Ogniwa słoneczne
-sprawność ogniw

Zasada działania (1)

• Efekt fotowoltaiczny, który jest wykorzystywany w

ogniwach fotowoltaicznych, polega na

powstawaniu w nich siły elektromotorycznej w

wyniku oddziaływania na półprzewodnik

promieniowaniem słonecznym.

• Energia promieniowania słonecznego zostaje

przekształcona bezpośrednio w energię

elektryczną, bez jakichkolwiek reakcji

chemicznych. Ogniwo fotowoltaiczne składa się z

półprzewodnikowej płytki z wykonanym w niej

złączem p-n oraz z umieszczonymi na niej

kontaktami o bardzo małej

rezystancji.

Zasada działania (2)

• Gdy światło słoneczne

pada na półprzewodnik,

powstaje w nim para

nośników o przeciwnych

ładunkach: elektron i

dziura.

• Wskutek rozdzielenia

ładunków przez pole

elektryczne powstaje

napięcie elektryczne.

• Jeżeli do kontaktów

przyłączone zostanie

obciążenie, zacznie przez

nie płynąć prąd i wykonana

ono pracę.

Moc generowana przez ogniwo słoneczne w

zależności od punktu pracy

ISC – prąd zwarciowy,
VOC – napięcie ogniwa

nieobciążonego

IMPP – prąd w punkcie

mocy maksymalnej,

VMPP – napięcie w

punkcie mocy
maksymalnej,

PMPP –moc

maksymalna

Ogniwa słoneczne

• Stosuje się w nich koncentrację

promieniowania słonecznego przez
zastosowanie zwierciadeł
parabolicznych lub soczewek
Fresnela.

• Ogniwa fotoelektryczne zajmują

również wielką powierzchnię.
Elektrownia o mocy 1000MW
wymagałaby powierzchni 50 km2

Podział

1. Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu

monokrystalicznego.

2. Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu

polikrystalicznego.

3. Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne

ze związków półprzewodnikowych:
a) krzem amorficzny
a)    CdTe (tellurek kadmu)
b)    selenk indowo-miedziowy (CuInSe2)

Sprawność - historia

• Podstawowym parametrem fizycznym cechującym ogniwo

słoneczne jest jego sprawność. Sprawnością ogniwa

nazywamy stosunek uzyskiwanej z ogniwa energii

elektrycznej do energii promieniowania słonecznego

padającego na ogniwo.

• Pomiarów dokonuje się przy określonym rozkładzie

widmowym promieniowania słonecznego (AM 1,5),

natężeniu promieniowania 1000 W/m2 i w temperaturze

25oC.

• Około1960 roku ogniwa miały 19 mm średnicy, a ich

sprawność wynosiła 6 do 7%.

• W pięć lat później sprawność wzrosła do 9%, średnica do

30 mm, średnia moc do 2,5W.

• Trzecia generacja ogniw pojawiła się w latach 70-tych.

Średnica wynosiła 57 mm, sprawność zaś 12,5%.

• Dziś sprawność ogniw słonecznych osiąga już ok. 25%.

Zastosowanie

• O zastosowaniu ogniw słonecznych do produkcji

energii elektrycznej decyduje cena ogniwa

słonecznego w przeliczeniu na 1W uzyskanej mocy

elektrycznej.

• Według badań amerykańskich energia fotoelektryczna

jest jeszcze 10 - krotnie droższa niż energia jądrowa

• Jednakże, jeżeli najbliższa sieć elektryczna jest dalej

niż 10 km od odbiorcy, a zapotrzebowanie na energię

jest małe (np. pojedynczy dom), to może być bardziej

opłacalne zainstalowanie ogniw fotoelektrycznych.

• Ogniwa z krzemu monokrystalicznego mogą

funkcjonować do 25 lat. Trwałość ogniw

z krzemu amorficznego określa się na

kilkanaście lat

Monokrystaliczne

• Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są

z płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane

na kwadraty dla zwiększenia upakowania na

powierzchni modułu. Typowy wymiary to ok. 10 x 10

cm i grubość 200-400 µm, nominalne napięcie ok. 0,5

V.

• Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych,

można otrzymać tzw. baterie słoneczne.

• Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują

najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw

krzemowych, ale również są najdroższe w produkcji.

• Ogniwa produkowane na skalę masową mają

sprawności do 17%

• Ogniwa do zastosowań kosmicznych osiągają

sprawność do 23% (ogniwa z arsenku galu)

Polikrystaliczne

• Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonane

są z dużych prostopadłościennych bloków

krzemu, wytwarzanych w specjalnych

piecach, które powoli oziębiają roztopiony

krzem, aby zainicjować wzrost polikryształu

o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na

prostokątne płytki, w których również

formowana jest bariera potencjału.

• Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej

wydajne (10-14 %) niż monokrystaliczne,

ale ich koszt produkcji jest też niższy.

Cienkowarstwowe z krzemu

amorficznego

• Obecnie, najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe

wykonane są z krzemu amorficznego i jego stopów (SiGe, SiC).

