Nie da się ukryć, że ceny energii elektrycznej w naszym kraju nie należą do najniższych, a koszty jej produkcji oraz zużycia w gospodarstwie domowym stale rosną, szczególnie kiedy używamy jej nie tylko do oświetlenia, ale i do ogrzania całego budynku. Płacąc więc coraz wyższe rachunki, nie zdajemy sobie często sprawy, że można je obniżyć w stosunkowo prosty sposób, tanie, niewyczerpalne źródło energii czeka tuż za oknem, a są nim po prostu promienie słoneczne. Jest ono dostępne przez niemal przez cały rok, niezależnie od pory roku, można korzystać z niego praktycznie bez żadnych przeszkód i jedynym warunkiem, jaki trzeba spełnić, będzie montaż i podłączenie ogniw fotowoltaicznych, umożliwiających czerpanie pełnymi garściami z nieograniczonej siły płynącej prosto z naszej gwiazdy.

Zanieczyszczenie środowiska naturalnego – dlaczego musimy przejść na alternatywne źródła energii

Obserwując to, w jaki Słońce oddziałuje na naszą planetę, ludzie od wieków zastanawiali się, czy istnieje sposób pozwalający ujarzmić tę prawdziwą potęgę i chociaż częściowo wykorzystać do swoich potrzeb. Ogrzewanie domu, a w późniejszych wiekach zasilenie go energią elektryczną, zawsze stanowiło poważny problem, który w ostatnich latach jeszcze bardziej przybrał na sile. Źródłem ciepła czy prądu w naszym domu są zazwyczaj piece CO zasilane różnymi rodzajami paliw kopalnych, węglem, koksem czy olejem opałowym. Są one nie tylko mało wydajne, lecz w większości przypadków powodują również duże zanieczyszczenie środowiska, emitując do atmosfery wiele szkodliwych substancji. To samo, ale na większą skalę, robią elektrownie węglowe, będące od ponad stu lat podstawą systemu energetycznego w naszym kraju, mimo że większość naszych sąsiadów z Unii Europejskiej przechodzi na czystszą i niepowodującą takich strat energię jądrową.

Przez takie, co tu kryć, nieodpowiedzialne myślenie smog stał się nieodłączną częścią życia w większości polskich miast, normy zanieczyszczeń są przekraczane o setki procent, stanowiąc poważne zagrożenie dla naszego zdrowia, a liczba ofiar śmiertelnych powodowanych przez smog sięga już kilka tysięcy osób rocznie. Warto więc poszukiwać alternatywnych źródeł energii, nie musi to być od razu elektrownia atomowa, na którą w Polsce chyba będziemy musieli jeszcze długo poczekać, lecz ekologiczne rozwiązania można już dzisiaj zacząć wprowadzać od swojego domu, decydując się właśnie na montaż wydajnych ogniw fotowoltaicznych. Powiedzmy sobie szczerze, że nie znajdziemy takiego źródła energii, jak Słońce, które w ciągu kilku minut emituje jej więcej, niż wynosi całe roczne zużycie na Ziemi.

Ogniwa fotowoltaiczne – budowa pojedynczego ogniwa, modułów oraz paneli fotowoltaicznych

Burzliwy i niczym niepohamowany rozwój nowych technologii dotyka praktycznie każdej dziedziny naszego życia, nawet sposobów produkcji ciepła oraz energii elektrycznej. Jeszcze do niedawna ogniwa fotowoltaiczne były stosowane na stosunkowo małą skalę, głównie do zasilania niektórych urządzeń, co wynikało po prostu z ich zbyt niskiej wydajności. Wszyscy z pewnością pamiętamy kalkulatory kieszonkowe, używane w szkołach lub biurach, zasilane właśnie ogniwem fotowoltaicznym, prawdziwy hit minionej epoki i marzenie każdego ucznia. Taki niewielki panel, nazywany słonecznym, chociaż działał przy każdym oświetleniu, zasilał skutecznie urządzenie, eliminując konieczność wyposażania go w wymienną baterię. Skoro takie maleństwo było skuteczne, to co się stanie, jeśli ogniwo będzie kilkaset razy większe i co z jego pomocą uda się zrobić.

