Panele fotowoltaiczne

Fotowoltaika - informacje podstawowe

Wprowadzenie

Energia promieniowania słonecznego jest przetwarzana na energię elektryczną za pośrednictwem urządzeń wykorzystujących zjawisko konwersji fotowoltaicznej. Polega ono na wytworzeniu napięcia elektrycznego w półprzewodniku p-n pod wpływem energii fotonów, które będąc częścią pola elektromagnetycznego docierającego do powierzchni Ziemi światła widzialnego promieniowania słonecznego.  Półprzewodniki umożliwiające tzw. "efekt fotowoltaiczny" wykonywane są zazwyczaj na bazie krzemu krystalicznego lub bezpostaciowego (amorficznego) i noszą nazwę ogniw fotowoltaicznych lub fotoogniw. Ze względu na małą moc prądu elektrycznego wytwarzanego przez pojedyncze ogniwa, łączone są one szeregowo w moduły fotowoltaiczne. Na rynku instalacyjnym dostępny jest szeroki zakres mocy elektrycznej modułów fotowoltaicznych (nazywanych również modułami lub panelami PV – skrót z jęz. ang. od słów: P-photo, V-voltaic) uzależnionej od ilości znajdujących się w nich ogniw.

Typy modułów fotowoltaicznych (PV)

W zależności od materiału, na bazie którego zostało wykonane ogniwo fotowoltaiczne, rozróżnia się następujące typy modułów PV:

a) Monokrystaliczne (zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego)

b) Polikrystaliczne (zbudowane na bazie krzemu polikrystalicznego)

c) Amorficzne cienkowarstwowe (zbudowane na bazie krzemu bezpostaciowego)

Uzupełnieniem stanowią ogniwa zbudowane na bazie polimerów jednakże rozwiązania te, nie są szeroko dostępne na rynku instalacyjnym, gdyż są na etapie badań naukowych.

Ogniwa amorficzne charakteryzuje możliwość wykonania ich w postaci cienkowarstwowej taśmy przy stosunkowo niskiej sprawności konwersji fotowoltaicznej. Wszystko to sprawia, że ogniwa te, wykorzystywane są obecnie głównie do zastosowań w małej elektronice użytkowej (np. kalkulatory, zegarki itd.).

W przypadku instalacji elektrycznych stosowanych w budownictwie mieszkalnym, publicznym i komercyjnym oraz podczas produkcji prądu elektrycznego w sektorze energetyki, zastosowanie znajdują głównie moduły PV składające się z ogniw mono i polikrystalicznych. Charakteryzują się one wyższą sprawnością od ogniw amorficznych, co umożliwia ich bardziej efektywną pracę. Różnice pomiędzy sprawnością modułów monokrystalicznych i polikrystalicznych są na tyle niewielkie, że wybór odpowiedniego rozwiązania warunkują głównie względy ekonomiczne.

Instalacja fotowoltaiczna

Ze względu na sposób połączenia instalacji z siecią systemu energetycznego, rozróżnia się dwa podstawowe typy instalacji fotowoltaicznych:

a) Offgrid – instalacja fotowoltaiczna nie jest podłączona do zewnętrznej sieci elektroenergetycznej i jest wykorzystywana jedynie na potrzeby własne w układzie zamkniętym do zasilania urządzeń w prąd elektryczny.

b) Ongrid – instalacja fotowoltaiczna jest podłączona do zewnętrznej sieci elektroenergetycznej, może być również wykorzystywana na potrzeby własne, jednakże w chwili braku zapotrzebowania na energię elektryczną, prąd wytworzony w modułach PV przesyłany jest do sieci zewnętrznej.

Moc elektryczna paneli PV uzależniona jest od wielkości natężenia promieniowania słonecznego, które ulega nieustającym zmianom (zachmurzenie, pora dnia, roku). Powoduje to, że w okresie szczytowego zapotrzebowania na prąd, moduł PV może nie wytworzyć go w ilości pozwalającej na jego pokrycie. W przypadku gdy mamy do czynienia z instalacją typu offgrid istnieje potrzeba akumulacji energii elektrycznej, w celu uniknięcia jej strat w okresie braku zapotrzebowania na nią oraz umożliwienia jej wykorzystania w okresie szczytowym. W przypadku instalacji typu ongrid niewykorzystana energia elektryczna zostaje przesłana do zewnętrznej sieci energetycznej, więc nie istnieje potrzeba jej akumulacji. Niezależnie jednak od typu instalacji, moduły PV generują prąd stały, co ma szczególnie istotne znaczenie w przypadku zastosowania ich do zasilania typowej wewnętrznej instalacji elektrycznej lub zewnętrznej sieci elektroenergetycznej w których płynie prąd zmienny. Dlatego też istnieje również potrzeba przetworzenia prądu stałego na zmienny niezależnie od tego czy był on wcześniej akumulowany, czy pochodzi on bezpośrednio z modułu PV. Z uwagi na powyższą charakterystykę pracy instalacji fotowoltaicznej rozróżnia się następujące jej elementy:

