Co to jest i jak działa fotowoltaika?

Fotowoltaika - co to jest?

Fotowoltaika to dziedzina techniki i nauki, zajmująca się przemianą promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Z racji tego, że z perspektywy czasu trwania ludzkości, promienie słoneczne to zasób niewyczerpywalny, fotowoltaikę zalicza się do technologii odnawialnych źródeł energii (OZE). W potocznym rozumieniu, pojęciem fotowoltaiki nazywa się również instalacje elektryczne wykorzystujące fotowoltaikę do produkowania energii. W ich przypadku prawidłowym określeniem jest jednak instalacja fotowoltaiczna.

Instalacja PV - co oznacza ten  skrót?

Instalacja PV lub też PV, to pojęcia, na które z pewnością wielokrotnie natkniecie się zgłębiając temat fotowoltaiki. PV to skrót od angielskiego słowa “PHOTOVOLTAIC” oznaczającego ni mniej, ni więcej fotowoltaikę. Tym samym, instalacja PV to nic innego jak zamienne określenie dla instalacji fotowoltaicznej.

Na forach i grupach internetowych dość często zamiast skrótu PV, oznaczającego fotowoltaikę, występuje skrót FV (zapewne od błędnie zapisanego słowa “fotovoltaika”). Należy jednak pamiętać, że FV funkcjonuje powszechnie jak określenie faktury VAT. Poprawny skrótowiec od fotowoltaiki to zatem PV.

Fotowoltanika czy fotowoltaika?

Bywa, że niektórzy technologię wytwarzania energii elektrycznej ze słońca określają mianem fotowoltaniki. Możecie się zatem zastanawiać, która forma jest właściwa: fotowoltanika czy fotowoltaika? Sprawa jest jednak jasna. “Fotowoltanika” to błędna nazwa. Prawidłowy termin dla technologii wytwarzania energii elektrycznej to fotowoltaika.

Z czego składa się instalacja fotowoltaiczna?

Instalacja fotowoltaiczna to zestaw urządzeń, które właściwie połączone ze sobą mogą generować prąd, użyteczny do zasilania domowych urządzeń. By było to możliwe, w skład każdej instalacji fotowoltaicznej wchodzą:

• moduły fotowoltaiczne (zamiennie określane jako panele fotowoltaiczne), które przemieniają światło w energię elektryczną,
• falownik fotowoltaiczny (inwerter) przekształcający energię z modułów, w prąd, którego potrzebują urządzenia elektryczne,
• przewody fotowoltaiczne (tzw. kable solarne),
• konstrukcja montażowa,
• zabezpieczenia elektryczne.

Razem tworzą podstawy zestaw fotowoltaiczny, który po zainstalowaniu będzie mógł dostarczać energię elektryczną. O tym, jak wygląda procedura montażu fotowoltaiki możecie przeczytać w naszym artykule: Prawidłowy montaż paneli fotowoltaicznych – jak wygląda?

Dodatkowo, w skład instalacji fotowoltaicznej może jeszcze magazyn energii. Dzięki niemu część energii może zostać przechowana na później i wykorzystana, gdy instalacja PV nie działa (np. w nocy). Standardowy system fotowoltaiczny może się jednak bez niego obejść.

Jak działa fotowoltaika?

Wspominaliśmy już, że fotowoltaika pozwala zamieniać promienie słoneczne w energię elektryczną. Jest to jednak uproszczony opis działania instalacji fotowoltaicznej. Zagłębiając się w szczegóły można stwierdzić, że fotowoltaika działa dzięki tzw. zjawisku fotowoltaicznemu. Zjawisko (lub też efekt) fotowoltaiczny zachodzi w tzw. krzemowych ogniwach fotowoltaicznych, czyli w segmentach, z których zbudowane są moduły fotowoltaiczne. Polega ono na tym, że promienie słoneczne (a konkretniej - strumień fotonów) wprawiają w ruch elektrony półprzewodnika (krzemu). Te poruszając się między elektrodami, generują prąd stały (DC). Nie nadaje się on jednak do wykorzystania przez urządzenia elektryczne, dlatego w falowniku energia z modułów poddawana jest kolejnej przemianie, której efektem jest prąd AC (przemienny).

Jak płynie prąd z fotowoltaiki?

Prąd elektryczny z fotowoltaiki, po wszystkich przemianach posiada identyczną charakterystykę co prąd z gniazdka, dostarczany przez standardowe elektrownie. Może też zasilać wszystkie standardowe sprzęty elektryczne - i do nich też trafia w pierwszej kolejności. Ewentualne nadwyżki, w zależności od rodzaju instalacji PV, są odsyłane do sieci elektroenergetycznej lub też przechowywane w tzw. magazynie energii.

Jak działa fotowoltaika? Schemat

Poniżej znajdziecie prosty schemat opisujący jak działa fotowoltaika. Panel fotowoltaiczny przekształca światło w prąd stały, który potem płynie do falownika. Tam transformuje się go w prąd przemienny i kieruje do działających w domu urządzeń. Nadwyżki są zliczane przez licznik dwukierunkowy i trafiają do sieci. To, co się z nimi dalej dzieje, zależy od przepisów obowiązujących właściciela instalacji.

Działanie paneli fotowoltaicznych - od czego zależy?

Skuteczność działania instalacji fotowoltaicznej oraz ilość wyprodukowanej przez nią energii uzależniona jest od kilku kluczowych czynników. Zaliczamy do nich:

• parametry paneli fotowoltaicznych oraz falownika - takie jak np. moc czy sprawność. To od nich w dużej mierzy zależy wysokość całorocznej produkcji.
• sposób montażu instalacji PV - moduły powinny być zamontowane pod kątem ok. 35° - 40°. Jednocześnie, dla maksymalizacji produkcji powinny zostać skierowane na południe. Dla wydłużenia czasu działania fotowoltaiki, stosuje się montaż wschód - zachód.
• zacienienie - cień to jeden z największych wrogów fotowoltaiki, ponieważ minimalizuje uzyski, a w skrajnych przypadkach może być powodem awarii. Jego źródłem mogą być m.in. drzewa wokół instalacji, ale także elementy domu (np. komin). Dlatego warto dokładnie zbadać, jak pada cień w wybranym miejscu montażu, w ciągu całego roku.
• nasłonecznienie - czyli ilość promieni słonecznych docierających do powierzchni modułu. Przyjmuje się, że w Polsce wynosi ono średnio ok. 1.000 kWh/m2/na rok, jednak wartości wahają się od ok. 900 do 1.300 kWh/m2/rok.
• pora roku - od której zależy długość dnia oraz ilość słonecznych dni. Większość energii fotowoltaika dostarcza od marca do września. W miesiącach jesienno-zimowych produkcja jest znikoma. O wydajności fotowoltaiki w ciągu roku szerzej przeczytacie w artykule: Wydajność fotowoltaiki w ciągu roku – jak wygląda?

Rodzaje fotowoltaiki

Instalacje fotowoltaiczne łączy wykorzystywanie promieni słonecznych do produkcji prądu.  Różnią się jednak one m.in. miejscem montażu, współpracę z siecią czy charakterystyką pracy. Jakie rodzaje instalacji fotowoltaicznych?

Rodzaj fotowoltaiki - podział ze względu współpracę z siecią

Podstawy podział fotowoltaiki dotyczy integracji z siecią elektroenergetyczną i sposobu zagospodarowania nadwyżek energii. Biorąc pod uwagę ten aspekt wyróżnia się trzy rodzaje fotowoltaiki:

• instalację fotowoltaiczną podłączoną do sieci (on-grid), która odsyła nadwyżki prądu do sieci,
• fotowoltaikę niezintegrowaną z siecią (off-grid lub też wyspową), która magazynuje nadmiarowy prąd w akumulatorach,
• instalację fotowoltaiczną hybrydową, która może zarówno odsyłać nadwyżki do sieci, jak i magazynować.

W Polsce, najpopularniejsze są instalacje fotowoltaiczne on-grid. Rośnie jednak znaczenie fotowoltaiki hybrydowej. Off-grid, póki co wciąż stanowi rzadkość. Więcej na temat on-grid i off-grid przeczytacie w naszym artykule: On grid i off grid – instalacja przyłączona do sieci energetyki lub nie.

Rodzaje fotowoltaiki - podział ze względu na miejsce montażu

Fotowoltaikę bardzo często klasyfikuje się również pod względem miejsca montażu. W tym przypadku największe znaczenie mają dwa typy instalacji PV:

• fotowoltaika na dachu - stanowiąca ok. 80% wszystkich systemów (według raportu o rynku fotowoltaiki w Polsce - enerad.pl),
• fotowoltaika na gruncie (wolnostojąca).

Trzeba jednak podkreślić, że instalacje fotowoltaiczne to na tyle uniwersalne generatory energii, że wciąż pojawiają się nowe możliwości montażu. Możecie się zatem natknąć również np. na:

• fotowoltaikę na balkonie lub balustradzie,
• fotowoltaikę na wodzie,
• fotowoltaikę na ścianie,
• tzw. szyby fotowoltaiczne (to nowa koncepcja, stworzona i rozwijana przez polskiego producenta technologii PV).

Typy instalacji fotowoltaicznych - podział ze względu na charakterystykę napięciową

Ostatnią popularną kategorią podziału, jest podział ze względu na wysokość napięcia występującego w instalacji fotowoltaicznej. W tym ujęciu wyróżnia się dwa rodzaje fotowoltaiki:

• fotowoltaikę niskonapięciową - wykorzystującą tzw. mikroinwertery i generującą napięcie na poziomie ok. 60 V,
• fotowoltaikę wysokonapięciową - pracującą z jednym falownikiem centralnym, na napięciu sięgającym do 1.000 V.

Oba typy są powszechnie stosowane na rynku. O różnicach między nimi możecie przeczytać w naszym artykule: Fotowoltaika niskonapięciowa – co to? Ceny, Opinie

Fotowoltaika - zasada działania a przepisy

Funkcjonowanie fotowoltaiki, pod względem technicznym i społecznym, jest uregulowane prawnie. Najważniejsze dokumenty to ustawa o odnawialnych źródłach energii oraz ustawa Prawo energetyczne.

Według obowiązujących przepisów, właściciel instalacji PV o mocy do 50 kW (m.in. osoba fizyczna, firma) to tzw. prosument (producent i konsument energii). Może on liczyć na specjalne mechanizmy wsparcia, które sprawiają, że fotowoltaika jest opłacalna przez cały rok, a nie tylko wtedy, gdy produkcja jest największa (od marca do września). Owe mechanizmy to tzw. prosumenckie systemy rozliczeniowe, do których zaliczamy:

• net-metering (tzw. system opustów) - obowiązuje on przez 15 lat od momentu podłączenia, ale tylko dla instalacji, które zostały zgłoszone do sieci do 31.03.2022 roku. W tym systemie nadwyżki trafiały do wirtualnego magazynu w sieci, skąd mogły zostać odebrane przez prosumenta przez 12 miesięcy (z potrąceniem 20% lub 30%). Rozliczenie było ilościowe.
• net-billing - obowiązuje przez 15 lat, dla instalacji PV zgłoszonych do sieci od 1 kwietnia 2022 roku. W tym systemie, nadwyżki energii oddane do sieci są przeliczane według aktualnej wartości energii na giełdzie. Póki co stawki są publikowane co miesiąc, a od 2024 roku będą godzinowe.