Jak działają panele słoneczne

Coraz częściej myślimy o alternatywnych źródłach energii i wcześniej czy później zaczynamy zadawać sobie pytanie jak działają panele słoneczne? Energia słoneczna to trzecie pod względem wielkości źródło energii odnawialnej na świecie. Wytwarza prąd nie tylko na potrzeby gospodarstwa domowego, ale i zakładów przemysłowych znacznie obniżając przy tym rachunki. Rozważając montaż nowego źródła energii warto wiedzieć jak działają panele słoneczne i z czego składa się instalacja fotowoltaiczna.

A więc jak działają panele słoneczne?

Działanie paneli opiera się na zjawisku fotowoltaicznym. Na czym ono polega?

Zjawisko fotowoltaiczne wykorzystuje funkcjonowanie dwóch elementów:

Ogniwa fotowoltaicznego (fotoogniwa), które zakłada wykorzystanie krzemu jako półprzewodnika, bazując na różnicy potencjału
strumienia światła słonecznego (fotonów), które przenoszą konkretny ładunek energii.

Efektem działania zjawiska fotowoltaicznego jest efekt fotowoltaiczny, a więc reakcji zachodzącej w półprzewodniku na skutek działania promieni słonecznych. Prowadzi ona do powstania nośników ładunku.

Choć pierwszy w historii panel słoneczny był zbudowany z ogniw selenowych, to dzisiaj powszechnie wykorzystywany jest krzem.

Wyróżniamy jego trzy odmiany:

  • krzem monokrystaliczny, z silnie uporządkowaną strukturą. Ogniwa zbudowane z tego rodzaju krzemu charakteryzują się najwyższą efektywnością przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną (tzw. sprawnością). Sprawność takiego modułu jest na poziomie 15-19%. W praktyce oznacza to, że energia promieniowania słonecznego padająca na 1m2 ogniwa zostaje w 15%-19% przekształcona na energię elektryczną.
  • krzem polikrystaliczny, ze słabiej uporządkowaną strukturą oraz większą liczbą skaz. Sprawność tych modułów osiąga 14-16%.
  • krzem amorficzny, który nie ma postaci kryształu, w związku z tym posiada wysoce chaotyczną strukturę z bardzo dużą liczbą wad. Sprawność tych modułów wynosi zaledwie 9-14%.

Ze względu na droższą produkcję ogniw monokrystalicznych w naszych przydomowych instalacjach najczęściej stosowane są ogniwa zbudowane z polikryształów.

Jak działa ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Pierwszej, zbudowanej z atomów posiadających większą liczbę elektronów na ostatniej z powłok. Ma ona ładunek ujemny. Druga warstwa złożona jest z atomów posiadających puste miejsca po elektronach tzw. dziury i ma ona dodatni ładunek elektryczny. Na granicy tych dwóch warstw atomy z warstwy pierwszej „oddają” swoje dodatkowe elektrony atomom z warstwy drugiej, zapełniając puste miejsca. W ten sposób powstaje złącze składające się z atomów o obojętnym ładunku elektrycznym. Aby doszło do produkcji energii elektrycznej w ogniwie fotowoltaicznym musi padać na nie światło słoneczne, czyli strumień cząsteczek (tzw. fotonów) posiadający porcję energii.

Krzem, pochłaniając foton, wprawia w ruch elektron, a ten ruch powoduje wytworzenie energii elektrycznej. Jak wygląda ten proces?

Energia słoneczna docierając do ogniwa zostaje pochłonięta przez elektrony na ostatniej z powłok elektronowych. Na skutek dostarczonej energii zostają one „wybite” z powłok i krążą swobodnie po materiale półprzewodnikowym w warstwie pierwszej. Jednocześnie w warstwie drugiej zwiększa się liczba atomów z dziurami. Prowadzi to do powstania różnicy ładunków na obydwu warstwach, czyli napięcia. Swobodne elektrony z warstwy pierwszej dążą do ponownego zapełnienia dziur w atomach znajdujących się w warstwie drugiej. Jednak złącze, pełniące rolę „izolatora”, skutecznie im to uniemożliwia.

Przyłączenie odbiornika do ogniwa fotowoltaicznego, a tym samym zamknięcie obwodu elektrycznego spowoduje przepływ wolnych elektronów w kierunku atomów z ładunkiem dodatnim. To właśnie ten uporządkowany ruch elektronów to nasz prąd! Jego natężenie jest proporcjonalne do natężenia promieniowania słonecznego, a także powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.

Ogniwa, małe kwadraciki – płytki krzemowe to podstawowe elementy, które łączy się w moduły fotowoltaiczne dla uzyskania większej ilości energii. W ten sposób powstają panele słoneczne.

Ile energii wytwarza panel fotowoltaiczny?

W warunkach laboratoryjnych, optymalnych, panele produkują od 900kW do ok 1100 kWh z 1 kWp mocy instalacji, w ciągu 12 miesięcy.

Na to, ile w rzeczywistości wytworzy panel w realnych warunkach wpływ ma wiele czynników:

  • warunki atmosferyczne (idealne 25 stopni C, natężenie słoneczne 1000kW na m2, wiatr 1m/s, w przyrodzie praktycznie nie występują)
  • lokalizacja instalacji (brak zacienienia, położenie na południowej stronie)
  • technologia zastosowana do budowy modułu fotowoltaicznego.

Dlatego cała instalacja fotowoltaiczna, musi być optymalnie dobrana do panujących warunków. Każdy z elementów instalacji ma na to wpływ. Podstawowym i najbardziej widocznym elementem są oczywiście panele fotowoltaiczne, ale są one częścią większego układu.

Powstały w ogniwach prąd stały trafia do falownika. Falownik (inwerter) jest to urządzenie które można przyrównać do mózgu całej instalacji, ponieważ to on kieruje jej pracą. Przekształca on prąd o napięciu stałym, wytwarzanym przez panele w prąd o napięciu zmiennym, taki który możemy wykorzystać do zasilania wszystkich urządzeń znajdujących się w naszym domu (lub zakładzie pracy).

W skład instalacji wchodzą też pomniejsze, ale nie mniej ważne elementy jakimi są przewody łączeniowe które służą do połączenia ze sobą paneli fotowoltaicznych i inwertera, oraz podłączenia falownika do rozdzielnicy w naszym domu. Montując instalacje słoneczną nie wolno zapominać o zabezpieczeniach zarówno po stronie DC (prądu stałego) jak i AC (prądu zmiennego).

Kolejnym elementem wchodzącym w skład elektrowni są zestawy montażowe (konstrukcje wsporcze),na których panele będą mocowane na dachu. Zapewniają one stabilność i prawidłowe ustawienie paneli fotowoltaicznych, pozwalają na solidne przymocowanie paneli słonecznych, tak żeby w przypadku silnych podmuchów wiatru nie zostały one zerwane.

Słońce w energii odnawialnej jest naszym sprzymierzeńcem.

Dzięki panelom słonecznym możemy się cieszyć „własnym”, przez swoją instalację fotowoltaiczną wytworzonym i bezpłatnym prądem. Ekologia i oszczędność w jednym.