Instalacja fotowoltaiczna - zasada działania

Fotowoltaika, która w ostatnich latach zyskuje na popularności, jest dziedziną nauki związaną z przetwarzaniem energii słonecznej w elektryczną. Przemiana ta odbywa się dzięki zjawisku fotowoltaicznemu, określonemu również jako efekt fotowoltaiczny. Pierwszy zauważył i opisał je w 1839 roku Alexandre Edmond Becqurel, francuski fizyk i fizykochemik. Efekt ten instalacje fotowoltaiczne wykorzystują do przetwarzania światła w prąd elektryczny, potrzebny do zasilania urządzeń domowych, używanych w firmach czy gospodarstwach rolnych.

Każda instalacja fotowoltaiczna, która pozwala ich właścicielom na obniżenie rachunków za prąd i uniezależnienie się od dostawców energii czy cyklicznych podwyżek cen prądu, składa się z dwóch podstawowych elementów. Są nimi panele fotowoltaiczne, błędnie nazywane panelami słonecznymi lub modułami solarnymi, montowane na dachu budynku lub na gruncie oraz inwerter, zwany też falownikiem, który odpowiada za przekształcanie prądu stałego w prąd zmienny, płynący w gniazdkach elektrycznych naszych domów oraz innych obiektów. 

Bezpieczeństwo i niezawodność instalacji zapewniają z kolei zabezpieczenia przeciwnapięciowe, których zadaniem jest ochrona przed wyładowaniami elektrycznymi i przepięciami. Wykonanie instalacji odbywa się również obowiązkowo z wykorzystaniem wspornego systemu montażowego oraz okablowania.

Wspomniane przed chwilą panele fotowoltaiczne - kluczowy element instalacji PV, zbudowane są z pojedynczych ogniw fotowoltaicznych. W procesie ich produkcji, jako materiał półprzewodnikowy, najczęściej wykorzystywany jest krzem - w postaci płytek polikrystalicznych lub monokrystalicznych. Za sprawą właściwości fizykochemicznych jest on świetnym inicjatorem zjawisk piezoelektrycznych zachodzących w panelu.Krzemowe moduły złożone są z kolei z ogniw, które łączy się szeregowo lub równolegle. Podział panelu na moduły sprawia, że w przypadku zacienienia mniejszą sprawność wykazuje tylko jego część, a nie całość instalacji fotowoltaicznej.

Od góry i od dołu moduły laminuje się przezroczystą folią EVA (etylen-winyl-acetat), dzięki której ogniwa są chronione przed działaniem czynników zewnętrznych. Hartowana szyba, na którą padają promienie słoneczne, zabezpiecza natomiast moduł przed uszkodzeniami mechanicznymi, a jednocześnie zmniejsza ilość odbitego promieniowania słonecznego, ograniczając w efekcie straty energii. Od dołu ogniwa zabezpiecza się folią elektroizolacyjną tzw. backsheet, która sprawia, że uzyskują pożądany efekt kolorystyczny. Najczęściej spotykane folie to biała, czarna i transparentna. Dodatkowo, pojedynczy moduł PV składa się z ramy aluminiowej i gniazda przyłączeniowego wraz z niezbędnym okablowaniem.

Aby móc odpowiedzieć na pytanie, jak działa instalacja fotowoltaiczna, należy wiedzieć, na czym polega zjawisko zachodzące w pojedynczym ogniwie fotowoltaicznym. Tak zwane zjawisko fotoelektryczne to zmiana właściwości elektrycznych ogniwa zbudowanego z półprzewodników na skutek działania promieniowania słonecznego. 

Pojedynczą płytkę krzemową tworzą dwie warstwy, oddzielone od siebie tzw. barierą potencjału. Górna, skierowana ku słońcu, a jeszcze dokładniej ku strumieniowi fotonów, będących najmniejszą jednostką światła, jest domieszkowana ujemnie. To znaczy, że znajduje się w niej nadmiar elektronów. Warstwa dolna domieszkuje się dodatnio, a więc występuje w niej niedobór elektronów. 

W efekcie na obszarze bariery potencjałów powstaje pole elektryczne - dzieje się tak, ponieważ energia fotonu padającego na ogniwo fotowoltaiczne powoduje uwolnienie znajdujących się w warstwie górnej dodatkowych elektronów, a następnie ich przemieszczanie się. Tym samym powstaje różnica potencjałów, która jest niczym innym, jak napięciem elektrycznym. Zamknięcie obwodu odbiornikiem energii elektrycznej sprawia, że pomiędzy płytkami przepływa prąd. 

