Fotovoltaika (PV): definicija, delovanje sončnih celic in uporaba
Fotovoltaika (PV): kako delujejo sončne celice, uporaba in prednosti — učinkovit vir obnovljive energije za dom, industrijo in kmetijstvo z višjimi prihranki in trajnostjo.
Fotovoltaika (PV) je niz celic, ki vsebujejo sončni fotonapetostni material, ki pretvarja sončno sevanje ali sončno energijo v enosmerni električni tok. Zaradi vse večjega povpraševanja po obnovljivih virih energije je proizvodnja sončnih celic in fotonapetostnih nizov v zadnjih letih močno napredovala, stroški pa so se znižali.
Sončna fotovoltaika hitro raste, saj je od majhnih začetkov do konca leta 2013 dosegla skupno globalno zmogljivost 130.000 MW. Več kot 100 držav uporablja sončno fotovoltaiko. Naprave so lahko nameščene na tleh (in včasih vključene v poljedelstvo in pašništvo) ali vgrajene v streho ali stene stavbe.
Kako delujejo sončne celice
Sončne celice temeljijo na fotonapetostnem učinku: ko foton iz sončne svetlobe zadane polprevodniško snov (najpogosteje silicij), prenese energijo elektronu in ustvari par elektron–luknja. Vgrajena električno polje na meji med p- in n-dopiranimi sloji (p–n spoj) loči nosilce naboja in povzroči pretok elektronov v zunanje vezje — to je enosmerni električni tok.
Glavne vrste fotovoltačnih tehnologij
- Monokristalinični silicij: visoka učinkovitost, dolga življenjska doba, značilna temna barva in enostavnejša površinska obdelava.
- Polikristalinični (multikristalinični) silicij: nekoliko nižja učinkovitost, vendar cenejša proizvodnja.
- Tanke plasti (thin‑film): npr. CdTe, CIGS — lažji in bolj prožni moduli, primernejši za določene integracije, vendar z nižjo učinkovitostjo pri enaki površini.
- Perovskitne celice: hitro razvijajoča se tehnologija z obetavnimi učinkovitostmi, vendar so izzivi stabilnost in trajnost.
Sestava in delovanje fotovoltačnega sistema
- Moduli/sončne plošče: sestavljene iz več celic, zaščitene z ovitkom in steklom.
- Strežni ali tlačni okvirji in nosilne konstrukcije: zagotovijo pravilno naklonsko in orientacijsko lego ter mehansko stabilnost.
- Inverter: pretvori enosmerni (DC) tok iz modulov v izmenični (AC) tok za rabo v gospodinjstvu ali za oddajo v omrežje; sodobni inverterji imajo pogosto tudi MPPT (maksimalno sleditev moči).
- Baterije in sistemi za shranjevanje: uporabljeni pri samostojnih (off‑grid) sistemih ali za povečanje lastne porabe in zagotavljanje zaloge energije.
- Merjenje, zaščita in upravljanje: števec, zaščitne naprave, sistemi za nadzor delovanja in optimizacijo (npr. optimizatorji za posamezne module).
Namestitve in aplikacije
Fotovoltaika se uporablja v številnih oblikah:
- Strešna PV: najpogostejša za gospodinjstva in zgradbe.
- Proizvodnja na tleh (utility-scale): veliki solarni parki za dobavo v omrežje.
- BIPV (Building-Integrated PV): integracija v fasade, strešna kritina in druge arhitekturne elemente.
- Agrivoltaika: kombinacija kmetijstva in sončne proizvodnje — plošče nad polji nudijo delno senco in dodatni vir prihodkov za kmetije.
- Floating PV: plavajoče plošče na vodnih površinah, primerne za manjše izparevanje vode in izkoriščanje neuporabljene površine.
Dejavniki, ki vplivajo na uspešnost
- Osnovni vplivi: intenziteta sončnega sevanja, smer (orientacija) in naklon panelov.
- Temperatura: visoke temperature zmanjšajo izhodno napetost in učinkovitost silicijevih celic.
- Sence in umazanija: delno senčenje ali umazanija lahko močno zmanjša proizvodnjo; zato so čistost in pravilno načrtovanje ključni.
- Degradacija: moduli z letom izgubijo del učinkovitosti (običajno 0,3–1 % na leto, odvisno od kakovosti).
Okoljski vplivi in recikliranje
Fotovoltaika prispeva k zmanjšanju emisij toplogrednih plinov v obdobju delovanja. Izgradnja modulov pa zahteva surovine in energijo; povračilna doba (energy payback time) je odvisna od tehnologije in lokacije, pogosto znese nekaj let, medtem ko je življenjska doba modulov 25–35 let ali več. Pomembno je tudi skrbno ravnanje z odpadnimi paneli — recikliranje omogoča vračanje silicija, stekla in kovin ter zmanjšuje okoljski odtis. Pri nekaterih vrstah (npr. CdTe) je potrebna dodatna pozornost zaradi toksičnih sestavin.
Ekonomski vidiki in prihodnji trendi
Stroški sončnih sistemov so v zadnjih desetletjih močno upadli zaradi izboljšav v proizvodnji, povečanja obsega in tehnološkega napredka. To omogoča masovno širjenje tako na ravni gospodinjstev kot velikih proizvodnih kapacitet. Pomembne spodbude so tudi zakonodaja, subvencije, sheme net‑meteringa ter povezava s sistemi shranjevanja energije, ki povečuje vrednost proizvedene elektrike za lastno porabo.
Vzdrževanje in življenjska doba
Redno vzdrževanje vključuje čiščenje površin, pregled pritrditvenih elementov, preverjanje stanja kablov in inverterja ter spremljanje proizvodnje. Večina proizvajalcev nudi garancije na proizvodno učinkovitost (npr. 80–90 % nazivne zmogljivosti po 25 letih) in na materiale/izdelavo (običajno 10–25 let).
