Fotowoltaika, czyli energia elektryczna ze słońca.Wzbudzone elektrony

Fotowoltaika jest jednym ze sposobów wykorzystania energii słonecznej. Zajmuje się ona bezpośrednim przetwarzaniem promieniowania słonecznego na energię elektryczną, nie powodując przy tym zanieczyszczenia środowiska czy hałasu. Podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego (PV) jest ogniwo fotowoltaiczne, w którym następuje zamiana energii słonecznej na elektryczną. Moduł (bateria) fotowoltaiczna Energia elektryczna wytwarzana jest w pojedynczych, małych układach zwanych ogniwami. Pojedyncze ogniwo osiąga moc 1-2 W, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Z tego względu ogniwa łączy się szeregowo lub równolegle, tworząc moduł (baterię) fotowoltaiczną. Moc modułów wyrażana jest w watach mocy szczytowej (Wp – Watt peak). Jest to moc dostarczana przez moduł w warunkach standardowych, tzn. przy promieniowaniu słonecznym o mocy 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia wynoszącej 25°C. W warunkach rzeczywistych moc chwilowa baterii jest zdecydowanie mniejsza. Moduły dostępne na rynku mają powierzchnię od 0,3 do 2 m2, a ich moc zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 300 Wp. W celu uzyskania większych mocy moduły łączy się w panele fotowoltaiczne. Poziom prądu na wyjściu panelu zależny jest od nasłonecznienia, a może być również zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów. Napięcie otrzymywane z modułu w niewielkim stopniu zależy od poziomu nasłonecznienia. Łącząc odpowiednio baterie słoneczne w panel fotowoltaiczny, można uzyskać praktycznie dowolne napięcie (do kilkuset woltów), dzięki szeregowemu łączeniu modułów. Wyróżnia się pracę przy: napięciach 12 lub 14 V (dla małych zastosowań) oraz 240 V (dla zastosowań dołączonych do sieci). Wydajność panelu PV uzależniona jest od temperatury pracy, a także od sposobu połączenia. Moduły połączone w panel umieszcza się, podobnie jak kolektory słoneczne, pod optymalnym kątem, skierowane na południe. Wykorzystuje się w tym celu konstrukcje wsporcze lub umieszcza bezpośrednio na dachu. Ciekawym, ostatnio promowanym rozwiązaniem, jest wykorzystanie połączonych modułów fotowoltaicznych jako fasad budynków (tzw. BIPV).
Zasada działania Większość ogniw fotowoltaicznych wytwarzanych obecnie oparta jest na półprzewodnikowych złączach n-p, posiadających wbudowane pole elektryczne w postaci ładunków zjonizowanych atomów wbudowanych w sieć krystaliczną. Dzięki padającemu promieniowaniu słonecznemu następuje wzbudzenie i powstanie par: elektronu w paśmie przewodnictwa i dziury w paśmie walencyjnym. Absorpcja światła i rozdzielenie elektronów tworzy tzw. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – stanowiące podstawę działania współczesnych ogniw. Są też znane inne rozwiązania wykorzystywane śladowo, jak np. absorpcja w barwnikach organicznych (prowadzi ona do powstania wzbudzonych stanów cząstek w organicznych związkach chemicznych). Po dołączeniu obciążenia do zacisków ogniwa płynie przez nie prąd elektryczny. Jest to prąd stały.
Stosowane rozwiązania
Wiele materiałów półprzewodnikowych może być wykorzystywanych do produkcji ogniw słonecznych, przy czym rynek zdominowany jest przez krzem krystaliczny i w mniejszym stopniu amorficzny. Wyróżnia się następujące rodzaje ogniw słonecznych: * ogniwa krystaliczne obejmują monokrystaliczne i polikrystaliczne, wytwarzane są od lat 50. XX wieku. Wykonywane są na oddzielnych podłożach (płytkach). Zaletą ogniw monokrystalicznych jest ich wysoka sprawność, wadą jest wysoki koszt. Ogniwa polikrystaliczne są najczęściej stosowane na rynku, jednak mają one nieznacznie mniejszą sprawność. Najlepsze dostępne na rynku moduły mają sprawność powyżej 16%, przeciętne na rynku 11-13%; * ogniwa cienkowarstwowe (krzem amorficzny, CIS, CdTe). W przypadku ich produkcji stosuje się niewielką ilość półprzewodnika. Ich produkcja jest nieporównywalnie mniej energochłonna, a sprawność rynkowa wynosi ok. 4-8%. Wykorzystywane są głównie w urządzeniach przenośnych. Nowe technologie ogniw cienkowarstwowych są w trakcie badań rynkowych. Aż 95% sprzedawanych modułów stanowią moduły krystaliczne, a jedynie 1% moduły amorficzne. Baterie słoneczne są rozwiniętym produktem, który gwarantuje trwałą, wydajną pracę przez ponad 20 lat.
