Ogniwo słoneczne, ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo – element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana (konwersja) energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego, czyli poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów o energii większej, niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

Fotoogniwa słoneczne są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 wolta. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych można otrzymać baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną liczbą ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw.

Magazyny energii

W przypadku instalacji fotowoltaicznych większość energii produkowanej jest w ciągu dnia. Zależy to również od tego czy panele zamontowane są w położeniu stałym czy na tzw. „trackerach” śledzących położenie słońce, które mogą zwiększyć ilość produkowanej energii o nawet 40% dzienie. W typowym gospodarstwie domowym większość energii elektrycznej zużywana jest wieczorami lub wczesnym rankiem, kiedy produkcja jest znikoma. Technologie magazynowania energii uznawane są za wyjątkowo drogie i nieopłacalne. Budowa magazynów energii zwiększyłaby stabilność dostaw energii wyprodukowanej z pv a co za tym idzie zwiększyła popularność systemów energetyki odnawialnej i ograniczyła konieczność budowy nowych elektrowni konwencjonalnych. Istnieje wiele sposobów przechowywania energii jak np. spiętrzanie wody za pomocą tamy na ciekach wodnych, czy sprężanie powietrza. Jednak najszerzej rozpowszechnioną metodą, głównie ze względu na przystępną cenę, która gwarantuje zadowalającą efektywność są baterie litowo-jonowe.

Zasada działania

Magazyny energii posiadają relatywnie prostą zasadę działania. Akumulatory traktowane sa jak pojemniki z substancjami chemicznymi, które pobierają energię elektryczną i gromadzą ją w postaci energii chemicznej, aby docelowo ponownie ją przekształcić i oddać w formie energii elektrycznej. Zatem podstawą magazynowania w akumulatorze litowo-jonowym jest ruch jonów litu pomiędzy anodą i katodą w przewodzącym elektrolicie. Podsumowując baterie te funkcjonują dzięki szeregowi przemian chemicznych.

W przypadku instalacji fotowoltaicznych zastosowanie i działanie magazynów energii przebiega według następującej zasady: prąd elektryczny powstały w wyniku działania instalacji fotowoltaicznej używany jest do zasilenia urządzeń domowych. W sytuacji w której występuje nadwyżka produkcji prądu, przekazywany jest on do akumulatorów zlokalizowanych w piwnicy budynku. Tak „przechowany” prąd możliwy jest do wykorzystania w momencie nadwyżki konsumpcji energii nad jej produkcją.

Akumulatory litowo-jonowe

Najważniejszymi parametrami akumulatorów Li-lon jest średnie napięcie pojedynczego ogniwa wynoszące 3,6 V, współczynnik ilości energii na kilogram równy 150 Wh oraz tzw. samorozładowanie, które w tym przypadku wynosi od 3% do 5%. Technologia akumulatorów litowo-jonowych wyróżnia się możliwością największej koncentracji energii. Magazyny Li-lon potrafią skumulować dwukrotnie więcej energii niż akumulatory NiMH tych samych gabarytów. Posiadają one jednak pewną wadę: są wrażliwe na przeładowanie i pełne rozładowanie. Aby jak najbardziej zminimalizować niedogodności związane z tym faktem wymagane są specjalne techniki ładowania. Według Battery University zyski wynikające z odpowiednich cykli ładowania przedstawiają się następująco:

• głębokość rozładowania: 100% = 300-500 cykli ładowania

• głębokość rozładowania: 50% = 1200-1500 cykli ładowania

• głębokość rozładowania: 25% = 2000-2500 cykli ładowania

• głębokość rozładowania: 10% = 3750-4700 cykli ładowania

Magazyny energii Tesli

Elon Musk (CEO Tesla Motors) zaprezentował niedawno nową linię domowych magazynów energii. Przedstawione zostały dwa modele baterii litowo-jonowych Powerwall i Powerpack. Podczas gdy magazyny Powerpack przeznaczone są głównie dla zakładów przemysłowych, Powerwall jest rozwiązaniem, które każdy posiadacz instalacji fotowoltaicznej może mieć w swoim domu. Naścienne magazyny dostępne są w dwóch wersjach – 7 kWh w cenie 3 tys. dol/ 429 USD/kWh lub 10 kWh w cenie 3,5 tys dol czyli 350 USD/kWh.

Co dalej?

Wszystkie z istniejących technologii magazynowania energii posiadają swoje wady i zalety. Akumulatory litowo-jonowe nie są przystosowane do zbyt głębokiego rozładowania, które znacznie ogranicza ich trwałość. Są one jednak rozwiązaniem korzystnym w przypadku instalacji fotowoltaicznych, która wymaga od przyłączonych do niej magazynów częstego ładowania i rozładowania. Dostępne obecnie na rynku baterie pozwalają na pokrycie zapotrzebowania statystycznej czteroosobowej rodziny na około 3-4 godziny. Być może wynik ten nie jest wynikiem imponującym, jednakże użytkownicy takich instalacji zza zachodniej granicy zdają się być usatysfakcjonowani pojemnością baterii.