Obecne czasy charakteryzuje dynamiczny rozwój technologii odnawialnych źródeł energii, wśród których szczególne znaczenie zyskuje fotowoltaika. Zjawisko to wynika z globalnego zainteresowania produkcją czystej energii, redukcją emisji gazów cieplarnianych i poszukiwaniem alternatyw dla klasycznych źródeł energii.

Fotowoltaika, korzystając z procesów fizycznych zachodzących w ogniwach słonecznych, pozwala bezpośrednio przekształcać światło słoneczne w elektryczność. Stanowi to niezwykle ważny krok w kierunku budowania zrównoważonej przyszłości energetycznej.

Rozwój technologii fotowoltaicznej jest wspierany zarówno przez państwowe programy dotacyjne, jak i międzynarodowe porozumienia klimatyczne. Zainteresowanie nią wzrasta nie tylko wśród inwestorów przemysłowych, ale i wśród właścicieli domów jednorodzinnych, dla których stanowi to szansę na obniżenie kosztów za energię elektryczną oraz podniesienie wartości nieruchomości.

W niniejszym artykule przybliżono zasadę działania instalacji fotowoltaicznej, a także wyjaśniono procesy fizyczne i technologiczne, które są fundamentem efektywnego przekształcania promieniowania słonecznego w użyteczną energię elektryczną. Dalsza część artykułu będzie poświęcona analizie składowych systemu fotowoltaicznego oraz szczegółowemu opisowi funkcjonowania poszczególnych komponentów.

Zasada działania instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna, znana również jako system PV (od ang. Photovoltaic System), to zespół urządzeń służących do wytwarzania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Energia ta może być wykorzystywana zarówno do celów własnych, jak i przekazywania jej do publicznej sieci energetycznej.

Centralnym elementem każdej instalacji fotowoltaicznej jest ogniwo fotowoltaiczne, które za pomocą zjawiska fotowoltaicznego zamienia energię świetlną bezpośrednio w energię elektryczną. Zjawisko to, będące efektem fotoelektrycznym zewnętrznym, zachodzi w półprzewodnikowych materiałach ogniwa pod wpływem absorpcji fotonów o odpowiedniej energii.

W skład typowej instalacji wchodzą panele fotowoltaiczne złożone z wielu ogniw słonecznych połączonych szeregowo lub równolegle, które umożliwiają uzyskanie koniecznego napięcia i prądu. Dzięki temu możliwe jest zasilenie urządzeń elektrycznych lub akumulowanie energii w bateriach.

Otrzymany w ogniwach prąd stały (DC) jest następnie przekształcany na prąd zmienny (AC) przy użyciu inwertera. Prąd zmienny jest wymagany przez większość gospodarstw domowych oraz systemów rozdzielczych. Inwerter odgrywa też rolę inteligentnego monitora systemu fotowoltaicznego, zapewniając jego optymalne funkcjonowanie i bezpieczeństwo.

Jeszcze do niedawna głównym wyzwaniem w rozwoju fotowoltaiki było zwiększenie efektywności przekształcania energii oraz obniżenie kosztów produkcji ogniw. Dzięki intensywnym badaniom i rozwojowi technologicznemu, udało się znacząco posunąć te granice, czyniąc fotowoltaikę jedną z najbardziej obiecujących technologii OZE.

Instalacje fotowoltaiczne można włączyć do sieci energetycznej, co umożliwia nie tylko czerpanie energii z sieci w przypadku niedoboru, ale i oddawanie nadwyżek wyprodukowanej energii, co przyczynia się do ekonomicznej efektywności inwestycji. Coraz częściej w projekcie instalacji uwzględniane są także systemy magazynowania energii, które umożliwiają wykorzystanie zgromadzonej energii w momencie jej braku w sieci fotowoltaicznej.

Wszystkie te aspekty składają się na złożoną i precyzyjną pracę instalacji fotowoltaicznej, która staje się fundamentalnym elementem współczesnego sektora energetycznego.

Z jakich elementów składa się instalacja fotowoltaiczna?

Instalacja fotowoltaiczna to złożony system, którego efektywność zależy od współpracy wielu komponentów. Każdy element pełni kluczową rolę w przetwarzaniu energii słonecznej na elektryczność, zarządzanie nią, a także w monitorowaniu wydajności całej instalacji. Poniżej przedstawiono niezbędne składowe standardowej instalacji fotowoltaicznej:

Panele fotowoltaiczne

Najbardziej widoczny i znaczący element instalacji. Panele składają się z szeregu ogniw fotowoltaicznych, które absorbują promieniowanie słoneczne i przekształcają je w energię elektryczną. Panele mogą być wykonane z różnych materiałów, przy czym najpopularniejsze są krzemowe ogniwa monokrystaliczne i polikrystaliczne.

Inwerter

Kluczowy komponent odpowiedzialny za konwersję prądu stałego (DC) produkowanego przez panele w prąd zmienny (AC), który może być używany w domu lub przekazywany do sieci energetycznej. Nowoczesne inwertery pełnią również funkcje diagnostyczne i umożliwiają zdalny monitoring systemu.

