Jak działa panel fotowoltaiczny?
Już na pierwszych stopniach edukacji, podczas zajęć przyrody, poznawaliśmy zbawienny wpływ promieni słonecznych na wszystko co nas otacza. Rozrost roślin oraz wytwarzanie tlenu było uzależnione od tajemniczego pojęcia fotosyntezy, bazującego na świetle. Na bardzo podobnej zasadzie działają panele fotowoltaiczne, które zamiast tlenu dostarczają nam energię w czystej postaci. Jak to jest możliwe? Co kryje się pod magicznym hasłem fotowoltaika i jak to działa? Zacznijmy od początku.
Fotowoltaika to najnowszy trend w zakresie ekologicznej produkcji energii elektrycznej. Podczas gdy dawne metody pozyskiwania energii ograniczały się do zasobów nieodnawialnych, panele fotowoltaiczne wykorzystują nieograniczone możliwości jakie niesie za sobą światło słoneczne. Mimo, że największa popularność paneli fotowoltaicznych przypada na XXI wiek to ich geneza sięga daleko wstecz. Już w 1839 roku, francuski fizyk Antoine César Becquerel podczas badań ze swoim synem Edmondem, zaobserwowali i opisali zjawisko fizyczne, polegające na zamianie promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Dzisiaj to zjawisko nazywamy efektem fotowoltaicznym. Zaobserwowanie zjawiska to jedno, a jego wykorzystanie w praktyce to kompletnie inna sprawa.
Do opracowania pierwszego ogniwa fotowoltaicznego naukowcy potrzebowali 115 lat! Jego zdolność do generowania energii, nazywana sprawnością, jest współcześnie trzykrotnie wyższa niż miało to miejsce w naukowym prototypie. Jeżeli nie wiesz jak działa panel fotowoltaiczny to wiedz, że ogniwo krzemowe stanowi najmniejszy element składowy fotowoltaiki. To właśnie spójna, modułowa korelacja ogniw nazywana jest panelem fotowoltaicznym i pozwala na wytworzenie najbardziej optymalnych zasobów energii elektrycznej. Żeby zrozumieć jak działa fotowoltaika, należy poznać zasadę działania jej ogniw.
Jak panele słoneczne pobierają energię ze słońca?
Jak łatwo się domyślić, głównym zadaniem ogniwa fotowoltaicznego jest generowanie energii elektrycznej. Wszystko za sprawą dwóch zjawisk – fotoelektrycznego oraz fotowoltaicznego. Pierwsze z nich skupia się na zmianie właściwości elektrycznego ciała stałego jakim jest ogniwo poprzez oddziaływanie promieniowania słonecznego. Ogniwo jest półprzewodnikiem. Brzmi skomplikowanie? Nie powinno! Promieniowanie słoneczne to promieniowanie elektromagnetyczne. Słońce przesyła promieniowanie do ogniwa, zmieniając poniekąd jego zdolność do przenoszenia ładunków elektrycznych. To jednak nie koniec! Trzeba bowiem przekuć tę zdolność w prąd stały. Tu sprawa staje się bardziej skomplikowania.
Krzemowe płytki są zbudowane z dwóch warstw właściwych oraz środkowej warstwie, nazywanej graniczną. Jedna warstwa jest wystawiona bezpośrednio na oddziaływanie promieni słonecznych. Dzięki domieszkowaniu ujemnemu fosforem, dochodzi do wytworzenia nadmiaru elektronów. Odwrotnie jest w przypadku warstwy dolnej, którą domieszkuje się dodatnio borem – doprowadzając do niedoboru elektronów. Mamy więc dwie warstwy – jedną z nadmierną ilością elektronów, a drugą z uszczuplonym zasobem elektronów. Skutkuje to powstaniem pola elektrycznego w warstwie granicznej. Zastanawiacie się pewnie, jak panele słoneczne pobierają energię ze słońca?
Reszta działania jest już prosta. Foton, będący najmniejszą jednostką światła, trafia na ogniwo uwalniając nadwyżkę elektronów. Te zaczynają się przemieszczać, tworząc napięcie elektryczne. Teraz wystarczy już tylko zamknąć obwód przepływu energii elektrycznej przy pomocy odbiornika by umożliwić przepływ prądu pomiędzy górną, a dolną warstwą panelu fotowolitanczego. Jest to prąd stały, który trzeba zamienić na prąd zmienny przy pomocy inwertera. Teraz już wiesz jak działa panel fotowoltaiczny! Poza ogniwami, na budowę panelu fotowoltaicznego składa się również hartowana szyba, wytrzymała obudowa oraz specjalne folie o oznaczeniach EVA i PET.
Rodzaje paneli fotowoltaicznych
Najpopularniejszy podział paneli fotowoltaicznych oraz tego jak działają panele fotowoltaiczne wyróżnia trzy podstawowe rodzaje: panele monokrystaliczne, panele polikrystaliczne oraz panele z krzemu amorficznego. Należą one do tak zwanej pierwszej generacji ogniw fotowoltaicznych. Na rynku można również spotkać już drugą oraz trzecią generację. Nie są one jednak zbyt popularne ze względu na ich niską sprawność, czy też inny mechanizm działania. Trzecia generacja może być przyszłością w miejscach o niskim nasłonecznieniu. Wydaje się także idealnym rozwiązaniem by zoptymalizować to, jak fotowoltaika działa w zimę. Skupmy się jednak na pierwszej generacji, która obejmuje ponad 80% polskiego rynku. Na szczególna uwagę zasługuje chociażby fotowoltaika Chojnice.
Panele monokrystaliczne cechują się najwyższą sprawnością, na poziomie 15-20%. Ich kolejną zaletą jest długa żywotność, przekraczająca znacznie okres 25 lat. Jak to jednak w życiu bywa – za wysoką jakością idzie wysoka cena. Ich współczynnik sprawności sprawia, że są idealnym rozwiązaniem dla osób dysponujących małą przestrzenią. Można je rozpoznać już na pierwszy rzut oka, bowiem nie są prostokątami, a sześciokątami. Monokrystaliczna fotowoltaika – jak działa? Bardzo często stosuje się technologię half-cut, czyli cięcie na pół. Taki panel fotowoltaiczny posiada dwa razy więcej ogniw, generując większą moc przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości. Ogniwa monokrystaliczne wyróżniają się także bardzo ciemną barwą, zbliżoną do czerni.
Panele polikrystaliczne mają zdolność na poziomie do 15%. Niższa sprawność wymaga zastosowania większej ilości ogniw, które z kolei wymagają więcej przestrzeni. Będzie zatem trzeba kupić więcej paneli niż miałoby to miejsce w przypadku monokrystalicznych, by osiągnąć taką samą moc. Panele polikrystaliczne mają zazwyczaj ciemnoniebieski kolor, przechodzący w lekki granat. Nadmienione różnice wynikają głównie z mniejszej czystości ogniw poliktystalicznych względem monokrystalicznych.
Panele z krzemu amorficznego skonstruowane są z ogniw amorficznych. Nie bazują zatem one na krzemie krystalicznym jak wcześniejsze rodzaje, a na krzemie amorficznym. Są one rozwiązaniem najtańszym, co niestety oznacza także znaczny spadek ich sprawności, który wynosi 6-8%. Panele amorficzne ulegają szybszej degradacji, a ich średnią żywotność szacuje się na 10 lat. To rozwiązanie jest często stosowane w nowinkach technologicznych i różnego rodzaju gadżetach zasilanych energią elektryczną – od lamp ogrodowych, aż po powerbanki. To jak długo działa instalacja fotowoltaiczna tego typu zależy w dużym stopniu od sposobu użytkowania, jak i jakości wykonania. Czasami można również spotkać specjalistyczne rozwiązania w tym zakresie, takie jak fotowoltaika dla firm.
Panele fotowoltaiczna, a solary – różnica działania
Wiele osób mylnie utożsamia panele fotowoltaiczne z solarami. Wynika to zapewne z faktu, że w obu przypadkach można mówić o przechwytywaniu energii słonecznej i wykorzystywaniu jej do własnych celów. Należy jednak zaznaczyć, że działają one na kompletnie innej zasadzie! Zacznijmy od solarów. Panele słoneczne, jak to działa? Kolektory słoneczne umieszcza się na dachu – zupełnie jak fotowoltaikę. Ich zadaniem nie jest jednak produkcja energii elektrycznej, a zamiana energii słonecznej w energię cieplną. Mówiąc najprościej – służą do nagrzewania, a nie generowania prądu.
