Krótko i węzłowato. Jak działa domowa elektrownia słoneczna?

Tekst: Katarzyna Starczewska

Data publikacji

02 12 2020

Krótko i węzłowato. Jak działa domowa elektrownia słoneczna?

Słońce świeci i dostarcza do Ziemi ciepło. Nic w tym odkrywczego. Ale gdy zapytamy, czy z tego świecenia da się uzyskać prąd elektryczny? – sprawa staje się bardziej interesująca. Bo jak to możliwe, że światło i ciepło mogłyby się zamienić na prąd w gniazdkach i przewodach?

Jeśli chcemy wykorzystać Słońce do produkcji energii musimy wyposażyć się w domową elektrownię słoneczną, tzw. mikroinstalację lub przydomowy system fotowoltaiczny – PV. Nazwa fotowoltaika pochodzi od słów: „foto” – oznaczającego światło oraz „wolt” – od jednostki napięcia elektrycznego. System, dzięki któremu jest to możliwe, składa się z kilku elementów, bez których cały proces zamiany energii promieniowania w prąd nie byłby możliwy. Są nimi panele słoneczne, falownik oraz magazyn energii.

Naturalne ogniwa

Aby lepiej zrozumieć, o co w tym wszystkim chodzi, zacznijmy jednak od zjawiska, które jest nam bliżej znane. Zachodzi ono dzięki energii słonecznej w organizmach roślin. Bez Słońca rośliny nie byłyby w stanie rosnąć i… przestałyby istnieć. Wykorzystują one światło słoneczne do produkcji pożywienia w procesie zwanym fotosyntezą. Dzięki działaniu Słońca przekształcają wodę i dwutlenek węgla w paliwo.

Zarówno rośliny jak i domowe elektrownie składają się z ogniw, które przetwarzają światło słoneczne w energię. U roślin tymi ogniwami są chloroplasty oraz obecny w nich chlorofil, które wyłapują promieniowanie słoneczne i zamieniają je w użyteczną energię. W mikroinstalacji odpowiednikami chloroplastów są ogniwa fotowoltaiczne. Wykonane są one głównie z atomów krzemu, który jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi. Krzem tworzy warstwę przypominającą cienki kawałek wafla, na której umieszcza się metalową siatkę. Ta strona ogniwa jest zwrócona w kierunku Słońca. Cząstki świetlne (fotony) uderzają w ogniwo fotowoltaiczne i mogą być odbijane lub pochłaniane przez krzemową warstwę ogniwa. Tylko światło, które zostało pochłonięte, może zostać wykorzystane i przemienione na energię elektryczną. W atomach krzemu znajdują się elektrony, które dzięki działaniom promieni słonecznych są wytrącane z materiału. Ich ruch wytwarza prąd stały.

Czekolada na dachu

Domowa elektrownia słoneczna jest oparta na panelach słonecznych, które składają się z grup ogniw fotowoltaicznych. Istotne jest prawidłowe ułożenie paneli, by wykorzystać maksymalną ilość nasłonecznienia. Na północnej półkuli Ziemi, czyli tu, gdzie znajduje się Polska, najoptymalniejsze jest skierowanie ich na południe, ponieważ kiedy Słońce dostarcza najwięcej energii (świeci najmocniej) oświetla nas właśnie od tej strony.

Panele fotowoltaiczne montuje się najczęściej na dachach domów. Często przypominają dużą tabliczkę czekolady. Im więcej paneli, tym więcej energii można wyprodukować. Gdy cząstki światła uderzają w panele i są pochłaniane, ogniwa generują prąd stały (tzw. DC), który musi być przekształcony na prąd przemienny (AC). To właśnie falownik – podłączony do paneli, dokonuje tego przekształcenia. Dlaczego to ważne? Bo to prąd przemienny zasila większość urządzeń i mechanizmów. Bez niego nie byłoby możliwe efektywne wykorzystanie energii słonecznej.

Mając instalacje fotowoltaiczną, nie zawsze jednak jesteśmy w stanie wyprodukować tyle prądu, ile potrzebujemy. Takie instalacje nie pracują również w nocy oraz nie wytwarzają dużych ilości energii w pochmurne, deszczowe dni. W związku z tym są podłączone do sieci energetycznych, by w razie niedoborów zapewniony był ciągły dostęp do energii. Innym rozwiązaniem jest wyposażenie ich w dodatkowe magazyny energii, żeby wyprodukowane w piękne słoneczne dni nadwyżki prądu wykorzystać w innym czasie. Pierwsze rozwiązanie to tzw. systemy on-grid, drugie off-grid.

Słońce jest niewyczerpywalnym źródłem energii, które naturalnie się odnawia. Inne zasoby energetyczne, takie jak np. gaz ziemny, węgiel czy ropa tworzą się bardzo długo. Dzięki nowym technologiom udaje się okiełznać energię słoneczną. To duży krok w kierunku niezależności energetycznej.