Jak zbudowany jest system fotowoltaiczny?

Wstęp

Według danych Głównego Urzędu statystycznego, w minionych trzydziestu latach cena prądu wzrosła ponad trzykrotnie, a ostatnie podwyżki były bardzo dotkliwe. Do 30 czerwca 2024 roku obowiązuje zamrożenie cen prądu dla gospodarstw domowych, pod warunkiem, że zużycie mieści się w określonych limitach. Od lipca prawdopodobnie odczujemy kolejny wzrost cen energii elektrycznej. Jak się na to przygotować i uniknąć wysokich kosztów prądu? Inwestując w fotowoltaikę! Nasuwa się pytanie – czym tak naprawdę jest instalacja fotowoltaiczna?

Najważniejsze elementy systemu PV

W skład systemu PV wchodzą moduły, panele lub kolektory słoneczne, a także komponenty regulujące przepływ prądu stałego z generowanych ogniw do zasilanych urządzeń. W przypadku projektów z zamiarem dostarczania energii elektrycznej nocą, niezbędne staje się wykorzystanie systemu magazynowania energii, który gromadzi wytworzoną w ciągu dnia. W przypadku projektów z zamiarem dostarczania energii elektrycznej nocą, niezbędne staje się wykorzystanie dedykowanego systemu magazynowania energii, który gromadzi wytworzoną moc. Gdy system ma zasilać urządzenia wymagające prądu stałego, konieczny jest regulator napięcia. Istotna jest także odpowiednia konstrukcja tak by  moduły lub panele ustawione były w stronę słońca, zapewniając optymalne wykorzystanie światła. Poniżej przedstawiamy jak zbudowany jest system fotowoltaiczny i z czego się składa.

 

Panele słoneczne

Te urządzenia elektroniczne, zwane również modułami fotowoltaicznymi, które wykorzystują efekt fotowoltaiczny do konwersji energii słonecznej na energię elektryczną. Wykonane są z materiałów półprzewodnikowych, w których absorpcja promieniowania słonecznego powoduje powstanie różnicy potencjałów na zaciskach panelu. Podłączenie obciążenia do tych zacisków umożliwia przepływ prądu elektrycznego. Najczęściej stosowanym materiałem w produkcji paneli jest krzem. Typowe ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki półprzewodnikowej wykonanej właśnie z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego, w której utworzona jest bariera potencjału, na przykład za pomocą złącza p-n. Grubość takiej płytki zwykle mieści się w zakresie od 200 do 400 mikrometrów. Na przednią i tylną stronę płytki nanoszone są metaliczne połączenia, które pełnią rolę kontaktów, umożliwiając panelowi działać jako ogniwo fotowoltaiczne. Przemysł fotowoltaiczny opiera się głównie na krzemie krystalicznym i polikrystalicznym.

W sprzedaży dostępne są także moduły w technologii cienkowarstwowej, która wykorzystuje bardzo cienkie warstwy półprzewodników na tanich podłożach, co pozwala na znaczną redukcję kosztów. Chociaż są one mniej wydajne od tradycyjnych ogniw krzemowych, znajdują zastosowanie na powierzchniach, które nie są idealnie płaskie. Obecnie najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe są wykonane z krzemu amorficznego i jego stopów.

Akumulator

Jednym z najskuteczniejszych sposobów przechowywania energii w małych systemach fotowoltaicznych jest wykorzystanie akumulatorów. Ogniwa fotowoltaiczne generują prąd stały, który idealnie nadaje się do ładowania akumulatorów. Naładowany akumulator stanowi zasobnik energii elektrycznej, który może być wykorzystywany, gdy nie ma dostatecznej ilości promieniowania słonecznego. Popularne akumulatory do systemów fotowoltaicznych to te oparte na technologii litowo-jonowej. Akumulatory litowo-jonowe charakteryzują się wysoką gęstością energii, długim czasem życia, niskimi stratami energii podczas cykli ładowania i rozładowania oraz niską wagą i niewielkimi rozmiarami w porównaniu do tradycyjnych akumulatorów ołowiowo-kwasowych.

W tym miejscu należy wymieć także baterie LiFePO4 (litowo-żelazowo-fosforanowe), stosunkowo drogie, ale uważane za jedne z najlepszych rozwiązań do fotowoltaiki. Ze względu na swoje zalety, akumulatory LiFePO4 są coraz częściej wybierane jako alternatywa dla innych typów akumulatorów litowo-jonowych, szczególnie tam, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność, długi czas życia oraz bezpieczeństwo użytkowania. Charakteryzują się wysoką stabilnością chemiczną, co przekłada się na długą żywotność i bezpieczeństwo użytkowania. Są one bardziej odporne na przeładowanie, przegrzanie i uszkodzenia mechaniczne niż tradycyjne akumulatory litowo-jonowe, co sprawia, że są idealnym rozwiązaniem do zastosowań, w których wymagana jest wysoka niezawodność i trwałość.

Regulator ładowania

Niezbędny element każdego systemu fotowoltaicznego, który kontroluje przepływ prądu i napięcia z paneli słonecznych do akumulatora. Jego głównym zadaniem jest zapobieganie nadmiernemu ładowaniu lub rozładowaniu akumulatora, co może prowadzić do uszkodzenia baterii lub utraty jej pojemności. Działa on poprzez dostosowywanie parametrów pracy paneli słonecznych do stanu naładowania akumulatora, zapewniając optymalne warunki ładowania i wydłużając żywotność całego systemu fotowoltaicznego.

Regulatory PWM są prostsze i tańsze, ale mają pewne ograniczenia, podczas gdy regulatory MPPT oferują wyższą sprawność i elastyczność, jednak są droższe.  W przypadku wyboru warto rozważyć renomowane marki, takie jak Victron Energy, które oferują zaawansowane funkcje, takie jak szybkie śledzenie punktu mocy MPPT, ładowanie w cieniu, wbudowany interfejs Bluetooth i wiele innych.

Falownik

Inwerter w systemach PV przekształca napięcie stałe na zmienne. Odpowiednio dobrane mogą pomóc w maksymalizacji produkcji energii elektrycznej i minimalizacji strat. Falowniki zazwyczaj wykazują sprawność między 90% a 96% przy pełnym obciążeniu, a dla obciążenia wynoszącego 10% – od 85% do 95%. W klimacie środkowoeuropejskim, gdzie roczna średnia moc wyjściowa panelu fotowoltaicznego może być niska, ważne jest, aby falownik zachowywał wysoką sprawność nawet przy małym obciążeniu. Dlatego też istotne jest, aby wybierać inwertery o wysokiej niezawodności, renomowanych producentów,  które będą działać efektywnie przez długi okres.

Podsumowanie

Inwestycja w instalację fotowoltaiczną może przynieść wiele korzyści, zwłaszcza w obliczu wzrastających cen energii elektrycznej. Dzięki wykorzystaniu energii słonecznej można ograniczyć zależność od tradycyjnych źródeł energii i zmniejszyć rachunki za prąd, jednocześnie dbając o środowisko naturalne poprzez redukcję emisji gazów cieplarnianych.

O autorze