Jak działa fotowoltaika? Systemy i montaż instalacji PV w Twoim domu

Trudno obecnie nie wiedzieć, lub choćby nie usłyszeć, o fotowoltaice. To rozwiązanie z zakresu odnawialnych, ekologicznych źródeł energii, coraz częściej uwzględniana jest już na etapie budowy domu. Nic dziwnego, gwarantuje bowiem znaczne oszczędności. Ale czy wiesz, jak ona właściwie działa? 

Każda instalacja fotowoltaiczna, czasem określana także jako instalacja PV, składa się z kilku ważnych elementów - przede wszystkim z modułów fotowoltaicznych i inwertera. To od ich parametrów i działania zależy wydajność całego systemu. Przyjrzymy się mu teraz bliżej.

Jak działa instalacja fotowoltaiczna?

Nawet osoba niezainteresowana tematem potrafi ogólnie wyjaśnić, czym jest fotowoltaika. Jeśli natomiast zadamy pytanie, jak działa fotowoltaika, niektórzy mogą mieć kłopot z udzieleniem właściwej odpowiedzi.

Główna zasada pozornie jest prosta: promienie słoneczne padają na panele, dzięki którym są zamieniane w czystą energię, możliwą do wykorzystania w gospodarstwie domowym. Jak jednak taka przemiana jest w ogóle możliwa? Zasada działania fotowoltaiki to dość złożony, kilkuetapowy proces. Wymaga on wykorzystania kilku elementów, z których składają się instalacje PV. Co to jest za kombinacja?

Niezbędne są:

• moduły fotowoltaiczne – panele, których zadaniem jest pobieranie energii słonecznej i przetwarzanie jej w energię elekryczną,
• inwerter (falownik) – serce całej instalacji, element przekształcający prąd stały (DC) na prąd zmienny,
• konstrukcja nośna – montażowa,
• dodatkowe elementy, czyli kable i złączki wykazujące odporność na czynniki atmosferyczne.

Bardzo ważny jest także licznik dwukierunkowy. Ma on za zadanie zliczać energię wytworzoną w instalacji oraz energię pobraną z sieci publicznej. Na tej podstawie można później rozliczyć się z zakładem energetycznym. Temat ten wyjaśnimy dokładnie za chwilę.

Teraz przejdźmy do wyjaśnienia, jak działa instalacja fotowoltaiczna. Cały proces możemy przedstawić w kilku uproszczonych punktach.

• KROK 1:

Ogniwa fotowoltaiczne przechwytują energię słoneczną i przekształcają ją w prąd stały. Dzieje się tak dlatego, że krzem, z którego zbudowany jest panel, pochłania fotony – cząstki światła i wprawia w ruch elektrony, wytwarzające energię.

• KROK 2:

Prąd stały zostaje przekazany do falownika, w którym zostaje przekształcony w prąd zmienny. Jak wspomnieliśmy, falownik to serce całego układu, odpowiedzialny za działanie i kontrolę instalacji.

• KROK 3:

Energia wytwarzana w instalacji fotowoltaicznej jest podłączona do sieci energetycznej. Jeśli nie zostanie ona wykorzystana na własne potrzeby gospodarstwa domowego, może zostać przekazana do sieci publicznej.

Jak łatwo się domyślić, sprawne działanie instalacji fotowoltaicznej bazuje na jak największym dostępie do energii słonecznej. Przy odpowiedniej wydajności systemu panele mogą zasilać wszystkie urządzenia w domu. Możliwe jest także ogrzewanie fotowoltaiką.

Dopowiedzmy, że instalacje PV są w zasadzie bezobsługowe. Paneli nie trzeba myć i odśnieżać, a działanie systemu można kontrolować za pomocą przeznaczonych do tego aplikacji.

Jaką moc instalacji fotowoltaicznej wybrać? Ile będzie nas kosztowała?

Rodzaje instalacji PV. Czym się różnią?

Ponieważ system fotowoltaiczny nie stanowi już nowinki technologicznej, nie powinno dziwić, że dostępny jest w różnych wariantach. Wyróżniamy trzy podstawowe rodzaje instalacji fotowoltaicznych.

• Instalacja PV sieciowa

To najczęściej wybierany typ. W tym przypadku instalacja sieciowa jest zintegrowana z publiczną siecią energetyczną, dzięki czemu zyskujesz większą elastyczność i niższy koszt użytkowania. Nie stosuje się tu akumulatorów, co obniża wydatki i zapewnia szybszy zwrot inwestycji. Można także odsprzedać nadwyżki energii do sieci lub posiłkować się tradycyjnym źródłem prądu w razie potrzeby.

• Instalacja PV autonomiczna

To niezależna fotowoltaika – instalacja jest zaprojektowana w taki sposób, by nie podłączać jej do sieci. Wytworzoną energię magazynują akumulatory, z których później jest czerpana w razie potrzeby. System stosuje się w miejscach, gdzie dostęp do sieci jest utrudniony lub nieopłacalny, na przykład w domach letniskowych czy przy oświetleniu ulicznym.

