Jak powstaje energia w panelach fotowoltaicznych i jakie czynniki wpływają na efektywność?

Panel fotowoltaiczny to zestaw ogniw fotowoltaicznych, z których każde składa się z dwóch warstw półprzewodnika – typu P i typu N. Najpopularniejszym materiałem jest krzem, ale w celu poprawy wydajności produkcji energii dodawany jest również fosfor. Mówiąc najprościej, kiedy światło słoneczne pada na powierzchnię, elektrony są uwalniane i poruszają się w uporządkowany sposób, co zasadniczo jest definicją prądu elektrycznego.

Proces ten można schematycznie przedstawić w następujący sposób:

Przekrój ogniwa fotowoltaicznego

Jeden moduł może składać się z różnej liczby ogniw fotowoltaicznych. Istnieje również kilka sposobów przetwarzania krzemu. Od tych cech zależy maksymalna sprawność (wydajność) panelu fotowoltaicznego, na podstawie których obliczana jest moc dla konkretnych projektów. Jednak liczba otrzymanej energii zależy również od warunków wtórnych związanych z lokalizacją i konserwacją.

Wybór panelu fotowoltaicznego będzie znacznie łatwiejszy, jeśli określisz wszystkie czynniki wpływające na efektywność wytwarzania energii elektrycznej:

  • Metoda wytwarzania i liczba ogniw fotowoltaicznych;
  • Materiały produkcyjne;
  • Dzienna aktywność słoneczna;
  • Obecność chmur;
  • Kierunek i kąt nachylenia paneli;
  • Stopień zanieczyszczenia powierzchni zewnętrznej.

Ważne jest, aby zrozumieć, że panele słoneczne są tylko częścią kompletnego systemu, a do realizacji projektu potrzebny będzie dodatkowy sprzęt:

  • Kontroler;
  • falownik ;
  • Baterie ;
  • Elementy do montażu (stojaki, kable, złącza).

Ponieważ główna roczna produkcja przypada na okres od kwietnia do października (70%), nie ma sensu rozważać wykorzystania energii słonecznej do ogrzewania elektrycznego zimą. Ale przy wdrażaniu „farmy” na dużą skalę w celu zarabiania pieniędzy ta opcja jest również możliwa. W większości przypadków domowe systemy fotowoltaiczne pokrywają codzienne potrzeby gospodarstwa domowego, z możliwością magazynowania nadmiaru w akumulatorach w celu zapewnienia zasilania awaryjnego w pochmurne dni.

Zalety modeli stacjonarnych i przenośnych w zależności od warunków terenowych i przeznaczenia

Przy wyborze paneli fotowoltaicznych ważne jest określenie ich przeznaczenia. Producenci oferują sprzęt przenośny i stacjonarny, odpowiedni do konkretnych warunków.

Przenośne panele fotowoltaiczne

Zaprojektowane, aby spełniać minimalne potrzeby i sporadyczne użytkowanie. To mobilna opcja dla domku letniskowego, pikników, samochodu, turystów i miłośników sportów ekstremalnych. Konstrukcja jest najczęściej składana i mieści się w bagażniku lub plecaku.

Wdrożenie takiego systemu zajmuje tylko kilka minut; nie są potrzebne żadne narzędzia ani doświadczenie. Najczęściej panele wyposażone są w sterowniki oraz wszystkie niezbędne złącza do zasilania laptopów, gadżetów mobilnych, lamp USB itp.

Zalety przenośnych paneli fotowoltaicznych:

  • Mały rozmiar i waga;
  • Łatwe w instalacji i obsłudze;
  • Nie wymagają dodatkowych kosztów;
  • Dostępność złączy USB/DC.

Wadą przenośnych paneli fotowoltaicznych jest ograniczona moc wyjściowa, która rzadko przekracza 300 W. To nie wystarczy na pokrycie potrzeb sprzętu AGD, elektronarzędzi i systemów grzewczych. Najlepszym zastosowaniem jest tworzenie zapasowego oświetlenia LED, ładowanie smartfonów, power banków, latarek, zasilanie sprzętu komputerowego, sprzętu sieciowego i przenośnych głośników.

Popularne przenośne panele fotowoltaiczne

Panele stacjonarne

Przeznaczone są do realizacji złożonych projektów mających na celu stworzenie autonomicznego źródła energii dla prywatnego domu lub mieszkania, zarabiając na „taryfie gwarantowanej”. Montaż odbywa się na ziemi lub dachu za pomocą specjalnych konstrukcji, które mogą mieć różną funkcjonalność. Niektóre są stałe, inne pozwalają na ręczną zmianę kąta nachylenia w zależności od pory roku. Najbardziej zaawansowane są trackery słoneczne, które automatycznie obracają panele zgodnie z ruchem słońca.

Stacjonarne moduły fotowoltaiczne połączone w jeden system są w stanie wygenerować energię wystarczającą do zasilania urządzeń gospodarstwa domowego, a nawet urządzeń grzewczych. Moc wyjściowa będzie zależeć od liczby paneli i odpowiednio od rozmiaru. Takie systemy mogą zajmować kilkadziesiąt metrów kwadratowych do użytku domowego i hektarów w przypadku projektów biznesowych.

Zalety stacjonarnych paneli fotowoltaicznych:

  • Zapewniają kompletne autonomiczne zasilanie;
  • Umożliwiają zarabianie na nadwyżce generowanej energii.

Instalacja paneli fotowoltaicznych nie jest tania, a okres zwrotu inwestycji wynosi około 10 lat. To projekt długoterminowy, rozłożony na wiele lat. Panele niskiej jakości szybciej się zużywają i tracą wydajność, generując mniej prądu. Zdecydujmy, na jakie cechy należy zwrócić uwagę, aby dokonać właściwego wyboru.

Popularne stacjonarne panele fotowoltaiczne

Jaki rodzaj powłoki krystalicznej wybrać, aby uzyskać maksymalną wydajność?

Panele fotowoltaiczne mogą mieć różne struktury kryształów krzemu. Technologia produkcji określa rodzaj panelu, jego maksymalną wydajność i inne właściwości.

Na rynku dostępne są 3 główne typy paneli fotowoltaicznych:

Aby ułatwić porównanie cech każdego typu, sugerujemy zapoznanie się z tabelą:

Wskaźnik Monokrystaliczny
(Mono-Si)		 Polikrystaliczny
(Poly-Si)		 Thin-film
(TFSC)
Wydajność / wydajność Wysoka
(do 22%)		 Przeciętna
(poniżej 18%)		 Niska
(około 10%)
Trwałość Wysoka
(około 30 lat)		 Wysoka
(około 25 lat)		 Niska
(około 10 lat)
Współczynnik temperatury Krótki Wysoki Przeciętny
Cena Wysoka Przeciętna Niska

Najbardziej zaawansowane są oczywiście moduły monokrystaliczne, co wpływa na koszt. Wykonane są z jednego kawałka krzemu z różnymi dodatkami zwiększającymi wydajność i trwałość.

Panele Mono-Si ujawniają swój pełny potencjał w bezpośrednim kontakcie z promieniami słonecznymi i są optymalnie dostosowane do regionów południowych. Niski współczynnik temperaturowy minimalizuje straty podczas nagrzewania powierzchni. Choć nawet przy świetle rozproszonym skuteczność będzie dość duża, co czyni je najpopularniejszymi. Panele pozwalają uzyskać maksimum energii (około 1 kW na każde 6 - 8 m²), dzięki czemu dobrze wpisują się w ograniczoną powierzchnię prywatnego gospodarstwa domowego. Wizualnie można je rozpoznać po bogatym czarnym kolorze powierzchni.

Popularne monokrystaliczne panele fotowoltaiczne

Moduły polikrystaliczne składają się z wielu kryształów krzemu, dzięki czemu skutecznie radzą sobie ze światłem rozproszonym lub padającym pod dużym kątem (zachód i wschód słońca). Poly-Si jest optymalny dla regionów, w których aktywność słoneczna jest niewielka przez cały rok, a niebo jest często zachmurzone. Warto zaznaczyć, że różnica w wydajności pomiędzy monokryształami a polikryształami jest niewielka, jednak te ostatnie wymagają dużej powierzchni do wytworzenia energii elektrycznej (ok. 1 kW na każde 8 – 10 m²). Dzięki temu polipanele doskonale nadają się do projektów globalnych, w których nie ma ograniczeń dotyczących wielkości. Moduły charakteryzują się dobrym stosunkiem ceny do wydajności, dzięki czemu inwestycje zwracają się szybciej. Należy jednak wziąć pod uwagę wysoki współczynnik temperaturowy - po podgrzaniu od bezpośredniego światła słonecznego wydajność maleje. Powierzchnie są wizualnie podświetlone na niebiesko.

Popularne polikrystaliczne panele słoneczne

Panele cienkowarstwowe charakteryzują się zwiększoną elastycznością i minimalną wagą. Można je łatwo przykleić na dachu domu lub samochodu, przymocować do podpór i ram, wygiąć pod różnymi kątami i zabrać ze sobą w podróż. Cienkie płytki krzemowe nie wytwarzają dużej mocy, ale moc wyjściowa jest bardziej spójna niezależnie od kąta padania światła słonecznego i ciepła. Przeszkodą jest niska trwałość i szybka utrata sprawności wytwarzania z każdym rokiem eksploatacji. Elastyczne cechy konstrukcyjne uniemożliwiają również stworzenie niezawodnej ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi, które są nieodłącznym elementem paneli mono i poli.

Popularne cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne

Jak obliczyć moc dla różnych projektów?

Pierwszym krokiem jest określenie rzeczywistego zużycia energii elektrycznej z uwzględnieniem obciążeń szczytowych. Aby to zrobić, należy przeprowadzić obliczenia w oparciu o charakterystykę wszystkich urządzeń gospodarstwa domowego. Spójrzmy na przykład małego prywatnego domu o powierzchni około 100 m² w lecie.

Głównymi konsumentami są:

  • Lodówka – 150 W;
  • Komputer/laptop – 200 W;
  • Telewizor – 100 W;
  • Zmywarka – 1500 W;
  • Pralka – 1500 W;
  • Żelazko – 1500 W;
  • Kuchenka mikrofalowa – 600 W;
  • Piekarnik – 600 W;
  • Klimatyzacja – 2000 W;
  • Oświetlenie wewnętrzne i zewnętrzne – 300 W;
  • Ładowarki do gadżetów – 15 W.

Całkowita liczba będzie bardzo duża, ale nie można nawet wyobrazić sobie jednoczesnego korzystania ze wszystkich urządzeń. Głównym konsumentem w tym przypadku jest klimatyzator. Biorąc pod uwagę powierzchnię, może to być jedno wydajne urządzenie z centralnym kanałem wentylacyjnym lub 3 konwencjonalne systemy typu split zainstalowane w różnych częściach domu (kuchnia, korytarz, sypialnie).

Dlatego konieczne jest określenie maksymalnej ilości, jaką rodzina może spożyć w ciągu dnia:

Sprzęt Zużycie energii, W/h Całkowita moc, W/h
Lodówka 150 4700
Komputer 200
Telewizor 100
Klimatyzator 2000
Zmywarka, pralka lub żelazko 1500
Kuchenka mikrofalowa lub piekarnik 600
Oświetlenie wewnętrzne lub zewnętrzne 150

Dzięki temu, zapewniając całkowitą moc panelu wynoszącą 4700 W/h, prywatny dom i wszyscy jego użytkownicy będą mogli w pełni funkcjonować bez żadnych specjalnych ograniczeń.

Obliczmy teraz, ile paneli będzie potrzebnych do osiągnięcia pożądanych wyników i jaką powierzchnię zajmie przydomowa elektrownia fotowoltaiczna. Za podstawę weźmy standardową stacjonarną baterię monokrystaliczną o deklarowanej mocy 400 W i wymiarach 1700 x 1000 mm (1,7 m²). Warto wziąć pod uwagę, że liczby te odnoszą się do idealnych warunków, w jakich produkty testowane są na etapie produkcji (STC). Rzeczywiste wskaźniki generacji (NOCT) są zwykle niższe i zależą od wielu czynników, które zidentyfikowaliśmy na samym początku artykułu. Prosimy o dokładne zapoznanie się z kartą katalogową produktu. Zaufane marki zawsze wskazują parametry standardowe i nominalne.

Szacunkowa moc panelu wyniesie 320 W. W rezultacie będziemy potrzebować 15 takich modułów (15x320=4800 W/h), a zajmowana powierzchnia będzie wynosić co najmniej 25,5 m². Ale to nie wszystko, gdyż w godzinach porannych i wieczornych zmniejsza się liczba generowanego prądu ze względu na duży kąt padania promieni słonecznych, a także przy pochmurnej pogodzie. Ponadto część energii zostanie przeznaczona na ładowanie akumulatorów (kolejne około 20%). Dlatego użytkownik ma wówczas 2 możliwości:

  • pozostawić obliczoną moc wyjściową bez zmian. Przy słonecznej pogodzie produkcja będzie maksymalna i wystarczająca. W innych warunkach konieczne będzie wykorzystanie akumulatorów zapasowych, centralnego zasilania lub ograniczenie zużycia (np. włączenie 1 klimatyzatora jednocześnie lub przy minimalnej mocy).
  • zrekompensować ewentualne straty (około 40%) instalując dodatkowe panele (około 6 sztuk), co również zwiększa zajmowaną powierzchnię do prawie 36 m².

Zatem całkiem możliwe jest umieszczenie takiej elektrowni fotowoltaicznej na dachu lub na podwórku. Nadwyżkę można przekazać państwu, osiągając zysk, lub wydać na utrzymanie terenu (oświetlenie, podlewanie) lub rozrywkę (basen, grill elektryczny, atrakcje).

Ważny! Rzeczywiste obliczenia mocy, liczby i specyfikacji paneli, towarzyszącego im wyposażenia i zajmowanej powierzchni muszą być przeprowadzone przez specjalistów dla każdego indywidualnego projektu. Podane liczby są subiektywne i służą wyłącznie celom informacyjnym.

Gwarancja producenta na komponenty techniczne i produktywność

Wiele krajów i producentów oferuje swoje osiągnięcia w dziedzinie naturalnego wytwarzania energii. Ale nie da się wizualnie określić jakości produkcji. Aby to zrobić, należy zwrócić uwagę na dwa główne wskaźniki:

  • Ogólna gwarancja na produkt(integralność ramy, szkło ochronne, parametry użytkowe).
  • Gwarancja utrzymania produktywności(istnieją różne nazwy - rzeczywisty okres degradacji, gwarancja zgodności z poziomem mocy itp.).

Znakiem dobrej jakości jest generalna gwarancja na okres 10 - 15 lat. Drugi wskaźnik jest bardziej szczegółowy i użyteczny. Wykazuje sprawność wytwarzania co najmniej 80% wartości pierwotnych na przestrzeni 25 lat. Dzięki temu masz pewność, że wytwarzanie energii elektrycznej będzie wydajne i oszczędne przez cały okres jej użytkowania.

Kupując panel fotowoltaiczny należy wystawić dwie karty gwarancyjne i zwrócić uwagę na określone w nich okresy. W przeciwnym razie ryzykujesz zakupem produktu niskiej jakości, który zepsuje się również przed osiągnięciem progu rentowności i nie będziesz mógł go wymienić w ramach gwarancji.

Przy wyborze należy zwrócić uwagę na dostępność centrów serwisowych w kraju lub regionie. Ułatwi to rozwiązanie problemów związanych z podłączeniem, konserwacją i wymianą paneli fotowoltaicznych.