Google+

Fotowoltaika, ogniwa, panele słoneczne – te i wiele innych określeń z obszaru szeroko rozumianej fotowoltaiki kojarzy każdy elektryk oraz każdy przeciętny „zjadacz chleba” spoza branży instalacji elektrycznych. Ale co dokładnie się pod nimi kryje, jak to wszystko działa, jak jest zbudowane i co w pływa na to, że wszystko wygląda właśnie tak a nie inaczej? – o tym oraz kilku innych kwestiach w poniższych rozdziałach.

Fot. 1. Wykorzystanie nasłonecznienia ze strony południowej i wschodniej. Fot.: PIXABAY Fot. 1. Wykorzystanie nasłonecznienia ze strony południowej i wschodniej. Fot.: PIXABAY

Czym jest fotowoltaika

Już sama nazwa daje w dużej mierze odpowiedź na pytanie zadane w tytule rozdziału. Foto – ten człon wiąże termin ze światłem, zaś woltaika to bezpośrednie nawiązanie do prądu. I tak jest w rzeczy samej. Fotowoltaika była wpierw tylko nauką, zaś dziś jest zarówno nauką jak i zarazem dziedziną techniki i zbiorem wdrożonych do produkcji i użytku technologii, zajmujących się zamianą energii słonecznej na energię elektryczną. Technologii tak oczywistych i tak dobrych, że dziś stanowią podstawę, czy raczej najpoważniejszą pozycję wśród wszystkich możliwych rodzajów tzw. Odnawialnych Źródeł Energii (czyli OZE). W przeciwieństwie do kopalnianych źródeł energii, takich jak węgiel we wszystkich odmianach, ropa naftowa, czy gaz ziemny, energia słoneczna jest praktycznie niewyczerpanym źródłem, choć dziś nauka już wie, że i ona osiągnie swój kres. Stanie się to jednak w niewyobrażalnie odległej przyszłości – za około 4,5 miliardów lat, kiedy to słońce wypaliwszy cały zapas wodoru przejdzie w stan tzw. czerwonego olbrzyma, po czym zapadnie się w sobie, zaliczy etap supernowej i skończy jako tzw. biały karzeł. Istotne jest jednak to, że mniej więcej od podobnie długiego czasu (~ 5 mld lat) słońce dostarcza naszej planecie energii w tak ogromnych ilościach, że gdyby ją gromadzić przez rok, to zebrany zapas swobodnie zaspokoiłby potrzeby energetyczne całego świata przez kolejne kilka tysięcy lat! Oznacza to, że fotowoltaika, przy dzisiejszych poziomach przetwarzania pozyskanej energii słonecznej, całkowicie mogłaby nas uwolnić od kopalnianych źródeł energii, które generują większość zanieczyszczeń wpuszczanych do atmosfery ziemskiej i wpływających na zmiany w klimacie, efekt cieplarniany, dziurę ozonową i kilka innych negatywnych zjawisk oraz efektów. Od strony czysto technicznej fotowoltaikę można postrzegać jako metodę przetwarzania promieniowania słonecznego na energię elektryczną, dzięki wykorzystaniu takich elementów instalacji, jak panele fotowoltaiczne złożone z wielu pojedynczych ogniw, następnie inwertery prądu stałego na prąd przemienny oraz na końcu odbiorniki energii wytworzonej w panelach, którymi mogą być urządzenia zasilane prądem elektrycznym w domowej sieci i zużywające go bezpośrednio dla swoich celów (wszelki sprzęt AGD, RTV, oświetlenie), jak też akumulatory magazynujące ją na później,

Fot. 2. Montaż paneli polikrystalicznych na dachu posesji. Fot. 2. Montaż paneli polikrystalicznych na dachu posesji. Fot.: PIXABAY Fot. 3. Pojdynczy panel polikrystaliczny i spektakularny przykład wmontowania go w strzechę
chaty krytej słomą Fot.: PIXABAY Fot. 3. Pojdynczy panel polikrystaliczny i spektakularny przykład wmontowania go w strzechę chaty krytej słomą Fot.: PIXABAY

