Energia ze słońca to coś, co jest naturalne dla życia na Ziemi, ale dla technologii jeszcze do niedawna było niedoścignioną fantazją. Dzisiaj instalacje fotowoltaiczne są coraz tańsze w produkcji i łatwiej dostępne, a ich popularność stale rośnie. Czym jest fotowoltaika, na czym polega i jak można ją wykorzystać – nie tylko w domu? Przeczytaj i dowiedz się więcej.
Instalacje fotowoltaiczne- fotowoltaika znajdują zastosowanie nie tylko w domach i w infrastrukturze miejskiej. Dzięki wykorzystaniu nowoczesnych akumulatorów można korzystać z prądu elektrycznego także w miejscach, gdzie to jedyne jego dostępne źródło. Wówczas wytworzenie własnego prądu jest jedynym sposobem, aby z niego skorzystać. Zasilić w ten sposób można wiele różnych urządzeń. Ani przewożenie ciężkich i skomplikowanych generatorów, ani rezygnacja z wygody, którą dają urządzenia elektryczne – nie są obecnie koniecznością.
Na morzu, w chatce wysoko w górach, pośrodku lasu – wszędzie tam, gdzie jeszcze do niedawna trzeba było żyć bez elektryczności, dziś można pozyskać energię z alternatywnych źródeł. Fotowoltaika daje taką możliwość nie tylko na rozległych, pozbawionych deszczowych chmur pustyniach. W miarę jak technologie są rozwijane, panele zyskują większą wydajność. Dzisiaj z powodzeniem można korzystać z nich w Polsce, nie tylko przez krótką część roku. Rozważasz zakup instalacji fotowoltaicznej? Bez względu na to, co Cię do tego motywuje, warto się dowiedzieć, jak działają panele słoneczne i co jeszcze trzeba zakupić, aby mogły spełniać swoje zadanie.
Pojęcia fotowoltaiczne.
Fotowoltaiką nazywa się dziedzinę nauki i techniki, która zajmuje się przetwarzaniem energii ze światła słonecznego na energię elektryczną – czyli, mówiąc prościej – na prąd. Nazwa wywodzi się od członu „foto” oznaczającego „związany ze światłem” oraz „woltaika” od jednostki napięcia elektrycznego, czyli wolta (V). Określenie to obejmuje zarówno badania z dziedziny fizyki i chemii, jak i praktyczne wykorzystanie tej wiedzy w budowie i stosowaniu różnych urządzeń i instalacji. Często słowem tym określa się wszystko, co na mniejszą lub większą skalę związane jest z wytwarzaniem prądu elektrycznego z energii słonecznej. Potocznie wiele osób mianem fotowoltaiki nazywa same instalacje do tego przeznaczone, a nawet same panele – najbardziej widoczną część instalacji.
Światło słoneczne dociera na Ziemię w postaci fotonów, czyli naładowanych energią, pozbawionych masy i zachowujących się w określonych pomiarach jak fale cząstek. Do przechwycenia ich energii niezbędne są ogniwa fotowoltaiczne (zwane także ogniwami słonecznymi lub solarnymi). W nich zachodzą wzajemne interakcje cząsteczek i energii, skutkujące przekazaniem energii dalej i odpowiednim jej przekształceniem – czym jako ludzie znakomicie nauczyliśmy się kierować. Ogniwa wykonuje się obecnie przede wszystkim z płytek krzemu o odpowiedniej strukturze. Nie da się w pełni wykluczyć, że w przyszłości masowe stanie się stosowanie innych materiałów lub wytwarzanie tych elementów innym sposobem, jeśli odkryte zostaną nowe, wydajniejsze możliwości. Jedno ogniwo jest w stanie wytworzyć przeważnie od 1 do blisko 7 watów (W). Nie jest to liczba imponująca, ale ogniwa nie występują pojedynczo – połączone są w moduły, a te z kolei tworzą panele słoneczne.
Energia słoneczna czyli fotowoltaika jest dostępna w bardzo zmiennych ilościach, a napięcie prądu z paneli różni się od tego, które zasila urządzenia elektryczne podłączane do sieci. Dlatego niezbędny jest akumulator do magazynowania energii oraz dodatkowe elementy, których działanie scharakteryzujemy dalej.
Jak działa instalacja fotowoltaiczna
Do wytworzenia prądu elektrycznego, którym można zasilać chociażby sprzęt kuchenny, oświetlenie, domową i osobistą elektronikę, musi zajść szereg procesów fizycznych i chemicznych, które mają miejsce w kolejnych częściach instalacji. Wielu osobom wydaje się, że potrzebny jest właściwie tylko panel słoneczny i prowadzące od niego przewody. Rzeczywistość jest jednak bardziej skomplikowana. Wykorzystując prąd w domach i innych budynkach, w parkometrach, lampach ogrodowych itp. po prostu nie widzimy, co kryją w środku. Natomiast kiedy mowa o zgromadzeniu energii do późniejszego wykorzystania, a nie przesyłania jej od razu do sieci elektrycznej – nietrudno się domyśleć, iż niezbędny jest akumulator. Jak zatem działają poszczególne elementy instalacji solarnej? Skupimy się tutaj na instalacjach niezależnych, zwanych także wyspowymi lub off-grid. Czyli niepodłączonymi do sieci elektrycznej, które można wykorzystać poza skupiskami ludzi, a także mobilnie.