Solary zakłada się celem wytworzenia ciepłej wody. Promienie słońca trafiają w absorber, który przekazuje je do specjalnego roztworu wodnego – zazwyczaj jest to mieszanka wody i glikolu. Roztwór ten przekazuje ciepłą ciecz dalej, podgrzewając wodę. Nie zachodzą tutaj żadne reakcje związane z elektronami, czy też przepływem prądu. Cały proces ogranicza się do przetworzenia promieniowania słonecznego w ciepło. Znacząca różnica dotyczy również tego jak kolektory słoneczne i fotowoltaika działa w zimę. Zdolność solarów do wytworzenia ciepła w chłodne dni jest praktycznie zerowa, podczas gdy instalacja fotowoltaiczna nadal jest w stanie generować prąd.
Czy montaż paneli fotowoltaicznych ma znaczenie?
Z wcześniejszych rozważań można wysnuć wniosek, że rozmiar ma znaczenie. Panele monokrystaliczne mają wyższą sprawność i potrzebują mniej przestrzeni od innych rodzajów paneli fotowoltaicznych. Istotne znaczenie ma również montaż i odpowiednie ulokowanie fotowoltaiki. Wybór pomiędzy tymi dwoma rozwiązaniami jest zazwyczaj uzależniony od możliwości przestrzennych. Największą zaletą paneli dachowych jest to, że nie traci się miejsca. Wykorzystuje się po prostu dach, który zwieńcza budynek. Niewiele osób dysponuje gruntem, który mógłby zostać przemianowany na farmę fotowoltaiczną. Jednocześnie nie każdy dach nadaje się do montażu paneli.
Naczelna zasada pozostaje jednak bez zmian – sprawność paneli i to jak działa fotowoltaika uzależnione jest od jej odpowiedniego ulokowania. W Polsce panele fotowoltaiczne powinny być skierowane w kierunku południowym, z możliwością delikatnych odchyłów na wschód bądź zachód. Wszelkie odchyły wymuszają zazwyczaj zastosowanie większej ilości paneli, a co za tym idzie – poniesienia dodatkowych kosztów. Jaka będzie najlepsza fotowoltaika dla domu?
Naziemne panele fotowoltaiczne wymagają zakupu specjalnych stelaży. Otwierają one jednak szereg możliwości do modyfikacji i tworzenia dużych, wydajnych platform. Niektóre z nich są częściowo mobilne, umożliwiając delikatną zmianę położenia fotowoltaiki zależnie od pory roku. Rzutuje to na wydajności. Ciężko wyobrazić sobie podobny zabieg w przypadku paneli dachowych, gdzie konieczne byłoby przesunięcie całego budynku. Niewątpliwą zaletą paneli fotowoltaicznych umieszczonych na gruncie jest łatwość ich czyszczenia i konserwacji. Pod uwagę trzeba wziąć jednak szereg dodatkowych czynników – brak konfliktów technicznych, odpowiednia ekspozycja terenu, brak ryzyka zacienienia.
Decydującym czynnikiem pozostaje zazwyczaj przestrzeń. Gdy ktoś dysponuje domkiem jednorodzinnym z dachem skierowanym we właściwą stronę to logicznym wyborem wydaje się instalacja fotowoltaiczna dachowa. Gdy natomiast mamy do zagospodarowania dużą przestrzeń, a posiadany dach nie stanowi dobrego podłoża pod fotowoltaikę – wówczas najlepiej będzie ulokować ją na gruncie. Bardzo dużą popularnością cieszy się także naziemna fotowoltaika dla rolnika – wszystko za sprawą dużej ilości dofinansowań i potencjałem przestrzennym jakim dysponują ludzie polskiej roli.
Podsumowujmy to jak działa fotowoltaika. Panel fotowoltaiczny jest zbudowany z ogniw, które łączy się w moduły. Im więcej modułów, tym większy potencjał do przemiany promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Słońce obdarowuje Ziemię ogromnym potencjałem elektromagnetycznym, który za sprawą paneli fotowoltaicznych jesteśmy w stanie przekuć w czystą energię. Co to oznacza z praktycznego punktu widzenia? Ekologiczną możliwość obniżenia rachunków za prąd i inwestycję w przyszłość. Instalacje fotowoltaiczne są długowieczne i bazują nie nieograniczonym potencjale jaki niesie za sobą słońce. Rośliny nauczyły się już dawno wytwarzać tlen w procesie fotosyntezy, korzystając z promieni słonecznych. Z rozwojem cywilizacyjnym również ludzie znaleźli możliwości wykorzystania fotonów i przekuwania ich w czystą, zieloną energię.
