Technologia Fotowoltaiczna

Jak działa fotowoltaika?

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

Fotowoltaika to technologia, która umożliwia bezpośrednią konwersję energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Proces ten zachodzi w ogniwach fotowoltaicznych, które są podstawowym elementem paneli słonecznych.

Efekt fotowoltaiczny

Działanie ogniw fotowoltaicznych opiera się na zjawisku fizycznym zwanym efektem fotowoltaicznym, odkrytym przez Alexandra Becquerela w 1839 roku. Zjawisko to polega na powstawaniu napięcia elektrycznego w materiałach półprzewodnikowych pod wpływem promieniowania słonecznego.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Typowe ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw półprzewodnika (najczęściej krzemu):

Warstwa typu n - zawierająca nadmiar elektronów
Warstwa typu p - zawierająca niedobór elektronów (tzw. dziury)

Na styku tych warstw powstaje tzw. złącze p-n, które jest kluczowe dla działania ogniwa. Gdy fotony (cząstki światła) padają na ogniwo, wybijają elektrony z atomów półprzewodnika, tworząc pary elektron-dziura. Pole elektryczne na złączu p-n powoduje, że elektrony przemieszczają się w kierunku warstwy n, a dziury w kierunku warstwy p, generując w ten sposób prąd elektryczny.

Schemat działania ogniwa fotowoltaicznego

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Poznaj różne technologie produkcji paneli słonecznych

Ogniwa monokrystaliczne

Wydajność: 18-22%

Zalety: Najwyższa wydajność, długa żywotność, dobra praca w wysokich temperaturach

Wady: Wyższa cena, większy ślad węglowy przy produkcji

Ogniwa monokrystaliczne są wykonane z pojedynczego kryształu krzemu o wysokiej czystości. Charakteryzują się jednolitym ciemnoniebieskim lub czarnym kolorem i zaokrąglonymi rogami.

Ogniwa polikrystaliczne

Wydajność: 15-17%

Zalety: Niższy koszt produkcji, mniejszy ślad węglowy

Wady: Niższa wydajność, szczególnie w wysokich temperaturach

Ogniwa polikrystaliczne są produkowane z wielu kryształów krzemu. Mają charakterystyczny niebieski, połyskujący wygląd z widocznymi kryształami i prostokątny kształt.

Ogniwa cienkowarstwowe

Wydajność: 10-13%

Zalety: Elastyczność, lekka waga, dobra praca przy słabym oświetleniu i wysokich temperaturach

Wady: Niższa wydajność, większa powierzchnia instalacji

Ogniwa cienkowarstwowe są wykonane przez nanoszenie bardzo cienkich warstw materiału półprzewodnikowego na podłoże. Główne typy to: amorficzny krzem (a-Si), tellurek kadmu (CdTe) oraz mieszanina miedzi, indu, galu i selenu (CIGS).

Komponenty systemu fotowoltaicznego

Z czego składa się kompletna instalacja fotowoltaiczna

Panele fotowoltaiczne

Główny element instalacji, odpowiedzialny za konwersję energii słonecznej na prąd stały (DC). Panele składają się z połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych, zamkniętych w ramie aluminiowej i pokrytych szkłem hartowanym.

Inwerter (falownik)

Urządzenie przekształcające prąd stały (DC) wytwarzany przez panele na prąd zmienny (AC) używany w domowych instalacjach elektrycznych. Inwerter monitoruje również pracę systemu i może dostarczać dane o produkcji energii.

System montażowy

Konstrukcja umożliwiająca bezpieczne zamocowanie paneli na dachu lub gruncie. Wykonana zazwyczaj z aluminium lub stali nierdzewnej, odporna na warunki atmosferyczne.

Okablowanie i zabezpieczenia

Specjalistyczne kable solarne, złączki MC4, rozdzielnice, zabezpieczenia przeciwprzepięciowe i przeciwpożarowe, które zapewniają bezpieczne i efektywne działanie instalacji.

Licznik dwukierunkowy

Urządzenie mierzące ilość energii pobieranej z sieci oraz ilość energii oddawanej do sieci. Niezbędny element instalacji podłączonej do sieci energetycznej (on-grid).

Magazyn energii (opcjonalnie)

System akumulatorów pozwalający na przechowywanie nadwyżek wyprodukowanej energii i wykorzystanie jej w czasie, gdy panele nie produkują prądu (np. w nocy).

Innowacje w fotowoltaice

Najnowsze technologie i kierunki rozwoju

Perowskitowe ogniwa słoneczne

Perowskity to nowa klasa materiałów, które mogą zrewolucjonizować fotowoltaikę. Ogniwa perowskitowe osiągają już wydajność ponad 25%, a ich produkcja jest tańsza i prostsza niż tradycyjnych ogniw krzemowych. Polscy naukowcy są w światowej czołówce badań nad tą technologią.

Ogniwa tandemowe

Łączenie różnych typów ogniw w struktury wielowarstwowe (tandemy) pozwala na lepsze wykorzystanie spektrum światła słonecznego. Tandemy krzem-perowskit osiągają wydajność ponad 29% i mają potencjał przekroczenia 30%.

Ogniwa dwustronne (bifacial)

Panele dwustronne mogą absorbować światło z obu stron, co zwiększa ich wydajność o 5-30% w zależności od warunków montażu i odbicia światła od podłoża.

Fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV)

Technologia BIPV pozwala na integrację ogniw fotowoltaicznych z elementami budynków - dachówkami, fasadami, oknami czy balustradami. Dzięki temu panele stają się nie tylko źródłem energii, ale również elementem architektonicznym.

Ogniwa perowskitowe - przyszłość fotowoltaiki

Najczęściej zadawane pytania o technologię

Odpowiedzi na techniczne pytania dotyczące fotowoltaiki

Jakie panele są najlepsze do instalacji w Polsce?

W warunkach polskich dobrze sprawdzają się zarówno panele monokrystaliczne, jak i polikrystaliczne. Monokrystaliczne oferują wyższą wydajność, co jest istotne przy ograniczonej powierzchni dachu. Polikrystaliczne są tańsze i mogą być lepszym wyborem przy większych instalacjach. W ostatnich latach ceny paneli monokrystalicznych znacząco spadły, co czyni je coraz bardziej opłacalnym wyborem.

Czy panele fotowoltaiczne działają w pochmurne dni?

Tak, panele fotowoltaiczne działają również w pochmurne dni, choć z mniejszą wydajnością. Nowoczesne ogniwa potrafią wykorzystywać rozproszone promieniowanie słoneczne. W pochmurny dzień produkcja energii może spaść do 10-25% maksymalnej wydajności. Warto pamiętać, że przy projektowaniu instalacji uwzględnia się średnioroczne nasłonecznienie, które bierze pod uwagę zarówno słoneczne, jak i pochmurne dni.

Jaka jest różnica między inwerterem centralnym a mikroinwerterami?

Inwerter centralny to jedno urządzenie obsługujące całą instalację fotowoltaiczną. Jest tańszy, ale w przypadku zacienienia części paneli, wydajność całego systemu spada.

Mikroinwertery są montowane przy każdym panelu osobno, co pozwala na niezależną pracę każdego modułu. Dzięki temu zacienienie jednego panelu nie wpływa na wydajność pozostałych. Mikroinwertery oferują również dokładniejszy monitoring pracy każdego panelu, ale są droższe w zakupie.

Alternatywą są optymalizatory mocy, które łączą zalety obu rozwiązań - każdy panel ma swój optymalizator, ale nadal potrzebny jest centralny inwerter.

Czy panele fotowoltaiczne działają w zimie?

Tak, panele fotowoltaiczne działają również zimą. Wbrew pozorom, niska temperatura zwiększa wydajność ogniw fotowoltaicznych, ponieważ zmniejsza opór elektryczny. Głównym ograniczeniem zimą jest krótszy dzień i potencjalnie mniejsze nasłonecznienie.

Śnieg zalegający na panelach może ograniczyć produkcję energii, ale dzięki ciemnej powierzchni i nachyleniu paneli, śnieg zazwyczaj szybko się z nich zsuwa. W przypadku dużych opadów może być konieczne ręczne oczyszczenie paneli.