• Instalacja hybrydowa

Ten system łączy siły paneli fotowoltaicznych oraz innego źródła energii elektrycznej, na przykład turbiny wiatrowej lub generatora spalinowego. Instalacja może również być połączona z siecią energetyczną, jednak nadal posiada własny magazyn energii.

Czy fotowoltaika opłaca się w 2023 roku? Obliczamy!

Rodzaje paneli fotowoltaicznych

Nie tylko instalacja PV występuje w różnych wariantach. Możemy także wyodrębnić trzy rodzaje ogniw fotowoltaicznych: monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz panele z krzemu amorficznego. Szczególnym wariantem jest dachówka fotowoltaiczna.

W praktyce najczęściej stosuje się dwa pierwsze typy paneli. Każdy z nich ma charakterystyczne dla siebie właściwości, wydajność oraz cenę.

• Panele polikrystaliczne

Są wykonane z polikryształu krzemu. Łatwo rozpoznać je po charakterystycznym jasnoniebieskim kolorze oraz układzie kwadratowych płytek wykorzystujących całą powierzchnię ogniwa. Są nieco tańsze od monokrystalicznych, ale mniej wydajne – parametr ten oscyluje w ich przypadku w granicach 16%, przez co wymagają większej powierzchni.

Panele polikrystaliczne sprawdzają się przede wszystkim w warunkach słabszego nasłonecznienia, co decyduje o ich popularności. Do ich zalet zalicza się także wspomniana wyżej atrakcyjna cena oraz żywotność. Dobrej jakości panele polikrystaliczne służą nawet 25 lat.

• Panele monokrystaliczne

Do ich wykonania wykorzystuje się monokryształy krzemu przycinane do kształtu ośmiokąta. Materiał ma charakterystyczny, grafitowy lub czarny kolor. Sprawdzają się przede wszystkim przy silnym nasłonecznieniu oraz gdy domowa instalacja fotowoltaiczna ma ograniczoną powierzchnię.

Najważniejsze zalety paneli monokrystalicznych to bardzo dobra odporność na warunki atmosferyczne, trwałość i wysoka wydajność – do 22%. Takie parametry wpływają jednak na wysoką cenę.

• Panele z krzemu amorficznego

Można także uzyskać prąd z paneli fotowoltaicznych z krzemu amorficznego, choć jest to najrzadziej spotykany wariant. Decydują o tym głównie właściwości instalacji. Wydajność paneli z krzemu amorficznego jest niska – na poziomie zaledwie 9 – 14%, a sprawność obniża się z upływem czasu.

Panele amorficzne są natomiast tanie, lekkie i niewrażliwe na zmiany poziomu wydajności. Prosty montaż i niewielka waga pozwala zastosować je na elewacji budynków.

Które panele fotowoltaiczne wybrać? Zawsze jest to sprawa indywidualna, a pod uwagę trzeba wziąć zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię elektryczną, rodzaj, liczbę i częstotliwość używania urządzeń elektrycznych. Panele polikrystaliczne wydają się najlepszą opcją, gdy skupiamy się na cenie inwestycji. Droższe panele monokrystaliczne natomiast pozwolą wygenerować dużo większą ilość energii elektrycznej.

Program Mój Prąd 5.0 – jak uzyskać nawet 58 000 zł dotacji?

Montaż i instalacja fotowoltaiki. Jak powinny przebiegać?

Kiedy wszystkie komponenty są już wybrane, pozostaje ustalić, jak będzie przebiegała instalacja paneli fotowoltaicznych. To zadanie dla profesjonalistów, gdyż montaż zawsze musi uwzględniać wymogi techniczne, zapisy dokumentacji oraz kryteria przyłączenia. Przed przystąpieniem do pracy nad instalacją PV zwykle przeprowadza się audyt fotowoltaiczny, weryfikujący efektywność i wymogi bezpieczeństwa.

Panele fotowoltaiczne montuje się albo na dachu, albo na gruncie – w zależności od warunków technicznych i stopnia nasłonecznienia działki. Proces przebiega w kilku etapach.

• KROK 1: Zamocowanie elementów montażowych

Już na etapie powinna zostać określona minimalna odległość paneli fotowoltaicznych od dachu. Eksperci bazują w tym przypadku na projekcie, gdyż nie istnieją żadne z góry ustalone normy. Niemniej najczęściej wystarczy przerwa 10 cm między powierzchnią dachu a modułem, zapewniająca przepływ powietrza naturalnie schładzającego system, oraz odległość paneli fotowoltaicznych od krawędzi dachu wynosząca 50 cm. Elementy absolutnie nie mogą wystawać poza obręb dachu.

Na tym etapie trzeba także określić, w jaki sposób zostaną ułożone panele fotowoltaiczne: pionowo czy poziomo. Ten układ nie ma większego znaczenia z punktu widzenia efektywności. Kluczowy jest kąt nachylenia (30-40 stopni) oraz kierunek (strona południowa).

• KROK 2: Przygotowanie trasy kablowej

Kolejnym krokiem jest przygotowanie trasy, którą zostanie poprowadzone połączenie między modułami a rozdzielnicą i inwerterem.

• KROK 3: Ułożenie i połączenie paneli fotowoltaicznych

Panele fotowoltaiczne można zmontować zarówno na dachach skośnych, jak i na dachach płaskich. Różnica polega jedynie na metodzie montażu. Przy dachu płaskim stosuje się stelaż aluminiowy dociążony betonowymi bloczkami lub przytwierdzenie za pomocą kotew. W przypadku dachów skośnych całość jest zamocowana do krokwi.

Jaka odległość między panelami fotowoltaicznymi na dachu płaskim lub skośnym powinna być zachowana? Minimum gwarantujące rozszerzalność cieplną wynosi 5 mm, jednak warto tę odległość zwiększyć do 20 mm, aby usprawnić cyrkulację powietrza i wentylację oraz ograniczyć nacisk.

• KROK 4: Połączenie inwertera z ogniwami fotowoltaicznymi

Na tym etapie trzeba pamiętać, że falownik musi zostać umieszczony dość blisko układu paneli, ale niekoniecznie tuż obok. Przyjmuje się, że odległość inwertera od paneli nie powinna być większa niż 10 metrów. Można go umieścić w domu – przynajmniej metr od podłogi, z zachowaniem 15 cm przestrzeni.

• KROK 5: Połączenie inwertera z siecią internetową

Za pomocą przeznaczonych do tego aplikacji użytkownik może na bieżąco monitorować stan instalacji.

• KROK 6: Wykonanie pomiarów

Teraz pozostaje tylko przeprowadzić pomiary elektryczne, aby sprawdzić, czy wszystkie elementy działają prawidłowo.

Każdy etap montażu instalacji fotowoltaicznej powinien zostać przeprowadzony przez wykwalifikowane osoby, z należytą starannością. Ewentualne błędy niosą ze sobą nie tylko straty finansowe. W skrajnych przypadkach mogą stanowić również zagrożenie zdrowia. Konsekwencje takie jak niższa wydajność i krótsza żywotność są prawie pewne.

Montaż fotowoltaiki przeważnie nie wymaga zmian w instalacji elektrycznej. Pojawia się jedynie dodatkowy element w postaci mikroinstalaci do wytwarzania energii. W zależności od modelu falownika zasila się 1 lub 3 fazy.

Kolektory słoneczne – solary. Czy warto inwestować w instalację solarną?

On-grid, net-sharing, off-grid. Jak korzystać z prądu wytworzonego przez fotowoltaikę?

Omawiając rodzaje instalacji PV, wspomnieliśmy, że inwestor może zdecydować się na opcję podłączaną do sieci, autonomiczną lub hybrydową. To ważny krok, gdyż wpływa nie tylko na to, jak działa fotowoltaika, ale również na to, co dzieje się z wytwarzanym prądem i na ile jest to opłacalne.

• Instalacja on-grid

W tym przypadku nadwyżki prądu z paneli fotowoltaicznych są w całości przekazywane do sieci publicznej. Zasady, zgodnie z którymi odbywa się ten proces, wynikają z wybranego sposobu rozliczenia. Sieć pełni wówczas funkcję magazynu, dlatego korzystanie z niej oznacza potrącenie części przyjętej energii (przeważnie to ok. 20 – 30%). Resztę można odebrać w razie potrzeby.

• Instalacja off-grid

W tym wariancie panele fotowoltaiczne działają niezależnie od publicznej sieci energetycznej. Mechanizm instalacji skupia się na bieżącym zużyciu energii, zaś ewentualne nadwyżki lokowane są w magazynie stanowiącym integralną część systemu. Ten rodzaj fotowoltaiki daje dużą niezależność. Czy jednak jest w stanie zaspokoić wszystkie potrzeby gospodarstwa domowego?

Teoretycznie tak, zwłaszcza, gdy inwestor kupi odpowiednio pojemny magazyn energii, jednak w praktyce okazuje się to trudne. Z tego względu poleca się ją tam, gdzie trudno o podłączenie do sieci energetycznej lub gdy istnieje możliwość zapewnienia dodatkowego źródła energii.

• Net-sharing

Istnieje także system, w którym nadwyżki energii mogą zostać sprzedane, zaś późniejsze ewentualne niedobory uzupełnione energią kupowaną z sieci. Nadwyżki zasilają tzw. depozyt prosumencki, którym później można opłacić rachunek. Cały proces odbywa się automatycznie.

Nie da się ukryć, że – niezależnie od wybranego rodzaju instalacji czy rodzaju ogniw – instalacja fotowoltaiczna stanowi inwestycję przyszłościową. Zanim jednak podejmiesz decyzję, by przeznaczyć na nią środki, warto zgłębić temat. Wiele firm dostarczających fotowoltaikę oferuje darmowy audyt, który ułatwi podjęcie decyzji.