Ogniwo fotowoltaiczne. Budowa, zasada działania, opłacalność

Ogniwo fotowoltaiczne. Budowa, zasada działania, opłacalność
27 września, 2021

Ogniwo fotowoltaiczne. Budowa, zasada działania, opłacalność

Ogniwa fotowoltaiczne to podstawowy element konstrukcji paneli PV. To w nich odbywa się produkcja energii elektrycznej. Zastanawiasz się, w jaki sposób działają ogniwa fotowoltaiczne i od czego zależy ich wydajność? Dowiedz się więcej na ten temat, aby lepiej zrozumieć zasadę działania całej instalacji fotowoltaicznej. Prostota, a zarazem rewolucyjna innowacyjność systemów PV mogą Cię zaskoczyć!

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Ogniwa fotowoltaiczne są podstawowymi elementami konstrukcyjnymi paneli fotowoltaicznych. Najczęściej jeden panel składa się z sześćdziesięciu bądź siedemdziesięciu dwóch ogniw – wszystko zależy od konstrukcji danego modelu.

Ogniwa PV są zbudowane z materiału półprzewodnikowego. To konieczne, ponieważ ma w nich zachodzić zjawisko fotowoltaiczne, prowadzące do tego, że powstaje prąd elektryczny. Dziś moduły paneli PV są zbudowane przede wszystkim z krzemu, a dokładniej – z kryształów krzemu w formie płytek, wewnątrz których znajduje się pole elektromagnetyczne. Inaczej określa się je mianem bariery potencjału.

Warto wiedzieć, że:

  • górną powierzchnię płytki krzemowej ogniwa fotowoltaicznego pokrywają elektrody ujemne (zbierające), mające postać siatki, natomiast dolną – elektrody dodatnie, przenoszące, które mają formę metalowej płytki,
  • pomiędzy elektronami dodatnimi i ujemnymi znajduje się złącze półprzewodnikowe p-n,
  • wielkość pojedynczego ogniwa słonecznego waha się między 4×4 cm a 15×15 cm, a jego wielkość może mieć przełożenie na moc, choć nie jest to jedyny czynnik, który decyduje o tym parametrze.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne – zasada działania

Jak już wspomniano, ogniwa fotowoltaiczne są zbudowane przede wszystkim z kryształów krzemu, które podlegają zjawisku fotowoltaicznemu. Na czym dokładnie polega ten proces? Kiedy na ogniwa padają promienie słoneczne, energia dostarczana przez ich fotony jest przekazywana do elektronów krzemu. Kiedy do tego dochodzi, następuje pochłonięcie energii dostarczonej przez fotony przez elektrony, co skutkuje przeniesienie ich na wyższe poziomy energetyczne.

Gdy elektrony w ogniwie krzemowym zostaną wzbudzone, wywołuje to siłę elektromotoryczną, a w efekcie powstaje prąd stały, który jest przekazywany do następnych komponentów instalacji.

Warto przy tym wiedzieć, że na produkcji prądu stałego nie kończy się praca instalacji PV. Dzieje się tak dlatego, że prąd stały nie nadaje się jeszcze do zasilania urządzeń w domu czy firmie. Aby nabrał on odpowiednich parametrów, trzeba go przekształcić w prąd zmienny. Następuje to w inwerterze, nazywanym też falownikiem, który jest montowany w pobliżu dwukierunkowego licznika prądu.

Kiedy falownik przekształci prąd stały uzyskany z energii słonecznej w prąd zmienny, możliwe jest jej wykorzystanie do zasilania urządzeń i instalacji w domu czy firmie, w tym oświetlenia, sprzętu RTV, AGD i innych.

Ile prądu produkuje ogniwo fotowoltaiczne?

Zastanawiasz się, ile energii elektrycznej produkują ogniwa fotowoltaiczne? Nie da się na tak postawione pytanie odpowiedzieć w jednoznaczny sposób. Dlaczego? Panele fotowoltaiczne są zbudowane z różnego rodzaju ogniw – mają one odmienną moc oraz wydajność. Przykładowo, do wytworzenia 1 kWp energii elektrycznej rocznie mogą być potrzebne około 3 panele fotowoltaiczne, których łączna powierzchnia wyniesie mniej. więcej 4,5 m2. To jednak bardzo ogólne określenie, ponieważ wiele zależy od typu paneli czy też ich lokalizacji na dachu domu.