Wydajne działanie instalacji fotowoltaicznej uwarunkowane jest dostępem do promieni słonecznych. Dlatego też panele PV montuje się na dachu, a w określonych przypadkach na gruncie, od strony południowej i pod kątem 30-40 stopni. W przypadku dachów płaskich montaż instalacji fotowoltaicznej odbywa się z pomocą specjalnych systemów wspornych, które zapewniają optymalny kąt nachylenia modułów PV, co pozytywnie przekłada się na możliwości produkcyjne. Trzeba przy tym pamiętać, aby instalacja fotowoltaiczna nie była narażona na zacienienie. Szczególnie ważny jest ten aspekt w okresie jesieni i zimy, kiedy słońce stosunkowo nisko wędruje po niebie, przez co wszelkie wysokie drzewa czy sąsiadujące budynki mogą rzucać cień na moduły PV i zakłócać ich pracę.

Moduły fotowoltaiczne produkują prąd stały - aby korzystać z energii elektrycznej w domu, konieczna jest jego zamiana na prąd zmienny. Temu służy falownik (inwerter), który obok paneli PV, stanowi najważniejszy element każdej instalacji fotowoltaicznej. 

Za pośrednictwem paneli PV i przy udziale promieni słonecznych, powstaje napięcia stałe. W naszych gniazdkach znajduje się natomiast napięcie przemienne o parametrach zgodnych z siecią niskiego napięcia (230/400 V 50 Hz). Aby korzystać z wyprodukowanego przez instalację prądu, należy oba napięcia dopasować do siebie - to zadanie realizuje falownik. 

Urządzenie w automatyczny sposób przekształca napięcie stałe w przemienne o odpowiedniej wartości. Uzyskany dzięki niemu prąd zmienny można wykorzystać do zasilania urządzeń znajdujących się w domu, a nadwyżkę przesłać do sieci energetycznej i odebrać w okresie wzmożonego zapotrzebowania, które zwykle występuje w okresie zimowym. Wówczas dni są krótsze, przez co szybko robi się ciemno. 

Musimy jednak pamiętać, że zmagazynowane w zakładzie energetycznym nadwyżki prądu prosumenci mogą odbierać ze stratą, która wynosi obecnie 20% lub 30%, w zależności od mocy posiadanej instalacji fotowoltaicznej. Zgodnie z zapisami ustawy o Odnawialnych Źródłach Energii posiadacze instalacji PV, których moc nie przekracza 10kWp, mogą odebrać z sieci 80% wyprodukowanej energii. Z kolei inwestorzy, których instalacje fotowoltaiczne mają moc od 10kWp do 50 kWp rozliczają się z zakładem energetycznym w stosunku 1:0,7, co oznacza, że w ciągu okresu bilansowego mogą odebrać 70% zmagazynowanego prądu. Z pomocą dwukierunkowego licznika można jednak śledzić przepływ prądu i na bieżąco monitorować ilość energii elektrycznej wyprodukowanej przez posiadaną instalację i pobraną z sieci energetycznej. Poza tym do zdań falownika należy również monitorowanie stanu instalacji i kontrola pracy. Inwertery zapewniają również możliwość weryfikowania ilości wytworzonej przez instalację fotowoltaiczną energii, jak i wykonywanie odczytu danych po stronie prądu stałego i zmiennego.

Instalacja fotowoltaiczna może funkcjonować na kilka sposobów: jako system on-grid, off-grid bądź hybrydowo. Działanie instalacji on-grid, które są zintegrowane z siecią elektroenergetyczną, polega na bieżącym zużywaniu wyprodukowanej energii i wysyłaniu nadwyżek do zakładu energetycznego. Sieciowa instalacja PV stanowi skuteczny sposób na obniżenie rachunków za prąd. 

Korzystna jest też opcja przesyłania nadmiaru wytworzonej energii - ustawa o OZE przewiduje w tym przypadku system opustów dla instalacji prosumenckich (tzw. net-metering). W praktyce właściciel mikroinstalacji, który ma możliwość przesłać nadwyżkę energii do sieci publicznej, może też odebrać ją z niej w ciągu jednego roku - w okresie zmniejszonej produkcji, jak wspomniano powyżej. Magazynowanie energii elektrycznej w sieci to bardzo opłacalne rozwiązanie, które zapewnia właścicielowi instalacji PV niezależność od podwyżek cen prądu.

