdzenie, że realizacja jest zgodna z dokumentacją oraz zawarcie umowy dot. dystrybucji i sprzedaży energii elektrycznej. Dopiero po jej podpisaniu następuje wymiana licznika z jednokierunkowego na dwukierunkowy. 

Warto wiedzieć, że jeśli instalacja fotowoltaiczna ma być podłączona do sieci energetycznej, to jej montaż musi zostać wykonany przez instalatora posiadającego odpowiednie uprawnienia/kwalifikacje. 

Tylko poprawny montaż może zagwarantować, że instalacja spełnia wymogi związane z bezpieczeństwem. Należy również pamiętać, że zestaw PV musi być zgodny z wymogami technicznymi i eksploatacyjnymi, które reguluje Prawo energetyczne. 

Podsumowując, instalator musi okazać certyfikat, który jest potwierdzeniem posiadania kompetencji w zakresie montażu OZE, czyli odnawialnych źródeł energii. Ponadto, osoba realizująca prace powinna mieć także uprawnienia elektryczne – świadectwo kwalifikacyjne z zakresie G1-E/D.

 Zalety i wady fotowoltaiki

Przed zakupem instalacji fotowoltaicznej warto zapoznać się z jej zaletami i wadami. Do niewątpliwych, finansowych zalet fotowoltaiki zaliczamy fakt, że produkowana przez panele fotowoltaiczne energia ze słońca jest całkowicie darmowa. 

Tutaj warto podkreślić, że prąd wytworzony przez zestaw fotowoltaiczny w pierwszej kolejności jest wykorzystywany na cele związane z zapotrzebowaniem gospodarstwa domowego, rolnego czy przedsiębiorstwa. 

Wygenerowane przez przydomową elektrownie słoneczną nadwyżki energii można oddać do sieci energetycznej lub sprzedać, a następnie w razie potrzeby ją odebrać. Ponadto właściciel takiej instalacji zyskuje częściową niezależność od nieustannie rosnących cen prądu i to na bardzo długi okres, bo trwający co najmniej 25 lat. 

Na rynku są także dostępne takie rozwiązania, które pozwalają na całkowite uniezależnienie się od dostawców energii elektrycznej. Chodzi tutaj oczywiście o magazyny energii, których wydajność z roku na rok wzrasta, a koszt ich zakupu spada. 

Kolejną zaletą zamontowania na dachu budynku paneli fotowoltaicznych jest podniesienie jego wartości. Agenci nieruchomości nie ukrywają, że instalacja PV zwiększa zainteresowanie ze strony kupujących. 

Nie można zapomnieć o ekologicznych zaletach fotowoltaiki. Energia ze słońca jest po pierwsze odnawialna, a po drugie zrównoważona. Oznacza to, że można dzięki niej zaspokajać potrzeby energetyczne teraźniejszości, bez narażania przyszłych pokoleń na wyczerpanie źródeł energii, tak jak to ma miejsce w przypadku źródeł konwencjonalnych – paliw kopalnych. 

Fotowoltaika bez wątpienia wpisuje się światowy trend ekologiczny. Jest całkowicie bezemisyjna, tzn. że “efektem ubocznym” produkcji prądu nie są takie szkodliwe substancje jak dwutlenek węgla czy tlenek siarki. 

Ponadto nie ma tutaj problemu z emitowaniem większego hałasu. Jedynym urządzeniem, który generuje jakiekolwiek dźwięki w zestawie PV jest inwerter. Jednak nie przekraczają one 50 dB. 

W przeciwieństwie do elektrowni konwencjonalnych nie potrzebują w procesie wytwarzania energii zasobów wody. Natomiast w produkcji modułów fotowoltaicznych oprócz krzemu stosuje się aluminium, a to umożliwia ich recykling. 

Zaletą fotowoltaiki jest także jej dostępność oraz uniwersalność. Do produkcji energii potrzebne jest światło słoneczne, które jest dostępne w każdym zakątku świata. Jej montaż jest możliwy zarówno na gruncie, jak i dachu budynku. Co ciekawe ta technologia jest stosowana także w przypadku satelitów kosmicznych. 

Wielu właścicieli docenia fakt, że instalacja fotowoltaiczna w zasadzie nie wymaga konserwacji oraz jest bezawaryjna. Na próżno można tutaj szukać części ruchomych instalacji, które mogłyby być opatrzone ryzykiem uszkodzenia.  

Fotowoltaika, tak jak zresztą każda inna technologia posiada nie tylko zalety, ale i również wady. Najistotniejszą jest zapewne to, że produkuje prąd tylko w ciągu dnia. Nie jest natomiast prawdą to, że jest bezużyteczna w pochmurne dni czy w okresie zimowym. Produkcja prądu jest wówczas mniejsza – podobnie jeśli panele są zacienione. 

Póki co do wad tego rozwiązania należy zaliczyć nadal stosunkowo wysoki koszt początkowy, choć na przestrzeni ostatnich lat widać jego mocny spadek. Nie mniej jednak wiele obliczeń wskazuje, że obecnie inwestycja w fotowoltaikę może się zwrócić nawet szybciej niż w 8 lat. 

Dla wielu osób wadą fotowoltaiki jest wymagana do montażu instalacji powierzchnia czy to na dachu czy na gruncie. Kłopotliwa może być szczególnie niestandardowa konstrukcja zadaszenia budynku.  

Instalacja fotowoltaiczna ma jednak więcej zalet, niż wad. Dlatego też nikogo nie dziwi inwestowanie w tego rodzaju rozwiązanie. Dzięki odpowiednio dobranej mocy można do minimum zmniejszyć rachunki za energię elektryczną. 

Podsumowanie:

1. Najczęściej ogniwa fotowoltaiczne są wykonane z krzemu i występują 3 jego rodzaje: monokrystaliczny, polikrystaliczny, amorficzny. 
2. Obecnie najpopularniejszym rozwiązaniem jest system on-grid. 
3. Ważnym elementem instalacji jest licznik dwukierunkowy, który umożliwia rozliczenie pomiędzy prosumentem a zakładem energetycznym. 
4. Montując panele należy zwrócić uwagę na m.in. odpowiedni kierunek i kąt ich nachylenia. 
5. Kolektory słoneczne to nie to samo co panele fotowoltaiczne.
6. Aby podłączyć instalację fotowoltaiczną do sieci publicznej należy ją zgłosić do operatora systemu dystrybucyjnego. 
7. Fotowoltaika posiada zarówno zalety, jak i wady. Pozytywnych aspektów jest jednak zdecydowanie więcej.