Jak powstaje prąd ze słońca, czyli w jaki sposób działa fotowoltaika?

Rosnące ceny prądu w naszym kraju skłaniają wielu konsumentów do rozważenia produkcji energii elektrycznej we własnym zakresie, korzystając z odnawialnych źródeł energii. Jednym z najpopularniejszych sposobów na obniżenie rachunków za prąd jest zamontowanie na dachu swego budynku paneli fotowoltaicznych. Instalacja fotowoltaiczna wytwarza darmowy prąd pochodzący z energii słonecznej. W jaki jednak sposób panele wytwarzają energię elektryczną?

Ogniwa fotowoltaiczne – budowa

Energia słoneczna docierająca do powierzchni Ziemi jest wysokoenergetycznym źródłem idealnym do wykorzystania jako odnawialne źródła energii. Konwersja energii słonecznej na energię elektryczną dokonywana jest wewnątrz ogniwa.

Ogniwo wykonane jest z najczęściej z krzemu. Krzem jest półprzewodnikiem, czyli materiałem, którego przewodność zależy od wielu czynników i można ją kształtować, by uzyskać żądane parametry. Jednym ze sposobów kształtowania przewodności krzemu jest jego domieszkowanie – zastępowanie niektórych atomów krzemu atomami innych pierwiastków. Stosuje się pierwiastki z grupy III i V układu okresowego, które posiadają odpowiednio jeden mniej lub jeden więcej elektron na ostatniej powłoce odpowiadającej za łączenie się atomów między sobą. Ponieważ czysty krzem wykorzystuje wszystkie swoje elektrony do wzajemnego połączenia, dodanie atomu posiadającego dodatkowy elektron (na przykład fosforu z grupy V) powoduje powstanie wiązania z jednym swobodnym elektronem oraz dodatnim jonem fosforu- półprzewodnika typu n. Użycie domieszki pierwiastka z grupy III (np. boru) prowadzi do niedoboru jednego elektronu w wiązaniach, czyli tzw. dziury oraz powstaniem ujemnego jonu boru. Taki półprzewodnika nazywany jest typem p.

Ogniwa fotowoltaiczne to najczęściej ogniwa krzemowe wyposażone w złącze p n. Połączenie materiału półprzewodnikowego, w którym po jednej stronie znajduje się nadmiar wolnych elektronów, a w drugim nadmiar dziur (ładunków dodatnich) powoduje powstanie prądu dyfuzyjnego, czyli przepływu ładunków pomiędzy materiałami, by wyrównać ich ilość po dwóch stronach – elektrony zapełniają miejsca dziur. Przepływ ładunków pozostawia dodatnio naładowane jony fosforu i ujemnie naładowane jony boru po obu stronach złącza tworząc barierę potencjału niepozwalającą na dalszy przepływ ładunków większościowych.

Kiedy na złącze p n pada światło słoneczne, dostarczana jest do niego energia w postaci fotonów. Jeśli ich energia jest wystarczająco duża, powstaje zjawisko fotowoltaiczne. Fotony wybijają elektrony z ich podstawowego stanu poprzez dodanie im energii. Elektrony oddzielają się od dziur i zaczynają przemieszczać w przeciwne strony tworząc napięcie pomiędzy dwoma stronami złącza. W ten sposób efekt fotowoltaiczny występujący w materiale półprzewodnikowym powoduje powstanie prądu ze słońca.

Same ogniwa, oprócz materiału półprzewodnikowego, posiadają z obu stron złącza metalowe elektrody, które odprowadzają nagromadzony ładunek poza ogniwa. Pokryte są również powłoką antyrefleksyjną, by jak największa ilość światła słonecznego docierała do półprzewodnika, a produkcja energii była jak najwyższa. W ogniwach fotowoltaicznych w dużej mierze stosuje się krzem typu p z napyloną cienką powierzchnią typu n. Dzisiejsze instalacje fotowoltaiczne korzystają głównie z takiego typu ogniw ze względu na efektywność kosztową, jednak coraz częściej przygląda się technologiom opartym na półprzewodnikach typu n ze względu na ich mniejszy spadek sprawności w początkowych tygodniach pracy oraz mniejszą wrażliwość na zanieczyszczenia w krzemie.

Panele fotowoltaiczne

Panele fotowoltaiczne (inaczej moduły fotowoltaiczne) są to połączone szeregowo ogniwa umieszczone w dużej mierze w ramce aluminiowej i pokryte z jednej strony hartowaną szybą ochronną. Rozwój fotowoltaiki umożliwił również stworzenie paneli cienkowarstwowych, często pozbawionych ramki oraz modułów szyba-szyba. Stosuje się również inne materiały półprzewodnikowe niż krzem oraz modyfikuje sposoby połączenia ogniw ze sobą. Moc nominalna ogniw zależy między innymi od ich rozmiaru, czystości i rodzaju zastosowanego półprzewodnika oraz sposobu doprowadzenia elektrod (bus barów).

Przetwarzanie energii elektrycznej

Panele wytwarzają prąd stały. Energia elektryczna zależy bezpośrednio od natężenia promieniowania słonecznego. Im więcej promieni słonecznych pada na panel fotowoltaiczny, tym większą mamy energię elektryczną wyprodukowaną przez panele słoneczne w danych warunkach pogodowych. Sprawność paneli fotowoltaicznych, czyli stosunek energii elektrycznej wyprodukowanej przez moduł do energii słonecznej na niego padającej, zależy od wielu czynników i maleje wraz z czasem użytkowania. Obecnie najpopularniejsze panele z krzemu monokrystalicznego posiadają sprawność około 20%. Tańsze jednostki osiągają sprawność 14-18%.

