Panele słoneczne – jak działają i ile prądu produkują?

Panele słoneczne, czyli moduły fotowoltaiczne, zamieniają światło na prąd stały w krzemowych ogniwach, a falownik przekształca go w prąd przemienny dla domowych odbiorników. W Polsce każdy kilowat mocy szczytowej daje rocznie około tysiąca kilowatogodzin, z czego większość przypada na letnie półrocze. Prąd z paneli nie gromadzi się sam. Dlatego o opłacalności decyduje autokonsumpcja: kilowatogodzina zużyta na bieżąco jest warta wyraźnie więcej niż oddana do sieci.

Panel słoneczny, panel fotowoltaiczny czy kolektor – co jest czym?

W potocznym języku „panel słoneczny” to zwykle panel fotowoltaiczny, czyli moduł PV, który wytwarza prąd elektryczny. Kolektor słoneczny jest osobnym urządzeniem. Nie daje prądu, tylko podgrzewa ciecz, a przez nią wodę użytkową albo instalację grzewczą. Oba montuje się na dachu i oba korzystają z promieniowania słonecznego, dlatego w ofertach i poradnikach jedna nazwa trafia czasem do obu.

Rozróżnienie sprowadza się do dwóch pytań: jaka energia wychodzi z urządzenia i czym płynie dalej. Moduł PV oddaje energię elektryczną, a jej nośnikiem jest przewód prowadzący do falownika. W kolektorze promieniowanie pochłania absorber, czyli ciemna płyta albo rura. Absorber nagrzewa krążący w obiegu czynnik grzewczy, najczęściej glikol lub wodę. Oferta z przewodami i falownikiem dotyczy więc prądu, a oferta z rurami, pompą obiegową i zasobnikiem – ciepłej wody.

Z tej różnicy wynika cecha, którą łatwo przeoczyć przy zakupie. Ciepło z kolektora czeka w zasobniku na użycie, natomiast prąd z paneli nie gromadzi się sam z siebie. Bez magazynu energii trzeba go zużyć w chwili wytworzenia albo oddać do sieci.

Fotowoltaika to dziedzina techniki zajmująca się bezpośrednią zamianą światła na energię elektryczną w materiałach półprzewodnikowych.

Jak działa panel fotowoltaiczny? Droga od fotonu do prądu

Panel wytwarza prąd dzięki zjawisku fotowoltaicznemu: światło padające na półprzewodnik uwalnia w nim elektrony, a budowa ogniwa nadaje im jeden kierunek ruchu. W prawie wszystkich panelach dostępnych w sprzedaży tym półprzewodnikiem jest krzem.

Ogniwo fotowoltaiczne to płytka krzemu złożona z dwóch warstw o różnych domieszkach. Warstwa typu n ma nadmiar elektronów, a warstwa typu p ich niedobór. Na granicy obu warstw powstaje złącze p-n z wbudowanym polem elektrycznym. Najpierw krzem pochłania foton, a energia fotonu uwalnia elektron z wiązania w krysztale. Następnie pole złącza rozdziela ładunki – elektrony spycha na stronę n, dziury na stronę p – i między warstwami pojawia się napięcie. Dopiero zamknięcie obwodu przez odbiornik daje uporządkowany przepływ elektronów, czyli prąd.

Pojedyncze ogniwo krzemowe daje napięcie rzędu 0,5–0,7 V, za małe dla domowych odbiorników. Producent łączy więc kilkadziesiąt ogniw szeregowo i zamyka je pod szkłem w ramie, a tak powstaje moduł. Z tej budowy wynikają dwa wnioski: więcej światła to więcej uwolnionych elektronów i większy prąd, a panel z natury daje prąd stały (DC). O tym, jak moduły współpracują dalej w instalacji, decyduje łączenie paneli fotowoltaicznych szeregowo albo równolegle.

Panele to nie cała instalacja

Falownik, nazywany też inwerterem, zamienia prąd stały z paneli na przemienny (AC) o parametrach sieci, czyli 230 V i 50 Hz. Bez niego energia z dachu nie zasili żadnego gniazdka w domu.

