Instalacje fotowoltaiczne coraz częściej montowane są na dachach budynków, elewacjach i na gruncie. Wykorzystują one w pełni darmową, odnawialną i ogólnie dostępną energię z promieniowania słonecznego do produkcji energii elektrycznej. Następnie może ona zostać przeznaczona do zasilania urządzeń elektrycznych znajdujących się w gospodarstwie domowym, rolnym, czy też firmie. Instalacja fotowoltaiczna zbudowana jest z kilku ważnych elementów. Za pozyskiwanie energii z promieni słonecznych i przekształcanie jej w energię elektryczną odpowiedzialne są panele fotowoltaiczne. Jak są zbudowane? Jak działają?
Przeczytaj także:
- Ile ważą panele fotowoltaiczne?
- Fotowoltaika a instalacja elektryczna — o czym pamiętać przy jej podłączaniu?
- Wzrost cen prądu 2024 – jak zaoszczędzić?
Podstawowe informacje na temat budowy panela fotowoltaicznego
Warto na samym początku podkreślić, że budowę panela fotowoltaicznego można podzielić na kilka poziomów. Zanim jednak przejdzie się do tego zagadnienia, należy wytłumaczyć pewne kwestie z tym związane. Z pewnością niejedna osoba spotkała się z określeniem ogniwa fotowoltaicznego, modułu fotowoltaicznego i panela fotowoltaicznego. Terminy te często są stosowane naprzemiennie, w praktyce jednak, według jednostki badawczej Uniwersytetu Centralnej Florydy – Florida Solar Energy Center – określenia te dotyczą różnych poziomów konstrukcji paneli PV.
Ogniwo fotowoltaiczne jest najmniejszą częścią składową, która buduje jednostkę PV i to w niej zachodzi zjawisko fotowoltaiczne pozwalające na zamianę promieni słonecznych na energię elektryczną. Moduł fotowoltaiczny to natomiast funkcyjny zestaw połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych. Co ciekawe, ogniwa w module mogą być połączone szeregowo, hybrydowo albo równolegle. Natomiast panele fotowoltaiczne to zmontowane i spięte przewodami moduły.
Na co dzień, zarówno w Polsce, jak i za granicą, granice znaczeniowe pomiędzy poszczególnymi terminami technicznymi często się zacierają. Jest to szczególnie widoczne w przypadku modułów i paneli fotowoltaicznych, gdzie obecnie te dwa pojęcia są używane zamiennie. W celu ułatwienia odbioru treści przez czytelników również w kontekście niniejszego artykułu, terminy “moduły fotowoltaiczne” i “panele fotowoltaiczne” będą traktowane jako synonimy.
Panel fotowoltaiczny – budowa
Moduły fotowoltaiczne to zróżnicowana kategoria podzespołów fotowoltaicznych. W tym artykule skupimy się na krzemowych modułach PV. Są one zbudowane z połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych.
Konstrukcja pojedynczego panelu fotowoltaicznego składa się z kilku warstw. Na samym wierzchu znajduje się hartowana szyba, zazwyczaj o grubości około 3,2 mm. Jej zadaniem jest ochrona modułu przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak grad czy deszcz. Szkło często jest pokrywane specjalnymi powłokami, w tym antyrefleksyjną, która zwiększa produkcję energii przez minimalizowanie odbicia promieni słonecznych oraz powłoką ułatwiającą samoczyszczenie.
Poniżej szyby znajduje się pierwsza warstwa enkapsulantu, zwykle wykonana z folii EVA (etylenowy polioctan winylu), która chroni wnętrze modułu, w tym połączenia elektryczne przed brudem i wilgocią. Laminacja tą folią zwiększa także wytrzymałość modułu. Następna warstwa to połączone ze sobą ogniwa fotowoltaiczne, będące najważniejszą częścią modułu, odpowiedzialne za przemianę energii słonecznej w energię elektryczną. Grubość tej warstwy zależy od rodzaju ogniw i wynosi od około 0,3 mm do kilku lub kilkudziesięciu mikronów.
Kolejną warstwą jest druga warstwa enkapsulantu, która wraz z pierwszą tworzy szczelną ochronę dla płytek krzemowych. Na samym spodzie modułu znajduje się folia elektroizolacyjna, pełniąca funkcję ochronną i często nadająca modułowi kolor. Na zewnątrz modułu umieszczona jest aluminiowa rama, która nadaje sztywność i wytrzymałość całej konstrukcji. W jego tylnej części znajduje się puszka przyłączeniowa, która zawiera diody obejściowe (bypass) oraz przewody ze złączami do łączenia modułów w instalację.
Jak zbudowane jest ogniwo fotowoltaiczne?
Wiadomo już, z czego jest zbudowany panel fotowoltaiczny. Warto teraz bardziej szczegółowo opisać budowę samego ogniwa, które stanowi najważniejszy element w module. Składa się ono z następujących warstw:
- elektrody ujemnej — umieszczonej w górnej części płytki krzemowej, której zadaniem jest zbieranie elektronów,
- warstwy antyrefleksyjnej — odpowiada ona za minimalizowanie odbicia promieni słonecznych, co jest naturalnym zjawiskiem dla krzemu krystalicznego,
- pierwszej, cienkiej warstwy krzemu — naładowana dodatnio lub ujemnie, w ogniwach typu N pierwsza warstwa to krzem typu P (naładowany dodatnio), natomiast w ogniwach typu P (najbardziej powszechnych na rynku) jest to krzem typu N (naładowany ujemnie),
- złącza “p-n” – jest niezbędne dla powstawania napięcia na elektrodach w ogniwie,
- właściwej, grubszej warstwy krzemu — naładowana odwrotnie do pierwszej warstwy, decydująca o tym, czy ma się do czynienia z ogniwem typu N, czy typu P,
- Elektrody dodatniej — znajduje się w dolnej części ogniwa.
Warto zaznaczyć, że w zależności od zastosowanej technologii, budowa ogniw fotowoltaicznych może się różnić. W niektórych przypadkach mogą pojawić się dodatkowe warstwy, a rozmieszczenie poszczególnych elementów może być inne. Każdy typ ogniwa fotowoltaicznego ma swoją unikatową strukturę, dostosowaną do konkretnej technologii i zastosowania.
Jaka jest zasada działania panela fotowoltaicznego?
Panel fotowoltaiczny w najprostszy sposób można opisać jako urządzenie zamieniające promieniowanie słoneczne w energię elektryczną, czyli prąd stały. Proces ten odbywa się dzięki zjawisku fotowoltaicznemu.
Szczegółowo analizując ten proces, należy zauważyć, że przemiana światła w prąd zachodzi dzięki obecności półprzewodnika w ogniwie fotowoltaicznym, którym najczęściej jest krzem. Elektrony krzemu reagują na strumień światła słonecznego, a dokładniej – na strumień fotonów, co powoduje ich ruch. Elektrony przemieszczają się między elektrodami umieszczonymi w ogniwie, generując różnicę potencjałów, czyli napięcie elektryczne.
Otrzymany w ten sposób prąd jest prądem stałym (DC), który nie jest odpowiedni do zasilania większości urządzeń. Dlatego konieczne jest jego przekształcenie na prąd przemienny (AC). Odbywa się to za pomocą urządzenia zwanego falownikiem. Jest to kluczowy element w efektywnym wykorzystaniu energii wyprodukowanej przez panele fotowoltaiczne.
