Fotoogniwa

Co to jest ogniwo fotowoltaiczne?

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n (positive-negative), zawierającego dwie warstwy: pozytywną (+) i negatywną (-). Gdy w ogniwo trafia strumień światła  (składający się z cząstek zwanych fotonami) następuje przemieszczenie ładunków elektrycznych co powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Zjawisko to nazywamy efektem fotowoltaicznym.

Efekt fotowoltaiczny zaobserwował w 1839r. francuski fizyk A.C. Becquerel. Oparta na nim technologia została opracowana w latach 50-tych XX w. w laboratoriach firmy Bell, w USA.
Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem budowy systemu fotowoltaicznego. Powierzchnie pojedynczych ogniw mieszczą się przedziale od 100 – 250 cm2 i osiągają moc w granicach od ok. 1 do 3 W, przy napięciu sięgającym ok. 0.5- 0.6 V. W celu uzyskania większych mocy ogniwa łączy się w moduły fotowoltaiczne, a te z kolei w panele. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią, zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Zamyka się je w  aluminiowej ramach pokrywając od przodu hartowanym szkłem.  Szczegóły patrz poniższy rysunek.

W języku potocznym zazwyczaj nie dokonuje się rozróżnienia pomiędzy ogniwem, modułem czy panelem używając tych trzech terminów wymiennie.
Zdecydowana większość paneli dostępnych na  rynku, tak  światowym jak i  polskim, (przeszło 80%) to tzw. ogniwa I generacji wyprodukowane na bazie krzemu.
W ramach tej kategorii  wyróżnia się trzy, główne rodzaje ogniw:

• Monokrystaliczne – moduł składa się z wielu pojedynczych ogniw utworzonych z jednorodnego kryształu krzemu. Średnia sprawność to ok. 15%.
• Polikrystaliczne – ogniwa składają się z wielu małych kryształów tworzących niejednolitą powierzchnię. Ogniwa te są tańsze od monokrystalicznych i stąd znacznie bardziej popularne.   Najwyższej jakości ogniwa tego typu osiągają sprawność analogiczną jak ogniwa monokrystaliczne, na poziomie ok. 15%.
• Amorficzne – zbudowane są w oparciu o cienką warstwę krzemu, grubości kilku mikronów, osadzoną na innym materiale, np. szkle. Stanowią m.in. element składowy małych w baterii do zegarków czy kalkulatorów. Ich sprawność  wynosi ok. 8%.

Wraz z rozwojem badań nad ogniwami fotowoltaicznymi, idących w kierunku stworzenia produktu tańszego, lżejszego i zarazem o większej sprawności niż tradycyjne ogniwa oparte na krzemie, na rynku  pojawiły się ogniwa II i III generacji. 

Ogniwa  II generacji są również zbudowane w oparciu o złącze p-n jednak nie z krzemu krystalicznego lecz np. z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) czy krzemu amorficznego. Ich cechą charakterystyczną jest bardzo mała grubość warstwy półprzewodnika absorbującej światło, która zazwyczaj waha się od 1-3 mikrometrów. Z uwagi na dużą redukcję zużycia półprzewodników są one znacznie tańsze w produkcji a cały proces jest bardziej zautomatyzowany, niż w przypadku ogniw I generacji.  Ich udział w rynku wynosi ok. 18 %. Na razie ogniwa II generacji cechują się stosunkowo niską sprawnością, nieprzekraczająca sprawności wysokiej, jakości ogniw I generacji. Należy jednak oczekiwać rychłego postępu w tym zakresie. W grudniu 2012 r. pojawiła się bowiem informacja, że naukowcom ze szwajcarskiego instytutu EMPA udało się opracować  ogniwa CiGS o sprawności 18, 7%, co jest nowym światowym rekordem.

Panel zbudowany w oparciu o ogniwa z tellurku kadmu

Ogniwa III generacji – pozbawione są złącza p-n niezbędnego przy produkcji ogniw fotowoltaicznych z wykorzystaniem tradycyjnych półprzewodników. Obecnie do ogniw III generacji zaliczane są bardzo różne technologie jednak najbardziej zaawansowane są prace nad ogniwami DSSC oraz organicznymi z wykorzystaniem polimerów. Wielką zaletą ogniw III generacji są niskie koszty oraz prostota produkcji. Główną przeszkodą w ich popularyzacji jest niska sprawność oscylująca wokół kilku procent. Obecny udział w rynku ogniw III generacji nie przekracza 0.5%.