Poza falownikiem instalacja przyłączona do sieci potrzebuje czterech elementów obowiązkowych, a piąty jest opcjonalny:

• Konstrukcja montażowa – utrzymuje moduły pod zadanym kątem i przenosi obciążenie od wiatru i śniegu na dach albo grunt.
• Okablowanie – przewody solarne odporne na UV prowadzą prąd stały do falownika, a przewody AC dalej do rozdzielnicy.
• Zabezpieczenia DC/AC – bezpieczniki przerywają obwód przy zwarciu albo przeciążeniu, rozłączniki pozwalają go odłączyć ręcznie, a ograniczniki przepięć odprowadzają przepięcie do uziemienia.
• Licznik dwukierunkowy – mierzy osobno energię pobraną z sieci i do niej oddaną; montuje go operator sieci.
• Magazyn energii – opcjonalny akumulator.

Strona DC pozostaje pod napięciem, dopóki na moduły pada światło, nawet po wyłączeniu falownika. Dlatego dobór zabezpieczeń i uziemienie paneli fotowoltaicznych należą do instalatora z uprawnieniami elektrycznymi, a nie do właściciela domu.

Ile prądu produkuje panel słoneczny w ciągu roku?

Każdy kilowat mocy szczytowej (kWp) daje w Polsce rocznie mniej więcej tysiąc kilowatogodzin. Pomiary instalacji na Lubelszczyźnie wykazały średni uzysk 990,2 kWh/kWp. Rozrzut wynosił od 868,8 do 1102,9 kWh/kWp zależnie od instalacji. Uzysk jednostkowy to roczna produkcja podzielona przez moc nominalną, więc pozwala porównać instalacje różnej wielkości.

Moc z tabliczki, podawana w watach szczytowych (Wp), dotyczy warunków STC: natężenia 1000 W/m², temperatury ogniwa 25°C i widma AM 1,5. Polski klimat rzadko je osiąga, a bliższe codziennej pracy są warunki NOCT, określane przy 800 W/m². Czy panel 500 W, który w słoneczne południe pokazuje wyraźnie mniej, jest wadliwy? Nie – chwilowa moc poniżej nominału to normalny stan pracy.

Współczesny moduł 500 Wp to 0,5 kWp, więc przy średniej 990,2 kWh/kWp wytworzy około 495 kWh rocznie. Produkcja rozkłada się przy tym nierówno: około 80% rocznej energii przypada na letnie półrocze. Zimą ta sama instalacja pokrywa więc tylko niewielką część bieżącego zużycia domu.

W bilansie rocznym zużycie 4000 kWh równoważy zatem instalacja około 4 kWp, czyli osiem modułów 500 Wp. Kalkulator PVGIS Komisji Europejskiej bezpłatnie przelicza ten wynik dla konkretnej lokalizacji. Uwzględnia przy tym promieniowanie słoneczne, temperaturę, prędkość wiatru i rodzaj modułu.

Symulacja daje jednak szacunek, a nie dokładną produkcję. Porównanie produkcji z symulacjami dla polskich instalacji wykazało, że PVGIS 5.3 różnił się od rzeczywistej produkcji o 3–13%. W przypadku PVGIS 24 rozbieżność wynosiła 3–32%.

O uzysku decydują kierunek, nachylenie, cień i temperatura

Dwie instalacje o tej samej mocy produkują różnie. Uzysk zależy od ustawienia modułów i od warunków ich pracy. W badaniu czterech polskich instalacji najwyższy uzysk osiągnęły instalacje gruntowe skierowane na południe. Orientacja wschód–zachód traci według różnych źródeł od 10 do ponad 20% względem południa. Rozkłada za to produkcję na ranek i popołudnie. Za optymalne nachylenie w Polsce przyjmuje się 35°. Stratę dla dachu o innym spadku przelicza kalkulator kąta nachylenia paneli.

Straty powoduje też cień. Według badania modułów back contact częściowe zacienienie zdarza się w warunkach zewnętrznych często. Jego skutki ograniczają diody w module. Ogniwa w module łączy się szeregowo, więc płynie przez nie ten sam prąd. Zacienione ogniwo ogranicza go w całym ciągu.

Dlaczego cień na jednym ogniwie może odebrać aż trzecią część mocy? Typowy moduł ma trzy diody bocznikujące, z których każda obsługuje jedną trzecią ogniw i omija grupę z zacienionym ogniwem. Eksperyment z zacienieniem ogniw potwierdził ten efekt. Zacienienie jednego ogniwa może obniżyć moc konwencjonalnego modułu o jedną trzecią. Bez diod bocznikujących strata byłaby jeszcze większa.

