Co to jest instalacja fotowoltaiczna i w jaki sposób działa?
Odkąd ludzie odkryli, jak wiele pożytku mogą mieć z prądu elektrycznego, poszukiwali sposobu na jego możliwie najprostsze i najtańsze wytwarzanie. W miarę, jak zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrastało, oczywista stała się także konieczność znalezienia ekologicznej metody jej pozyskiwania. Stopniowo bowiem zaczęły się kurczyć nieodnawialne źródła energii (np. wciąż najpowszechniej używany w Polsce węgiel). Naukowcy zbadali też, że ich stosowanie w energetyce ma zgubny wpływ na środowisko naturalne. Nowoczesne technologie pozwoliły na stworzenie systemów przekształcania w prąd elektryczny energii wiatru, wody czy światła słonecznego. W oparciu o ostatnie z wymienionych źródeł działają instalacje fotowoltaiczne.
Czym jest fotowoltaika?
Fotowoltaika to termin utworzony z greckiego słowa phōs, oznaczającego światło, oraz nazwy jednostki napięcia elektrycznego – wolta. Odnosi się on do dziedziny nauki i techniki, która zajmuje się przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną. Fotowoltaiką nazywa się także proces wytwarzania prądu z energii słonecznej za pośrednictwem przystosowanych do tego celu instalacji fotowoltaicznej.
Na rozwój fotowotaiki wpłynęło bardzo wiele odkryć naukowych. Uznaje się jednak, że pierwszą osobą, która zaobserwowała zjawisko zmiany energii słonecznej w elektryczną, był francuski fizyk Antoine Becquerel. Wydarzenie to miało miejsce już w 1839 roku, ale dopiero 115 lat później, w amerykańskiej siedzibie Bell Laboratories, Gerald Pearson, Daryl Chapin i Calvin Fuller stworzyli pierwszy panel fotowoltaiczny. Co ciekawe, swój udział w jego powstaniu miał także Polak Jan Czochralski. Naukowiec w 1918 roku wynalazł metodę produkcji krzemu monokrystalicznego, który stał się podstawowym surowcem do budowy ogniw fotowoltaicznych.
Pierwsze panele fotowoltaiczne były mało wydajne, a ich produkcja i instalacja – bardzo droga. Wykorzystanie instalacji fotowoltaicznych w gospodarstwach domowych czy średniej wielkości przedsiębiorstwach stało się opłacalne dopiero z początkiem XXI wieku. Od tamtej pory cena paneli sukcesywnie spada (obecnie są prawie sto razy tańsze niż pół wieku temu), a energię można pozyskiwać z nich w pełni zautomatyzowanych procesach. Fotowoltaika zyskała szeroki wachlarz możliwości zastosowania, a przede wszystkim stała się najczystszą, najmniej inwazyjną dla środowiska formą pozyskiwania energii elektrycznej. Obecnie w Unii Europejskiej udział systemów fotowoltaicznych w produkcji prądu wynosi około 4% i wzrasta z roku na rok. W Polsce z energii słonecznej pozyskuje się już 7% energii elektrycznej.
Budowa ogniwa fotowoltaicznego i efekt fotowoltaiczny
Najważniejszą częścią instalacji fotowoltaicznej są panele zbudowane z krzemowych ogniw fotowoltaicznych. To właśnie w tych modułach energia słoneczna przetwarzana jest na energię elektryczną. Zjawisko to jest wynikiem zmiany właściwości elektrycznych półprzewodnika, jakim jest krzem, pod wpływem światła słonecznego. Promienie słońca są bowiem strumieniem fotonów, które „zderzając się” z elektronami znajdującymi się w ogniwie fotowoltaicznym, przekazują im swoją energię. W ten sposób inicjują reakcję fizyczną, której efektem jest powstanie prądu elektrycznego.
Stanowiąca zasadniczy element ogniwa fotowoltaicznego płytka krzemowa zbudowana jest z:
- warstwy typu n (od angielskiego słowa negative), skierowanej w stronę światła słonecznego,
- warstwy typu p (od angielskiego słowa positive), skierowanej ku dołowi,
- tzw. bariery potencjału, izolującej od siebie warstwy n i p.
Warstwa typu n domieszkowana jest ujemnie (np. fosforem), co sprawia, że znajduje się w niej nadmiar elektronów. Warstwę typu p domieszkuje się dodatnio (np. borem), co skutkuje niedoborem elektronów. W efekcie pomiędzy warstwami powstaje różnica potencjałów. Kiedy światło pada na ogniwo fotowoltaiczne, energia fotonów uwalnia dodatkowe elektrony w warstwie n. Po zamknięciu obwodu pomiędzy odizolowanymi warstwami, wolne elektrony przemieszczają się w stronę warstwy p. Innymi słowy – w obwodzie płynie prąd. Jego natężenie zależy od natężenia promieniowania słonecznego, a także powierzchni ogniwa fotowoltaicznego.
Domowe urządzenia nie mogą bezpośrednio skorzystać z wyprodukowanej energii, ponieważ w efekcie fotowoltaicznym powstaje prąd stały. Co więcej, moc pojedynczego ogniwa wynosi około 4-5 W przy napięciu zaledwie 0,5 V. Dlatego instalacja fotowoltaiczna skonstruowana jest tak, by uzyskaną energię przekształcić w prąd zmienny o napięciu 230 V – taki, jaki płynie w domowych obwodach elektrycznych.
Rodzaje instalacji fotowoltaicznych
Budowa instalacji fotowoltaicznej związana jest z jej typem. Wyróżnia się:
- systemy on-grid – zintegrowane z zewnętrzną siecią energetyczną,
- systemy off-grid (wyspowe) – nieprzyłączone do sieci energetycznej,
- systemy hybrydowe – przyłączone do sieci publicznej, ale wyposażone we własny magazyn energii.
Systemy fotowoltaiczne on-grid są najczęściej wybieranym rodzajem instalacji, głównie ze względu na relatywnie niską cenę. Pozwalają one na kierowanie nadwyżek wyprodukowanej energii do sieci publicznej i korzystanie z niej w sytuacji, gdy instalacja użytkownika nie jest w stanie zaspokoić jego zapotrzebowania na prąd (np. w nocy lub w okresie zimowym).
Systemy fotowoltaiczne off-grid, w obrębie których istnieje możliwość magazynowania nadwyżek prądu do późniejszego wykorzystania, wiążą się z większymi kosztami inwestycyjnymi. Są jednak całkowicie niezależne od sieci dystrybucyjnej. Warto instalować je w miejscach, w których dostęp do publicznej sieci jest utrudniony lub niemożliwy. Systemy off-grid przydają się także tam, gdzie zdarzają się częste, niespodziewane przerwy w dostawach prądu.
Instalacje fotowoltaiczne hybrydowe łączą zalety systemów on-grid i off-grid. Mimo, że obecnie stanowią najdroższe rozwiązań, cieszą się coraz większym zainteresowaniem użytkowników.
Z czego składa się i jak działa instalacja fotowoltaiczna?
Podstawowymi elementami instalacji fotowoltaicznej są:
- panele fotowoltaiczne,
- konstrukcja wsporcza,
- falownik (zwany też inwerterem),
- licznik dwukierunkowy lub/i akumulator.
Ogniwa (moduły) fotowoltaiczne łączy się w panele, aby wytwarzały pożądaną ilość energii. Na pojedynczy panel składa się zwykle około 40-80 ogniw. Instalacji paneli fotowoltaicznych dokonuje się na dachu budynku (najlepiej od południowej strony) lub na dobrze nasłonecznionym gruncie. Ich liczbę określa się przede wszystkim pod kątem zapotrzebowania na prąd w danym obiekcie.
Panele fotowoltaiczne mocowane są na specjalnej konstrukcji wsporczej. Niekiedy taki system montażowy może nawet umożliwiać zmianę pozycji poszczególnych paneli. Dzięki temu o każdej porze dnia wychwytują maksymalną ilość promieniowania słonecznego.
Prąd stały z paneli fotowoltaicznych trafia do kluczowego elementu instalacji – falownika. Przekształca on prąd stały w prąd zmienny, dostosowując go do parametrów sieci elektrycznej w danym budynku. Falowniki mają zwykle wbudowaną funkcję monitoringu produkcji prądu i jego zużycia, dzięki której użytkownicy mogą z łatwością śledzić działanie całej instalacji.
Jeśli instalacja fotowoltaiczna połączona jest z siecią energetyczną, w jej obrębie musi działać licznik dwukierunkowy. Dokonuje on pomiarów przepływu prądu z domowej instalacji do sieci publicznej i odwrotnie. W zależności od potrzeb, wykorzystuje się liczniki jedno- lub trójfazowe. W przypadku instalacji off-grid, nadmiar energii gromadzony jest w akumulatorze z regulatorem ładowania.
Niezbędnymi częściami systemu fotowoltaicznego są zabezpieczenia przeciwnapięciowe, które chronią sieć przed przepięciami czy wyładowaniami atmosferycznymi. Całości instalacji dopełnia odpowiednie okablowanie.
Bilans energii elektrycznej w instalacji fotowoltaicznej
Instalacje fotowoltaiczne funkcjonujące w systemie on-grid pozwalają na współdziałanie sieci lokalnej z publiczną. Dzięki temu nadmiar energii wygenerowanej w gospodarstwie domowym czy w firmie może zasilić inne obiekty. Jeśli zaś użytkownik w danym momencie potrzebuje więcej prądu, niż jego instalacja jest w stanie wyprodukować, może pobrać go z sieci energetycznej.
Wyżej opisana procedura ta odbywa się w zgodzie z polską ustawą o Odnawialnych Źródłach Energii (OZE). Podmiot (osoba fizyczna lub firma), który jest jednocześnie odbiorcą i producentem energii elektrycznej, nazywany jest prosumentem. Jego rozliczenia z siecią publiczną nie wiążą się z koniecznością posiadania własnej działalności gospodarczej. Mają one charakter bezgotówkowy i odbywają się w oparciu o wskazania licznika dwukierunkowego.
Instalacja fotowoltaiczna typu on-grid jest opłacalnym rozwiązaniem, ponieważ uniezależnia użytkownika od zmiennych cen prądu. Prosument może skorzystać z nadwyżek wyprodukowanej energii w ciągu roku od chwili wprowadzenia ich do sieci energetycznej. Na mocy ustawy OZE, za każdą 1 kWh, która trafi do publicznego obiegu, odebrać można odpowiednio:
- 0,8 kWh w przypadku instalacji do 10 kW,
- 0,7 kWh w przypadku instalacji do 50 kW.
Prosument ponosi więc pewną stratę z tytułu kosztów obsługi obrotu energią elektryczną, ale nie musi inwestować w akumulator do jej gromadzenia w sieci lokalnej.
Ile kosztuje założenie instalacji fotowoltaicznej?
Instalacja fotowoltaiczna to inwestycja średnioterminowa (zwykle zwraca się po około 8-10 latach), ale praktycznie zawsze opłacalna, zwłaszcza w obliczu ciągłego wzrostu cen prądu. Koszt instalacji zwraca się dlatego, że z jej wykorzystaniem można nawet całkowicie uniknąć płacenia rachunków za energię elektryczną.
Cena instalacji fotowoltaicznej zależy od wielu czynników:
- zapotrzebowania na energię elektryczną w danym obiekcie,
- warunków atmosferycznych na danym terenie,
- liczby i jakości wykorzystanych paneli fotowoltaicznych (ogniwa polikrystaliczne są tańsze od monokrystalicznych, ale mniej wydajne),
- miejsca montażu paneli (stopień nasłonecznienia wpływa na ich wydajność – znaczenie może mieć tu np. kąt nachylenia dachu),
- kosztów związanych z transportem i montażem.
Koszt instalacji systemu fotowoltaicznego obniżyć mogą rozmaite ulgi i dofinansowania. Należą do nich np.:
- ministerialny program „Mój Prąd” (przeznaczony wyłącznie dla użytkowników prywatnych), w ramach którego można uzyskać jednorazową, bezzwrotną dotację w kwocie 5000 zł,
- ulga termomodernizacyjna, która (zarówno osobom fizycznym, jak i przedsiębiorcom, będącym właścicielami modernizowanych budynków), pozwala na odliczenie od podatku kosztów realizowanych przedsięwzięć termomodernizacyjnych do kwoty 53 000 zł.
Jak określić niezbędną moc instalacji fotowoltaicznej przed jej montażem?
