panelefotowoltaiczne.pdf

Niezawodne i coraz tańsze. Ogniwa fotowoltaiczne

Autor: Piotr Łepkowski

(Energia Gigawat – lipiec 2003)

Udział energetyki solarnej w ogólnym rankingu wykorzystania energii odnawialnej w Polsce

jest niewielki. Głównym powodem stosunkowo małej popularności układów generujących

prąd elektryczny z fotoogniw jest wciąż wysoka cena tych urządzeń. Bywają jednak sytuacje,

kiedy montaż panelu fotowoltaicznego okazuje się ekonomicznie uzasadniony. Niewątpliwą

zachętą dla upowszechniania tego typu instalacji są możliwości ubiegania się o

dofinansowania i kredyty preferencyjne dla potencjalnych inwestorów. Brakuje jednak w

Polsce odpowiednich programów rządowych promujących czystą energię tak jak ma to

miejsce np. w Niemczech, Holandii, Francji, Japonii lub USA.

Układy fotowoltaiczne służące do produkcji energii elektrycznej coraz częściej pojawiają się

w naszym codziennym życiu. Najbardziej popularne to te najtańsze, gdzie zapotrzebowanie

odbiorników w energię jest znikome, a moc nie przekracza kilku watów. Kalkulatory, zegarki,

radia, ładowarki do baterii i inne wymyślne zabawki oraz niewielkie gadżety powszechnego

użytku zasilane małymi panelami nie wzbudzają już dzisiaj takiej sensacji wśród

użytkowników tak jak niegdyś. Zasada działania ogniw oparta jest na zjawisku

fotoelektrycznym zachodzącym wewnątrz warstwowej struktury półprzewodnikowej pod

wpływem światła. Najbardziej wydajne i zarazem najdroższe w produkcji są ogniwa z

arsenku galu, których wydajność dochodzi do 30%. Ze względu na duże koszty wykonania

nie są one powszechnie stosowane. Obecnie typowym materiałem do produkcji ogniw jest

krzem krystaliczny lub polikrystaliczny. Coraz większym zainteresowaniem cieszą się ogniwa

cienkowarstwowe z krzemu amorficznego. Podstawową zaletą tych ostatnich jest prostsza i

mniej energochłonna produkcja oraz możliwość zastosowania tańszych materiałów do ich

wytworzenia. Ogniwa z krzemu amorficznego wykonywane są w komorach próżniowych,

gdzie w wyniku rozkładu gazów w wyładowaniu jarzeniowym następuje osadzanie cienkiej

warstwy krzemu amorficznego na podłożu. Powierzchnią, na którą można nanieść krzem

amorficzny może być np. szkło, ceramika lub folia plastikowa. Takie procesy technologiczne

dają możliwość wykonania większych jednostkowych powierzchni ogniw. Według opinii

niektórych naukowców ogniwa z krzemu krystalicznego i polikrystalicznego przechodzą

powoli do lamusa, aby ustąpić miejsca trochę mniej wydajnym, ale za to tańszym w produkcji

ogniwom z krzemu amorficznego. Trwają również prace badawcze nad innymi typami ogniw,

wśród których za jedne z bardziej rozwojowych uważa się technologie oparte na

polikrystalicznych związkach półprzewodnikowych CuInSe 2 i CdTe.

Cienkie płytki z krzemu krystalicznego rozpoczęły swą karierę w pierwszej połowie lat

pięćdziesiątych w Bell Laboratories w USA. Początkowo, ze względu na wysoką cenę ale też

dużą niezawodność wykorzystywano je z powodzeniem jako źródło napędu do pojazdów

kosmicznych. W okresie kryzysu naftowego w latach 70. podczas poszukiwań alternatywnych

źródeł energii nastąpił znaczny postęp w technologii produkcji ogniw. Zwiększyła się ich

wydajność z kilku do kilkunastu procent, spadły też koszty wykonania.

Generalnie energia wytwarzana przez systemy fotowoltaiczne nadal jest droższa od

konwencjonalnej, ale ma jednak swe niepodważalne zalety, które w pewnych sytuacjach stają

się bezkonkurencyjne. Potwierdzeniem atrakcyjności urządzeń solarnych jest fakt, że w

ostatnim dziesięcioleciu ich produkcja na świecie stale wzrasta. Główne atuty to „darmowe

paliwo”, ekologiczność, niezawodność, brak ruchomych podzespołów mechanicznych oraz

możliwość zbudowania bezobsługowego energetycznego układu autonomicznego. Panele

sprzężone z akumulatorami i odpowiednim zestawem sterującym mogą pełnić rolę całkowicie

niezależnych mini elektrowni w dowolnych miejscach na lądach, morzach i wszędzie tam

gdzie docierają promienie słoneczne. Obsługa układów ogranicza się do okresowego

doglądania poprawności pracy. Najsłabszym elementem, jeśli chodzi o trwałość jest

akumulator, którego żywotność wynosi maksymalnie około 6 lat. Systemy autonomiczne

oparte na ogniwach fotowoltaicznych są szczególnie użyteczne w miejscach oddalonych od

sieci energetycznych, tam gdzie podłączenie do linii wiąże się ze znacznymi kosztami lub jest

niemożliwe. Niewielkie mobilne układy solarne o mocach rzędu od kilku Watów do kilku kW

coraz częściej można spotkać i w Polsce. Zasilają między innymi stacje meteorologiczne,

reklamy, lampy ogrodowe, systemy alarmowe, telefony awaryjne przy drogach szybkiego

ruchu i świetlne sygnalizatory drogowe. Zestawy ogniw znakomicie sprawdzają się jako

