Elektrownie fotowoltaiczne – fotowoltaika

Czy wiesz, że elektrownie fotowoltaiczne działają przy wykorzystaniu zjawiska za objaśnienie, którego w 1921 roku Albert Einstein uzyskał Nagrodę Nobla? Co to za zjawisko? Odpowiedź na powyższe i inne pytania, dotyczące fotowoltaiki uzyskacie w naszym artykule.


Gdy światło pada na powierzchnię niektórych materiałów, dochodzi do emisji elektronów z powierzchni przedmiotu. Mówimy wówczas o zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym (emisja na zewnątrz materiału). Efekt ten został wykorzystany np. w fotokomórce mającej postać bańki kwarcowej. Obwód, w którym ona się znajduje zostaje zamknięty, gdy na powierzchnię materiału zamkniętego w bańce padnie światło. Powoduje ono wyzwolenie elektronów, a więc przepływ prądu w fotokomórce i obwodzie, w którym ona pracuje.

W efekcie fotoelektrycznym wewnętrznym energia światła (a dokładniej fotonu) też jest całkowicie pochłaniana przez elektron. Elektron nie jest uwalniany, jak to ma miejsce w zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym, ale przenosi się on do pasma przewodnictwa. Zmianie ulegają własności elektryczne materiału. Zjawisko to, zwane fotoprzewodnictwem, zachodzi tylko wówczas, gdy energia fotonu jest większa, niż wynosi szerokość pasma wzbronionego (odległość energetyczna między pasmem walencyjnym, a pasmem przewodnictwa). Przenoszenie elektronów przez fotony na wyższe poziomy energetyczne w pobliżu złącza półprzewodnikowego wywołuje siłę elektromotoryczną. Zjawisko to zwane jest również zjawiskiem fotowoltaicznym. Na bazie tego zjawiska działają elektrownie fotowoltaiczne.

O procesie wytwarzania energii z OZE – fotowoltaika

farma fotowoltaicznaZjawisko fotoelektryczne zewnętrzne nie powoduje wytworzenia energii, a zmianę przewodnictwa np. fotokomórki. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne umożliwia generowanie energii elektrycznej pod wpływem promieniowania słonecznego. Innymi słowy oświetlony materiał, w którym zachodzi zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, zachowuje się jak… malutka bateryjka. Na jego dwóch końcach powstaje różnica potencjałów, czyli napięcie. Można je wykorzystać do zasilania energią elektryczną urządzeń.

Czy pojedyncze złącze wystarczy do zbudowania elektrowni fotowoltaicznej? Pojedyncze złącze nie, ale sytuacja jest analogiczna jak w bajce o Lilipucie i Guliwerze. Gdy małe Liliputy połączyły swoje siły, były w stanie pokonać wielkiego Guliwera. Liliputami są w naszej bajce złącza półprzewodnikowe, a Guliwerem urządzenie zasilane energią elektryczną np. pralka, telewizor, żarówka.

Gdy pojedyncze złącza zostaną połączone w uporządkowany sposób, ich napięcia sumują się. Jest to podobna sytuacja jak np. w pilocie. Trzeba do niego włożyć kilka baterii i to w odpowiedni sposób, aby sumaryczna energia takiego ogniwa była wystarczająca do zasilania urządzenia.

Na szczęście sami nie musimy łączyć złącz półprzewodnikowych, aby zbudować elektrownię fotowoltaiczną. Połączone w zgrabne moduły zwane są panelami fotowoltaicznymi.

Przydomowe elektrownie fotowoltaiczne

Aby zbudować domową elektrownię fotowoltaiczną należy znaleźć miejsce, w którym można zamontować panele. Miejsce powinno być nasłonecznione i znajdować się na południowej stronie dachu. Jeżeli nie ma miejsca na dachu, panele można umieścić na terenie posesji.
Jeden panel o wymiarach 1 x 1,2 metra i wadze około 17 kg generuje moc rzędu 250 W. Jeżeli przydział mocy na budynek wynosi 8 kW (jest on widoczny na fakturze za energię) to trzeba zamontować 8 : 0,25 = 32 panele. W praktyce montuje się paneli nieco mniej. Dlaczego? Przydział mocy jest maksymalną wartością, a nigdy nie zdarza się tak, że w domu włączone są wszystkie odbiorniki. W praktyce elektrownia fotowoltaiczna powinna dostarczać do 80% energii (przydziału mocy). Zatem w przykładzie potrzeba będzie 32 *0,8= 25,6 czyli 25 lub 26 paneli.

Panele fotowoltaiczne łączy się szeregowo (plus do plusa, minus do minusa). Z baterii paneli powinny wychodzi dla przewody: tzw. plus i tzw. minus. Czy to wszystko? To dopiero przetwornik energii słonecznej na napięcie. Elektrownia fotowoltaiczna musi dostarczać energii o takich parametrach jak w sieci. Pomiędzy panelami, a siecią musi znajdować się jeszcze falownik. Odczytuje on napięcie, fazę i częstotliwość przebiegu, a następnie przetwarza energię czerpaną z paneli na przebieg o identycznych parametrach jak jest w sieci. Taki przebieg można wykorzystać do zasilania urządzeń.

panele fotowoltaiczne na dachu domuW praktyce elektrownia fotowoltaiczna uzupełniana jest jeszcze o jedno urządzenie. Jest nim licznik dwukierunkowy. Montuje się go zamiast dotychczasowego licznika energii elektrycznej. Jaka jest jego rola? Elektrownia fotowoltaiczna pracuje cały rok. W miesiącach letnich wytwarza więcej energii niż jej potrzeba na posesji. Nadmiar nie przepada, ale jest odprowadzany jest do sieci. Licznik, całkowicie legalnie, cofa się. My robimy zapas energii na zimę. W miesiącach jesiennych i zimowych elektrownia fotowoltaiczna wytwarza mniej energii niż potrzeba na oświetlenie i ogrzanie budynków. Energia pobierana jest z sieci. Płacimy dopiero za to co pobierzemy ponad to co wyprodukowaliśmy. Za pełnienie bufora naszej elektrowni fotowoltaicznej właściciel sieci pobiera 20% energii, którą wysłaliśmy do sieci. Dzięki temu nie musimy mieć własnego bufora i np. serwisować takiej baterii akumulatorów jak w łodzi podwodnej.

Budowa komercyjnych elektrowni fotowoltaicznych

Elektrownia fotowoltaiczna budowana w celach produkcji i sprzedaży energii zwana jest czasami farmą fotowoltaiczną. Do do budowy komercyjnego obiektu nie jest konieczne uzyskiwanie zgód środowiskowych. Przewidywalna jest także ilość wytwarzanej energii, gdyż elektrownia fotowoltaiczna wykorzystuje zarówno światło bezpośrednie (dni słoneczne) jak i światło rozproszone (dni pochmurne).

Jakie formalności przy budowie komercyjnego obiektu?

Pierwsza różnica pomiędzy przydomową, a komercyjną elektrownią fotowoltaiczną to lokalizacja. Działka musi pozwalać na postawienia instalacji opartej o konstrukcje wbijaną do ziemi, a także posiadać miejsce podłączenia do sieci. Najlepiej wybierać działki, dla których nie istnieje plan zagospodarowania przestrzennego, a ich lokalizacja mieści się w niedużej odległości od GPZ-tu (Głównego Punktu Zasilania). Przyjmuje się, że każdy 1 MW instalacji fotowoltaicznej zajmuje około 2 ha powierzchni gruntu.

panele fotowoltaiczne z bliskaAby elektrownia fotowoltaiczna mogła sprzedawać prąd, działka na której będzie zlokalizowana farma musi posiadać warunki przyłączeniowe do sieci zakładu energetycznego. Otrzymanie takiego dokumentu daje gwarancję na możliwość podłączenia do sieci i sprzedaż wyprodukowanej energii. Aby uzyskać warunki przyłączeniowe należy złożyć w firmie energetycznej projekt koncepcyjny. Musi on zawierać specyfikacje urządzeń (panele, inwertery itp.), wizualizacje elektrowni w danym położeniu, opis i kosztorys.

