Jak działa fotowoltaika? Poznaj jej zasadę działania!

Jak działa fotowoltaika i jak ją dobrze wykorzystać? Coraz mniej osób zadaje pytanie: „co to jest fotowoltaika”, bo każdy już coś o niej słyszał. Niemniej, coraz częściej spotykamy się z pytaniami o zasadę działania fotowoltaiki i elementów instalacji fotowoltaicznej. I choć najogólniej można stwierdzić, że fotowoltaika to po prostu prąd generowany ze słońca, to z całą pewnością nie jest to wystarczająca definicja.

Dlatego też, aby rzetelnie odpowiedzieć naszym klientom i osobom zainteresowanym ofertą Twojej Energii, postanowiliśmy opublikować ten artykuł. Aby opisać działanie fotowoltaiki, konieczne jest przeanalizowanie budowy instalacji fotowoltaicznej oraz rozwiązań prawnych, które decydują o opłacalności fotowoltaiki.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?

Od strony technicznej za działanie fotowoltaiki odpowiedzialna jest instalacja fotowoltaiczna. Składa się ona z paneli fotowoltaicznych, inwertera, okablowania oraz elementów montażowych i zabezpieczających, a także licznika dwukierunkowego. Najważniejszą częścią instalacji fotowoltaicznej są panele fotowoltaiczne. Są one zbudowane z ogniw fotowoltaicznych, czyli małych elementów półprzewodnikowych, w których pod wpływem światła zachodzi zjawisko fotowoltaiczne. To właśnie ono jest odpowiedzialne za działanie fotowoltaiki. Polega na tym, że światło padając na płytkę półprzewodnikową wybija elektrony z ich orbit w atomach i zmusza je do ruchu. Uporządkowany ruch elektronów to przepływ prądu elektrycznego. Natężenie tego prądu jest wprost proporcjonalne do intensywności padającego promieniowania.

W celu praktycznego wykorzystania prądu produkowanego przez ogniwa np. na potrzeby gospodarstwa domowego konieczne dostosowanie parametrów prądu uzyskiwanego z fotowoltaiki do takich jak ma prąd z sieci. Uzyskuje się to poprzez łączenie ogniw szeregowo w zespoły zwane modułami, a moduły umieszcza w jednej obudowie – panele fotowoltaiczne. Za zamianę prądu stałego na prąd zmienny odpowiada falownik, inaczej zwany inwerterem.

Fotowoltaika a zasada działania falownika

Fotowoltaika nie może funkcjonować bez falownika. Panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały, natomiast większość urządzeń elektrycznych używanych w gospodarstwach domowych wymaga zasilania prądem zmiennym. Dlatego kluczowym elementem każdej instalacji fotowoltaicznej jest falownik (inwerter), który przekształca prąd stały w prąd zmienny o parametrach zgodnych z tymi, jakie występują w domowym gniazdku.

Ilość prądu stałego produkowanego przez panele słoneczne zależy od wielu czynników, takich jak nasłonecznienie, temperatura czy kąt padania promieni słonecznych. Tymczasem prąd zmienny na wyjściu falownika musi mieć stabilne i standardowe parametry (około 230 V oraz częstotliwość 50 Hz), aby mógł zasilać domowe urządzenia elektryczne.

Z tego powodu możliwość efektywnego wykorzystania energii elektrycznej produkowanej przez panele słoneczne oraz prawidłowe działanie całej instalacji fotowoltaicznej w dużej mierze zależą od falownika. Inwerter automatycznie przekształca prąd stały w prąd zmienny o wymaganych parametrach, a jednocześnie optymalizuje moc uzyskiwaną z instalacji w danym momencie.

Rodzaje falowników

Produkowanych jest wiele typów i rodzajów inwerterów dostosowanych do różnych instalacji fotowotaicznych i różnych potrzeb użytkowników. Na przykład w instalacjach, w których panele PV muszą być zamontowane w różnych kierunkach lub pod różnymi kątami nachylenia ze względu na kształt dachu (np. instalacja typu wschód-zachód) inwertery posiadają dwa lub więcej przyłączy. Panele PV łączy się wtedy w odrębne łańcuchy i każdy łańcuch jest podłączany do kolejnego przyłącza falownika. Każde przyłącze ma odrębny system śledzenia punktu maksymalnej mocy. Innego typu rozwiązania są stosowane wtedy, gdy niektóre panele mogą być chwilowo zacieniane.

Falownik steruje też pracą całej instalacji w celu optymalizacji produkcji energii. W szczególności zmniejsza napięcie w sytuacjach, kiedy jest ono za wysokie oraz wyłącza zasilanie w momencie wykrycia awarii. Inwerter umożliwia też monitorowanie parametrów użytecznych do analizy działania całej mikroelektrowni.

Fotowoltaika a zasady doboru okablowania

Niezbędnym elementem instalacji fotowoltaicznej są odpowiednio dobrane przewody prądu stałego, tzw. przewody DC oraz przewody prądu zmiennego – AC.

Okablowanie DC a działanie fotowoltaiki

Okablowanie DC, czyli przewody po stronie prądu stałego, służą do łączenia paneli w tzw. łańcuchy (stringi) i podłączania ich do falownika. Kable łączące łańcuchy z falownikiem dobiera się tak, by zminimalizować straty prądu. Im większa odległość pomiędzy panelami a inwerterem, tym większy musi być przekrój kabla. Ponadto przewody po stronie prądu stałego mają podwójną izolację.

