Co to jest fotowoltaika i jak działa?

Co to jest fotowoltaika i dlaczego rośnie jej popularność? 

Głównym źródłem energii elektrycznej w Polsce są elektrownie węglowe. Wykorzystuje się w nich ograniczone zasoby węgla, a im bardziej będą się one kurczyły, tym dotkliwsze będą podwyżki cen prądu. Dodatkowym ciosem dla paliw kopalnych są ceny uprawnień do emisji CO2, które stają się coraz większą częścią kosztów energii. Wyjaśnia to coraz większe zainteresowanie Odnawialnymi Źródłami Energii (w skrócie OZE), które korzystają z surowców odnawialnych.

Elementem OZE jest właśnie fotowoltaika, a więc nic innego jak gałąź nauki, która łączy wytwarzanie energii elektrycznej i promieniowanie słoneczne. Osoby, które posiadają instalację fotowoltaiczną, mogą produkować własny ekologiczny prąd i dodatkowo oszczędzać.

Instalacja fotowoltaiczna 

Na instalację fotowoltaiczną składa się kilka elementów, które sprawiają, że zielona energia trafia do naszych gniazdek: 

• Panele fotowoltaiczne lub panele słoneczne – składają się z ogniw fotowoltaicznych, w których zachodzi zjawisko fotowoltaiczne. 
• Licznik dwukierunkowy – mierzy przepływ prądu i umożliwia rozliczenie ilości wyprodukowanej przez nas energii i tej pobranej. 
• Falownik – jego zadaniem jest przekształcenie prądu stałego (produkowanego przez panele fotowoltaiczne) na prąd zmienny, a więc taki, który wykorzystujemy w naszych domach.‍
• Okablowanie instalacji PV – przewody i złącza odgrywają dużą rolę w poprawnej pracy fotowoltaiki. Muszą być odporne na warunki atmosferyczne, niskie i wysokie temperatury, a także przepięcia. Od ich jakości zależy bezpieczeństwo całej instalacji.‍
• Stelaż – panele PV mocowane są do konstrukcji, która pozwala na ustawienie ich pod optymalnym kątem ok. 30-40°. W przypadku konstrukcji gruntowych oraz tych na dach płaski są to duże stelaże, utrzymujące moduły w konkretnej pozycji. Na dachach skośnych stosuje się natomiast szyny i uchwyty montażowe.

‍

Efekt fotowoltaiczny, czyli jak powstaje energia ze słońca

Wspomniane wcześniej ogniwa fotowoltaiczne pełnią bardzo istotną funkcję w procesie przemiany promieniowania słonecznego na prąd. Efekt fotowoltaiczny polega na powstawaniu siły elektromotorycznej pod wpływem promieniowania świetlnego.

W przydomowych instalacjach najczęściej używa się ogniw zbudowanych z krzemu, w którym wzbudzane są i wybijane elektrony. Różnica potencjałów pomiędzy elektrodami pozwala uzyskać prąd stały. Nowością technologiczną w branży OZE są perowskity, czyli minerały o szerokim zastosowaniu. Jak twierdzi polska fizyk dr Olga Marcinkiewicz, fenomen perowskitów polega na tym, że można je nadrukowywać na przezroczystą folię.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

• Krzem monokrystaliczny – ma bardzo uporządkowaną strukturę wewnętrzną, która zapewnia bardzo wysoką sprawność. Oznacza to, że kupując instalację zbudowaną z tego materiału, możemy liczyć na przetworzenie największej ilości promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Należy jednak pamiętać, że przekłada się to na jego wyższą cenę. 
• Krzem polikrystaliczny – posiada większą ilość wad niż krzem monokrystaliczny. Jego sprawność jest nadal dość wysoka, a cena niższa. 

Wybierając panele fotowoltaiczne warto sprawdzić ich moc jednostkową, wyrażaną w watach (Wp). Na rynku dostępne są moduły o różnej mocy - od 280 Wp do nawet 600 Wp. Wybór paneli o wyższej mocy jednostkowej pozwala zainstalować mniejszą liczbę modułów przy zachowaniu tej samej mocy całkowitej instalacji, co jest szczególnie istotne przy ograniczonej powierzchni montażowej.

Przy planowaniu warto zwrócić uwagę nie tylko na moc, ale także na wymiary fizyczne paneli. Muszą one być dopasowane do dostępnej powierzchni montażowej i możliwości konstrukcyjnych dachu czy gruntu.

Teraz możemy zastanowić się nad tym jak działają panele fotowoltaiczne i jaką rolę pełni efekt fotowoltaiczny. W dużym skrócie: jest to fizyczny proces, podczas którego w ogniwie fotowoltaicznym powstaje prąd stały. Dzieje się to za sprawą światła słonecznego, które pada na panele. Właśnie dlatego tak ważne jest ustawienie paneli słonecznych w odpowiednim miejscu.

Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej o fotowoltaice, zastanawiasz się nad montażem – zapraszamy do kontaktu. Chcąc za darmo wycenić instalację, możesz skorzystać również z listy ofert firm fotowoltaicznych.

