Zielona energia ze słońca. Sprawne ogniwo

Po raz pierwszy zjawisko fotowoltaiczne zaobserwował w połowie XIX wieku francuski chemik i fizyk Antoine Henri Becquerel. Obecnie wykorzystuje się je z coraz większym powodzeniem. Energia, która dociera do powierzchni Ziemi w postaci promieniowania słonecznego, nie tylko pozwoliła na rozwój życia na naszej planecie, ale jest również energią pierwotną, służącą do powstania wielu innych źródeł energii wykorzystywanych przez człowieka przy produkcji energii elektrycznej. Dotyczy to energii uzyskiwanej z:

  • elektrowni wiatrowych napędzanych energią mas powietrza przemieszczających się na skutek różnic temperatury w zależności od nagrzania przez słońce powierzchni Ziemi,
  • z elektrowni wodnych wykorzystujących do produkcji energię spadku wód wytworzoną w wyniku parowania mas wody i opadów deszczu na wyżej położonych terenach,
  • z paliw kopalnych, powstałych jako produkt przemian roślin wyrosłych w promieniach słońca wiele lat temu.

Powstaje zatem pytanie, czy nie można uzyskać energii elektrycznej bezpośrednio z energii słonecznej, bez tego całego łańcucha pośrednich przemian? Po raz pierwszy zjawisko fotowoltaiczne (bo tak się nazywa efekt bezpośredniego przekształcenia energii promieniowania świetlnego w energię elektryczną) zaobserwował w połowie XIX wieku francuski chemik i fizyk Antoine Henri Becquerel. Zauważył on, że na elektrodzie zanurzonej w elektrolicie pojawia się w wyniku jej oświetlenia pewien potencjał elektryczny. Zjawisko to przez wiele lat pozostawało niewytłumaczone. Dopiero Albert Einstein w 1905 roku opisał powstawanie efektu fotoelektrycznego, za co otrzymał nagrodę Nobla.

Przez długi czas zjawisko to nie znajdowało szerszego zastosowania, poza aparaturą pomiarową lub np. w technice kina dźwiękowego. Dopiero rozwój techniki na początku lat pięćdziesiątych XX wieku, a szczególnie techniki kosmicznej, przyczynił się do opracowania ogniw fotowoltaicznych, mających zastosowanie, oprócz przemysłu kosmicznego, również w innych dziedzinach wymagających trwałych i niezawodnych źródeł energii elektrycznej. Jednak nadal główną barierę do szerszego wykorzystania ogniw fotowoltaicznych stanowi cena ich wytworzenia i mała sprawność.

Postęp w technice wytwarzania ogniw fotowoltaicznych oraz uruchomienie ich masowej produkcji, jakie nastąpiło w ostatnich 10 latach, spowodowało, że to, co kiedyś wydawało się nieopłacalne ze względu na cenę ogniw, obecnie zaczyna być ekonomicznie uzasadnione. Szczególny wpływ na rozwój branży energetyki fotowoltaicznej mają regulacje prawne powstałe w niektórych państwach (szczególnie w państwach należących do UE) dotyczące dopłat do energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, do których zaliczana jest też energia elektryczna wytwarzana bezpośrednio ze słońca.

Ogniwa fotowoltaiczne

Typowe ogniwa fotowoltaiczne zbudowane są w oparciu o złącza półprzewodnikowe typu p-n wytworzone wskutek różnego domieszkowania krzemu. W materiałach tego typu pod wpływem padającego światła zachodzi efekt fotowoltaiczny, którego istota polega na wybijaniu elektronów z jednego obszaru złącza do drugiego w wyniku ich zderzeń z fotonami. Po zamknięciu obwodu elektrycznego następuje przepływ prądu elektrycznego spowodowany powstaniem różnic potencjałów w złączu.

Zazwyczaj większość fotoogniw dostępnych na rynku zbudowana jest na bazie krzemu, chociaż usilnie pracuje się nad nowymi materiałami mającymi podnieść sprawność przetwarzania energii świetlnej na energię elektryczną.

