Jak działa elektrownia fotowoltaiczna?

Elektrownia fotowoltaiczna (nazywana również fotowoltaiką lub elektrownią słoneczną) to urządzenie energetyczne, które wytwarza energię elektryczną z promieniowania słonecznego. Przeczytaj, na jakiej zasadzie działa i czego możesz oczekiwać od jej pracy.

Aktywne i pasywne wykorzystanie energii słonecznej

Energię słoneczną można wykorzystać na dwa sposoby:

• Aktywnie, gdy energia słoneczna jest przekształcana na energię elektryczną, która jest następnie wykorzystywana (do zasilania urządzeń, ogrzewania, podgrzewania wody lub ładowania samochodu elektrycznego). Do tej kategorii należy fotowoltaika, która zapewnia takie przekształcenie energii.
• Pasywnie. W tym przypadku energia słoneczna jest używana bezpośrednio, bez konieczności przekształcania. W ten sposób można na przykład podgrzewać basen lub wnętrze domu. Zwłaszcza domy pasywne uwzględniają ten rodzaj wykorzystania energii słonecznej – mają duże okna skierowane na południe, przez które wpadają promienie słoneczne, znacząco podnoszące temperaturę w domu.

Fotowoltaika – zasada działania

Jaka jest zasada działania fotowoltaiki? Panele przekształcają promieniowanie słoneczne, które na nie pada, w prąd stały. Następnie falownik (zwany również inwerterem) przekształca go w prąd przemienny, który zasila typowe urządzenia podłączone do sieci. W przypadku wyprodukowania nadmiaru energii, jest on przechowywany w magazynie energii do późniejszego wykorzystania.

Elektrownia fotowoltaiczna wykorzystuje zasadę znaną jako zjawisko fotoelektryczne. Dochodzi do niego w ogniwach fotowoltaicznych w panelach, gdy pada na nie promieniowanie słoneczne.

• Fontony uderzające w ogniwo fotowoltaiczne wybijają elektrony z wiązań pomiędzy atomami krzemu, które następnie wprawione w ruch wytwarzają prąd elektryczny.
• Im szybciej elektrony się poruszają, tym więcej prądu wytwarzają panele.
• Moc panelu zależy od różnicy energii pomiędzy elektronami w stanie spoczynku i w ruchu.

Na działanie paneli słonecznych wpływa również temperatura. W niższych temperaturach elektrony w bezruchu mają niższą energię. Natomiast w momencie, kiedy zostają aktywowane przez światło słoneczne, wzrasta ich energia. Dlatego wydajność paneli jest wyższa zimą (około 0,4% na każdy °C) niż latem. W wyższych temperaturach elektrony w stanie spoczynku są bardziej rozgrzane, a więc mają wyższą początkową energię.

Rys. Elektrownia słoneczna i zasada zjawiska fotoelektrycznego

Elementy elektrowni fotowoltaicznej

Elektrownię słoneczną tworzą trzy podstawowe elementy: panele fotowoltaiczne, falownik (inwerter) i bateria. Teraz opiszemy, jak działa panel słoneczny oraz inne komponenty całego systemu solarnego.

Jak działają panele słoneczne

Panele fotowoltaiczne (inaczej moduły) składają się z ogniw fotowoltaicznych. W zasadzie są to wzajemnie połączone (równolegle lub szeregowo) półprzewodnikowe diody. Panele pokryte są z przodu wytrzymałym szkłem, osadzonym przeważnie w aluminiowej ramie; z tyłu znajduje się plastikowa folia oraz złącze do połączenia z innymi elementami elektrowni.

Rodzaje paneli fotowoltaicznych

W zależności od typu ogniw fotowoltaicznych, panele mogą być: polikrystaliczne, monokrystaliczne lub amorficzne. Różnią się one właściwościami, wydajnością i zdolnością do przetwarzania energii z rozproszonego światła słonecznego.

Ogólnie można powiedzieć, że dla dachów dobrze nasłonecznionych i o odpowiednim nachyleniu najlepiej nadają się panele monokrystaliczne. Panele polikrystaliczne natomiast są odpowiednie dla lokalizacji, gdzie światło jest bardziej rozproszone i pada z różnych stron. Niemniej jednak różnice w wydajności tych dwóch typów paneli są tylko na poziomie kilku procent, a przy mocy dzisiejszych paneli możesz wybrać praktycznie dowolny typ.

W Polsce najczęściej sprzedawane są panele monokrystaliczne, ponieważ lepiej sprawdzają się w naszej szerokości geograficznej. Są one również popularne ze względu na swoją czarną barwę, którą preferuje większość klientów.

Jak działa falownik we współpracy z baterią fotowoltaiczną

Energia produkowana przez panele słoneczne jest przesyłana przewodami do falownika, który przekształca prąd stały na prąd przemienny, który może być natychmiast wykorzystywany przez urządzenia domowe. Falownik jest również połączony z baterią fotowoltaiczną automatycznie magazynującą wyprodukowaną energię w przypadku, gdy nie jest ona natychmiastowo zużywana w gospodarstwie domowym.