Ten sam efekt powtarza się w łańcuchu (stringu), czyli w grupie modułów połączonych szeregowo do jednego wejścia falownika. Zacieniony moduł obniża wtedy moc całego łańcucha. Powodem jest jeden wspólny prąd płynący w szeregu. Optymalizator mocy montowany przy module ogranicza tę stratę. Każdy panel pracuje wtedy we własnym punkcie mocy maksymalnej.

Upał również obniża moc. Wraz z temperaturą ogniwa spada jego napięcie. Współczynnik temperaturowy mocy mówi, ile procent mocy ubywa na każdy stopień ponad 25°C. W kartach katalogowych modułów PERC, TOPCon i HJT wynosi zwykle od −0,24 do −0,37%/°C. Przy −0,35%/°C ogniwo nagrzane do 55°C traci około 10,5% mocy. Dlatego przy tym samym natężeniu promieniowania chłodny dzień daje więcej energii niż upalny.

Uzysk obniżają też błędy montażu i zabrudzenie. Błędnie ustawiony stelaż pod panele fotowoltaiczne daje zły kąt albo za mały odstęp od pokrycia. Za wąska szczelina pod modułem słabiej chłodzi go od spodu. Pył, liście i ptasie odchody działają jak lokalny cień, zwłaszcza przy małym nachyleniu, przy którym deszcz słabiej je zmywa.

Rodzaje paneli fotowoltaicznych

Rynek domowy zdominowały panele monokrystaliczne, a skróty TOPCon i HJT oznaczają ich kolejne odmiany. Według danych instytutu Fraunhofer ISE sprawność komercyjnych modułów krzemowych wynosiła przed dziesięciu laty około 17%. Od tego czasu wzrosła do nieco poniżej 25%. Sprawność modułu to odsetek energii padającego światła, który moduł zamienia na prąd.

Technologie różnią się budową ogniwa i typowym zakresem sprawności modułu:

• Polikrystaliczne – ogniwa z wielu kryształów krzemu, niebieskawe, o sprawności około 15–20%.
• Cienkowarstwowe – cienka warstwa krzemu amorficznego, CdTe lub CIGS na podłożu, od kilku do kilkunastu procent.
• Monokrystaliczne PERC – ogniwa typu p z pasywowaną tylną powierzchnią, o sprawności według zestawień rynkowych około 20–21,5%.
• N-type TOPCon – ogniwa typu n z cienką warstwą tlenku pod kontaktem, zwykle 22–23,5% i od −0,29 do −0,32%/°C.
• HJT – heterozłącze krzemu krystalicznego i amorficznego, około 22,5–24,8% i współczynnik najbliższy zera, od −0,24 do −0,26%/°C.

Moduł bifacjalny to rodzaj konstrukcji, a nie ogniwa. Produkuje prąd także tylną stroną, ze światła odbitego od podłoża.

Panele polikrystaliczne i cienkowarstwowe są dziś niszą, a PERC ustępuje odmianom typu n. W instalacjach badanych w południowo-wschodniej Polsce przeważały jeszcze moduły PERC z ogniwami połówkowymi (half-cut) o sprawności około 20%. Między TOPCon a HJT różnice dotyczą ułamka punktu procentowego sprawności.

Sposób pracy on-grid, off-grid i hybryda

Sposób pracy instalacji rozstrzyga jedno pytanie: dokąd trafia energia, której dom nie zużywa od razu – do sieci, do akumulatora albo do obu. Panele na dachu domu, na działce i na polu działają tak samo. Różni je elektronika i skala.

Instalacja on-grid oddaje nadwyżki do sieci przez falownik sieciowy i jest standardem w domu z przyłączem. Przy zaniku sieci falownik wyłącza się ze względów bezpieczeństwa, a przy zbyt wysokim napięciu ogranicza pracę. Instalacja on-grid zależy więc od stanu sieci. Obniżenie napięcia w sieci z fotowoltaiką wymaga działań operatora albo zmiany nastaw przez instalatora.

Instalacja off-grid nie ma połączenia z siecią. Jej wyróżnikiem jest akumulator z regulatorem ładowania. Regulator śledzi punkt mocy maksymalnej paneli i ładuje baterię, z której falownik wyspowy zasila odbiorniki w domku letniskowym albo w miejscu bez przyłącza. Instalacja hybrydowa łączy oba układy przez falownik hybrydowy: nadwyżka najpierw ładuje magazyn, a reszta trafia do sieci. Przy odpowiedniej konfiguracji falownik hybrydowy podtrzymuje też wybrane obwody podczas awarii sieci. Dla domu z przyłączem właściwy jest więc układ on-grid lub hybrydowy, a off-grid sprawdza się tam, gdzie sieci nie ma.

Skalę instalacji wyznaczają progi mocy. Ustawa o odnawialnych źródłach energii uznaje za małą instalację tę o mocy powyżej 50 kW i nie większej niż 1 MW. Warunkiem jest przyłączenie do sieci o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV. Mikroinstalacją jest instalacja o mocy nie większej niż 50 kW, przyłączona do takiej samej sieci. Dach domu jednorodzinnego niemal zawsze mieści się w tej kategorii.

Na drugim końcu skali stoi największa farma fotowoltaiczna w Polsce, przyłączona do sieci średniego albo wysokiego napięcia.

Karta katalogowa mówi o panelu więcej niż marka

O tym, jak panel będzie pracował przez kolejne dekady, więcej niż logo producenta mówi kilka pozycji z karty katalogowej. Dwie oferty o tej samej mocy porównuje się według pięciu parametrów:

• Sprawność modułu – przy tej samej mocy wyższa sprawność oznacza mniejszy panel i więcej mocy z ograniczonej powierzchni dachu.
• Współczynnik temperaturowy mocy – omówiony wyżej przy stracie mocy w upale.
• Gwarancja produktowa – obejmuje wady materiałowe i wykonania, w większości ofert przez 12–15 lat.
• Gwarancja liniowa mocy – określa, ile mocy panel zachowa po latach, zwykle przez 25–30 lat, z 84,8–87,4% mocy początkowej na końcu. W modułach premium to co najmniej 92%.
• Degradacja – deklarowany spadek mocy w pierwszym roku, zwykle 1–2%, i w każdym kolejnym, zwykle 0,4–0,55%.

Obie gwarancje działają niezależnie: produktowa chroni przed wadą fizyczną, a liniowa przed zbyt szybkim spadkiem mocy, nawet gdy usterki nie widać. Deklarowany procent mocy po latach to próg reklamacyjny dla producenta. Według przeglądu badań degradacji NREL 78% wszystkich zgłoszonych wartości degradacji jest niższych niż 1% rocznie.

A panele używane? Zwykle brakuje dla nich danych o historii pracy, a gwarancja bywa przypisana pierwszemu nabywcy. Historię własnej instalacji tworzy pomiar fotowoltaiki, który okresowo porównuje zmierzoną moc z wartością z tabliczki.

Kiedy instalacja fotowoltaiczna się zwraca?

Przy net-billingu o zwrocie decyduje przede wszystkim autokonsumpcja, czyli udział energii zużytej w chwili jej wytworzenia. Prosument, czyli właściciel mikroinstalacji, który energię z sieci pobiera i do niej oddaje, rozlicza oba kierunki po różnych cenach. Wartość energii oddanej trafia w złotych do depozytu prosumenckiego według rynkowej ceny godzinowej. Cenę miesięczną stosuje się w instalacjach przyłączonych do 30 czerwca 2024 r. Energię pobraną prosument kupuje po cenie detalicznej z opłatami dystrybucyjnymi. Każda kilowatogodzina zużyta na bieżąco jest więc warta wyraźnie więcej niż oddana.

Okres zwrotu instalacji domowej wynosi według różnych analiz od 6 do 12,4 roku. Skraca go wszystko, co podnosi autokonsumpcję: pranie, zmywanie i grzanie wody w ciągu dnia, ładowanie samochodu oraz magazyn energii. Dofinansowanie obniża koszt początkowy. Ulga termomodernizacyjna zmniejsza podatek w rocznym rozliczeniu. Okres wydłużają niska autokonsumpcja, instalacja przewymiarowana względem zużycia, zacienienie i wysoka cena montażu.

Ten przedział nie jest obietnicą oszczędności. Wynik zależy od taryfy, profilu zużycia i warunków programów dotacyjnych, które zmieniają się z naboru na nabór, dlatego kalkulację warto oprzeć na własnych rachunkach. Inaczej wygląda bilans energetyczny: energia zużyta na produkcję paneli zwraca się, zależnie od lokalizacji, w około rok.