1.Co to są fotoogniwa?

Codziennie na powierzchnie ziemi docierają olbrzymie ilości energii, której do niedawna nie potrafiliśmy w umiejętny sposób wykorzystać. Nowe możliwości w zakresie pozyskiwania energii elektrycznej ze słońca otworzyła dziedzina fizyki zwana fotowoltaiką. Wieloletnie badania w tej dziedzinie przyczyniły się do stworzenia urządzeń przetwarzających energię słoneczną w energię elektryczną. Urządzenia te nazywamy fotoogniwami bądź modułami fotowoltaicznymi. Dotychczas, fotoogniwa znajdowały zastosowanie w satelitach kosmicznych, lecz prace naukowców pozwoliły nam wprowadzić baterie słoneczne do życia codziennego jako odnawialne źródło energii. Swoje zastosowanie znajdują dzisiaj głównie w budownictwie, jako źródło zasilania na jachtach, sygnalizacji świetlnych czy znaków. Fotoogniwa, a właściwie ich zestawy (moduły) montuje się na dachach lub wbudowuje w fasady. Niezależnie od korzyści energetycznych czy ekologicznych, otrzymuje się ciekawe efekty architektoniczne (np. budynek Banku Przemysłowo - Handlowego znajdującego się koło Ronda Kotlarskiego w Krakowie).Jednak głównym profitem płynącym z zastosowań systemów fotowoltaicznych są wymierne korzyści ekonomiczne.

2.Jak działają fotoogniwa?

Budowa fotoogniw jest bardzo prosta. Opiera się bowiem na płytkach zwanych ogniwami wytworzonych z krzemu z domieszką bromu. Ogniwa o wymiarach ok.15x15 cm łączy się ze sobą, a następnie zamyka w aluminiowej ramie pokrywając od przodu hartowanym szkłem. Tak wyprodukowany moduł fotowoltaiczny, zamontowany odpowiednio na dachu lub fasadzie budynku potrafi produkować energię elektryczną przez długie lata. W modułach nie występują żadne ruchome elementy, żadne materiały eksploatacyjne nie są pochłaniane, jak również żadne zanieczyszczenia nie są emitowane. Moduły nie wymagają żadnej konserwacji, a przy tym są idealnie ciche. Żywotność fotoogniw projektowana jest przez producentów na nie mniej niż 30lat natomiast gwarancja producenta na moc wyjściową uzyskiwaną z fotoogniw to często 25lat!

Sam proces wytwarzania energii elektrycznej z takiego modułu fotowoltaicznego również nie jest skomplikowany. Światło, które dociera do ziemi składa się z cząstek nazywanych fotonami. W momencie, gdy światło trafia na powierzchnię baterii słonecznej fotony wnikają w strukturę krystaliczną krzemu. Atomy krzemu natomiast rozbijają padające na nie promienie słoneczne na ładunki elektryczne, które z kolei zaczynają tworzyć zamknięty obieg w baterii słonecznej. Uzyskany w ten sposób prąd wyprowadza się z Modułu dwoma kablami (jeden to + ,drugi -). Moduły można łączyć ze sobą w różnych ilościach uzyskując w ten sposób systemy fotowoltaiczne o różnej mocy produkcyjnej.

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki z półprzewodnika posiadającej złącze P (positive) - N (negative). W strukturze takiej występuje pole elektryczne (bariera potencjału). W chwili, gdy na ogniwo pada światło słoneczne, powstaje para nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, elektron - dziura, które zostają następnie rozdzielone przez pole elektryczne. Rozdzielone ładunki powodują, iż w ogniwie powstaje napięcie. Po dołączeniu obciążenia (urządzenia pobierającego energię) następuje przepływ prądu elektrycznego.

