Co to jest fotowoltaika? Nazywamy w ten sposób proces przemiany darmowego światła słonecznego w prąd elektryczny. Technologia umożliwiająca przeprowadzenie takiego procesu, czyli instalacje fotowoltaiczne rozwija się w taj chwili bardzo dynamicznie, praktycznie każdy może wyjść naprzeciw degradacji środowiska naturalnego i wysokim rachunkom za prąd. Co wypada wiedzieć, zanim podejmie się decyzję?
Jak to się dzieje?
Zamiana światła słońca w prąd odbywa się etapami. Podstawowym elementem instalacji są ogniwa fotowoltaiczne, połączone w moduły. Zjawisko fotowoltaiczne, czyli przemiana energii światła słonecznego w prąd stały zachodzi właśnie w ogniwach. Są one zbudowane z materiału półprzewodnikowego, przewodzącego ładunki elektryczne w wyniku oddziaływania czynników zewnętrznych takich jak temperatura lub promieniowanie. Najczęściej wykorzystywanym półprzewodnikiem jeśli chodzi o instalacje fotowoltaiczne Szczecin jest krzem. Kilka modułów zasilających jeden falownik tworzy panel fotowoltaiczny, który montuje się na gruncie, ścianie (elewacji) budynku albo na odpowiednio przygotowanej konstrukcji zapewniającej stabilność instalacji.
Prąd ściśle dopasowany do potrzeb
Śledząc proces fotowoltaiczny można zauważyć, ze prąd wygenerowany w modułach zostaje przekazany do falownika. Tu następuje przekształcenie prądu stałego na zmienny o parametrach zgodnych z domowymi gniazdkami elektrycznymi. Mówiąc inaczej, falownik na bieżąco dopasowuje parametry wytworzonego prądu do sieci domowej, monitoruje też parametry użyteczne do analizy pracy instalacji, a w razie wykrycia jakiejkolwiek awarii – automatycznie się wyłącza.
Prąd już jest, a co z nadwyżkami?
Od zakładu energetycznego, w którym nasza instalacja zostaje zgłoszona (przez nas, albo przez wykonawcę) dostajemy licznik dwukierunkowy, który zlicza wartość prądu wyprodukowanego przez naszą instalację oraz prądu pobranego z sieci energetycznej. Po co nam taki licznik? Otóż może się zdarzyć, że prądu z naszej elektrowni słonecznej będzie za mało, albo za dużo w stosunku do zapotrzebowania. Nadmiary przekazywane są do sieci, w zamian można odebrać w chudszym okresie 80 procent tego, cośmy oddali – tak działa system upustów dla prosumentów, czyli osób wytwarzających energię na użytek własny. W sytuacji, gdy swojego zapotrzebowania nie uda się pokryć wykorzystując wytworzony prąd, różnica zostaje wyrównana energią z sieci w stosunku 1:1.
Z czego zbudowane są ogniwa
Ogniwa fotowoltaiczne produkuje się z krzemu. Pierwiastek ten jest półprzewodnikiem, czyli pod wpływem energii zamienia się z izolatora w przewodnik. Ze względu na rodzaj struktury krystalicznej krzemu wyróżniamy różne odmiany ogniw. Pierwsza odmiana to ogniwa monokrystaliczne z krzemu o bardzo uporządkowanej strukturze – mają one najwyższą efektywność przetwarzania światła słońca w prąd. Sprawność modułu monokrystalicznego to zwykle wartość między 15 a 19 procent. Co to oznacza? Że w prąd zostaje przekształcone od 15 do 19 procent promieniowania słonecznego padającego na jeden metr kwadratowy ogniwa.
Mniej uporządkowaną strukturę mają ogniwa polikrystaliczne, czyli druga odmiana. Tu sprawność modułów to nieco niższy przedział, czyli 14-16 procent. Trzeci typ to ogniwa amorficzne, gdzie krzem nie ma postaci kryształu. Sprawność tych modułów to od 9 do 14 procent. Jeśli chodzi o Szczecin, mamy trend taki jak w innych częściach kraju – panele monokrystaliczne i polikrystaliczne ze względu na wysoką sprawność są popularne w instalacjach dachowych i ogrodowych, czy czym te pierwsze zawsze wypadają znacznie drożej.
Panele – budowa i parametry
Pojedyncze ogniwa pv to moc od kilkudziesięciu miliwatów do kilku watów. Z jednego ogniwa nie zasilimy się więc urządzeń większych niż np. kalkulator. By uzyskać więcej energii, ogniwa łączy się w moduły, laminuje specjalnymi foliami i osadza w aluminiowej ramie pokrywając taflą szkła hartowanego. Konstrukcja taka ma zagwarantowaną trwałość i ochronę przed uszkodzeniami mechanicznymi (np. od gradobicia). Kolejnym elementem jest puszka przyłączeniowa z kablami, która „sprzęga” ze sobą kilka modułów. Tak połączone moduły tworzą panel fotowoltaiczny.
Wszystkie panele fotowoltaiczne charakteryzują się parametrami elektrycznymi i mechanicznymi, co definiuje warunki ich pracy i sposób montażu. Parametry te znajdują się w karcie katalogowej oraz na tabliczce znamionowej z tyłu każdego panelu. Do mechanicznych zalicza się wymiary, wytrzymałość i wagę modułów. Porównując moduły o tej samej mocy dąży się do wyboru jak najmniejszych oraz jak najlżejszych rozwiązań. Dzięki temu łatwiej będzie rozplanować panele fotowoltaiczne np. na dachu a także zabezpieczyć ten dach przed zbytnim obciążeniem.
Ile zniesie bateria słoneczna?
Wytrzymałość mechaniczna wskazuje na maksymalną wartość obciążenia modułu (np. śniegiem, albo podmuchami wiatru). Ciężar pokrywy śnieżnej symuluje się obciążając panel od przodu, zaś badanie naporu wiatru symuluje się obciążając panel od tyłu. Przyjmuje się, że optymalna wytrzymałość paneli pv to 5400 Pa od przodu i 2400 Pa od tyłu. Co to oznacza? Że ani wiatr o prędkości 130 km/h ani metr świeżego śniegu nie powinny uszkodzić paneli. Warto pamiętać, że porównując oferty instalacji fotowoltaicznych lepiej unikać paneli o parametrach gorszych niż wspomniane 5400/2400 Pa.
Co oznacza ten parametr
Parametry elektryczne paneli zależą od warunków atmosferycznych charakterystycznych dla danego klimatu i mikroklimatu – wilgotności powietrza, natężenia promieniowania słonecznego, prędkości wiatru, temperatury, zanieczyszczenia atmosfery. Jak można się domyślić instalacje fotowoltaiczne w Szczecinie mają kondycję zależną od natężenia smogu, wilgotności i temperatury warunkowanych obecnością rzeki oraz wietrznej pogody utrzymującej się przez większość sezonu. By moc porównywać produkty pochodzące od różnych marek przyjęło się testować panele w określonych warunkach laboratoryjnych, gdzie temperaturę panelu pv utrzymuje się na poziomie 25 stopni Celsjusza a promieniowanie słoneczne w natężeniu 1000 W/m2. Moc paneli zbadana w takich standaryzowanych warunkach testowych (STC) nazywana jest mocą MPP, z angielskiego – Maximum Power Point. Skoro jesteśmy przy mocy maksymalnej, warto wspomnieć także o tolerancji mocy panelu fotowoltaicznego. Parametr ten określa o ile wynik mocy maksymalnej danego panelu może się różnić w warunkach laboratoryjnych. Jeśli wartości tolerancji są dodatnie, panele mogą osiągnąć większą moc, niż podana przez producenta. Natomiast ujemnej wartości tolerancji mocy należy unikać, ponieważ bardzo możliwe, że ich osiągi zostały zawyżone.
Wskaźniki a decyzje
Trzeba pamiętać, że warunki atmosferyczne rzadko są takie jak parametry w laboratoriach – Szczecin w kontekście instalacji fotowoltaicznych jest tego znakomitym przykładem. W związku z tym poza mocą maksymalną w kartach katalogowych producenci podają również wartość NOCT (ang. Normal Operating Cell Temperature) odpowiadającą mocy jaką panele pv osiągają w warunkach zbliżonych do naszych warunków domowych czyli przy promieniowaniu 800 W/m2, temperaturze panelu 45°C i prędkości wiatru 1 m/s. Uważa się, że im bardziej wartość NOCT jest bliższa MPP tym lepiej.
Kolejne parametry związane są z temperaturą osiąganą przez panele podczas pracy, czyli temperaturowy współczynnik mocy i temperatura w warunkach NOCT. Pierwszy wskaźnik mówi nam o ile procent zmniejsza się moc panelu ze wzrostem temperatury o każdy 1 stopień w stosunku do temperatury z warunków testowych (25 stopni C). Drugi parametr natomiast podaje temperaturę jaką panel osiągnie w warunkach najbardziej zbliżonych do rzeczywistych. Jakie panele wybierać w tym kontekście? Takie, dla których temperaturowy współczynnik mocy jest zbliżony do zera, a temperatura modułu w NOCT będzie mniejsza lub równa 45 stopni C.