Zanim jednak przejdziemy do praktycznego wykorzystania ogniw fotowoltaicznych, powinniśmy wiedzieć, czym są i jak są zbudowane, co ułatwi nam późniejsze zrozumienie zasady ich działania. Pojedyncze ogniwo tego typu jest złożone z dwóch płytek będących półprzewodnikami, zrobionych z użyciem takich pierwiastków, jak krzem, german oraz selen. Pierwsza płytka, którą nazywamy po prostu n, znajduje się na górze ogniwa, a od zewnętrznej strony umieszczono w niej elektrody ujemne, zbierające i ochronną powłokę anty refleksyjną. Druga płytka, nazywana p, jest grubsza, znajduje się na dole ogniwa, a obie oddziela tzw. bariera potencjałów, tworząca półprzewodnikowe łącze p – n. Pojedyncze ogniwo to za mało, aby zasilić nasz dom w energię, dlatego łączy się razem ich większą ilość, tworząc moduły fotowoltaiczne, złożone z połączonych szeregowo albo równolegle ogniw. Taki moduł umieszcza się we wzmocnionej ochronnej ramie, najczęściej zrobionej z aluminium, a same delikatne i kruche ogniwa są chronione odpornym na uszkodzenia hartowanym szkłem. Dodatkowe zabezpieczenie stanowią dwie warstwy folii, PET i EVA, pomiędzy którymi umieszcza się ogniwa, a większa ilość połączonych ze sobą modułów składa się na panel fotowoltaiczny, taki, jaki widujemy na dachach wielu domów.

Ogniwa fotowoltaiczne – na jakiej zasadzie działają

Wszystkie te pojęcia: półprzewodniki, moduły, folie PET i EVA brzmią niezwykle skomplikowanie i najczęściej są niezrozumiałe dla osób nieobeznanych z elektroniką. Najlepiej więc wytłumaczyć to prezentując zasadę działania ogniw fotowoltaicznych, czyli sposób, w jaki przetwarzają energię słoneczną w elektryczną. Oczywiście tutaj przydałoby się z kolei trochę odświeżyć wiedzę fizyczną, ale postaramy się to zrobić w najprostszy i jak najbardziej zrozumiały sposób.

Zasada działania ogniw słonecznych, bo tak również możemy je nazywać, opiera się na zjawisku fotowoltaicznym, czyli przenoszeniu elektronów przez fotony na tzw. wyższe poziomy energetyczne, z jednoczesnym powstaniem siły elektromotorycznej, powodującej właśnie przepływ prądu w obwodzie elektrycznym. Jest to prąd stały, dlatego musi wcześniej zostać skonwertowany do prądu zmiennego, o napięciu oraz częstotliwości dostosowanej do tego płynącego w naszych domowych instalacjach elektrycznych, a w tym celu stosuje się inwertery, czyli specjalne przetworniki falowe. Z racji, że ogniwa fotowoltaiczne mogą działać tylko w ciągu dnia, nagromadzoną przez ten czas energię elektryczną trzeba też w jakiś sposób zmagazynować, dlatego ważnym elementem takiego systemu są pojemne akumulatory.

Ogniwa fotowoltaiczne – rodzaje najczęściej używane w domach jednorodzinnych

Wiemy już, czym są ogniwa, moduły oraz panele fotowoltaiczne i na jakiej zasadzie działają, czas więc poznać najczęściej stosowane ich rodzaje, które możemy wykorzystać w naszym domu. Takie informacje mogą ułatwić wybór najbardziej wydajnych paneli, dokładnie dopasowanych do naszych wymagań i potrzeb. W sklepach, marketach budowlanych, czy w salonach firm specjalizujących się w ich montażu, znajdziemy zazwyczaj następujące rodzaje ogniw:

1. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne

Jak ich sama nazwa wskazuje, złożone z pojedynczego, monolitycznego kryształu krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, ciętego następnie w miarę potrzeb na fragmenty o odpowiednich rozmiarach. Charakterystyczną cechą wyglądu, odróżniającą je od innych modeli, jest kolor, oscylujący od ciemnego niebieskiego, aż do czerni oraz okrągły kształt, wynikający z tego, że monokryształ krzemu ma przekrój będący idealnym kołem. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne charakteryzują się też najwyższą wydajnością, umożliwiającą przetworzenie energii słonecznej w elektryczną na poziomie nawet 22 procent. Niestety mają też swoje wady, mogące rzutować na decyzję o ich zastosowaniu, a najpoważniejsza to wysoka cena zakupu oraz niekorzystny temperaturowy współczynnik mocy, odpowiadający za maksymalną moc, jaką panel osiągnie w danej temperaturze. Zmniejsza się on wraz jej wzrostem o każdy stopień powyżej 25 stopni Celsjusza i dlatego jest jednym z najważniejszych, na jakie musimy zwrócić uwagę przed zakupem.

2. Polikrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne

W procesie ich produkcji wykorzystuje się z kolei płytki z polikrystalicznego kryształu krzemu, mające nie okrągły, ale zawsze prostopadłościenny kształt, zbliżony do prostokąta lub kwadratu, jaśniejszy niebieski odcień i wyraźniej zarysowane pojedyncze kryształy krzemu. Tego typu ogniwa nie są tak podatne na uszkodzenia, jak ich monokrystaliczne odpowiedniki, kolejną istotną zaletą jest niższy temperaturowy współczynnik mocy i niska, atrakcyjna, ciągle spadająca cena, sprawiająca, że może sobie na nie pozwolić większość właścicieli domów jednorodzinnych. Wada to sprawność pracy na poziomie 14 – 18 procent, jednakże w naszej strefie klimatycznej uważa się ten współczynnik za zadowalający. Wynika to z faktu, że mamy najczęściej do czynienia z promieniowaniem słonecznym rozproszonym, z którym panele polikrystaliczne radzą sobie bez większych problemów.

3. Amorficzne ogniwa fotowoltaiczne

Są to specyficzne, ale jednocześnie najbardziej zaawansowane modele ogniw produkowane z krzemu amorficznego, czyli takiego, który nie jest wykrystalizowany, niemającego postaci typowego kryształu. Od swoich opisanych powyżej poprzedników różnią się także sposobem wytwarzania, polegającym na nakładaniu cienkiej warstwy takiego niewykrystalizowanego krzemu na inny materiał, najczęściej szkło. Kolejne różnice to brak możliwości odróżnienia pojedynczych ogniw wchodzących w skład modułu lub panelu i ich charakterystyczna czerwona barwa. Ogniwa amorficzne są nieco mniej wydajne, mające sprawność od 6 do 10 procent, ale tę wadę rekompensuje z kolei niska cena, niewielka masa ułatwiająca montaż paneli, przez co na dachu można zamontować ich więcej oraz wyjątkowo niska wrażliwość na wysokie temperatury.

Ogniwa fotowoltaiczne – w jaki sposób i do czego możemy je wykorzystać

Kiedy już wybierzemy rodzaj ogniw fotowoltaicznych, spełniających stawiane przed nimi wymagania, musimy jeszcze zaplanować zakup pozostałych elementów systemu, w skład którego będą wchodzić. Same, choćby najwydajniejsze, ogniwa to za mało, aby skutecznie zasilić dom w energię pochodzącą z promieniowania słonecznego, a kolejne części, o jakie musimy zadbać to:

• falowniki, wspomniane już powyżej, nazywane inaczej inwerterami, których podstawowym zadaniem jest przetworzenie uzyskanego z ogniw prądu stałego na prąd zmienny, taki jaki jest w naszych gniazdkach, o napięciu 230 V i częstotliwości 50 Hz. Można zastosować jeden wspólny falownik dla całej sieci ogniw, albo kilka mniejszych, niezależnych dla każdego używanego panelu. Jest to częściej wybierane i korzystniejsze rozwiązanie, którego największa zaleta to łatwość dokonywania ewentualnych napraw, wymagających tylko wymiany jednego elementu i niewyłączającej na ten czas całej instalacji;
• pojemne akumulatory, gromadzące uzyskaną w ciągu dnia energię, o jak największej pojemności, a równie istotnym czynnikiem, jaki trzeba wziąć pod uwagę przy ich wyborze, jest odporność na częste ładowanie i rozładowywanie. Decyduje to bezpośrednio o wydajności ich pracy jako ważnego elementu systemu fotowoltaicznego, a najczęściej stosowane akumulatory kwasowe lepiej zastąpić modelami trakcyjnymi, o prawie nieograniczonej ilości cykli ładowania. Warto również zabezpieczyć się przed często występującym zjawiskiem tzw. prądu zwrotnego, czyli rozładowywania akumulatorów przez same ogniwa. Służą do tego specjalne regulatory ładowania, dostępne w wielu typach, spośród których zdecydowanie polecane są najbardziej zaawansowane modele sterowane mikroprocesorowo.

