Jak działa fotowoltaika – budowa, zasada działania i kluczowe elementy

Zastanawiasz się, jak panele słoneczne na dachu zamieniają światło w prąd, który zasila Twój dom? Fotowoltaika to technologia, która przekształca promieniowanie słoneczne w energię elektryczną dzięki ogniwom wykonanym z krzemu – gdy światło pada na panel, wytwarza się prąd stały, który inwerter zmienia na prąd przemienny do użytku domowego. Ten proces wydaje się skomplikowany, ale w rzeczywistości opiera się na prostych zasadach fizyki.

Zrozumienie działania fotowoltaiki pomoże Ci podjąć świadomą decyzję o montażu instalacji. Poznasz dokładny proces przetwarzania energii słonecznej oraz dowiesz się, z jakich elementów składa się cały system.

W tym artykule wyjaśnimy krok po kroku, jak działa fotowoltaika – od momentu, gdy promień słońca dotrze do panelu, aż do chwili, gdy w Twoim gniazdku pojawi się prąd. Omówimy też wszystkie komponenty instalacji i ich funkcje.

Jak działa fotowoltaika – proces i zasada działania

Fotowoltaika przekształca energię słoneczną w prąd elektryczny przez efekt fotowoltaiczny zachodzący w półprzewodnikach krzemowych. Proces ten obejmuje absorpcję fotonów, generację ładunków elektrycznych i konwersję prądu stałego na przemienny.

Efekt fotowoltaiczny i rola półprzewodników

Efekt fotowoltaiczny to zjawisko fizyczne, które umożliwia bezpośrednią przemianę światła w energię elektryczną. Zachodzi on w półprzewodnikach, głównie w krzemie, który stanowi podstawę większości ogniw fotowoltaicznych.

Krzem w swojej czystej postaci ma ograniczoną przewodność. Aby zwiększyć jego właściwości, dodaje się niewielkie ilości innych pierwiastków w procesie zwanym domieszkowanie.

Powstają wtedy dwa rodzaje warstw:

• Warstwa typu n – z nadmiarem elektronów

• Warstwa typu p – z niedoborem elektronów (dziurami)

Gdy fotony słoneczne uderzają w złącze p-n, wybijają elektrony z atomów krzemu. Powstaje wtedy pole elektryczne, które rozdziela ładunki ujemne i dodatnie. To właśnie ten proces generuje prąd elektryczny w ogniwach fotowoltaicznych.

Konwersja energii słonecznej: od paneli po energię elektryczną

Produkcja energii w systemie fotowoltaicznym przebiega w kilku etapach. Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne absorbują promieniowanie słoneczne i przekształcają je w prąd stały.

Pojedyncze ogniwo wytwarza napięcie około 0,5-0,6 V. Dlatego łączy się je w moduły, które mogą produkować 20-40 V. Panele składają się zazwyczaj z 60 lub 72 ogniw połączonych szeregowo.

Nasłonecznienie bezpośrednio wpływa na ilość wytwarzanej energii. W Polsce średnie nasłonecznienie wynosi 1000-1200 kWh/m² rocznie.

Proces konwersji ma następujące etapy:

1. Absorpcja fotonów przez krzem

2. Uwolnienie elektronów z atomów

3. Przepływ elektronów przez obwód zewnętrzny

4. Powstanie prądu stałego

Prąd stały i przemienny – jak następuje ich przekształcanie

Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają wyłącznie prąd stały, podczas gdy Twoja domowa instalacja elektryczna wymaga prądu przemiennego. To właśnie dlatego potrzebujesz inwertera w swojej instalacji.

Inwerter przekształca prąd stały o napięciu 200-800 V na prąd przemienny o parametrach sieciowych:

• Napięcie: 230 V

• Częstotliwość: 50 Hz

• Forma sinusoidalna

Nowoczesne inwertery osiągają sprawność 97-98,5%. Posiadają również funkcje monitorowania i zabezpieczeń, które chronią instalację przed przepięciami.

Niektóre systemy wykorzystują mikroinvertery montowane bezpośrednio pod panelami. Rozwiązanie to pozwala na optymalizację pracy każdego modułu oddzielnie.

Kluczowe czynniki wpływające na wydajność

Wydajność Twojej instalacji fotowoltaicznej zależy od wielu parametrów technicznych i środowiskowych. Nasłonecznienie to najważniejszy czynnik – panele osiągają maksymalną moc przy natężeniu 1000 W/m².

Temperatura ma znaczący wpływ na produkcję energii. Przy wzroście temperatury o każdy stopień Celsjusza, wydajność spada o 0,4-0,5%.

