Czym są instalacje fotowoltaiczne i jak działają?
Fotowoltaika jest technologią pozyskiwania energii odnawialnej, która za pomocą instalacji fotowoltaicznych przekształca energię słoneczną w prąd elektryczny. Takie instalacje, znane również jako panele słoneczne, są niezawodnym, sprawnym ekonomicznie oraz ekologicznym rozwiązaniem kwestii związanych z zasilaniem prądem elektrycznym.
System fotowoltaiczny to zrównoważona, wymagająca minimalnej konserwacji opcja dla każdego, kto chce zaoszczędzić na stale drożejącym prądzie pozyskiwanym z tradycyjnych źródeł i przyczynić się do poprawy stanu środowiska naturalnego.
Instalacje fotowoltaiczne za pomocą paneli fotowoltaicznych (będącym zespołem ogniw solarnych) pozyskują energię ze Słońca zamieniając promieniowanie świetlne w prąd elektryczny stały wykorzystując zjawisko zwane efektem fotowoltaicznym. Padające na powierzchnię ogniw promienie słoneczne wzbudzają elektrony obecne w krysztale krzemu. W następstwie tego przechodzą one na wyższy poziom energetyczny i zostają wybite. Skutkiem przemieszczania elektronów pomiędzy elektrodami jest powstanie różnicy potencjałów, a tym samym prądu elektrycznego stałego .
Następnym etapem jest przepływ energii w postaci prądu stałego do inwertera (inaczej falownika), w którym prąd stały przekształcany jest w prąd zmienny – postać energii umożliwiająca zasilanie domowych urządzeń elektrycznych.
Rodzaje instalacji fotowoltaicznych
W zależności od rodzaju instalacji solarnej, a w zasadzie metody magazynowania pozyskanej ze Słońca energii, systemy dzielimy na trzy podstawowe rodzaje: sieciowe, off-gridowe i hybrydowe.
1. Instalacja fotowoltaiczna sieciowa – on-grid.
Sieciowa instalacja fotowoltaiczna jest najczęściej użytkowanym typem systemów solarnych w Polsce. Wykorzystuje standardowy inwerter sieciowy i nie posiada żadnego akumulatora. Jest to idealne rozwiązanie dla klientów, których domy są już podłączone do zewnętrznej sieci energetycznej, a którzy pragną również pozyskiwać energię słoneczną. Tego typu instalacje są proste w projektowaniu i bardzo ekonomiczne, ponieważ składa się na nie niewiele komponentów. Głównym celem systemu on-grid jest obniżenie rachunków za energię i korzystanie z zielonej energii.
Domowe urządzenia elektryczne w pierwszej kolejności korzystają z energii wytworzonej przez panele słoneczne. Jeśli energii tej jest zbyt mało, niedobór prądu pobierany jest z zewnętrznej sięci energetycznej. Jeśli zaś fotowoltaika wytwarza więcej energii niż wynosi aktualne zapotrzebowanie, jej nadmiar odprowadzany jest do zewnętrznej sieci energetycznej. W rozwiązaniu on-grid domowa instalacja elektryczna nie jest zależna od energii słonecznej.
Instalacja sieciowa on-grid ma również wadę. Gdy energia elektryczna z jakichś powodów przestaje być dostarczana przez zakład energetyczny, wtedy również instalacja solarna zostaje automatycznie wyłączona. Dzieje się tak ze względów bezpieczeństwa. Celem tego zabiegu jest ochrona zdrowia i życia osób pracujących przy zewnętrznej sieci energetycznej operatora. W przypadku zaniku prądu w zewnętrznej sieci inwertery podłączone do sieci muszą być automatycznie odłączane. Oznacza to, że nie można zapewnić zasilania podczas przerwy w dostawie prądu lub w sytuacji awaryjnej.
2. Instalacja fotowoltaiczna off-grid.
Instalacje solarne off-grid to idealne rozwiązanie w przypadku, gdy występują trudności z podłączeniem instalacji do zewnętrznej sieci energetycznej. Problemy tego typu mogą wynikać z problematycznego położenia geograficznego lub wysokich kosztów doprowadzenia zasilania. Należy pamiętać jednak, że w większości przypadków, gdy możliwe jest przyłączenie instalacji do zewnętrznej sieci, zastosowanie rozwiązania off-grid nie ma większego sensu.
Zaletą systemu fotowoltaicznego off-grid jest zapewnienie niezależności i samowystarczalności energetycznej i możliwość zasilenia w energię lokalizacji odległych, niedostępnych dla standardowej sieci energetycznej. Ogromną zaletą są również stałe koszty energii i całkowity brak rachunków za zużycie energii elektrycznej. Korzystną cechą rozwiązania ogg-grid jest również modularność. Z łatwością można zwiększyć ich wydajność takiej instalacji w miarę wzrostu potrzeb energetycznych.