Konstrukcja montażowa

Zestaw elementów konstrukcyjnych służących do zamocowania paneli fotowoltaicznych na dachu budynku lub na gruntowej instalacji. Musi ona być trwała i stabilna, aby wytrzymać różne warunki atmosferyczne, a także zapewniać odpowiednią orientację i kąt nachylenia paneli w stosunku do słońca.

Okablowanie

Specjalnie zaprojektowane przewody służące do przekazywania energii elektrycznej z paneli do inwertera i dalej do domowej instalacji elektrycznej, bądź do sieci energetycznej. Okablowanie musi być odporne na promieniowanie UV, warunki atmosferyczne i ewentualne przepięcia.

System zabezpieczeń

W skład zabezpieczeń wchodzą zarówno urządzenia ochronne, jak i automatyka bezpieczeństwa. Zapewniają one ochronę przed przepięciami, nadmiernym obciążeniem, zwarciami czy pożarami.

Licznik dwukierunkowy

W instalacjach podłączonych do publicznej sieci energetycznej stosuje się specjalne liczniki mierzące ilość energii produkowanej oraz pobieranej, co umożliwia rozliczenie nadwyżek energii oddanej do sieci.

System monitoringu

Oprogramowanie i urządzenia pozwalające na śledzenie wydajności instalacji w czasie rzeczywistym. Monitoring wizualny umożliwia wykrycie ewentualnych usterki i optymalizację pracy instalacji.

Dodatkowo w niektórych instalacjach wykorzystywane są akumulatory solarne, które magazynują nadwyżki energii wyprodukowanej w ciągu dnia, co umożliwia jej wykorzystanie w godzinach, gdy panele fotowoltaiczne nie produkują energii (np. w nocy).

Schemat działania instalacji fotowoltaicznej

Instalacja fotowoltaiczna przemienia promieniowanie słoneczne w elektryczność w ciągu kilku etapów. Opis działania rozpocząć należy od absorpcji światła przez panele fotowoltaiczne. Ponadto proces ten obejmuje szereg kroków, które zapewniają bezpieczne i efektywne wykorzystanie wyprodukowanej energii. Przebieg procesu przedstawia się następująco:

1. Absorpcja światła słonecznego przez ogniwa fotowoltaiczne: Foton światła słonecznego, docierając do powierzchni ogniwa, jest absorbowany przez materiał półprzewodnikowy, zwykle krzem. Energia fotonu powoduje eksytację elektronów, co prowadzi do powstania wolnych nośników ładunku - par elektron-dziura.
2. Generowanie prądu elektrycznego: W ogniwie fotowoltaicznym, na skutek zewnętrznego pola elektrycznego, wytwarzanego poprzez złącze p-n, wolne elektrony i dziury są rozdzielane, co prowadzi do przepływu prądu stałego przez układ.
3. Przekazywanie prądu do inwertera: Uzyskany prąd stały (DC) jest przekazywany za pomocą przewodów do inwertera.
4. Konwersja prądu stałego na zmienny: Inwerter przekształca prąd stały (DC) w prąd zmienny (AC), który jest kompatybilny z domową instalacją elektryczną oraz siecią energetyczną.
5. Dystrybucja i wykorzystanie energii elektrycznej: Wyprodukowany prąd zmienny jest dystrybuowany do gniazdek elektrycznych, zapewniając zasilanie urządzeń domowych lub firmowych. Nadwyżka energii może być kierowana do sieci energetycznej za pośrednictwem licznika dwukierunkowego.
6. Monitoring i zarządzanie działaniem instalacji: System monitoringu i zarządzania gromadzi dane o wydajności i stanie instalacji, umożliwiając optymalizację jej pracy oraz szybkie rozpoznanie i reakcję na ewentualne awarie.

Proces ten zachodzi w sposób ciągły w ciągu dnia, kiedy to panują odpowiednie warunki nasłonecznienia. W systemach z magazynowaniem energii nadwyżki mogą być przechowywane w akumulatorach, dzięki czemu energia pozyskana w dzień może być wykorzystana również w nocy lub w dni pochmurne.

Cały schemat działania instalacji fotowoltaicznej wymaga precyzyjnego projektowania, właściwego doboru komponentów i profesjonalnej instalacji, aby zapewnić maksymalną wydajność i długotrwałą operacyjność systemu.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?

Ogniwa fotowoltaiczne są sercem każdej instalacji wykorzystującej energię słoneczną. To właśnie one są odpowiedzialne za przetwarzanie światła słonecznego w energię elektryczną, ale jak dokładnie przebiega ten proces? Kluczowy dla zrozumienia mechanizmu działania ogniw fotowoltaicznych jest efekt fotoelektryczny oraz fenomen półprzewodnikowy, który jest wykorzystywany w tych urządzeniach.

Ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są z materiałów półprzewodnikowych, przeważnie jest to silikon. Charakteryzują się one tym, że posiadają pasmo walencyjne zapełnione elektronami oraz pasmo przewodnictwa, w którym elektrony mogą swobodnie przemieszczać się, prowadząc prąd elektryczny. Pomiędzy pasmami znajduje się zakazana luka energetyczna, pełniąca istotną funkcję w generowaniu prądu.

Pod wpływem dostarczonej z zewnątrz energii, w postaci światła słonecznego, elektrony mogą być ekscytowane z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Fotony zawarte w świetle słonecznym mają wystarczająco dużą energię, by przekazać ją elektronom, co umożliwia ich przejście przez lukę energetyczną.

Kiedy elektron przeskakuje do pasma przewodnictwa, pozostawia za sobą tzw. dziurę, będącą brakiem elektronu w strukturze półprzewodnikowej. Elektron i dziura tworzą parę nośników ładunku, które mogą być przekształcone w prąd elektryczny.

W ogniwach fotowoltaicznych stosuje się specjalną strukturę tzw. złącze p-n, formowane przez dwie warstwy półprzewodnika o różnym rodzaju domieszkowania, p (pozytywne) i n (negatywne). Domieszkowanie polega na dodaniu do czystego półprzewodnika bardzo małej ilości innych atomów, co prowadzi do stworzenia dodatkowej koncentracji wolnych elektronów w warstwie n lub dziur w warstwie p.

Na granicy między tymi warstwami tworzy się naturalna różnica potencjałów, która po włączeniu ogniwa do obwodu zewnętrznego pozwala na przepływ prądu.

W momencie, gdy światło pada na ogniwo, wybija elektrony z pasma walencyjnego, które pod wpływem pola elektrycznego złącza p-n są przyciągane w stronę warstwy n, podczas gdy dziury przemieszczają się w stronę warstwy p. Proces ten prowadzi do generowania prądu stałego, który jest następnie wyprowadzany przez przewody i skierowany do inwertera.

Wysoka efektywność ogniw fotowoltaicznych jest pochodną nie tylko materiału, z którego są wykonane, ale również ich konstrukcji, jak również precyzji i jakości wykonania złącza p-n.

Postęp w technologii ogniw fotowoltaicznych polega między innymi na optymalizacji właściwości półprzewodnikowych materiałów, co ma na celu zwiększenie współczynnika konwersji światła na energię elektryczną oraz zmniejszenie strat energii.

Na wydajność ogniw fotowoltaicznych wpływ ma również ich temperatura – zazwyczaj wzrost temperatury obniża wydajność.

Niezwykłość ogniw fotowoltaicznych polega na tym, że są one w stanie generować prąd nawet w warunkach niższego nasłonecznienia. Choć ich wydajność jest wówczas niższa niż w pełnym słońcu, nadal stanowią one skuteczne źródło energii. Stąd też rosnące zainteresowanie i wdrażanie tej technologii na całym świecie, zwłaszcza w regionach charakteryzujących się dużą ilością słonecznych dni w roku.

Gdzie kupić fotowoltaikę?

Podsumowując, fotowoltaika Wrocław jest technologią, która umożliwia wykorzystanie niekończącego się i czystego źródła energii, jakim jest słońce. Bazuje ona na zjawisku fotoelektrycznym, zdolnym do przekształcania promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Dzięki pracy ogniw fotowoltaicznych, tworzy się prąd stały, który następnie przez inwerter jest zamieniany na prąd zmienny – przydatny w gospodarstwach domowych oraz przemyśle.

Samo istnienie ogniw fotowoltaicznych nie byłoby jednak wystarczające bez kompleksowego systemu pozostałych komponentów – inwerterów, konstrukcji montażowych, okablowania, systemu zabezpieczeń, liczników dwukierunkowych oraz systemów monitoringu, które razem tworzą kompletną instalację fotowoltaiczną.

Rozwój technologii fotowoltaicznych oraz powiązana z nim polityka energetyczna, mająca na celu zmniejszenie zależności od paliw kopalnych i ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, sprawiają, że odnawialne źródła energii, i w szczególności fotowoltaika, zyskują na znaczeniu. W kontekście globalnych zmian klimatycznych i wyczerpywania tradycyjnych źródeł energii, fotowoltaika jawi się jako jedna z kluczowych technologii przyszłości.

Należy zaznaczyć, że nieustanny postęp w dziedzinie badań i rozwoju ogniw fotowoltaicznych przyczynia się do obniżania kosztów ich produkcji, a co za tym idzie – czyni energię słoneczną coraz bardziej konkurencyjną w stosunku do tradycyjnych źródeł energii. Perspektywy fotowoltaiki są obiecujące, a płynące z niej korzyści są niezaprzeczalne zarówno dla środowiska naturalnego, jak i dla użytkowników końcowych.

Po więcej informacji zapraszamy na stronę dostawcy paneli fotowoltaicznych https://sanerga.pl.

źródło: pieknydom24.pl