Najważniejsze czynniki wpływające na wydajność:

• Kąt nachylenia paneli (optymalnie 30-40°)

• Orientacja względem słońca (południowa najlepsza)

• Zacienienie – nawet częściowe drastycznie obniża produkcję

• Czystość powierzchni paneli

Jakość półprzewodników również ma znaczenie. Panele monokrystaliczne osiągają sprawność 18-22%, podczas gdy polikrystaliczne 15-17%. Degradacja wydajności wynosi około 0,5-0,8% rocznie.

Przeczytaj także: https://kcynia.info/jak-dziala-fotowoltaika-kompletny-przewodnik-po-zasadach-dzialania-paneli-slonecznych/

Budowa i elementy instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna składa się z kilku kluczowych elementów: paneli słonecznych z ogniwami, falownika przekształcającego prąd, licznika dwukierunkowego oraz opcjonalnego magazynu energii. Wybór odpowiedniego systemu – on-grid, off-grid czy hybrydowego – zależy od Twoich potrzeb energetycznych.

Panele i ogniwa fotowoltaiczne – budowa i rodzaje

Panel fotowoltaiczny składa się z wielu ogniw fotowoltaicznych wykonanych głównie z krzemu. Każde ogniwo fotowoltaiczne zawiera półprzewodniki, które przekształcają światło słoneczne w prąd elektryczny.

Najczęściej spotykasz dwa rodzaje paneli fotowoltaicznych:

• Monokrystaliczne – mają sprawność 20-22% i ciemny kolor

• Polikrystaliczne – osiągają sprawność 17-20% i mają niebieski odcień

Budowa panelu obejmuje kilka warstw. Szkło hartowane chroni ogniwa od góry. Warstwa EVA zabezpiecza ogniwa przed wilgocią.

Rama aluminiowa zapewnia sztywność konstrukcji. Puszka przyłączeniowa z tyłu zawiera diody, które chronią przed spadkiem wydajności przy zacienieniu.

Moc instalacji fotowoltaicznej zależy od liczby i typu paneli. Standardowy panel ma moc 300-500 Wp.

Falownik (inwerter) – funkcja i znaczenie

Falownik to urządzenie, które przekształca prąd stały z paneli na prąd zmienny używany w domu. Inwerter jest niezbędny, bo Twoje urządzenia działają na prądzie zmiennym 230V.

Wyróżniasz trzy główne typy falowników:

• Stringowe – łączą kilka paneli w ciąg

• Mikrofalowniki – jeden na każdy panel

• Optymizatory mocy – kompromis między obiema opcjami

Dobry falownik ma sprawność powyżej 95%. Powinien także monitorować pracę instalacji fotowoltaicznej i wykrywać usterki.

Żywotność falownika to 10-15 lat. To zazwyczaj najkrótszy okres pracy spośród wszystkich elementów systemu.

Licznik dwukierunkowy, magazyn energii i zarządzanie energią

Licznik dwukierunkowy mierzy energię pobieraną z sieci i oddawaną do sieci. Jest kluczowy dla systemów net-metering i net-billing.

W systemie net-metering otrzymujesz kredyt za nadwyżkę energii. System net-billing pozwala sprzedawać energię po cenach rynkowych.

Magazyn energii to baterie, które przechowują nadwyżki prądu na później. Pozwalają zwiększyć zużycie energii z własnych paneli z 30% do nawet 80%.

Systemy zarządzania energią optymalizują pracę całej instalacji. Automatycznie kierują prąd tam, gdzie jest potrzebny.

Baterie litowo-jonowe mają żywotność 10-15 lat. Ich pojemność mierzy się w kWh.

Typy systemów fotowoltaicznych: on-grid, off-grid i hybrydowe

System fotowoltaiczny on-grid jest połączony z siecią energetyczną. To najpopularniejsze rozwiązanie w Polsce. Nie potrzebujesz baterii, bo sieć służy jako magazyn energii.

System off-grid działa niezależnie od sieci. Wymaga dużego magazynu energii na noce i pochmurne dni. To ekologiczne rozwiązanie dla miejsc bez dostępu do sieci.

Instalacje fotowoltaiczne hybrydowe łączą zalety obu systemów. Mają połączenie z siecią i własne baterie.

Porównanie głównych typów:

Artykuł powstał przy współpracy z ekspertami Mafot. Mafot to dział firmy Stalmut zajmujący się importem oraz hurtową sprzedażą mocowań fotowoltaicznych – sprawdź ofertę dostępną na mafot.pl.