W zależności od zastosowanej technologii wytwarzania elementów krzemowych wyróżniamy:

  • ogniwa monokrystaliczne,
  • ogniwa polikrystaliczne,
  • ogniwa amorficzne.

Ogniwa monokrystaliczne wykonane są z jednego dużego kryształu krzemu pociętego na cienkie płytki. Mają one wysoką sprawność energetyczną, ale ich produkcja jest najdroższa. Wyróżniają się ciemnym, niemal czarnym kolorem.

Ogniwa polikrystaliczne robione są z wykrystalizowanego w formie wielu drobnych kryształów krzemu. Mają one niższą sprawność energetyczną od ogniw monokrystalicznych. Wyróżniają się niebieskim kolorem ogniw, a koszt ich produkcji jest niższy niż ogniw monokrystalicznych.

W odróżnieniu od wyżej wymienionych, ogniwa amorficzne są wykonane z amorficznego (niewykrystalizowanego) krzemu. Charakteryzują się najniższą efektywnością energetyczną, ale są za to najtańsze w produkcji. Łatwo je odróżnić po ciemnym, lekko bordowym kolorze.

Warto dodać, że naukowcy ciągle pracują nad nowymi rozwiązaniami ogniw fotowoltaicznych. Prace koncentrują się nad wzrostem sprawności przetwarzania energii słonecznej w energię elektryczną, jak również nad opracowaniem nowych technologii wytwarzania ogniw w celu obniżenia ich ceny. Powstały już nowe konstrukcje ogniw fotowoltaicznych typu CdTe opartych o tellurek kadmu lub też ogniw fotowoltaicznych CIGS opartych o ind lub selen, które charakteryzują się wyższą od ogniw krzemowych sprawnością przetwarzania energii słonecznej w elektryczną.

Poprzez połączenie wielu ogniw fotowoltaicznych w jeden układ otrzymujemy panel fotowoltaiczny, który zamontowany na konstrukcji nośnej lub w specjalnej ramie nosi nazwę modułu fotowoltaicznego. Moduły (zwane modułami solarnymi lub panelami fotowoltaicznymi) przeznaczone są do zaopatrywania w energię elektryczną wszelkiego rodzaju urządzeń elektrycznych, od małych konstrukcji aż po ogromne elektrownie słoneczne, czyli tzw. farmy fotowoltaiczne.

Zasoby słoneczne Polski są podobne do istniejących w Niemczech czy Francji, co wynika z położenia naszego kraju na takiej samej szerokości geograficznej. Średnio suma globalnego rocznego promieniowania w Polsce wynosi ok. 1000 kWh/m2 powierzchni Ziemi, a średnioroczna liczba godzin słonecznych to około 1600 h. Natężenie nie jest jednakowe dla całego obszaru kraju, lecz różnice pomiędzy poszczególnymi regionami kraju nie są zbyt duże, może poza okolicami Roztocza, gdzie mieszkańcy – w porównaniu np. z mieszkańcami Pomorza – cieszą się zdecydowanie większą ilością promieniowania słonecznego.

Wydawałoby się, że mając do dyspozycji tak duże zasoby energii do wykorzystania, wystarczyłoby pokryć tylko niewielką część dachu swojego domu, aby zapewnić pełne pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną, a jej nadwyżki sprzedawać sąsiadom.

Należy jednak pamiętać o sprawności przetwarzania energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną w panelach fotowoltaicznych. W przypadku paneli fotowoltaicznych sprawność ta wynosi zaledwie 10-12%.

Istotnym problemem jest również fakt, że promieniowanie słoneczne zależy silnie od pory roku. Dla obszaru Polski dzienny strumień energii waha się od 7,5 kWh/(m2 * doba) latem do 0,1 kWh/(m2 * doba) zimą. Oczywiście istotnym problemem jest również produkcja energii elektrycznej wyłącznie w okresie dziennym. W nocy lub w okresach niepogody panele słoneczne nie są w stanie pokryć zapotrzebowania na energię elektryczną i należy się wspomagać energią dostarczaną z zewnątrz lub też zgromadzoną w akumulatorach. W tym celu należy stworzyć system, który zapewni nam dostarczenie odpowiedniej ilości energii elektrycznej w okresie, gdy ogniwa jej nie wytwarzają.