Warto przy tym wiedzieć, że szacuje się, że w polskich warunkach atmosferycznych panele fotowoltaiczne o mocy 1 kWp mogą wyprodukować ok. 950-1100 kW energii rocznej.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Wspominaliśmy już kilkukrotnie o tym, że ogniwa fotowoltaiczne różnią się między sobą. Na czym jednak polega różnica pomiędzy poszczególnymi typami? Podstawa to typ materiału wykorzystanego do wytworzenia płytek półprzewodnikowych, które są odpowiedzialne za produkcję prądu stałego.

Ogniwa fotowoltaiczne polikrystaliczne

Ogniwa polikrystaliczne są wykonane z wielu kryształów krzemu o niewielkich rozmiarach. Jest to technologia, którą wciąż się wykorzystuje z uwagi na dobre wartości związane z przetwarzaniem energii słonecznej na energię elektryczną. Jednak trzeba wiedzieć, że tego typu ogniwa fotowoltaiczne wykazują nieco mniejszą sprawność niż ogniwa monokrystaliczne. Wynika to z faktu, że elektrony mające wejść na wyższy poziom energetyczny mają mniej przestrzeni do poruszania się. Mimo to, korzystanie z paneli fotowoltaicznych z ogniwami polikrystalicznymi jest rozwiązaniem niosącym wiele korzyści w określonych sytuacjach – np. dlatego, że tego typu technologia jest nieco tańsza od monokrystalicznej.

Ogniwa monokrystaliczne

Tego typu ogniwa, ze względu na wysoką sprawność, na poziomie przekraczającym nawet 20%, coraz częściej wypierają opisane powyżej panele słoneczne z ogniwami polikrystalicznymi. Z czego wynika wyższa wydajność w procesie produkcji energii? Odpowiedź jest prosta: pojedyncze ogniwo tego typu składa się z jednego, dużego kryształu krzemowego. Jego większa powierzchnia stwarza elektronom wzbudzanym do produkcji prądu na skutek promieniowania słonecznego znacznie lepsze możliwości poruszania się. A to oznacza wydajniejszą produkcję energii elektrycznej. W praktyce sprawia to, że osoby decydujące się na ogniwa monokrystaliczne mogą uzyskać więcej energii elektrycznej z mniejszej powierzchni paneli fotowoltaicznych. Trzeba jednak pamiętać, że moduły słoneczne wykonane w tej technologii są droższe, co wynika z bardziej skomplikowanego procesu produkcji ogniw.

Ogniwa amorficzne

Są znacznie mniej wydajne niż ogniwa fotowoltaiczne poli- i monokrystaliczne (mają wydajność na poziomie 6-10%), co oznacza, że nie sprawdzają się raczej z myślą o zasilaniu domu z wykorzystaniem energii słonecznej. Mogą być jednak zastosowane np. jako źródło darmowej energii dla niewielkich urządzeń. Cechują się najniższymi cenami spośród wszystkich obecnie stosowanych w instalacji fotowoltaicznej ogniw krzemowych.

Warto też wspomnieć, że na rynku nieśmiało pojawiają się także ogniwa II i III generacji – wykonane m.in. z tellurku kadmu, czy mieszaniny miedzi, indu, galu czy selenu. Te III generacji nie są już też wyposażone w klasyczne złącza p-n. Jednak na ten moment z ich działaniem wiążą się rozmaite ograniczenia (np. krótki czas życia czy bardzo niska wydajność, z jaką produkowany jest prąd). Dlatego na kolejną rewolucję na rynku fotowoltaicznym trzeba jeszcze trochę poczekać.

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa fotowoltaiczne są dziś powszechnie wykorzystywane do produkowania energii, której źródłem są promienie słoneczne. Warto przy tym wiedzieć, że ich zastosowanie może być bardzo zróżnicowane. Przede wszystkim mogą być wykorzystywane nie tylko do tego, aby produkować energię elektryczną dla domu czy firmy. Można je także zastosować do wytwarzania energii termicznej, czyli ciepła.

W tej drugiej roli ogniwa solarne są wykorzystywane w kolektorach słonecznych. Warto przy tym podkreślić, że ich sposób oraz cel działania znacznie różnią się od zastosowania fotowoltaiki. Kolektory wykorzystuje się do tego, aby powstawała ciepła woda użytkowa. Za to panele fotowoltaiczne przekształcają promieniowanie słoneczne w prąd.