Technologia pojedynczych, podwójnych i potrójnych ogniw jest

dobrze rozwinięta i skomercjalizowana.

• Sprawność przetwarzania ogniwa fotowoltaicznego z krzemu

amorficznego skali laboratoryjnej wynosi  14%

• Typowa sprawność modułu fotowoltaicznego to ok. 8-10 %

• Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są:

- mały koszt materiału,
- niewielkie zużycie energii przy produkcji modułu (głównie dzięki

niskiej temperaturze procesu),
- możliwość osadzania na giętkich podłożach,
- zintegrowane połączenia ogniw i możliwość uzyskania dużych

powierzchni.

• Ogniwa i moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i

rozmiarach oraz projektowane w sposób umożliwiający integrację z

fasadami i dachami budynków lub w postaci dachówek. Mogą być

projektowane jako nieprzezroczyste lub półprzezroczyste.

kolektory termiczne

• Szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem jest połączenie

kolektorów termicznych z fotowoltaicznymi w jeden system,

ponieważ większość budynków potrzebuje zarówno ciepła,

jak i energii elektrycznej. W tym przypadku powierzchnia

pochłaniająca kolektorów cieplnych jest uformowana

częściowo z ogniw słonecznych, które przetwarzają część

promieniowania w energię elektryczną,

• Około 50% promieniowania przekształcane jest w ciepło

użytkowe. Chociaż w rezultacie tego połączenia sprawność

kolektorów fotowoltaicznych ulega częściowemu

zmniejszeniu, to jednak w sumie instalacje takie pozwalają

łącznie spożytkować do 60% promieniowania słonecznego

oraz są bardziej efektywne gdyż wykorzystywana jest

wspólna powierzchnia dla kolektorów cieplnych i

fotowoltaicznych

Budowa systemu fotowoltaicznego

(1)

• System fotowoltaiczny składa się z

modułów, paneli lub kolektorów

fotowoltaicznych, oraz elementów

dostosowujących wytwarzany w ogniwach

prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń.

Gdy system jest przewidziany do

dostarczania energii elektrycznej w nocy,

konieczne jest stosowanie odpowiedniego

systemu magazynowania energii

(akumulator) wyprodukowanej w ciągu dnia.

Jeżeli system zasila urządzenie

stałoprądowe potrzebny jest kontroler

napięcia.

Budowa systemu fotowoltaicznego

(2)

• Do zasilania z systemu fotowoltaicznego

urządzeń zmiennoprądowych konieczne jest

użycie falownika. Sprawność przetwornicy

częstotliwości przy pełnym obciążeniu wynosi

do 96%, a przy obciążeniu 10% najwyżej 85-

95%.

• Potrzebna jest także odpowiednia konstrukcja

kierująca moduły lub panele w kierunku Słońca

oraz zabezpieczająca przed kradzieżą. Instalacja

fotowoltaiczna z obrotowymi panelami jest

wydajniejsza nawet o 35% w porównaniu do

instalacji z panelami stacjonarnymi.

Informacje dodatkowe

• Dostępne obecnie na rynku są jedynie moduły wytwarzane z

krzemu krystalicznego, krzemu amorficznego i CdTe. Moduły

fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180

monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych.

Moc wyjściowa waha się od 30 Wp do 120 Wp. Sprawności

modułów komercyjnych zwiększają się z roku na rok wraz z

poprawą technologii. Większość nich ma czas życia co najmniej

20 lat.

• Czas zwrotu kosztów energii dla modułów z krzemu

krystalicznego waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i

klimatu.

• Większość dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu

amorficznego ma sprawności pomiędzy 4 % i 8 %. Zwrot

kosztów energii szacowany jest na 1 do 3 lat.

• Najlepsze moduły konstruowane są do zastosowań

kosmicznych mają sprawności powyżej 20% i zawierają ogniwa

słoneczne z arsenku galu o sprawności dochodzącej do 30%.

Informacje dodatkowe

Instalacja autonomiczna
przeznaczona do urządzeń
pracujących okresowo

Instalacja hybrydowa z
agregatem prądotwórczym
uruchamiającym się w
przypadku braku promieniowania

Instalacja autonomiczna dla
odbiorców pozbawionych sieci
elektroenergetycznej

Instalacja przyłączona do
sieci elektroenergetycznej

Science fiction

• Planuje się budowę słonecznych elektrowni

kosmicznych na satelitach geostacjonarnych

wykorzystując fakt, ze promieniowanie

słoneczne na orbicie takiego satelity pozwala

na uzyskanie co najmniej 10 razy więcej

energii niż na Ziemię. Energia ta w postaci fal

ultrakrótkich byłaby przesyłana na Ziemię,

gdzie za pomocą falowników byłaby

zamieniana na prąd przemienny. Jest to

jednak technika XXI wieku – uruchomienie

takiej instalacji planuje się na ok. 2030 r.,

choć brzmi to jak science fiction.