Zasada działania ogniw fotowolticznych

BUDOWA OGNIWA FOTOWOLTAICZNEGO

Ogniwo fotowoltaiczne składa się wysokiej czystości krzemu, na którym uformowana została bariera potencjału w postaci złącza P-N (positive-negative). Padające na złącze fotony powodują powstawanie pary nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, elektron  dziura, które na skutek obecności złącza P-N zostają rozdzielone w dwie różne strony. Elektrony trafiają do złącza N a dziury do złącza P. Na złączu powstanie napięcie elektryczne. Ponieważ rozdzielone ładunki są nośnikami nadmiarowymi, mające tzw. nieskończony czas życia a napięcie na złączu P-N jest stałe, złącze, na które pada światło działa jak stabilne ogniwo elektryczne.



Rys 1. Budowa ogniwa PV
1. półprzewodnik n 2. złącze p-n  3. półprzewodnik p 4. 5. metaliczne połączenia 6. materiał antyrefleksy


ZASADA DZIAŁANIA
INSTALACJI FOTOWOLTAICZNEJ


Rys 2. 
Schemat instalacji ogniw fotowoltaicznych 

Ogniwo fotowoltaiczne to element półprzewodnikowy, który pod wpływem padających promieni słonecznych wytwarza prąd. Ogniwo fotowoltaiczne może być również nazywane ogniwem PV lub po prostu ogniwem słonecznym. Ogniwa takie połączone ze sobą stanowią panel słoneczny (Rys 2.)

Padające na ogniwo słoneczne promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, wtedy tworzą się pary nośników o przeciwnych ładunkach. Następnie zostają one rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, co w konsekwencji prowadzi do tego, iż w ogniwie pojawia się napięcie. Teraz do ogniwa wystarczy tylko podłączyć urządzenie pobierające energię, aby doszło do przepływu prądu elektrycznego.


Rys 3. Panel słoneczny

SYSTEM FOTOWLTAICZNY


Działanie systemu fotowoltaicznego jest stosunkowo proste. Ogniwa fotowoltaiczne zawarte w panelach słonecznych pod wpływem energii słonecznej podlegają tzw. efektowi fotowoltaicznemu, w wyniku którego powstaje prąd stały. Za pomocą inwertera (falownika) zostaje on przekształcony na prąd zmienny o parametrach elektrycznych odpowiadających sieci publicznej. Prąd z inwertera ma nieznacznie większą częstotliwość co powoduje „wypychanie” prądu z sieci i wykorzystanie w pierwszej kolejności prądu z instalacji PV. Nadmiar prądu, którego w danej chwili nie wykorzystujemy jest „odsprzedawany” poprzez licznik dwukierunkowy. Jeżeli wykorzystujemy więcej prądu niż produkujemy niedobór jest „dobierany” z sieci publicznej.

System fotowoltaiczny składa się z :

  • paneli fotowoltaicznych  paneli PV (potocznie zwanych bateriami słonecznymi)

  • systemu mocowania paneli PV do dachu

  • inwertera DC / AC (to urządzenie, które zamienia prąd produkowany w panelach na prąd, który może być wykorzystywany w domach lub przesyłany do sieci elektrycznej

  • zabezpieczeń ( urządzeń automatycznie wyłączających instalacje w przypadku niesprawności sieci )

  • okablowania (różnego rodzaju złączki i konektory odpowiedniej jakości)

  •  inteligentnego licznika energii (urządzenie, które mierzy ile energii (kWh) system PV oddaje do sieci)


Rys 4. System fotowoltaiczny 

RODZAJE SYSTEMÓW FOTOWLTAICZNYCH

Żeby korzystać z energii słonecznej, potrzebne są nie tylko same ogniwa, ale cały system. Systemy produkujące prąd za pomocą promieni słonecznych dzieli się na:

  • podłączone do sieci (grid connected, on grid) - nie potrzebują akumulatorów. Nadwyżki prądu kierowane są do sieci publicznej, a nie magazynowane w akumulatorach. System fotowoltaiczny sieciowy składa się z paneli słonecznych, inwertera oraz konstrukcji mocującej. Zamiana prądu stałego płynącego z paneli fotowoltaicznych na prąd zmienny obecny w gniazdkach elektrycznych następuje przy pomocy inwertera. Taki prąd wykorzystywany jest przez gospodarstwo domowe. Nadmiar energii elektrycznej "odsprzedawany" jest poprzez licznik dwukierunkowy do sieci publicznej.


Rys 5. System fotowoltaiczny sieciowy

Zaletą systemu sieciowego jest wynikająca z podłączenia do sieci publicznej całodobowa dostępność prądu, bez ograniczeń, w nocy pobieramy prąd z sieci publicznej. Brak akumulatorów czyni to rozwiązanie tańszym. Możliwość rozliczenia netto (net metering) po wejściu ustawy OZE oraz ciągle rosnące ceny prądu powoduje, że jest to dobra inwestycja długoterminowa.

  • autonomiczne (off grid) - działają w sieci zamkniętej. Mogą przekazywać prąd wprost do urządzeń lub magazynować energię w akumulatorach. System autonomiczny składa się z paneli słonecznych, regulatora ładowania, akumulatorów oraz inwertera dla systemów off-grid. Ilość paneli, akumulatorów oraz inwertera dobiera się do mocy wszystkich urządzeń i planowanego czasu ich dobowego użytkowania. Należy również określić dni autonomii, czyli dni o bardzo złych warunkach pogodowych, kiedy produkcja elektryczności będzie mniejsza. 


Rys 6. System fotowoltaiczny autonomiczny

ZASADA DZIAŁANIA INWERTERA (FALOWNIKA) FOTOWOLTAICZNEGO



Inwerter jest tak naprawdę jedynym urządzeniem w całej instalacji fotowoltaicznej który może ulec awarii, dlatego często staje się on newralgicznym punktem przy projektowaniu mikro-elektrowni PV. Dla prosumenta najlepszym scenariuszem jest długoletnia żywotność instalacji na poziomie 25 lat, dlatego warto pomyśleć nad kupnem falownika z wyższej pułki cenowej, który będzie charakteryzować się dobrą wydajnością oraz wentylacją. Różnice cenowe nie są też tak duże w porównaniu do chińskich producentów a jakość wykonania jest o niebo lepsza.

Co do samego działania falownika fotowoltaicznego to ma on za zadanie konwertować prąd stały powstający na kablach DC między inwerterem a panelami fotowoltaicznymi na prąd zmienny który będzie można użytkować w sieci energetycznej budynku 
(230/400V 50Hz).
Tutaj wyróżniamy dwa rodzaje inwerterów - jednofazowe oraz trójfazowe. Łączą się one bezpośrednio z układem zasilania faz budynku, generując prąd z uwzględnieniem priorytetowości fotowoltaiki nad energią z sieci (pierw urządzenia czerpią energię wygenerowaną przez układ fotowoltaiczny, następnie ewentualny niedobór jest uzupełniany energią z sieci). 
Falowniki można podzielić także na falowniki transformatorowe i beztransformatorowe. Obecnie rynek instalacji PV zdominowany jest przez falowniki beztransformatorowe. Ich zalety to lekka budowa i lepsza sprawność w szerokim zakresie obciążenia w stosunku do inwerterów zawierających transformator.



Większość współcześnie produkowanych falowników ma wbudowany system Ethernet pozwalający na połączenie go z odpowiednia aplikacją producenta, dający zdalne monitorowanie, kontrole oraz zbieranie danych o wytworzonej przez siebie energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej.