Jak działa Instalacja fotowoltaiczna?

Systemy fotowoltaiczne są drugim największym źródłem energii odnawialnej, zaraz za systemami wiatrowymi. Mimo, że obecnie źródła odnawialnej (OZE) zaspokajają ponad jedną trzecią światowego zapotrzebowania na energię elektryczną, to ich szybki wzrost wskazuje, że niebawem może się to zmienić i wkrótce OZE może wyjść na dominującą pozycję, głównie kosztem elektrowni węglowych i gazowych. 

Niezależnie, czy myślimy o ogromnej farmie fotowoltaicznej, takiej jak rekordowe instalacje na pustyni Tengger w Zhongwei w Chinach (1540 MW) czy projekcie Shakti Sthala w Pavagada w regionie Karnataka w, Indiach (2000 MW) czy też o małej przydomowej bądź dachowej instalacji, dostarczającej 1kW prądu, wszystkie one działają na tej samej zasadzie 

Każda instalacja fotowoltaiczna musi składać się z tych samych elementów. Po prostu w większych instalacjach są one większe (na ogół tylko nieznacznie) i są zwielokrotnione, aby uzyskać wymaganą moc. Podstawowe elementy farmy fotowoltaicznej to: 

• Moduły fotowoltaiczne 
• System do montażu modułów (ruchomy bądź nie). 
• Inwerter 
• Połączenie z siecią energetyczną. 

Moduł fotowoltaiczny 

Pierwszym i, w zasadzie, podstawowym elementem każdej instalacji fotowoltaicznej jest moduł PV. Pojedynczy moduł jest złożony z rzędów połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych. Konwertują one światło słoneczne na energię elektryczną, wykorzystując do tego krzemową strukturę zwaną „złączem P-N”. Taki pojedynczy półprzewodnikowy element produkuje niewiele prądu przy bardzo małym napięciu. Dlatego też ogniwa połączone są w module szeregowo, aż do uzyskania odpowiedniego napięcia (typowe napięcia nominalne modułów PV wynoszą od 12 V do 24 V). Następnie szeregowo połączone łańcuchy ogniw łączy się równolegle, aby zwiększyć prąd wyjściowy modułu. 

Montaż modułów 

Moduły fotowoltaiczne – pojedynczo lub w postaci zespołów po kilka sztuk – są instalowane na specjalnych konstrukcjach, które zapewniają im optymalną ekspozycję na światło słoneczne oraz solidny montaż, zapobiegający przed uszkodzeniem farmy fotowoltaicznej przez np. silny wiatr. 

Większość dużych farm fotowoltaicznych znajduje się na ziemi. Z kolei na budynkach instaluje się wiele systemów o mniejszej mocy. Niezależnie od miejsca instalacji, moduły PV muszą być przytwierdzone do podłoża i nachylone pod odpowiednio dobranym kątem (nieco mniejszym niż szerokość geograficzna terenu) w kierunku równika, aby uzyskać optymalną wydajność farmy. W Polsce optymalne jest ustawienie modułów PV na południe. 

Kąt i kierunek optymalnej ekspozycji paneli na farmie fotowoltaicznej zmienia się w ciągu roku, jak i w ciągu dnia. Aby zoptymalizować działanie farmy stosuje się np. montaże, których kąt nachylenia można regulować dwa lub cztery razy w roku, aby zoptymalizować wydajność sezonową. Lub tzw. trackery (jedno- lub dwuosiowe), które ruszają modułami na farmie w czasie dnia, aby zoptymalizować ich pozycję. Pozwala to na zwiększenie mocy wyjściowej o nawet 30%.

Inwerter fotowoltaiczny 

Prąd produkowany przez moduły fotowoltaiczne jest prądem stałym (DC) o napięciu wahającym się od zera do pełnego napięcia nominalnego danego modułu PV. Napięcie wyjściowe w danym momencie zależne jest od natężenia słońca oraz pracy inwertera. Aby możliwe było przesłanie prądu do sieci, konieczna jest jego konwersja do napięcia przemiennego (AC) o ściśle ustalonym napięciu i częstotliwości. 

Elementem farmy fotowoltaicznej, który realizuję rolę konwertera prądu DC na AC jest inwerter, zwany również falownikiem. Urządzenie to, oprócz konwersji DC/AC realizuje także algorytm śledzenia maksymalnego punktu mocy (MPPT), co pozwala na zwiększenie wydajności instalacji PV. 

Istnieją dwie podstawowe konfiguracje falowników na farmie fotowoltaicznej – scentralizowane oraz szeregowe. Falowniki centralne to układy, do których podłączone jest wiele modułów PV, często stosuje się je w systemach o mocy 1 MW i więcej. Inwertery szeregowe obsługują mniejsze instalacje – o mocy ok 10 kW – gdzie połączone są szeregowo ze sobą. Rzadziej stosuje się mikroinwertery – są to niewielkie falowniki, które współpracują z pojedynczym modułem fotowoltaicznym i połączone są ze sobą szeregowo w instalacji AC. 

Przyłącze sieciowe fotowoltaiki

Ostatnim elementem składowym farmy fotowoltaicznej jest przyłącze sieciowe. To miejsce, w którym instalacja zmiennoprądowa farmy styka się siecią energetyczną. W zależności od wielkości i rodzaju instalacji, musi być ona wyposażona w odpowiednie oprzyrządowanie. Podstawowym elementem, jaki jest wspólny dla wszystkich z nich, są urządzenia pomiarowe, które pozwalają na monitorowanie, jakie ilości energii elektrycznej produkuje farma. 

Największe farmy PV podłączone są do sieci przesyłowej wysokiego napięcia. Budowa stacji transformatorowej, która umożliwia takie połączenie jest koniecznością. Przy instalacjach o większej mocy, koszt takiej podstacji może być istotnym składnikiem budowy i uruchomienia farmy fotowoltaiczne.