Efekt fotoelektryczny jako podstawa działania
Praca ogniwa fotowoltaicznego opiera się na zjawisku fotoelektrycznym opisanym przez Alberta Einsteina w 1905 roku. Gdy foton światła słonecznego o odpowiedniej energii uderza w atom półprzewodnika (najczęściej krzemu), wybija z niego elektron. Ten elektron staje się nośnikiem ładunku elektrycznego i może przemieszczać się w obwodzie zewnętrznym.
Ogniwo fotowoltaiczne zbudowane jest z dwóch warstw krzemu o różnym domieskowaniu: warstwy typu P (wzbogaconej borem) i warstwy typu N (wzbogaconej fosforem). Na granicy obu warstw tworzy się pole elektryczne – tzw. złącze p-n. To pole elektryczne kieruje wyzwolonymi elektronami, umożliwiając wytwarzanie napięcia stałego (DC).
Instalacja fotowoltaiczna o mocy 1 MW. Źródło: Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0
Budowa modułu fotowoltaicznego
Podstawową jednostką jest ogniwo o wymiarach typowo 156 × 156 mm lub 166 × 166 mm. Kilkadziesiąt ogniw połączonych szeregowo i równolegle tworzy moduł (panel) fotowoltaiczny. Typowy moduł do zastosowań prosumenckich ma moc od 370 do 450 Wp (wat peak – moc szczytowa w warunkach standardowych STC).
Typy ogniw stosowanych w Polsce
- Monokrystaliczne (mono-Si) – najwyższa sprawność (typowo 20–23%), wyższa cena. Lepsza wydajność przy niskim natężeniu światła, np. w pochmurne dni.
- Polikrystaliczne (poly-Si) – nieco niższa sprawność (16–18%), niższy koszt produkcji. Rozwiązanie stosowane rzadziej w nowych instalacjach po 2020 roku.
- Monokrystaliczne PERC/TOPCon – zaawansowane technologie obniżające straty rekombinacji, osiągają sprawność powyżej 22% w modułach komercyjnych.
Sprawność modułu w warunkach STC (25°C, 1000 W/m², AM 1,5) nie jest tożsama z rzeczywistą wydajnością w terenie – temperatura panelu w słoneczny dzień może przekraczać 60°C, co obniża moc o ok. 0,3–0,5% na każdy stopień powyżej 25°C.
Rola inwertera w systemie PV
Panel wytwarza prąd stały (DC). Większość odbiorników domowych i sieć elektroenergetyczna pracują na prądzie przemiennym (AC) o napięciu 230 V i częstotliwości 50 Hz. Zadaniem inwertera jest konwersja DC na AC.
Współczesne inwertery sieciowe zawierają algorytm śledzenia punktu mocy maksymalnej (MPPT – Maximum Power Point Tracking), który na bieżąco dostosowuje parametry pracy do zmieniających się warunków oświetlenia. Sprawność inwerterów sieciowych wynosi typowo 97–98,5%.
Rodzaje inwerterów
- Inwerter stringowy – jeden centralny inwerter obsługuje szereg (string) połączonych paneli. Rozwiązanie standardowe dla instalacji od 3 do kilkudziesięciu kWp.
- Mikroinwerter – jeden inwerter na każdy panel. Korzystne przy częściowym zacienieniu lub złożonej geometrii dachu. Wyższy koszt jednostkowy.
- Inwerter hybrydowy – obsługuje jednocześnie panele PV i magazyn energii (akumulator). Umożliwia optymalizację autokonsumpcji.
Przepływ energii w instalacji prosumenckiej
W typowej instalacji domowej podłączonej do sieci energetycznej energia wytwarzana przez panele w pierwszej kolejności zasila bieżące potrzeby budynku. Nadwyżka przepływa do sieci operatora dystrybucyjnego (OSD). W godzinach nocnych lub przy dużym poborze instalacja pobiera energię z sieci.
Od 1 kwietnia 2022 roku obowiązuje w Polsce system rozliczeń net-billing: nadwyżka energii wprowadzona do sieci jest wyceniana po cenie rynkowej (RCEm – rynkowa cena energii elektrycznej na rynku miesięcznym). Zgromadzone środki można wykorzystać do opłacenia rachunków za energię pobraną z sieci w ciągu 12 miesięcy.
Instalacje zgłoszone do OSD przed 1 kwietnia 2022 roku mogły skorzystać ze starego systemu net-metering przez 15 lat od daty pierwszego rozliczenia. Nowe instalacje funkcjonują wyłącznie w systemie net-billing.
Monitorowanie pracy instalacji
Większość inwerterów oferuje wbudowany moduł komunikacyjny (Wi-Fi lub RS485), który przesyła dane o produkcji do chmurowej aplikacji producenta. Dane zwykle obejmują: chwilową moc produkcji, dzienną i łączną produkcję energii, temperaturę inwertera oraz ewentualne kody błędów.
Dodatkowe monitorowanie zużycia realizują mierniki energii montowane przed rozdzielnią, które umożliwiają śledzenie autokonsumpcji i importu z sieci w czasie rzeczywistym.
Wpływ warunków atmosferycznych na wydajność
Wysoka temperatura panelu obniża napięcie ogniwa i tym samym moc modułu. W polskich warunkach klimatycznych wiosenne i jesienne dni mogą dawać lepsze wyniki niż szczytowe lato właśnie z powodu niższej temperatury ogniw przy dobrej ekspozycji słonecznej.
Zanieczyszczenia (pył, ptasie odchody, liście) mogą zmniejszyć produkcję o kilka procent rocznie. Większość instalacji dachowych samoczynnie oczyszcza się podczas deszczu, jednak w rejonach o dużym zapyleniu zalecane jest manualne czyszczenie raz w roku.
Szczegółowe informacje o kryteriach doboru komponentów opisano w artykule Dobór paneli i inwerterów do instalacji domowej. Informacje o dostępnych formach wsparcia finansowego zebrano w opracowaniu Dofinansowania OZE w Polsce.