Panel zbudowany w oparciu o ogniwa DSSC

Jakie jest zastosowanie paneli fotowoltaicznych (PV)?

Małe elektrownie fotowoltaiczne służą do zasilania w energię indywidualnych zabudowań typu:

• domy jednorodzinne,
• domki letniskowe,
• małe firmy produkcyjne i usługowe,
• gospodarstwa rolne,
• niewielkie hotele i pensjonaty,
• obiekty użyteczności publicznej.

Mogą one być również wykorzystane do zasilania łódek, przyczep campingowych, instalacji pompowych do nawadniania pól i do dostarczania wody do gospodarstw domowych lub rolnych oraz służyć do zasilanie urządzeń telekomunikacyjnych, sygnalizacyjnych i automatyki przemysłowej.
Przydomowa elektrownia słoneczna może pełnić funkcję dodatkowego źródła energii, wspomagającego zasilanie budynków/urządzeń  podłączonych do sieci elektrycznej lub stanowić samodzielne źródło energii w przypadku obiektów/urządzeń, które nie mają dostępu do sieci. Może ona również służyć  do produkcji energii w celu jej odsprzedaży do sieci (w części  lub w całości). Tego rodzaju rozwiązanie stanie się opłacane dopiero po wejściu w życie ustawy o OZE, co powinno nastąpić do końca 2013 r.

Jakie są systemy zasilania w oparciu o PV?

Istnieją  dwa podstawowe  typy systemów fotowoltaicznych:
System autonomiczny (off-grid)
System ten, zwany również wydzielonym lub wyspowym, pełni funkcję samodzielnego żródła energii w przypadku obiektów/urządzeń, które nie są podłączone do sieci. Jest on wykorzystywany do zasilania niedużej mocy odbiorników, pracujących w oparciu o prąd stały lub zmienny. W jego skład, obok paneli,  wchodzi:

• akumulator (jeden lub więcej) służący do magazynowania energii
• regulator ładowania, którego zadaniem jest zabezpieczenie akumulatora przed przeładowaniem oraz przed zbyt głębokim rozładowaniem ze strony odbiorników działających na prąd stały 12/24V.
• inwerter, który służy do zamiany napięcie z akumulatora na prąd zmienny~230V.

Odbiorniki pracujące na prąd stały powinny być podłączone bezpośrednio do regulatora, natomiast zasilanie urządzeń na prąd zmienny  wymaga podłączenia akumulatora do inwertera.
System autonomiczny prezentuje poniższy schemat:

System z podłączeniem do sieci energetycznej (on-grid)
Jest to najczęściej spotykany rodzaj systemu. W zależności od zastosowanego specjalnego inwertera (przetwornicy) umożliwia on:

• synchronizację poboru prądu na wydzielony obwód z baterii słonecznych i z sieci. (Niedobór energii  produkowanej przez PV jest automatycznie i na bieżąco uzupełniany prądem dostarczanym przez sieć).
• zasilanie wydzielonego obwodu energią z baterii słonecznych i akumulatorów i automatyczne przełączanie układu na zasilanie z sieci, w sytuacji gdy zielonej energii czasowo brakuje. Ten rodzaj zasilania wymaga uzupełnienia układu o sterownik elektroniczny.

Czy można sprzedawać energię wyprodukowaną w przydomowej elektrowni słonecznej do sieci?

System on-grid, o odpowiedniej mocy, zaopatrzony w falownik synchronizujący i układ pomiarowy (rejestrujący ilość energii oddanej i pobranej z sieci), umożliwia odprowadzenie całości lub nadmiaru wyprodukowanej energii do sieci. Obecny stan prawnym nie stwarza jednakże odpowiednich warunków do sprzedaży energii. Wiążąca się z tym działalność wymaga uzyskania koncesji oraz zgody zakładu energetycznego na przyłączenie elektrowni do sieci. W chwili obecnej małe, przydomowe systemy fotowoltaiczne nie maja szans na otrzymanie takiej zgody.
Po wejściu w życie ustawy o OZE (planowany termin to koniec  2013) sprzedaż energii przez właścicieli przydomowych elektrowni słonecznych będzie możliwa bez koncesji a zakłady energetyczne będą miały obowiązek udzielenia zgody na ich przyłączenie do sieci. Na zakładach energetycznych ma również spoczywać obowiązek zaopatrzenia potencjalnych sprzedawców w stosowne urządzenia pomiarowe.

