Panele fotowoltaiczne – budowa, działanie, parametry techniczne
Energia pozyskiwana ze słońca cieszy się dużą popularnością, o czym może świadczyć fakt, że jest trzecim na świecie źródłem energii odnawialnej. W Polsce, zgodnie z danymi Urzędu Regulacji Energetyki, pod koniec 2019 roku fotowoltaika pokrywała 5% zapotrzebowania na energię, plasując się na czwartym miejscu za energią wiatru, biomasy i biogazu oraz wody. Na popularność OZE wpływa też dofinansowanie paneli fotowoltaicznych.
Moduły fotowoltaiczne, panele słoneczne, ogniwa – terminologia
Osoby, które nie mają wiedzy technicznej z zakresu fotowoltaiki, często posługują się niewłaściwą terminologią. Najczęstszym błędem jest utożsamianie modułów fotowoltaicznych z panelami słonecznymi lub przypisywanie tym drugim roli, jaką odgrywają ogniwa. W rzeczywistości te trzy elementy są ze sobą powiązane, ale nie tożsame. Fotowoltaika jest dziedziną nauki i techniki, dlatego obowiązują w niej profesjonalne terminy. Są one ujęte w normie IEC 61836.
Zgodnie z oficjalnie przyjętym nazewnictwem najmniejszym elementem konstrukcji wykorzystywanej w elektrowni słonecznej są ogniwa. Ich zadaniem jest wytwarzanie energii z promieni słonecznych. Ogniwa łączy się w większe zespoły – moduły fotowoltaiczne. Norma określa taki moduł jako najmniejszy możliwy zestaw ogniw, które są ze sobą połączone i zabezpieczone środowiskowo. Z kolei panele słoneczne tworzy kilka modułów, które są wzajemnie połączone i okablowane. W potocznej terminologii funkcjonuje też pojęcie „baterie słoneczne”, które jest inną nazwą paneli fotowoltaicznych.
Panele monokrystaliczne – zasada działania
Panele monokrystaliczne zbudowane z modułów fotowoltaicznych, a te z kolei z ogniw, są odpowiedzialne za bezpośrednie wytwarzanie energii ze słońca. Wbrew pozorom podczas tego procesu nie jest wykorzystywane ciepło, które najbardziej kojarzy się z energią, lecz światło.
Produkcja energii opiera się na zjawisku fotoelektrycznym. Standardowe ogniwa krzemowe, z jakich są zbudowane panele monokrystaliczne, składają się z dwóch warstw o różnych ładunkach – warstwa typu n ma ładunek ujemny (atomy o nadmiernej liczbie elektronów na ostatniej powłoce), natomiast warstwa typu p – dodatni (atomy z dziurami po elektronach na ostatnich powłokach). Warstwy te są przedzielone obszarem atomów, które uzupełniły braki elektronów i mają ładunki neutralne. W efekcie tworzą barierę uniemożliwiającą przemieszczanie się elektronów i wyrównanie potencjałów. Określa się ją jako złącze p-n.
Naturalną potrzebę przemieszczania się elektronów w celu rekombinacji atomów wykorzystuje się w bateriach słonecznych. Podłączenie zewnętrznego przewodu pomiędzy warstwami typu n i typu p sprawia, że elektrony przemieszczają się, a ich przepływ to nic innego, jak prąd. Zjawisko to intensyfikują promienie słoneczne, czyli fotony z ładunkiem energetycznym, które wytrącają elektrony z powłok atomowych. Panele monokrystaliczne są złożone z wielu ogniw, a w każdym z nich zachodzi taki sam proces. Razem przekłada się on na sprawność paneli fotowoltaicznych.
Sprawność paneli fotowoltaicznych
Aby baterie słoneczne dostarczały ilość prądu niezbędną do pokrycia potrzeb energetycznych gospodarstwa i odprowadzenia nadwyżek do sieci, niezbędny jest dobór odpowiedniej mocy tych elementów. Dlatego przy projektowaniu elektrowni słonecznej ważnym parametrem jest sprawność paneli fotowoltaicznych. Czym ona jest i jak należy ją dobierać do planowanej mocy instalacji?
