Google+

Ogniwa słoneczne, które bardzo często nazywane są także ogniwami fotowoltaicznymi, ogniwami fotoelektrycznymi czy też fotoogniwami, stanowią elementy półprzewodnikowe, w których dochodzi do przemiany energii promieniowania słonecznego (światła) na energię elektryczną.

Fot.
1. Dostępne na rynku ogniwa fotowoltaiczne najczęściej są produkowane z krzemu monolitycznego lub polikrystalicznego.Fot. 1. Dostępne na rynku ogniwa fotowoltaiczne najczęściej są produkowane z krzemu monolitycznego lub polikrystalicznego.

Efekt w tym zakresie uzyskuje się w wyniku przemieszczenia ładunków elektrycznych, co powoduje różnicę potencjałów, czyli napięcie elektryczne. Warto przypomnieć, że zjawisko fotowoltaiki zostało zaobserwowane w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod, umieszczonych w elektrolicie. Zjawisko to po prawie czterdziestu latach zaobserwowano na granicy dwóch ciał stałych. Dostępne na rynku moduły wykonuje się z krzemu, germanu i selenu.

Parametry paneli

W przypadku modułów fotowoltaicznych istotna jest moc w punkcie mocy maksymalnej podawana w Pmpp. Jest to moc jaką ogniwa są w stanie wygenerować w najoptymalniejszych dla siebie warunkach, czyli przy nasłonecznieniu 1000 W/m2, temperaturze ogniwa wynoszącej 25°C oraz przy widmie promieniowania o wartości AM 1,5. Istotnym parametrem jest także napięcie w punkcie mocy maksymalnej (Vmpp), czyli maksymalne napięcie jakie może osiągnąć moduł pod obciążeniem. Przy wyborze zwraca się uwagę na napięcie rozwarcia (Voc). Jest to maksymalne napięcie powstające na module, do którego nie jest podłączony odbiornik. Warto wspomnieć o prądzie w punkcie mocy maksymalnej (Impp). Parametr ten odpowiada za określanie maksymalnej wartości prądu, jaki może być wyprodukowany przez moduł w najoptymalniejszych warunkach pod obciążeniem. Zwraca się uwagę na prąd zwarciowy (Isc), będący maksymalnym prądem jaki może być wygenerowany przez moduł bez obciążenia. Maksymalne napięcie pracy jest z kolei wartością, która określa amplitudę napięcia modułów łączonych ze sobą szeregowo.

Fot. 2. W systemach fotowoltaicznych istotną rolę odgrywają odpowiednie sterowniki.Fot. 2. W systemach fotowoltaicznych istotną rolę odgrywają odpowiednie sterowniki.

Rodzaje ogniw

Dostępne na rynku ogniwa fotowoltaiczne najczęściej są produkowane z krzemu monolitycznego lub polikrystalicznego. Przy mocy jednego panelu, osiągającej do 150 - 180 W, uwzględnia się ogniwa monokrystaliczne. Ogniwa polikrystaliczne zastosowanie znajdują w panelach o mocy, która przekracza 200 W. Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne osiągają niewielką moc. Stąd też dla uzyskania większej wydajności prądowej i napięciowej ogniwa są łączone równolegle lub szeregowo w panele i moduły. Moc systemów fotowoltaicznych przekłada się na zajmowaną przez nie powierzchnię.

Interesujące rozwiązanie stanowią panele amorficzne. Ich budowa różni się od rozwiązań, które znajdują zastosowanie w panelach mono- i polikrystalicznych. W modułach amorficznych osadza się bowiem cienkie warstwy krzemu o wielkości 2 mikronów na powierzchni innego materiału. W takim rozwiązaniu nie ma możliwości wyodrębnienia pojedynczych ogniw.

Układy śledzenia ruchu słońca

Na rynku są oferowane systemy odpowiedzialne za analizowanie ruchu słońca. Tym sposobem zwiększa się wydajność instalacji fotowoltaicznych. Dzięki rozwiązaniom tego typu można uzyskać do 40% dodatkowego prądu w stosunku do instalacji nieruchomych. Systemy śledzenia słońca cechują się niskim zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Wynosi ona bowiem 1,5 kWh na rok. W urządzeniach przewidziano konstrukcję jednoosiową. Kąt obrotu wschód- zachód osiąga 90°. Za napęd odpowiada silnik zasilany napięciem mieszczącym się pomiędzy 12 a 50 V. Krokowe śledzenie słońca nadzoruje sterownik, który może obsługiwać dwie jednostki śledzące. Mocowanie bazuje na przesuwalnych zaczepach ze stali nierdzewnej. Tym sposobem nie ma potrzeby wiercenia dodatkowych otworów w ramie celem zamocowania modułów. Na kompletny zestaw składa się rama i elementy mocujące wykonane ze stali ocynkowanej galwanicznie. Oprócz tego w skład systemu wchodzą klamry ze stali nierdzewnej, przeznaczone do zamocowania modułów, a także elektronika sterująca z akumulatorem, silnik liniowy i słup mocujący.

Fot.3. Nowoczesne urządzenia technologii fotowoltaicznej osiągają sprawność na poziomie 16%.Fot.3. Nowoczesne urządzenia technologii fotowoltaicznej osiągają sprawność na poziomie 16%.

Co na rynku

Dostępne na rynku moduły fotowoltaiczne znajdują zastosowanie zarówno w systemach współpracujących z siecią elektroenergetyczną, jak i obwodach niezależnych. Można ich używać wszędzie tam, gdzie potrzebna jest energia elektryczna, a nasłonecznienie jest odpowiednie. Stąd też oprócz najbardziej powszechnych zastosowań takich jak obiekty mieszkalne i usługowe, panele fotowoltaiczne stanowią kluczowe urządzenia dostarczające energię elektryczną także do zasilania telefonów alarmowych (np. na drogach), systemów kontrolno-pomiarowych (np. stacji meteorologicznych, fotoradarów), a także przydrożnych reklam, szyldów, tablic informacyjnych itp.

Nie bez znaczenia w dostępnych na rynku panelach pozostaje efektywne wykorzystanie dostępnej powierzchni przy jednoczesnym zminimalizowaniu wymiarów paneli. Oferowane moduły fotowoltaiczne cechują się przede wszystkim wytrzymałością, bowiem producenci gwarantują bezawaryjną pracę urządzenia przez przynajmniej 20 lat. Podaje się także, że w okresie tym spadek wydajności modułu nie przekroczy kilku procent.

Nowoczesne urządzenia technologii fotowoltaicznej osiągają sprawność na poziomie 16%. Nie mniej istotna cecha to również wytrzymałość. Jest ona uzyskana dzięki zabezpieczeniu ogniw szkłem hartowanym od strony zewnętrznej, natomiast od spodu zastosowanie znajduje poliuretan. Tym sposobem wytrzymałość na działanie czynników atmosferycznych jest znacznie zwiększona. Całość modułu umieszcza się w aluminiowej ramie. Ważne jest bowiem odpowiednie zabezpieczenie przed naprężeniami mechanicznymi.

Fot. 4. Do przechowywania wytworzonej energii elektrycznej przeznaczone są akumulatory.Fot. 4. Do przechowywania wytworzonej energii elektrycznej przeznaczone są akumulatory.

Interesujące rozwiązania stanowią również ogniwa fotowoltaiczne, których konstrukcja umieszczona jest w cienkim a zarazem lekkim laminacie. W takim przypadku całość ogniwa pozbawiona jest ramy. Tym sposobem zyskuje się zdecydowanie łatwiejszy montaż na płaskich powierzchniach. Na rynku nabyć można moduły fotowoltaiczne, które nie zawierają szkła. Interesujące są również panele, które są w stanie udostępnić więcej energii słonecznej dzięki pracy w paśmie światła podczerwonego. Produkują one energię elektryczną nawet w przypadku miejsc zacienionych. Nie mniej istotne cechy to również duża wytrzymałość na działanie czynników zewnętrznych. Kluczowe miejsce zajmuje wysoka odporność udarowa, a także stabilna praca w wysokich temperaturach.

