Podstawowym elementem każdej instalacji fotowoltaicznej jest moduł (panel) PV. Panele instaluje się zwykle na dachach domów, choć popularne są również instalacje na gruncie. Coraz częściej spotkać można również materiały budowlane, zwykle dachówki, pełniące funkcję paneli słonecznych. Niezależnie od fizycznej realizacji instalacji, każdy moduł PV składa się z ogniw fotowoltaicznych, głównie krzemowych.
Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?
Zasada działania ogniw fotowoltaicznych jest prosta i opiera się na przekształceniu energii słonecznej w elektryczną. Energia słoneczna to energia reakcji termojądrowych zachodzących na słońcu. Jest ono gigantyczną bombą termonuklearną, która eksploduje nieprzerwanie w temperaturze milionów stopni. Przemiany helu w wodór i odwrotnie powodują promieniowanie elektromagnetyczne wysyłane przez gwiazdę we wszystkich kierunkach. Do Ziemi dociera tak duża ilość promieniowania, że gdybyśmy potrafili ją przekształcić w energię elektryczną w całości, wystarczyłoby zasilania dla całego globu na rok.
Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne – działanie i budowa
Niestety, nie potrafimy wykorzystać energii słonecznej aż tak efektywnie, jednak stały rozwój fotowoltaiki pozwala na coraz bardziej wydajną jej konwersję w energię elektryczną. Jak jednak odbywa się ten proces w pojedynczym ogniwie?
Zachodzi tu tzw. zjawisko fotoelektryczne, czyli zmiana właściwości elektrycznych ogniwa zbudowanego z półprzewodników pod wpływem promieniowania słonecznego. Pojedyncza płytka krzemowa zbudowana jest z dwóch warstw oddzielonych od siebie tzw. barierą potencjału. Górna warstwa, czyli ta skierowana w stronę światła (strumienia fotonów – najmniejszych jednostek światła) jest domieszkowana ujemnie, a więc znajduje się w niej nadmiar elektronów. Z kolei dolna warstwa ma niedobór elektronów, ponieważ domieszkuje się ją dodatnio. W konsekwencji, w obszarze bariery potencjałów tworzy się pole elektryczne. Energia fotonu padającego na ogniwo uwalnia znajdujące się w warstwie górnej dodatkowe elektrony i powoduje ich przemieszczanie się oraz powstanie różnicy potencjałów (napięcia elektrycznego). Zamknięcie obwodu odbiornikiem energii elektrycznej powoduje przepływ prądu pomiędzy płytkami.
Ogniwa fotowoltaiczne – wydajność instalacji
W rzeczywistej instalacji PV ogniwa fotowoltaiczne tworzą moduły (panele), a te z kolei łańcuchy (panele połączone ze sobą w szeregu). Łańcuchy usytuowane względem siebie równolegle dają z kolei macierz fotowoltaiczną. Elektrycznie ogniwa modułu łączy się ze sobą równolegle, szeregowo lub szeregowo-równolegle, jednak już same moduły zawsze łączone są szeregowo. W konsekwencji, żeby uzyskać największą wydajność instalacji, każdy moduł musi pracować z maksymalną wydajnością. Obniżenie uzysku z jednego modułu wpływa na obniżenie wydajności całej instalacji.
Ponieważ ogniwa fotowoltaiczne generują prąd stały, moc dostarczana przez ogniwo (a także moduł i macierz) jest iloczynem prądu i napięcia. Żeby jej wartość była największa, należy ją dostarczyć w tzw. punkcie mocy maksymalnej (MPP – Maximum Power Point), czyli w tym punkcie charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa fotowoltaicznego, dla którego wartość prądu i napięcia jest maksymalna.
źródło: http://www.instsani.pl/513/parametry-pracy-paneli-pv
Rys.1. Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa ogniwa.
Punkt mocy maksymalnej leży w pobliżu zagięcia charakterystyki prądowo-napięciowej, a za monitorowanie każdego modułu pod kątem pracy w MPP odpowiedzialny jest inwerter, który jednocześnie zamienia prąd stały produkowany przez ogniwa na prąd przemienny dostarczany do rozdzielnicy budynku i sieci elektroenergetycznej. Poprzez rozdzielnicę energia pobierana jest przez odbiorniki elektryczne w domu, a jej nadmiar odprowadzany jest do sieci.
Ogniwa fotowoltaiczne – sprawność macierzy
Choć wydajność całej instalacji fotowoltaicznej zależy od wielu czynników (np. odpowiedniego doboru inwertera czy właściwego wykonania oprzewodowania), w największym stopniu wpływ ma na nią sprawność paneli. Sprawność jest parametrem określającym efektywność wykorzystania paliwa. W przypadku instalacji PV, sprawność ogniwa fotowoltaicznego, a także całego układu modułów jest stosunkiem ilości energii uzyskiwanej na wyjściu instalacji do energii promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię paneli. Jest ściśle powiązana z charakterystyką prądowo – napięciową ogniwa fotowoltaicznego (a ściśle całego modułu) i można ją obliczyć ze wzoru:
źródło: http://www.instsani.pl/513/parametry-pracy-paneli-pv
Rys.2. Sprawność ogniwa fotowoltaicznego – wzór.
gdzie:
ç – sprawność ogniwa,
Imp – maksymalna wartość prądu z charakterystyki prądowo-napięciowej,
Ump – maksymalna wartość napięcia z charakterystyki prądowo-napięciowej,
J – natężenie promieniowania padającego na ogniwo [W/m2],
S – pole powierzchni ogniwa [m2].
Obecnie sprawność seryjnie produkowanych modułów monokrystalicznych wynosić może nawet 20 – 22 %, natomiast polikrystalicznych, 16 – 18 %.