Wpływ temperatury na ogniwo fotowoltaiczne

Temperatura otoczenia ma wpływ na to, jak działają ogniwa, a co za tym idzie – panele fotowoltaiczne. Wbrew pozorom, więcej ciepła wcale nie zawsze oznacza wyższą wydajność. Trzeba wiedzieć przede wszystkim, że każdy panel fotowoltaiczny ma wyraźnie określone graniczne wartości, w których może pracować. Jest to szeroki przedział, najczęściej ok -40 st. C do +85 st. C. Nie oznacza to jednak, że wydajność fotowoltaiki jest taka sama w każdej temperaturze na tej skali. Wbrew pozorom, lepszej pracy ogniw PV można się spodziewać w niższych temperaturach. Optymalna to ok. 20 st. C. Za to w bardzo upalnych warunkach wydajność modułów słonecznych spada. Trzeba przy tym pamiętać, że z wysokimi temperaturami lepiej radzą sobie moduły monokrystaliczne.

Sprawność i trwałość ogniwa fotowoltaicznego

Ogniwa fotowoltaiczne nowej generacji są bardzo trwałe i wydajne. Szacuje się, że z obecnie produkowanych modułów PV będzie można korzystać co najmniej 25, a może nawet ponad 30 lat z zachowaniem optymalnej wydajności. Znaczy to, że przy utrzymaniu dobrego nasłonecznienia pozwolą one zachować gwarantowaną moc energii elektrycznej. Można się spodziewać jej spadku o ok. 10-20% na przestrzeni pierwszych 10-20 lat pracy, jednak jest to spodziewane i prawidłowe zjawisko, uwzględniane przy wyliczaniu potrzebnego uzysku z modułów.

Jak obliczyć uzysk energii z ogniw fotowoltaicznych?

Przy doborze parametrów instalacji fotowoltaicznej bardzo ważną kwestią jest uzysk z fotowoltaiki. Celem montażu tego systemu jest bowiem ograniczenie korzystania z energii z sieci elektroenergetycznej na rzecz tej wytwarzanej samodzielnie z promieniowania słonecznego. W jaki sposób go obliczyć? Istotne kwestie to:

  • ogniwa, w jakie jest wyposażony system fotowoltaiczny, a dokładniej to, jakiej są one mocy i jakie dają gwarancje zachowania wydajności,
  • region Polski, w którym montowany jest system fotowoltaiczny – np. w okolicach Krakowa wartość uzyskiwanej energii będzie wyższa niż w Szczecinie czy Koszalinie, co wynika z różnych wartości średniego rocznego nasłonecznienia (na południu Polski jest ono zasadniczo większe);
  • miejsce montażu ogniw, a co za tym idzie – dostęp do słońca. Najoptymalniejszym miejscem na montaż ogniw PV jest południowa lub południowo-zachodnia strona dachu, pod warunkiem braku zacienienia.

Dlatego uzysk wylicza się najczęściej indywidualnie, a eksperci dobierają komponenty systemu, które w danych warunkach sprawdzają się najbardziej optymalnie.

Ogniwo fotowoltaiczne – cena

Ile kosztują ogniwa fotowoltaiczne? Wiele zależy od rodzaju zastosowanej technologii oraz marki samych paneli. Najogólniej mówiąc:

  • najdroższe są panele z ogniwami monokrystalicznymi – ceny kształtują się na poziomie od 600 do 1800 zł za jeden panel produkujący energię ze słońca,
  • mniej kosztowne są modele polikrystaliczne – można się spodziewać stawek w granicach 500 – 1500 zł za panel,
  • najtańsze są ogniwa amorficzne, ponieważ w ich przypadku koszt jednego panelu może wynieść nawet 90 zł. Trzeba jednak pamiętać, że nie są one odpowiednie do zasilania domu.

Należy przy tym podkreślić, że panele monokrystaliczne są bardziej wydajne, co znaczy, że można uzyskać więcej mocy elektrycznej energii z powierzchni w stosunku do tego, jakie możliwości dają moduły „poli”.

Czy ogniwa fotowoltaiczne się opłacają?

Produkując energię elektryczną z promieniowania słonecznego, możesz liczyć na ogromne oszczędności. Fotowoltaika pozwala na obniżenie rachunków za prąd nawet o 90%. Dlatego warto rozważyć inwestycję w nią, zwłaszcza że ta technologia jest objęta szeregiem dotacji oraz innych zachęt finansowych. Chcesz wiedzieć, jakie dokładnie oszczędności przyniesie Ci instalacja PV? Skontaktuj się z naszymi ekspertami i uzyskaj konkretną wycenę bez zobowiązań. To może być pierwszy krok w stronę większej niezależności energetycznej!