Korzystanie z możliwości pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych coraz częściej jest uznawane za konieczność wynikającą z rosnącego zanieczyszczenia powietrza. Zastępowanie elektrowni zasilanych węglem kamiennym i brunatnym, które stanowią podstawę naszego systemu energetycznego, przy pomocy energetyki rozproszonej, daje szanse na poprawę sytuacji środowiska naturalnego, ale zarazem jest opcją pozwalającą na uniezależnienie się od dostaw prądu, a w wielu przypadkach pozwala na osiąganie z tego tytułu znacznych przychodów.

Panele fotowoltaiczne są instalowane nie tylko na domach jednorodzinnych, ale także budynkach użytkowych – siedzibach firm produkcyjnych i usługowych, obiektach komercyjnych czy placówkach publicznych jak przedszkola, szkoły czy urzędy. Coraz częściej budowane są także farmy fotowoltaiczne, które pozwalają na rozmieszczenie paneli na większym terenie za pomocą specjalnych konstrukcji naziemnych PV i odprowadzania do sieci energetycznej pokaźnych ilości prądu, co może w dość krótkim czasie generować spore zyski. Wszystkie instalacje do pozyskiwania energii słonecznej muszą jednak być zarówno efektywne, jak i w pełni bezpieczne dla swoich użytkowników oraz bezpośredniego otoczenia. Przyjrzyjmy się bliżej działaniu instalacji fotowoltaicznych oraz sprawdźmy, jakie czynniki mają największe znaczenie dla eliminowania ryzyk związanych z ich działaniem.

Co warto wiedzieć o działaniu instalacji fotowoltaicznych?

Technologie pozwalające na korzystanie z promieni słonecznych do pozyskiwania energii elektrycznej są ciągle rozwijane, jednak podstawowa zasada, na jakiej się opierają, pozostaje ta sama. Poszczególne ogniwa są zbudowane z materiałów półprzewodzących, najczęściej z bardzo cienkich powłok składających się z krzemu. W każdym ogniwie między dwiema warstwami półprzewodnika znajduje się złącze p-n. W warstwie p na poziomie struktury atomowej znajduje się więcej dziur, natomiast w warstwie n większa jest liczba elektronów, a całe złącze p-n pozostaje w stanie równowagi. Warstwa p ma więc dodatni ładunek elektryczny, a warstwa n ujemny. W momencie, gdy na warstwy półprzewodnika padają promienie słoneczne, energia poszczególnych fotonów sprawa, że część elektronów ulega wybiciu, tj. przechodzi z pasma walencyjnego do pasma przewodzenia. Elektrony w warstwie p półprzewodnika oraz dziury znajdujące się w warstwie n są rozdzielone, lecz w każdej z warstw zwiększa się ilość ładunków, ponieważ energia fotonu sprawa, że w warstwie n rośnie ilość elektronów, a w warstwie n dziur, co wywołuje różnicę potencjałów. Swobodne elektrony znajdujące się w warstwie n z uwagi na występującą różnicę mogą zapełnić dziury w atomach warstwy p, wymaga to jednak przepływu napięcia. Po zamknięciu obwodu dochodzi do przepływu prądu, przez złącze p-n, odgrywające rolę izolatora przepływają więc w stronę atomów z ładunkiem dodatnim wolne elektrony.

Efektywność działania ogniw fotowoltaicznych zależy od ich konstrukcji oraz zastosowanego w nich materiału. Wszystkie rodzaje ogniw są zbudowane bardzo podobnie – warstwy półprzewodnikowe są otoczone folią EVA (Ethylene Vinyl Acetale), która stanowi swego rodzaju stelaż zabezpieczający i są chronione warstwą szkła o wysokiej przezierności umieszczoną od góry, a także tworzywem sztucznym znajdującym się pod spodem. Do każdego ogniwa dołączone są także złącza umożliwiające przepływ napięcia oraz ramka, najczęściej z aluminiowego profilu, która usztywnia i wzmacnia całość. Różnice występują natomiast jeśli chodzi o sam półprzewodnik. Najmniejszą efektywność daje krzem amorficzny, który nie ma uporządkowanej struktury krystalicznej. W tym przypadku skuteczność pozyskiwania energii kształtuje się na poziomie maksymalnie do około 15%. Większą efektywność mają półprzewodniki polikrystaliczne składające się z dużej liczby zespolonych ze sobą kryształów – przy takim ogniwie wydajność może sięgać od 15 do 20%. Znacznie lepiej radzą sobie ogniwa monokrystaliczne, gdzie warstwy półprzewodnika są cięte laserowo tak, by uzyskiwać duże i jednorodne struktury. W panelach z takim rozwiązaniem można pozyskiwać 20–25% energii. Rozwinięciem możliwości są ogniwa bifacjalne, wykorzystujące także promienie odbijające się od powierzchni znajdujących się z drugiej strony paneli.

Możliwości instalacji zależą nie tylko od rodzaju paneli, ale również od lokalizacji oraz związanego z tym nasłonecznienia. Ważna będzie oczywiście szerokość geograficzna wpływająca na kąt padania promieni słonecznych, ale również czas, w którym wybrany obszar może być efektywnie naświetlany. Liczy się także średnie nasłonecznienie związane z kwestiami średniej grubości pokrywy chmur oraz liczbą dni z dużym zachmurzeniem. Różnice mogą tu być dość znaczne – w niektórych lokalizacjach ilość dostępnej energii słonecznej wynosi aż ponad 1060 kWh/m2, a w innych nie przekracza 980 kWh/m2. Poza tym ważne będą kwestie związane z zainstalowaniem samych paneli – doborem odpowiedniego kąta pochylenia, najczęściej wynoszącym około 30° oraz ich solidnym zamocowaniem. Równie istotne będzie unikanie zagrożeń związanych z funkcjonowaniem instalacji.

Zagrożenia powodowane przez instalacje fotowoltaiczne

Instalacje fotowoltaiczne są nie tylko przyjazne środowisku naturalnemu, ale także nie wpływają negatywnie na swoje otoczenie. Nawet w przypadku dużych farm słonecznych nie pojawiają się uciążliwości dla osób mieszkających czy przebywających w ich sąsiedztwie. Nie pojawia się tu ani efekt migotania, który bywa uciążliwy w przypadku wiatraków, ani nie powstaje groźny hałas związany z działaniem turbiny i dźwiękami powodowanymi przez łopatki wirników dający się we znaki sąsiadom farm wiatrowych. Instalacje fotowoltaiczne nie mają wpływu na krajobraz, ponieważ choć mogą zajmować większe powierzchnie, to ze względu na swą niedużą wysokość nie zasłaniają widoku. Trzeba jednak pamiętać, że urządzenia tego rodzaju generują duże ilości prądu, niezbędne będą więc takie same środki ostrożności, jak przy używaniu wszystkich urządzeń elektrycznych.

Każdy panel słoneczny wytwarza niewielką ilość prądu stałego, a wszystkie złącza są podpięte do instalacji, w której za pomocą falownika jest on przekształcany w prąd zmienny o napięciu 230 V i częstotliwości 50 Hz. W układach typu off-grid prąd jest magazynowany w akumulatorach i wykorzystywany na potrzeby zasilanego nim obiektu, w systemach on-grid jest przekazywany do sieci energetycznej, choć także w takim przypadku możliwe będzie wykorzystywanie pozyskiwanego prądu do ładowania akumulatorów. Takie rozwiązanie jest przydatne np. wówczas, gdy instalacja ma poza sprzedażą nadwyżki służyć do uniezależnienia się od dostawcy zewnętrznego. W każdej sytuacji zainstalowane układy muszą być chronione przed możliwymi awariami. Do podstawowych zabezpieczeń należą ograniczniki przepięć SPD (Surge Protection Device), które działają na część instalacji pracującą ze stałym napięciem oraz klasyczne bezpieczniki przeciwprzepięciowe chroniące część, w której płynie prąd zmienny. Koniecznym elementem jest także ochrona odgromowa w postaci zewnętrznej instalacji odgromowej LPS (Lightning Protection System). Kwestie związane z zabezpieczeniem przeciwprzepięciowym reguluje norma PN-EN 61173, natomiast jeśli chodzi o właściwe uziemienia znacznie ma norma PN-EN 62305-2.