Fotovoltaika je zanesljiva, razširljiva in ena ključnih tehnologij pri prehodu na nizkoogljično energetiko. Pri načrtovanju sistema je priporočljivo upoštevati lokalne vremenske razmere, prostorsko razpoložljivost, regulativne zahteve in ekonomske spodbude — za optimalne rezultate se pogosto izplača posvet s strokovnjakom.
Sončna elektrarna Nellis v letalskem oporišču Nellis v ZDA. Te plošče sledijo soncu v eni osi.
Fotovoltaični sistem "drevo" na avstrijskem Štajerskem
Plošče
Fotonapetostni sončni paneli so na voljo z različnimi napetostmi. Najpogostejše so 12, 24 in 48 voltov. Podobno kot baterije lahko več solarnih panelov povežemo med seboj, da dobimo višje napetosti, na primer dva 48-voltna panela, ki sta povezana med seboj, proizvedeta 96 voltov. Inverter, baterije in solarni paneli v sistemu imajo običajno vsi enako napetost. Prednost sistema z višjo napetostjo je, da se uporablja tanjša žica, ki je cenejša in jo je lažje potegniti skozi kanale. Slabost visokonapetostne napeljave je večja nevarnost električnega udara in obloka, zato napeljave nad 48 voltov običajno najdemo le v sončnih elektrarnah ali poslovnih stavbah.
Fotonapetostna naprava običajno vključuje niz sončnih panelov, inverter, akumulatorske baterije (za uporabo ponoči), regulator polnjenja (naprava, ki preprečuje prekomerno polnjenje baterij), dva odklopnika GFCI (enega pred inverterjem in enega za njim) ter povezovalno napeljavo. Včasih je za inverterjem tudi transformator, ki lahko napaja 240-voltne težke naprave, kot sta sušilnik za perilo ali pečica. Transformator je pogosto del inverterja in ga ni mogoče videti. Vse za inverterjem (ali transformatorjem, če je) je postavljeno kot običajna napeljava, ki se napaja iz električnega omrežja (odklopna plošča, luči, vtičnice, stikala itd.). Če ni transformatorja, se lahko uporabljajo samo naprave z napetostjo 120 V. Naprave brez transformatorja morajo biti kot take označene na odklopni plošči, da opozorijo bodoče električarje, da 240-voltnih naprav ni mogoče namestiti. Nekatere naprave imajo razsvetljavo na enosmerni tok (DC) in morda tudi naprave na enosmerni tok. Prednost tega je, da se pri enosmernih obremenitvah izognemo izgubam v pretvorniku. Te inštalacije bodo imele ločeno odklopno ploščo za enosmerni tok, ki bo priključena pred inverterjem. Iz varnostnih razlogov enosmerne napeljave ni mogoče napeljati v istem kanalu kot napeljavo za izmenični tok, vtičnice za enosmerni tok pa ne smejo sprejeti vtiča za izmenični tok in obratno.
Sončne celice
Sončna ali fotonapetostna celica je naprava, ki svetlobno energijo spreminja v električno. Fotovoltaika je najbolj znana kot metoda pridobivanja električne energije z uporabo sončnih celic, ki sončno energijo spreminjajo v tok elektronov. Fotovoltaični učinek je leta 1839 prvi opazil Alexandre-Edmond Becquerel. Eric Seale (11. julij 2003). "Fotonapetostni učinek". Pridobljeno 24. maja 2012. Praktično vse fotonapetostne naprave so neke vrste fotodiode.
Sončne celice se lahko uporabljajo za napajanje orodja ali polnjenje akumulatorske baterije. Fotovoltaika je bila najprej dejansko uporabljena za napajanje satelitov v orbiti in drugih vesoljskih plovil, danes pa se večina fotonapetostnih modulov uporablja za proizvodnjo električne energije v omrežju. V tem primeru je za pretvorbo enosmernega toka v izmenični tok potrebno orodje, imenovano inverter. Celice je treba zaščititi pred okoljem, zato so običajno tesno zapakirane za stekleno folijo. Kadar je potrebna večja moč, kot jo lahko odda posamezna celica, se celice električno povežejo v fotonapetostne module ali sončne celice. En sam modul zadostuje za napajanje telefona za klic v sili, za hišo ali elektrarno pa morajo biti moduli razporejeni v več sklopov.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je fotovoltaika?
O: Fotovoltaika (PV) so nizi celic, ki vsebujejo fotonapetostni material, ki pretvarja sončno sevanje ali sončno energijo v enosmerni električni tok.
V: Kako je v zadnjih letih napredovala proizvodnja sončnih celic in fotonapetostnih nizov?
O: Zaradi vse večjega povpraševanja po obnovljivih virih energije je proizvodnja sončnih celic in fotovoltaičnih nizov v zadnjih letih zelo napredovala, stroški pa so se znižali.
V: Kolikšna je bila globalna zmogljivost fotovoltaike konec leta 2013?
O: Konec leta 2013 je skupna globalna zmogljivost sončne fotovoltaike znašala 130 000 MW.
V: V koliko državah se uporablja sončna fotovoltaika?
O: Več kot 100 držav uporablja sončno fotovoltaiko.
V: Kje je mogoče namestiti fotovoltaiko?
O: Naprave so lahko nameščene na tleh (včasih so vključene v poljedelstvo in pašništvo) ali vgrajene v streho ali stene stavbe.
V: Kakšno električno energijo proizvaja fotovoltaika?
O: Fotovoltaika proizvaja električno energijo z enosmernim tokom.
Iskati