We wniosku deklarujemy jaką moc chcemy dostarczać. Firma energetyczna w warunkach przyłączeniowych deklaruje, że taką moc od elektrowni fotowoltaicznej odbierze. To, że na działce znajduje się słup z przewodami nie oznacza, że instalacja jest wystarczająca do odebrania mocy. Do sieci niskiego napięcia można zazwyczaj wpiąć do kilkudziesięciu kW. Do średniego napięcia bezpośrednio za pomocą transformatora można zazwyczaj wpiąć do kilku MW. Przy większych mocach konieczne jest poprowadzenie linii do GPZ. Podnosi to koszty instalacji fotowoltaicznej, a przy dużych odległościach często powoduje brak ekonomicznych podstaw do realizacji inwestycji.

Kolejnym etapem jest uzyskanie promesy, czyli przyrzeczenia wydania koncesji. Koncesję przyznaje Urząd Regulacji Energetyki po złożeniu wniosku i załączeniu dokumentów potwierdzających prawa do ziemi i warunki przyłączeniowe dla działki. Z praktyki wiadomo, że ten etap w porównaniu z uzyskaniem warunków przyłączeniowych to Pikuś (no może Pan Pikuś).

Gdy mamy formalności za sobą możemy przystąpić do budowy elektrowni fotowoltaicznej. Na tym etapie istotny jest harmonogram prac. Zgrać w czasie musimy: zamówienie elementów elektrowni, wykonanie robót ziemnych, montaż instalacji, uruchomienie obiektu.

Aby prace zostały odebrane musimy zapewnić nadzór uprawnionej osoby. Bez takowego możemy nie uzyskać odbioru elektrowni fotowoltaicznej, a także mieć problemy z uzyskaniem dotacji. Teraz przychodzi kolej na uzyskanie koncesji od Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki, rejestracja na Towarowej Giełdzie Energii (TGE).

Jak więc widać komercyjna elektrownia fotowoltaiczna różni się od elektrowni prosumenckiej liczbą dokumentów, paneli i mocami urządzeń służących do współpracy z siecią. Obejście tych formalności i zbudowanie prosumenckiej elektrowni fotowoltaicznej dużo większej od potrzeb posesji, a następnie liczenie na to , że firma energetyczna zapłaci za nadprodukcję prądu to błąd. Prosument może produkować tylko dla siebie. Otrzymywać pieniądze za prąd może tylko firma, która taki zamiar zgłosiła na etapie wniosku o warunki przyłączeniowe.

Fotowoltaika: jakie korzyści?

Elektrownia fotowoltaiczna to urządzenie, które może zmienić trawnik przed domem lub nieużytki w źródło dochodu. Elektrownia fotowoltaiczna nie ma zużywających się elementów mechanicznych jak wszelkie turbiny, nie wymaga co kilka lat wymiany nośnika energii (jak panele słoneczne). Jeżeli wybierzemy instalację z 25 letnią gwarancją mamy stabilny biznes.

Porównanie kwoty inwestycji z czasem zwrotu daje szokujące wyniki. Inwestycja w prosumencką instalację jest bardziej opłacalna niż włożenie tej samej kwoty na lokatę bankową czy powierzenie je funduszowi powierniczemu. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w artykule: OZE wykorzystanie i wytwarzanie.

W przypadku komercyjnej elektrowni fotowoltaicznej czas zwrotu inwestycji zależny jest od dwóch zmiennych: ceny działki i ceny po jakiej sprzedasz energię. Obliczenia należy wykonać dla konkretnego przypadku.

Wydajność elektrowni fotowoltaicznej

W polskich warunkach klimatycznych optymalnie usytuowana i wykonana elektrownia fotowoltaiczna jest w stanie wyprodukować rocznie nieco ponad 1000 kWh z zainstalowanego kW mocy. W przypadku instalacji, do których budowy użyte zostały urządzenia o słabych parametrach (zarówno inwerter i panele fotowoltaiczne) uzysk energii może spaść nawet poniżej 750 kWh/kW.