Dla odmiany, w systemie off-grid, instalacja fotowoltaiczna nie jest wpięta w sieć. Całość wyprodukowanej energii elektrycznej magazynuje się w akumulatorach. Systemy hybrydowe, łączą z kolei cechy instalacji on-grid i off-grid. W tym przypadku instalacja jest nie tylko wpięta do sieci publicznej, ale też zintegrowana z magazynem energii. W ten sposób optymalizuje się autokonsumpcję wytworzonej energii, co dodatkowo zwiększa opłacalność inwestycji w OZE. Magazyn energii gwarantuje z kolei zwiększoną niezależność od dostaw energii. Przydatny jest zwłaszcza w przypadku przerw w dostawie prądu, a także wtedy, gdy podłączenie do sieci energetycznej jest niemożliwe.

To pytanie zadaje sobie chyba każdy inwestor zainteresowany tematem fotowoltaiki. To, ile prądu jest w stanie wyprodukować panel fotowoltaiczny, zależy od ich mocy, którą determinują takie czynniki, jak:

• aktualne warunki atmosferyczne,

• wymiary paneli,

• rozmieszczenie modułów względem siebie,

• natężenie promieniowania słonecznego,

• kąt nachylenia dachu,

• poziom zacienienia modułów,

• technologia instalacji fotowoltaicznej. 

Wydajność pojedynczego panelu fotowoltaicznego, która określa, ile energii elektrycznej jest on w stanie wyprodukować w standardowych warunkach (rozumianych jako moc szczytowa panelu), określa się mianem jednostki kilowatopik - kWp.  Zgodnie z założeniami, skierowany na południe panel fotowoltaiczny o mocy 1 kWp wyprodukuje w ciągu roku średnio 900-980 kWh energii elektrycznej.

Inwestycja w fotowoltaikę, jak i każda inna, powinna być rentowna. Okres zwrotu zależy jednak od wielu czynników, które należy dobrze poznać, zanim zdecydujemy się na montaż paneli PV. Szacując moc przydomowej mikroinstalacji należy przede wszystkim dokonać analizy wysokości dotychczasowych rachunków za prąd. Na ich podstawie dowiemy się, ile energii elektrycznej zużywamy. W kalkulacjach warto jednak przyjąć pewną nadwyżkę, szczególnie gdy w nadchodzących latach planujemy zakup auta z napędem elektrycznym, powiększenie rodziny czy też montaż klimatyzacji. Każde dodatkowe urządzenie w domu wpięte do gniazdka, oznacza bowiem większy pobór energii elektrycznej. 

Zakładając, że zużywamy rocznie średnio około 3000 kWh, możemy przyjąć, że instalacja o mocy 3 kW powinna nam wystarczyć. Są to jednak bardzo poglądowe dane, które należy zestawić z informacjami na temat:

• miejsca montażu,

• wielkością połaci dachu czy gruntu, gdzie planowana jest inwestycja,

• dostępem do promieni słonecznych (im więcej zacienienia, tym mniejsza produkcja prądu),

• orientacją względem stron świata,

• kątem nachylenia.

Nie możemy również zapomnieć o tym, że moc modułów fotowoltaicznych maleje wraz z biegiem czasu. Choć gwarancje produktowe czołowych producentów udzielane są zwykle na okres 12, 15, a nawet 25 lat, to gwarancja liniowa po okresie 25 lat wynosi średnio od 80% do 85% wydajności początkowej paneli PV. W przypadku wątpliwości, czy trudności w oszacowaniu zapotrzebowania naszego gospodarstwa domowego, firmy czy gospodarstwa rolnego na energię, warto o pomoc poprosić doświadczonych instalatorów. Doskonale znają oni warunki rynkowe i pomogą wybrać rozwiązanie „skrojone” idealnie na miarę naszych potrzeb, co pomoże uniknąć niedowymiarowania lub przewymiarowania instalacji fotowoltaicznej.

Rosnąca świadomość ekologiczna naszego społeczeństwa sprawia, że temat fotowoltaiki często pojawia się w kontekście wyboru form ogrzewania nowoczesnych domów, a szczególnie w odniesieniu do pomp ciepła. Skąd taki trend? Przyczyna jest prosta – te dwa systemy wzajemnie się uzupełniają. Pompa ciepła pobiera energię z naturalnego środowiska – z powietrza, gruntu lub wody, jednak do jej działania potrzebny jest też prąd. 

Jeśli pozyskiwany jest on z instalacji fotowoltaicznej, to koszt obsługi pompy ciepła, a tym samym ogrzewania domu, znacznie maleje. Połączenie więc tych dwóch systemów przynosi prosumentom wymierne korzyści, niezależnie od pory roku. Zmagazynowane bowiem w okresie większego nasłonecznienia nadwyżki prądu mogą z powodzeniem być wykorzystane przez pompę ciepła w zimie, gdy produkcja energii elektrycznej z racji krótszego nasłonecznienia jest niższa. 

Poznając bliżej zasady działania instalacji fotowoltaicznych, warto także zwrócić uwagę na możliwość połączeni korzyści płynących z ich użytkowania z instalacją solarną. Choć często pojęcia paneli fotowoltaicznych i paneli słonecznych bywają używane zamiennie, to jednak są to zupełnie różne typy instalacji, o odmiennym przeznaczeniu. Instalacja fotowoltaiczna jak już wiemy, służy do zamiany energii pozyskanej ze słońca w prąd. Z kolei panele słoneczne zamieniają energię słoneczną w ciepło i mogą podgrzać zbiornik wody do temperatury 70º C w zaledwie kilka godzin. Decydując się na inwestycje w obydwa systemy, możemy wyprodukowany dzięki fotowoltaice prąd elektryczny wykorzystać do zasilania elektrycznych urządzeń podgrzewających wodę. Wówczas koszty ciepłej wody zdecydowanie zmaleją. 

Efektywne i bezawaryjne działanie instalacji fotowoltaicznej to marzenie każdego inwestora. Warto więc już na etapie planowania całego przedsięwzięcia dobrze przemyśleć strategię pozyskiwania prądu ze słońca. W tym kontekście bardzo ważne jest dokładne zweryfikowanie jakości poszczególnych komponentów instalacji PV. Musimy bowiem pamiętać, że jej średnia żywotność szacowana jest na 25 lat. Aby zainwestowane w fotowoltaikę środki zwróciły nam się po średnio 6-8 latach, trzeba wybrać panele fotowoltaiczne i falownik, które pochwalić się mogą dobrymi parametrami – wydajnością, szybkością pracy czy kompatybilnością z pozostałymi elementami systemu. Powinniśmy również zwrócić uwagę na okres i zakres gwarancji czy renomę producenta. Wśród znanych i cenionych na rynku producentów paneli PV wymienić można takie marki jak Encor, Q.Cells, Risen Energy, DMEGC SOLAR, LG, Jinko Solar, Ja Solar, Longi Solar, Bruk Bet, Zn Shine, Sharp, Selfa czy Sun Power. Z kolei wśród producentów falowników na uwagę zasługują takie firmy jak Solar Edge, Sofar Solar, Fronius, SMA, Sungrow, Huawei, Fimer, Growatt, Afore oraz Enphace.

Poprawne działanie instalacji fotowoltaicznej uzależnione jest również od przygotowania projektu. Błędne oszacowanie nośności czy powierzchni dachu, a także niewłaściwe poprowadzenie okablowania może skutkować koniecznością wykonania korekty projektu instalacji już na etapie montażu, co może przełożyć się na podniesienie kosztów z racji dłużej trwających prac. 

Często spotykanym błędem inwestorów jest także wybór niesprawdzonych wykonawców, bez doświadczenia w branży. Wraz ze wzrostem popularności fotowoltaiki na rynku pojawiło się niestety wielu pseudo specjalistów oferujących swoje usługi. Musimy jednak pamiętać, że jakość wykonanej instalacji fotowoltaicznej przekłada się na jej bezawaryjną pracę i możliwość wytwarzania prądu bez jakichkolwiek przestojów, co z kolei skraca okres zwrotu z inwestycji. Kwestia ta jest ważna także w odniesieniu do tematu pożarów instalacji fotowoltaicznych czy możliwych przepięć. Decydując się więc na montaż fotowoltaiki, powinniśmy dokładnie dowiedzieć się, jak działa instalacja fotowoltaiczna, a do jej wykonania zatrudnić rzetelnych fachowców. 

Sieć partnerska CORAB Partner obejmuje swym zasięgiem obecnie ponad 120 zweryfikowanych wykonawców instalacji fotowoltaicznych z całej Polski. Decydując się na współpracę z jednym z instalatorów zrzeszonych w naszej sieci, zyskujesz pewność, że zastosują oni podczas montażu fotowoltaiki najwyższej jakości komponenty, zapewnią pełną obsługę, począwszy od momentu oszacowania mocy instalacji, przez jej montaż, uruchomienie i przyłącz, aż po obsługę gwarancyjną. Co ważne, pomogą też w wyborze najlepszej formy dofinansowania.

Systematyczne podwyżki cen za energię elektryczną sprawiają, że inwestycjami w instalacje fotowoltaiczne interesuje się coraz szersze grono osób prywatnych, rolników, jak i przedsiębiorców. Z informacji udostępnionych przez Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej Polska PV wynika, że polski rynek mikroinstalacji fotowoltaicznych jest wart blisko 6 mld zł. Jednocześnie nic nie wskazuje na to, aby trend ten miał ulec zmianie. Warto więc poznać zasady działania instalacji fotowoltaicznej, aby odpowiednio dostosować jej moc do bieżących potrzeb i skorzystać z dostępnych na rynku licznych dofinansowań do fotowoltaiki. W ten sposób można znacząco obniżyć wysokość comiesięcznych zobowiązań wobec zakładu energetycznego i działać na rzecz środowiska naturalnego. 

Uruchomiona kolejna, trzecia już edycja programu Mój Prąd 3.0, która ruszyła 1 lipca 2021 roku, daje możliwość pozyskania nawet 3 tys. zł na montaż instalacji fotowoltaicznej o mocy od 2 do 10 kWp, które zostały ukończone po 31 stycznia 2020. Wnioski o dofinansowanie instalacji fotowoltaicznej należy składać drogą elektroniczną, poprzez Generator Wniosków o Dofinansowanie, znany pod potoczną nazwą GWD. Poprzednie dwie edycje programu cieszyły się bardzo dużym zainteresowaniem beneficjentów i pula środków została szybko wyczerpana. Jeśli chcemy więc w najbliższych latach czerpać korzyści z OZE, warto jak najszybciej wystąpić o dotację.

Rolnicy skorzystać mogą z kolei z programu Agroenergia, który oferuje dwie formy wsparcia. Pierwsza z nich to bezzwrotna dotacja w kwocie do 25 tys. zł. Druga natomiast ma formę pożyczki udzielanej na preferencyjnych warunkach - zgodnie z założeniami programu rolnicy mogą pozyskać nawet 100% finansowania na instalacje fotowoltaiczne i spłacić zaciągnięte zobowiązanie w okresie nieprzekraczającym 15 lat. 

Z kolei przedsiębiorcy, jako jedną z form wsparcia inwestycji w OZE, mogą skorzystać z Programu Energia Plus. Podobnie jak w przypadku rolników, mogą oni liczyć na dofinansowanie w formie pożyczki lub dotacji. W przypadku pożyczki kwota udzielona na finansowanie instalacji fotowoltaicznej nie może przekroczyć 85% wartości łącznych kosztów kwalifikowanych, natomiast dotacja udzielana jest do wysokości połowy kosztów. Dużym zainteresowaniem cieszy się także wśród przedsiębiorców leasing instalacji fotowoltaicznych czy oferowane do korzystnych warunkach kredyty oferowane przez renomowane banki.

Analizując dotychczasowe trendy rynkowe, można stwierdzić, że popularność fotowoltaiki w najbliższych latach nadal będzie utrzymywać się na wysokim poziomie. Przemawiają za tym nie tylko zachowania konsumentów, ale i uwarunkowania prawne czy wymogi stawiane przez Unię Europejską. Wobec rosnących kosztów za energię elektryczną i spadających cen poszczególnych komponentów instalacji fotowoltaicznych, inwestorzy przychylnym okiem patrzą na korzyści płynące z odnawialnych źródeł energii. 

W przypadku inwestorów prywatnych korzyści przede wszystkim przekładają się na finanse. Dostępne dotacje czy możliwość skorzystania z ulgi termomodernizacyjnej są okazją do realnego zaoszczędzenia pieniędzy. Natomiast przedsiębiorcy inwestujący w OZE poza aspektem ekonomicznym, zyskują także renomę. Dbanie o środowisko jest bowiem ważnym elementem rozwoju wielu firm, szczególnie produkcyjnych. W tym kontekście fotowoltaika jest i będzie ważnym czynnikiem rozwojowym, determinującym możliwości rynkowe i zwiększającym przewagę konkurencyjną przedsiębiorstw.

Wszystkich, którzy chcą dowiedzieć się, jak działa instalacja fotowoltaiczna, zapraszamy do udziału w organizowanych przez CORAB cyklicznie webinarach i szkoleniach prowadzonych przez fachowców w dziedzinie OZE, a także do skorzystania z bazy wiedzy dostępnej na naszej stronie internetowej. Doradzamy, dzielimy się zdobytym doświadczeniem – wszystko po to, aby Twoja instalacja fotowoltaiczna działała wydajnie i przynosiła wymierne korzyści w postaci darmowej energii elektrycznej. Doskonale wiemy, że rentowność inwestycji zależy od dokonania dobrych wyborów, bazujących na rzetelnych informacjach. Korzystając z doświadczenia ekspertów CORAB zyskasz pewność, że zamontowana w Twoim domu, gospodarstwie rolnym czy firmie instalacja fotowoltaiczna będzie działać poprawnie, bez przestojów.

Masz pytania? Potrzebujesz więcej informacji? Skontaktuj się z nami