Energia fotowoltaiczna - jak to działa?

Rozwój odnawialnych źródeł energii idzie w parze z wykorzystaniem energii słonecznej. Czy jednak wiesz, jak działają ogniwa fotowoltaiczne i w jaki sposób docierają do Twojego domu?

Słońce, ta rozżarzona kula, która zajmuje nasze niebo i wokół której krążyły praktycznie wszystkie ludzkie kultury, krąży i będzie krążyć (dosłownie i dosłownie). Kult kulturowy i religijny, który, daleki od wygnania przez coraz mniej mistyczną ludzkość, jest obecnie naukowo ujarzmiany poprzez energię. Faktem jest, że ta gwiazda, licząca 4,6 miliarda lat – ledwie dorosła w porównaniu z wiekiem innych gwiazd – jest niezbędna dla życia na Ziemi (nie uważamy za konieczne wyjaśnianie dlaczego w tym momencie), ale także dlaprodukcja czystej, zrównoważonej i niewyczerpanej energii: fotowoltaika słonecznaW ten sposób, w ciągu zaledwie kilku dekad, przeszliśmy od życia plecami do słońca – z energetycznego punktu widzenia – do gorączki fotowoltaicznej, w której zaczynamy wykorzystywać potencjał naszego słońca do wytwarzania energii elektrycznej. Ale czy zastanawiałeś się kiedyś, jak działa fotowoltaiczna energia słoneczna? Cóż, dzisiaj Cię o tym oświecimy; nałóż krem ​​do opalania i zaczynajmy.

Być może pierwszym i najważniejszym krokiem jest wyjaśnienie, czym jest fotowoltaiczna energia słoneczna. Ten rodzaj energii jest uzyskiwany poprzez zamianę promieniowania słonecznego na energię elektryczną dzięki tzw. efektowi fotoelektrycznemu, który zasadniczo polega na emisji elektronów (które później staną się energią elektryczną) w wyniku promieniowania elektromagnetycznego padającego na materiał, w tym przypadku ogniwa fotowoltaiczne, znajdujące się na powierzchni paneli fotowoltaicznych, niezależnie od ich rozmiaru i technologii. Te z kolei składają się z szeregu warstw półprzewodnika elektrycznego, krzemu lub innych materiałów, pokrytych szklistą powłoką, która przepuszcza promieniowanie słoneczne i minimalizuje straty energii, chociaż obecnie maksymalna sprawność w najbardziej zaawansowanych instalacjach wynosi 20%. W ten sposób promienie słoneczne, które pozostają wewnątrz, są „uwięzione” w płycie fotowoltaicznej dzięki generowaniu pola elektrycznego, które przepływa przez obwód elektryczny przesyłany przez instalację elektryczną.

Mamy już nasze ukochane promienie słoneczne, których intensywność – w granicach możliwości naszej instalacji – określi moc, jaką będziemy w stanie wygenerować, uwięzione w naszym obwodzie elektrycznym dzięki „magii” nauki. Teraz nadszedł czas, aby przekształcić je w prawdziwą energię elektryczną, z której możemy korzystać.

Otóż, gdy „uwięzione” fotony uwalniają elektrony, generują one coraz więcej energii elektrycznej w obwodzie płytki fotowoltaicznej, która nie może wykorzystać wszystkich wygenerowanych elektronów i przekierowuje je z powrotem do tzw. panelu ujemnego, aby mogły ponownie włączyć się do procesu na późniejszym etapie. W ten sposób ten cykliczny proces pozwala na produkcję tego, co znamy jako prąd stały, który jest magazynowany w akumulatorach, a następnie przekształcany w prąd przemienny (ten, który zużywamy w domu) dzięki działaniu drugiego głównego bohatera naszego wyjaśnienia: falowników napięcia.

Falowniki są kluczowe, ponieważ bez nich niemożliwe byłoby wykorzystanie energii słonecznej pochodzącej z fotowoltaiki. Dzięki konwersji prądu stałego na przemienny, urządzenia te dopasowują natężenie prądu do tego, które możemy znaleźć w dowolnym gniazdku w domu. Wynika to z faktu, że prąd stały, jak sama nazwa wskazuje, charakteryzuje się regularnym przepływem jednokierunkowym, podczas gdy prąd przemienny charakteryzuje się ciągłą zmianą mocy i kierunku. W ten sposób falowniki zmieniają kierunek prądu stałego ze stałego na przemienny, co pozwala nam wykorzystać go do użytku domowego, ponieważ znacznie łatwiej jest dostosować napięcie urządzeń elektrycznych do prądu przemiennego.

Cóż, w tym momencie, aby kontynuować wyjaśnienia, musimy przyjrzeć się rodzajom istniejących instalacji fotowoltaicznych. Zasadniczo możemy podzielić je na dwie główne grupy:

• Systemy fotowoltaiczne podłączone do sieci
• Systemy fotowoltaiczne poza siecią

Przyjrzyjmy się różnicom w ich działaniu i innym elementom, które mają wpływ na ich prawidłowe działanie.