Rodzaje ogniw (paneli) fotowoltaicznych i zasada ich działania

By rozumieć czym są panele fotowoltaiczne (złożone z wielu ogniw) należy pojąć sam proces konwersji fotowoltaicznej czyli zamiany energii słonecznej na elektryczną, do którego dochodzi w wewnętrznych warstwach ogniwa. Właśnie tam, zaraz poniżej warstwy odblaskowej, znajdują się zetknięte bezpośrednio dwie płytki krzemowe, z których górna jest przewodnikiem ujemnym (negative – krzem z domieszką fosforu) zaś dolna dodatnim (positive – krzem z domieszką boru). Prąd elektryczny pojawia się i zaczyna krążyć między nimi na skutek pochłaniania przez krzem najmniejszych porcji światła, czyli fotonów. Jak wiadomo, prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów i ruch ten wywołuje właśnie foton, który wybija w atomach krzemu ich elektrony z ich miejsc i zmusza je do ruchu. Te następnie próbują się sparować z wolnymi miejscami po elektronach wybitych z warstwy, gdyż jak wiadomo ładunki (+) dążą do związania się z ładunkami (-), jednak pole elektryczne na styku krzemowej warstwy dodatniej i ujemnej zapobiega temu, rozdzielając niejako pary „elektron-dziura”, co wywołuje uporządkowanie ruchu elektronów i pojawienie się napięcia elektrycznego. Teraz pozostaje jedynie powiązać ten proces z obiegiem elektronów w sieci energetycznej poprzez przyłączenie urządzenia pobierającego energię elektryczną (np. w postaci żarówki czy innego odbiornika prądu), poprzedzonego jednak wcześniej falownikiem. Powyższy opis to spore uproszczenie, jednak schemat generowania prądu stałego w ogniwach fotowoltaicznych wszystkich rodzajów opiera się w gruncie rzeczy zawsze na opisanej zasadzie. Wracając do samego pytania o ogniwa fotowoltaiczne: jak już zostało to wyżej zasugerowane, są one najmniejszymi jednostkami budującymi panele fotowoltaiczne i służącymi do generowania prądu elektrycznego w procesie wolnym od emisji jakichkolwiek zanieczyszczeń. Oznacza to, że każdy panel to zbiór ogniw połączonych ze sobą szeregowo lub równolegle: tylko tyle i aż tyle.
Ostatnia kwestia: dlaczego krzem? Otóż ten pierwiastek należy do grupy pierwiastków fotowoltaicznych, ponieważ energia fotonu odpowiada energii wymaganej do poruszenia jednego elektronu w atomie krzemu do pasma przewodnictwa. Przy czym o ile czysty krzem jest dość średnim kandydatem do miana „króla półprzewodników optymalnych”, gdyż ma zbyt mało wolnych elektronów, o tyle połączony z innymi pierwiastkami (wspomniany fosfor i bor) i uformowany w domieszkowane płytki krzemowe staje się najlepszym rozwiązaniem. Należy jednak zauważyć, że jakiś czas temu pojawiły się na rynku panele wykonane przy użyciu zupełnie innych pierwiastków, takich jak kadm połączony z tellurem (półmetal) oraz powiązane ze sobą miedź, ind, gal i selen, co oznacza, że krzemowi wyrosła „konkurencja”

Fot. 4. Ze względu na swoją niską wagę panele pozwalają na wykorzystywanie powierzchni
dachu bez ryzyka przeciążenia konstrukcji. Fot.: PIXABAY Fot. 4. Ze względu na swoją niską wagę panele pozwalają na wykorzystywanie powierzchni dachu bez ryzyka przeciążenia konstrukcji Fot.: PIXABAY

Omawiając poszczególne rodzaje ogniw, czy raczej paneli fotowoltaicznych, warto wpierw uporządkować sobie ich klasyfi - kację. Z reguły fachowcy wyróżniają dziś dwie podstawowe grupy paneli:
1. panele typu pierwszego, do których zalicza się wszystkie oparte na krzemie, czyli monokrystaliczne, polikrystaliczne i amorfi czne,
2. panele typu drugiego, do których zalicza się panele cienkowarstwowe, czyli wszystkie alternatywne wobec krzemowych, takie jak panele CdTe i panele CIGS.
Prymat na rynku zdecydowanie należy jednak do paneli typu pierwszego, czyli najprostszych w budowie i najłatwiejszych w projektowaniu paneli krzemowych, oraz przede wszystkim cechujących się dobrym stosunkiem powierzchni do generowanej mocy (mowa tu o sprawności paneli). Dlatego to od nich należy zacząć poniższe omówienie.
Panele monokrystaliczne mają najwyższą sprawność sięgającą 14-19%, ale zarazem są najdroższe. Ogniwa w tych panelach wykonuje się z płytek w kształcie okręgu, które następnie przycina się do kształtu kwadratu, pozostawiając ścięte narożniki. Ich wymiary mogą wynosić 10 x 10 cm lub 30 x 30 cm – zależnie od producenta, zaś ich grubość to około 2-3 mm. Cechują się niemal czarną barwą (choć mienią się na ciemnogranatowo) i powstają w ten sposób, że wyhodowany kryształ krzemu, posiadający kształt walca i hodowany na bazie zarodka kryształu w ściśle kontrolowanych warunkach, zostaje pocięty na plastry, które następnie obrabia się do ostatecznej postaci opisanego wyżej ściętego na rogach kwadratu, czyli de facto nieforemnego ośmiokąta. Panele te są drogie z uwagi na wysoką jakość użytego półprzewodnika (czyli płytki krzemowej) oraz na najwyższą sprawność – około 2-3% wyższą niż ma to miejsce w przypadku paneli polikrystalicznych o tej samej powierzchni.
Panele polikrystaliczne, o nieznacznie mniejszej sprawności, cieszą się większą popularnością, ze względów ekonomicznych: są po prostu tańsze. Ich udział w rynku ocienia się na około 85%. Wykonuje się je z wielokryształowego (a nie jednokryształowego) krzemu w postaci sprasowanego bloku o niejednolitej powierzchni, rozpuszczanego podciśnieniowo pod szkłem ochronnym i przelewanego następnie do tzw. kokili (form odlewniczych) w których zastyga kierunkowo przy odpowiednio dobranej temperaturze. Dalej ten właśnie półprodukt zostaje pocięty na cienkie kwadratowe płytki, w których strukturze można dostrzec kryształy krzemu. Ich sprawność oscyluje w okolicach 12-14% zaś ich barwa to zawsze odcień koloru niebieskiego.
Panele amorficzne są matowe i cechują się barwą brunatną lub wręcz bordową. Ich sprawność osiąga zaledwie 6-8% co jest bezpośrednią pochodną materiału użytego do ich produkcji, czyli bardzo taniego i niewykrystalizowanego krzemu. Jednak choć ich cena jest najniższa, to relacja do sprawności sytuuje te panele na odległym miejscu w rankingu popularności paneli. Z czysto ekonomicznego punktu widzenia, po prostu warto dołożyć nieco więcej i zainwestować w 2-krotnie sprawniejsze panele polikrystaliczne. Druga grupa paneli, to dwie pozycje obejmujące panele wykonane z pierwiastków innych niż krzem. Cechują się znikomą grubością warstwy fotowoltaicznej, a więc i ogromną kruchością oraz niewielką ceną wynikającą z małego zużycia materiału (co wynika wprost z grubości płytki). I choć ich udział w rynku jest bardzo mały, należy poświęcić im kilka zdań.
Panele CdTe powstają na bazie tellurku kadmu, kolejnego półprzewodnika, którym zainteresowali się producenci ogniw fotowoltaicznych. Cechują się przeciętną sprawnością (10-12%), czerwoną barwą, ale przede wszystkim tym, że nie buduje się ich z poszczególnych ogniw (jak ma to miejsce w przypadku paneli grupy pierwszej, złożonych z reguły z 36 lub 60 ogniw). Tutaj cały panel jest zarazem jednym ogniwem, a ponieważ mówimy o panelach cienkowarstwowych, to warto zauważyć, że nazwa ta jest wysoce uzasadniona, gdyż ich grubość to zaledwie kilka mikronów.
Panele CIGS również są cienkowarstwowe, jednak osiągają nieco wyższą sprawność, wahającą się w przedziale od 12 do 14%. Wykonane są na bazie miedzi, indu, galu i selenu. To właśnie pierwsze litery nazw tych pierwiastków dały nazwę tym panelom.

