Fotowoltaika staje się coraz popularniejszym sposobem na pozyskiwanie ekologicznej energii elektrycznej. Jak działają jednak panele fotowoltaiczne? Jaka jest zasada ich funkcjonowania? W niniejszym artykule postaram się to dokładnie wyjaśnić.
Jak działają panele fotowoltaiczne?
Panele fotowoltaiczne, potocznie nazywane panelami słonecznymi lub panelami PV, służą do bezpośredniej przemiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Robią to dzięki zjawisku fotowoltaicznemu, czyli efektowi fotowoltaicznemu.
Podstawowym elementem panelu PV jest ogniwo fotowoltaiczne. Kilka połączonych ze sobą ogniw tworzy moduł fotowoltaiczny. Moduły montowane są w postaci paneli, które możemy zobaczyć na dachach domów czy innych budynkach. Im więcej modułów zawiera panel, tym więcej energii elektrycznej może wytworzyć.
Zasada działania paneli PV - wyjaśnienie w 4 krokach
Zasada działania paneli fotowoltaicznych opiera się na 4 kluczowych krokach:
- Promieniowanie słoneczne pada na powierzchnię panelu PV.
- Ogniwa fotowoltaiczne wchłaniają fotony światła słonecznego.
- Fotony uwalniają elektrony w ogniwach, powodując powstanie różnicy potencjałów.
- Prąd elektryczny popłynie obwodem, gdy podłączymy do ogniw obciążenie elektryczne.
Przyjrzyjmy się bliżej, co dzieje się na każdym z tych etapów.
Co to jest efekt fotowoltaiczny?
Kluczową rolę w działaniu paneli fotowoltaicznych odgrywa efekt fotowoltaiczny. Jest to zjawisko fizyczne polegające na powstaniu różnicy potencjałów w materii, gdy jest ona wystawiona na działanie promieniowania elektromagnetycznego, np. światła słonecznego.
Zjawisko to zachodzi w specjalnych ogniwach fotowoltaicznych, które stanowią podstawę budowy paneli słonecznych. Są one wykonane najczęściej z krzemu, galiu arsenku lub CdTe. Gdy kwanty światła słonecznego, fotony, trafiają na ogniwo, przenoszą energię na elektrony w ogniwie. Powoduje to uwolnienie tych elektronów i powstanie różnicy potencjałów między warstwami ogniwa.
Jak promieniowanie słoneczne zamienia się w prąd elektryczny?
Kiedy na ogniwo fotowoltaiczne pada światło słoneczne, fotony są pochłaniane przez materiał ogniwa, np. krzem. Fotony przekazują wtedy swoją energię elektronom w tym materiale. Powoduje to uwolnienie elektronów, które mogą następnie poruszać się swobodnie.
Ogniwo fotowoltaiczne skonstruowane jest w taki sposób, aby wytworzyć pole elektryczne, które powoduje, że elektrony przemieszczają się w jednym kierunku - od warstwy typu n do warstwy typu p. To powoduje powstanie różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.
Gdy do ogniwa podłączymy obciążenie elektryczne, np. żarówkę, zamkniemy obwód i umożliwimy przepływ prądu elektrycznego. Im większe nasłonecznienie, tym więcej fotonów zostanie pochłoniętych, a co za tym idzie - więcej elektronów zostanie uwolnionych i popłynie większy prąd.
Z czego składa się moduł fotowoltaiczny?
Podstawowy element panelu słonecznego, ogniwo fotowoltaiczne, ma zazwyczaj niewielkie rozmiary i moc rzędu 1-3 W. Aby uzyskać większą moc, łączy się ogniwa w moduły fotowoltaiczne. Typowy moduł składa się z:
- 60-72 ogniw fotowoltaicznych ze szkła, krzemu krystalicznego lub cienkowarstwowego;
- ramy aluminiowej zapewniającej sztywność i umożliwiającej montaż;
- uszczelniaczy i laminatu EVA chroniących moduł przed wpływem czynników atmosferycznych;
- płyty tylnej z tworzywa sztucznego lub kompozytu aluminiowego.
Standardowy moduł ma moc ok. 300 Wp i wymiary ok. 1,7 x 1 m. Moduły łączy się ze sobą szeregowo i równolegle, tworząc gotowe panele fotowoltaiczne przeznaczone do montażu.
Ile energii elektrycznej daje instalacja fotowoltaiczna?
Ilość energii, jaką można uzyskać z instalacji fotowoltaicznej, zależy od kilku czynników:
- Mocy zainstalowanych paneli (liczby i wielkości modułów PV);
- Nasłonecznienia w danej lokalizacji;
- Ukierunkowania i nachylenia paneli;
- Sprawności i jakości zastosowanych ogniw;
- Obecności zacienień;
- Sprawności pozostałych elementów instalacji (falowniki, okablowanie itp.).
Dla przykładowej instalacji o mocy 5 kWp w środkowej Polsce można założyć roczną produkcję na poziomie ok. 5000 kWh.
Jakie są rodzaje ogniw fotowoltaicznych i ich zastosowanie?
Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje ogniw fotowoltaicznych:
- Monokrystaliczne - wykonane z pojedynczego kryształu krzemu, mają wysoką sprawność 15-22%;
- Polikrystaliczne - zbudowane z wielu kryształków krzemu, tańsze, sprawność 13-17%;
- Cienkowarstwowe - z cienkich filmów np. CdTe lub CIGS, niższa sprawność 9-13%, tańsze w produkcji.
Monokrystaliczne ogniwa stosuje się zazwyczaj w instalacjach, gdzie powierzchnia montażu jest mocno ograniczona. Cienkowarstwowe są tańsze, ale wymagają większej powierzchni, by uzyskać tą samą moc. Dobór ogniw zależy od indywidualnych potrzeb i możliwości inwestora.
Gdzie można zamontować panele słoneczne i jak ustawić je optymalnie?
Panele PV możemy montować w różnych miejscach, np.:
- Na dachach – krytych dachówką, blachą, gontami itp.;
- Na elewacjach i ścianach budynków;
- Na gruncie, wolnostojących wiatrołapach itp.
Najlepszą opcją jest montaż na dachu nachylonym w kierunku południowym pod optymalnym dla danej szerokości geograficznej kątem. Panele montujemy szeregowo-równolegle i łączymy w zoptymalizowane sekcje.
Istotne jest, aby panele były niena osłonecznione przez cały dzień. Należy więc unikać zacienień rzucanych przez drzewa, kominy, inne elementy dachu itp. Odpowiednie zaprojektowanie instalacji gwarantuje najwyższe uzyski energetyczne.
Podsumowanie
Instalacja fotowoltaiczna pozwala na efektywne pozyskiwanie przyjaznej środowisku energii słonecznej. Dzięki zjawisku fotowoltaicznemu promieniowanie słoneczne zamieniane jest w domowej instalacji w prąd elektryczny. Budowa i zasada działania paneli fotowoltaicznych opiera się na ogniwach PV, które po pochłonięciu fotonów generują różnicę potencjałów. Moc instalacji zależy m.in. od zastosowanych ogniw i optymalizacji rozwiązań montażowych. Inwestycja w panele słoneczne pozwala znacząco obniżyć rachunki za prąd i uniezależniać się energetycznie.
Tagi
Udostępnij artykuł