Montaż instalacji fotowoltaicznej jest najbardziej opłacalny wówczas, gdy może ona dostarczyć dokładnie tyle prądu, ile potrzeba go w danym budynku. Jeśli moc lokalnego systemu nie pokryje w całości zapotrzebowania użytkowników, zmuszeni oni będą w pewnym stopniu nadal korzystać z usług zewnętrznego dostawcy i płacić rachunki za prąd. Z kolei, gdy instalacja generować będzie znaczne nadwyżki prądu, część wyprodukowanej energii zostanie – zgodnie z zasadami rozliczeń określonymi w ustawie OZE – utracona (20-30%, w zależności od mocy instalacji). Za stratę należy wówczas uznać także zbyt wysoką inwestycję. Dlatego dobór mocy systemu wytwarzania energii słonecznej jest niezwykle istotną kwestią.
Niezbędną moc instalacji stosunkowo łatwo obliczyć, jeśli planowana jest w użytkowanym już obiekcie, a właściciel jest w stanie określić roczne zużycie prądu na podstawie rachunków za energię elektryczną. Przyjmuje się, że w przeciętnych polskich warunkach nasłonecznienia na każde 1000 kWh wykorzystywanej w ciągu roku energii powinno przypaść 1,25 kWp mocy instalacji fotowoltaicznej. Dla nowych budynków moc paneli wylicza się w oparciu o planowane zapotrzebowanie na energię elektryczną. W każdym przypadku szczegółowe wyliczenia najlepiej powierzyć specjaliście reprezentującemu firmę, która ma się zająć montażem systemu fotowoltaicznego.
Jakie warunki należy spełnić, by skorzystać z instalacji fotowoltaicznej?
Systemy fotowoltaiczne mogą działać skutecznie niemal w każdych warunkach. Przeszkodą bywa zbyt małe nasłonecznienie dachu budynku (bez możliwości poprawy tego stanu rzeczy), jego zły stan techniczny czy brak miejsca na instalację paneli fotowoltaicznych. W takiej sytuacji jednak konstrukcję można zamontować na gruncie.
Fotowoltaika nie wymaga specjalnych parametrów instalacji elektrycznej. Jeśli jest ona w dobrym stanie, nie trzeba jej modyfikować przed planowaną inwestycją w energię słoneczną. W nowych budynkach warto zaprojektować instalację elektryczną pod kątem fotowoltaiki. W tej kwestii pomocą również służą profesjonaliści.
Jeśli chodzi o kwestie prawne, montażu instalacji fotowoltaicznej nie trzeba poprzedzać uzyskaniem jakichkolwiek zezwoleń, o ile jej moc nie będzie przekraczać 50 kWp. W przypadku instalacji o mocy większej niż 6,5 kWp konieczne jest jedynie spełnienie standardów bezpieczeństwa. Należy uzgodnić je z rzeczoznawcą do spraw zabezpieczeń, przeciwpożarowych.
Obsługa instalacji fotowoltaicznej
Instalacja fotowoltaiczna działa praktycznie bezobsługowo, zachowując wysoką sprawność przez około 25-30 lat. Szacuje się, że po tym okresie panele mogą nadal funkcjonować na poziomie około 80% swojej pierwotnej wydajności. System fotowoltaiczny jest odporny na awarie. Nie potrzebuje okresowego serwisowania ani wymiany eksploatowanych elementów.
Nie ma konieczności regularnego mycia czy odśnieżania paneli fotowoltaicznych. Można oczyścić je co pewien czas (nie częściej niż raz do roku), by zmaksymalizować ich wydajność, ale nie należy robić tego samodzielnie. Bez odpowiedniej wiedzy i profesjonalnego sprzętu panele łatwo uszkodzić, więc konserwację należy powierzyć specjalistom.
Rolą użytkownika instalacji fotowoltaicznej jest monitorowanie jej pracy (co można zrobić z łatwością z użyciem aplikacji na komputer lub telefon). Pozwala to na oszacowanie wydajności całego systemu w obliczu zmiennych okoliczności (np. wzrostu zapotrzebowania na energię w związku z przyłączeniem nowego urządzenia) i wprowadzanie ewentualnych korekt (np. zamontowanie dodatkowego panelu). Dzięki temu instalacja fotowoltaiczna może zachować maksymalną efektywność.
