Panele fotowoltaiczne są nowoczesnym i przyszłościowym rozwiązaniem w dziedzinie energetyki. Popularność zyskują przede wszystkim ze względu na oszczędności, jakie można dzięki nim osiągnąć. Jednak nie mniejsze znaczenie ma ograniczenie negatywnego wpływu na środowisko w skali lokalnej oraz globalnej. W jaki sposób przyczynia się do tego instalacja fotowoltaiczna? Z czego się składa i dlaczego warto w nią zainwestować? O tym wszystkim opowiemy w naszym artykule. Zachęcamy do lektury.
Spis Treści
Czym jest fotowoltaika? Historia rozwoju technologii
Fotowoltaika to bezpośrednia zamiana promieni słonecznych w energię elektryczną na poziomie atomowym. Oczywiście ma swoją przyczynę w konkretnym zjawisku. Tak zwany efekt fotowoltaiczny powstaje we wszystkich ogniwach, z których składają się moduły. Wbrew pozorom jego odkrycie nie jest zasługą współczesnych naukowców. Aby w pełni zrozumieć, czym jest zjawisko fotowoltaiczne, należy cofnąć się aż do XIX wieku.
Już w 1839 roku francuski fizyk Alexandre-Edmond Becquerel odkrył, że niektóre materiały są w stanie wytworzyć trochę elektryczności pod wpływem światła. Ówczesny stan nauki oraz dostępne technologie nie były jednak w stanie wykorzystać zdobytej przez Francuza wiedzy. Natura światła wraz z efektem fotowoltaicznym zostały opisane dopiero w 1905 roku przez samego Alberta Einsteina, który kilkanaście lat później otrzymał za to nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Pierwsza instalacja fotowoltaiczna powstała jednak jeszcze później.
Rok 1954 był przełomowy dla technologii przetwarzania promieni słonecznych w elektryczność. Powstał wówczas moduł, który korzystał ze znanego już zjawiska fotowoltaicznego. Niestety produkcja systemu była zbyt droga, aby rozpowszechnić panele słoneczne do stopnia znanego nam dziś. Dlatego korzystały z nich przede wszystkim rządowe przedsiębiorstwa technologiczne, takie jak NASA. To właśnie dzięki programom kosmicznym fotowoltaika zaczęła się szybko rozwijać. Nie tylko zwiększała się wydajność oraz niezawodność systemów, ale również spadała ich cena. Zainteresowanie instalacjami fotowoltaicznymi wzrosło po kryzysie energetycznym w latach 70. Obecnie staje się odpowiedzią również na postępujące zmiany klimatyczne, które powodowane są m.in. wydobywaniem i spalaniem paliw kopalnych.
Aktualnie używane systemy odnawialnych źródeł energii korzystają więc z rozwijanych od blisko siedemdziesięciu lat technologii. Tylko jedno nie uległo zmianie: sama istota efektu fotowoltaicznego.
Na czym polega zjawisko fotowoltaiczne?
Opisany przez Becquerela efekt polega na powstaniu pod wpływem promieniowania świetlnego siły elektromotorycznej w ciele stałym. Tego typu działanie zaliczamy do zjawisk fotowoltaicznych wewnętrznych, ponieważ przebiega ono wewnątrz struktury materiału.
Efekt można przedstawić obrazowo w następujący sposób: padające na półprzewodnik promienie słoneczne wybijają elektrony z miejsca z uwagi na przejście na wyższy poziom energetyczny. Wzbudzone elektrony przemieszczają się szybko pomiędzy elektrodami. Dzięki temu powstaje różnica potencjałów, co wytwarza prąd elektryczny stały.
Światło słoneczne jest po prostu strumieniem cząstek elementarnych, czyli fotonów. Przenoszą one w sobie określony ładunek energii. Oświetlenie półprzewodnika skutkuje pochłanianiem fotonu przez elektrony, które przejmują jego energię. W atomie krzemu powstaje w ten sposób dziura elektronowa, która niejako „odpycha” od siebie elektrony. Biegną one w przeciwnym od dziury kierunku, co wywołuje powstanie prądu elektrycznego.
Z czego składa się instalacja fotowoltaiczna?