Aby taki nowoczesny system paneli fotowoltaicznych osiągał maksymalną zakładaną wydajność pracy, musi zostać właściwie zamontowany i zlokalizowany, w naszej strefie klimatycznej jak najdokładniej na południe. Poważnym, ale niestety nadal często popełnianym błędem, jest umieszczanie ogniw na północnej stronie budynku, w strefie najmniejszego nasłonecznienia. Równie istotny jest kąt nachylenia paneli, który musi być tak dobrany, aby promienie słoneczne padały na nie dokładnie pod kątem prostym, co jednak trzeba dostosowywać w zależności od pory roku i maksymalnej wysokości Słońca nad horyzontem. Prawidłowo wykonana instalacja fotowoltaiczna, przy właściwym jej umiejscowieniu pozwala uzyskać wydajność umożliwiającą wielorakie zastosowanie, a najczęściej używane urządzenia korzystające z takiego zasilania to:

1. Elektryczne przepływowe podgrzewacze wody

Znajdują one coraz powszechniejsze zastosowanie w naszych domach, szczególnie w tych, które z różnych przyczyn nie mogą korzystać z ciepłej wody doprowadzanej z ciepłowni. Równie często spotykanym problemem jest brak instalacji gazowej w domu, dlatego wodę musimy podgrzewać urządzeniami zasilanymi energią elektryczną, co z pewnością nie jest najtańszym rozwiązaniem. Koszty te można w znacznym stopniu zminimalizować, korzystając właśnie z paneli fotowoltaicznych ogrzewających naraz większą ilość wody magazynowanej w pojemnym zbiorniku.

2. Używany w domu sprzęt AGD, komputery i drobny sprzęt RTV

Promieniami słonecznymi można z powodzeniem zasilać wiele różnych urządzeń gospodarstwa domowego i wbrew powszechnie panującym opiniom nie tylko tzw. małego AGD, miksery, suszarki do włosów czy ekspresy do kawy. Można dołączyć do tej listy nawet lodówkę i pralkę, jednak przy przestrzeganiu kilku zasad dotyczących ich eksploatacji. W przypadku pralki konieczne jest zaplanowanie prania w godzinach największej wydajności ogniw, a zużywająca najwięcej energii sprężarka lodówki nie wymaga z kolei dużego zasilania przez całą dobę, włączając się z zależności od potrzeb. Na razie trudno jest sobie wyobrazić telewizor o dużej przekątnej zasilany energią słoneczną, jednakże w zupełności wystarczy jej np. dla laptopa, tabletu czy naładowania smartfona.

3. Elektryczne ogrzewanie podłogowe i oświetlenie domu

Ten system ogrzewania cieszy się dużą popularnością, pozwalając zaoszczędzić miejsce na montaż kaloryferów naściennych, jednak rachunki za prąd, jakie generuje, mogą przyprawić o ból głowy, dlatego warto podłączyć go do akumulatorów ładowanych przez ogniwa słoneczne. Energia gromadzona w ciągu dnia powinna w zależności od wielkości i wydajności paneli wystarczyć na pracę ogrzewania przez całą chłodną noc. Można nią także zasilać oświetlenie, a najczęściej używa się jej do lamp montowanych na zewnątrz budynku, stanowiących jeden z elementów systemów bezpieczeństwa chroniących dom przed włamaniem.

4. Systemy wentylacji i klimatyzacji

Zmiany w pogodzie postępują równie szybko, jak w rozwoju nowych technologii, dlatego i w naszym kraju mamy latem coraz częściej do czynienia z upałami przekraczającymi nawet 35 stopni w cieniu. Życie w tak mocno nagrzanym domu, gdzie temperatura w poszczególnych pomieszczeniach nie różni się zbytnio od tej na zewnątrz, nie należy do najprzyjemniejszych, dlatego montujemy w nim wydajne systemy klimatyzacji i wentylacji. Szczególnie ta pierwsza wymaga dużych ilości energii, biorąc pod uwagę zasadę działania i skomplikowaną, wieloelementową budowę. Części takie jak sprężarka, parownik czy skraplacz zużywają przy intensywnej pracy tak dużo prądu, że praktycznie natychmiast odczuwamy to w zwiększonych rachunkach. Tutaj w sukurs mogą przyjść właśnie panele złożone z ogniw fotowoltaicznych, które swoją największą moc uzyskują przecież w najgorętszej porze dnia, kiedy słońce świeci najmocniej, a jego energia z powodzeniem zasili każdy klimatyzator, stacjonarny lub przenośny.

Piotr Płucienniczak

49 lat, copywriter, który w miarę bezproblemowo przeszedł w życiu niejeden remont. Mimo że wiele prac budowlanych leży poza moim zasięgiem, to lubię zdobywać nową wiedzę z tej pasjonującej dziedziny i dzielić się nią z innymi. Mam nadzieję, że to, o czym piszę, okaże się przydatne i pozwoli pomóc w budowie domu Waszych marzeń, a wszelkie remonty nie będą Wam już straszne.