Czy warunki nasłonecznienia w Polsce sprzyjają  inwestycjom w fotowoltaikę?

Polska posiada podobne warunki nasłonecznienia jak Niemcy, które są europejskim liderem na rynku produkcji energii ze źródeł odnawialnych, w tym energetyki słonecznej.  Szczegóły odnośnie średniego rocznego nasłonecznienia (kWh/m2) w poszczególnych regionach Polski przedstawia poniższa mapa.

Żródło: Komisja Europejska, Joint Research Centre http://re.jrc.ec.europa.eu

Powyższe dane wskazują, iż instalacja ogniw fotowoltaicznych jest najbardziej opłacalna w przypadku obiektów usytuowanych w pasie nadmorskim, w województwie Lubuskim, w Polsce wschodniej, w pasie centralnym od Łodzi po Radom oraz w najbardziej wysuniętym na południe regionie kraju.
Średnie roczne nasłonecznienie powierzchni ziemi liczone dla całej Polski wynosi ok. 900-1100 kWh/m2, co daje roczną produkcję na poziomie ok. 110-150 kWh energii elektrycznej z m2 panela fotowoltaicznego.
Istotnym elementem z punktu widzenia efektywności urządzeń PV jest również rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku. W Polsce rozkłada się on bardzo nierównomiernie. 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na 6 miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, a 45% na okres czerwiec-sierpień.

Gdzie najlepiej  zamontować PV?

Panele fotowoltaiczne są najczęściej umieszczane na dachach budynków. Możliwe jest również zainstalowanie ich na ścianach zewnętrznych budynków, na gruncie lub na konstrukcji  wolnostojącej. Panele mogą również stanowić elementy zintegrowane z obiektem budowlanym, np. zastępować pokrycie dachu tradycyjnymi materiałami takimi jak dachówka ceramiczna.   

Decyzja w tej sprawie uzależniona jest od konkretnych warunków w danej lokalizacji takich jak usytuowanie dachu w stosunku do stron świata, kąta jego nachylenia, przeszkód hamujących padanie światła, wielkości danej działki itp. oraz od możliwości finansowych i etapu projektowania budynku.
PV pracują najefektywniej, jeśli wychodzą na południe i są umieszczone w miejscu niezacienionym, pod kątem nachylenia do słońca w granicach od 35 -37 st.

Jak mierzona jest moc nominalna PV?

Nominalną moc  baterii słonecznych podaje się w Wp, czyli w wat peak (ang.),  który to termin oznacza moc szczytową modułu fotowoltaicznego w Standardowych Warunkach Badania (STC -Standard Test Conditions), czyli przy temperaturze  25 st. C. i nasłonecznieniu  1000 W/m2.  

Od czego zależy ilość  energii produkowanej przez PV?

Ilość energii produkowanej przez fotoogniwa zależy głównie od:

• Poziomu nasłonecznienia
  Poziom nasłonecznie różni się w zależności od pór roku oraz regionu Polski. (Szczegóły patrz odpowiedź na pytanie 5). Większość energii wyprodukowanej przez baterię słoneczną przypada na okres wiosenno-letni, od kwietnia do września.
• Kierunku umiejscowienia instalacji fotowoltaicznej  w stosunku do słońca oraz  kąta jej nachylenia. Optymalnym położeniem paneli to kierunek południowy, pod katem 35-37 stopni.  (Powyższy kat nachylenia modułów jako optymalny dla Polski wskazuje m.in. program UE PV-GIS opracowany przez jednostkę badawczą Komisji Europejskiej Joint Research Centre).  

Ile energii wyprodukuje PV?