Dostępne są dwa rodzaje systemów / instalacji fotowoltaicznych. Wyspowe (off grid) i połączone z siecią (in grid). W pierwszym przypadku stosuje się jako magazyn energii akumulator, w drugim sieć elektroenergetyczną. Rozwiązanie z akumulatorem stosowane jest przy niewielkich układach niemających możliwości podłączenia do sieci elektrycznej. Najczęściej stosuje się akumulatory ołowiowo-kwasowe (rzadziej niklowo-kwasowe). Dobrej jakości akumulator, przy odpowiedniej obsłudze, jest w stanie pracować 5-7 lat. W takim przypadku stosuje się dodatkowo kontrolery ładowania ograniczające głębokość rozładowania i szybkość ładowania w zależności od temperatury akumulatora (decyduje to o żywotności akumulatora i pozwala uzyskać maksymalną moc wyjściową). Brak dbałości o akumulator i niestosowanie kontrolerów skraca żywotność akumulatora. W drugim przypadku stały prąd wytwarzany w panelu jest zamieniany w przemienny, wykorzystując w tym celu falownik (o odpowiednim kształcie fali zmiennonapięciowej). Najważniejszymi cechami falownika są: jego niezawodność i charakterystyki sprawnościowe. Najczęściej falowniki osiągają dużą sprawność przy mocy nominalnej urządzenia (90-96%). Moce rzeczywiste uzyskiwane na bateriach słonecznych są zdecydowanie poniżej tych nominalnych, wówczas i sprawność falownika maleje (nawet do 85%). Zastosowanie i rynek Małe instalacje są przenośne, montowane na urządzeniach, obiektach o małym poborze energii. Wykorzystuje się małe ogniwa, wbudowane w urządzenia, zintegrowane z podręcznym akumulatorem.
Systemy są bezobsługowe pracę, nie dostarcza się dodatkowej energii z zewnątrz (urządzenia elektroniczne, oświetlenie LED itd.). Również duża grupa instalacji „większych” – nie ma podłączenia do sieci, a pracuje na akumulatorach i sieci wewnętrznej. Służą one do zasilania pewnych elementów budynku i jako źródło energii zapasowe. Często mają one charakter pokazowy, przy okazji „zarabiając na siebie”. Mogą one mieć konstrukcję standardowych modułów, jak też elewacji budynku (w tym półprzeźroczystych). W Polsce ze względu na niewielkie moce i duże utrudnienia w podłączaniu do sieci, instalacji PV pracują jako off grid. Fotowoltaika na świecie rozwija się bardzo dobrze.
Z roku na rok powstaje coraz więcej instalacji w oparciu o coraz bardziej wyrafinowane rozwiązania techniczne urządzeń. Najwięcej fotowoltaiki (aż 80%) montuje się w Europie, w tym wiodącymi krajami są Hiszpania i Niemcy. Rozwój rynku opiera się na stosowaniu odpowiednich mechanizmów wsparcia. W Polsce z powodu praktycznie braku jakiegokolwiek wsparcia fotowoltaiki (przy jednoczesnym wsparciu dużych inwestycji na inne technologie OZE) wzrost montowanych modułów jest mocno ograniczany. Wysoka cena, czasochłonna procedura podłączenia do sieci spowalniają dodatkowo rozwój rynku. Ceny modułów systematycznie maleją, tak że niedawno obowiązująca cena za 1 kWp modułu w wysokości 40 tys. zł obniżyła się do poniżej 20 tys. Powstające obecnie instalacje ograniczają się jeszcze do pokazowych, doświadczalnych i reprezentacyjnych. Są to głównie systemy niepodłączone do sieci (często spotykane m.in. przy polskich drogach). Podsumowanie Baterie słoneczne są jednym z najlepiej rozpoznawalnych urządzeń OZE (lepiej np. od kolektorów słonecznych) i to dobrze wróży rozwojowi branży. Z drugiej strony stosowane rozwiązanie (wykorzystanie drogiego półprzewodnika) determinuje koszt, który mocno ogranicza ich wykorzystanie. Pojawiająca się ostatnio koncepcja (już komercyjna) jednego urządzenia produkującego elektryczność i ciepło, tzw. PVT, może pomóc wypromować większe wykorzystanie urządzeń słonecznych, w tym PV. PVT ma obecnie znaczenie niszowe, jednak większa sprawność z jednostki powierzchni urządzenia, niższy koszt w porównaniu z zastosowaniem dwóch oddzielnych urządzeń (kolektora i baterii) pozwala sądzić, iż kierunek ten będzie się rozwijać.
dr inż. Krystian Kurowski
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf


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