Ogniwa fotowoltaiczne: czym są? Opłacalność inwestycji

Główny surowiec w produkcji ogniw fotowoltaicznych stanowi krzem. Pojedyncze ogniwo jest w stanie wygenerować moc elektryczną 1–6,97 W, jednak w celu maksymalizacji efektów ogniwa łączy się w moduły fotowoltaiczne. Produkowane są najczęściej w postaci paneli o powierzchni 0,2–2,0 m². Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystuje się do produkcji energii w elektrowniach słonecznych, a także na potrzeby własne przedsiębiorstw i domów mieszkalnych.

Czym są ogniwa fotowoltaiczne?

Ogniwa fotowoltaiczne to urządzenia przetwarzające światło słoneczne na energię elektryczną. Z promieniowania słonecznego dzięki zaistnieniu zjawiska fotowoltaicznego powstaje prąd elektryczny. Żeby go wytworzyć, ogniwa muszą mieć właściwości półprzewodników. Właśnie dlatego do ich budowy wykorzystuje się najczęściej takie pierwiastki jak krzem, german i selen. Wciąż jednak testuje się alternatywne technologie.

Ogniwo fotowoltaiczne – budowa i działanie

Większość dostępnych na rynku ogniw fotowoltaicznych oparta jest na złączach półprzewodnikowych p-n. Pojedyncze ogniwo słoneczne składa się z dwóch warstw: naładowanej ujemnie i naładowanej dodatnio. Światło słoneczne padające na ogniwo fotowoltaiczne inicjuje reakcję fizyczną, w wyniku której powstaje prąd stały. Ponieważ jednak sieć energetyczna wykorzystuje prąd zmienny, prąd wyprodukowany przez ogniwo musi zostać przekonwertowany na zmienny o napięciu właściwym dla sieci. Proces ten odbywa się przy pomocy przetwornika zwanego falownikiem (inwerterem).

Kolektory słoneczne, a ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne mylone są często z kolektorami słonecznymi, które w przeciwieństwie do ogniw przekształcają energię promieniowania słonecznego w ciepło, a nie energię elektryczną.

Trzy generacje ogniw fotowoltaicznych

Do ogniw tzw. I generacji należą krzemowe ogniwa fotowoltaiczne monokrystaliczne i polikrystaliczne. Moduły z ogniw monokrystalicznych przy wzroście temperatury odznaczają się mniejszym spadkiem mocy i równocześnie charakteryzują się sięgającą 19–21% sprawnością. Sprawność modułów polikrystalicznych wynosi zaś 16–18%. To sprawia, że obecnie najbardziej rozpowszechnione są moduły zbudowane z ogniw monokrystalicznych połówkowych typu P lub N.

Poza mono- i polikrystalicznymi panelami krzemowymi producenci oferują panele cienkowarstwowe (ogniwa II generacji), o warstwach absorbujących światło ok. 350 razy mniejszych niż w standardowych panelach krzemowych. Dzięki temu moduły są znacznie cieńsze niż panele tradycyjne.

Ogniw III generacji nie wyposażono w klasyczne złącza p-n, a mechanizmy konwersji w tym przypadku są różne. Do tej grupy należą m.in. ogniwa w układach koncentrujących światło (koncentratory PV) oraz ogniwa organiczne OVP. Sprawność ogniw fotowoltaicznych III generacji jest niska, a ich żywotność krótka, dlatego nie mają komercyjnego zastosowania.

Ogniwa fotowoltaiczne – czy warto w nie inwestować?

Odpowiednio dobrana instalacja fotowoltaiczna z pewnością zmniejsza koszty energii elektrycznej. W systemie net-billing działającym od kwietnia 2022 r. obniżki opłat za prąd mogą sięgać nawet 90% rocznych kosztów energii elektrycznej.

Z własną fotowoltaiką, z której na bieżąco zasilamy urządzenia elektryczne, nie płacimy za energię czynną. Dzięki depozytowi prosumenta, na który trafiają wirtualne pieniądze za oddaną do sieci energię, wykorzystujemy te środki na zakup prądu w momencie, gdy nasza instalacja nie pracuje. Co więcej, fotowoltaika obniża też nasze opłaty zmienne, jakościowe, OZE i kogeneracyjne, których wielkość zależy od ilości kWh pobranych z sieci. Pobierając energię z własnej instalacji zamiast z sieci, wymienione opłaty są tym samym niższe. Nadal obowiązują jednak opłaty stałe, m.in. opłata abonamentowa, przejściowa, mocowa i handlowa.