Panele słoneczne łączy się szeregowo w ciągi, tzw. stringi, a następnie wprowadza do inwertera, popularnie zwanego falownikiem. Zadaniem falownika jest przekształcenie prądu stałego na prąd zmienny drogą elektroniczną. Dokonywane jest to za pomocą mostka H składającego się z tranzystorów działających jak przełączniki, które załączają się parami cyklicznie z bardzo dużą częstotliwością. Powstaje układ impulsów o różnej długości trwania, który uśredniony w czasie modulowany jest w sinusoidę o częstotliwości 50Hz, czyli prądzie zmiennym zgodnym z prądem sieciowym. Dodatkowo stosowane są filtry, które po stronie prądu zmiennego wygładzają przebieg sinusoidy.

Falowniki wyposażone są w szereg innych układów elektronicznych wspomagających przetwarzanie energii elektrycznej. Prąd stały wpływający do falownika, dzięki kondensatorom, ma stabilizowane napięcie, którego wielkość jest podwyższana, by możliwe było wytworzenie prądu zmiennego. Istotnym układem w falowniku jest moduł śledzenia punktu mocy maksymalnej MPPT. Produkcja energii elektrycznej pochodzącej z promieniowania słonecznego zależy od wartości natężenia i napięcia prądu, jaką zjawisko fotowoltaiczne zachodzące w ogniwach jest w stanie wytworzyć. Moc prądu definiuje się jako iloczyn natężenia i napięcia. Promienie słoneczne padające na panele dostarczają różną ilość energii słonecznej, a zatem zmienia się wartość napięcia i natężenia prądu wytworzonego przez ogniwa. Zmiana natężenia prądu jest prawie liniowo zależna od promieniowania słonecznego, natomiast napięcie zmienia się w niewielkim zakresie. Istnieje taka kombinacja tych dwóch parametrów, dla której ich iloczyn jest największy przy danych warunkach nasłonecznienia. Instalacja fotowoltaiczna korzystająca z MPPT obciąża moduły tak, by uzyskać optymalną wartość napięcia i natężenia prądu w danej chwili. Dzięki temu energia słoneczna jest wykorzystywana w maksymalnym stopniu.

Dlaczego warto produkować własną energię elektryczną?

Skoro wiemy już w jaki sposób powstaje prąd ze słońca, pozostaje pytanie do czego przydaje się własna instalacja fotowoltaiczna. Oczywistym wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego jest wytwarzanie energii na potrzeby własne.

Prąd elektryczny stał się jednym z podstawowych dóbr dzisiejszych czasów. Codzienne zużycie energii elektrycznej, zarówno w warunkach domowych, firmowych jak i przemysłowych jest bardzo duże i będzie się zwiększać wraz z dalszym rozwojem technologii i zwiększaniem poziomu życia. Jednocześnie ceny energii elektrycznej stale rosną, a miesięczne rachunki stają się niebotycznie wysokie. Fotowoltaika jest inwestycją, która zwraca się już w kilka lat i powoduje znaczne obniżenie rachunków za prąd, bądź nawet całkowity brak takich opłat.

W dobie kryzysu klimatycznego, jednym z coraz popularniejszych sposobów ogrzewania pomieszczeń jest pompa ciepła. Jest to źródło ekologiczne, jednak energia elektryczna konieczna do właściwej jej pracy jest bardzo duża. Powszechnym jest więc stwierdzenie, że pompa ciepła oraz instalacja fotowoltaiczna to nieodłączni partnerzy. Przy takim komplecie uzyskujemy energię cieplną nie tylko w sposób czysty, ale i tani w eksploatacji. Energię słoneczną można również wykorzystać do podgrzewania wody.

W przydomowych instalacjach fotowoltaicznych coraz bardziej popularne staje się również magazynowanie energii elektrycznej pochodzącej ze światła słonecznego. Skorzystanie z akumulatorów pozwala na zwiększenie wykorzystania instalacji fotowoltaicznej. W czasie wiosenno-letnim, kiedy panele produkują największą ilość energii, większość prądu ze słońca jest oddawana do sieci, przez co tracimy część zysków. Magazynowanie energii elektrycznej pozwala na jej zużycie w późniejszym czasie, np. w nocy. Instalacja korzystająca z magazynów energii przydaje się również w miejscach do których nie została doprowadzona sieć elektryczna, takich jak tereny wysokogórskie czy domki letniskowe.

Produkcja prądu poprzez energię słoneczną jest przyszłością energetyki. Panele fotowoltaiczne są ogólnodostępne, a ich jakość i sprawność są coraz wyższe. Możliwość przetwarzania energii słonecznej jest niezwykłym osiągnięciem człowieka stosowanym nie tylko na Ziemi, ale i w kosmosie. Zainstaluj fotowoltaikę i ciesz się z niezależności energetycznej. Promieniowanie słoneczne nie zniknie jeszcze przez kilka miliardów lat, czego nie można powiedzieć o innych źródłach energii nieodnawialnej.

Jeśli chcesz uzyskać darmowy prąd pochodzący ze słońca, nasz doradca energetyczny odpowie na wszystkie pytania oraz pomoże dobrać instalację fotowoltaiczną pokrywającą Twoje obecne i przyszłe zapotrzebowanie na energię.