Warto jednak zdawać sobie sprawę z tego, że osiągnięcie bezpieczeństwa energetycznego off-grid możliwe jest tylko w przypadku zdublowania źródeł energii. Większość systemów off-grid zawiera wiele źródeł ładowania: słońce, wiatr, generator. Przy projektowaniu systemu off-grid należy uwzględnić również całoroczne warunki pogodowe. Jeśli moduły fotowoltaiczne (panele) będą pokryte śniegiem, za utrzymanie naładowania baterii akumulatorów musi odpowiadać alternatywny system zasilania. Inną wadą tego rozwiązania jest większa ilość komponentów niezbędna do prawidłowego funkcjonowania, a co za tym idzie, wyższa cena wynikająca w głównej mierze z kosztów nabycia i użytkowania akumulatorów.
3. Instalacja hybrydowa – sieciowa z podtrzymaniem bateryjnym.
Trzecim z najczęściej występujących typów instalacji wotowoltaicznych jest model hybrydowy łączący możliwość pobierania i przesyłania energii do zewnętrznej sieci energetycznej oraz magazynowania energii w bateriach akumulatorów. Ten typ systemu jest idealny dla odbiorców, których instalacje są już podłączone do zewnętrznej sieci energetycznej, a którzy chcą być po prostu przygotowani na przerwy w dostawie prądu.
Instalacja hybrydowa zapewnia niskie ceny energii wraz z bezpieczeństwem energetycznym w postaci braku przerw w zasilaniu spowodowanych np. awarią zewnętrznego dostawcy.
Z jakich elementów składa się instalacja fotowoltaiczna
Instalacja fotowoltaiczna zbudowana jest zwykle z kilku podstawowych podzespołów: baterii paneli fotowoltaicznych, falownika, licznika mediów i sieci elektrycznej oraz opcjonalnie regulatora ładowania i baterii akumulatorów (w przypadku rozwiązania off-grid lub hybrydowego). Decydujące znaczenie dla sprawności, wydajności i niezawodności tych komponentów ma prawidłowy projekt i instalacja.
1. Panele fotowoltaiczne.
Układ fotowoltaiczny składa się z baterii paneli fotowoltaicznych połączonych elektrycznie. Panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały w wyniku zachodzącego w ich ogniwach efektu fotowoltaicznego.
Niezwykle ważne jest by systemy fotowoltaiczne instalować na stabilnych konstrukcjach montażowych, które są w stanie wytrzymać warunki atmosferyczne takie jak wiatr, deszcz i korozję przez kilka następnych dziesięcioleci.
2. Falownik / inwerter fotowoltaiczny.
Falownik fotowoltaiczny (solarny) jest kluczowym elementem każdego systemu fotowoltaicznego. Za jego sprawą dokonuje się konwersji energii elektrycznej z prądu stałego na prąd zmienny. Jest to konieczne, ponieważ domowe urządzenia elektryczne wymagają zasilania prądem zmiennym.
3. Licznik energii elektrycznej.
Dwukierunkowy licznik energii elektrycznej stosowany jest tam, gdzie ze względu na zainstalowane urządzenia wytwarzające energię potrzebny jest dodatkowy pomiar ilości energii elektrycznej oddawanej do sieci dystrybucyjnej. Liczniki te stosowane są w szczególności w układach pomiarowo-rozliczeniowych, do których przyłączona jest instalacja fotowoltaiczna.
4. Zewnętrzna sieć dystrybucji energii elektrycznej.
Chociaż solarne instalacje off-grid umożliwiają zaopatrywanie w energię elektryczną całkowicie niezależnie od zewnętrznej sieci dystrybucyjnej, to większość właścicieli domów decyduje się korzystać z dobrodziejstw oferowanych przez sieć dostarczającą energię od zewnętrznego operatora.
Jeśli dom jest podłączony do sieci elektrycznej, dodatkowa moc, która jest generowana po całkowitym naładowaniu baterii akumulatorów, zostanie przesłana do sieci zewnętrznej. Oznacza to również, że w okresach, w których instalacja fotowoltaiczna nie pokrywa całkowitego zapotrzebowania na energię, dom może być dodatkowo zasilany energią pochodzącą z sieci energetycznej zewnętrznego dostawcy prądu.
5. Sterownik ładowania akumulatorów.
Regulatory ładowania dbają o to, by prąd stały z paneli słonecznych w bezpieczny i prawidłowy sposób ładował akumulatory służące do magazynowania energii. Sterownik ładowania kontroluje, czy baterie są w pełni naładowane. Wtedy zatrzymuje przepływ prądu, aby zapobiec ich uszkodzeniu. Regulator ładowania potrzebny jest tylko wtedy, gdy instalacja wyposażona jest w baterię akumulatorów.
6. Bateria akumulatorów.
Bateria akumulatorów służy do magazynowania wyprodukowanej przez panele fotowoltaiczne, a niewykorzystanej energii. Energia elektryczna z akumulatorów może zasilać dom w nocy lub podczas bardzo pochmurnej pogody, gdy do paneli nie dociera wystarczająca ilość światła słonecznego. Także włączenie baterii do instalacji fotowoltaicznej jest opcjonalne, ale może podwoić ilość energii słonecznej, możliwej do wykorzystania.