Fotowoltaika to w ostatnich latach temat niezwykle popularny. Coraz więcej budynków mieści na swoich dachach pokaźne ilości paneli słonecznych. Jak jednak ze światła słonecznego wytwarzany jest prąd i gdzie jeszcze, poza dachami, można zainstalować ogniwa, żeby były efektywne? Wyjaśnimy to w tym poradniku.

Fotowoltaika – jak działa system paneli słonecznych?

Każdy, kto rozważa montaż instalacji fotowoltaicznej na własnej posesji, zadaje sobie najważniejsze pytanie: czy naprawdę mi się to opłaci? Możemy odpowiedzieć krótko: najczęściej tak. Oczywiście takie wyjaśnienie z pewnością ci nie wystarczy, jednak kiedy dowiesz się, jak działa system fotowoltaiczny, wiele Twoich wątpliwości zniknie. A po przeczytaniu dodatkowo artykułu Ogniwa fotowoltaiczne – czy warto, nabędziesz wręcz pewności, że w fotowoltaikę opłaca się zainwestować.

Ogniwa fotowoltaiczne vs. kolektory słoneczne

Zanim przejdziemy do najważniejszych kwestii związanych z fotowoltaiką, warto podkreślić, że ogniwa fotowoltaiczne zamieniają energię słoneczną na elektryczną. Jest to o tyle ważne, że na rynku nabyć można również bardzo podobne do ogniw kolektory słoneczne. Te jednak służą nie do wytwarzania energii elektrycznej, lecz cieplnej. Co to oznacza? Kolektory słoneczne produkują z promieni słonecznych tylko i wyłącznie ciepło. Są przydatne, jeśli chcemy podgrzać wodę do użytku domowego czy zakładzie przemysłowym dla potrzeb technologiczny. Nie uzyskamy z nich jednak prądu, który są w stanie wyprodukować jedynie ogniwa fotowoltaiczne.

Z czego składa się zestaw fotowoltaiczny?

Żeby skorzystać z energii słonecznej i przetworzyć ją na elektryczną, potrzebny jest nam system, czyli instalacja fotowoltaiczna, która składa się z:

  • paneli fotowoltaicznych zbudowanych z ogniw fotowoltaicznych, które przekształcają energię słoneczną na prąd elektryczny stały,
  • inwertera (falownika) zamieniającego prąd stały na prąd przemienny, którym zasilane są odbiorniki energii elektrycznej (czyli wszystkie typowe urządzenia elektryczne, które mamy w mieszkaniu),
  • oprzewodowania,
  • liczników zużycia i produkcji energii (jeśli instalacja połączona jest z siecią energetyczną,
  • akumulatora z regulatorem ładowania (jeśli instalacja nie jest połączona z siecią energetyczną).

Fotowoltaika  – jak przekształcić energię słońca w prąd?

Podstawowy element każdej instalacji elektrycznej to panel słoneczny, który zbudowany jest najczęściej z krzemu. Nie jest to jednak regułą, ponieważ do budowy paneli używa się również inne materiały (np. tellurek kadmu czy miedź, ind, gal oraz selen), wytwarza się je także w rozmaitych technologiach. Panele słoneczne instaluje się zwykle na dachach budynków, choć popularny jest również montaż na gruncie na specjalnych stelażach.

Jak ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd? W ogniwach zachodzi tzw. zjawisko fotoelektryczne, które polega na zmianie właściwości elektrycznych ogniwa (półprzewodnika) pod wpływem promieniowania słonecznego (elektromagnetycznego). Wyjaśnijmy to na przykładzie płytki krzemowej. Jest ona zbudowana z dwóch warstw oddzielonych od siebie tzw. barierą potencjału. Warstwa górna (skierowana w stronę światła) jest domieszkowana ujemnie (ma nadmiar elektronów), a dolna – dodatnio (ma niedobór elektronów). Dzięki tej różnicy w obszarze granicznym (bariera potencjału) tworzy się pole elektryczne. Energia fotonu (czyli najmniejszej jednostki światła) padającego na ogniwo uwalnia dodatkowe elektrony i powoduje ich przemieszczanie się. W ten sposób powstaje napięcie elektryczne (różnica potencjałów). Po zamknięciu obwodu odbiornikiem energii elektrycznej pomiędzy płytkami następuje przepływ prądu.

Prąd wytwarzany przez ogniwo jest stały, a nasze instalacje elektryczne dostosowane są do prądu przemiennego. Dlatego wewnątrz budynku, pomiędzy zespołem paneli a rozdzielnicą elektryczną, do której doprowadza się energię pochodzącą z ogniw, montuje się inwerter, którego zadaniem jest zamiana prądu stałego na przemienny.

Fotowoltaika w Polsce – czy montaż paneli naprawdę się opłaca?