Systemy fotowoltaiczne podłączone do sieci

Tego rodzaju instalacje, niezależnie od tego, czy są to instalacje na własny użytek (instalujemy je w naszych domach, aby dostarczać sobie „darmową” energię), czy też elektrownie (duże instalacje, które wytwarzają energię słoneczną z ogniw fotowoltaicznych i dystrybuują ją do różnych odbiorców), są połączone z dużą siecią energetyczną, co pozwala na zasilanie sieci nadwyżkami (w przypadku własnego zużycia) i produkcją (w przypadku elektrowni).

W tym miejscu należy zacząć od rozróżnienia instalacji domowych i centralnych, głównie ze względu na liczbę elementów, które muszą być uwzględnione w celu zapewnienia ich prawidłowej pracy.

• W instalacjach domowych energia elektryczna, po przekształceniu w prąd przemienny, przepływa do akumulatorów, gdzie jest zużywana przez nasze urządzenia elektryczne lub magazynowana w oczekiwaniu na zużycie. Nadwyżki energii są z kolei przesyłane do publicznej sieci elektroenergetycznej, z której korzystają odbiorcy.
• W przypadku elektrowni fotowoltaicznych proces ten jest znacznie bardziej złożony, ponieważ po wytworzeniu energii elektrycznej należy ją wprowadzić do sieci, gdzie rozpoczyna się bardzo ciekawa podróż aż do momentu jej zużycia.

Zatem po przejściu przez falownik wytworzona energia elektryczna musi przejść przez kluczowy element całego procesu: centrum transformacji i dystrybucji. Urządzenie to podnosi napięcie, zwiększając sprawność i zmniejszając straty energii, aby mogła zostać przesłana do sieci elektroenergetycznej, która transportuje energię elektryczną do punktów poboru.

Gdy energia elektryczna zbliża się do punktów poboru, przepływa przez stację elektroenergetyczną w celu obniżenia jej napięcia, aby można ją było wykorzystać.

Systemy fotowoltaiczne poza siecią

Ta druga klasyfikacja jest najrzadziej spotykana, ale bardzo często spotykana w sektorach takich jak rolnictwo, a także w odległych lub trudno dostępnych lokalizacjach. Zasadniczo są to instalacje działające w tzw. „wyspach energetycznych”, aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię instalacji autonomicznych. Zatem tego typu instalacje fotowoltaiczne, które są znacznie prostsze w obsłudze, ponieważ nie wymagają większej liczby rozdzielnic, ponieważ nie są podłączone do głównej sieci elektroenergetycznej, mogą pełnić funkcję generatorów energii elektrycznej do oświetlenia, systemów nawadniających plantacje lub wspomagać inne systemy wytwarzania, takie jak generatory diesla.

Aby to osiągnąć, wracając do punktu, w którym energia przeszła już przez panel słoneczny i jest bezpiecznie magazynowana w naszym akumulatorze, instalacje te wymagają kolejnego elementu, który wyróżnia je pod względem działania: regulatorów. Ten element zasadniczo pełni funkcję systemu zabezpieczającego akumulator przed przeciążeniami elektrycznymi lub ewentualnym nieefektywnym lub nieodpowiedzialnym wykorzystaniem zgromadzonej energii. W ten sposób akumulatory, dobrze zabezpieczone, przekazują energię do autonomicznej sieci elektrycznej (okablowania i instalacji domowej/rolniczej/przemysłowej), a ta z niej korzysta. To takie proste.

Fotowoltaika słoneczna: zrównoważona i tania

Do niedawna debata na temat fotowoltaiki, podobnie jak w przypadku innych odnawialnych źródeł energii, była ożywiona. Chmury, które groziły przesłonięciem słonecznego „fotowoltaicznego nieba”, były niczym więcej niż wątpliwościami co do jej opłacalności jako źródła energii. Jak każda technologia, fotowoltaika poniosła koszty w początkowej fazie, które po kilku latach demonstrowania swojej wszechstronności, udało się jej przezwyciężyć dzięki dojrzałości technologicznej i stałemu spadkowi cen instalacji.

Tak więc zaledwie dwa lata temu nastąpił kamień milowy w historii fotowoltaiki słonecznej, kiedyMiędzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA)opublikował swój coroczny raport World Energy Outlook 2020, w którym stwierdził, że energia słoneczna jest nie tylko konkurencyjna i wydajna, ale także „najtańszą energią elektryczną w historii” – to nic. Kluczem do tego jest koszt kapitału dla projektów fotowoltaicznych, który pozwala na produkcję energii słonecznej po cenie poniżej 20 dolarów za megawatogodzinę. To jeden z powodów, dla których instytucje finansujące przychylnie patrzą na finansowanie rozwoju nowych projektów fotowoltaicznych ze względu na ich wysoką rentowność.

Obecnie moc wytwórcza energii fotowoltaicznej osiągnęłabariera psychologiczna 1000 GWdzięki wkładowi doskonałego roku 2021, w którym do globalnej sieci elektroenergetycznej dodano 168 GW mocy. Świadczy o tymSolarPower Europe‘S Globalne perspektywy rynkowe dla energii słonecznejRaport wskazuje również, że branża fotowoltaiczna po raz dziewiąty z rzędu pobiła swój rekord instalacji. Tendencja ta ma się powtórzyć w 2022 roku, kiedy prognozy wskazują, że po raz pierwszy moc instalacji fotowoltaicznych przekroczy 200 GW.