3.Objaśnienia do schematu budowy i działania ogniwa fotowoltaicznego:

1. elektrody metalowe,

2. półprzewodnik typu N,

3. 
   pole elektryczne (bariera potencjału),

4. półprzewodnik typu P,

Obecnie fotoogniwa najczęściej produkuje się z krzemu, który jest drugim (po tlenie) najpopularniejszym pierwiastkiem na kuli ziemskiej (występuje m.in. w piasku). Istnieje kilka typów fotoogniw z krzemu:

1. monokrystaliczne - tworzone są z jednorodnego kryształu krzemu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Podstawą do tworzenia ogniw są odpowiedniej wielkości bloki krzemu. Są one cięte na warstwy, których grubość wynosi około 0,3mm. Ogniwa monokrystaliczne osiągają najwyższy poziom sprawności (nawet powyżej 15%) oraz żywotności.

2. polikrystaliczne - moduły te są mniej wydajne od paneli monokrystalicznych. Ich proces produkcji jest mniej złożony a cena niższa. Z tego powody panele te są najszerzej rozpowszechnione, zarówno w zastosowaniach domowych jak i dużych elektrowniach słonecznych.

3. amorficzne (a-Si) - Mają całkiem inną strukturą krzemu. Technologia ta stwarza możliwość oszczędzenia na surowcu. Gruba na jedynie 2 mikrony warstwa krzemu osadzana jest na powierzchni innego materiału, takiego jak np. szkło. W tego typu panelach nie możemy wyróżnić pojedynczych ogniw. Moduły amorficzne najczęściej spotykamy w małych urządzeniach, takich jak kalkulatory czy zegarki, aczkolwiek wykorzystywane są również w dużych systemach do zasilania całych domów. Ich sprawność osiągnęła poziom 8,5%

ARSENEK GALU GaAs- najkorzystniejszy ze względu na dopasowanie czułości do widma promieniowania słonecznego. Mają zatem największe sprawności ale też najwyższy koszt. Stosowane są w przemyśle kosmicznym.

TELUREK KADMU CdTe - technologia bardzo prosta. Pracuje w złączu z siarczkiem kadmu CdS, jednak z racji znacznej szkodliwości (trujący) nie jest akceptowalny społecznie.

CHALKOPIRYTY - np.. DISELENEK MIEDZIOWO INDOWY - technologia dość droga, sprawności rzędu powyżej 11% w produkcji masowej, laboratoryjnie ok..18%.

POLIMERY - z naprzemiennymi wiązaniami chemicznymi pojedynczymi i podwójnymi mają strukturę podobną do półprzewodnika (polimery przewodzące). Są bardzo tanie w produkcji, elastyczne. Sprawności rzędu 3 - 5 %.

Rewolucja w energii słonecznej?

Amerykańska firma Konarka, współzałożona przez noblistę dr. Alana Heegera, wprowadziła na rynek produkt o nazwie Power Plastic. Są to ogniwa fotowoltaiczne w niezwykle lekkiej i elastycznej formie. Pozwalają one łapać światło zewnętrzne jak i wewnętrzne i od razu przekształcać je prąd stały.

To już nie jest drogie, ciężkie urządzenie, które zajmie nam sporą część dachu. Power Plastic jest cienki, lekki i elastyczny. Może mieć naprawdę niewielkie rozmiary i z powodzeniem użyjemy go nawet w drobnych urządzeniach przenośnych.

Power Plastic to cienka taśma składająca się z wielu warstw: fotoaktywny nadrukowany materiał, przeźroczysta warstwa elektrodowa, plastikowa podstawa z elektrodami oraz warstwa ochronna. Całość ma grubość 5 mm

Zalety

Spośród wielu zalet instalacji fotowoltaicznych wymienić należy jako te najistotniejsze następujące cechy:

• żadne paliwo nie jest potrzebne, a zatem wszelkie problemy związane transportem i magazynowaniem paliwa są wyeliminowane

• ich sprawność nie zmniejsza się wraz z upływem czasu

• żywotność wynosi 20-30 lat

• na skutek braku części ruchomych nie ulegają zużyciu, nie wymagają części zamiennych ani konserwacji

• energia elektryczna wytwarzana jest nawet w dni pochmurne poprzez wykorzystanie promieniowania rozproszonego

• instalacja nie wymaga żadnej obsługi ani konserwacji

• w czasie produkcji energii elektrycznej nie powstają żadne szkodliwe odpady zanieczyszczające środowisko

• brak kosztów eksploatacji.

