Fotowoltaika – energia z ogniwa PV


Reklama

Pompa ciepła Stiebel Eltron

Podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego jest ogniwo fotowoltaiczne. Pod wpływem promieni słonecznych staje się źródłem napięcia stałego.

Obserwowany w ostatnich latach gwałtowny rozwój fotowoltaiki (skrótowo zapisywanej jako PV) spowodował nie tylko zauważalny wzrost sprawności systemów opartych na takiej konwersji energii słonecznej, ale i poważny spadek ich ceny. Nie bez znaczenia jest tu wymóg zwiększenia udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym kraju.

Należy odróżnić cieplne wykorzystanie promieniowania słonecznego, zachodzące w kolektorach słonecznych, od fotowoltaiki, która jest sposobem generowania energii elektrycznej.

Podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego jest ogniwo fotowoltaiczne. Pod wpływem promieni słonecznych staje się źródłem napięcia stałego. Ogniwa są grupowane i łączone ze sobą, tworzą moduły fotowoltaiczne, zaś połączone moduły tworzą panel fotowoltaiczny stanowiący główny element systemu fotowoltaicznego, zwany również generatorem PV.

Fotowoltaika – atrakcyjne źródło energii

Systemy fotowoltaiczne małej i średniej skali są atrakcyjnym źródłem energii odnawialnej. Generowana w takich systemach energia elektryczna jest zwykle bezpośrednio wykorzystywana lokalnie z uniknięciem strat związanych z jej przesyłem. Coraz powszechniej na przykład stosuje się technologie architektoniczne integrujące panele fotowoltaiczne z budownictwem, czego przykładem są dachy bądź ściany zbudowane z modułów fotowoltaicznych.

Fotowoltaika jest dziedziną zarówno nauki, jak i techniki, zajmującą się przetwarzaniem energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną z wykorzystaniem tzw. efektu fotoelektrycznego. Efekt ten polega na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu, przy czym energia kinetyczna tak emitowanych fotoelektronów nie zależy od natężenia padającego światła, ale od jego częstotliwości.

Wyjaśnienie i matematyczny opis efektu fotoelektrycznego zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi, który w 1905 r. wykorzystał do tego hipotezę kwantów opracowaną przez Maxa Plancka w 1900 r. Za wyjaśnienie tego efektu Einstein w 1921 r. otrzymał nagrodę Nobla.

Aktualnie prowadzone intensywne prace nad wytwarzaniem energii elektrycznej z zasobu odnawialnego, za jakie w naszej skali czasowej uchodzi Słońce, pozwalają przypuszczać, że w najbliższej przyszłości technologia ta będzie coraz powszechniej stosowana.

Promieniowanie słoneczne

Słońce, podstawowy obiekt naszego Układu Słonecznego, w dodatku jedna z jaśniejszych gwiazd Drogi Mlecznej, stanowi znakomicie działający reaktor jądrowy, który od ok. 4,6 mld lat bez przerwy zasila w energię swoje planety i inne obiekty. W pewnym uproszczeniu można przyjąć, że zachodząca w nim reakcja syntezy, głównie wodoru, w wyższe pierwiastki jest właśnie źródłem energii promieniowania.

Energia słoneczna nie tylko kształtuje ziemską pogodę, ale jest niezbędna dla większości form życia na Ziemi, poprzez proces fotosyntezy zasilający występujące ekosystemy. Dostępna obecnie energia paliw kopalnych to nic innego jak zmagazynowana w Ziemi energia promieniowania słonecznego z poprzednich epok geologicznych.

Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366 W/m2, stanowiąc tzw. stałą słoneczną. Jest to równoważne ze stwierdzeniem, że całkowita moc strumienia energii docierająca do atmosfery wynosi ok. 174 PW (petawatów) = 174 * 1015 W.

panele fotowoltaiczne

Na nasze szczęście ok. 30% tej mocy jest odbijane od powierzchni atmosfery w kosmos, a kolejne ok. 20% jest pochłaniane przez atmosferę dzięki tzw. gazom cieplarnianym, a głównie parze wodnej. Oznacza to, że do powierzchni Ziemi dociera ok. 89 PW, co oznacza średnio 180 W/m2 po uśrednieniu geograficznym i z uwzględnieniem cyklu dobowego.

Obszar oświetlony światłem słonecznym padającym prostopadle do jego powierzchni w warunkach braku zachmurzenia może otrzymać maksymalnie do 1 000 W/m2. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/(m2 rok) w krajach regionu północnego do ponad 2 500 kWh/(m2 rok) w krajach strefy równikowej. W Polsce wynosi ok. 1 100 kWh/(m2 rok).

Warto jeszcze podkreślić, że energia promieniowania słonecznego odebrana przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez człowieka, rośliny i zwierzęta, przekształca się w efekcie w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwem fotowoltaicznym nazywamy źródło wykorzystujące do generacji energii elektrycznej zjawisko fotoelektryczne, czyli konwersję energii słonecznej, zachodzącą w materiałach półprzewodnikowych.

Rozpowszechnianie się ogniw fotowoltaicznych, mimo znacznych kosztów w porównaniu do konwencjonalnych źródeł, wynika przede wszystkim ze względów ekologicznych, gdy walory ekologiczne wymuszają pominięcie wymogów ekonomicznych, a i z powodów praktycznych, bowiem promieniowanie słoneczne jest praktycznie wszędzie dostępne.

Szeroki obszar zastosowań ogniw jest związany z systemami wolnostojącymi (autonomicznymi), instalowanymi w miejscach, gdzie energia z sieci jest niedostępna. Systemy tego typu obejmują na przykład generację energii na potrzeby układów zasilania odległych telekomunikacyjnych stacji przekaźnikowych lub stacji przesyłowych nośników energetycznych, wolnostojące systemy monitoringu lub systemy alarmowe, a także coraz częściej na potrzeby konwencjonalnego gospodarstwa domowego (np. kuchnie i piece słoneczne w strefie równikowej).

Technika kosmiczna również korzysta z ogniw fotowoltaicznych. Coraz częściej ogniwa stosowane są w tzw. elektronice użytkowej (kalkulatory, lampy ogrodowe, oświetlenie znaków drogowych). Znane są również zastosowania w energetyce zawodowej o dużej skali mocy – farmy rzędu kilku MW oraz elektrownie fotowoltaiczne rzędu 100 MW (Niemcy, Hiszpania) do ok. 400 MW (Mojave, USA).

Podstawowymi zaletami ogniw są: bezobsługowość oraz duża żywotność – gwarantowana przez 25 lat.

Ogniwa PV – jak to działa?

Ogniwo fotowoltaiczne to krzemowa płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje bariera potencjału (pole elektryczne) w postaci złącza p-n (positive ÷ negative). Padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, tworząc pary nośników o przeciwnych ładunkach (elektron z ładunkiem ujemnym i z ładunkiem dodatnim „dziura”, powstała po jego wybiciu).

Ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, co sprawia, że w ogniwie pojawia się napięcie. Wystarczy do ogniwa podłączyć urządzenie pobierające energię i następuje przepływ prądu elektrycznego. Ogniwa fotowoltaiczne najczęściej wykonuje się z krzemu – drugiego po tlenie najbardziej rozpowszechnionego pierwiastka na Ziemi, który występuje m.in. w piasku.

Pojedyncze ogniwo jest w stanie wygenerować prąd o mocy 1 ÷ 7 W. W celu maksymalizacji uzyskiwanych efektów ogniwa łączone są w moduły fotowoltaiczne (grupy ogniw). Ogniwa najczęściej produkowane są w postaci paneli o powierzchni 0,2 ÷ 1,0 m2. Panele fotowoltaiczne produkują prąd stały, więc aby korzystać z ich energii elektrycznej, musimy zainstalować falownik (inwerter), który zmieni prąd stały paneli fotowoltaicznych na prąd przemienny, zwykle zwany zmiennym.

Mankamentem energetycznym jest względnie niska sprawność ogniw fotowoltaicznych, uzależniona od zastosowanego materiału i technologii produkcji.

Za ogniwa I generacji uważa się te, które wykonane są na bazie krystalicznego krzemu, II generacja to ogniwa cienkowarstwowe, natomiast trzecią generację stanowią ogniwa, mające za zadanie przekroczyć tzw. barierę Shockleya-Queissera, którą jest poziom 31% sprawności dla pojedynczego złącza.

Wśród ogniw tzw. pierwszej generacji wyróżniamy:

  • ogniwa monokrystaliczne – wykonane z jednego monolitycznego kryształu krzemu; charakteryzują się wysoką sprawnością, zazwyczaj 18 ÷ 22%, oraz wysoką ceną; stosuje się je zazwyczaj przy mocach do 150-180 W na jeden panel; posiadają charakterystyczny ciemny kolor;
  • ogniwa polikrystaliczne wykonane z wykrystalizowanego krzemu; charakteryzują się sprawnością w przedziale 14 ÷ 18% oraz umiarkowaną ceną; stosowane są zwykle przy mocy ponad 200 W; zazwyczaj posiadają charakterystyczny niebieski kolor i wyraźnie zarysowane kryształy krzemu.
  • ogniwa  amorficzne – wykonane z amorficznego, bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu – charakteryzują się niską sprawnością w przedziale 6 ÷ 10% oraz niską ceną; zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu.

Obecnie obserwujemy także rozwój ogniw drugiej generacji, czyli opartych na nowszych materiałach półprzewodnikowych. Są to ogniwa wykonane z wykorzystaniem tellurku kadmu CdTe oraz wykonane z mieszaniny półprzewodników, takich jak ind, gal, selen – tzw. CIGS.

W obu tych technologiach cały moduł zbudowany jest zwykle z jednego ogniwa. W przypadku pierwszych z nich sprawność wynosi 10 ÷ 12%, ale charakteryzują się dobrym stosunkiem ceny do mocy. Z kolei w drugiej technologii o sprawności 12 ÷ 14% możliwa jest produkcja metodą przemysłową druku, który jest bardzo tanim i wydajnym sposobem produkcji ogniw.

Ogniwa CdTe, CIGS a także niektóre ogniwa z krzemu amorficznego to tak zwane ogniwa cienkowarstwowe, w których warstwa aktywnego półprzewodnika ma grubość kilku mikrometrów, czyli jest blisko 100 cieńsza niż w przypadku ogniw z krzemu poli- czy monokrystalicznego. Cienkowarstwowe ogniwa tej generacji, dzięki znacznej redukcji zużycia materiału półprzewodnikowego, charakteryzują się korzystnym stosunkiem ceny do mocy.

Przykładem ogniwa trzeciej generacji jest organiczne ogniwo fotowoltaiczne (OPV), w którym do absorpcji promieniowania i transportu ładunków zastosowano materiały organiczne. Ponieważ ogniwa te mogą być wykonane jako elastyczne, istnieje możliwość szerokiego stosowania ich w budownictwie.

Fotowoltaika w Polsce

Pierwszą elektrownię fotowoltaiczną w świecie o mocy 1 MW jest Lugo (USA) uruchomiona w grudniu 1982 r. W 2015 r. na świecie łączna zainstalowana moc fotowoltaiki przekroczyła już 55 GW.

Największą elektrownią w Polsce zainstalowano w gm. Czenikowo (k. Torunia) w grudniu 2016 r. Składa się ona z 16 tys. paneli, każdy o mocy 240 W, o łącznej powierzchni ponad 24 tys. m2, o łącznej mocy 3,77 MW generującej rocznie ok. 3 500 MWh energii elektrycznej.

W polskich warunkach klimatycznych optymalnie zlokalizowana pod względem usytuowania i poprawnie wykonana instalacja fotowoltaiczna jest w stanie wyprodukować rocznie nieco ponad 1 000 kWh z zainstalowanego każdego kW mocy. Zazwyczaj ten wskaźnik dla poprawnych instalacji oscyluje wokół 950 ÷ 1025 kWh/kW w zależności od technologii wykorzystanych paneli fotowoltaicznych, zastosowanego inwertera i lokalizacji.