Ogniwa słoneczne – czary czy Fotowoltaika
Gdy na panel słoneczny pada foton (najmniejsza możliwa do zaistnienia w fizyce porcja światła), w ogniwie następuje wzbudzenie potencjału elektrycznego. Jest to możliwe ze względu na liczbę elektronów w atomie krzemu i ich rozmieszczenie na powłokach atomowych. Szczegółowa wiedza na ten temat nie jest niezbędna, gdy chcemy po prostu z energii słonecznej korzystać. Dla zaciekawionych tym, jak to w ogóle działa, warto jednak przypomnieć, iż prąd elektryczny to nic innego jak strumień poruszających się elektronów – naładowanych ujemnie cząstek, które wraz z protonami i neutronami tworzą atomy wszystkich pierwiastków. Z krzemu, który buduje powierzchnie ogniw, łatwo jest wybić elektrony, gdy dostarczy się z zewnątrz energii – np. w postaci fotonów płynących ze słońca. A dzięki specjalnej konstrukcji ogniw, wykorzystującej warstwy naładowanych ujemnie i dodatnio półprzewodników, możemy sprawić, że strumień elektronów popłynie tam, gdzie chcemy – w tym wypadku do instalacji z akumulatorem, abyśmy mogli zasilać urządzenia użytkowe.
Fotowoltaika i akumulatory
Panele słoneczne same w sobie nie wytwarzają prądu o napięciu i natężeniu odpowiednim, by bezpośrednio podłączać do nich zasilane sprzęty. Wynika to z technologicznych ograniczeń, ale także z samej ilości docierającego światła słonecznego – które jest zmienne zależnie od pory roku, pogody, położenia geograficznego. A także, co ważne i oczywiste – nie jest dostępne w nocy, wówczas nie możemy produkować prądu, ale trzeba korzystać ze zmagazynowanego. Kiedy mamy już prąd elektryczny prosto z ogniwa, należy go „złapać”, aby mógł zostać wykorzystany. Do magazynowania energii elektrycznej służy akumulator, podobnie jak w samochodach i innych pojazdach, telefonach i wszelkich urządzeniach bezprzewodowych. To jednak nie znaczy, że jest on taki sam.
Znane wszystkim i powszechnie używane od lat akumulatory są dostosowane do zasilania prądem sieciowym z gniazda oraz do ładowania podczas jazdy w przypadku pojazdów. Akumulator do fotowoltaiki musi być przystosowany do ładowania prądem o parametrach znacznie innych, a przede wszystkim zmiennych. Często będzie ładowany z przerwami, nieregularnie, utrzymywany przez kilka dni bez ładowania. Mogą się zdarzać skoki napięcia i jego spadki. Akumulatory przeznaczone do instalacji solarnych są ładowane bardzo powoli i rzadko znajdują się w stanie pełnego naładowania. Ważne jest także to, że wykorzystywane są często w trudnych warunkach (w instalacjach używanych poza domem, np. w kamperach i łodziach), więc kluczowa dla trwałości i bezpieczeństwa jest wysoka jakość, praca w szerokim zakresie temperatur, odporność na wstrząsy. Spełnić te wymogi i oczekiwania mogą wyłącznie akumulatory dedykowane instalacjom solarnym.
Typy akumulatorów
Fotowoltaika stosuje się trzy typy akumulatorów: klasyczne, AGM oraz żelowe. Akumulatory klasyczne zawierają płynny elektrolit. Muszą być dostosowane do instalacji słonecznej, a więc z odpowiednimi elektrodami, obudową, wyposażone w system mieszania elektrolitu, aby płyn nie rozwarstwiał się podczas powolnego ładowania, i rekombinator gazów. Akumulatory AGM wykorzystują w swojej budowie maty z włókna szklanego nasycone płynnym elektrolitem i rozdzielone ołowianymi płytkami. To zmniejsza ryzyko rozwarstwiania i wycieków. Niskiemu kosztowi zakupu i dobrej wydajności towarzyszy minus w postaci najkrótszej żywotności spośród wszystkich typów.
Najnowocześniejsze są akumulatory żelowe, które są sprawne i wytrzymałe oraz doskonale sprawdzają się w instalacjach fotoelektrycznych. Elektrolit ma w nich postać żelu, co skutecznie powstrzymuje rozwarstwianie. Akumulator żelowy dobrze znosi zarówno szybkie, jak i wolne ładowanie, jest praktycznie bezobsługowy, a jego żywotność jest przy tym bardzo wysoka. Odporność na różne warunku sprawia, że ten typ akumulatorów doskonale nadaje się do transportowania, zasilania pojazdów i łodzi, może pracować w pozycji pionowej i poziomej. Z tych powodów jest to typ wybierany do jachtów, łodzi, kamperów itp. Ale sprawdzi się również w niezależnej domowej instalacji.
Regulator ładowania – co to jest i czemu służy
Do akumulatora należy podłączyć regulator napięcia, nazywany także regulatorem ładowania. W przypadku samochodu takie urządzenie zapewnia stałe napięcie elektryczne podczas ładowania się akumulatora w czasie jazdy. A w instalacjach fotowoltaicznych? Jego podstawowa rola jest tak naprawdę tak sama, a różni się źródło, z którego pochodzi prąd do ładowania. Ponadto w fotowoltaice stosowane są regulatory elektroniczne, pełniące jednocześnie rolę sterowników. Każdy akumulator ma swoje napięcie, przy którym pracuje optymalnie. Jeśli popłynie do niego prąd o zbyt wysokim napięciu, dojdzie do groźnego przeciążenia. Zatem dzięki regulatorowi prąd wytwarzany nieregularnie przez ogniwa słoneczne płynie do akumulatora regularnym strumieniem o stałym, bezpiecznym i optymalnym napięciu. Regulatory pracują także jako sterowniki, zapobiegając przeładowaniu, całkowitemu rozładowaniu oraz przegrzaniu akumulatora. Po prostu odłączają go, gdy wykryją zagrożenie. Zapobiegają też wypływaniu prądu w nocy w drugą stronę – od akumulatora do panelu, a tym samym utracie zmagazynowanej energii do wykorzystania.
Przetwornica napięcia – co to jest i jak działa
Kolejnym elementem niezbędnym, aby móc użyć energii słonecznej do zasilania urządzeń, jest przetwornica napięcia. To urządzenie, które wyjściowe napięcie i natężenie prądu z akumulatora przetwarza na takie, którego potrzebuje np. lampa, lodówka, kuchenka, telewizor, pompa czy dowolne inne urządzenie. Dzięki przetwornicy, zwanej również konwerterem mocy, z akumulatora można nie tylko bezpośrednio pobierać prąd o napięciu 12V, lecz też zmienić go w 230V, czyli tyle, ile jest w gniazdkach elektrycznych. Bez przetwornicy zmagazynowanej energii nie dałoby się wykorzystać np. do podgrzania jedzenia czy skorzystania z telewizora, gdyż jej natężenie bezpośrednio na wyjściu z akumulatora nie pozwala na zasilanie większości urządzeń.
Instalacje off-grid – gdzie można je stosować
Instalacje off-grid, czyli niepodłączone do sieci elektrycznej, mają wielu zwolenników i szereg zastosowań. Już sam montaż jest prostszy, odpada instalacja liczników pobranego i wysłanego prądu oraz przyłączenie do sieci. Jednakże liczba akumulatorów, jaką możemy zakupić i pomieścić, a zatem także liczba urządzeń, na których zasilanie wystarczy nam prądu – jest w praktyce zwykle ograniczona. Także pozyskanej energii słonecznej w polskich warunkach jest znacznie mniej w okresie zimowym. Dlatego instalacje tego typu wykorzystuje się najczęściej tam, gdzie zużycie prądu jest zwykle mniejsze niż w przeciętnym domu.
Panele fotowoltaiczne z akumulatorem i całą niezbędną instalacją można wykorzystać np. w domku letniskowym, gdzie bywamy kilka miesięcy w roku, i to głównie nocując. Są świetnym sposobem na zasilanie urządzeń w kamperach i w przyczepach kempingowych, a także w łodziach różnego typu, najczęściej w rekreacyjnych jachtach. W wielu przypadkach będzie to dodatkowe, alternatywne źródło energii, które pomoże ograniczać zużycie paliw kopalnych. Także dla komfortu przebywania w takim domku czy kamperze nie bez znaczenia jest, że energia słoneczna nie generuje zanieczyszczenia powietrza. Są też sytuacje, gdy nie ma możliwości podłączenia do sieci elektrycznej – dzięki fotowoltaice można więc cieszyć się niezależnością i korzystać ze zdobyczy cywilizacji nawet na całkowitym odludziu czy w trakcie dalekiej podróży.
Przy planowaniu zakupu i montażu trzeba wziąć pod uwagę przeznaczenie instalacji – od niego będzie zależało zapotrzebowanie na prąd, a więc przede wszystkim potrzebna powierzchnia paneli oraz pojemność akumulatora.
W momencie, gdy korzystanie z odnawialnych źródeł energii w niedługiej przyszłości może stać się koniecznością – warto przynajmniej częściowo przerzucić się na nią już teraz. Fotowoltaika taka inwestycja w domach i domkach letniskowych z pewnością się zwróci w postaci braku rachunków za prąd lub ich znacznego obniżenia, gdy z sieci korzystamy tylko przez część czasu. Nie sposób nie wspomnieć, że panele słoneczne najwięcej energii pozyskają w gorące, bezchmurne i suche lato. Wtedy też wzrasta zużycie prądu w miastach do chłodzenia pomieszczeń i nie tylko. Własna fotowoltaika sprawi, że nie będziemy musieli się martwić możliwymi przerwami w dostawie prądu w tym czasie. A nie brakuje prognoz, które mówią, że stanie się to zjawiskiem coraz częstszym, dlatego dobrze pomyśleć o energetycznej niezależności.”
