Słońce – niewyczerpane źródło energii, które od wieków fascynuje i wspiera ludzkość. Dopiero w ostatnich dekadach udało się opracować metody pozwalające na efektywne i zrównoważone wykorzystanie jego potencjału. Fotowoltaika, czyli bezpośrednie przekształcanie światła słonecznego w energię elektryczną, stała się kluczową technologią transformacji energetycznej.
Najważniejszym elementem każdej instalacji fotowoltaicznej są moduły solarne. To właśnie one pochłaniają energię słoneczną i zamieniają ją w prąd stały, który można wykorzystać na miejscu lub przekazać do publicznej sieci energetycznej.
W tym poradniku chcemy przybliżyć, jako specjaliście lub osobie podejmującej decyzje w dziedzinie odnawialnych źródeł energii, najważniejsze informacje o działaniu, różnorodności i zaletach modułów fotowoltaicznych. Wyjaśniamy podstawowe procesy fizyczne zachodzące w ogniwach solarnych oraz omawiamy różne technologie i materiały wykorzystywane w ich produkcji.
Fotowoltaika przekształca światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Typowa instalacja PV składa się z kilku modułów fotowoltaicznych zawierających ogniwa solarne, które wychwytują promienie słoneczne. Wytworzony prąd stały jest przekształcany na prąd zmienny o napięciu 230 V za pomocą falownika, co umożliwia jego wykorzystanie w gospodarstwach domowych.
Moduły są zaprojektowane tak, aby można je było łatwo montować na dachach, elewacjach, balkonach czy innych powierzchniach. Im więcej światła dociera do modułów, tym większa ich efektywność.
Każde ogniwo solarne wykonane jest z materiału wrażliwego na światło, który zamienia energię słoneczną na energię elektryczną. Pojedyncze ogniwo generuje jednak niewielką ilość prądu. Aby uzyskać większą moc, w modułach łączy się wiele ogniw w jedną spójną jednostkę. Ogniwa montowane są na ramie i łączone szeregowo lub równolegle.
Wydajność całego systemu zależy od jakości i efektywności modułów oraz ich liczby. Poszczególne panele są połączone kablami i podłączone do całej instalacji PV, co umożliwia uzyskanie większej ilości energii.
Moduły fotowoltaiczne (PV) mają zazwyczaj prostokątny lub kwadratowy kształt i w zależności od zastosowania mogą być sztywne lub elastyczne. Składają się z materiału nośnego, na którym zamocowane są ogniwa solarne. Aluminium lub tworzywo sztuczne, używane do wykonania ramy, zapewnia odpowiednią stabilność i wytrzymałość konstrukcji.
Przezroczysta, odporna na warunki atmosferyczne osłona chroni ogniwa przed czynnikami zewnętrznymi, takimi jak zabrudzenia, deszcz, śnieg, grad, ptasie odchody czy owady. Dzięki kompaktowym wymiarom i niewielkiej wadze, moduły fotowoltaiczne można łatwo i szybko zamontować, co dodatkowo obniża koszty instalacji.
Moduły szklano-foliowe składają się z warstwy nośnej wykonanej z folii oraz osłony ze szkła. W modułach szklano-szklanych (zwanych też podwójnie szklanymi) zarówno przednia, jak i tylna strona są wykonane ze szkła. Moduły bifacjalne zostały zaprojektowane tak, aby pochłaniały światło słoneczne zarówno z przodu, jak i z tyłu.
Jakie są zalety modułów elastycznych?
Elastyczne moduły solarne przeznaczone do przydomowych elektrowni balkonowych, przenośnych instalacji fotowoltaicznych oraz zastosowań w budynkach. Pozbawione są sztywnej ramy, co sprawia, że mają bardzo szerokie możliwości zastosowania. Można je z łatwością zawiesić lub przykleić. Doskonale sprawdzają się wszędzie tam, gdzie tradycyjne, sztywne panele nie mogą być używane, na przykład na powierzchniach o zakrzywionym kształcie.
Składane moduły solarne można w dowolnym momencie ustawić w dogodnym miejscu i skierować w stronę słońca. Po złożeniu lub zwinięciu zajmują niewiele przestrzeni, dzięki czemu świetnie nadają się do aktywności sportowych, wypraw plenerowych, biwaków czy podróży kamperem. Sprawdzają się również w sytuacjach awaryjnych oraz do ładowania akumulatorów.
1. światło słoneczne | 2. elektroda ujemna | 3. krzem domieszkowany ujemnie | 4. warstwa graniczna | 5. krzem domieszkowany dodatnio | 6. elektroda dodatnia | 7. konsument (żarówka) 5. krzem z dodatnią domieszką | 6. elektroda dodatnia | 7. odbiornik (żarówka)
Moduły solarne składają się z różnych materiałów i kilku połączonych ze sobą warstw. Podstawą ogniwa fotowoltaicznego jest zazwyczaj wafel z krystalicznego krzemu, który otrzymuje się z piasku kwarcowego. Wafle krzemowe są cięte na cienkie plastry i pokrywane różnymi warstwami w celu optymalizacji właściwości elektrycznych.
