Jak panele fotowoltaiczne produkują prąd? Zasada działania
To, jak panele fotowoltaiczne produkują prąd, wyjaśnia efekt fotowoltaiczny: foton światła pochłonięty w krzemowym ogniwie wybija elektron, a pole elektryczne złącza p-n kieruje ruch ładunków do obwodu, więc z panelu płynie prąd stały. Falownik zamienia go na prąd zmienny, z którego korzystają domowe urządzenia i sieć energetyczna. Proces działa tylko przy świetle, dlatego w nocy panel nie wytwarza energii.
- Jak panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd krok po kroku
- Co w ogniwie krzemowym tworzy złącze p-n
- Jakie napięcie i moc daje ogniwo, a jakie cały panel
- Dlaczego panel daje prąd stały i co robi falownik
- Ile prądu produkuje 1 panel fotowoltaiczny dziennie
- Czy fotowoltaika produkuje prąd, gdy nie ma słońca
Jak panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd krok po kroku
Prąd powstaje w ogniwach, z których złożony jest panel, a droga od światła do gniazdka ma pięć etapów.
- Światło słoneczne, czyli strumień fotonów, pada na ogniwa i jest pochłaniane przez krzem.
- Energia fotonu wybija elektron z atomu półprzewodnika.
- Pole elektryczne na granicy warstw typu n i p rozdziela ładunki i wymusza ruch elektronów w jednym kierunku.
- Przewody łączące ogniwa i panele odprowadzają ten uporządkowany przepływ jako prąd stały (DC).
- Falownik przekształca prąd stały w prąd zmienny (AC), który zasila dom albo trafia do sieci.
Co w ogniwie krzemowym tworzy złącze p-n
Złącze p-n powstaje przez domieszkowanie krzemu, czyli zastąpienie części jego atomów atomami innych pierwiastków. Fosfor z grupy V ma o jeden elektron więcej, niż potrzeba do wiązań, więc tworzy warstwę typu n z nadmiarem swobodnych elektronów. Bor z grupy III ma jeden elektron mniej i daje warstwę typu p, w której brakuje elektronów (tzw. dziury).
Zetknięcie obu warstw wytwarza wewnętrzne pole elektryczne. Bez niego wybity elektron nie miałby określonego kierunku ruchu i ogniwo nie oddałoby prądu do obwodu.
Ogniwa w panelu chroni od frontu szkło, uszczelnia je folia EVA, a tylna warstwa backsheet izoluje je od wilgoci; całość usztywnia aluminiowa rama. Hermetyczna obudowa ma zabezpieczać ogniwa przed korozją i zanieczyszczeniami przez oczekiwane co najmniej 20-30 lat pracy. Ogniwa wykonuje się w technologii monokrystalicznej, polikrystalicznej, amorficznej i cienkowarstwowej, a ich porównanie zawiera dział panele fotowoltaiczne.
Jakie napięcie i moc daje ogniwo, a jakie cały panel
Jedno ogniwo krzemowe daje około 0,6 V i około 9 A, dlatego w panelu łączy się zwykle 60 lub 72 ogniwa szeregowo. Parametry tradycyjnego ogniwa 156 × 156 mm i zakres mocy modułów zawiera e-podręcznik AGH o panelach fotowoltaicznych.
| Element | Napięcie (V) | Prąd (A) | Moc (W) |
|---|---|---|---|
| Ogniwo krzemowe 156 × 156 mm | ok. 0,6 | ok. 9 | ok. 5,4 (0,6 V × 9 A) |
| Panel z 60 ogniw połączonych szeregowo | ok. 36 | ok. 9 | ok. 324, w podręczniku zaokrąglone do ok. 300 |
| Panel z 72 ogniw połączonych szeregowo | ok. 43,2 (wyliczenie) | ok. 9 | ok. 389 (wyliczenie) |
| Panele dostępne na rynku, 0,3-2 m² | zależnie od budowy | zależnie od budowy | 30-600 Wp w warunkach STC |
W połączeniu szeregowym sumują się napięcia ogniw, a prąd pozostaje na poziomie jednego ogniwa: 60 × 0,6 V = 36 V oraz 36 V × 9 A = 324 W. Moc w Wp dotyczy warunków standardowych (STC), w których panel na dachu pracuje rzadko, więc chwilowy prąd zwykle różni się od wartości z karty.
Dlaczego panel daje prąd stały i co robi falownik
Ogniwa wytwarzają prąd stały, a urządzenia w domu i sieć energetyczna pracują na prądzie zmiennym, więc bez falownika (inwertera) energia z dachu nie zasili gniazdek.
Poza panelami i falownikiem instalacja fotowoltaiczna potrzebuje okablowania, skrzynek przyłączeniowych, zabezpieczeń, złączy i elementów montażowych. Opcjonalnie dochodzi magazyn energii oraz optymalizatory. Jeśli część modułów zacienia komin lub drzewo, optymalizatory podnoszą uzysk z tych paneli; przy dachu bez cienia ich rola jest mniejsza.
Ile prądu produkuje 1 panel fotowoltaiczny dziennie
W Polsce średnio około 2,7 kWh dziennie na każdy 1 kWp mocy, czyli dla panelu 300-600 Wp mniej więcej 0,8-1,6 kWh na dobę w skali roku. Podstawą jest średnie roczne natężenie promieniowania słonecznego w Polsce, ok. 993,5 kWh/m², przy którym instalacja 5 kW wytwarza rocznie ok. 5000 kWh, czyli ok. 1000 kWh z 1 kWp.
Przykład dla panelu o mocy 400 Wp:
- moc panelu: 400 Wp = 0,4 kWp,
- produkcja roczna: 0,4 kWp × 1000 kWh/kWp = 400 kWh,
- średnia dzienna: 400 kWh / 365 dni = 1,096 kWh, po zaokrągleniu ok. 1,1 kWh.
To średnia z całego roku, a nie gwarantowana produkcja w konkretnym dniu: wynik zmienia pogoda, kąt ustawienia i zacienienie. Liczba modułów potrzebnych na zużycie domu zależy od mocy pojedynczego panelu, co opisuje poradnik jakiej mocy panele fotowoltaiczne wybrać.
Czy fotowoltaika produkuje prąd, gdy nie ma słońca
Bez światła panel nie produkuje prądu, bo efekt fotowoltaiczny wymaga fotonów padających na ogniwa, więc w nocy produkcja spada do zera. Przy zachmurzeniu do ogniw dociera mniej światła, dlatego prąd jest mniejszy niż w słoneczny dzień.
Na noc i słabą pogodę instalacja korzysta z magazynu energii naładowanego w ciągu dnia albo z poboru z sieci. Ilość światła na module zależy też od kierunku montażu, a uzysk z dachu od strony północnej omawia tekst o panelach fotowoltaicznych na północ.