Panele słoneczne są wykonane z ogniw, które – zależnie od budowy – mają różną efektywność. W praktyce oznacza to zdolność do wytwarzania określonej ilości prądu. Efektywność ogniw przekłada się na efektywność modułów fotowoltaicznych, a następnie paneli. W tym ostatnim przypadku określa się ją jako sprawność paneli fotowoltaicznych, czyli ich zdolność do wytwarzania określonej ilości prądu.
Poszczególne baterie słoneczne są zbudowane z ogniw o różnej strukturze. Dlatego różna jest też ich efektywność. Do czynników które o niej decydują, zaliczają się:
- materiał, z którego wykonano ogniwa,
- metody wykonania połączeń ogniw oraz ich jakość,
- zastosowania powłoka antyrefleksyjna,
- czynniki środowiskowe takie jak np. wysokie temperatury powietrza,
- miejsce montażu i poziom jego nasłonecznienia.
W przypadku materiału najwyższą sprawność osiągają panele monokrystaliczne. Utrzymuje się ona na poziomie nawet 18-22%. Natomiast modele polikrystaliczne uzyskują efektywność z przedziału 14-18%. Najniższą sprawność paneli fotowoltaicznych uzyskuje się przy wyborze najtańszych produktów niskiej jakości.
Sprawność nominalna i rzeczywista paneli fotowoltaicznych – kalkulator
Głównym parametrem, który określa moc ogniw, jest wskaźnik STC (Standard Test Conditions). Określa on tzw. moc nominalną (znamionową) podawaną w watach, która wskazuje na ilość prądu, jaką może wyprodukować ogniwo przy standardowych warunkach pogodowych. W Polsce takie warunki są trudne do osiągnięcia, dlatego moc paneli określa się wskaźnikiem NOCT (Normal Operating Cell Temperature). Dobór odpowiedniej baterii słonecznej powinien uwzględniać ten parametr.
Warto jednak wiedzieć, że istnieje różnica pomiędzy mocą nominalną a rzeczywistą paneli fotowoltaicznych. Kalkulator fotowoltaiki pozwala na precyzyjne obliczenie zapotrzebowania z uwzględnieniem czynników, które mają wpływ na obniżenie tej mocy. Wynika ona między innymi z niestabilnych warunków pogodowych oraz ewentualnych uszkodzeń, które mogą wpływać na efektywność paneli słonecznych. Na obniżenie mocy wpływa też wzrost temperatury paneli. Z tego powodu, aby osiągnąć założony poziom produkcji prądu, należy dokonać przewymiarowania mocy paneli fotowoltaicznych. Kalkulator jest przydatnym narzędziem, które pozwoli na dokonanie niezbędnych obliczeń.
Panele fotowoltaiczne – dofinansowanie
Osoby, które decydują się na zakup baterii słonecznych i zasilanie domu energią z OZE, mogą liczyć na pomoc. Dofinansowanie paneli fotowoltaicznych pozwoli na pokrycie znacznej części kosztów, a w efekcie skróci czas zwrotu inwestycji. Pieniądze pochodzące z państwowych źródeł mają na celu zachęcenie właścicieli domów jednorodzinnych czy małych przedsiębiorstw do przestawiania się na ekologiczną energię, jakiej dostarczają panele fotowoltaiczne. Dofinansowanie w ramach programu „Czyste Powietrze” ma również promować troskę o środowisko naturalne. Z różnych dotacji mogą też korzystać rolnicy, dla których dodatkową korzyścią jest zwolnienie z opłaty podatku rolnego.
O dofinansowanie paneli fotowoltaicznych można się starać również z innych źródeł. W 2021 roku są dostępne programy takie jak Energia Plus, Agroenergia czy Czyste Powietrze, a także różne programy lokalne. Dostępna jest też ulga termomodernizacyjna od podatku PIT. Oferty pożyczek składają też banki, a w przyszłości ruszy kolejna edycja programu Mój Prąd.
