Jak działa fotowoltaika, czyli jak się robi prąd ze słońca?

W dzisiejszych czasach nie sposób praktycznie wybrać się pod miasto, na wieś lub inny obszar z zabudową jednorodzinną i nie zobaczyć na dachach lub przy domach paneli fotowoltaicznych. Zajmują one też duże obszary nieużytków rolnych. Ale czy wszyscy prosumenci wiedzą jak działa fotowoltaika? Jeśli Ty także nie do końca jesteś pewien swojej wiedzy w tym zakresie, nie wiesz, jak działa fotowoltaika albo chciałbyś ugruntować posiadane informacje, to dobrze trafiłeś.

W poniższym wpisie dowiesz się o:

– ogólnej budowie paneli fotowoltaicznych,

– komponentach systemu PV dla domu,

– przemianie energii słonecznej (promieniowania słonecznego) w prąd,

– sposobach łączenia paneli (szeregowo, równolegle).

Ogólna budowa paneli fotowoltaicznych

Przyglądając się z bliska panelowi fotowoltaicznemu (powszechnie zwanemu panelem PV), można dojść do wniosku, że jego budowa jest tylko odrobinę bardziej  skomplikowana niż konstrukcja cepa.  I tak jest w rzeczywistości (producenci paneli i konstruktorzy – proszę się nie obrażać za takie porównanie). Standardowy panel z grubowarstwowego krzemu składa się z następujących elementów:

– ogniw fotowoltaicznych z krzemu połączonych w stringi (tzw. sznury)

– folii EVA nalepionej po obu stronach ogniw

– szyby hartowanej chroniącej panel przed warunkami zewnętrznymi

– przewodów łączących ogniwa zwanych szynoprzewodami lub bus barami

– aluminiowej ramki

Komponenty systemu PV dla domu

Sam panel to nie wszystko. Żeby ze słońca mógł powstać prąd, do naszego układu musimy dodać kilka innych niezbędnych elementów. Zaliczamy do nich:

– inwerter

Mózg naszego systemu. To on decyduje: co, gdzie, i czy w ogóle. Jeśli z jakichś przyczyn mimo obecności słońca na niebie nie wysyłasz prądu do sieci lub dla własnych potrzeb, to problem może tkwić właśnie w inwerterze. Jego głównym zadaniem jest przemiana napięcia stałego (DC), wytwarzanego przez panele, w napięcie przemienne (AC), wykorzystywane w sieci,

– okablowanie

Musi spełniać dość wyśrubowane wymagania, zważywszy, że przyjdzie mu pracować w niekorzystnych warunkach (wilgoć, wysoka temperatura, promieniowanie UV) przez długość życia przeciętnej instalacji PV – czyli pewnie 20 lat. Ewentualna wymiana okablowania często będzie się wiązać z demontażem i powtórnym montażem części lub całości systemu (pamiętajmy, że kable w instalacjach dachowych są ułożone w ciasnych przestrzeniach między dachem a panelami). Kable do instalacji PV różnią się budową od standardowych kabli, z jakimi mamy do czynienia na co dzień. Ich średnica jest większa dzięki zastosowaniu ocynkowanej linki miedzianej pokrytej znacznie grubszą izolacją niż „domowe” kable,

– uziemienie

stanowi ochronę instalacji, nas samych oraz domu, na którym założyliśmy fotowoltaikę. Słyszałeś kiedyś o pożarach budynków spowodowanych przez PV? Ich właściciele z pewnością przyoszczędzili na uziemieniu. Jak mówi stare przysłowie: „Chytry dwa razy traci” 🙁 Z zasady uziemieniu podlegają elementy metalowe instalacji, czyli konstrukcje wsporcze i ramki paneli. Bez zabezpieczenia na tych elementach mogą pojawić się prądy pasożytnicze i ładunki elektrostatyczne. Chronimy się też przed przepięciami i potencjalnym  uszkodzeniem całej instalacji. Dlatego pamiętaj – przy montażu fotowoltaiki nie zapomnij o uziemieniu. Jego koszty nie są ogromne, a dzięki niemu będziesz mógł spokojnie zasnąć ;),

– konstrukcja montażowa

Nie bierze co prawda udziału w wytwarzaniu energii, ale jest niezbędna do bezpiecznego przytwierdzenia instalacji do dachu lub ziemi,

– licznik dwukierunkowy

Dokonuje pomiaru zarówno energii pobieranej przez odbiorcę, jak i oddawanej do sieci.

Przemiana energii promieniowania słonecznego w prąd

Skoro już wiesz, jak zbudowana jest instalacja fotowoltaiczna, czas odpowiedzieć sobie na pytanie: jak powstaje prąd ze Słońca?

Energia promieniowania słonecznego zostaje zamieniona w energię elektryczną. Odpowiada za to efekt fotowoltaiczny (będący szczególnym przykładem efektu fotoelektrycznego wewnętrznego). W ramach ciekawostki powiem (a raczej napiszę), że za matematyczny opis zjawiska fotoelektrycznego i jego wyjaśnienie Albert Einstein w 1921 r. otrzymał Nagrodę Nobla.