źródło awaryjnego zasilania dla układów sterujących np. w transporcie kolejowym. Większe

moduły mogą dostarczać prąd do statków kosmicznych, satelitów, przekaźnikowych stacji

radiowo-telewizyjnych bądź przekaźników telefonii komórkowej.

Układy fotowoltaiczne wykorzystywane są również w trudnych warunkach transportu

wodnego. Wytwarzają energię elektryczną do zasilania znaków i świateł ostrzegawczych na

morzach oraz szlakach śródlądowych. Dużym zainteresowaniem ze strony użytkowników

jachtów cieszą się tzw. panele dywanowe, których moduły są na tyle elastyczne, że można

nimi obkleić kabinę łodzi. Ważną sprawą jest wysoka wytrzymałość mechaniczna tych

zestawów. Jak zapewnia dystrybutor można bez obaw po nich chodzić, są one też odporne na

słoną wodę morską i zarysowania. W ofercie „paneli elastycznych” znajdziemy zarówno

moduły z krzemu krystalicznego jak też cienkowarstwowe z krzemu amorficznego.

Ogniwa fotowoltaiczne znajdują swoje zastosowanie w rolnictwie np. do zasilania różnego

rodzaju suszarni, wentylacji pomieszczeń, napędzania pomp nawadniających pola uprawne

lub napowietrzania stawów rybnych.

Układy autonomiczne nie są wymagane w zastosowaniach, gdzie zapotrzebowanie na energię

danego odbiornika pokrywa się z czasem, w którym akurat promienie słoneczne docierają do

ogniw. Jako interesujący i zarazem bardzo prosty przykład tego typu rozwiązania można

przytoczyć dostępny u jednego z krajowych sprzedawców zestaw do osuszania

zawilgoconych i zimnych pomieszczeń. Urządzenie składa się z modułu fotowoltaicznego

oraz niewielkiej mocy wentylatora. Im dzień jest bardziej słoneczny tym cieplejsze powietrze

zasysane jest z zewnątrz do wnętrza budynku. W tym też czasie więcej energii elektrycznej

dostarczane jest do wentylatora, co znów powoduje większe obroty jego wirnika. Przepływ

powietrza dodatkowo reguluje się przymykając lub odkrywając wlot powietrza. Urządzenie

znajduje zastosowanie w zawilgoconych suterenach, piwnicach, pomieszczeniach

gospodarczych, domkach letniskowych, altanach działkowych lub przyczepach

campingowych. Cyrkulujące powietrze w rzadko używanych pomieszczeniach likwiduje

przykry zapach stęchlizny i zapobiega powstawaniu zagrzybień.

Ogólnodostępne moduły na naszym rynku mają przeważnie powierzchnie robocze o

wielkości od 0,3 do 1 m 2 . Ich wydajność zależy od jakości i rodzaju użytych technologii do

produkcji. Moc jednostek określa się często w Watach mocy szczytowej (Wp), czyli

parametrach jakie osiągają przy promieniowaniu słonecznym AM1,5 o mocy 1 kW/m 2 i

temperaturze otoczenia 25°C. Moce szczytowe wspomnianych jednostek zaczynają się od 15

Wp, a większych sięgają ok. 120 Wp. Obecnie cena za 1 Wp dla klasycznych modułów

wynosi około 7 DM, a żywotność paneli zależy od rodzaju zastosowanej technologii

produkcyjnej. Wśród dostępnych na rynku najbardziej trwałe są ogniwa z krzemu

monokrystalicznego, których czas pracy wyliczony jest średnio na 25 lat. Najsłabiej wypadają

najtańsze z krzemu amorficznego. Ich trwałość z kolei określa się na 8 do 10 lat. Warto

pamiętać, że w praktyce rzeczywista wydajność urządzeń uzależniona jest w znacznym

stopniu od szerokości geograficznej w jakiej się znajdujemy i kąta padania promieni

słonecznych na panel.