Na rynku dostępne są tzw. moduły elastyczne, które cechują się przede wszystkim niewielką masą, a niektóre moduły są zwijane, dzięki czemu można je łatwo transportować. Są to panele bardziej o charakterze turystycznym, pozwalające na zasilanie urządzeń elektrycznych o niewielkiej mocy. Warto zwrócić uwagę fakt, że produkowane są moduły słoneczne przeznaczone do instalowania na powierzchni łodzi, jachtów, pontonów itp. Nabyć można również nabyć modele modułów przeznaczone do domów campingowych, pól namiotowych itp.

Fotowoltaika w Polsce

Pomimo tego, że pierwsze zastosowania fotowoltaiki w Polsce sięgają lat 80., to jednak dziedzina ta rozwija się nieco wolniej niż w innych krajach. Do tej pory nie została zrealizowana w Polsce żadna znacząca inwestycja w tym zakresie. Wybudowane instalacje mają raczej charakter badawczy i demonstracyjny. W efekcie zastosowanie odnawialnych źródeł energii w Polsce jest na stosunkowo niskim poziomie. W dużej mierze wynika to stąd, że zarówno inwestycje przemysłowe, jak i indywidualne, napotykają na wiele barier. W pierwszej kolejności podkreśla się niewykazywanie inicjatywy ze strony samorządów lokalnych. Nie bez znaczenia pozostaje także niska świadomość w zakresie wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Śmiało zatem można sformułować wniosek, iż inwestycjom z zakresu fotowoltaiki nie sprzyjają mechanizmy wsparcia. O ile funkcjonują programy wspierające rozwój kolektorów słonecznych, to instalacje fotowoltaiczne nie są dotowane.

W Polsce zainstalowano około kilkudziesięciu systemów fotowoltaicznych małej mocy. Są to nie tylko instalacje przydomowe, ale również systemy oświetlenia ostrzegawczego, systemy nawigacyjne czy też instalacje służące do suszenia i wentylacji w rolnictwie. Funkcjonują również systemy, które pełnią rolę dydaktyczno-badawczą. Specjaliści podkreślają, że przyszłość fotowoltaiki w Polsce to przede wszystkim systemy rozproszone. Składają się na nie minielektrownie instalowane w budynkach mieszkalnych, przedsiębiorstwach oraz gospodarstwach rolnych.

Fot. 5. W przypadku modułów fotowoltaicznych istotna jest moc w punkcie mocy maksymalnej podawana w Pmpp.Fot. 5. W przypadku modułów fotowoltaicznych istotna jest moc w punkcie mocy maksymalnej podawana w Pmpp.

Niejednokrotnie podkreśla się, że uwarunkowania klimatyczne, które obejmują Polskę nie są wystarczające do pozyskiwania energii elektrycznej w okresie jesienno- zimowym. W opinii ekspertów nasz potencjał energetyczny jest zbliżony do innych państw, a w szczególności do Czechów, Niemiec, Dani oraz północnej części Francji. W krajach tych możliwości energetyczne są w stanie zaspokoić potrzeby mieszkańców w zakresie zapotrzebowania na energię elektryczną. Warto bowiem zwrócić uwagę na nowoczesne technologie, które zastosowanie znajdują w systemach fotowoltaicznych. Tym sposobem na przykład kraje skandynawskie, a nawet Syberia, są w stanie korzystać z energii słonecznej.

Podstawową barierą, która spowalnia rozwój systemów fotowoltaicznych są wysokie koszty zakupu. Na koszt instalacji fotowoltaicznej składa się bowiem projekt, zakup elementów systemu (cena samych modułów fotowoltaicznych stanowi połowę kosztów całej instalacji) oraz realizacja inwestycji.

Analitycy szacują, że rynek fotowoltaiczny zalicza się do jednych z najbardziej prężnych i dynamicznie rozwijających się sektorów gospodarki światowej. W ostatnich latach zaobserwowano w skali świata wzrost produkcji urządzeń techniki fotowoltaicznej przekraczający 35%. Według statystyk nawet w latach, które charakteryzowały się niedoborem krzemu, sprzedaż urządzeń fotowoltaicznych nie malała.

Damian Żabicki