4.Cykl technologiczny stosowany podczas produkcji fotoogniw:

1. Testowanie ogniw. Pomiary i sortowanie ogniw słonecznych według wydajności.

2. Czyszczenie płyt szklanych. Mycie i suszenie.

3. Cięcie folii i układanie na płytach szklanych.

4. Lutowanie ogniw. Całkowicie automatyczne lutowanie ogniw w pasma (strings).

5. Lutowanie poprzeczne. Kompletowanie modułów przez lutowanie pasm (strings).

6. Ręczne układanie. Równolegle z całkowicie zautomatyzowanym lutowaniem ogniw, prefabrykowane pasma (strings) mogą być układane na przygotowanych płytach szklanych, przy pomocy półautomatycznego urządzenia próżniowego.

7. Kontrola. Kontrola wizualna i pomiary charakterystyki prądu biernego. Nakładanie pozostałych folii, potrzebnych do laminowania.

8. Laminowanie. Laminowanie zestawu połączonych folii pod próżnią, w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Dzięki temu ogniwa słoneczne są hermetycznie zamknięte, na dziesiątki lat.

9. Montaż końcowy. Obróbka krawędzi, instalowanie skrzynek przyłączeniowych, ew. montaż uszczelek i ram.

10. Test wysokiego napięcia. Test niezawodności izolacji między obwodem prądowym ogniwa i uchwytem modułu.

11. Test mocy. W symulowanych warunkach oświetlenia słonecznego mierzona jest moc modułów. Moduł, który pozytywnie przeszedł ten test, otrzymuje numer seryjny. Wszystkie parametry są zapisywane i kojarzone z numerem seryjnym.

12. Kontrola jakości/odbiór końcowy. Kontrola wizualna gotowych modułów pod kątem jakości materiału i wykonania. Powtórna kontrola wszystkich wcześniejszych testów jakości.

5. Przykładowe rodzaje systemów fotowoltaicznych

Systemy fotowoltaiczne można podzielić na dwie główne grupy:

a)Systemy podłączone do sieci energetycznej;

b)Systemy autonomiczne (wyspowe) bez podłączenia z siecią energetyczną;

Każdy system fotowoltaiczny składa się z przynajmniej jednego lub kilku modułów fotowoltaicznych. Do modułów podłącza się w zależności od rodzaju systemu kilka dodatkowych urządzeń takich jak: przetwornik, regulator ładowania, akumulatory.

Sprawność Fotoogniw

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.

• 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 ponad 25%. 5.System podłączony do sieci energetycznej

Promienie słoneczne padając na moduł wywołują ruch elektronów w następstwie czego bateria słoneczna produkuje prąd elektryczny o stałej częstotliwości. Wyprodukowany w ten sposób prąd przekazywany jest do przetwornicy, która zmienia napięcie prądu stałego w prąd zmienny o napięciu 230V. Tak powstały prąd jest identyczny z prądem, jaki jest dostarczany przez energetykę. Wyprodukowany przez Nas prąd trafia w całości do sieci publicznej jeden z zamontowanych liczników wskazuje wartość całkowitej ilości prądu wytworzonego przez Nasz system fotowoltaiczny. Drugi licznik wskazuje ilość energii pobranej z sieci publicznej. Na podstawie obydwu wartości liczników, zakład energetyczny wystawia fakturę korygująca lub zwraca pobraną od Nas opłatę.

Główną zaletą tego systemu jest fakt, że sprzedaż prądu energetyce następuje każdego dnia, niezależnie czy w obiekcie jest duży pobór prądu czy też bliski zeru. Aby sprzedawać prąd energetyce w opisany powyżej sposób konieczne jest prowadzenie działalności gospodarczej.

