Fotowoltaika jest technologią umożliwiającą produkcję energii elektrycznej ze światła słonecznego. Proces przemiany światła słonecznego na energię elektryczną następuje w ogniwach fotowoltaicznych gdzie zachodzi zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Im większe natężenie światła tym ogniwa wytwarzają więcej energii. Łącząc ogniwa powstaje moduł fotwoltaiczny, którego wielokrotność mocujemy np. na dachu budynku. Tak powstaje elektrownia słoneczna o mocy maksymalnej zależnej od ilości i mocy modułów.
Rozróżniamy dwa rodzaje instalacji PV - "off-grid" (autonomiczne) oraz "on-grid" (przyłączone do sieci).
System autonomiczny ma na celu magazynowanie wytworzonej energii w akumulatorach. Ilość energii do wykorzystania jest zależna od naładowania akumulatorów. Taki rodzaj instalacji wykorzystywany jest tam gdzie przyłączenie do sieci energetycznej jest nie opłacalne (np. schroniska w górach) oraz do systemów podtrzymywania energii (np. lokalizacje gdzie są częste przerwy w dostawach prądu). Na rynkach europejskich jest mały procent instalacji takiego rozwiązania.
System "on-grid" jest najbardziej popularnym rozwiązaniem. Elektrownie słoneczną podpinamy do wewnętrznej instalacji elektrycznej poprzez tzw. falownik (inwerter), który zamienia prąd stały wytworzony przez moduły na prąd przemienny o parametrach jednakowych z dostarczonym z sieci energetycznej. Wytworzoną energię możemy wykorzystywać przez cały czas pracy modułów, a niewykorzystaną energię oddajemy do sieci. Jeśli podpiszemy umowę z zakładem energetycznym o sprzedaży wytworzonej energii i założą nam dwukierunkowe liczniki energii to zakład będzie nam płacił za nadwyżki oddane do sieci. W przypadku wybudowania tzw. farmy fotowoltaicznej instalacja podłączona zostanie bezpośrednio do przyłącza energetycznego i cała energia zostanie oddana do sieci.
ELEMENTY SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH
Baterie sloneczne / Panele słoneczne / Moduły fotowoltaiczne - to urządzenia wykorzystywane w instalacjach fotowoltaicznych zbudowane z połączonych odpowiednio ogniw fotowoltaicznych które wykorzystują zjawisko fotoelektryczne do produkcji energii elektrycznej. Podstawowym materiałem używanym do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem. W laboratoriach uzyskuje się sprawności konwersji promieniowania słonecznego ogniw krzemowych na prąd elektryczny dochodzące 24%. Możliwe jest uzyskanie nawet większej sprawności, lecz takie ogniwa są wykorzystywane tylko w przemyśle kosmicznym, ze względu na wysoką cenę. Średnia żywotność baterii słonecznych zależy od jej typu i wynosi kilkadziesiąt lat. Większość producentów gwarantuje,że po 25 latach wydajność panelu słonecznego spada do około 80% mocy początkowej.
Rodzaje krzemu wykorzystywane w bateriach słonecznych:
-
monokrystaliczny - najwyższa sprawność: 14-20%, szczególnie w słoneczny dzień, najwyższa trwałość, najwyższa cena,
-
polikrystaliczny - wysoka sprawność konwersji: 13-17%, w warunkach zachmurzenia może być nawet wyższa od modułów monokrystalicznych, trwałość porównywalna z krzemem monokrystalicznym, cena minimalnie niższa od ogniw z krzemu monokrystalicznego,
-
amorficzny - nieco niższa sprawność od baterii monokrystalicznych. Coraz powszechniej stosowane ze względu na niska cenę. Wykorzystywane również w elastycznych panelach słonecznych stosowanych w turystyce
-
molykrystaliczny - połaczenie kszemu monokrystalicznego z polikrystalicznym. Na etapie produkcji kryształów krzemu dochodzi do zmiany technologii z mono na polikrystaliczną. Baterie słoneczne tego typu osiągaja sprawność nieco niższa niż monokrystaliczne a wyższą od polikrystalicznych
Regulator ładowania - to urządzenie stosowane między baterią słoneczną a akumulatorem. Regulatory są używane aby utrzymywać akumulator w pełni naładowany i nie dopuszczać do jego przeładowania a takze nadmiernego rozładowania przez odbiorniki. Zabezpieczają także przed tzw. prądem "ciemnym" pobieranym przez panel słoneczny przy braku oswietlenia, jeżeli panel nie został wyposażony w diodę blokującą. Regulatory mogą się różnić napięciem z jakim pracują oraz maksymalnym natężeniem prądu jaki może przez nie płynąć. Typowy regulator pracuje z napięciem 12 lub 24V. Zawansowane regulatory typu MPPT używają systemu śledzenia punktu maksymalnej mocy uzyskiwanej z panela, który automatycznie pozwala systemowi pracować przy napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową.
Rodzaje regulatorów:
-
prosty 1-2 stopniowy – pracuje na zasadzie przetłaczania energii do akumulatora. Po osiągnięciu odpowiedniego napięcia, panel zostaje odłączony.
-
3 stopniowy PWM
-
MPPT (maximum power point tracking) - regulatory śledzące maksymalne napięcie. Ten typ regulatorów również pracuje w trybie PWM. Regulatory typu MPPT pozwalają na dostarczenie 10-30% więcej energii do akumulatora. Zazwyczaj są droższe od standardowych regulatorów PWM.
PWM - regulatory słoneczne PWM używają technologii podobnej do nowoczesnych ładowarek baterii. Gdy napięcie baterii osiąga wyznaczony limit, algorytm PWM powoli redukuje prąd ładowania aby zapobiec przegrzaniu się baterii, w tym samym czasie próbując dostarczyc maksymalną ilość energii do baterii w jak najkrótszym czasie. PWM działa na zasadzie ładowania pulsacyjnego. Zamiast ciągłego dostarczania energii do akumulatora, wysyła on krótkie serie wysokiego napięcia. Regulator sprawdza poziom naładowania baterii i określa jak długa powinna być wysłana seria napięcia. W przypadku naładowanego akumulatora, regulator wysyła krótki sygnał co pare sekund, zaś w przypadku rozładowanej baterii, sygnał jest długi i niemalże ciągły.
Dodatkowo, technologia PWM ma też dodatkowe interesujące zalety. Oto one:
-
możliwość przywrócenia początkowej pojemności akumulatora
-
zwiększa akceptację prądu przez akumulator
-
akumulator można naładować do 90-95% jego pojemności przy 60% dla klasycznych rozwiązań.
-
zmniejsza nagrzewanie się baterii
-
automatyczne dostosowanie do starzenia się baterii słonecznych
-
regulacja spadków napięcia i efektów temperatury w systemach paneli solarnych
Korzyści, jakie otrzymujemy dzięki temu:
-
dłuższa żywotność akumulatora
-
mniejszy koszt systemu solarnego
-
większa pojemność akumulatora
-
zmniejszenie częstotliwości odłączania się urządzeń
-
możliwość zastosowania mniejszej baterii w celu zmniejszenia kosztów
-
20%-30% więcej energii z paneli słonecznych
-
możliwość zmniejszenia rozmiaru systemu słonecznego
