Zasada działania i budowa ogniw fotowoltaicznych

Coraz częściej stawiają na nie zarówno osoby prywatne, jak i właściciele firm. Nie ma w tym niczego dziwnego – pozwalają na uzyskanie znacznych oszczędności oraz uniezależnienie się od zewnętrznych dostawców prądu. Z tego artykułu dowiesz się, czym są ogniwa fotowoltaiczne, jaka jest ich zasada działania i dlaczego stanowią tak istotny element całej instalacji.

Co to jest ogniwo fotowoltaiczne?

Zanim odpowiedzmy sobie na pytanie, czym są ogniwa fotowoltaiczne, warto wyjaśnić, co to jest fotowoltaika. Mówiąc krótko, jest to dziedzina techniki i nauki zajmująca się przetwarzaniem promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Stanowi jedno z alternatywnych, odnawialnych źródeł energii, które nie stanowi zagrożenia dla środowiska naturalnego i pozwala zyskać spore oszczędności – gospodarstwom domowym, firmom czy instytucjom.

Aby móc czerpać korzyści z fotowoltaiki, niezbędne jest zastosowanie odpowiedniej instalacji, która zostanie zaprojektowana pod kątem indywidualnych potrzeb użytkownika – przede wszystkim jego zapotrzebowania na energię. Jedną z najważniejszych części takiej instalacji jest ogniwo fotowoltaiczne, które stanowi najmniejszy element paneli fotowoltaicznych. Nazywane jest również fotoogniwem i pełni rolę półprzewodnika, który przetwarza energię z promieniowanie słonecznego w prąd, za pomocą którego można oświetlić budynek albo zasilić różnego rodzaju urządzenia.

To właśnie ogniwa fotowoltaiczne odpowiedzialne są za tzw. zjawisko fotowoltaiczne, które odgrywa kluczową rolę w kwestii efektywności działania całego systemu.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Ogniwa fotowoltaiczne tworzone są przede wszystkim z krzemu, selenu oraz germanu, choć najczęściej spotyka się rozwiązania produkowane z tego pierwszego pierwiastka. Wynika to z faktu, że krzem posiada cztery elektrony walencyjne, a im jest ich więcej, tym szybciej i efektywniej zachodzi zjawisko fotoemisji. Często w celu usprawnienia działania ogniw do krzemu dodaje się również wspomniane wyżej pierwiastki.

Jak zbudowane jest ogniwo fotowoltaiczne? Najczęściej posiada ono dwie warstwy półprzewodnika – pierwszą, cieńszą typu n na górze i drugą, grubszą, typu p. Warto zwrócić również uwagę na obecność elektrod ujemnych i dodatnich, a także bariery potencjałów, które oddzielają warstwy fotoogniwa, tworząc złącza p-n.

Klasyczne i najczęściej stosowane ogniwa fotowoltaiczne posiadają wymiary 156×156 mm, choć czasami spotyka się również inne – zwłaszcza w rozwiązaniach najnowszej generacji. Warto dodać, że wyróżniamy trzy rodzaje ogniw fotowoltaicznych – monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz z krzemu amorficznego.

Ogniwa fotowoltaiczne – zasada i schemat działania

Jak działa ogniwo fotowoltaiczne? Pełni ono rolę półprzewodnika i umożliwia przekształcenie światła słonecznego w prąd stały. Jest to możliwe dzięki płytkom krzemowym składającym się ze wspomnianych wcześniej dwóch warstw oraz obszarowi granicznemu, w którym wytwarza się pole elektryczne.

Zasada działania całego systemu nie jest skomplikowana – w momencie, gdy foton, czyli najmniejsza jednostka światła, pada na ogniwo, dochodzi do uwolnienia elektronów oraz ich przemieszczania. W efekcie powstaje napięcie elektryczne, a w obwodzie zaczyna płynąć prąd stały. Oczywiście w takiej formie nie jest on w stanie zasilić urządzeń w budynku, dlatego innym, niezwykle istotnym elementem instalacji fotowoltaicznej jest falownik, którego zadaniem jest zmiana prądu stałego na zmienny.

Parametry mechaniczne i elektryczne ogniw fotowoltaicznych

Decydując się na ogniwa fotowoltaiczne, warto dowiedzieć się, co oznaczają ich parametry. Tych jest całkiem sporo, a do najważniejszych zaliczamy:

• moc w punkcie MPP – moc w punkcie mocy maksymalnej (szczytowej), która jest uzyskiwana w optymalnych warunkach nasłonecznienia;
• moc w NMOT/NOCT, a więc moc, jaką ogniwa osiągają w warunkach zbliżonych do rzeczywistych;
• sprawność modułu, czyli zdolność paneli do wytwarzania energii elektrycznej (im jest ona większa, tym do uzyskania odpowiedniej mocy wystarczy mniejsza powierzchnia paneli);
• temperaturę ogniw przy pracy znamionowej – temperaturę, jaką panel słoneczny osiągnie w warunkach zbliżonych do normalnych warunków eksploatacyjnych;
• roczny spadek mocy, który określa to, o ile procent moc paneli zmniejszać się będzie każdego roku (im jest on niższy, tym oczywiście lepiej);
• współczynnik temperaturowy określający, jaką moc panele osiągają w konkretnych temperaturach.

Oczywiście to tylko najważniejsze parametry ogniw – jeżeli chcesz poznać więcej i dowiedzieć się, jakie jest ich znaczenie, skontaktuj się z naszymi specjalistami, którzy odpowiedzą na wszystkie Twoje pytania i rozwieją wszelkie wątpliwości.

Wydajność instalacji w ogniwach fotowoltaicznych

Wydajność instalacji może być różna w zależności od rodzaju oraz ilości zastosowanych ogniw fotowoltaicznych. Parametry oferowanych instalacji, które podawane są przez producentów, odnoszą się do standardowych warunków pracy – mowa tutaj o mocy promieniowania słonecznego na poziomie 1000 W/m2, temperaturze 25°C i prędkości wiatru 1,5 m/s. Dzięki temu łatwo jest porównać wydajność rozwiązań i tym samym wybrać te najlepsze, które spełnią oczekiwania użytkownika.

W polskich warunkach przyjmuje się najczęściej, że instalacja o mocy 1kWp pozwala na wytworzenie 900-980 kWh energii elektrycznej.

Sprawność macierzy ogniwa fotowoltaicznego

Największy wpływ na wydajność całej instalacji fotowoltaicznej ma sprawność macierzy, czyli panelu słonecznego. Sprawność to stosunek ilości energii uzyskiwanej na wyjściu instalacji do energii promieniowania słonecznego, które pada na panele. Warto więc zwrócić na tę kwestię szczególną uwagę.

Gdzie powstaje energia elektryczna ze słońca?

Energia elektryczna ze słońca powstaje w ogniwach fotowoltaicznych – warto jednak pamiętać o tym, że generują one prąd stały.

Jak energia elektryczna ze słońca trafia do naszych gniazdek?

Aby móc wykorzystać energię generowaną przez panele fotowoltaiczne do zasilania urządzeń, niezbędne jest przekształcenie prądu stałego w prąd zmienny – odpowiada za to falownik (inwerter), który jest równie istotnym elementem systemu fotowoltaicznego. To dzięki niemu energia może trafić bezpośrednio do gniazdka elektrycznego i zostać wykorzystana w dowolny sposób przez użytkowników.

Co dzieje się z niewykorzystaną energią?

Instalacje fotowoltaiczne projektuje się w taki sposób, aby dostarczały odpowiednią ilość energii, dostosowaną do potrzeb użytkowników budynku. Niekiedy jednak dochodzi do nadwyżek energii, dlatego też polecanym rozwiązaniem jest instalacja typu on-grid.

Zostaje ona podłączona do zewnętrznej sieci energetycznej, a właściciel podpisuje umowę z firmą – w ten sposób niewykorzystany prąd zostaje odprowadzony do sieci, a Ty możesz skorzystać z niego w późniejszym czasie, kiedy będzie Ci to potrzebne.

Nowe rozwiązania technologiczne w zakresie ogniw fotowoltaicznych

W nowoczesnych ogniwach fotowoltaicznych korzysta się z wielu innowacyjnych rozwiązań, które podnoszą ich sprawność. Wykorzystuje się w tym celu np. zmienione kształty ogniw. Co więcej, do dyspozycji inwestorów są także:

• ogniwa cienkowarstwowe, zaliczane do 2. generacji, w których do podniesienia wydajności systemu wykorzystuje się np. tellurek kadmu albo miedź, ind, gal oraz selen;
• ogniwa barwnikowe, zaliczane do 3. generacji, w których za wymuszanie ruchu elektronu odpowiada nie krzem, ale specjalny barwnik;
• ogniwa organiczne, które zbudowane są z cząsteczek bazujących na węglu;
• ogniwa w technologii PERC – nie tylko absorbują energię fotonu z przedniej ścianki, ale również tylnej ścianki modułu.

Zalety stosowania ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne należą do najlepszych sposobów pozyskiwania energii, a do ich najważniejszych zalet zaliczamy:

• skuteczność w zakresie generowania energii elektrycznej – istnieje możliwość zastosowania zarówno niewielkich systemów dla 2-3-osobowych rodzin, jak też rozbudowanych instalacji, które zasilać będą w energię np. duże obiekty przemysłowe;
• bardzo dużą wytrzymałość – panele fotowoltaiczne są trwałe, a ich żywotność określa się na co najmniej 25-30 lat;
• oszczędność – inwestując w nie, uniezależniasz się od zewnętrznych dostawców prądu i możesz zmniejszyć rachunki za prąd nawet o kilka tysięcy złotych rocznie;
• ekologiczność – w przeciwieństwie do tradycyjnych źródeł energii, panele słoneczne nie szkodzą środowisku naturalnemu;
• możliwość dostosowania systemu do różnych warunków – łatwo zamontować je zarówno na dachu, jak i gruncie.

Zachęcamy do postawienia na odnawialne źródła energii i kontaktu z naszymi specjalistami – doradzimy Ci najlepsze rozwiązanie i zamontujemy je we wskazanym przez Ciebie miejscu.