Fotoogniwa
Wstęp
Słońce jest podstawowym źródłem energii dla naszej planety. Przed milionami lat energia słońca docierając do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Dzisiaj te paliwa są określane jako konwencjonalne. Również słońcu zawdzięczamy energię jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie. Rozkład promieniowania słonecznego, wykorzystywanego przez kolektory słoneczne jest zmienny dla różnych obszarów świata, ale w Europie wielkość promieniowania słonecznego dla Paryża, Berlina i Warszawy jest prawie taka sama, podobnie jak liczba godzin nasłonecznienia. Polska pod względem nasłonecznienia nie ustępuje takim krajom jak Niemcy czy Francja. Często wielkość napromieniowania słonecznego mylona jest z rozkładem temperatur. Dane statystyczne dla temperatury powietrza mogą nam dostarczyć jedynie informacji ogólnych wskazujących na dobór urządzeń grzewczych dla centralnego ogrzewania (pod tym względem najkorzystniejsza jest część Polski Północnej, najmniej korzystna natomiast jest część południowa). Nie można jednak mylić wielkości temperatury (nawet w zimie) z wielkością irradacji słonecznej. Moc energii emitowanej przez słońce szacowana jest na 1023 kW. Do powierzchni naszej planety dociera z tego tylko znikoma część, która jest jednak wiele tysięcy razy większa od ogólnej ilość energii wytwarzanej na ziemi. Zainteresowanie energią słoneczną ciągle rośnie, a specjaliści upatrują w niej ogromne energetyczne perspektywy. Istnieje wiele sposobów wykorzystania energii słonecznej docierającej do powierzchni ziemi. W praktyce stosuje się trzy podstawowe sposoby konwersji energii słonecznej:
- Energia cieplna - konwersja fototermiczna Najbardziej wydajną i najbardziej dostępną jest konwersja fototermiczna, kiedy promieniowanie słoneczne przy użyciu kolektora słonecznego zamieniamy na ciepło. Sprawność zamiany energetycznej może sięgać do 90%.
- Energia związana z procesami chemicznymi - konwersja fotochemiczna Konwersja fotochemiczna ma zastosowanie głównie w rolnictwie (fotosynteza). Jednak na złożony charakter tego procesu oraz stosunkowo wysokie koszty ”produkcyjne”.
- Energia elektryczna - konwersja fotowoltaiczna Istnieją sposoby wykorzystania energii elektrycznej wytworzonej przy pomocy promieniowania słonecznego. Przy użyciu fotoogniw (ogniw fotowoltaicznych) -możemy bezpośrednio otrzymać prąd stały, który może być również zamieniany na zmienny.
Fotoogniwa
Fotoogniwo jest elementem półprzewodnikowym, którego działanie polega na wykorzystaniu efektu fotowoltaicznego, podczas którego zachodzi zamiana energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Zjawisko fotowoltaiczne występuje wówczas, gdy w wyniku tylko oświetlenia ( bez napięcia zewnętrznego ), pojawia się samoistnie napięcie w obwodzie. Zasadniczo do celów praktycznych wykorzystuje się zjawisko fotowoltaiczne zachodzące na złączach półprzewodnikowych. Typowe fotoogniwo ma kształt prostokątny o wymiarach kilku centymetrów. Taki właśnie kształt pozwala na maksymalne wykorzystanie powierzchni skierowanej ku Słońcu. Pojedyncze fotoogniwa nie mogą mieć dużych rozmiarów ze względu na krzem, który jest kruchy i łatwo pęka. Naprężenia wewnętrzne uniemożliwiają produkcję jednego ogniwa słonecznego, które wytwarzałoby prąd o odpowiednim napięciu. Z tego powodu tworzy się baterię fotoogniw, każde o małych wymiarach, łączonych równolegle i szeregowo - po to, by uzyskać wymagane parametry napięciowo-prądowe.Grubość fotoogniwa jest znikoma w porównaniu z jego długością i szerokością. Proces wytwarzania prądu elektrycznego zależy przede wszystkim od powierzchni fotoogniwa, dlatego - gdy jest ono cieńsze, to mniej kosztuje. Oczywiście kompromis techniczno-technologiczny określa za każdym razem możliwość wykonania minimalnie cienkiego ogniwa. Fotoogniwo składa się z cienkiej powierzchni krzemu typu n. Powierzchnia ta ma zaledwie kilka mikrometrów grubości. Grubsza jest powierzchnia krzemu typu p. Górna część fotoogniwa jest oprawiona w metalową ramkę, tworzącą styk elektryczny (ujemny), umożliwiający przepływ prądu. Wymagania stawiane tej ujemnej elektrodzie dotyczą przede wszystkim minimalizacji jej powierzchni, aby nie przesłaniała zbytnio promieniowania świetlnego. Elektroda ta jest zwykle w postaci siatki o pokryciu powierzchni około 5¸10%. Oprócz tego na górnej (oświetlonej) powierzchni ogniwa zazwyczaj występuje przeźroczysta i dobrze przewodząca warstwa przeciwodblaskowa (ARC - Anti Reflection Coating), zmniejszająca odbicie od powierzchni ogniwa. Dolna część fotoogniwa jest pokryta dobrze dopasowanym metalowym stykiem prądowym, stanowiącym elektrodę dodatnią. Górna powierzchnia fotoogniwa musi mieć ukierunkowaną jednorodną strukturę, a więc powinna być chemicznie wytrawiona, bez mikroskopijnych nierówności powodujących niepotrzebne kierunkowe odbicie światła, czyli zmniejszenie efektywności fotoogniwa.
Półprzewodnik typu n przykrywa się specjalnym szkłem lub tworzywem sztucznym, ponieważ nie może on być narażony na korozyjne działanie atmosfery ziemskiej. Osłona chroni też fotoogniwo przed uszkodzeniami mechanicznymi. Obecność osłony pogarsza sprawność fotoogniwa, ale jest konieczna. Ze względu na pogorszenie sprawności wymaga się, aby zastosowana osłona pochłaniała jak najmniejszą ilość promieniowania.
Promieniowanie w przedziale widzialnym i podczerwieni wywołuje powstanie w fotoogniwie efektu strumienia elektronów. Energia tego promieniowania dochodzi do złącza i dolnej części ogniwa przez cienką warstwę górną. Zachodzi wówczas zjawisko (spowodowane przez promieniowanie energetyczne w zakresie większych długości fali) polegające na przesunięciu elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa.
W ten sposób działa mechanizm wytwarzania ładunku dodatniego oraz ujemnego zwanego parą dziura-elektron, pojawiającego się w obszarze złącza. W rezultacie powstaje wewnętrzne, lokalne pole elektryczne. Pole to spolaryzowane jest w taki sposób, że następuje przesunięcie ruchomych elektronów do warstwy typu n oraz wyżej do elektrody ujemnej, a także przesunięcie dziur do struktury typu p. Opisane tu zjawisko może zajść wyłącznie wtedy, gdy energia fotonu jest większa od energii niezbędnej na pokonanie pasma zabronionego. Podczas zamiany energii promieniowania na energię elektryczną, fotoogniwo nagrzewa się i w efekcie występuje osłabienie wytwarzania ładunków elektrycznych.
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 (np. akumulatora) wyprodukowanej w ciągu dnia. Jeżeli system zasila urządzenie stałoprądowe potrzebny jest kontroler napięcia. Do zasilania z systemu fotowoltaicznego urządzeń zmiennoprądowych konieczne jest użycie falownika. Potrzebna jest także odpowiednia konstrukcja kierująca moduły lub panele w kierunku Słońca oraz zabezpieczająca przed kradzieżą.
Rodzaje Systemów Fotowoltaicznych
Systemy Wolnostające korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach fotowoltaicznych. System taki składa się z panelu fotowoltaicznego, akumulatora oraz urządzenia kontrolującego stopień naładowania akumulatora i odłączającego panel, gdy akumulator jest w pełni naładowany lub odłączającego urządzenie zasilane chroniąc akumulator przed jego zbytnim rozładowaniem. Akumulatory muszą mieć więc wystarczająco dużą pojemność, aby zapewnić dostarczanie energii w nocy oraz w okresach złej pogody.
Systemy Hybrydowe są kombinacją panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzającego energię takiego, jak np. generator spalinowy, gazowy lub wiatrowy. Dla zapewnienia efektywnego wykorzystania różnych sposobów wytwarzania energii systemy hybrydowe mają zazwyczaj bardziej skomplikowane układy kontrolne niż systemy wolnostojące. Dzięki wykorzystaniu dodatkowego źródła energii panel fotowoltaiczny w systemie hybrydowym może być mniejszy niż w analogicznych systemie wolnostojącym. Dlatego w niektórych przypadkach system hybrydowy może być tańszy.
Systemy Dołączone do Sieci Elektroenergetycznej mogą mieć postać elektrowni z dużą ilością paneli fotowoltaicznych oddających energię do sieci elektroenergetycznej. Innym wykorzystaniem takich systemów może być zasilanie budynków dołączonych do sieci, gdzie energię z sieci pobiera się tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyższa jej produkcję w ogniwach fotowoltaicznych. Systemy te dołączone są do sieci poprzez falownik. Akumulatory w tym typie systemu nie są potrzebne, ponieważ sieć jest w stanie przyjąć całą energię wyprodukowaną przez system fotowoltaiczny. Projektowanie systemów fotowoltaicznych jest zazwyczaj optymalizowane przy użyciu programów komputerowych (np. ASHLING 7.0), które dopasowują przewidywany profil obciążenia w ciągu roku i dnia, do przeciętnego słonecznego napromieniowania na danym obszarze. Takie programy potrzebne są aby zdeterminować optymalną wielkość zestawu modułów i akumulatora, dobrać kontroler i falownik. Wydajność systemu zależy od promieniowania słonecznego podającego na zestaw modułów PV. Na przykład, wysoce użyteczny system wiejski ze współczynnikiem sprawności 50% w południowej Europie, gdzie promieniowanie słoneczne wynosi 1600 kWh/m2/rok może dać 800 kWh/kWp/rok. Jednakże na północy Europy, gdzie promieniowanie słoneczne wynosi 1000 kWh/m2/rok, system ten mógłby dać jedynie 500 kWh/kWp/rok. Wydajność wolnostojących, małych, wiejskich systemów elektryfikacyjnych, zmienia się w szerokim zakresie w zależności od sposobu jego użytkowania przez odbiorców. Typowe, małe systemy wiejskie mają roczne współczynniki sprawności pomiędzy 30% a 60% (odpowiednik przeciętnych wydajności rzędu 300 - 1000 kWh/kWp na rok). Wolnostojące systemy profesjonalne mają zwykle niskie wydajności, ponieważ pracują prawie przy stałym obciążeniu przez cały rok i ich zestawy modułów muszą być wystarczająco duże aby zapewnić dostateczną ilość energii w zimie, co powoduje, że część energii elektrycznej produkowanej w lecie jest bezużyteczna. Typowe profesjonalne systemy w Europie mają roczne współczynniki sprawności pomiędzy 20% a 30% (odpowiednik przeciętnych wydajności rzędu 200 - 550 kWh/kWp/rok).
Hybrydowe systemy fotowoltaiczne mają zazwyczaj wyższe roczne współczynniki sprawności niż systemy wolnostojące, ponieważ zestaw modułów może być dopasowany tak, aby zapewnić obciążeniu dostateczną ilość energii w lecie i może być wsparty przez silnik spalinowy dla dostarczenia dodatkowej energii w zimie lub w czasie złej pogody. Typowe współczynniki sprawności systemów hybrydowych leżą, w zależności od strat pochodzących od kontrolera ładowania i akumulatora, w zakresie od 50% do 70% (odpowiednik przeciętnych wydajności w granicach 500 - 1250 kWh/kWp/rok). Generatory fotowoltaiczne podłączone do sieci mają największy potencjał uzyskiwania wysokich współczynników sprawności i wydajności, ponieważ cała energia którą wytwarzają może być zużyta albo na miejscu, albo przekazana sieci elektroenergetycznej. Dobrze kontrolowany system, który współpracuje z wysokiej sprawności falownikiem, może osiągnąć współczynniki sprawności wyższe niż 80% (równowartość wydajności powyżej 800 - 1400 kWh/kWp/rok).
Podstawowe elementy instalacji z fotoogniwami
Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny. Moc takich modułów (dostępne na rynku maja powierzchnię od 0,3 do 1 m2) wyrażana jest w watach mocy szczytowej (Wp - watt peak), zdefiniowanych jako moc dostarczana przez nie w warunkach standardowych (STC), tj. przy promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia 25°C i zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 120 Wp. W praktyce moduły rzadko pracują przy warunkach standardowych, więc użyteczne jest posiadanie charakterystyk prądowo-napięciowych (I - V) wydajności modułu w szerokim zakresie warunków pracy. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią, zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Obudowy muszą być trwałe, ponieważ dla modułów fotowoltaicznych oczekuje się czasów życia przynajmniej 20 - 30 lat. Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów o różnej wielkości pokrywający zapotrzebowanie na szybko rosnącą ilość zastosowań fotowoltaicznych. Wytwarza się specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków. Produkowane są również moduły szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich, gdzie muszą być szczególnie odporne na korozję od słonej wody. Ostatnim osiągnięciem w tej dziedzinie jest wytworzenie półprzezroczystego modułu, który może być używany jako okno w budynkach.
Moduły i panele fotowoltaiczne. Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Poziom prądu na wyjściu panelu zależy ściśle od nasłonecznienia, ale może być zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów. Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia. Panel fotowoltaiczny może być zaprojektowany do pracy przy praktycznie dowolnym napięciu, aż do kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów. Dla małych zastosowań panele fotowoltaiczne mogą pracować tylko przy napięciu 12 lub 14 woltów, podczas gdy dla zastosowań dołączonych do sieci, duże panele mogą pracować przy napięciu 240 woltów lub więcej. Panele zamontowane na konstrukcjach mocujących z dołączonym okablowaniem nazywane są kolektorem fotowoltaicznym (PV array). W mniejszych systemach kolektor fotowoltaiczny może zawierać pojedynczy panel. 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. Najbardziej zaawansowane komercyjne moduły z krzemu krystalicznego wykazują obecnie sprawności powyżej 16 %, podczas gdy przeciętne moduły zawierające krzem mono- lub polikrystaliczny moją sprawności około 11 % do 13 %. Większość nich ma czas życia co najmniej 20 lat. Czas zwrotu kosztów energii waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i klimatu. Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne są tańsze, przy produkcji masowej, niż moduły z krzemu krystalicznego, ale mają niższe wydajności. 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 sprawnościach dochodzących do 30%
Akumulatory. Najprostszym sposobem magazynowania energii produkowanej w małych systemach PV jest wykorzystanie elektrycznych akumulatorów, zwłaszcza, że ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały konieczny do ładowania akumulatora. Naładowany akumulator dostarcza energie elektryczną do obciążenia gdy nie ma promieniowania słonecznego lub jest ono niewystarczające. W porównaniu do zapotrzebowania na inne akumulatory, rynek akumulatorów dla systemów fotowoltaicznych jest bardzo mały. Dlatego też rozwojowi akumulatorów dla systemów fotowoltaicznych poświęcono znacznie mniej uwagi. Większość akumulatorów używanych w systemach fotowoltaicznych jest ołowiowo-kwasowa. W regionach o ostrym klimacie, tam gdzie konieczna jest duża niezawodność, stosuje się (szczególnie dla małych zastosowań) akumulatory niklowo-kadmowe. Od dobrej jakości akumulatorów tego typu oczekuje się 5 - 7 lat pracy, przy odpowiedniej obsłudze i użyciu odpowiedniego kontrolera ładowania. Dłuższy czas życia akumulatora może być osiągnięty pod warunkiem ograniczenia maksymalnej głębokości rozładowania. Z drugiej strony, przy złym obchodzeniu się z akumulatorami należy oczekiwać skrócenia ich czasu życia. ]
Kontrolery napięcia. Użyteczny czas życia akumulatora silnie zależy od sposobu kontroli jego ładowania i rozładowania, szczególnie w przypadku akumulatorów ołowiowo-kwasowych. Dobry kontroler ładowania akumulatora ograniczy głębokość i szybkość rozładowania, odpowiednio do temperatury akumulatora. Celem zminimalizowania parowania elektrolitu, ograniczy on również szybkość ładowania i poziom maksymalnego naładowania akumulatora. Granice napięcia ładowania i rozładowania powinny być tak ustalone, aby odpowiadały typowi akumulatora i jego temperaturze pracy. Te ustawienia mogą znacznie wpływać na maksymalny czas życia akumulatora. Wysoka temperatura akumulatora może znacznie skrócić jej czas życia, ponieważ przyśpiesza korozję i samorozładowanie Wysokie temperatury mogą również zwiększyć emisję gazów podczas ładowania, czego powinno się unikać poprzez np. wymuszenie wentylacji obudowy akumulatora. Przy mrozie, odporność rozładowanych akumulatorów ołowiowo-kwasowych jest obniżona. W związku z tym powinny być one dobrze naładowane, jeżeli mają pracować w niskich temperaturach. Moduły fotowoltaiczne używane do ładowania akumulatorów zazwyczaj pracują przy stałym napięciu, odpowiednim do temperatury powietrza. Niektóre kontrolery w systemach fotowoltaicznych używają systemu śledzenia punktu maksymalnej uzyskiwanej z ogniwa, który automatycznie pozwala modułowi lub kolektorowi PV pracować przy napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową. Korzyści płynące z użycia MPPT zależą od zastosowania i ich wykorzystanie powinno być rozważane z uwzględnieniem dodatkowych kosztów i ryzyka zmniejszenia niezawodności systemu. Dla wielu zastosowań, praca zestawu modułów przy ustalonym napięciu wyjściowym może być równie lub bardziej finansowo efektywna.
Falowniki. Głównymi funkcjami falownika są: zamiana napięcia stałego na zmienne, nadanie kształtu wyjściowej fali zmienno napięciowej Najważniejszymi cechami falownika w zastosowaniach fotowoltaicznych są jego niezawodność i charakterystyki sprawnościowe. Zaprojektowane są one do ciągłej pracy w pobliżu punktu maksymalnej mocy. Sprawność falownika jest zazwyczaj podawana dla jego zaprojektowanej mocy pracy, ale zwykle, przez większość czasu, falowniki w systemach fotowoltaicznych pracują przy niepełnym obciążeniu. Duże sprawności przy niepełnym obciążeniu są szczególnie ważne w podłączonych do sieci falownikach pracujących w klimacie środkowoeuropejskim, gdzie roczna średnia moc wyjściowa panelu fotowoltaicznego może być tak mała jak 10 % mocy szczytowej. Falowniki mają w ogólności sprawności przy pełnym obciążeniu od 90% do 96%, a dla 10% obciążenia - od 85% do 95%. Ponieważ straty na dopasowanie są tutaj zazwyczaj większe niż straty rezystancyjne, falowniki wykazują ciągły spadek sprawności wraz ze zmniejszaniem mocy wyjściowej i wejściowej
Zastosowania
Świat stoi wobec zagrażających zdrowiu i życiu poważnych problemów ekologicznych takich, jak efekt cieplarniany i kwaśne deszcze, które powodowane są przede wszystkim przez masowe spalanie paliw kopalnych: węgla i ropy naftowej. Kluczem do rozwiązania tych problemów jest rozwój technologii czystych źródeł energii. Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi szybko wzrasta na Świecie ze względu na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska.
Pierwszym poważnym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych było zasilanie satelitów w końcu lat pięćdziesiątych. Zapotrzebowanie na wysoce niezawodne i lekkie źródła energii dla zastosowań kosmicznych było siłą napędową rozwoju technologii fotowoltaicznej w jej początkowym okresie, a postęp techniczny w latach sześćdziesiątych pozwolił na wykorzystanie systemów fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych.
Pomimo postępu, systemy fotowoltaiczne były zbyt drogie, by mogły być powszechnie zastosowane. Jednakże, wzrost cen energii wywołany kryzysem naftowym w połowie lat siedemdziesiątych, spowodował zwiększenie ich opłacalności. Od tego czasu koszt systemów fotowoltaicznych systematycznie spada, a liczba zainstalowanych systemów stale rośnie. Całkowita światowa produkcja modułów fotowoltaicznych osiągnęła 152 MWp w 1998 roku, zwiększając się 25% w porównaniu z rokiem poprzednim. Średni roczny wzrost w ostatniej dekadzie również wynosi 25% i jest to obok energii wiatrowej najdynamiczniej rozwijająca się technologia odnawialnych źródeł energii. Na rok 1999 przewiduje się dalszy wzrost produkcji o 25 - 30% do 190 - 200 MWp. Głównymi dziedzinami zastosowań fotoogniw są:
układy energetyczne jako baterie słoneczne,
układy pomiarowe mocy promieniowania źródeł światła,
pomiary mocy (lub natężenia) promieniowania,
badania stałości i przebiegu zmian oświetlenia różnego rodzaju źródeł światła,
układy pomiarowe stężeń roztworów, zanieczyszczeń w gazach lub cieczach itp.,
układy pomiarowe dawki promieniowania jądrowego (poprzez pomiar świecenia pobudzonych (próbek) itp.
Fotoogniwa są wykorzystywane także do celów wojskowych i kosmicznych, między innymi w układach pomiarowych i zasilających. Prace naukowo - badawcze nad fotoogniwami na świecie są rozwijane i prowadzone bardzo intensywnie i dotyczą głównie optymalizacji ich parametrów, korekcji charakterystyk widmowych czułości, wykorzystania nowych materiałów półprzewodnikowych ze związków międzymetalicznych AIIIBV itp. (AIII oznacza materiały półprzewodnikowe z III grupy układu okresowego pierwiastków, natomiast BV - z V grupy tego układu).
Poniżej zostały scharakteryzowane główne zastosowania ogniw słonecznych:
Elektrownie wyposażone w baterie fotoogniw. Służą do masowej produkcji energii elektrycznej. Najczęściej są położone poza miastem, na terenach które nie są normalnie użytkowane (np. w strefie ochronnej lotniska, na pustyni). Instalacja fotowoltaiczna jest w tym przypadku umieszczona na powierzchni ziemi. Elektrownie słoneczne są na ogół instalacjami o dużej mocy - największa, położona we Włoszech ma moc nominalną 13 MW. Elektrownie słoneczne mogą być również usytuowane na płaskich dachach biurowców. Pierwszą osadą na świecie, całkowicie zaopatrywaną w energię elektryczną ze Słońca, jest Al-Ainach w Arabii Saudyjskiej. W 1980 roku powstała tam elektrownia o mocy 50 kW, której moc została powiększona do 350 kW. W sferze badań i doświadczeń naukowych jest problem wykorzystania energii Słońca do wytwarzania prądu elektrycznego dla Ziemi poprzez budowę słonecznych elektrowni w kosmosie. Przewiduje się, że już na początku XXI wieku można będzie umieścić na orbicie okołoziemskiej wielkie stacje słoneczne, które zamieniałyby promieniowanie słoneczne w energię elektryczną i przekazywałyby na Ziemię przy pomocy fal ultrakrótkich lub promieni laserowych. Oszacowano, że 60÷100 takich stacji pokryłoby prawie całe aktualne zapotrzebowanie ziemian na energię elektryczną.
Zasilanie domów mieszkalnych i biurowców Nie tylko w krajach południowych, ale także w Niemczech, Anglii, Danii, Holandii, w krajach Skandynawskich, a przede wszystkim w USA i Japonii coraz częściej spotyka się domki jednorodzinne z umieszczonymi na dachach modułami fotowoltaicznymi. Obecnie projektuje się całe kolonie takich domków. Są one połączone siecią elektryczną umożliwiającą sprzedawanie elektrowni nadmiarowo wyprodukowanej energii elektrycznej.
W Niemczech jest realizowany tzw. „program tysiąca dachów” pokrytych ogniwami słonecznymi. Popularyzacja fotowoltaiki jest prowadzona w szkołach począwszy od szkół podstawowych. W wielu z nich pracują moduły fotowoltaiczne, a dzieci, ich rodzice i nauczyciele mają możliwość obserwacji, jak wiele energii elektrycznej można uzyskać w dni słoneczne, a ile w dni pochmurne. Wyniki tego działania są już widoczne. W 1990 roku na terenie Niemiec działało 228 siłowni fotowoltaicznych , natomiast w 1997 roku - już blisko 7000! Te wiadomości winny być i u nas szeroko propagowane, aby także w Polsce na dachach pojawiały się moduły fotowoltaiczne. Jak zaobserwowano, szczególnie wysokie wykorzystanie fotoogniw jest w krajach rozwijających się, które stanowią wspaniały rynek ich rozwoju. W krajach tych w ponad 400 tys. domów zainstalowano systemy słoneczne. Systemy te mają bardzo prostą budowę, zawierają małe fotoogniwo o mocy od 25 do 55 watów, akumulator elektryczny, który wykorzystuje się w nocy, jedno lub więcej źródeł światła oraz połączenia z urządzeniami zewnętrznymi (odbiornikami).
Ostatnio bardzo popularne stało się montowanie modułów fotowoltaicznych na gmachach użyteczności publicznej. Oprócz walorów użytkowych stanowią one niewątpliwie elementy dekoracyjne, tym bardziej, że ogniwa nowej generacji są dostępne w różnych kolorach (nie tylko w tradycyjnym kolorze granatowym, ale także w niebieskim, zielonym, czerwonym i pomarańczowym).
Elektroniczny sprzęt powszechnego użytku zegarki, kalkulatory, ładowarki do baterii.
Zasilanie sygnalizacji drogowej sygnalizacji ostrzegawczej, oświetlania znaków drogowych, telefonów awaryjnych na autostradach.
Zasilanie systemów telekomunikacyjnych przenośnych lub stałych stacji nadawczo-odbiorczych, radiowo-telewizyjnych stacji przekaźnikowych, stacji przekaźnikowych telefonii komórkowej.
Zasilanie systemów ostrzegania lądowych i morskich radiolatarni, znaków nawigacyjnych na wodach morskich i śródlądowych, światła ostrzegawcze na szczytach gór, wysokich budynkach.
Transport kolejowy awaryjne zasilanie kolejowych systemów sterowania,
telefony awaryjne.
Rolnictwo i hodowla Systemy pompowe mogą być zasilane przez moduły fotowoltaiczne podłączone bezpośrednio do zasilanego urządzenia (pompy). Instalacje tego typu, stosuje się na ogół w przypadku gdy zasilane urządzenia mogą działać okresowo (nie muszą działać codziennie). Urządzenia podłączone do takiej instalacji załączają się samorzutnie w chwili, gdy słońce jest wystarczająco silne, by moduły fotowoltaiczne wyprodukowały odpowiednią ilość prądu do ich zasilenia. Jeśli promieniowanie słoneczne słabnie, urządzenia same się wyłączają. W przypadku systemów pompowych do podlewania pół lub napełniania poideł, taki cykliczny system jest korzystny, gdyż działa wtedy gdy woda najbardziej jest potrzebna - w dni słoneczne. W przypadku systemów pompowych, które mają dostarczać wodę niezależnie od pogody, konieczne jest zastosowanie zbiorników akumulacyjnych, do których woda pompowana jest w dni słoneczne, a z których można ją czerpać o każdej porze. Najczęstsze zastosowania: pompy do studni głębinowych i powierzchniowych współpracujące ze zbiornikami akumulacyjnymi, przepompownie, fontanny, urządzenia klimatyzacyjne, systemy nawadniania pól i szklarni, systemy do przepompowywania stawów. Systemy fotowoltaiczne są dobrze przystosowane do zasilania urządzeń o małej mocy (< 500 W) takich, jak np. suszarki ziół, warzyw, itp., ogrzewanie i wentylacja szklarni, napowietrzanie stawów rybnych i jezior, pompowanie wody itd..
Wykorzystanie modułów fotowoltaicznych w mieście do zasilania: parkomatów, automatów sprzedających bilety, zegarów itp..
Zasilanie pojazdów kosmicznych Fotoogniwa zasilające z siarczku kadmu są stosowane do bezpośredniej przemiany energii promienistej Słońca na energię elektryczną w pojazdach i rakietach bezzałogowych.
Obecnie satelity Ziemi wykorzystują już promienie Słońca, przetwarzając je przy pomocy procesów chemicznych i baterii słonecznych w energię elektryczną, służącą do napędu urządzeń pokładowych. Są to jednak niewielkie ilości energii. Ostatnie doświadczenia naukowców z firmy Boeing przewidują, że słoneczne elektrownie w kosmosie posiadałyby olbrzymie płaszczyzny o powierzchni do 100 km2 pokryte płytkami baterii słonecznych do pochłaniania promieni słonecznych. Stacje te byłyby umieszczone na orbicie równikowej, przestrzeni nasłonecznionej niemal przez całą dobę. Obecnie jedyną trudnością pozostaje sposób przekazywania tej energii na Ziemię. Promienie energii przesyłane na Ziemię trafiałyby do swojego ziemskiego “zbiornika”. W tym przypadku promień laserowy byłby bardziej skoncentrowany i szybszy niż fale ultrakrótkie.
Rynek wykorzystania fotoogniw jest zróżnicowany, w 1995 roku około 45% wyprodukowanych fotoogniw wykorzystano do elektryfikacji domów, wiosek, systemów pompowania wody (pompownie), 36% wykorzystano w komunikacji, 14% wykorzystano w ogólnopaństwowym systemie energetycznym, a 5% w kalkulatorach i innych podobnych urządzeniach.
Zalety fotoogniw:
energia elektryczna wytwarzana jest bezpośrednio;
sprawność przetwarzania energii jest taka sama, niezależnie od skali produkcji;
moc jest wytwarzana nawet w pochmurne dni przy wykorzystaniu światła rozproszonego;
obsługa i konserwacja wymagają minimalnych nakładów,
w czasie produkcji energii elektrycznej nie powstają szkodliwe gazy.
Możliwość wykorzystania fotoogniw w miejscach trudno dostępnych.
Zerowe koszty użytkowania !
Perspektywy Rozwoju
Współczesna fotowoltaika rozpoczęła się wraz rozwojem ogniw fotowoltaicznych z krzemu krystalicznego w Bell Laboratories USA, w pierwszej połowie lat pięćdziesiątych. Początkowo były one drogie i miały ograniczone zastosowania, przede wszystkim jako niezawodne i lekkie źródła energii dla pojazdów kosmicznych. Szybki rozwój fotowoltaiki rozpoczął się we wczesnych latach 70-tych jako następstwo kryzysu naftowego. W 1997 całkowita produkcja fotowoltaiczna na świecie przekroczyła 90 MWp z zapotrzebowaniem przekraczającym podaż. Rynek urządzeń fotowoltaicznych zwiększył się dziesięciokrotnie w ciągu ostatniej dekady. Cena 1W obniżyła się od ok. 50 $ w 1975 do ok. 5 $ w 1997. Fotowoltaika wykazała, że jest pewnym źródłem energii elektrycznej w różnorodnych zastosowaniach. Systemy fotowoltaiczne są lekkie, przenośne, modułowe i bardzo niezawodne. Mogą być zestawione w krótkim czasie, w odizolowanych miejscach bez kosztownej infrastruktury. Moce takich systemów są stosunkowo małe - mniejsze niż 1 kW. Są one ciche, przyjazne dla środowiska, nie wymagają paliwa ani wody, nie zanieczyszczają środowiska naturalnego i nie potrzebują linii doprowadzających prąd.
Zakładając, że sprawność modułów fotowoltaicznych pozostałaby nadal na poziomie 10 - 12% wysokie koszty inwestycyjne szybko się zwracają. W tabeli zostały zestawione wartości sprawności oraz kosztów inwestycyjnych różnych źródeł energii:
Źródło energii |
Sprawność[ % ] |
Względne jednostkowe koszty inwestycyjne, [ % ] |
Paliwa konwencjonalne |
35 ÷ 43 |
100 |
Paliwa jądrowe |
30 ÷ 35 |
180 ÷ 200 |
Wiatr |
40 ÷ 70 |
110 ÷ 180 |
Geotermia |
15 ÷ 25 |
130 ÷ 200 |
Słońce - termika |
10 ÷ 20 |
200 ÷ 400 |
Morze - termika |
1 ÷ 2 |
350 ÷ 1500 |
Ogniwa fotowoltaiczne |
10 ÷ 20 |
400 ÷ 600 |
Biomasa |
40 ÷ 50 |
200 ÷ 300 |
Wodór |
35 ÷ 45 |
300 ÷ 500 |
Generator MHD (wraz z częścią konwencjonalną) |
50 |
300 ÷ 500 |
Ogniwa paliwowe |
40 ÷ 60 |
200 ÷ 400 |
Fotosynteza |
0,4 ÷ 1,0 |
200 ÷ 300 |
Zgazowanie paliw |
40 ÷ 50 |
120 |
Po przeszło 3 latach użytkownik siłowni dieslowskiej już będzie odnotowywał większe koszty od właściciela siłowni fotowoltaicznej, gdyż pierwszy z nich będzie zmuszony do zakupu paliwa, natomiast drugi „paliwo” ma za darmo, a konserwacja samoobsługowego urządzenia sprowadza się do usuwania pyłów osadzających się na powierzchni ogniw ( w zapylonym mieście np. Opolu czynność tą wykonuje się nie częściej niż raz w miesiącu).
Podstawowym celem badań i rozwoju światowej fotowoltaiki jest zmniejszenie kosztów produkcji energii elektrycznej przez ogniwa fotowoltaiczne do poziomu kosztów 1,5$/Wp, czyli kosztów konkurencyjnych z kosztami energii produkowanej z konwencjonalnych źródeł energii. Powszechnie uważa się, że nie jest to możliwe wykorzystując ogniwa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego nawet przy znacznym wzroście zapotrzebowania i produkcji. Różne analizy wskazują, że jedyną dostępną alternatywą, która stwarza możliwości osiągnięcia tego celu jest zastosowanie cienkowarstwowych ogniw fotowoltaicznych zbudowanych z: krzemu amorficznego (a-Si) i polikrystalicznych związków półprzewodnikowych (CuInSe2 i CdTe). W chwili obecnej jedynie ogniwa z krzemu amorficznego produkowane są na skalę masową. Sprawność przetwarzania ogniwa fotowoltaicznego z krzemu amorficznego wynosi 14%, a modułu fotowoltaicznego ok. 8-10 %. Ogniwa z pozostałych materiałów są na etapie produkcji pilotażowej lub laboratoryjnej.
Ogniwa z krzemu amorficznego stanowią ok. 16% światowej produkcji ogniw PV i udział ten szybko wzrasta z roku na rok. Amerykańskie firmy dostarczające energię elektryczną zwracają się ku tej technologii budując pilotażowe elektrownie fotowoltaiczne. Firmy Solarex Enron, United Solar i Canon uruchomiły fabryki o mocy produkcyjnej 10 MWp/rok każda. Oznacza to silne potwierdzenie przekonania o przyszłości tej technologii ze strony amerykańskich inwestorów. Natomiast, w Japonii, która była pionierem w komercjalizacji ogniw fotowoltaicznych z krzemu amorficznego istnieje program Genesis, w którym te ogniwa uważane są za podstawę fotowoltaiki.
Promieniowanie słoneczne w Polsce jest na podobnym poziomie jak w innych krajach Europy Środkowej, a większe niż w krajach skandynawskich. Pomimo tego poziom wykorzystania modułów fotowoltaicznych jest minimalne. Wykorzystanie ich ma swoje uzasadnienie ekonomiczne - dowodzą tego wyniki badań prowadzonych w Zakładzie Elektrotechniki Uniwersytetu Opolskiego, a także na Uniwersytecie w Poczdamie. W naszych warunkach klimatycznych (podobne są w Opolu i Poczdamie) należy przeprowadzić starannie dobór rodzaju stosowanych ogniw - ich sprawność musi się utrzymywać na stałym poziomie (9-10)% przy nasłonecznieniu 500 W/m2 (pora jesienno-zimowa) i wtedy będą one służyły efektywnie przez cały rok kalendarzowy. Takie właśnie ogniwa są poddawane badaniom na Uniwersytecie Opolskim.
W najbliższej przyszłości najbardziej obiecującymi zastosowaniami ogniw fotowoltaicznych w Polsce będą systemy zasilania w miejscach oddalonych od sieci energetycznej. Możliwości zastosowań układów fotowoltaicznych w takich miejscach są bardzo duże, gdyż unika się dużych kosztów doprowadzenia linii energetycznych.
National Scientific Foundation i NASA reprezentują stanowisko, że przy wykorzystaniu energii promieniowania słonecznego można w USA zaoszczędzić około 30% użytkowanego gazu ziemnego i 10% ropy naftowej. Dlatego na intensywne badania fotoogniw wydatkuje się rocznie setki milionów dolarów.
Kraje Unii Europejskiej przeznaczają również poważne kwoty na te badania, zakładając z góry, że w warunkach europejskich wykorzystanie energii Słońca należy traktować jako ostateczność. We Włoszech, gdzie występuje w ciągu roku duże nasłonecznienie, obliczono, że koszt energii elektrycznej, uzyskanej z energii słonecznej, będzie dużo niższy od kosztu tej energii z produkcji tradycyjnej. Da to duże oszczędności, nie mówiąc już o braku zanieczyszczenia środowiska.
Moim zdaniem fotowoltaika ma przyszłość, nawet przy założeniu, że sprawność modułów fotowoltaicznych pozostałaby nadal na poziomie 10-12%. Jest to i tak 10%, a nie 0% (brak wykorzystania i tak docierającej do powierzchni Ziemi energii).
Oddziaływanie fotoogniw na środowisko
Źródła odnawialne charakteryzują się minimalnym wpływem oddziaływania na środowisko. Ponieważ zaś wykorzystują lokalne źródła energii są rozproszone na całym obszarze kraju, co rozwiązuje problem transportu energii, gdyż może ona być pozyskiwana w dowolnym miejscu. Eliminuje to również znaczne straty związane z przesyłem, pozwala uniknąć budowy linii przesyłowych ograniczając dewastację terenu.
Jednak ze wszystkich wykorzystywanych obecnie nieodnawialnych źródeł energii tylko energetyka słoneczna nie niesie za sobą praktycznie żadnych zagrożeń dla środowiska. Najpoważniejszą wadą energetyki słonecznej są urządzenia wymagające użycia dużych ilości pierwiastków toksycznych - kadmu, arsenu, selenu i tolluru
Fotoogniwa a prawo w Polsce
Obowiązki miast i gmin wynikające z nowej ustawy "Prawo Energetyczne" z dnia 10 kwietnia 1997 r. (Dz. U. nr 54). Nałożone na miasta i gminy obowiązki wynikające z Ustawy "Prawo Energetyczne" są w naszym kraju nowością. Jednak w Europie, a zwłaszcza w Niemczech podobne regulacje prawne obowiązują od dziesięcioleci. Koncepcje energetyczne to droga do zorientowanego na przyszłość, racjonalnego zużycia energii w jednostkach komunalnych. Wymagania dla gmin w ramach ochrony środowiska i ochrony zasobów naturalnych stają się w ostatnich latach coraz bardziej kompleksowe. Sprawdziło się wypracowywanie koncepcji energetycznych, dające decydentom i władzom komunalnym wskazówki dla:
minimalizacji zużycia energii i emisji
długofalowego, przyjaznego dla środowiska zaopatrzenia w energię na bazie ubogich w CO2 lub odtwarzalnych nośników energii, w tym wykorzystania energii świetlnej
rozwoju komunalnego (koncepcje zabudowy itp.)
obniżenia kosztów energii dla obiektów komunalnych i nieruchomości
rozbudowy lub przebudowy oraz rentowności komunalnych przedsiębiorstw energetycznych
bezpieczeństwa w inwestowaniu w urządzenia energetyczne.
Istotny wpływ na rozwój koncepcji energetycznej mają narodowe i międzynarodowe uwarunkowania polityki energetycznej, standardy energetyczne i środowiskowe, ekonomiczne dane ramowe, ceny dla pierwotnych źródeł energii lub dla prądu jak i dostępne technologie w zakresie technik przesyłowych.
BIBLIOGRAFIA
1. Pozycje książkowe
Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna. Jarzębski Z. M., PWN, Warszawa, 1990Fotoogniwa i turbiny wiatrowe w systemach energetycznych." Politechnika Warszawska. Warszawa 1997.
(Skrypt akademicki)
Bacewicz R., Elektryczne i optyczne właściwości związków półprzewodnikowych o potencjalnych zastosowaniach fotowoltaicznych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1990
Ciśliński J., Mikielewicz J., Niekonwencjonalne źródła energii, Politechnika Gdańska
Dakowski M., Energie odnawialne. Przegląd przemysłowy 5, 1994, s.16-19
Hille E., Karaczun Z., Wiśniewski G., Wybrane zagadnienia polityki energetycznej Polski PKE, Warszawa-Kraków, 1997
Jarzębski Z. M., Energia Słoneczna. Konwersja Fotowoltaiczna. PWN, Warszawa, 1990
Karaczun Z., Polityka Polskiego Klubu Ekologicznego w zakresie rozwoju i roli odnawialnych źródeł energii w Polsce. [w] Materiały z międzynarodowej konferencji nt. OZE, Warszawa, IBMER, 1997
Kowalik P., referat pt. Odnawialne źródła energii. Seminarium: "Minimalizacja zużycia energii cieplnej", Krasnobród, 22-24.05.1996
Krawczyński F., Dylematy polityki energetycznej w Polsce. Materiały z konferencji "Odnawialne źródła energii w strategii rozwoju zrównoważonego", EC BREC/IBMER, Warszawa, 1998
Dziennik ustaw nr 54 „ustawa "Prawo Energetyczne" z dnia 10 kwietnia 1997 r.”
2. Czasopisma
IEEE Trans on Electron Devices
grudzień 1999, specjalny numer poświęcony ogniwom fotowoltaicznym
Gumkowski S., Mikielewicz J., Strąsiek J., Stan obecny i możliwości wykorzystania energii ze źródeł niekonwencjonalnych w warunkach krajowych. "Technika chłodnicza i klimatyzacyjna" Nr 6/98
Krzyżanowski J., Mikielewicz M., Perspektywy i stan obecny energetyki słonecznej w Polsce, zeszyt naukowy IMP PAN, Nr 431/1377/94
„Podwojenie wydajności ogniw słonecznych”
Młody technik nr 1/2000
3. Witryny internetowe
emsolar.ee.tu-berlin.de/iscb/home.html
International Solar Center
Ogólnie o użyciu energii słonecznej, informacje na temat odnawialnych źródłach energii i organizacji, Solar Yellow pages.
http://www.pv.pl/Pl/www.ases.org/solar
Strona American Solar Energy Society. Znajdują się tu informacje na temat energii słonecznej, linki do partnerów ASES i do grupy dyskusyjnej.
http://www.pv.pl/Pl/www.callamer.com/~ses
Solar Electric Specialties
Odnawialne źródła energii w tym fotowoltaika, komponenty systemów PV, systemy PV, katalog części do zakupu.
http://www.pv.pl/Pl/www.darnell.com
Solar Energy Technology
Strona poświęcona systemom zasilającym - zasilacze awaryjne, akumulatory, konwertery DC/DC.
http://www.pv.pl/Pl/www.eren.doe.gov
Energy Efficiency and Renewable Energy Network (EREN),EREN jest sponsorowany przez U.S. Department of Energy. EREN daje uzytkownikom wgląd do informacji na temat odnawialnych źródeł energii i efektywnego wykorzystania energii podawanych przez Narodowe Laboratoria (National Laboratories) podległe U.S. Department of Energy i inne organizacje.
http://www.pv.pl/Pl/www.mtt.com/theSource/renewableEnergy
Source for Renewable Energy
Strona poświęcona odnawialnym źródłom energii. Można tu znaleźć informacje o różnych technikach wytwarzania energii (między innymi fotowoltaika) związane z businessowymi aspektami tego tematu. Można tu znależć informacje na temat aktualnych przedsięwzięć z dziedziny odnawialnych źródeł energii.
http://www.pv.pl/Pl/www.nrel.gov/ncpv
Informacje o badananiach naukowych i o programie RnD, Dostęp do zasobów informacyjnych, plany i perspektywy rozwoju fotowoltaiki, aktualności
http://www.pv.pl/Pl/www.rt66.com/rbahm/seintro.htm
Podstawowe informacje na temat energii słonecznej dziś i w przyszłości. Informacje o charakterze podstawowym dającye ogólny pogląd na temat energii słonecznej. Linki do listy miejsc, gdzie można kupić komponenty systemów i do miejsc, gdzie można zdobyć informacje na temat konstruowania systemów PV.
http://www.pv.pl/Pl/www.solarex.com
Solarex Corp.
Informacje o firmie SOLAREX, aktualności, zastosowania fotowoltaiki
http://www.pv.pl/Pl/www.solstice.crest.org
Jest to strona organizacji Center for Renewable Energy and Sustainable Technology (CREST). Dostępna jest tu szeroka gama informacji dotycząca odnawialnych źródeł energii i ich technologii. Odnawialne źródła energii, linki do stron o podobnych tematach.
Wyszukiwarka