Roczna suma energii promieniowania słonecznego w naszym Kraju wynosi około 1000 kWh na 1 m2 powierzchni. Oznacza to, że średnio w ciągu całego roku każdy metr kwadratowy gruntu otrzymuje w przybliżeniu taką samą ilość energii solarnej, jaka powstałaby ze spalenia 100 m3 gazu ziemnego.

Skoro tak, to jeśli zamieszkujemy budynek energooszczędny o powierzchni 150 m2, którego roczne zapotrzebowanie na energię równe jest 40 kWh/m2, otrzymujemy potrzebną ilość 6000 kWh. Czyżby więc wystarczyło zainstalować na gruncie 6 m2 ogniw? Niestety nie. W praktyce, każdy sposób pozyskiwania energii wiąże się ze stratami, a poza tym problemem w przypadku paneli słonecznych jest również nierównomierny rozkład promieniowania w ciągu roku. Oczywiste dla nas jest, że w miesiącach zimowych jest ono mniejsze niż latem. W Polsce od grudnia do lutego odebrać można przeciętnie zaledwie 6% rocznej sumy promieniowania słonecznego, natomiast na całe chłodniejsze półrocze przypada jej 20%. Stąd w czasie, kiedy potrzebujemy jej najwięcej, mamy jej najmniej, a kiedy nie jest nam potrzebna w dużych ilościach – dysponujemy nadwyżkami. Mimo tych wszystkich niedogodności, pozyskiwanie energii ze słońca jest uzasadnione. Wyczerpujące informacje o opłacalności instalacji fotowoltaicznych znajdziesz w artykule Fotowoltaika – opinie ekspertów.

Gdzie zainstalować ogniwa?

Choć w gospodarstwach domowych zwykle spotykamy panele słoneczne zamontowane na dachach, nie jest to oczywiście jedyna możliwość. Ogniwa instaluje się również na odpowiednich stelażach na gruncie, a także na balkonach w budynkach wielorodzinnych, choć ta opcja nie jest w Polsce jeszcze popularna. Duże nadzieje pokłada się również w technologii BIPV, w której produkuje się materiały budowlane stanowiące jednocześnie ogniwa fotowoltaiczne, np. dachówki (te są już dość dobrze znane w naszym Kraju), płytki elewacyjne, balustrady czy nawet tafle okienne. Na uwagę zasługuje również będąca w fazie badań fotowoltaiczna deska tarasowa polskiej firmy ElectroTile.

Fotowoltaika na dachu. Dach to miejsce, na którym ogniwa goszczą najczęściej. Najlepszy dla fotowoltaiki jest dach z wystawą południową, a także południowo-wschodnią i południowo-zachodnią. W naszej szerokości geograficznej panele odznaczają się najlepszą efektywnością, jeśli ustawione są pod kątem 35 stopni w stosunku do powierzchni ziemi.  Oczywiście jeśli nasz dach ma połacie skierowane na wschód i zachód, również uzyskamy wystarczającą ilość energii, jednak zwykle w takiej sytuacji instaluje się panele na obydwu połaciach.

A co, jeśli mieszkamy w domu z płaskim dachem? Nic nie szkodzi – na płaskim dachu z powodzeniem można zamontować panele na stelażu i w ten sposób uzyskać nie tylko odpowiedni kąt nachylenia, ale również kierunek południowy, czyli najbardziej korzystny.

Fotowoltaika na gruncie. Kiedy montaż paneli na dachu naszego domu nie jest możliwy (np. z powodu jego zacienienia przez sąsiednie budynki), a dysponujemy odpowiednią powierzchnią gruntową na naszej posesji w postaci dużego, dobrze nasłonecznionego trawnika, czy niezagospodarowanego obszaru działki, z powodzeniem zainstalować możemy ogniwa na gruncie. Ten sposób rzadziej stosowany jest w domach w mieście ze względu na niewielkie wielkości działek i ich znikomą ekspozycję na słońce, ale rozwiązanie doskonale sprawdza się w obszarach wiejskich i może być idealne dla rolników.

Fotowoltaika na balkonie. Montaż paneli fotowoltaicznych na balkonie to pomysł, który w Polsce jeszcze nie zagościł na dobre, choć warunki ku temu w dużych miastach są idealne. Szczególnie jeśli weźmiemy ogromne popeerelowskie osiedla z wielkiej płyty. Standardem są tam zwykle loggie lub tradycyjne balkony, które doskonale nadają się do montażu paneli.

Lokalizacja ogniw fotowoltaicznych jest kluczowa dla decyzji o zakupie. Dostępność miejsca jest pierwszym krokiem na drodze do własnego prądu. Kolejno oszacować trzeba opłacalność inwestycji i podjąć szereg innych wyborów, takich jak np. ten, czy kupić ogniwa we własnym zakresie (więcej na ten temat dowiesz się z artykułu Panele fotowoltaiczne – Allegro i OLX), czy jednak zatrudnić firmę, która zajmie się nie tylko montażem systemu, ale również dostarczy materiał.