Budowa panelu fotowoltaicznego - informacje wstępne
Na początek, warto podkreślić, że budowę panelu fotowoltaicznego można opisywać na kilku poziomach szczegółowości. Zanim jednak przejdziemy do szczegółów, musimy wyjaśnić sobie kilka związanych z tym pojęć. Z pewnością spotkaliście się już z następującymi określeniami:
- ogniwo fotowoltaiczne,
- moduł fotowoltaiczny,
- panel fotowoltaiczny.
Terminy te, w codziennym, polskim języku bardzo często są stosowane zamiennie. W praktyce jednak, według m.in. Florida Solar Energy Center (jednostki badawczej Uniwersytetu Centralnej Florydy) odnoszą się one do różnych poziomów konstrukcji modułów PV. A zatem, po kolei:
Ogniwo fotowoltaiczne to najmniejsza część składowa budująca jednostkę fotowoltaiczną. To w niej zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, które pozwala zamienić promienie słoneczne w energię.
Moduł fotowoltaiczny to z kolei funkcyjny zestaw połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych. Ogniwa w module fotowoltaicznym mogą być łączone szeregowo, równolegle lub hybrydowo.
Panel fotowoltaiczny to natomiast zmontowane i spięte przewodami moduły fotowoltaiczne.
Poniżej znajdziecie graficzne przedstawienie zależności pomiędzy ogniwem, modułem i panelem fotowoltaicznym.
Źródło: opracowanie własne enerad.pl
Na co dzień, tak w Polsce, jak i w za granicą, granice znaczeniowe pomiędzy poszczególnymi elementami niemal na dobre się rozmyły. Szczególnie gdy mowa o modułach i panelach fotowoltaicznych - obecnie pojęcia te stosuje się zamiennie. Aby ułatwić naszym czytelnikom odbiór naszego artykułu, również i my będziemy traktować je jako synonimy.
Jak jest zbudowany panel fotowoltaiczny?
Moduły fotowoltaiczne to mocno zróżnicowana kategoria podzespołów fotowoltaicznych. W tym artykule skupimy się na najpopularniejszych obecnie krzemowych modułach PV. Jak już wspominaliśmy, w ujęciu elektrycznym są one zbudowana z połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych.
Rozpatrując konstrukcję pojedynczego panelu fotowoltaicznego, można wyszczególnić kilka warstw. I tak zaczynając od góry, moduł fotowoltaiczny składa się z:
- Hartowanej szyby - zwykle o grubości ok. 3,2 mm, której zadaniem jest chronienie dalszych części modułu przed czynnikami zewnętrznymi (m.in. gradem, deszczem, żrącymi substancjami). Szkło fotowoltaiczne dodatkowo pokrywane jest specjalnymi powłokami - np. powłoką antyrefleksyjną, która minimalizuje odbicie promieni słonecznych zwiększając produkcję czy powłoką, która ułatwia samoczyszczenie i utrudnia osadzanie się zabrudzeń.
- Pierwsza warstwa enkapsulantu - czyli innymi słowy, pierwsza warstwa specjalnej folii, która hermetycznie zalaminowana chroni wnętrze modułu (w tym połączenia elektryczne) przed brudem, wilgocią i innymi czynnikami zewnętrznymi. Laminacja dodatkowo zwiększa wytrzymałość modułu. Najpopularniejszym enkapsulantem jest tzw. folia EVA (etylenowy polioctan winylu), która ma ok. 90% udział w rynku.
- Warstwa połączonych ogniw fotowoltaicznych - czyli najważniejsza część modułu, ale jednocześnie jedna z najcieńszych części modułu PV. Grubość warstwy krzemowej w module PV, w zależności od rodzaju ogniw, wynosi od ok. 0,3 mm do kilku, kilkudziesięciu mikronów. To właśnie w tej sekcji zachodzi przemiana energii słonecznej w energię elektryczną.
- Druga warstwa enkapsulantu - która wraz z pierwszą tworzy szczelną ochronę płytek krzemowych.
- Folia elektroizolacyjna - czyli tylna warstwa modułu, która nie tylko chroni moduł, ale też często nadaje mu kolor.
- Aluminiowa rama - której zadaniem jest nadanie sztywności i wytrzymałości całej konstrukcji.
- Puszka przyłączeniowa - ostatnim elementem modułu jest zlokalizowana w tylnej części modułu puszka, w której znajdują się diody obejściowe (bypass) oraz przewody ze złączami pozwalającymi łączyć moduły w instalację.
Uproszczony model budowy panelu fotowoltaicznego znajdziecie poniżej.
Źródło: opracowanie własne enerad.pl
Z czego zbudowany jest panel fotowoltaiczny?
Najpopularniejsze, krzemowe moduły PV są zbudowane z kilku podstawowych materiałów:
- hartowanego szkła (przednia, a czasem tylna część modułów),
- aluminium (rama),
- krzemu mono, lub polikrystalicznego,
- srebro (w stykach elektrycznych),
- tworzyw sztucznych (np. folia EVA, folia elektroizolacyjna).
Warto jednak wiedzieć, że pozostałe rodzaje paneli fotowoltaicznych będą składały się z innym materiałów.
Budowa ogniwa fotowoltaicznego
Wiemy już jak jest zbudowany moduł fotowoltaiczny. Teraz wejdziemy na wyższy poziom szczegółowości i wyjaśnimy, jak jest zbudowane ogniwo fotowoltaiczne. Nie będziemy jednak omawiać wszystkich typów, a skupimy się ponownie, na uproszczonym modelu krzemowych ogniw fotowoltaicznych. W ich przypadku możemy wyszczególnić następujące warstwy:
- Elektroda ujemna - znajdują się górnej części płytki krzemowej, której zadaniem jest zbieranie elektronów.
- Warstwa antyrefleksyjna - która odpowiada za minimalizowanie odbicia promieni słonecznych (zjawisko naturalne dla krzemu krystalicznego).
- Pierwsza, cienka warstwa krzemu - naładowanego dodatnio lub ujemnie. W przypadku tzw. ogniw typu N pierwsza warstwa to krzem typu P (naładowany dodatnio - z ang. “positive”). W przypadku ogniw typu P (najpowszechniejszych na rynku) pierwszą warstwę stanowi krzem typu N (naładowany ujemnie - z ang. “negative”).
- Złączone “p-n”, od którego zależy pojawienie się napięcia na elektrodach w ogniwie.
- Właściwa, grubsza warstwa krzemu - naładowanego odwrotnie do pierwszej warstwy. Od niej zależy, czy mamy do czynienia z ogniwem typu N, czy typu P.
- Elektroda dodatnia, znajdująca się w dolnej części ogniwa.
Oczywiście, w zależności od zastosowanej technologii ogniw, budowa ogniw fotowoltaicznych może wyglądać inaczej - mogą pojawić się np. dodatkowe warstwy, lub też ich rozmieszczenie może ulec zmianie.
Jak działa panel fotowoltaiczny?
W największym uproszczeniu, można powiedzieć, że panel fotowoltaiczny zamienia promieniowanie słoneczne w energię elektryczną (w prąd stały). Dzieje się to dzięki tzw. zjawisku fotowoltaicznemu.
Zagłębiając się nieco w szczegóły, warto wiedzieć, że cały proces przemiany światła w prąd zachodzi za sprawą znajdującego się w ogniwie fotowoltaicznym półprzewodnika, którym obecnie najczęściej jest krzem. Elektrony tego pierwiastka reagują ze strumieniem światła słonecznego (a konkretnie – strumieniem fotonów) i zostają wprawione w ruch. Zaczynają przemieszczać się między elektrodami znajdującymi się w ogniwie, co generuje różnicę potencjałów, czyli napięcie elektryczne.
Otrzymany prąd to prąd stały (DC), który nie nadaje się do zasilania większości urządzeń. Dlatego też później musi zostać przekonwertowany na prąd przemienny (AC) z pomocą falownika.
O tym, jak działa fotowoltaika możecie przeczytać w naszym innym artykule: Co to jest i jak działa fotowoltaika?