Według ogólnie przyjętych szacunków, przy średnim rocznym nasłonecznieniu powierzchni ziemi  wynoszącym  dla  całej Polski i ok. 900-1100 kWh/m2,  z m2 panela fotowoltaicznego można uzyskać  rocznie ok. 110-150 kWh energii elektrycznej. Konkretna wartość produkcji zależy od usytuowania panelu oraz jego mocy nominalnej.
Jeżeli założymy, że nasza instalacja produkuje średnio 140 kWh rocznie z m2, to uzysk z jednego panelu o standardowym wymiarze 1,64 m2 (dla ogniw o mocy nominalnej przekraczającej 200Wp) wyniesie:
140 kWh x1,64 m2 = 230 kWh rocznie.  
Zainstalowanie 4 paneli oznaczać będzie produkcję energii na poziomie 920 kWh.
Jeśli weźmiemy pod uwagę, iż indywidualne gospodarstwo domowe złożone z 4 osób zużywa średnio 4000kWh energii na rok, to 4 panele zaspokoją ok. ¼ jego zapotrzebowania na energię.
Aby poznać dokładniejsze szacunki odnośnie produkcji energii z przykładowego systemu PV dla konkretnego miasta można posłużyć sie kalkulatorem systemów PV opracowanym przez jednostkę badawczą Komisji Europejskiej Joint Research Centre, dostępnym pod linkiem:
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps/radmonth.php?lang=en&map=europe
Obliczenia dokonywane przez program są oparte na danych wyjściowych dot. średniego poziomu nasłonecznienia w danej lokalizacji oraz założeniach odnośnie rodzaju paneli  (I generacji oparte na krzemie krystalicznym lub II generacji cienkowarstwowe), kąta ich nachylenia do słońca oraz strat energii na przewodach, inwerterach itp.
Przyjmijmy, że chcemy zainstalować elektrownię słoneczną o mocy całkowitej 1 kW (1000 Wp). w Lublinie.
W tym celu należy wykonać następujące kroki:

1. Po wejściu na link w oknie po lewej stronie u dołu ekranu, wybieramy nazwę państwa - Country/region: Poland oraz poniżej interesujące nas miasto (city) – Lublin.
2. W nowo otwartym oknie klikamy na: pt. 2 Estimate the PV electricity generation. Następnie w polu: "Enter installed peak PV power kWp" podajemy moc naszej elektrowni słonecznej w czyli 1 kW.
3. Poniżej podajemy straty jakie mogą wystąpić na przewodach, inwerterach itp. W tym miejscu można zostawić wartość 14%. Następnie  podajemy kąt nachylenie modułów w stopniach oraz orientację paneli względem kierunków świata, a potem klikamy przycisk „Submit”(prześlij, złóż)
4. W rezultacie otrzymujemy wykres obrazującym ilość energii wyprodukowanej przez naszą hipotetyczną elektrownię w poszczególnych miesiącach roku oraz tabelę, w której znajdziemy stosowne wartości dla poszczególnych miesięcy i całego roku. Wygląda to następująco:

Jak obliczyć korzyści finansowe wynikające z zainstalowania PV?

Poniższa tabelka przedstawia szacunek rocznych zysków płynących z zainstalowania małej elektrowni słonecznej o mocy  nominalnej 1kW, w okresie 2013 - 2020 przy uwzględnieniu oficjalnej prognozy Ministerstwa Gospodarki dot. wzrostu cen energii. Jeśli elektrownia taka będzie usytuowana w Lublinie  (trzymając się powyższego przykładu) wyprodukuje ona ok. 908 kWh energii w ciągu roku.

Z powyższych danych wynika, iż 8 lat użytkowania naszej przykładowej elektrowni słonecznej pozwoli zaoszczędzić 5230 zł  na rachunkach za prąd.

Jak obliczyć okres zwrotu inwestycji w PV?

Trzymając się przykładu podanego powyżej (odp. na pyt. 10),  średni łączny koszt baterii fotowoltaicznej  o łącznej mocy 1 kW  (4 panele) będzie się kształtował się na poziomie ok. 7500 zł.  Jeśli uwzględnimy, podany wyżej sumaryczny zysk z takiej instancji (plus szacunkowy zysk w kolejnych latach) to możemy założyć, że inwestycja zwróci się po 10 latach. Jesli jednak wzrost cen energii będzie wyższy w analizowanym okresie niż prognoza rządowa, co jest wysoce prawdopodobne, to inwestycja zwróci się szybciej.
Tak czy inaczej stosunkowo długi zwrot inwestycji trzeba rozpoatrywac w kontekście żywotności ogniw, która wynosi co najmniej 30 lat. Oznacza to że przez okres co najmniej 20 lat PV stanowić będa całkowicie darmowe żródło energii.

Czy możliwa jest współpraca PV z małą elektrownią wiatrową?

Współpraca taka jest nie tylko możliwa ale również bardzo korzystna w polskich warunkach klimatycznych biorąc pod uwagę koncentrację nasłonecznienia w półroczu letnim (szczegóły patrz odpowiedz na pyt. 4 powyższej) oraz nasilenie ilości dni wietrznych w okresie jesienno-zimowym. Produkcja prądu z dwóch niezależnych źródeł energii odnawialnej zwiększa bezpieczeństwo energetyczne domu lub obiektu który korzysta z tej formy zasilania w energię i pozwala na znacząca obniżkę kosztów energii. (Odpowiedni dobór obu typów urządzeń do potrzeb energetycznych może pozwolić na całkowite uniezależnienie się od zasilania z sieci).
Moc paneli fotowoltaicznych pracujących w systemach hybrydowych dobierana jest indywidualnie do potrzeb Klienta; możliwa jest dowolna konfiguracja liczby i mocy paneli. Do jednoczesnego zarządzania pracą turbiny wiatrowej oraz paneli wystarczy jeden sterownik elektroniczny (kontroler). Poniższy schemat poglądowy obrazuje podstawowe elementy systemu hybrydowego.

Zródło: US Department of Energy http://www.windpoweringamerica.gov/small_wind.asp

Ogniwa fotowoltaiczne i MEW mogą zasilać tą samą instalację zarówno jeśli są ściśle połączone jak i gdy są zamontowane oddzielnie. (Patrz przykłady na poniższych fotografiach).

Jaka jest trwałość PV?

Żywotność fotoogniw projektowana jest przez producentów na nie mniej niż 30 lat. Wiele produktów dostępnych na rynku posiada również gwarancja sięgającą 25 lat na od 80% do 100 % mocy wyjściowej uzyskiwanej z fotoogniw.

Jakie są wady i zalety przydomowych instalacji fotowoltaicznych?

Zalety:

• Elektrownie słoneczne nie ingerują w otoczenie
• Panele fotowoltaiczne służą ochronie środowiska. Nie tylko nie produkują żadnych odpadów, ale przyczyniają się do zmniejszenia emisji  CO2.  Np. system o mocy 3.5 kWp, który produkuje rocznie ok. 3000 kWh energii pozwala na  redukcję emisji CO2. o ok. 1 tonę rocznie
• PV nie wytwarzają hałasu
• Modularny charakter instalacji pozwala na skalowanie inwestycji
• Po zamontowaniu panele fotowoltaiczne nie wymagają obsługi
• Po okresie zwrotu inwestycji każdy następny rok pracy paneli przekłada się na czysty zysk dla inwestora przez okres co najmniej 20 lat.

Wady:

• Ogniwa fotowoltaiczne są stosunkowo drogie (choć ich cena z roku na rok maleje). Okres zwrotu inwestycji to ok. 10 lat. Cecha ta jest jednak kompensowana przez bardzo długą żywotność tych urządzeń, wynoszącą co najmniej 30 lat. Tak więc po okresie zwrotu inwestycji ogniwa będą produkowały całkowicie bezpłatna energię przez okres co najmniej 20 następnych lat.

Czym należy się kierować przy zakupie  ogniw fotowoltaicznych?

Z uwagi na mnogość technologii i producentów wybór paneli PV nie jest łatwy.  Przy zakupie urządzeń najlepiej kierować się stosunkiem ich ceny do jakości. Pomocna w tym celu jest następująca lista sprawdzająca:

• czy panel posiada stosowne certyfikaty?
• czy parametry panelu wpływające na uzysk energii są powyżej średniej?
• czy dostępne są niezależne informacje na temat jakości danego panelu?
• czy producent prowadzi dystrybucję w Polsce i gwarantuje serwis w miejscowości, w której chcemy zainstalować panele?
• czy pozycja producenta na rynku daje nadzieję, że będzie on działał w okresie gwarancji?
• jaka jest cena panelu w przeliczeniu na kWh wyprodukowanej energii?

Większość ogniw fotowoltaicznych dostępnych na rynku to z jednej strony drogie i wysokiej jakości produkty zachodnie, głównie niemieckie oraz znacznie tańsze, ale równocześnie kiepskie jakościowo urządzenia chińskie. Powstające w ciągu ostatnich kilku lat polskie firmy wypełniają niszę produktów dobrej jakości za rozsądną cenę.

Źródło: http://www.instalo.com.pl/artykulyinformacyjne