Ogniwa fotowoltaiczne w praktyce

Prąd coraz droższy a wokół tyle darmowych źródeł! Wiatr, woda, energia geotermalna, słoneczna… Tylko wybierać. No właśnie, ale co wybrać? Czy w naszym klimacie, gdzie ani zbytnio wieje, ani grzeje, możliwe jest zasilanie energią odnawialną chociażby domku letniskowego? Z pewnością tak. Na dłuższą metę nie tylko się to opłaci, ale również przyłożymy rękę do ochrony naszego środowiska. Dziś spróbujemy odpowiedzieć jak to zrobić wykorzystując energię słoneczną.

Zasada działania ogniw fotowoltaicznych i całego systemu

Do zamiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną służą ogniwa fotowoltaiczne (inaczej: ogniwa słoneczne bądź fotoogniwa), a proces zamiany nosi nazwę konwersji fotowoltaicznej. Ogniwo fotowoltaiczne to krzemowa płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje bariera potencjału (pole elektryczne), w postaci złącza p-n (positive – negative). Padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, tworząc pary nośników o przeciwnych ładunkach (elektron z ładunkiem ujemnym i z ładunkiem dodatnim „dziura”, powstała po jego wybiciu). Ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, co sprawia, że w ogniwie pojawia się napięcie. Wystarczy do ogniwa podłączyć urządzenie pobierające energię i następuje przepływ prądu elektrycznego. Ogniwa fotowoltaiczne najczęściej wykonuje się z krzemu – drugiego po tlenie najbardziej rozpowszechnionego pierwiastka na Ziemi, który występuje m. in. w piasku.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych i ich zastosowanie

Do produkcji ogniw fotowoltaicznych stosowany jest krzem monokrystaliczny lub polikrystaliczny, a w najbardziej zaawansowanej technologii – krzem amorficzny i jego stopy. Różnica pomiędzy nimi (ważna dla użytkownika) tkwi głównie w sprawności i kosztach produkcji, czyli wydajności i kosztach zakupu wyprodukowanego z danego rodzaju krzemu urządzenia. Ogniwa monokrystaliczne stosuje się zazwyczaj przy mocach do 150-180 W na jeden panel fotowoltaiczny. Z kolei ogniwa polikrystaliczne są stosowane dla mocy powyżej 200 W w jednym panelu fotowoltaicznym.

IBC PolySol 220TA – Polikrystaliczny panel fotowoltaiczny o mocy 220 W. Doskonałe źródło energii elektrycznej o sprawności osiągającej do 16%.

IBC MonoSol 230ET – Monokrystaliczny panel fotowoltaiczny o mocy 230 W. Panel przeznaczony do systemów współpracujących z siecią elektroenergetyczną.

Możliwości zastosowania układów fotowoltaicznych są nieograniczone. Główną zaletą instalacji z ogniw fotowoltaicznych jest ich niezawodność, lekkość oraz możliwość uzyskiwania darmowej energii elektrycznej o parametrach sieciowych na potrzeby gospodarcze w sposób czysty, cichy i praktycznie bezobsługowy. Dlatego stają się coraz bardziej powszechne w układach podłączonych bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej jak i w autonomicznych systemach prądotwórczych. Zasilają lampy uliczne, znaki drogowe, stacje meteorologiczne, przekaźniki radiowo-telekomunikacyjne, kamery oraz coraz częściej wiele układów urządzeń w zastosowaniach domowych.

Wydajność systemu uzależniona jest przede wszystkim od nasłonecznienia uzyskiwanego w skali roku w miejscu montażu instalacji. Im większa ilość słonecznych dni i im mocniejsze promieniowanie tym więcej jesteśmy w stanie uzyskać energii elektrycznej z danej instalacji. Bardzo ważnym elementem montażu jest również kierunek i kąt nachylenia paneli fotowoltaicznych – nie postawimy ich na północnym zboczy wzgórza ani na placu przez większość dni zacienianym przez drzewa czy budynki. Doskonałym miejscem do montażu paneli są dachy budynków czy ich elewacje. Dziś możliwe jest zbudowanie biurowca, którego całe ściany (wraz z powierzchnią przeszkloną) pokryte będą ogniwami fotowoltaicznymi.

