Energia elektryczna ze słońca? Brzmi, nomen omen, elektryzująco. Jak to jednak działa i jaką drogę przebywają promienie słoneczne, aby można było cieszyć się bezemisyjną energią?
Fotowoltaika jest procesem przetwarzania promieniowania słonecznego, samego w sobie darmowego, na energię elektryczną. Jest postępową, bardzo dynamicznie rozwijającą się gałęzią przemysłu oraz usług, także pod względem technologicznym, a słońce obecnie stanowi już trzecie co do wielkości źródło energii odnawialnej na świecie.
Energię słoneczną wykorzystuje się już od dawna do zasilania niewielkich urządzeń przenośnych. Na niewielkie baterie słoneczne działają kalkulatory czy zegarki, a także lampy oraz sygnalizacje drogowe, czy parkometry. Słońce służy coraz częściej również do ogrzewania pomieszczeń oraz podgrzewania wody w budynkach mieszkalnych, a dostępność technologii fotowoltaicznej sprawia, że obecnie praktycznie każdy z nas może czerpać korzyści z tego naturalnego źródła energii. Można ją przy tym wykorzystywać nie tylko do podgrzewania wody, ale także do zasilenia swoich urządzeń domowych i tym samym przyczyniać się do obniżenia postępu degradacji środowiska naturalnego, a także sprostać stale rosnącym cenom prądu.
Jak wygląda instalacja do pozyskania energii ze słońca?
Pozyskiwanie energii elektrycznej z energii słonecznej odbywa się etapami. Jak to działa?
Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawą każdej instalacji fotowoltaicznej. To w ogniwach dochodzi do tzw. zjawiska fotowoltaicznego, gdzie energia słoneczna zostaje przemieniona w prąd stały. Dzieje się tak dlatego, że ogniwa są zbudowane z materiałów półprzewodnikowych, które w wyniku działania czynników zewnętrznych (wzrost temperatury, promienie słoneczne) zaczynają przewodzić ładunek elektryczny. Jest on przy tym niewielki i dla możliwości wytwarzania większych, a więc użytecznych ilości energii konieczne staje się łączenie ogniw w moduły fotowoltaiczne.
Grupa modułów tworzących panel fotowoltaiczny jest umieszczana na konstrukcji wsporczej i zasila falownik, gdzie prąd stały przekształcany jest w prąd zmienny, a ten nadaje się już do spożytkowania jako zasilanie maszyn i urządzeń.
W jaki sposób energia elektryczna pozyskana ze słońca trafia do użytkowników?
Prąd powstały w modułach fotowoltaicznych płynie do falownika, a jego zadaniem jest przekształcenie go na prąd zmienny, który jest zgodny z parametrami odbiorników energii elektrycznej – z falownika prąd po prostu trafia do gniazdek elektrycznych. Dodatkowo falownik kontroluje pracę danej mikro elektrowni, na bieżąco dopasowując parametry generowanego prądu do parametrów domowej sieci. Jest również kontrolerem pracy całego układu, który wyłącza go w razie wykrycia jakiejkolwiek awarii. Ma on również za zadanie monitorowania parametrów, które są niezbędne do analizy działania fotowoltaiki.
Co się dzieje z energią niewykorzystaną?
W domach z instalacją produkującą energię elektryczną, czyli zazwyczaj z instalacją fotowoltaiczną montowane są liczniki dwukierunkowe. Taki licznik dwukierunkowy mierzy przepływ prądu dwukierunkowo, czyli zlicza energię elektryczną wyprodukowaną przez domową mikro elektrownię oraz energię pobraną od dostawcy prądu z sieci energetycznej.
Nieustannie zdarzają się sytuacje, gdy mikro elektrownia wytwarza energii za dużo albo za mało w stosunku do zapotrzebowania danego gospodarstwa domowego na energię. W pierwszym przypadku nadmiar wyprodukowanej energii elektrycznej zostaje przekazany do sieci energetycznej dostawcy, a właściciel mikro elektrowni może odebrać w chwili zapotrzebowania 80% wyprodukowanej, a przekazanej przez siebie energii.
Jest to zagwarantowane systemem opustów dla prosumentów i dotyczy osób wytwarzających energię elektryczną na użytek własny. Dla instalacji o mocy nieprzekraczającej 10 kWp obowiązuje właśnie stosunek 1:0,8, a to w praktyce oznacza, że za 1 kWh przekazaną do sieci energetycznej właściciel mikro elektrowni może odebrać już tylko 0,8 kWh. W przypadku instalacji większych stosunek jest jeszcze bardziej niekorzystny dla prosumenta i przy mocy pomiędzy 10 a 50 kWp wyniesie on 1:0,7. Natomiast w przypadku posiadania mikro elektrowni, która nie generuje nadmiaru energii, za energię pozyskiwaną z sieci płacimy normalne, obowiązujące u danego dostawcy stawki.
Szukasz wykonawcy na fotowoltaikę w Lublinie? Zadzwoń do nas!
Tak fotowoltaika działa z grubsza, ale wszystko bierze się oczywiście z serca każdej instalacji fotowoltaicznej, a więc z ogniwa. To właśnie w nim zachodzi zjawisko fotowoltaiczne powodujące przekształcanie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.
Jakich materiałów używa się do budowy ogniw fotowoltaicznych
Jak już wspomnieliśmy, ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z materiału półprzewodnikowego, a w pierwszej generacji zazwyczaj z krzemu. Pod wpływem przepływającej energii elektrycznej krzem zamienia się z ciała nieprzewodzącego (izolatora) w przewodnik prądu elektrycznego. W modułach stosowane są trzy odmiany krystaliczne krzemu, z których dwie są wykorzystywane w modułach fotowoltaicznych pierwszej generacji.