Izabela Kędroń, Prokurent Electricom Engineering Sp. z o.o. Izabela Kędroń
Prokurent Electricom Engineering Sp. z o.o.

EKSPERT Fachowego Elektryka
Czym charakteryzują się panele monokrystaliczne?

Panele monokrystaliczne cieszą się coraz większą popularnością, z uwagi na wyższą sprawność konwersji energii ze słońca (do 24%), w stosunku do modułów polikrystalicznych (16–18%). Charakteryzują się również większą mocą nominalną, dzięki czemu do osiągnięcia wymaganej mocy instalacji potrzeba użyć mniejszej ilości paneli. Ma to szczególne znaczenie przy montowaniu modułów na dachach, gdyż zmniejszając ilość, zmniejszamy również obciążenie elementów nośnych naszej budowli. Monokryształy cechują się najwyższą trwałością (min. 30 lat), dzięki czemu instalacja jest w stanie dostarczać nam energię dłużej niż w przypadku polikryształów (trwałość min. 25 lat). Panele monokrystaliczne charakteryzuje także niższy temperaturowy współczynnik mocy, określający spadek wydajności modułu na skutek podwyższonej temperatury. Oznacza to, że panele monokrystaliczne lepiej radzą sobie w słoneczne dni. Wysokie nakłady produkcyjne przyczyniają się do wyższej ceny paneli monokrystalicznych.

Czynniki wpływające na jakość i wydajność obecnie oferowanych ogniw

Trudno jest omawiać czynniki warunkujące jakość ogniw (paneli) uzyskiwaną przez czołowych producentów paneli, gdyż żaden z nich nie zdradza chętnie szczegółów dotyczących samych procesów produkcyjnych. Na pewno w przypadku wszystkich rodzajów paneli istotne są warunki w jakich odbywa się cięcie kryształów czy bloków kwarcowych, ponadto warunki hodowania kryształów monokrystalicznych, warunki w jakich przebiega szlifowanie płytek, kwestie takie jak czystość pomieszczeń, wentylacja i temperatura, w jakiej przebiegają poszczególne procesy – ale są to parametry okrywane z reguły tajemnicą handlową. Nam, odbiorcom tych produktów, łatwiej jest natomiast porównywać finalną sprawność i wydajność identycznych paneli pochodzących od różnych dostawców, które to w dużej mierze są pochodną jakości procesów produkcyjnych i materiałów wykorzystanych przy produkcji paneli. Wymowny przykład takiej sytuacji opisuje raport Instytutu Energetyki Odnawialnej opublikowany w 2016 roku, w swej części omawiającej konkurencję dla polskich producentów ze strony chińskich wytwórców. Wskazuje on, że choć jeszcze w 2012 roku chińskie panele stanowiły w zaokrągleniu 90% wszystkich sprzedawanych w Polsce paneli, to już 4 lata później ich udział spadł do około 20%, mimo że ich cena była korzystniejsza. Czynnikiem decydującym o tak dużym spadku sprzedaży chińskich produktów była właśnie nieodpowiednia ich jakość. I nie chodzi tu tylko o jakość montażu, spasowania poszczególnych elementów, ich trwałość i wagę, ale też o fakt „rozjeżdżania” się deklarowanej przez producenta sprawności z tą, której rzeczywiście doświadczał użytkownik. Praktyka zweryfikowała te produkty i ukazała rzeczywistą jakość chińskich produktów w porównaniu do nieco droższych polskich czy zachodnio-europejskich wyrobów.