Co rozumiemy przez optymalne usytuowanie i wykonanie elektrowni fotowoltaicznej? Optymalne usytuowanie to pochylenie paneli fotowoltaicznych pod kątem 30… 40 stopni do poziomu i zwrócenie ich południe oraz brak zacienienia. Każde odchylenie od kierunku południowego oraz pochylenie poza wskazany zakres będzie skutkowało spadkiem produkowanej rocznie energii.

Optymalne wykonanie elektrowni fotowoltaicznej to zbudowanie instalacji wolnostojącej. Jest ona lepiej chłodzona co podwyższa jej sprawność. Montaż paneli fotowoltaicznych na dachu przy zachowaniu odstępów umożliwiających wentylację zmniejsza wydajność w stosunku do instalacji wolnostojącej o 2-5%. Brak wentylacji paneli na dachu jest powodem spadku wydajności o 7-10%.

Zasady obliczeń dla komercyjnej elektrowni fotowoltaicznej są identyczne. Mała elektrownia o mocy 30 kW może dostarczyć w ciągu roku około 30.000 KWh energii.

Wady elektrowni fotowoltaicznej

Fotowoltaika ma też minusy. W lecie panele powinny być nachylone pod kątem 30… 40 stopni do powierzchni ziemi, zaś zimą pod kątem 50… 60 stopni. Dzięki temu będą oświetlone w sposób maksymalny zarówno wtedy, gdy słońce jest wysoko (lato) jak i wtedy, gdy przesuwa się nad horyzontem (zima). Aby zachować optymalne pochylenie i ustawienie można stosować trackery – czyli umieszczenie paneli na ruchomej podstawie, która porusza się w ślad za słońcem. Podnosi to koszt instalacji. Elektrownia fotowoltaiczna zawiera wtedy elementy mechaniczne, które mają niższą trwałość niż elektronika.

Elektrownia fotowoltaiczna zajmuje dosyć dużą powierzchnię.

Inwestycja w elektrownię fotowoltaiczną to wydatek od kilkunastu tysięcy w przypadku elektrowni prosumenckiej do znacznie wyższych kwot w przypadku konstrukcji komercyjnych. Warto więc poczekać z inwestycją np. na kredyty preferencyjne lub dotacje do elektrowni fotowoltaicznych.

W elektronice kilka lat to cała epoka. Jeżeli dziś twoja elektrownia fotowoltaiczna będzie zbudowana z najtańszych, przestarzałych komponentów, to za parę lat zostanie daleko z tyłu za tymi elektrowniami, które zbudowane zostały z najnowszych komponentów.

Wiele firm daje gwarancję na 25 lat działania elektrowni fotowoltaicznej. Przyjmuje się, że po około 40 latach sprawność instalacji będzie na tyle niska, że trzeba będzie ją remontować. Ogniwa fotowoltaiczne to… elektrośmieci. Jeżeli kupujesz nieruchomość z elektrownią fotowoltaiczną możesz z tego tytułu nieco utargować.

Fotowoltaika – sytuacja na świecie

W Polsce możliwości jakie stwarza budowanie elektrowni fotowoltaicznej zostało dopiero zauważone. Według opracowania GUS “Energia ze źródeł odnawialnych w 2015 roku” była ona w latach 2012 i 2013 wytwarzana na poziomie 1 GW, w roku 2014 – 7 GW, zaś w roku 2015 – 57 GW. Na lata 2014/2015 przypada wzrost o około 800%.

Dla porównania, w latach 2014/2015, w trzech krajach, które miały największy wzrost instalacji fotowoltaicznych na świecie było to: w Turcji wzrost o 360%, w Chile o 110%, a w Wielkiej Brytanii o 66 %.

Sumaryczna moc elektrowni słonecznych w Polsce w roku 2015 wyniosła 108 MW i była większa tylko od Norwegii (15 MW) i Finlandii (19 MW). Wyprzedziły nas takie kraje jak: Słowacja (600 MW), Rumunia (1325 MW), Czechy (2150 MW) czy Niemcy (39700 MW).