Do uzyskania właściwego efektu niezbędne są dwa elementy: panele (nazywane również modułami) oraz inwerter (czyli falownik). Moduły mają za zadanie odbierać promieniowanie słoneczne i wywoływać efekt fotowoltaiczny. Z kolei inwerter odpowiada za przekształcenie prądu stałego w prąd zmienny, czyli taki, który wykorzystujemy w naszych domach. Oprócz tego profesjonalna instalacja fotowoltaiczna posiada zabezpieczenia przeciwnapięciowe oraz specjalistyczne elementy montażowe, które zapewniają bezpieczeństwo całej konstrukcji nawet podczas bardzo niekorzystnych warunków pogodowych, zwłaszcza wichurami oraz burzami.
Moduły fotowoltaiczne powstają zazwyczaj z krzemu. Materiał cechuje się najlepszymi właściwościami do wytworzenia efektu fotowoltaicznego. Panele dzielą się na monokrystaliczne oraz polikrystaliczne. Różnice pomiędzy nimi są bardzo istotne. Monokrystaliczne panele cechują się największą wydajnością, przez co zajmują mniej miejsca. Z kolei polikrystaliczne moduły są wyraźnie tańsze. Wybór pomiędzy nimi uzależniony jest więc głównie od powierzchni, jaką można przeznaczyć pod instalację fotowoltaiczną.
Falownik to kolejny ważny element systemu. Bez niego wykorzystanie elektryczności w domu nie byłoby możliwe. Inwertery dzielą się na trzy typy:
– sieciowe (on-grid)
– niewspółpracujące z siecią (off-grid)
– hybrydowe.
Współpraca z siecią oznacza możliwość korzystania z infrastruktury lokalnego dostawcy energii. To on zajmuje się magazynowaniem i przesyłaniem wytworzonej elektryczności. Dlatego inwertery off-grid wymagają inwestycji w akumulatory, które będą w stanie zapewnić dostęp do prądu bez pomocy zewnętrznej infrastruktury. Oczywiście hybrydy łączą w sobie możliwość połączenia z dostawcą i samowystarczalności.
Ciekawostki na temat działania instalacji fotowoltaicznych w Polsce
Na sam koniec warto podzielić się garścią interesujących faktów związanych z rozwojem technologii w kraju.
W 2019 roku Polska trafiła do grupy państw, które wytwarzają już 1 GW mocy poprzez zainstalowane panele słoneczne. Mowa o ponad 1,83 GW mocy w sieci. Tylko część wyprodukowanej energii to zasługa bezpośrednich rządowych inwestycji. Aż 1,2 GW produkują prosumenci, czyli firmy oraz osoby prywatne korzystające z instalacji fotowoltaicznych. Przyczyniają się oni do redukcji nawet półtora miliona ton CO2 w skali roku.
Poziom 1,83 GW mocy uzyskaliśmy w 2020 roku. Zaledwie 6 lat wcześniej ogólna produkcja energii z paneli słonecznych wynosiła tylko 20 MW. Przez ten czas odnotowaliśmy więc wzrost wynoszący 9000%! To daje Polsce bardzo wysoką, 5. pozycję na liście krajów Unii Europejskiej z największym wzrostem nowych mocy z paneli słonecznych. Wyprzedzają nas jedynie niektóre kraje Europy Zachodniej: Hiszpania, Niemcy, Niderlandy oraz Francja.
Czy warto inwestować w instalację fotowoltaiczną?
Działanie współczesnych paneli słonecznych jest bez zarzutu. Wyróżniają się wysoką wydajnością, trwałością oraz niezawodnością. Ich działanie zapewnia gospodarstwom domowym, przedsiębiorstwom oraz wszystkim innym obiektom (również kosmicznym!) wystarczająco dużo energii, aby stać się samowystarczalnymi. Wobec tego instalacja fotowoltaiczna jest uważana za bardzo racjonalne rozwiązanie na nadchodzące czasy.
Zdecydowanie warto zacząć korzystać z tego typu odnawialnych źródeł energii. Koszt zakupu oraz montażu tanieje z roku na rok, a instalacja zwróci się w ciągu 5-8 lat. Trudno o korzystniejszy sposób produkcji przyjaznej środowisku elektryczności.
Źródła:
https://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2002/solarcells
https://pl.wikipedia.org/wiki/Zjawisko_fotowoltaiczne
https://systemy-fotowoltaika.pl/fotowoltaika-podstawy/
https://dzienniknaukowy.pl/nowe-technologie/fotowoltaika-jak-to-dziala
