Jak działają panele fotowoltaiczne?

W dobie rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną, a jednocześnie konieczności ograniczania emisji dwutlenku węgla nie dziwi poszukiwanie alternatywnych źródeł energii. Panele fotowoltaiczne to świetne rozwiązanie, które pozwala na wykorzystanie darmowej energii słonecznej do produkcji prądu. Dowiedz się, jak działają ogniwa fotowoltaiczne, z czego się je produkuje i co wpływa na ich efektywność.

Czym są panele fotowoltaiczne i jak przekształcają energię słoneczną w elektryczność?

Panele fotowoltaiczne to urządzenia służące do przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną. Fotowoltaika jest jednym z filarów odnawialnych źródeł energii, które do wytwarzania prądu wykorzystuje słońce.

Jak działa fotowoltaika, czyli proces przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną? Instalacja fotowoltaiczna składa się z paneli, które z kolei są zbudowane z ogniw fotowoltaicznych wykonanych z półprzewodnikowych materiałów, najczęściej z krzemu. Kiedy promienie słoneczne, padają na ogniwo fotowoltaiczne, fotony (jednostki światła) wybijają elektrony z ich pozycji w atomach krzemu, co generuje przepływ ładunków elektrycznych. Tak powstaje prąd stały, który następnie zostaje przekształcony w prąd przemienny za pomocą inwertera (falownika), wykorzystywany do zasilania urządzeń w domu czy w firmie.

Gdy wiesz już, jak panele przekształcają światło w energię, poznaj działanie samych ogniw fotowoltaicznych.

Jak działa ogniwo fotowoltaiczne w panelach słonecznych?

Pojedynczy panel fotowoltaiczny to połączone ze sobą ogniwa. Każde ogniwo fotowoltaiczne składa się z dwóch warstw materiału półprzewodnikowego, który odpowiada za zjawisko fotowoltaiczne. Istotą struktury ogniwa jest tzw. złącze P-N, czyli połączenie dwóch warstw półprzewodnika o różnym typie przewodnictwa: warstwy P (z dodatkowymi ładunkami dodatnimi – „dziurami” po elektronach) i warstwy N (z dodatkowymi ładunkami ujemnymi – elektronami).

Kiedy fotony padają na ogniwo, półprzewodnik absorbuje energię promieniowania słonecznego. To powoduje, że elektrony w warstwie N zostają wybite z ich pozycji i przemieszczają się w kierunku warstwy P. Proces ten prowadzi do powstania różnicy potencjałów elektrycznych między obiema warstwami. Tym samym dochodzi do generowania prądu stałego, który następnie musi być przekształcony w prąd zmienny. Aby zrozumieć ten proces jeszcze dokładniej, warto przyjrzeć się zjawiskom fizycznym, które odgrywają w nim kluczową rolę.

Jakie zjawiska fizyczne zachodzą w procesie generacji prądu przez panele fotowoltaiczne?

Działanie paneli fotowoltaicznych opiera się na kilku zjawiskach fizycznych, które wspólnie pozwalają na wytworzenie energii elektrycznej ze światła słonecznego.

Pierwszym z tych zjawisk jest absorpcja światła, czyli proces, w którym fotony uderzające w ogniwo fotowoltaiczne przekazują swoją energię elektronom w półprzewodniku. To właśnie ta energia pozwala elektronom oderwać się od atomów i zacząć swobodnie poruszać się w materiale.

Drugim zjawiskiem jest generacja pary elektron-dziura. Kiedy dochodzi do zerwania wiązania kowalencyjnego, elektron opuszcza swoją pozycję, zostawiając za sobą „dziurę”. Pary elektron-dziura są następnie rozdzielane dzięki polu elektrycznemu, które jest wytwarzane w złączu P-N. Elektrony są kierowane w stronę warstwy N, a dziury – do warstwy P.

Ponadto zachodzi zjawisko przewodnictwa elektrycznego, które umożliwia przepływ elektronów. Dzieje się to pod wpływem światła i umożliwia generowanie prądu elektrycznego w ogniwach fotowoltaicznych.

Omówione zjawiska fizyczne zachodzą dzięki wykorzystaniu odpowiednich materiałów do produkcji ogniw fotowoltaicznych, dlatego warto je poznać.

Jakie materiały są stosowane w produkcji ogniw fotowoltaicznych i dlaczego?

Podstawowym materiałem stosowanym do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem, którego używa się w ok. 95% paneli fotowoltaicznych dostępnych na rynku. Choć występuje on w kilku formach, najczęściej używane są krzem monokrystaliczny i polikrystaliczny. Krzem monokrystaliczny charakteryzuje się jednorodnym rozmieszczeniem atomów w materiale, co pozwala na lepsze przewodnictwo elektronów. Dlatego panele monokrystaliczne są bardziej wydajne. Z kolei krzem polikrystaliczny, choć mniej wydajny, jest łatwiejszy i tańszy w produkcji. Dlatego też panele polikrystaliczne są tańsze, ale ich efektywność jest mniejsza.

Czasami zamiast krzemu stosuje się także inne pierwiastki, np. selen lub german. Oprócz tego coraz więcej mówi się o zastosowaniu perowskitów – nowej generacji materiałów fotowoltaicznych, które mogą znacznie zwiększyć efektywność energetyczną ogniw oraz obniżyć koszty produkcji. Obecnie trwają prace nad komercjalizacją tej technologii, która ma sprawić, że panele słoneczne będą generować jeszcze więcej energii.

Zastosowanie odpowiednich materiałów jest ważne, ale dla sprawnego wykorzystania instalacji fotowoltaicznej niezbędna jest jej współpraca z siecią energetyczną.

Jak panele fotowoltaiczne współpracują z siecią energetyczną?

Kiedy produkcja prądu przewyższa potrzeby energetyczne domu lub firmy, panele fotowoltaiczne mogą współpracować z siecią w celu zagospodarowania nadwyżki. Warunek jest jeden – instalacja fotowoltaiczna jest do niej podłączona. Niezbędne jest także zamontowanie licznika dwukierunkowego, który mierzy ilość energii zarówno pobieranej z sieci publicznej, jak i do niej oddawanej.

Licznik dwukierunkowy pozwala na wykorzystanie metody rozliczenia nazywanej net-meteringiem. W tym systemie oddawane do sieci elektroenergetycznej nadwyżki energii są zliczane, a tzw. prosument (właściciel instalacji fotowoltaicznej) może je „odebrać”, gdy zapotrzebowanie na energię przekracza jego własną produkcję. Osoby, które zdecydowały się na instalację fotowoltaiczną do końca marca 2022 roku, będą mogły korzystać z tego systemu rozliczeń do 2037 roku. W Polsce net-metering pozwala na odebranie 70% lub 80% oddanych do sieci nadwyżek, w zależności od wielkości instalacji.

Właściciele instalacji fotowoltaicznych montowanych po 1 kwietnia 2022 roku korzystają z net-billingu. W tym przypadku wartość oddanego prądu do sieci energetycznej jest przeliczana na wartość pieniężną według aktualnie obowiązujących cen giełdowych. Wartość sprzedanej energii obniża natomiast rachunki za pobór prądu. Odpowiednia moc instalacji fotowoltaicznej pozwala je znacząco zredukować.

To, czy instalacja fotowoltaiczna będzie w stanie produkować nadwyżki prądu, zależy m.in. od jej wydajności. Sprawdź, co na nią wpływa.

Jakie czynniki wpływają na efektywność działania paneli fotowoltaicznych?

Na efektywność działania paneli fotowoltaicznych wpływa wiele czynników, z których najważniejsze to: kąt nachylenia paneli, nasłonecznienie, temperatura, zacienienie oraz konserwacja.

Najwięcej energii produkują panele ustawione pod optymalnym kątem względem słońca. Wynika to z tego, że ogniwa pracują z pełną wydajnością, gdy kąt padania promieni słonecznych jest równy 90°. W Polsce za optymalne dla maksymalnej produkcji energii przez cały rok uważa się nachylenie paneli fotowoltaicznych pod kątem 30-40°.

Oczywiście im więcej bezpośredniego nasłonecznienia, tym więcej energii może zostać wyprodukowane, dlatego instalacja fotowoltaiczna powinna być zamontowana z dala od cienia. Ważne jest to, aby na moduły fotowoltaiczne nie padał cień kominów, okolicznych budynków czy drzew.

Ważnym czynnikiem jest również temperatura. Jeśli jest za wysoka, może to prowadzić do przegrzewania i obniżenia wydajności paneli PV. Dlatego instalacja musi być zamontowana w taki sposób, aby możliwa była cyrkulacja powietrza.

Trzeba pamiętać też o konserwacji paneli. Jeśli chcesz wydajnie produkować własny ekologiczny prąd, regularnie usuwaj gromadzące się na nich zanieczyszczenia. Kontroluj także instalacje fotowoltaiczne pod kątem prawidłowości pracy.