"Energia Gigawat"
Niezawodne i coraz tańsze - Ogniwa fotowoltaiczne
Autor: Piotr Łepkowski
Data publikacji: 15.07.2003 23:01
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 CuInSe2 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 m2. 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/m2 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.