Produkcja energii elektrycznej przy pomocy ogniw słonecznych odbywa się z relatywnie dużą sprawnością, wynoszącą 13-15%. Ta stosunkowo duża sprawność wynika z faktu, że energia promieniowania słonecznego zamienia się w energię elektryczną bez udziału ciepła. Pamiętajmy jednak, że pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne charakteryzują się niewielką mocą, dlatego aby uzyskać pożądane wartości mocy muszą być łączone równolegle lub szeregowo w tzw. panele lub moduły. Fakt ten, to największa (poza zmiennością pogody) praktyczna wada systemu. Moc urządzenia przekłada się wprost na zajmowaną przez nie powierzchnię. Największe elektrownie słoneczne to tysiące ogniw zajmujące kilometry kwadratowe powierzchni. Nas jednak interesują mniejsze instalacje, które można wykorzystać do zasilania domu lub firmy.

Zasady doboru systemu i jego wydajność

Instalacje fotowoltaiczne można stosować praktycznie w każdym miejscu, do którego dociera słońce. Wymogi dotyczące instalacji fotowoltaicznych wynikają głównie z miejsca, w którym chcemy taką instalację umieścić i celu, do jakiego będzie wykorzystywana.

Podstawowymi elementami mającymi wpływ na wybór rodzaju systemu fotowoltaicznego jest wiele. Są to: sposób wykorzystania wyprodukowanej energii, posiadana powierzchnia do montażu ogniw (fasada bądź dach budynku, wielkość działki, itp.), wielkość produkowanej energii, jaką chcemy uzyskać z instalacji lub zapotrzebowanie energetyczne urządzeń, które ma obsłużyć powstający układ. Stosując jedno z powyższych kryteriów, jako punkt wyjścia przy projektowaniu system fotowoltaicznego, jesteśmy w stanie dobrać takie rozwiązanie, które będzie w optymalny sposób spełniało wymogi inwestora, którym mogą być zarówno instytucje jak i osoby prywatne.

System off-grid, w skład którego wchodzą akumulatory magazynujące energię ma zastosowanie przy stosunkowo małym zużyciu energii (domki jednorodzinne, letniskowe) lub w sytuacjach, gdy doprowadzenie sieci energetycznej do obiektu jest niemożliwe lub bardzo drogie. W tym systemie energia zgromadzona w akumulatorach jest bezpośrednio przekazywana do odbiorników włączonych w obwód elektryczny ogniwa. System off-grid można również konfigurować pod kątem połączenia z siecią domową w celu dostarczenia energii elektrycznej do wybranych obwodów elektrycznych.

Schemat profesjonalnego systemu fotowoltaicznego
1. Falownik;
2. Automatyczny przełącznik pomiędzy źródłami zasilania;
3. Akumulatory;
4. Regulator ładowania;
5. System zdalnej obsługi;
6. Połączenie do sieci energetycznej

Zdecydowanie bezpieczniejszy i bardziej opłacalny jest system on-grid – zasilanie z ogniw jest połączone z siecią energetyczną. Ta opcja pozwala na sprzedaż nadwyżek energii oraz, co ważniejsze, bezpośrednie bilansowanie mocy – zasilanie z sieci energetycznej w przypadku, gdy ogniwa dostarczają zbyt mało energii.

Konfiguracja systemu ogniw zależy przede wszystkim od mocy odbiorników, jakie będą włączone w obwód czyli zapotrzebowania na energię elektryczną. Możemy wyodrębnić trzy sposoby tworzenia systemu:

• System prosty – ogniwa bezpośrednio zasilają urządzenia – w tym wypadku system składa się tylko z ogniw i sterownika. Ten system sprawdzi się tylko wtedy, gdy odbiorniki będą zasilane prądem stałym o niskim napięciu.
• System umiarkowany – podobnie jak w systemie prostym ogniwo jest bezpośrednio podłączone do odbiornika. Jedyna różnica polega na tym, że system wyposażony jest w falownik, który zamienia prąd stały wychodzący ze sterownika na prąd zmienny o napięciu sieciowym (230 V). Tym samym możemy zasilać urządzenia przystosowane do zasilania z sieci publicznej. To najmniej bezpieczne sposoby wykorzystania energii pochodzącej ze słońca – dopływ energii kończy się wraz z zachodem słońca lub dużym zachmurzeniem.
• 3. System profesjonalny – pozwala na magazynowanie energii. System ten zawiera wszystkie elementy, jakie występują w systemie umiarkowanym. Jego dodatkową składową są akumulatory pozwalające na magazynowanie wytworzonej energii elektrycznej i wykorzystywanie jej wtedy, kiedy jest potrzebna. Można go stosować w całym spektrum rozwiązań, od najmniejszych do dużych instalacji, w zależności od powierzchni paneli i pojemności akumulatorów.

Systemy umiarkowany i profesjonalny mogą działać zarówno podłączone do sieci publicznej (on-grid) jak i jako samodzielne źródło zasilania (off-grid).