6.System autonomiczny (wyspowy) bez podłączenia z siecią energetyczną

Promienie słoneczne padając na moduł wywołują ruch elektronów w następstwie czego bateria słoneczna produkuje prąd elektryczny o stałej częstotliwości. Wyprodukowany w ten sposób prąd przekazywany jest do akumulatora, którego ładowanie kontroluje regulator ładowania i zabezpiecza akumulator przed przeładowaniem. Podczas poboru energii, prąd przekazywany jest z akumulatorów do przetwornicy, która zmienia napięcie prądu stałego w prąd zmienny o napięciu 230V. Tak powstały prąd jest identyczny z prądem, jaki jest dostarczany przez energetykę. Wyprodukowany prąd zasila wszystkie urządzenia elektryczne w danym obiekcie.

Zaletą tego systemu jest to, że obiekt posiadający taki system jest samowystarczalny w prąd, a więc można pominąć prowadzenia przyłącza do sieci publicznej. Pamiętać jednak należy, że system powinien zaspokoić największe możliwe zużycie prądu w danym obiekcie, a projekt powinien być wyliczony dla okresu zimowego(jeśli w tym okresie będzie użytkowany). Realizacja takiego projektu niesie za sobą duże nakłady finansowe, ale pomimo tego jest opłacalna dla obiektów bardzo oddalonych od sieci publicznej.

7.System autonomiczny (wyspowy) z dołączoną turbiną wiatrową bez podłączenia z siecią energetyczną-system hybrydowy

Promienie słoneczne padając na moduł wywołują ruch elektronów w następstwie czego bateria słoneczna produkuje prąd elektryczny o stałej częstotliwości. Wyprodukowany w ten sposób prąd przekazywany jest do akumulatora, którego ładowanie kontroluje regulator ładowania i zabezpiecza akumulator przed przeładowaniem. System fotowoltaiczny jest wspierany turbiną wiatrową, która także produkuje prąd stały o niskim napięciu i przekazuje go do akumulatora. Turbina wiatrowa posiada wbudowany regulator ładowania, który także kontroluje prace akumulatora. Podczas poboru energii, prąd przekazywany jest z akumulatorów do przetwornicy, która zmienia napięcie prądu stałego w prąd zmienny o napięciu 230V. Tak powstały prąd jest identyczny z prądem, jaki jest dostarczany przez energetykę. Wyprodukowany prąd zasila wszystkie urządzenia elektryczne w danym obiekcie.

Zaletą tego systemu jest to, że obiekt posiadający taki system jest samowystarczalny w prąd, a więc można pominąć prowadzenia przyłącza do sieci publicznej. Dużą zaletą systemu hybrydowego jest to, że produkcja prądu następuje z dwóch niezależnych źródeł. W krótkie i pochmurne dni niedobór prądu z fotoogniw może być rekompensowany większą produkcją prądu z turbiny związaną z silniejszym wiatrem. Realizacja takiego projektu niesie za sobą duże nakłady finansowe, ale pomimo tego jest opłacalna dla obiektów bardzo oddalonych od sieci publicznej.

8.System wyspowy z podłączeniem do publicznej sieci energetycznej.

Najbardziej optymalnym zestawem jest zbudowanie systemu polegającego na połączeniu opisanych powyżej systemów. Taki system posiadający własny bank akumulatorów i jednocześnie podłączenie z siecią publiczną jest w stanie magazynować lub na bieżąco wykorzystywać energię elektryczną. W przypadku niewielkiego poboru prądu, urządzenia w danym obiekcie są zasilane bezpośrednio z fotoogniw, a nadmiar produkowanej energii jest magazynowany w akumulatorach. W przypadku, gdy pobór prądu znacznie wzrasta, energia elektryczna pobierana jest z fotoogniw i (lub w przypadku nocy - tylko) z zapasów w akumulatorach. Jeśli pobór prądu jest na tyle duży, że akumulatory zostaną rozładowane, wówczas włączane jest zasilanie z sieci publicznej. Takie możliwości uzyskać można dzięki zastosowaniu przetwornicy dwukierunkowej typu Sunny Island. Urządzenie posiada szereg funkcji programowalnych na etapie instalacji, co pozwala na dostosowanie trybu pracy do indywidualnych potrzeb użytkownika. Opisany system może działać również jako awaryjny system zasilania. Do przedstawionego poniżej zestawu(schemat nr4) istnieje możliwość podłączenia turbiny wiatrowej lub innego generatora prądotwórczego. Zastosowanie opisanego systemu niewymaga zgody zakładu energetycznego. Jeżeli jednak klient chciałby nadprodukcje prądu sprzedawać energetyce, konieczne jest wówczas posiadanie własnej działalności gospodarczej oraz zgoda zakładu energetycznego na sprzedaż prądu.

Opisane powyżej schematy to niejedne możliwe rozwiązania. Istnieje także możliwość podłączenia turbiny wiatrowej w schemacie pierwszym lub też użycie samych turbin wiatrowych bez instalacji fotoogniw. Trzeba jednak pamiętać, że nie zawsze tam gdzie jest słońce wieje także wiatr bądź na odwrót, dlatego odpowiedni dobór systemu jest głównym warunkiem powodzenia inwestycji.

9.Możliwości instalacji fotoogniw

Możliwości wykorzystania fotoogniw są bardzo duże, nieograniczaną się one bowiem do zastosowań na dachach czy fasadach budynków. Coraz częściej możemy je spotkać jako źródło zasilania sygnalizacji świetlnych czy znaków przy polskich drogach. Popularność zdobywają małe zestawy słoneczne zasilające altanki ogrodowe. Są bardzo uniwersalnym rozwiązaniem, gdy występuje problem z doprowadzeniem prądu do odległego miejsca ogrodu/posiadłości. Dla osób szczególnie dbających o swoją prywatność-montujących monitoring, ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie fotoogniw jako źródła zasilania kamer wraz z radiowym przekaźnikiem obrazu zakładanych w odległej części posesji. Firmy z branży IT powinno zainteresować wykorzystanie baterii słonecznych jako awaryjne źródło zasilania serwerów/komputerów. Swoje zastosowanie fotoogniwa znalazły także na jachtach i wozach kempingowych gdzie służą jako pełne źródło energetyczne.

10.Czy warto inwestować w instalacje fotowoltaiczne?

Odpowiedzią niech będzie fakt, że międzynarodowe kolosy energetyczne z branży paliw płynnych coraz bardziej angażują się w inwestycje fotowoltaiczne. Najlepszym dowodem opłacalności ekonomicznej tego typu przedsięwzięć jest chociażby firma Shell - Solar, która wspólnie z firmą GEOSOL wybudowali jedną z największych elektrowni solarnych w Niemczech koło Lipska o mocy 5 MW. Z kolei BP wyposaża swoje stacje paliwowe w dachy solarne, średnio o mocy 15 kWh, co mogłoby zabezpieczyć prąd elektryczny dla 2 - 3 domków jednorodzinnych.

Instalacje systemu fotowoltaicznego można traktować jako pewnego rodzaju inwestycje. Dla przeciętnego gospodarstwa domowego zamontowanie kilku fotoogniw może dać relatywnie duży spadek kosztów związanych z opłatami za energię elektryczną(szczególnie latem). Dla firm, inwestycja ta może przynieść nie tylko obniżenie kosztów działalności, czy dodatkowe zabezpieczenie w energię w razie braku w dostawach prądu od energetyki. To również może być przykład zastosowania tzw. marketingu ekologicznego, który już znalazł zastosowanie na zachodzie-teraz większość z nich stara się o opinię firmy przyjaznej środowisku. Od niedawna w Polsce takim przykładem świeci Tesco w Zdzieszowicach na Opolszczyźnie, gdzie zużycie energii zmalało o 30%. Co więcej duża część inwestycji może zostać pokryte z dofinansowań z wojewódzkiego funduszu ochrony środowiska jako działania proekologiczne bądź ze środków unijnych(więcej o dofinansowaniach poniżej). Warto zaznaczyć, że inwestycje w systemy fotowoltaiczne charakteryzują się niskim stopniem ryzyka, co w połączeniu z długim okresem gwarancji na moc wyjściową modułów daje całkiem ciekawą propozycję inwestycyjną. Trudno bowiem spodziewać się, że w najbliższy latach słońce przestanie całkowicie świecić, a jak pokazują badania ostatnich lat, nad Polską słońca pojawia się z roku na rok coraz więcej. Powiedzieć należy również, że nasłonecznienie Naszego kraju nie odbiega znacząco od tego jaki mają kraje sąsiednie - chociażby Niemcy czy Czechy, gdzie zastosowane fotoogniw ma dość znaczący charakter. Oprócz korzyści ekonomicznych z zainstalowania fotoogniw dla środowiska płyną również korzyści ekologiczne, których chyba wyjaśniać nie trzeba. Montując system fotowoltaiczny nie tylko dbamy o środowisko, ale przede wszystkim dbamy o samych siebie i przyszłe pokolenia.

11.Dotacje

Bardzo ważną informacją dla wszystkich zainteresowanych założeniem instalacji fotowoltaicznych jest zobowiązanie Naszego kraju do osiągnięcia w 2010 roku 7,5% energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych o czym mówi Dyrektywa Unijna 2001/77/EC. Przy obecnie słabo wykorzystanych funduszach te kryteria nie zostaną spełnione, co pociągnie za sobą odpowiednie konsekwencje finansowe dla Naszego kraju. W związku z tym Państwo przygotowało szeroką gamę wsparcia finansowego dla klientów inwestujących w Odnawialnych Źródeł Energii (OZE). Należy pamiętać że dotacje unijne jak i państwowe przyznawane na powyższy cel mają charakter priorytetowy. O dotacje mogą ubiegać się osoby prywatne, firmy, rolnicy i jednostki terytorialne.

Lista dotacji jakie można uzyskać na zakup OZE znajduje się na stronie Krajowej Agencji Poszanowania Energii pod linkiem: www.ozee.kape.gov.pl

Pełne informacje na temat wniosków, rodzajów dofinansowań, preferencyjnych kredytów czy dopłat unijnych udzielić mogą tak zwane Regionalne Agencje Poszanowania Energii bądź Wojewódzkie Urzędy Marszałkowskie. Najprostszą metodą dla firm jest zgłoszenie się do Agencji Rozwoju Regionalnego bądź Punktu Wspierania Przedsiębiorczości (tu nazwy mogą różnić się w zależności od powiatu) i zaczerpnięcie pełnych informacji na temat dofinansowań z Regionalnego Programu Operacyjnego(RPO) na temat wykorzystania OZE w Państwa działalności. Warto zaznaczyć, że technologia związana z fotowoltaiką w Polsce stosowana jest od niedawna, przyjazna środowisku i w niektórych przypadkach niezbędna(awaryjne źródła zasilania). Często zastosowanie opisanych technologii może podnieść konkurencyjność firmy na rynku, a więc firma może liczyć na duże dofinansowania z RPO na sumę ok.60% inwestycji. Jeśli inwestycja dotyczy bardzo dużych instalacji gdzie kwoty wyrażają się w mln.zł to oferta dotacji z UE jest jeszcze większa. O terminy składania i pomoc w przygotowaniu wniosków należy dowiadywać się w w/w urzędach pod hasłem Regionalne Programy Operacyjne. Wielkość dotacji oraz terminy składania wniosków zależą od regionu i wartości inwestycji. Nawet małe inwestycje mogą podlegać dotacją! Również na wsparcie można liczyć ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Wojewódzkich Funduszy Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, Banku Ochrony Środowiska S.A. bądź z EkoFunduszu.

9

---