W przypadku instalacji fotowoltaicznych domowych moc wynosi najczęściej 3–5 kW, co pozwala uzyskać od 3000 do 5000 kWh energii w ciągu roku. Przeciętne roczne zapotrzebowanie na prąd gospodarstwa domowego nie przekracza tej wielkości.

Uwarunkowania klimatyczne – wydajność ogniw fotowoltaicznych w Polsce

Roczna suma energii promieniowania słonecznego w Polsce to około 1000 kWh na 1 m² powierzchni. W przypadku budynku energooszczędnego o powierzchni 150 m², którego roczne zapotrzebowanie na energię wynosi 40 kWh/m², otrzymujemy 6000 kWh. Teoretycznie więc dla zaspokojenia potrzeb energetycznych takiego budynku wystarczyłoby zebrać energię słoneczną padającą na jedyne 6 m² działki. Oczywiście w praktyce to nierealne, ponieważ nie potrafimy pozyskiwać energii bez strat. Problem stanowi również nierównomierny rozkład promieniowania w ciągu roku. W miesiącach zimowych (grudzień – luty) można odebrać zaledwie 6% rocznej sumy promieniowania słonecznego, a na całe chłodniejsze półrocze przypada jej jedynie 20%. A więc w czasie, gdy potrzebujemy najwięcej energii na ogrzewanie i oświetlenie, mamy jej do dyspozycji bardzo mało. Z kolei wiosną i latem pozyskujemy bez problemu więcej energii, niż jesteśmy w stanie zużyć.

Ogniwa fotowoltaiczne: opłacalność inwestycji

Koszt inwestycji w instalację fotowoltaiczną wiąże się z łączną mocą fotoogniw oraz miejscem ich montażu. Niewielkie układy fotowoltaiczne (tzw. mikroinstalacje do 10 kW) lokowane są zwykle na dachach budynków mieszkalnych. Systemy fotowoltaiczne o mocy wyższej niż 10 kW montuje się na dachach budynków jak również na powierzchni ziemi, na stworzonych w tym celu konstrukcjach wsporczych.

Ogniwa fotowoltaiczne: cena zestawu

Opłacalność zakupu fotoogniw można oszacować, przyjmując, że średnie jednostkowe koszty ogniw fotowoltaicznych montowanych na dachach budynków, przeznaczonych na małe instalacje (mikroinstalacje poniżej 10 kW) mieszczą się w przedziale od 5 000 do 7 000 zł/kW. Ponad ⅔ całkowitych kosztów wynosi zakup urządzeń z osprzętem elektrycznym. Inwerter zmieniający parametry prądu płynącego z paneli na takie, jakich wymagają domowe odbiorniki (prąd przemienny o napięciu 230 V i częstotliwości 50 Hz), kosztuje kilka tysięcy złotych. Inne akcesoria (konstrukcje mocujące, przewody) oraz montaż to kolejne kilka tysięcy.

Żywotność fotoogniw szacowana jest przez ich wytwórców na około 30 lat (przy standardowej 25-letniej gwarancji na min. 80% mocy wyjściowej uzyskiwanej z fotoogniw). Przy obecnych cenach energii zwrot z inwestycji dla przytoczonego wyżej przykładu domu jednorodzinnego szacuje się na około kilka lat. Jeżeli jednak znaczny wzrost cen energii nastąpi, co jest prawdopodobne, inwestycja zwróci się w jeszcze krótszym okresie czasu.

Koszty utrzymania instalacji fotowoltaicznej

Utrzymanie ogniw fotowoltaicznych nie generuje dużych kosztów i jest praktycznie bezobsługowe. Wprowadzanie energii do sieci jest realizowane automatycznie przez inwertery fotowoltaiczne, a system powiadomień informuje użytkownika o ewentualnych (dość rzadkich) usterkach.

Ogniwa fotowoltaiczne – dofinansowanie instalacji

W ostatnich latach powstało wiele programów unijnych oraz rządowych wspierających rozwój instalacji fotowoltaicznych, m.in. „Mój prąd”, „Czyste powietrze” oraz ulga termomodernizacyjna. O dofinansowanie na instalację fotowoltaiczną można starać się również w urzędzie gminy.