Dobór mocy

Wielkość obciążenia instalacji zasilającej jest najistotniejszym czynnikiem decydującym o doborze mocy ogniw oraz kształtującym późniejszą pracę systemu. Przyjmuje się, że przy systemie prostym i umiarkowanym moc ogniwa powinna być większa co najmniej dwukrotnie od mocy odbiorników podłączonych do obwodu ogniwa. W systemie profesjonalnym nie ma takiej zależności, ponieważ część obciążenia przejmują akumulatory dostarczające energię do odbiorników, nawet jeżeli nie ma słońca. Stąd przyjmuje się, że moc ogniwa powinna być 30% większa od mocy wymaganej przez odbiorniki.

Dodatkowo bardzo ważnym elementem jest moc falownika, która musi być co najmniej 20% większa od mocy obciążenia systemu zasilania.

Powyższe założenia są jednak „średnią rynkową”, dlatego każda inwestycja wymaga konsultacji fachowców. Znając doskonale charakterystyki urządzeń poszczególnych firm, lokalizację inwestycji, nasze możliwości finansowe najlepiej dobiorą urządzenia „na wymiar” naszych potrzeb energetycznych.

Integracja z siecią energetyczną

Systemy fotowoltaiczne połączone z siecią energetyczną wymagają dopasowania ich funkcjonowania do jej charakterystyki. Jest to niezbędne, gdy planuje się sprzedaż nadwyżek energii elektrycznej lokalnemu dystrybutorowi energii.

Do zamiany prądu stałego, uzyskanego z modułów fotowoltaicznych na prąd zmienny o charakterystyce prądu sieciowego służy falownik. Jest jednym z elementów wchodzących w skład całego systemu fotowoltaicznego. Nowoczesne falowniki automatycznie „skanują” parametry sieci elektroenergetycznej dopasowując się do jej parametrów.

Naturalnie należy pamiętać, że istnieją odpowiednie regulacje określające możliwość sprzedaży energii pochodzącej ze źródła odnawialnego, jakim jest energia słoneczna. Przed podjęciem decyzji o inwestycji należy skontaktować się z lokalnym operatorem sieci energetycznej, aby uzyskać informacje o możliwości przyłączenia naszej instalacji do sieci publicznej. Ze sprzedażą energii nie powinno być kłopotów – zapotrzebowanie na „zieloną” energię jest w Polsce wysokie, a regulacje prawne powodują, że z roku na rok będzie rosło. Pamiętajmy jednak, że wydajność małych instalacji pozwala na traktowanie ich, jako dodatkowego źródła zasilania, a nie minielektrowni mającej przynosić zyski.

Obowiązujące na polskim rynku normy i certyfikaty

Obecnie wszystkie komponenty oferowane w instalacjach fotowoltaicznych są wytwarzane zgodnie z normami europejskimi i posiadają certyfikat CE.

Aspekt ekonomiczny – czas zwrotu inwestycji

Wydajność systemu przekładająca się wprost na czas zwrotu z inwestycji jest bezpośrednio powiązana z ilością słońca w danym rejonie. Średnioroczna suma energii promieniowania słonecznego w Polsce waha się w granicach 950-1150 kWh/m2. Natomiast średnioroczna liczba godzin nasłonecznionych wynosi 1600. Przy założeniu, iż w roku jest 8.736 godzin, systemy solarne są wydajne w 18-20%.

Wadą systemu jest dziś to, że ze względu na małą popularność tego typu instalacji, urządzenia do produkcji energii elektrycznej z energii słonecznej są stosunkowo drogie. Dlatego koszt wytworzenia energii elektrycznej w przeliczeniu na KWh jest wciąż wysoki i przekłada się na długi okres zwrotu inwestycji. Może on sięgać od kilku do kilkunastu lat. Naturalnie okres zwrotu musi być kalkulowany indywidualnie, w zależności od tego, czy instalacja ma być wykorzystywana dla celów prywatnych czy też zarobkowo.

Systemy fotowoltaiczne w naszym kraju są wciąż niedoceniane. W odróżnieniu od rządu naszych zachodnich sąsiadów, w kraju nie ma dotychczas dobrze rozwiniętego systemu dopłat do instalacji fotowoltaicznych. Na szczęście, w niektórych miastach Polski fotowoltaika została już włączona do systemu dopłat gminnych, co powinno uatrakcyjnić i zachęcić instytucje, firmy i osoby prywatne tą formą wytwarzania energii elektrycznej.

Redakcja na podstawie materiałów firm Soldar i Building Solution