Fot. 5. Widoczne w panelu pojedyncze ogniwa monokrystaliczne – poznaje sie je po
8-kątnym kształcie i niemal czarnej barwie. Fot.: PIXABAY Fot. 5. Widoczne w panelu pojedyncze ogniwa monokrystaliczne – poznaje sie je po 8-kątnym kształcie i niemal czarnej barwie. Fot.: PIXABAY

Wracając do samej sprawności wysokojakościowych paneli, należy zauważyć, że podstawowe czynniki warunkujące ich wydajność w rzeczywistym działaniu – po zamontowaniu na dachu – to powierzchnia samego dachu, nachylenie względem promieni słonecznych oraz ilość godzin, przez które panele pochłaniają światło słoneczne. Te czynniki przekładają się bezpośrednio na ilość uzyskiwanej energii elektrycznej. Rosnąca ilość słonecznych dni w danym okresie i wzrastająca intensywność promieni słonecznych przy jednoczesnym prawidłowym ustawieniu kąta pochylenia panelu względem kierunku z którego pada światło słoneczne, skutkują uzyskiwaniem większych ilości energii elektrycznej. W naszych polskich warunkach jedyne logiczne ustawienie paneli to kierunek na południe z uwzględnieniem odchylenia w kierunku wschodnim i zachodnim – tylko to gwarantuje osiąganie deklarowanej przez producenta wydajności. Oczywiście miejsce, w którym montuje się panele nie może być miejscem zacienionym przez część lub całość dnia – to sprawa bezdyskusyjna.
Czynnikiem odczuwalnie wpływającym na sprawność paneli jest też temperatura, do której się rozgrzewają podczas pochłaniania promieni słonecznych. Niestety istnieje jej pewna graniczna wartość, powyżej której wydajność ogniw zaczyna spadać. To dość deprymująca własność, gdyż użytkownikom paneli zależy na jak najbardziej słonecznych i „solarnie” intensywnych dniach – a właśnie w takie dni panele nagrzewają się najbardziej. Jest to jednak problem o niedużym znaczeniu, szczególnie na naszej szerokości geograficznej – czego nie mogą powiedzieć mieszkańcy południa Włoch czy Hiszpanii.

Fot. Fot. 6. Mała farma fotowoltaiczna oparta o monokrystaliczne panele solarne. Fot.: PIXABAY

Podsumowanie

Nie jest tak, że w kwestii ogniw i paneli fotowoltaicznych technologia powiedziała już ostatnie słowo. W jednej z bydgoskich fi rm zajmujących się fotowoltaiką trwają od pewnego czasu pozytywnie nastrajające prace nad wykorzystaniem grafenu (jedna z odmian węgla) w strukturze ogniw solarnych, a konkretnie w strukturze samych elektrod, które dziś z reguły wykonuje się ze srebra. Według jej założyciela szanse na skomercjalizowanie tego rozwiązania – znacznie zwiększającego wydajność konwersji światła na prąd elektryczny – mają się pojawić w końcówce 2018 roku. Efekt fi nalny grafenowego rozwiązania ma skutkować zwiększeniem wydajności ogniw przy zachmurzonym niebie o nawet 50%, co jest wynikiem oszałamiającym. Gdy do tego już dojdzie, rynek szybko zweryfi kuje te deklaracje – autor ma duże nadzieje, że z pozytywnym wydźwiękiem

Łukasz Lewczuk
Na podstawie materiałów publikowanych m.in. przez: Instytut Energetyki Odnawialnej, Soldar Systemy Solarne, Sunsol, Electricom Engineering Sp. z o.o., Free Volt, Solaris OZE, IBS Solar, Benq oraz Caldoris Polska.