Okablowanie AC w fotowoltaice

Okablowanie AC, czyli przewody elektryczne po stronie prądu zmiennego, służą do podłączenia falownika do skrzynki rozdzielczej i licznika dwukierunkowego. Ze skrzynki rozdzielczej prąd płynie do domowych odbiorników energii, a jego nadwyżka (w instalacji on-grid) przechodzi przez licznik i trafia do sieci elektroenergetycznej.

Fotowoltaika – jak działa licznik dwukierunkowy?

Instalacja fotowoltaiczna podłączona do sieci elektroenergetycznej (tzw. system on-grid) współpracuje z siecią energetyczną i dostarcza do niej energię elektryczną o wymaganych parametrach. Kluczowym elementem takiej instalacji jest licznik dwukierunkowy. Urządzenie to rejestruje zarówno ilość energii elektrycznej wprowadzanej do sieci przez instalację fotowoltaiczną, jak i energię pobieraną z sieci wtedy, gdy produkcja prądu ze słońca jest niewystarczająca.

W systemie on-grid nadwyżka energii wyprodukowanej przez panele fotowoltaiczne trafia do sieci elektroenergetycznej. Może ona zostać wykorzystana później – na przykład wieczorem, w nocy lub w okresach mniejszego nasłonecznienia. Dzięki temu instalacja fotowoltaiczna może pokrywać zapotrzebowanie na energię także wtedy, gdy panele nie produkują prądu.

Sposób rozliczania nadwyżek energii zależy od daty przyłączenia instalacji do sieci. W przypadku instalacji uruchomionych przed 1 kwietnia 2022 r. obowiązuje tzw. system opustów (net-metering). W tym modelu prosument może odebrać z sieci część wcześniej oddanej energii:

• 0,8 kWh za każdą 1 kWh oddaną do sieci – dla instalacji o mocy do 10 kWp,
• 0,7 kWh za każdą 1 kWh oddaną do sieci – dla instalacji o mocy od 10 do 50 kWp.

Natomiast instalacje uruchomione po 31 marca 2022 r. rozliczane są w systemie net-billing, w którym nadwyżki energii są sprzedawane do sieci po cenie rynkowej, a brakującą energię kupuje się od sprzedawcy energii.

Jak działa system on-grid

W Polce najwięcej funkcjonuje instalacji zintegrowanych z siecią energetyczną, czyli w systemie on-grid.  Takie rozwiązania umożliwiają wykorzystywanie na bieżąco „czystej energii” i traktowanie sieci energetycznej jak „wirtualnego magazynu energii”. Są one najbardziej opłacalnym rozwiązaniem.

W sytuacjach, kiedy podłączenie do sieci energetycznej jest niemożliwe, buduje się instalacje wyspowe, nazywane też off-grid. Energię wyprodukowaną przy pomocy paneli fotowoltaicznych magazynuje się w akumulatorach. Gwarantują one niezależność od zewnętrznych dostawców energii.

W miejscach, gdzie zdarzają się wyłączenia prądu, stosuje się tak zwane instalacje hybrydowe. Łączą one zalety systemów on-grid i off-grid. Właściciele takich systemów mają możliwość „przechowywania” energii w sieci, ale również gromadzenia jej w magazynach energii. Więcej informacji o różnych rodzajach instalacji fotowoltaicznych znajdziesz w artykule „Instalacja fotowoltaiczna – co warto wiedzieć?”

Czy fotowoltaika działa, gdy nie ma prądu?

To pytanie często pojawia się wśród osób zainteresowanych większą niezależnością energetyczną. Odpowiedź może być zaskakująca — standardowa instalacja fotowoltaiczna podłączona do sieci (tzw. on-grid) zazwyczaj nie działa w czasie awarii sieci elektroenergetycznej.

Dzieje się tak ze względów bezpieczeństwa. Falowniki stosowane w instalacjach on-grid są wyposażone w zabezpieczenie zwane anti-islanding, które automatycznie wyłącza instalację w przypadku zaniku napięcia w sieci. Dzięki temu energia z paneli nie trafia do uszkodzonej sieci, co mogłoby stanowić zagrożenie dla pracowników prowadzących naprawy infrastruktury energetycznej.

Istnieją jednak rozwiązania, które pozwalają korzystać z energii słonecznej również podczas przerw w dostawie prądu. Jednym z nich są instalacje off-grid (wyspowe), które nie są podłączone do sieci energetycznej i działają całkowicie niezależnie, zazwyczaj w połączeniu z magazynem energii.

Coraz popularniejsze stają się także instalacje hybrydowe, które łączą zalety systemu on-grid z magazynem energii i funkcją zasilania awaryjnego (tzw. backup). W takim przypadku, podczas awarii sieci, instalacja może zasilać wybrane obwody w domu energią z paneli fotowoltaicznych oraz zmagazynowaną w akumulatorach.

Oznacza to, że współczesne systemy fotowoltaiczne mogą zapewnić częściową niezależność energetyczną — pod warunkiem zastosowania odpowiednich rozwiązań technicznych, takich jak falownik hybrydowy i magazyn energii.

Masz pytania? Skontaktuj się z nami!

Aby dowiedzieć się więcej, podaj nam swój numer, a oddzwonimy, aby umówić się na spotkanie z naszym doradcą energetycznym. Pomożemy Ci dobrać właściwe parametry instalacji PV, dobierzemy finansowanie, zajmiemy się formalnościami oraz kompleksowo wytłumaczymy, jak działa fotowoltaika.

Sprawdź naszą ofertę fotowoltaiki dla domu, firmy i rolnika.

Ilustracja zródło: fb/nowezrodlaenergii