a)  Akumulator (tylko offgrid) – służy w instalacjach typu offgrid do magazynowania energii elektrycznej. Jego pojemność wyrażana jest w amperogodzinach [Ah] i jest dobierana w zależności od łącznej mocy zainstalowanych modułów PV. W instalacjach fotowoltaicznych zastosowanie znajdują akumulatory kwasowo-ołowiowe charakteryzujące się dużą dostępnością oraz korzystną ceną. Rzadziej spotykanym rozwiązaniem są akumulatory żelowe, które mimo większej żywotności od akumulatorów kwasowo-ołowiowych charakteryzują się stosunkowo wysokimi kosztami inwestycyjnymi.

b) Regulator ładowania (tylko offgrid) – urządzenie służące do regulacji i utrzymania odpowiednich parametrów prądu elektrycznego ładującego akumulator. Odpowiadają one bezpośrednio za żywotność akumulatora oraz efektywność pracy modułów PV. Na rynku dostępne są również modele z systemem śledzenia maksymalnego punktu pracy MPPT (ang. Maximum Power Point Tracking) czyli warunków najkorzystniejszych wartości natężenia i napięcia prądu elektrycznego wytwarzanego przez panele PV. Umożliwia to optymalizacje uzysku energetycznego instalacji fotowoltaicznej.

c) Inwerter, falownik, przetwornica (offgrid i ongrid) –  urządzenie służące do przetwarzania prądu stałego generowanego przez moduły PV na prąd zmienny płynący w instalacji elektrycznej i systemie elektroenergetycznym. Podobnie jak regulatory ładowania w systemie offgrid, inwertery w instalacji ongrid mogą być wyposażone w funkcję śledzenia maksymalnego punktu pracy (MPPT) modułów PV.

d) Licznik energii elektrycznej (ongrid) – umożliwia rejestrację i kontrolę ilości energii elektrycznej wytworzonej przez moduły PV i przesłanej do zewnętrznej sieci elektroenergetycznej. Zainstalowanie tego urządzenia jest niezbędne w celu sprzedaży energii elektrycznej.

Efektywność instalacji fotowoltaicznych

Sprawność modułów PV mono i polikrystalicznych w zależności od producenta waha się w zakresie od 15 do 20 %. Oznacza to, że przy idealnych warunkach pogodowych i natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącemu 1000 W/m², moduł fotowoltaiczny o powierzchni 1 m² wytworzy maksymalnie prąd elektryczny o mocy 200 W. Dlatego też, aby uzyskać instalację fotowoltaiczną o mocy szczytowej ok. 2 kW, potrzebna jest stosunkowo duża powierzchnia modułów PV, wynosząca ok. 10 m². Jednakże producenci paneli PV udzielają wieloletnich gwarancji na wytwarzaną przez nie moc elektryczną, zapewniając tym samym wysoki uzysk energetyczny takiej instalacji przez długie lata wpływający bezpośrednio na gwarantowany zwrot kosztów inwestycyjnych.

Istotny wpływ na sprawność fotoogniw ma ich temperatura, której rosnąca wartość wpływa znacząco na spadek mocy elektrycznej prądu wytwarzanego przez panel PV. Należy zwrócić uwagę jaki jest wpływ temperatury danego modułu PV na jego sprawność oraz dla jakich warunków jest ona podawana.

Na sprawność paneli PV wpływają również kąt padania promieniowania słonecznego, dlatego też, podobnie jak w przypadku termicznych kolektorów słonecznych, istotna jest ich orientacja względem stron świata oraz kąt nachylenia względem poziomu.

Dobór poszczególnych elementów instalacji fotowoltaicznej ma również istotne znaczenie na uzysk energetyczny modułów PV. Zastosowanie wcześniej wspomnianego systemu MPPT pomoże zoptymalizować warunki pracy paneli PV. Dobranie odpowiedniej pojemności akumulatora w systemach offgrid ma znaczący wpływ na ilość dostępnej w okresach szczytowych energii elektrycznej, a co za tym idzie ograniczenie jej strat w okresie niskiego zapotrzebowania.

Istotne jest również odpowiednie zaprojektowanie instalacji w taki sposób aby zminimalizować straty na przesyle, w szczególności na odcinku okablowania w którym płynie prąd stały charakteryzujący się największym natężeniem. Skrócenie tego odcinka oprócz zmniejszenia strat na przesyle spowoduje spadek kosztów inwestycyjnych instalacji (krótszy odcinek przewodu elektrycznego o większej średnicy jego przekroju w porównaniu ze średnicą okablowania na prąd zmienny o mniejszym natężeniu).