Jak działa fotowoltaika – schemat

1. Światło słoneczne pada na ogniwa fotowoltaiczne, z których zbudowane są panele.
2. Zachodzi zjawisko fotowoltaiczne, a więc światło słoneczne przekształcane jest w prąd stały. Sprawność zjawiska zależy od struktury ogniwa fotowoltaicznego, miejsca, w którym są panele i warunków atmosferycznych. 
3. Prąd stały zamieniany jest w falowniku na prąd zmienny. 
4. Prąd zmienny płynie do naszych gniazdek i zasila sprzęty domowe. 
5. W przypadku wyprodukowania zbyt dużej ilości energii płynie ona do sieci elektrycznej, a prosument może później skorzystać z jej 70-80% (net-metering) lub skorzystać ze zgromadzonego depozytu (net-billing). Jeżeli ilość wyprodukowanej energii jest zbyt mała, prąd pobierany jest z sieci. Żeby ilość produkowanego prądu była odpowiednia, w trakcie planowania montażu należy obliczyć moc instalacji fotowoltaicznej. 

Jak obliczyć zapotrzebowanie na energię elektryczną z paneli?

Moc mikroinstalacji fotowoltaicznej określa się najczęściej w kWp (kilo watt peak). Jest to jednostka uwzględniająca zmienność produkcji energii w ciągu doby oraz w różnych porach roku. Określa, jaką wydajność jest w stanie uzyskać instalacja w tzw. standardowych warunkach pomiarowych.

Aby obliczyć zapotrzebowanie na energię z fotowoltaiki, trzeba znać zużycie prądu w gospodarstwie. Przyjmuje się, że na 1000 kWh zużycia prądu rocznie powinno przypaść 1,25 kWp mocy instalacji. Jeśli więc zużywamy rocznie 3000 kWh energii elektrycznej, potrzebujemy instalacji o mocy ok. 3,75 kWp. Szczegółowe informacje znajdziesz w naszym artykule na temat obliczania mocy fotowoltaiki.

Jak wyliczyć wielkość instalacji fotowoltaicznej?

Aby jednak skutecznie obliczyć wielkość instalacji fotowoltaicznej, trzeba wziąć pod uwagę kilka rzeczy. Pierwsza z nich to średnie zużycie roczne energii. Opieranie się na rachunkach z jednego miesiąca lub nawet z kwartału będzie nieskuteczne, bowiem zużycie prądu w ciągu roku jest różne – zwłaszcza jeśli korzystamy z klimatyzacji czy pompy ciepła.

Dodatkowo trzeba uwzględnić wszelkie warunki, które mogą wpłynąć na uzysk prądu z instalacji. Najważniejsze czynniki to:

• kąt ustawienia paneli,
• kierunek ekspozycji paneli (najefektywniejsze jest skierowanie ich na południe),
• nasłonecznienie w danym miejscu,
• zacienienie paneli.

Wszystko to wpływa na wydajność instalacji, a zatem i na uzysk prądu z danej mocy. Podczas planowania wielkości fotowoltaiki warto też uwzględnić wymianę urządzeń na elektryczne, np. na płytę indykcyjną, pompę ciepła czy elektryczny samochód.

Warto także przewidzieć możliwość rozbudowy instalacji fotowoltaicznej w przyszłości. Planując instalację, dobrze jest uwzględnić dodatkowe miejsce na panele oraz wybrać falownik o nieco większej mocy niż początkowo potrzebna, co umożliwi późniejsze dokładanie kolejnych modułów bez konieczności wymiany całego systemu.

Jakie są konsekwencja niepoprawnie dobranej wielkości instalacji?

Zarówno zbyt duża, jak i zbyt mała instalacja PV w gospodarstwie domowym może przynieść pewne straty. Zbyt mała moc paneli fotowoltaicznych sprawi, że wyprodukowana energia nie wystarczy do pokrycia zapotrzebowania.

Instalacja o zbyt dużej mocy będzie natomiast nieopłacalna. Nie dość, że rośnie już sam kosz inwestycji, to na dodatek przeskalowana instalacja generuje straty. Niewykorzystywana energia jest bowiem oddawana do sieci, gdzie następnie rozlicza się ją ilościowo (net-metering) lub wartościowo (net-billing). W pierwszym przypadku przy odbiorze tracimy 20-30% oddanej energii (w zależności od wielkości instalacji), a w drugim – nawet do 80% oddanej energii, której nie wykorzystamy w ramach depozytu pieniężnego.

Jak montować panele fotowoltaiczne?

W przypadku domów jednorodzinnych panele fotowoltaiczne montowane są zazwyczaj na dachu. Mocuje się je do więźby dachowej za pomocą specjalnych szyn i uchwytów. To niedrogie rozwiązanie, bo nie wymaga rozbudowanych stelaży, dodatkowo pozwala naturalnie ustawić moduły pod właściwym kątem.