Pojedyncze ogniwo solarne składa się z ujemnie i dodatnio domieszkowanej warstwy krzemu. Powłoka krzemowa działa jak półprzewodnik, który przewodzi energię wewnątrz ogniwa. Aby poprawić przewodność, krzem jest dodawany podczas krystalizacji, tj. wprowadzane są obce atomy, takie jak bor lub fosfo
Przejście między dwiema warstwami krzemu jest znane jako warstwa graniczna, strefa ładunku przestrzennego lub złącze p-n. Ze względu na różne domieszkowanie dwóch warstw krzemu, protony gromadzą się po jednej stronie, a fotony po drugiej. Warstwa p ma dodatni ładunek nadmiarowy, a warstwa n jest naładowana ujemnie. Tworzy to biegun dodatni i ujemny w ogniwie słonecznym.
Gdy moduł solarny jest wystawiony na działanie promieni słonecznych, występuje efekt fotowoltaiczny, w którym elektrony są uwalniane w krzemie i następuje przepływ energii elektrycznej.
Jakie są rodzaje modułów solarnych?
Energia fotowoltaiczna (PV) może być generowana za pomocą różnych typów modułów solarnych. Różnią się one nie tylko rozmiarem, ale przede wszystkim zastosowaną technologią ogniw oraz sprawnością. Najczęściej stosuje się moduły monokrystaliczne i polikrystaliczne. Dodatkowo wyróżnia się moduły cienkowarstwowe i grubościenne, zależnie od grubości użytych ogniw słonecznych.
Moduły monokrystaliczne
Moduły monokrystaliczne to najbardziej wydajne i efektywne spośród dostępnych na rynku. Kluczowym elementem tych modułów jest pojedynczy kryształ krzemu, uzyskiwany z bloku krzemowego w skomplikowanym procesie produkcji. Jednorodna struktura kryształu pozwala na sprawne przemieszczanie się elektronów pod wpływem promieniowania słonecznego, co przekłada się na wysoki poziom sprawności. Dzięki temu moduły monokrystaliczne wymagają mniej miejsca do uzyskania określonej mocy, co czyni je doskonałym rozwiązaniem w sytuacjach, gdzie przestrzeń jest ograniczona. Ich wadą jest jednak wyższy koszt wynikający z zaawansowanego procesu produkcji.
Polykristalline Module
Polikrystaliczne moduły fotowoltaiczne nie są wycinane z krystalicznych elementów o wysokiej czystości, lecz formowane z krzemu. Produkcja jest prostsza niż w przypadku modułów monokrystalicznych, jednak sprawność jest niższa niż w przypadku monokrystalicznych modułów fotowoltaicznych. W rezultacie, aby osiągnąć pożądaną wydajność, potrzeba więcej miejsca. Polikrystaliczne moduły fotowoltaiczne charakteryzują się zrównoważonym stosunkiem ceny do wydajności i nadają się do szerokiego zakresu zastosowań.
Moduły cienkowarstwowe
Moduły cienkowarstwowe (CIS/CIGS) mają, zgodnie z nazwą, tylko do jednego centymetra grubości, a zatem są znacznie cieńsze i lżejsze niż moduły grubowarstwowe. To dobry wybór w przypadku dachów płaskich i dachów o niskiej nośności.
Moduły cienkowarstwowe są wykonane z amorficznego krzemu. Istnieją jednak również ogniwa wytwarzane z innych materiałów półprzewodnikowych. Składają się one z elementu nośnego, na który nanoszona jest cienka warstwa materiału półprzewodnikowego. W ten sposób można produkować wyjątkowo kompaktowe moduły solarne, które dzięki elastyczności tworzywa nośnego można do pewnego stopnia wyginać. Mają one również wysoką odporność na temperaturę.
Moduły cienkowarstwowe wymagają tylko kilku surowców i dlatego mogą być produkowane w sposób opłacalny. Mają one jednak niską sprawność, dlatego nadają się głównie do dużych systemów fotowoltaicznych.
Jaka jest sprawność modułów solarnych?
Im wyższa sprawność, tym więcej energii słonecznej moduł przekształca w energię elektryczną. Sprawność modułów monokrystalicznych wynosi zazwyczaj od 18 do 23 procent. Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi od 15 do 21 procent. Moduły cienkowarstwowe osiągają sprawność do 18 procent.
Dlaczego waga modułów fotowoltaicznych jest ważna?
Niezależnie od tego, czy chodzi o obciążenie dachu, transport czy obsługę: waga modułów fotowoltaicznych jest często niedocenianym czynnikiem, który może odgrywać ważną rolę w planowaniu i instalacji systemu fotowoltaicznego. Ma on zarówno pozytywne, jak i negatywne skutki, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze modułów i rodzaju instalacji.
Wskazówki dotyczące wyboru odpowiedniego modułu solarnego
Właściwości modułów fotowoltaicznych mają zasadnicze znaczenie dla optymalizacji wydajności systemu PV. Porównaj wydajność na m² , aby ocenić efektywność modułów w stosunku do ich ceny zakupu.
Zwróć uwagę na podane w opisie produktu wymiary modułów. Dzięki różnym rozmiarom paneli można elastycznie dopasować ich układ do dostępnej powierzchni dachu. Standardowo stosuje się prostokątne moduły z 60 lub 72 ogniwami solarnymi, ale niektórzy producenci oferują także mniejsze modele z 48 ogniwami.
Warto również uwzględnić swoje preferencje estetyczne dotyczące wyglądu paneli. Istotne mogą być kolor ramy, wykończenie powierzchni oraz – w przypadku widocznych miejsc montażu – kolor tylnej warstwy panela (backsheet).