Systemy fotowoltaiczne

Systemy fotowoltaiczne można podzielić na dwa podstawowe typy: systemy autonomiczne oraz systemy sieciowe.

System autonomiczny nie jest połączony z zewnętrzną siecią elektroenergetyczną i zazwyczaj składa się z paneli słonecznych, regulatora ładowania, akumulatorów oraz inwertera służącego zamianie prądu stałego z baterii akumulatorów na prąd zmienny wykorzystywany do zasilania urządzeń domowych. Liczbę paneli, akumulatorów oraz inwertera dobiera się do mocy wszystkich urządzeń i planowanego czasu ich dobowego użytkowania. Należy również określić dni autonomii, czyli dni o bardzo złych warunkach pogodowych, kiedy produkcja elektryczności będzie mniejsza.

System fotowoltaiczny sieciowy składa się z paneli słonecznych oraz inwertera zamieniającego prąd stały uzyskiwany z paneli fotowoltaicznych na prąd zmienny o częstotliwości sieciowej. Taki prąd wykorzystywany jest w gospodarstwach domowych. Nadmiar energii elektrycznej przesyłany jest poprzez licznik dwukierunkowy do sieci publicznej. W przypadku niedoboru energii elektrycznej uzyskiwanej z paneli fotowoltaicznych pobierana jest ona z zewnętrznej sieci elektroenergetycznej.

Ekonomia

W ostatnich latach nastąpił gwałtowny rozwój produkcji zarówno paneli fotowoltaicznych, jak również dodatkowych elementów służących do budowania systemów fotowoltaicznych.

Pojawiło się wielu nowych producentów konkurujących ze sobą na rynku, co doprowadziło do znacznego spadku cen paneli, a także systemów fotowoltaicznych. Prowadzone są również intensywne badania nad nowymi rozwiązaniami ogniw fotowoltaicznych w celu uzyskania ich większej sprawności przy jednoczesnym obniżeniu jednostkowych kosztów ich wytworzenia.

Dzięki masowej produkcji ogniw ceny systemów fotowoltaicznych obniżają się z roku na rok. Nadal jednak pozostają zbyt wysokie, aby małe autonomiczne instalacje solarne były ekonomiczną alternatywą zasilania domów jednorodzinnych w energię elektryczną, biorąc pod uwagę koszty inwestycyjne, eksploatacyjne (wymiana baterii akumulatorów co 4-5 lat) oraz cenę zakupu energii elektrycznej z sieci. Co prawda po wprowadzeniu stosownych zapisów prawnych dotyczących możliwości odsprzedaży nadwyżek energii do sieci elektroenergetycznej może zmienić się rachunek ekonomiczny dla takich instalacji, ale jak do tej pory prace legislacyjne nad takimi rozwiązaniami jeszcze trwają.

W przypadku dużych instalacji solarnych, z założenia sprzedających energię elektryczną do sieci elektroenergetycznej, rachunek ekonomiczny wygląda inaczej. Producenci, zgodnie z regulacjami prawnymi obowiązującymi w krajach UE, w tym i Polsce, dostają odpowiednie dopłaty do energii wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. Dystrybutorzy energii elektrycznej – w myśl obowiązującego prawa – muszą wykazać się odpowiednim procentem w wolumenie sprzedanej energii elektrycznej jako energii wytworzonej w odnawialnych źródłach energii (zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z dnia 14 sierpnia 2008 r. dystrybutorzy energii elektrycznej powinni zapewnić udział energii odnawialnej w całości energii dostarczanej odbiorcom na poziomie nie mniejszym niż w poszczególnych latach: 10,9% – w 2013 r., 11,4% – w 2014 r., 11,9% – w 2015 r., 12,4% – w 2016 r., 12,9% – w 2017 r.). Niestety dodatkowe dopłaty do „zielonej” energii przekładają się na coraz wyższe rachunki, które musimy płacić za dostarczaną do naszych domów energię elektryczną. W związku z tym to końcowi użytkownicy utrzymują duże farmy fotowoltaiczne i czynią ich funkcjonowanie opłacalnym.

Jarosław Pomirski

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