Jak działa fotowoltaika

Jak działa fotowoltaika

Fotowoltaika jest technologią, która jest w Polsce coraz popularniejsza. Konieczność zmian energetycznych wymusza konieczność stawiania na odnawialne źródła energii, ale tak naprawdę nie trzeba do tego zachęcać, gdyż ludzie najlepiej wiedzą jak dbać o stan własnego portfela. Często nasza wiedza na temat tego rozwiązania jest taka, że to inwestycja, ekologiczny sposób pozyskiwania energii i że się opłaca. Mało osób zdaje sobie sprawę, jak działa taki system i że jest on odmienny od paneli słonecznych już na etapie celu.

Zasada działania fotowoltaiki

Zjawiskiem fizycznym, który pozwala fotowoltaice na produkcję energii elektrycznej, jest zjawisko fotoelektryczne. Na początek powiedzmy sobie, że promienie słoneczne możemy rozpatrywać i jako falę, i jako zbiór cząstek (w fizyce nazywamy to dualizmem falowo-korpuskularnym, ale tutaj nie jest to istotne). Cząstkami wchodzącymi w skład promieni są fotony. To one są potrzebne do zajścia procesu. Teraz podejdźmy do tematu od strony budowy ogniwa. Jego podstawą są dwa półprzewodniki. Jeden z nich jest ujemny (tzn. ma więcej ładunków ujemnych), a drugi jest dodatni. Pomiędzy tymi dwiema warstwami dochodzi do przepływu elektronów, a właśnie ten jest równoznaczny z występowaniem prądu. Ważna jest różnica w ilości ładunków pomiędzy warstwami. Padający foton jest tutaj wyzwolicielem, jego energia jest paliwem, która wybija ładunki występujące na warstwie typu “n” (czyli tej negatywnej tj. ujemnej), a że cały układ dąży do równowagi (tzn. takiej samej ilości ładunków po obu stronach), to elektrony przesuwają się od półprzewodnika “n” do “p”. Pomiędzy dwiema warstwami półprzewodników występuje złącze p-n, czyli miejsce wymiany elektronów, obszar pośredni między dwiema warstwami.

To by było na tyle. Nie ma w tym zjawisku nic trudnego. Światło składa się z fotonów, których energia skłania do ruchu (wybija) ładunki występujące na ogniwie. Te są ułożone tak, żeby jedna miała więcej ładunków ujemnych niż druga, a dodatkowa energia z fotonów powoduje powstanie napięcia.

Budowa systemu fotowoltaicznego

Panel (a nie kolektor!) składa się z ogniw fotowoltaicznych. Te mogą być z monokryształu, polikryształu lub krzemu amorficznego (ale to już temat na osobny artykuł łącznie z ciekawostką, dlaczego 95% paneli z monokryształu ma obcięte rogi). Istnieją też panele na bazie np. tellurku kadmu i innych, ale nie ma sensu wymieniać i opisywać wszystkich. Jak działa samo ogniwo, zostało przedstawione w poprzednim rozdziale. To jednak nie koniec budowy całej instalacji. W wyniku działania fotowoltaiki powstaje prąd stały i żeby mógł on służyć w kontekście urządzeń domowych, konieczne jest zastosowanie inwertera (nazywanego również falownikiem). To element, który zamienia prąd stały na przemienny. Oczywiście nie byłoby instalacji bez przewodów. Ważnym aspektem jest również licznik dwukierunkowy. Bez niego i tak będziemy produkować prąd, ale nie będzie możliwe sprzedawanie go do sieci. Mamy obecnie do czynienia z systemem prosumenckim (prosument, czyli producent + konsument), więc możemy sprzedawać wyprodukowaną (a raczej przekształconą, z punktu widzenia fizyki nie ma czegoś takiego jak produkcja energii) energię do sieci energetycznej.

Panele fotowoltaiczne a kolektory słoneczne

Pragnę dodać na koniec, że panele fotowoltaiczne i kolektory słoneczne to coś zupełnie innego. Łączy ich wykorzystanie promieni słonecznych do swojego działania. Już na etapie celu ich podobieństwa się rozmywają. Pierwsze służą do produkcji energii elektrycznej, a drugie do podgrzewania wody (tzw. CWU, czyli ciepła woda użytkowa). Co prawda możemy wodę ogrzewać, wykorzystując do tego prąd i istnieją systemy hybrydowe, które łączą oba rozwiązania, ale jednak panele i kolektory to nie to samo. Samo działanie też jest inne i kolektory są pod tym względem bardziej intuicyjne, gdyż po prostu (w skrócie) promienie słoneczne padające na absorber są pochłaniane i wykorzystywane do podgrzewania wody, zwykle wody technologicznej.