W przypadku instalacji, do których budowy użyte zostały urządzenia o słabych parametrach (zwłaszcza inwerter i panele fotowoltaiczne), uzysk energii może spaść nawet poniżej 750 kWh/kW. Także niektóre moduły cienkowarstwowe zwłaszcza CIGS i a-Si dają nieco niższe uzyski. W ich przypadku optymalne instalacje osiągają w Polsce ok. 910 ÷ 970 kWh/kW, co często jest rekompensowane znacznie niższą ceną inwestycji. Na poziom uzyskanej energii wpływ ma także sposób montażu instalacji.

Optymalne ustawienie to pochylenie paneli fotowoltaicznych pod kątem 30 ÷ 40 stopni w kierunku na południe. Każde odchylenie od kierunku południowego oraz pochylenie poza wskazany zakres będzie skutkowało spadkiem produkowanej rocznie energii. Przy stosowaniu tych samych komponentów najwyższy uzysk będą miały instalacje wolnostojące, które naturalnie będą schładzane przez swobodny przepływ powietrza.

Montaż generatora fotowoltaicznego na dachu przy zachowaniu odstępów umożliwiających wentylację zmniejsza wydajność w stosunku do instalacji wolnostojącej o 2 ÷ 5%. Z kolei brak wentylacji paneli na dachu jest powodem spadku wydajności o 7 ÷ 10%. Z tego też powodu w przypadku systemów zintegrowanych z dachem ważne jest wykonanie kanałów wentylacyjnych lub zastosowanie paneli wykonanych z ogniw o możliwie niskim temperaturowym współczynniku strat mocy.

Polskie Towarzystwo Fotowoltaiki (PTPV) podaje, że na koniec 2016 r. w naszym kraju było zainstalowanych ponad 17,5 tys. systemów fotowoltaicznych o łącznej mocy 192,82 MW. Coraz większy udział w zainstalowanym w Polsce potencjale elektrowni fotowoltaicznych mają mikroinstalacje.

Na potencjał fotowoltaiki w Polsce na koniec ubiegłego roku miały się złożyć 473 instalacje fotowoltaiczne o łącznej mocy 99,1 MW, posiadające koncesję Urzędu Regulacji Energetyki, a także ponad 17 tys. systemów PV o mocy 93,72 MW przyłączonych do sieci na zgłoszenie. Jak podaje PTPV, powołując się na dane URE, spośród systemów z koncesją Urzędu Regulacji Energetyki istnieje 286 systemów o mocy niższej od 100 kW. Ich średnia moc to 26,5 kW. Natomiast powyżej 100 kW jest w Polsce 187 systemów fotowoltaicznych. Ich średnia moc wynosi 490 kW. Systemów powyżej 1 MW jest 25 o łącznej mocy 30,4 MW.

Przykładowo można jeszcze podać orientacyjną cenę instalacji domowej (z inwerterem) o mocy ok. 4 kW. Wynosi ona ok. 20 tys. złotych, czyli ok. 5 tys. zł/kW. Może ona dostarczyć ok. 3600 kWh rocznie.

Warto jeszcze wspomnieć na istniejące programy pomocowe, deklarujące pokrycie 25% kosztów instalacji, a także na program Prosument wpisany do Prawa Energetycznego.

Podsumowanie

Omówiono znaczenie fotowoltaiki jako najlepiej rozwijającej się technologii zagospodarowania odnawialnych zasobów energii. Na tym tle scharakteryzowano energetyczne walory Słońca. Wskazano obszary stosowania tej technologii z zaznaczeniem korzyści płynących z jej stosowania tam, gdzie nie jest dostępne zasilanie z sieci elektroenergetycznej. Omówiono budowę ogniw fotowoltaicznych kilku kolejnych generacji wraz z podaniem ich charakterystyki. Na koniec przedstawiono poziom rozwoju fotowoltaiki w Polsce.

dr inż. Piotr Kubski

Fot.: Viessmann, Buderus

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij