Ponieważ jesteśmy prawdziwymi fanami energii odnawialnej i technologii fotowoltaicznej, przygotowaliśmy na naszej stronie trochę rozbudowany rozdział dotyczący wiedzy na temat tej dziedziny, specjalnie dla tych, którzy chcą wiedzieć więcej.
Tu dowiesz się:
Trochę historii...
Fotowoltaika ( określana też skrótem PV – od angielskiego photovoltaics ), wykorzystuje zjawisko fizyczne polegające na wytworzeniu prądu elektrycznego w ciele fizycznym pod wpływem padających na nie promieni słonecznych. Zjawisko fotowoltaiczne jako pierwszy zauważył w 1839 roku francuski naukowiec Antoni Cezar Becquere. Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne wytworzono w roku 1954 i miało jedynie 6% sprawności. Z uwagi na łatwiejszy dostęp do innych nośników energii takich jak wegiel czy gaz ziemny i słaby rozwój świadomości ekologicznej, nie prowadzono intensywnych badań nad tym sposobem pozyskiwania energii elektrycznej. Główne zastosowania w XX wieku to ogniwa amorficzne w kalkulatorach, zagarkach i innych gadżetach. Szersze zastosowanie, choć w małej skali ilościowej, fotowoltaika znalazła w technologiach związanych z eksploracją kosmosu- czyli w zasilaniu w energię elektryczną pojazdów kosmicznych.
Dopiero pod koniec XX wieku wykorzystując osiągnięcia "technologii kosmicznych", nastapiło zwiększenie sprawności ogniw fotowoltaicznych i zaczęto poważnie traktować wykorzystanie tego źrodła energii na skalę przemysłową. Kolosalne znaczenie miał rozwój świadomości ekologicznej, głównie w Europie Zachodniej i dążenie do ograniczenia stosowania metod wytwarzania energii elektrycznej przy pomocy źródeł szkodzących środowisku naturalnemu.
Dziś... Ogniwa fotowoltaiczne produkowane przemysłowo osiągają sprawność 13 – 17%, a eksperymentalne ogniwa krzemowe osiągają sprawność 25%. Wkrótce przewiduje się seryjną produkcję ogniw krzemowych o sprawności 26%. Eksperymentuje się również z innymi materiałami niż krzem.
Fotowoltaika jest jedną z najmniej inwazyjnych dla środowiska naturalnego metod pozyskania energii elektrycznej, wyróżnia się pod tym względem nawet wśród innych źródeł energii tego typu zwanych w języku polskim OZE – Odnawialne Źródła Energii. Elekrownie wiatrowe ingerują w sferę życia ptactwa, wszyscy słyszeli o protestach lokalnych społeczności przeciw "wiatrakom". Elektrownie wodne ingerują w ekosystem rzeczny. Biogazownie i spalanie lub współspalanie biomasy, emituje bądź gaz cieplarniany, bądź ciepło. Systemy fotowoltaiczne jedynie stoją! Dodatkowo na potrzeby instalacji fotowoltaicznych zaadoptować można powierzchnie i tak "stracone" dla środowiska, dachy budynków mieszkalnych, hal produkcyjnych itp.
Zalety fotowoltaiki powodują, że jej rozwój jest bardzo dynamiczny, pomimo barier jakie istnieją. Główne problemy to wysokie ceny instalacji i problem przy magazynowaniu energii, która wszak jest produkowana w trakcie dnia, a której konsumpcja jest całodobowa.
Rozwój fotowoltaiki wymusza jednak obecnie spadek cen instalacji. W wielu krajach dla tego typu instalacji stosuje się bardzo atrakcyjne systemy wsparcia i dotacji. Wszystko to przekłada się na wzrost mocy zainstalowanej przy użyciu tej technologii.
Obecnie fotoogniwa produkowane są głównie z krzemu, stanowią one około 95% wszystkich wytwarzanych ogniw.
Poniżej ogniwo z krzemu monokrystalicznego.
Ogniwo jest budowane z półprzewodników ( głównie krzem z domieszkami) w taki sposób by otrzymać dwie warstwy: warstwę n i warstwę p, przedzieloną tak zwanym złączem p – n. Do złącza typu n doprowadzona jest elektroda ujemna ,a do złącza typu p elektroda dodatnia. W procesie fotowoltaicznym energia doprowadzana jest do półprzewodnika n poprzez światło słoneczne. Fotony wybijają elektrony walencyjne z półprzewodnika n, które to przez złącze p-n wędrują do półprzewodnika p. Po doprowadzenieu do obszarów p i n metalowych kontaktów, elektrod, oraz zamknięciu obwodu popłynie prąd elektryczny.
Pojedyncze ogniwo ma niewielkie napięcie do około 0,5V i do 2 W mocy. W związu z tym łączy się je w większe grupy do kilkudziesięciu sztuk w tak zwane panele, o napięciu nawet do 30 V i mocy ponad 200 W.
Panel z krzemu monokrystalicznego.
Ogniwa, a w związku z tym i panele dzielimy na kilka grup w zależności od użytego krzemu:
Ogniwa Monokrystaliczne – wytwarzane z pojedynczych kryształów krzemu o uporządkowanej strukturze wewnętrznej, cięte z dużych bloków krzemu. Mają one wyższą sprawność w, żywotność ale i cenę.
Ogniwa Polikrystaliczne – zbudowane z wielu niejednorodnych kryształków krzemu, są mniej wydajne, ale ze wzgledu na niższe koszty produkcji ,tańsze. Zaletą tych ogniw jest też to, że wykazują nieco większą, niż ogniwa monokrystaliczne, sprawność przy świetle rozproszonym, stąd są preferowane na szerokościach geograficznych, gdzie dni słonecznych jest mniej.
Ogniwa Amorficzne – wykonane z amorficznego bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu. Mają niższą sprawność, nie są tak powszechnie stosowane w przemysłowej energetyce solarnej. Stosuje się je powszechnie w zasilaniu małych urządzeń ,takich jak kalkulatory, zegarki i inne gadżety. Ogniwa te są jednak bardziej czułe na tak zwane światło rozproszone, przy zachmurzonym niebie potrafią mieć nawet wydajność większą i to znacznie od innych ogniw krzemowych. Często montuje się je przykładowo na fasadach budynków zorientowanych w kierunku północnym.
Ogniwa Qasi- monokrystaliczne – nowość na rynku - zbudowane są z mieszanki krzemu monokrystalicznego i polikrystalicznego. Obecnie wchodzą na rynek przemysłowy. Szacuje się, że w roku 2020 będą stanowiły 50% wszystkich produkowanych ogniw. Sprawność tych ogniw przekracza już 17%.
W budowie samych ogniw wiele czynników decyduje o ich sprawności, na przykład rodzaj i umiejscowienie kontaktów do przewodzenia prądu. Ciągłe udoskonalanie ogniw powoduje że ich sprawność rośnie. Niekiedy różnice w parametrach pomiędzy ogniwami polikrystalicznymi i monokrystalicznymi są bardzo małe.
Sam panel fotowoltaiczny standardowo składa się z następujących warstw:
Panele łączone są w zestawy w zależności od potrzeb i zasobności inwestora i w takich grupach tworzą małe ( lub większe ) elektrownie fotowoltaiczne. Łączenie paneli jest też niezbędne z powodu konieczności zsumowania napięć produkowanych przez panele w taki sposób by uzyskać napięcie 220/230 V. W praktyce najmniejsze systemy fotowoltaiczne, by uzyskać oczekiwane napięcie, mają minimalną moc 1,5 KW.
Aby spożytkować lub sprzedać prąd wytworzony przez panele fotowoltaiczne należy go "uzdatnić" na potrzeby sieci, bądź domowych odbiorników. Panele produkują prąd stały DC, więc musi on przejść przez inwerter ( falownik ), który zamienia wyprodukowany prąd stały na prąd zmienny AC. Inwerter jest urządzeniem kosztownym – w zasadzie zajmuje 2 pozycję pod względem kosztów w zestawie fotowoltaicznym, zaraz za kosztem paneli fotowoltaicznych. Przy zmianie prądu ze stałego na zmienny wynikają straty. Warto więc zainwestować w inwerter renomowanej firmy tak, by te straty były jak najmniejsze. Wysokiej klasy inwertery cechują się sprawnością na poziomie 95 – 97 %.
Przy budowie niewielkich instalacji przy domach lub niewielkich zakładach pracy można stosować dwa typy rozwiązań:
Ponieważ nasz oferta, a co za tym idzie strona internetowa skierowana jest do klientów pod kątem inwestowania w systemy PV w celu zysku ,skupiamy się głównie na pierwszym rozwiązaniu, oraz na inwestowaniu w farmy fotowoltaiczne.
Farmy fotowoltaiczne, to zgrupowanie wielu setek a nawet tysięcy paneli fotowoltaicznych, połączonych w kilka podgrup i podłączone do kilku inwerterów, a następnie do sieci zewnętrznej. Farmy mają różne architektury elektroenergetyczne. Produkowana przez farmy energia w całości nastawiona jest na sprzedaż. Farmy mają moc nawet do kilkudziesięciu MW. Niedawno amerykański developer National Solar ogłosił iż tworzy na południu USA farmę fotowoltaiczną o mocy 400 MW.
Aby wyczerpująco odpowiedzieć na to pytanie ,ile się zyska na energii słonecznej, należy zacząć od tego ile prądu produkują instalacje PV oraz jakie czynniki na produkcję wpływają.
Producenci paneli unikają podania wprost ilości energii elektrycznej jaką w skali roku może wyprodukować dana jednostka. Produkcja uzależniona jest od wielu zmiennych, jak chociażby od sposobu zamontowania paneli, szerokości geograficznej, lub otoczenia. Panele produkowane są na rynek globalny, więc producent nie wie na jakiej szerokości geograficznej zostaną one zamontowane, stąd nie może podać symulowanej rocznej produkcji w watach. Podawana jest jedynie sprawność panela, czyli współczynnik mówiący ile procent docierającej średnio rocznie do panela energii słonecznej może on przetworzyć na prąd elektryczny.
Instalacje zlokalizowane w obszarze o dużym zapyleniu, np: miasta i ośrodki przemysłowe będą miały mniejszą dostępność do promieni słonecznych i pomimo takiej samej sprawności wyprodukują mniej energii, niż instalacje zlokalizowane w oddaleniu od źródeł zanieczyszczenia powietrza, a dodatkowo zlokalizowane przykładowo nad dużymi zbiornikami wodnymi, gdzie intensywna cyrkulacja powietrza sprawia, że mniej jest zanieczyszczeń, a więc więcej promieni słonecznych dociera do ogniw. Różnice, wynikające z wpływu zanieczyszczenia na absorpcję promieniowania słonecznego w Polsce, nie są jednak dla małych instalacji praktycznie zauważalne.
Dodatkowym czynnnikiem wpływającym na produktywność instalacji jest położenie jej na określonej szerokości geograficznej. Im niższa wartość położenia, czyli bardziej na południe , tym większe nasłonecznienie. Jednak dla Polski różnice są tak niewielkie, że w zasadzie przyjmuje się stałą wartość: 1050 kWh/m2.
W dostępnych opracowaniach i informacjach opierających się częściowo o empiryczne doświadczenia przyjmuje się , że statystyczny panel o mocy 150 W i sprawności 15% powinien w skali roku wyprodukować 157 kWh energii elektrycznej. Oczywiście należy odjąć "straty" prądu, na przesyły i jego przetwarzanie. Są to dane celowo podawane "ostrożnie", gdyż małe instalacje są zazwyczaj montowane nie zawsze optymalnie, z uwagi na: możliwości montażowe czy przeszkody terenowe. Mogą więc one być ustawione pod nie do końca optymalnym kątem, lub może na nie padać cień przez jakąś część dnia.
Przy dużych inwestycjach czynniki mogące negatywnie wpłynąć na produktywność instalacji PV nie występują, lub są marginalizowane, gdyż z uwagi na koszty przedsięwzięcia maksymalnie optymalizuje się lokalizację farmy fotowoltaicznej i inne elementy mające wpływ na wielkość produkcji.
Na produkcję instalacji mają w końcu wpływ warunki atmosferyczne. Panele PV produkują energię elektryczną "jak jest jasno". Im mniej przeszkód ( chmury , zamglenia ) fotony mają do pokonania, z tym większą dawką energii uderzają w ogniwa fotowoltaiczne, a te z kolei pracują z większą sprawnością i produkują więcej prądu. Tak samo dłuższy dzień powoduje, że instalacja pracuje większą liczbę godzin i więcej energii produkuje. Tak więc przychody z produkcji instalacji PV, małej czy dużej, należy w warunkach polskich rozpatrywać pod kątem rocznym. Największe będą od maja do września, a najmniejsze w grudniu i styczniu, gdy dzień jest krótszy, a zachmurzenie dodatkowo spore.
Na wykresie przedstawiono rozkład proporcji promieniowania słonecznego docierającego w poszczególnych miesiącach na obszar Polski.
Politechnika Warszawska prowadząca badania nad efektywnością ogniw fotowoltaicznych opublikowała, w oparciu o eksploatację własnych instalacji fotowoltaicznych, następujące dane:
Produkcja energii w okresie listopad 2009 do październik 2010 systemów o mocy 1 kWp – w stosunku do mocy nominalnej.
| Rodzaj paneli | Wielkość produkcji w kWh/rok |
|---|---|
| a-Si trójzłączeniowy | 916 |
| CSI (zacieniony ) | 762,4 |
| Monokrystaliczny - Si | 933,18 |
| HIT | 932,4 |
| a-Si dwuzłączeniowy | 916,8 |
| Multikrystaliczny Si | 1002,6 |
Systemy, których produkcję podano powyżej zainstalowane sa na dachach Politechniki Warszawskiej, a więc w centrum dużego miasta. Jak widać poza istalacją zacienioną, produkcja instalacji jest zbliżona. Dane obrazują też wpływ zacienienia na produkcję paneli.
Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe czynniki i przeliczniki, jak również dane zebrane z działających, poprawnie zamontowanych instalacji PV, można bezpiecznie założyć , że średnia produktywność w warunkach polskich wyniesie:
| Moc instalacji w KWp | Roczna produkcja KWh |
|---|---|
| 1 | 900 |
| Moc instalacji w KWp | Roczna produkcja KWh |
|---|---|
| 1 | 950 |
Oczywiście postęp w branży jest bardzo szybki. Co jakiś czas na rynek wchodzą nowe, sprawniejsze ogniwa, gwarantujące większą produktywność.
Bardzo dokładnie zoptymalizowane, duże inwestycje, są w stanie przekroczyć podaną powyżej wartość.