Inne elementy instalacji fotowoltaicznej

Oprócz wymienionych trzech podstawowych komponentów, instalacja fotowoltaiczna składa się również z innych elementów: rozdzielnicy z bezpiecznikami i zabezpieczeniami przepięciowymi, technologii sterowania i monitorowania oraz okablowania. Niezbędnym elementem jest także konstrukcja do montażu paneli fotowoltaicznych na dachu lub innym odpowiednim podłożu.

Dzięki baterii możesz maksymalnie wykorzystać wyprodukowaną energię elektryczną. 

Bateria nie jest niezbędnym elementem elektrowni fotowoltaicznej, ale jej zakup jest bardzo korzystny. Służy bowiem do przechowywania nadwyżki wyprodukowanej energii, którą Twoje gospodarstwo domowe w danym momencie nie zużywa, oraz do jej wykorzystania w późniejszym czasie, gdy ilość światła słonecznego jest niewystarczająca.

Dzięki baterii bez problemu poradzisz sobie z przerwą w dostawie prądu (tzw. blackout), a także uzyskasz energetyczną niezależność nawet w miejscach, gdzie nie ma dostępu do sieci elektrycznej (dlatego te tzw. systemy wyspowe świetnie sprawdzają się również na działkach czy domkach letniskowych). 

Cena fotowoltaiki w 2024 roku 

Chcąc zagłębić się w tematykę cen instalacji fotowoltaicznych, musisz wziąć pod uwagę nie tylko same panele, ale również inne komponenty. Istotne jest także to, co chcesz zasilać za pomocą systemu fotowoltaicznego. Możesz podłączyć do niego nie tylko zwykłe mniejsze urządzenia, ale na przykład połączyć fotowoltaikę z pompą ciepła lub ładować samochód elektryczny przy pomocy domowej stacji ładowania. Skorzystaj z naszego kalkulatora online aby obliczyć koszt fotowoltaiki dla Twojego domu i ile możesz dzięki niej zaoszczędzić.

Moc i wydajność elektrowni słonecznej

Przy projektowaniu instalacji fotowoltaicznej kluczowe jest uwzględnienie pożądanej mocy FVE. Moc paneli jest podawana w jednostkach Wp i zazwyczaj wynosi około 450 Wp. Każde 1000 Wp paneli wyprodukuje około 1 MWp energii elektrycznej rocznie. Instalacje przeznaczone dla domów jednorodzinnych przeważnie projektuje się z mocą do 10 kWp, co zwykle spełnia potrzeby typowych gospodarstw domowych, o ile nie jest regularnie używana domowa stacja ładowania samochodów elektrycznych.

Domowe systemy fotowoltaiczne mogą być zaprojektowane nawet do 50 kWp. Jest to limit poniżej którego nie jest wymagane posiadanie pozwolenia na instalację fotowoltaiczną, co pozwala uniknąć zbytecznej biurokracji.

Ważnym wskaźnikiem jest również wydajność paneli fotowoltaicznych wyrażająca, jaki procent otrzymanej energii słonecznej system fotowoltaiczny może przekształcić w energię elektryczną. Dzięki postępowi technologicznemu wydajność paneli stale rośnie (obecnie przekracza 20%), jednak ze względu na prawa fizyki nie jest możliwe osiągnięcie jej wartości wyższej niż 34%.

Bezproblemowa eksploatacja i brak szkodliwych emisji 

Dzięki temu, w jaki sposób funkcjonuje system fotowoltaiczny, nie wymaga on żadnych ruchomych części i korzysta z odnawialnego, a także praktycznie nieograniczonego źródła energii (przynajmniej przez kolejne kilka miliardów lat). Jednocześnie nie produkuje żadnych emisji dwutlenku węgla ani innych szkodliwych substancji do atmosfery (dzięki instalacji fotowoltaiki i ekologicznych pomp ciepła w całej Polsce pomagamy co roku zaoszczędzić ponad 6 300 ton CO2).

Fotowoltaika jako inwestycja

Do listy zalet fotowoltaiki należy dodać długą żywotność paneli słonecznych i niewymagającą, bezproblemową pracę, co sprawia, że jest to idealne urządzenie energetyczne do domu, stanowiące doskonałą inwestycję na przyszłość. Przy obecnych wysokich cenach energii elektrycznej zwrot kosztów początkowych wynosi zwykle około 5 lat. Następnie można liczyć na roczną stopę zwrotu wynoszącą około 10–25%, co czyni fotowoltaikę jeszcze bardziej atrakcyjną inwestycją niż akcje, obligacje czy nieruchomości. Nie zwlekaj więc, aby móc zacząć oszczędzać dzięki fotowoltaice jak najszybciej!