A więc o co chodzi w tym zjawisku? Bez wdawania się w głębokie dysputy fizyczne: pod wpływem promieniowania świetlnego w ciele stałym (w fotowoltaice półprzewodnik zbudowany z domieszkowanego krzemu) powstaje siła elektromotoryczna. Elektrony,  które znajdują się w krzemie zostają wzbudzone, żeby następnie przejść na wyższy poziom energetyczny i zostać wybite. Gdzie? Na kolejną warstwę półprzewodnika i dalej pomiędzy elektrodami tworzącymi półprzewodnik. Jeśli na jednej elektrodzie będziemy mieć więcej elektronów, a na drugiej ich niedomiar (bo przecież ilość elektronów w materiale jest cały czas taka sama), to powstaje różnica potencjałów i zaczyna płynąć prąd elektryczny (stały). I tyle. Tak długo, jak nasz panel znajduje się w zasięgu promieniowania  słonecznego, tak długo będzie płynął prąd.

Współczynnik temperaturowy mocy

Co ciekawe, większe nasłonecznienie wcale nie musi iść w parze z uzyskiwaną z panelu mocą. Promieniowanie słoneczne niesie ze sobą dużą dawkę promieniowania cieplnego. Więc latem na dachu domu może być bardzo gorąco. Natomiast jednym z czynników determinujących pracę panelu fotowoltaicznego jest współczynnik temperatury mocy. Wyznacza się go w trakcie testów laboratoryjnych. Wszelkie parametry podane na panelu (na tabliczce znamionowej) takie,  jak moc maksymalna czy sprawność, są wyznaczane w ściśle kontrolowanych, stałych warunkach – między innymi stała temperatura otoczenia na poziomie 25°C. Każde odchylenie od tej temperatury (czyli w warunkach normalnej pracy panelu) powoduje zmianę mocy. I właśnie o tym informuje nas ten współczynnik – w jaki sposób i o ile zmieni się moc modułu wraz ze zmianą temperatury otoczenia. I wiesz co? Im wyższa temperatura, tym dla uzysku energetycznego gorzej. Czyli lepsze jest silne nasłonecznienie przy niskiej temperaturze, niż przy wysokiej.

Dioda bypass / dioda bocznikująca – Twój cichy sprzymierzeniec

Jak zapewne wiesz, jeśli na panel nie pada promieniowanie , to nie ma produkcji prądu. Sytuacja jest prosta w ujęciu 0-1. Ale co się stanie , jeśli tylko część panelu znajduje się w cieniu? Wbrew pozorom sytuacje tego typu są dość częste. Dochodzi do nich przy: zasłonięciu panelu przez cień konstrukcji budynku lub inny obiekt (stale lub zmiennie w czasie dnia), zaleganiu śniegu lub liści, zabrudzeniu przez ptasie odchody.

Gdybyśmy nie zastosowali diody bypass (lub bardziej po polski diody bocznikującej), to przepływający przez ogniwa prąd nie byłby taki sam. Ogniwa znajdujące się w cieniu zachowują się jak organizmy pasożytnicze i czerpią energię od swoich oświetlonych kolegów. I co robią z tą pobraną energią? Wytracają ją w postaci ciepła. A ogniwa, jak już pisałam, nie lubią przegrzania. Łatwo się wtedy uszkadzają.  Zmieniają się w hot spoty (nie mylić z punktem darmowego dostępu do Internetu), czyli punkty nagrzane nawet do ponad 200°C. Koniec końców prowadzi to do ich przepalenia, co z kolei powoduje obniżenie sprawności całego panelu, a w skrajnych przypadkach nawet do samozapłonu.

I tu z pomocą przychodzi dioda bocznikująca. Montuje się ją w puszce na tyle panelu – bo tam najłatwiej jest ją w razie kłopotów wymienić. Jedna dioda przypada na kilkanaście – kilkadziesiąt ogniw tworzących jeden lub kilka stringów. W momencie zacienienia nawet jednego ogniwa w stringu, dioda odcina całą powiązaną z nim grupę ogniw. Zmniejsza to co prawda produkcję mocy, ale zapewnia bezpieczeństwo dla reszty instalacji. Zgodnie z intuicją:  im więcej diod bypass, tym lepiej. W praktyce montuje się je zwykle wg warunków panujących w docelowym miejscu pracy.