Istnieją w sprzedaży zestawy solarne ze specjalnymi ruchomymi czaszami, które za

pośrednictwem niewielkich silniczków naprowadzających automatycznie kierują

powierzchnie modułów w optymalnym kierunku wobec słońca. Prostsze układy oparte są na

wyliczaniu trajektorii słońca na nieboskłonie, co jest kalkulowane na podstawie daty, godziny

i położenia geograficznego miejsca, w jakim się znajduje użytkownik. Zestawy bardziej

zaawansowane posiadają dodatkowe układy odpowiednio zamocowanych czujników i są

sterowane są za pośrednictwem specjalistycznych programów komputerowych. W momencie

zachmurzenia panele kierowane są w to miejsce nieba gdzie przenikliwość promieni

słonecznych jest najbardziej korzystna. Niektóre programy sterujące analizują również

opłacalność ekonomiczną przekierowywania modułu w danej chwili uwzględniając zużycie

energii przez silniki lub siłowniki naprowadzające. Zaawansowane systemy solarne z

ruchomymi czaszami mogą być wydajniejsze od stacjonarnych nawet o ok. 35% w skali roku.

Standardowy moduł fotowoltaiczny produkuje prąd stały o napięciu rzędu kilkunastu woltów.

W warunkach gdzie wymagany jest prąd zmienny o wyższym napięciu problem rozwiązuje

się najczęściej za pomocą przetwornicy napięcia (falownika). Takie możliwości pozwalają na

wykorzystanie paneli do zasilania standardowych urządzeń gospodarstwa domowego i czynią

je użytecznymi w wolnostojących domach lub schroniskach oddalonych od sieci

energetycznych. Praktycznym wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych może być łączenie

ich w tzw. systemy hybrydowe, gdzie energia produkowana jest w układzie sprzężonym z

innym generatorem, którym może być np. silnik spalinowy lub kocioł gazowy. To

rozwiązanie wymaga bardziej skomplikowanych urządzeń sterujących, ale w skali roku przy

uwzględnieniu okresu letniego i zimowego może być ekonomicznie uzasadnione. Systemy

fotowoltaiczne bywają również podłączane do istniejących sieci energetycznych. W okresie

nadmiaru produkcji energia elektryczna może być sprzedawana firmie energetycznej, a w

przypadku gdy moduły nie są w stanie sprostać lokalnemu zapotrzebowaniu na energię

wówczas niedobór można pobierać z sieci. Projektowanie bardziej złożonych układów

optymalizuje się przy użyciu specjalistycznych aplikacji komputerowych.

Systemy fotowoltaiczne sprzężone z siecią energetyczną można spotkać licznie w Niemczech,

a są one efektem głośnych projektów rządowych symulujących rozwój energetyki solarnej. W

większych miastach całe dachy i elewacje biurowców wykładane są modułami

fotowoltaicznymi, a specjalnie opracowane różnokolorowe panele zastępują tradycyjne

zewnętrzne materiały budowlane. Zestawy solarne na dużych obiektach posiadają moce

liczone nawet w MW. Rozwój fotowoltaiki w Niemczech to między innymi zasługa programu

pod hasłem „tysiąc dachów”, który został zrealizowany w latach 1991-96. Kolejny projekt

zapoczątkowany w 1998 r. nosi już nazwę „stu tysięcy dachów”. Ambitny plan zakłada, że w

obecnym dziesięcioleciu na stu tysiącach dachów w Niemczech będą pracować systemy

fotowoltaiczne, które dostarczą w sumie ok. 300 MW.

Podobną akcję, lecz na większą skalę uruchomili Amerykanie planujący do końca 2010 roku

pokryć u siebie panelami aż milion dachów. Zaawansowane rządowe projekty

upowszechniania fotowoltaiki realizowane są również w Japonii - kraju, w którym po raz

pierwszy rozpoczęto komercyjną produkcję cienkowarstwowych ogniw z krzemu

amorficznego. Konkretne działania promujące energetykę solarną podjęto też w Indiach oraz

kilku krajach Unii Europejskiej.

W laboratoriach czołowych koncernów trwają prace nad obniżeniem kosztów produkcji

ogniw fotowoltaicznych. Jeden z większych projektów o nazwie GENESIS koordynowany

przez japońską firmę Sanyo zakłada ustawianie na terenach pustynnych elektrowni solarnych

opartych na technologii ogniw cienkowarstwowych. Naukowcy przewidują, że produkcja

energii elektrycznej w ten sposób mogłaby w przyszłości nawet całkowicie zaspokoić

zapotrzebowanie energetyczne na świecie. Do realizacji śmiałego planu wymagany jest

„zaledwie” kilkuprocentowy skrawek wszystkich pustyni na naszym globie. Pozostaje

problem strat przesyłowych do odległych miejsc na ziemi, który być może zostanie w

przyszłości rozwiązany za pośrednictwem sieci zbudowanych z nadprzewodników. Na razie

pojawiają się pierwsze pilotażowe elektrownie słoneczne na skalę przemysłową. Jako

ciekawostkę techniczną warto przytoczyć zakład produkujący panele fotowoltaiczne we

Freiburgu na terenie Niemiec, który zasilany jest energią słoneczną. Układ solarny pracuje

tam w systemie hybrydowym i w bezsłoneczne dni jest wspomagany poprzez generator

napędzany olejem rzepakowym.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: