Baza wiedzy


Jak działa i z czego składa się system fotowoltaiczny?
 

Wykorzystanie energii słonecznej do produkcji prądu elektrycznego staje się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem. Jak działają przydomowe elektrownie słoneczne i z jakich elementów są zbudowane? Poniżej postaramy się wszystko dokładnie wyjaśnić.

Klasyczny system fotowoltaiczny zbudowany jest z modułów fotowoltaicznych, falownika, konstrukcji montażowej, zabezpieczeń po stronie stałoprądowej i zmiennoprądowej oraz okablowania. Uproszczony schemat instalacji fotowoltaicznej przedstawiono na rysunku poniżej.

 

Rysunek: Schemat instalacji fotowoltaicznej (www.pulsar-bielsko.pl)

Najważniejszym elementem systemu fotowoltaicznego są ogniwa fotowoltaiczne, w których energia promieniowania słonecznego przemieniana jest w energię elektryczną w wyniku tzw. efektu fotowoltaicznego. Najpowszechniej stosowane ogniwa zbudowane są z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego. Pierwiastek ten zostaje poddany wstępnej obróbce w wyniku której otrzymuje się odpowiednio oczyszczone wafle krzemowe o grubości 0,2 mm, w których została uformowana bariera potencjału. Struktura wafli charakteryzuje się obecnością licznych wgłębień, dzięki czemu ich powierzchnia jest większa i ogniwo może absorbować więcej energii słonecznej, a co za tym idzie produkować więcej energii elektrycznej. Połączone szeregowo lub równolegle ogniwa, odpowiednio zabezpieczone i umieszczone w obudowie tworzą moduł fotowoltaiczny.

Wytwarzanie prądu elektrycznego w modułach fotowoltaicznych możliwe jest dzięki istnieniu w krzemowej płytce półprzewodnikowego złącza P-N, w którym pod wpływem padających fotonów następuje przepływ prądu elektrycznego. Moduły fotowoltaiczne oparte na ogniwach z krzemu krystalicznego składają się z ramy, puszki połączeniowej, folii PET i EVA, połączonych ogniw i hartowanej szyby co przedstawia poniższy rysunek.

 

Rysunek: Budowa modułu fotowoltaicznego opartego na ogniwach z krzemu krystalicznego (Szymański, 2016)

Kolejnym elementem tworzącym system fotowoltaiczny jest falownik. Jest to urządzenie, którego zadaniem jest konwersja prądu i napięcia stałego DC z modułów na prąd i napięcie zmienne AC o parametrach identycznych jak energia elektryczna w sieci niskiego napięcia (230/400 V). Falownik fotowoltaiczny, zwany też inwerterem umożliwia sterowanie i kontrolowanie pracą całego systemu fotowoltaicznego. Istotnym elementem budującym falownik jest elektroniczny moduł śledzenia punktu mocy maksymalnej łańcuchów modułów MPPT, który zmienia napięcie i natężenie prądu w zależności od nasłonecznienia modułów, tak, aby uzyskać jak największą moc generatora w danych warunkach.

Moduły i falowniki fotowoltaiczne przed ewentualnymi przepięciami chronione są dzięki odpowiednim zabezpieczeniom DC i AC. Bezpieczniki to urządzenia, których zadaniem jest zabezpieczenie instalacji przed przepływem zbyt dużego prądu przez otwarcie obwodu. Instalowane po stronie DC ograniczniki przepięć chronią instalację przed przejściowymi przepięciami wywołanymi np. uderzeniem pioruna w linię elektroenergetyczną. Po stronie AC, czyli za falownikiem fotowoltaicznym, a przed rozdzielnicą w budynku montuje się wyłączniki nadmiarowo-prądowe zabezpieczające przed przeciążeniami elektrycznymi. Wartość wyłączników nadprądowych dopasowuje się do maksymalnego wyjściowego natężenia prądu falownika przy napięciu skutecznym.

Pod kątem optymalizacji działania instalacji fotowoltaicznej istotnym elementem systemu jest okablowanie. Przekrój przewodów solarnych zależy od mocy instalacji. Najczęściej wykorzystuje się przewody o przekroju poprzecznym 4 mm2 lub 6 mm2. Stosowane kable powinny być odporne na promieniowanie UV, wilgotność oraz niską i wysoką temperaturę. W porównaniu do zwykłych przewodów przy tej samej średnicy żyły, kable solarne mają większą średnicę zewnętrzną, charakteryzują się podwójną izolacją i posiadają ocynkowaną linkę miedzianą. Zadaniem przewodów fotowoltaicznych jest przetransportowanie wytworzonego w modułach prądu do falownika. Połączenie paneli fotowoltaicznych z inwerterem realizowane jest poprzez tzw. złącza MC4.

Projektując system fotowoltaiczny bardzo ważne jest aby dobrać odpowiednią konstrukcję mocującą moduły. System montażowy dobiera się w zależności od rodzaju pokrycia, kąta nachylenia i orientacji dachu. Konstrukcje muszą zapewniać solidne przymocowanie paneli z jednoczesnym zachowaniem ciągłości poszycia dachowego (nie mogą powodować przeciekania). Systemy montażowe przeznaczone do montowania na dachach skośnych składają się z aluminiowych profili mocowanych do krokwi dachowych za pomocą specjalnych kotew montażowych. Na dachach płaskich w celu uzyskania odpowiedniego kąta nachylenia i orientacji paneli stosuje się systemy w kształcie ekierek umożliwiających odpowiednie ustawienie paneli. Systemy dla instalacji gruntowych wykonuje się przy użyciu stalowych podpór wkręcanych/wbijanych w grunt lub mocowanych do fundamentu. W skład każdej konstrukcji montażowej wchodzą klemy środkowe i zewnętrzne, śruby i nakrętki, które służą do przymocowania modułów fotowoltaicznych do wyżej opisanych profili.

Podsumowując: najważniejszymi elementami systemu fotowoltaicznego są moduły fotowoltaiczne zbudowane z połączonych szeregowo ogniw oraz falownik przemieniający prąd stały DC na zmienny AC. Elementy te jednak nie mogą współpracować bez odpowiedniego połączenia ich ze sobą za pomocą kabli solarnych, zastosowania zabezpieczeń i dobrania odpowiedniego systemu montażowego.