Trzeba pamiętać, że problemem w przypadku instalacji fotowoltaicznych może być także zagrożenie pożarowe. W przypadku gdy moc znamionowa instalacji przekracza 6,5 kWp, projekt musi być opiniowany przez rzeczoznawcę z dziedziny zabezpieczeń przeciwpożarowych. Obowiązkowe jest również zgłoszenie instalacji do Państwowej Straży Pożarnej. Niebezpieczeństwo powstania pożaru jest w tym przypadku związane z możliwymi zwarciami, zarówno w przypadku ogniw, jak i całej infrastruktury energetycznej oraz wyładowaniami atmosferycznymi. Zagrożenie jest szczególnie duże w przypadku instalacji montowanych na dachach, dlatego wszystkie elementy muszą być odpowiednio izolowane, a w części, w której w układzie płynie prąd zmienny powinno się używać wyłącznie przeznaczonych dla niego rozwiązań.

Systemy mocowania paneli fotowoltaicznych

Właściwe działanie instalacji fotowoltaicznej to nie tylko kwestie związane z ochroną przeciwprzepięciową, odgromową i zabezpieczeniem ppoż. Ponieważ panele mają dość dużą powierzchnię, odpowiednie wymagania musi spełniać również konstrukcja, na jakiej są montowane. Stosowane stelaże muszą gwarantować ustawienie paneli pod prawidłowym kątem, a także kierować je w stronę południową w celu maksymalizowania powierzchni, która będzie oświetlana, równie istotne będą jednak ich parametry wytrzymałościowe. Nie można zapominać, że zastosowana konstrukcja, niezależnie od tego, czy będzie umieszczona na dachu czy gruncie, musi mieć właściwą do masy paneli nośność. Poza ciężarem związanym z masą instalacji parametry wytrzymałościowe muszą uwzględniać obciążenie deszczem, śniegiem oraz lodem, a także wpływ wiatru. Liczyć się będzie zarówno wytrzymałość na napór wiatru, jak i na jego siłę ssącą. Konstrukcje wsporcze przeznaczone do montażu paneli fotowoltaicznych powinny także uwzględniać konieczny balast, który w razie potrzeby pomoże w zachowaniu stabilności całej struktury.

Systemy nośne montowane na dachach poza kwestiami związanymi z wytrzymałością na warunki atmosferyczne muszą także uwzględniać maksymalną nośność konstrukcji dachu, tak, by nie stanowiły dla niego zbyt dużego obciążenia. Powinny być zaprojektowane i zainstalowany w taki sposób, żeby nie przerwać szczelności poszycia. W przypadku systemów zakładanych na dachach obiektów przemysłowych panele muszą też być rozstawione tak, by nie kolidować z funkcjonowaniem innych systemów – wentylacji, urządzeń klimatyzacyjnych czy odpylających, a także lokalizacją klap dymowych. Montaż paneli nie powinien zakłócać pracy systemu odwodnień ani systemu ochrony odgromowej obiektu. Warto też pamiętać, że niektóre instalacje przemysłowe powodują wydostawanie się z budynku substancji, które mogą wpływać na funkcjonowanie paneli – chodzi tu np. o pyły czy wszelkiego rodzaju chemikalia, czynniki te powinny więc być uwzględnione już na etapie projektu.

Jedną z ważniejszych kwestii w przypadku konstrukcji wsporczych przeznaczonych do instalowania paneli jest odpowiednie zabezpieczenie antykorozyjne. Dla możliwie najlepszej ochrony stosowane są specjalne powłoki Magnelis, które gwarantują lepszą ochronę niż tradycyjne cynkowanie ogniowe za sprawą obecności w nakładanej warstwie ochronnej domieszki 3,5% aluminium oraz 3% magnezu. Dodatkowe składniki poza barierą tworzoną przez cynk zapewniają także pasywację za sprawą niższych potencjałów aluminium i magnezu, umożliwiając ochronę powstających zarysowań czy uszkodzeń mechanicznych stali.