Warto jednak pamiętać, że nie każdy ma możliwość zamontowania fotowoltaiki na dachu skośnym. Przeszkodą mogą być m.in. obiekty zacieniające dach, niewłaściwy kształt dachu czy zbyt mała pochyłość. Alternatywne sposoby montażu paneli to:

• Montaż na gruncie – stelaże gruntowe do fotowoltaiki pozwalają zamontować panele w niemal dowolnym miejscu. Taka konstrukcja zajmuje część działki, ale umożliwia ustawienie paneli na południe, niezależnie od pozycji domu. Plusem jest też łatwość mycia i odśnieżania modułów.
• Montaż na dachu płaskim – specjalnych konstrukcji wsporczych wymagają także instalacje na dachach płaskich. Przyjmuje się, że minimalna pochyłość dachu to 15°, więc wszelkie wartości poniżej wymagają zastosowania stelaża. Stelaż ten może być mocowany do dachu inwazyjnie lub nieinwazyjnie (np. za pomocą betonowych bloczków).
• Montaż fotowoltaiki na trackerach – największą wydajność mają panele fotowoltaiczne na trackerach, czyli obrotowych konstrukcjach podążających za słońcem. Taki system pozwala zwiększyć uzysk nawet o 30%. Wadą rozwiązania jest oczywiście wysoka cena.
• Montaż na balkonie – ciekawym miejscem na moduły PV jest także... balkonowa balustrada! Balkonowe zestawy fotowoltaiczne to idealne rozwiązanie dla mieszkańców budynków wielorodzinnych, np. bloków lub kamienic.

Przeczytaj więcej na temat montażu paneli fotowoltaicznych i dowiedz się, jakie są wady oraz zalety poszczególnych rozwiązań.

Jak dbać o bezpieczeństwo instalacji fotowoltaicznej?

By korzystanie z fotowoltaiki było bezpieczne, kluczowa jest ochrona przeciwporażeniowa oraz przeciwpożarowa. Instalacje PV są częścią składową instalacji elektrycznych, dlatego należy zadbać o to, by wszystkie elementy były prawidłowo podłączone. Czasami zastosowanie niskiej jakości złączy lub przewodów może generować niepotrzebne niebezpieczeństwo.

Trzeba też pamiętać o tym, że wpływ na bezpieczeństwo instalacji ma nie tylko jakość podzespołów, ale i sam montaż. Przyczyną pożaru lub zwarcia może być chociażby nieprawidłowe poprowadzenie okablowania lub przytwierdzenie przewodów za pomocą topliwych opasek samozaciskowych.

Należy więc zadbać o kompatybilność wszystkich elementów i poprawne ich zamocowanie. Fotowoltaika musi mieć także zabezpieczenia po stronie DC i AC, a także poprawnie wykonane uziemienie. Nie zapominajmy przy okazji o wykonaniu pomiarów elektrycznych po wykonaniu instalacji oraz o regularnych przeglądach okresowych.

Regularna konserwacja i serwisowanie instalacji fotowoltaicznej są niezbędne do jej efektywnego i bezpiecznego funkcjonowania. Zaleca się przeprowadzanie przeglądu technicznego przynajmniej raz w roku przez wykwalifikowanego specjalistę. Serwis powinien obejmować:

• kontrolę wszystkich połączeń elektrycznych,
• sprawdzenie stanu paneli (w tym czyszczenie powierzchni z zabrudzeń),
• weryfikację parametrów pracy falownika,
• oraz testowanie zabezpieczeń.

Warto również monitorować wydajność instalacji – nagły spadek produkcji energii może sygnalizować awarię wymagającą natychmiastowej interwencji serwisowej.

Mycie paneli fotowoltaicznych to element utrzymania instalacji wpływający bezpośrednio na jej wydajność. Zabrudzenia, kurz, pyłki roślin czy ptasie odchody mogą zmniejszyć produkcję energii nawet o 25-30%. W lokalizacjach o niskim poziomie zanieczyszczeń wystarczy naturalne czyszczenie przez deszcz, natomiast w obszarach bardziej zanieczyszczonych zaleca się mycie paneli 2-3 razy w roku.

Jakie są możliwości finansowania instalacji fotowoltaicznej?

Inwestycja w fotowoltaikę to bardzo duży wydatek, dlatego warto skorzystać z atrakcyjnych opcji dofinansowania. W 2024 dostępnych jest w Polsce wiele programów rządowych, które pozwalają uzyskać środki na inwestycję w OZE lub przynajmniej odpis od podatku dochodowego.

Najpopularniejsze programy dofinansowań instalacji fotowoltaicznej w Polsce to:

• Mój Prąd,
• Ulga termomodernizacyjna,
• Agroenergia,
• Czyste Powietrze,
• Energia Plus,
• Energia dla wsi,
• Programy regionalne.

Jeśli chcesz pozyskać środki na własną mikroinstalację fotwoltaiczną, przeczytaj nasz artykuł o programach dofinansowań. Dowiesz się z nich, ile dopłaty można zyskać, a także komu przysługują. Zmniejszenie kosztów instalacji fotowoltaicznej jest naprawdę łatwe!