Zasada działania systemu fotowoltaicznego, wg obecnie rozpowszechnionej technologii, polega na wykorzystaniu podstawowego elementu fotoelektrycznego przetwarzającego energię świetlną (słoneczną) na energię elektryczną – to moduł fotowoltaiczny lub moduł PV. Każdy moduł fotowoltaiczny to technologicznie zamknięty w jednej konstrukcji zestaw połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych. Na fotografii obok widać zestaw 24 takich modułów, który odpowiednio połączony, stanowi źródło energii elektrycznej – tzw. generator fotowoltaiczny, lub generator PV.
Obecnie dominującą technologią stosowaną w fotowoltaice są ogniwa krzemowe: monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz amorficzne. Ich własności (zwłaszcza wydajność w relacji do ceny) są nieco różne, ale zasada działania ta sama – “wytwarzają prąd i napięcie” pod wpływem energii słonecznej. Jest to prąd stały (DC) o takich własnościach (których opis pomińmy), że trudno go wprost praktycznie wykorzystać. W sieci domowej stosujemy przecież głównie prąd zmienny (AC).
Co zrobić z tak cudownie “uzyskanym ze słońca prądem”? Zasada działania systemu fotowoltaicznego polega również na przetworzeniu energii na standard i własności nadające się do zasilania różnych odbiorników. Najbardziej naturalny jest tu taki prąd jaki mamy w gniazdkach, czyli AC 230V 50Hz i dalszy opis będzie dotyczył wyłącznie tego przypadku. Wtedy dla wszystkich naszych urządzeń domowych “prąd ze słońca” może zastępować lub uzupełniać energię pobieraną z sieci energetycznej. Ogólny schemat takiej instalacji widać na rysunku poniżej.
Kluczowym urządzeniem przetwarzającym energię generatora PV na standard sieci domowej jest tzw. inwerter, lub bardziej po polsku, falownik. W jednej instalacji PV może być nawet kilka falowników, a ich ilość i parametry zależą od konkretnego projektu – szczegóły pomińmy.
Jak widać, energię otrzymaną na wyjściu falownika możemy praktycznie wprost podłączyć do naszej sieci domowej. Trzeba tu zaznaczyć, że istotną cechą pozyskiwania energii z takich źródeł jak słońce czy wiatr, jest nieciągłość procesu wytwarzania energii. Elektrownia słoneczna wytwarza prąd realnie tylko w pogodny, słoneczny dzień. Zatem jej wydajność zależy od pory roku, pory dnia i pogody. My zaś korzystamy z energii o różnych porach – często przewaga większego zapotrzebowania jest wieczorem. A więc nadmiar energii “ze słońca” (gdy instalacja PV więcej produkuje, niż my zużywamy w danym momencie) trzeba albo magazynować (akumulatory), albo gdzieś oddać (sprzedać). W tym przypadku odbiorcą energii jest nasz dostawca prądu, czyli Zakład Energetyczny. Z tego punktu widzenia instalacje dzieli się na:
- Systemy przyłączone do sieci energetycznej (z angielskiego tzw. on-grid). Energia nie jest nigdzie lokalnie magazynowana, nie ma żadnych akumulatorów. Wtedy, gdy elektrownia PV wytwarza więcej energii, niż sami potrzebujemy, nadwyżka jest oddawana do sieci energetycznej. W uproszczeniu można powiedzieć, że nam się cofa licznik energii elektrycznej.
- Systemy pracujące autonomicznie (tzw. wyspowe lub z angielskiego off-grid). System PV nie jest połączony z siecią energetyczną i nadwyżki energii są gromadzone w akumulatorach. Rozwiązanie wydaje się atrakcyjne, ale niestety znacznie droższe (akumulatory i systemy ich ładowania). Przede wszystkim trudne do zrealizowania tak, żeby mieć 100% pewności, że zawsze tej zgromadzonej energii nam wystarczy. Szczególnie w zimie.
- Systemy mieszane – gromadzenie nadwyżek energii w akumulatorach i jednoczesne połączenie z siecią energetyczną. Czyli mniej więcej tak jak na rysunku. Wtedy niedobory energii zawsze sobie można pobrać z sieci energetycznej, więc unikamy ryzyk związanych z pracą autonomiczną. Mimo to taka instalacja będzie cały czas znacznie droższa od systemu on-grid. Odpowiednie akumulatory są drogie, a obecnie ich trwałość jest znacznie mniejsza, niż reszta systemu PV.
Można podsumować, że obecnie globalny system energetyczny (w Polsce, Europie), wykorzystując energię ze źródeł odnawialnych, bazuje na pierwszym systemie podłączenia, czyli tzw. on-grid. Jako właściciele/użytkownicy systemu PV po prostu podłączamy się wprost do sieci i nie gromadzimy sobie lokalnie nadwyżek energii. Jak na razie światowa nauka i technologia nie radzą sobie z gromadzeniem i przechowywaniem dużych ilości energii elektrycznej w odpowiednio ekonomiczny sposób. Gdy to się zmieni to przełomem będą pewnie samochody elektryczne ładowane z systemów PV. Póki co otoczenie formalno-prawne tworzone jest dla instalacji on-grid, o czym można przeczytać w odpowiednim temacie w panelu informacyjnym.
Warto też podkreślić, że systemy autonomiczne są bardzo rozpowszechnione tam, gdzie potrzeba niewielkich mocy oraz nie ma dostępu do sieci energetycznej, lub wykonanie go jest drogie. Przykład instalacji wyspowych spotykają Państwo codziennie przy drogach, gdzie są świecące oznakowania i obok stoi słup z kilkoma małymi modułami fotowoltaicznymi i skrzyneczką, w której jest akumulator.