Ogniwa fotowoltaiczne I generacji
Są najpopularniejsze i obecnie powszechnie użytkowane, także w naszym kraju:
Ogniwa krzemowe monokrystaliczne posiadają mocno uporządkowaną strukturę kryształów z niewielką liczbą defektów. Są to ogniwa pierwszej generacji o najwyższej efektywnością przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną, czyli sprawnością i wynosi ona od 15 do 19%. Tak sprawność oznacza, że promieniowanie słoneczne padające na taki moduł zostaje w 15 do 19% przekształcone w energię elektryczną.
Ogniwa krzemowe polikrystaliczne charakteryzują się mniej uporządkowaną strukturą kryształów i mogą posiadać większą liczbą skaz. Sprawność fotoelektryczna modułów zbudowanych z polikryształów krzemu osiąga 14-16%.
Ogniwa mono- i polikrystaliczne są z powodzeniem stosowane właśnie w mikro elektrowniach i są montowane na dachach domów lub w ogródkach. Pamiętać jednak należy, że ogniwa monokrystaliczne są o wiele trudniejsze w wytwarzaniu (hodowaniu), a przez to są rownież znacznie droższe w produkcji od ogniw polikrystalicznych. Dlatego właśnie te drugie będą najczęściej wykorzystywane w niewielkich przydomowych instalacjach fotowoltaicznych.
Ogniwa fotowoltaiczne II generacji
Do wyrobu ogniw fotowoltaicznych drugiej generacji (cienkowarstwowych)stosowany jest krzem amorficzny o rozproszonej strukturze kryształów, tellurek kadmu, german, czy też mieszane ogniwa o zawartości miedzi, indu, galu albo selenu. Ich bardzo cienka warstwa (od 0,08 mm do nawet 0,001 mm) sprawia, że są znacznie tańsze w produkcji od ogniw z krzemu krystalicznego, a sam półprzewodnik w takich ogniwach nakładany jest za pomocą naparowywania, napylania albo epitaksji.
Ogniwa II generacji cechuje to, że mogą być bardzo elastyczne, a to sprawia, że są wykorzystywane jako elementy budowlane.
Ogniwa fotowoltaiczne III generacji
Wszystkie są obecnie w trakcie badań i charakteryzują się zarówno niską żywotnością, jak i sprawnością. Nie bazują na złączu półprzewodnikowym typu p-n i ciągle są rozwiązaniami nowatorskimi, do których opracowywania używane są testowane technologie. Prace skupiają się na obniżeniu kosztów produkcji oraz używaniu materiałów nietoksycznych. Prace trwają m.in. nad:
• ogniwami barwnikowymi;
• ogniwami polimerowymi.
Działanie paneli fotowoltaicznych – zjawisko fotowoltaiczne
W zależności od rodzaju półprzewodnika, z jakiego są zbudowane albo użytej technologii, ogniwa fotowoltaiczne mogą mniej lub bardziej efektywnie przekształcać energię słońca w energię elektryczną. Na czym to jednak polega?
Aby to zrozumieć efekt fotowoltaiczny, warto przyjrzeć się budowie najpopularniejszego ogniwa, czyli ogniwa krzemowego stosowanego w mikro elektrowniach. Składa się ono z dwóch warstw półprzewodnika, przy czym nie są one jednolite. Jedna warstwa zbudowana jest z atomów mających większą liczbę elektronów na ostatniej z powłok, przez co nadany jej zostaje ładunek ujemny (warstwa typu n). Druga warstwa natomiast jest zbudowana z atomów mających puste miejsca po elektronach, a więc tzw. dziury (warstwa typu p). Ta warstwa jest nacechowana dodatnim ładunkiem elektrycznym. Na granicy tych dwóch dochodzi do przekazywania nadmiaru atomów z warstwy typu n atomom z warstwy typu p, zapełniając dziury w tychże atomach. Tak powstaje złącze p-n składające się z atomów „pełnych” o obojętnym ładunku elektrycznym.
Produkcja energii elektrycznej w ogniwie fotowoltaicznym zaczyna odbywać się wyłącznie wówczas, gdy padnie na nie światło słoneczne, a dzieje się tak dlatego, że światło jest strumieniem fotonów zawierającym porcje energetyczne. Padająca na ogniwa energia z fotonów zostaje pochłonięta przez elektrony, które są na nią wyeksponowane, czyli przez znajdujące się na ostatniej z powłok elektronowych atomów krzemu na złączu p-n.
Nadmiar energii zaburza elektrony i zostają one „wybite” ze swoich powłok. Zaczynają swobodnie krążyć po półprzewodniku w warstwie typu n, zwiększając jednocześnie w warstwie typu p liczbę atomów z dziurami. To doprowadza do powstania różnicy potencjałów (ładunków) na obydwu warstwach, a więc napięcia. Swobodne elektrony z warstwy n zaczynają natychmiast dążyć do ponownego zapełnienia dziur w atomach z warstwy typu p, ale pełniące funkcję „izolatora” złącze p-n, skutecznie im to uniemożliwia.
Zamknięcie obwodu elektrycznego poprzez podłączenie odbiornika do źródła napięcia, a więc do ogniwa, spowoduje natychmiastowy przepływ wolnych elektronów w kierunku atomów z ładunkiem dodatnim. Będzie to już jednak uporządkowany ruch elektronów, a ten jest już prądem. Natężenie prądu jest natomiast wprost proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego, a także zależy od powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.
Trzeba jednak wiedzieć, że prąd powstały w ogniwach fotowoltaicznych jest prądem stałym, i aby mógł być spożytkowany w postaci energii do napędu urządzeń i maszyn musi zostać przekształcony w prąd przemienny. Tym zajmuje się falownik.
