Fotowoltaika: teoria i praktyka

Fotowoltaika związana jest bezpośrednio z wytwarzaniem energii elektrycznej. Proces wytwarzania zajmuje pewien przedział czasu - np. od rana do wiedzora, godzinę, sekundę itp. oraz posiada pewną "intensywność".
Ilość wytworzonej energii, czas wytwarzania oraz intensywność (czyli moc) są ze sobą ściśle powiązane.
Moc urządzenia elektrycznego określa ile energii jest to urządzenie w stanie pobrać/oddać w określonej jednostce czasu. Jest to zatem stosunek energii do czasu.
Mnożąc moc przez czas otrzymujemy energię pobraną/oddaną przez urządzenie.
Dzieląc energię przez moc dowiemy się, ile czasu urządzenie "pracowało".

Posiadamy 2 czajniki elektryczne, jeden o mocy 2kW (kilo watów - tysięcy watów), drugi o mocy 4kW. Jeżeli obydwa napełnimy taką samą ilością wody i włączymy je w tym samym czasie, to drugi zagotuje wodę 2x szybciej niż pierwszy. Natomiast obydwa czajniki pobiorą tyle samo energii (drugi pobiera energię 2x szybciej ale pracuje 2x krócej).

"Przetwornikami" promieniowania słonecznego na energią elektryczną są panele fotowoltaiczne (nazywane też modułami fotowoltaicznymi). Jednym z najważniejszych parametrów modułu jest jego moc.
Parametr ten nie jest stały ponieważ silnie zależy od warunków pracy - przede wszystkim od natężenia promieniowania słonecznego padającego na moduł oraz od kąta pod jakim to promieniowanie pada (mówiąc potoczenie: od tego jak słońce mocno świeci i czy moduł skierowany jest do słońca, czy np. stoi odwrócony do niego plecami). Wpływ ma też temperatura. Z tego powodu wartość tego parametru podaje się wartość dla natężenia promieniowania słonecznego wynoszącego 1000W/m2 w temperaturze 25st.C. Jednostką jest Wp (watt peak).
To że moc zależy od natężenia promieniowania nie oznacza, że moduły fotowoltaiczne nie pracują np. w pochmurne dni czy pod wieczór - po prostu wtedy ich wydajność jest znacznie mniejsza. To samo dotyczy miesięcy zimowych (energia wyprodukowana przez grudzień i styczeń to 5% całkowitej energii wyprodukowanej w ciągu roku).
Ponieważ moduły produkuje się o mocach nie przekraczających 250Wp, dla uzyskania większych mocy panele łączy się ze sobą (moc całości jest sumą mocy wszystkich paneli).

System typu off-grid pracuje jako całkowicie autonomiczne źródło energii, tzn. do swojej pracy nie potrzebuje linii elektrycznej ani nie jest do niej podłączony.
Dla tego typu rozwiązań stosuje się dodatkowo buforowanie energii znacznie zwiększające efektywność całego systemu. Jeżeli nie ma podłączonych odbiorników, lub odbiorniki nie wykorzystują w pełni możliwości paneli, nadwyżka energii trafia do bufora (jest to najczęściej bank akumulatorów). W sytuacji kiedy odbiorniki potrzebują więcej energii niż są w stanie dostarczyć ogniwa, energia pobierana jest również z akumulatorów (lub tylko z nich).
Rozwiązania tego rodzaju doskonale sprawdzają się na łodziach, przyczepach kempingowych itp.

Systemy tego rodzaju są całkowicie uzależnione od istniejącej sieci energetycznej. Nie zależnie od tego czy istnieje zapotrzebowanie energetyczne (mamy włączone odbiorniki), czy nie, energia z ogniw wtłaczana jest do sieci energetycznej. W tym przypadku, to linia energetyczna działa jak bufor o prawie nieskończonej pojemności, a przez to rodzą się pewne problemy.
Jeżeli produkujemy mniej energii niż potrzebujemy, niedobór uzupełnia elektrownia, licznik energii wg którego jesteśmy rozliczani zwiększa swoje wskazania, a my za tą energię płacimy. Jeżeli jednak produkujemy więcej energii niż potrzebujemy, to tak jak pisałem wcześniej, nadwyżka energii trafia do sieci, przy czym nasz licznik kWh nie cofa się.... Wynika z tego, że zyskujemy tylko tyle, ile uda nam się od razu wykorzystać (zyskujemy w znaczeniu: o tyle mniej zliczy licznik zużycia energii elektrycznej, o tyle mniej zapłacimy).
Ponieważ samo dołączenie systemu do sieci wiąże się z długotrwałymi i uciążliwymi procedurami, nie mówiąc już o zliczaniu wyprodukowanej energii i jej odsprzedawaniu (byłoby to rozwiązaniem problemu opisanego powyżej), systemy typu grid-connected są bardzo niechętnie stosowane w naszym kraju, a w dalszej części artykułu skupię się jedynie na rozwiązaniach typu off-grid.