Sposoby łączenia paneli fotowoltaicznych

W energetyce wyróżniamy dwa sposoby połączeń źródeł i odbiorników. Jeśli mamy więcej niż jeden panel, to należy wybrać sposób , w jaki będą one łączone. Poniżej przedstawię Tobie krótką charakterystykę obu typów połączeń oraz wyjaśnię, który stosuje się w fotowoltaice i dlaczego. Zanim jednak do tego przejdziemy, powinieneś wiedzieć, że panele opisywane są dwoma kluczowymi parametrami: prądem wyrażonym w amperach [A] oraz napięciem w woltach [V]. Po wymnożeniu tych parametrów otrzymujemy moc w watach [W]:

Połączenie szeregowe

W tym przypadku łączymy „plus” jednego panelu z „minusem” poprzedniego, tzn. kabel na wyjściu z panelu (minus) łączy się z wejściem drugiego panelu (plus). Prąd pozostaje stały (tzn. ma identyczną wartość) w całym ciągu tak połączonych paneli, natomiast napięcie całego zestawu jest równe sumie napięcia każdego z paneli (patrz powyższy rysunek). Oznacza to, że rozwiązanie takie stosuje się, żeby osiągnąć jak najwyższe wartości napięcia przy niezmiennej wartości prądu. Co nam to daje? Wyższe napięcie = wyższa sprawność = niższe straty. Jest to zasada obowiązująca w całej energetyce. To dlatego linie przesyłowe na dużych odległościach bazują na najwyższych napięciach. I właśnie dlatego połączenia szeregowe wybierane są do zastosowań PV.

Połączenie równoległe

W tym sposobie łączymy wszystkie minusy, a osobno wszystkie plusy do jednego węzła (punktu wspólnego). Dlatego kwestie prądu i napięcia wyglądają tu odwrotnie. Teraz to napięcie dla wszystkich połączonych paneli pozostaje na stałym poziomie, natomiast prąd wyjściowy równa się sumie prądów przepływających przez każdy z paneli (patrz rysunek i wzór powyżej). Efekt jest taki, że łącząc panele równolegle, uzyskujemy większą wartość prądu. Czy jest to korzystne? Nie, ponieważ im wyższe wartości prądu, tym przewody powinny być grubsze i krótsze. Grubsze, żeby wytrzymać takie natężenie, a krótkie, żeby ograniczyć straty przesyłowe.

Łączenie paneli o różnych mocach

Być może teraz zadajesz sobie pytanie: Czy można łączyć panele o różnych mocach szeregowo i równolegle?  Połączyć oczywiście zawsze się da, ale do czego to doprowadzi? Co zyskamy, a co stracimy na takiej operacji? Jeśli w sposób szeregowy połączymy dwa panele o mocy odpowiednio 200 W i 250 W, to będą one pracowały z mocą tego słabszego, czyli sumarycznie uzyskamy 400 W zamiast 450 W. Czyli jest to bardzo niekorzystna sytuacja z punktu widzenia opłacalności. A co z połączeniem równoległym? W tym wypadku możemy łączyć panele. Warto jednak skorzystać z regulatora ładowania PWM.

Pętla indukcyjna w fotowoltaice – zagrożenia

Wcześniej w tym artykule poruszałam dwa zagrożenia, jakie mogą wystąpić w układach fotowoltaicznych (złe uziemienie lub jego brak oraz hot spoty). W tym fragmencie z kolei poruszę istotny aspekt, będący zmorą inwestorów, a mianowicie temat pętli indukcyjnej. Już samo stwierdzenie może budzić przestrach, ale na czym tak naprawdę polega ta pętla indukcyjna i dlaczego stanowi zagrożenie dla instalacji?

Jaka jest przyczyna powstawania pętli? Otóż nieprawidłowy montaż instalacji. Żeby ustrzec się tego zjawiska, należy:

1. poprowadzić kable w odpowiedni sposób, tzn. wzdłuż modułu tak, aby kabel dodatni i ujemny znajdowały się blisko siebie,
2. instalować instalację odgromową – w przypadku wyładowania atmosferycznego w pobliżu instalacji, nadmiar energii zostanie sprowadzony do ziemi, czyli uziemiony,
3. montować ograniczniki przepięć – ich zadaniem jest odcięcie obwodu i ochrona instalacji fotowoltaicznej. Montuje się je w skrzynce rozdzielczej.

Dlatego pamiętaj, żeby inwestując w fotowoltaikę, zlecić jej instalację wykwalifikowanym i doświadczonym monterom lub firmom. Na bezpieczeństwie swoim, swoich bliskich oraz mienia nie warto oszczędzać.

Podsumowanie

Uff! Udało Ci się przebrnąć przez ten dość skomplikowany wpis na temat budowy i działania instalacji fotowoltaicznej. Teraz jesteś już wyposażony w wiedzę, dzięki której będziesz rozumiał podstawowe tajniki tego źródła zielonej energii i zrozumiesz, co mówi do Ciebie sprzedawca PV. Nie dasz się także oszukać i nie przyzwolisz na niedociągnięcia ekipy montażowej.

Czy powyższy artykuł wyczerpał podstawowe tematy dotyczące instalacji PV? Może czegoś w nim zabrakło. Będzie mi bardzo miło, jeśli podzielisz się swoją opinią w komentarzu pod postem.