Jak działa ogniowo fotowoltaiczne?

Komórki fotowoltaiczne zrobione są ze specjalnych materiałów zwanych półprzewodnikami takich jak krzem, który jest obecnie najbardziej popularny. Dodatkowo ogniwa zawierają atomy boru (warstwa p) i fosforu (warstwa n).

Zasadniczo, gdy światło pada na komórkę, pewna część jest pochłaniana w materiale półprzewodnikowym. Oznacza to, że energia świetlana (foton) jest absorbowana i przekazywana do półprzewodnika - krzemu. Półprzewodnikowa płytka krzemowa znajdująca się w ogniwie posiada barierę potencjału. Padające światło wybija elektrony z części gdzie jest ich najwięcej, tworzą się tak zwane dziury czyli miejsca o ładunku dodatnim. Jako że ładunki te są rozdzielone przez barierę potencjału to zaczynają się przemieszczać względem siebie i w układzie płynie prąd.

Jak zbudowany jest system fotowoltaiczny?

Każda instalacja fotowoltaiczna zawiera nastepujące elementy:

1. Moduły fotowoltaiczne
2. Inwerter
3. System montażowy
4. Okablowanie
5. Ewetualnie baterię magazynującą energię
6. Opcjonalnie system monitorujący pracę instalacji.

Zasoby słoneczne w Polsce na tle innych państw Europejskich

Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie.

Zasoby energii słonecznej podobnie jak zasoby innych odnawialnych źródeł energii dzieli się na zasoby teoretyczne, techniczne i ekonomiczne.

Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2. Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie.

Tabela 1. Potencjalna energia użyteczna w kWh/m2/rok w wyróżnionych rejonach Polski.
źródło: www.energia-odnawialna.pl

Najbardziej uprzywilejowanymi rejonami Polski pod względem napromieniowania słonecznego jest południowa cześć województwa lubelskiego. Centralna część Polski, tj. około 50% powierzchni kraju, uzyskuje napromieniowanie rzędu 1022-1048 kWh/m2/rok, a południowa, wschodnia i północna część Polski -1000 kWh/m2/rok i mniej. Do obszarów słabo nasłonecznionych należy rejon północny obejmujący pas wybrzeża z wyjątkiem Wybrzeża Zachodniego. W skali roku północne krańce Polski otrzymują o około 9% mniej energii słonecznej niż południowe. Z kolei rejony nadmorskie wyróżniają się najbardziej przezroczystą dla promieniowania atmosferą. Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2.

Obecnie energia słoneczna wykorzystywana jest w Polsce głównie jako źródło ciepła poprzez instalacje kolektorów słonecznych ogrzewających powietrze lub wodę. Baterie słoneczne wykorzystujące promieniowanie słoneczne do produkcji energii elektrycznej, ze względów ekonomicznych, wykorzystywane są wyłącznie w instalacjach małych mocy, zasilających głównie obiekty wolnostojące oddalone od sieci elektroenergetycznych, np. znaki drogowe, lampy oświetleniowe.

Jak wartość nasłonecznienia w Polsce odnosi się do innych państw Europejskich, a w szczególności do największych propagatorów energii ze słońca? Jak wynika z mapy wartości nasłonecznienie w Europie, wartość nasłonecznienia w Polsce, nie różnie się praktycznie od światowego potentata w fotowoltaice, czyli Niemiec. Kraj dużo mniejszy niż Polska – Czechy, który wprowadził taryfy stałe w 2009 roku także nie posiada dużo większego potencjału, a mimo to na przełomie 2009/2010 nastąpił w tyk kraju „boom” na fotowoltikę, co było spowodowane wprowadzenie właśnie taryf stałych. Kraj o obecnie największych perspektywach, gdyż niedawno co wprowadził Taryfy FiT - Wielka Brytania posiada nasłonecznienie dużo gorsze niż Polska, a mimo to rząd Wielkiej Brytanii postanowił wprowadzić taryfy najwyższe w Europie. Z poniższej mapy wynika jasno, iż kraje które obecnie są Europejskimi potentatami mają zróżnicowane potencjały. W Z jednej strony kraje takie jak; Niemcy, Wielka Brytania o poziomie nasłonecznienia zbliżonym do Polski bądź gorszym, ale z drugiej strony kraje takie jak Włochy i Hiszpania o poziomie nasłonecznienia wyższym o blisko 80%. Należy jednak pamiętać, iż sprawność systemów fotowoltaicznych zależy odwrotnie proporcjonalnie od temperatury w jakich pracują takie instalacje z uwagi na wzrost oporności w wyższych temperaturach, co na pewno niweluję różnicę w efektywności tych systemów w poszczególnych krajach na korzyść krajów o mniejszym potencjale słonecznym.

Systemy fotowoltaiczne

Fotowoltaika jest technologią umożliwiającą produkcję energii elektrycznej ze światła słonecznego. Proces przemiany światła słonecznego na energię elektryczną następuje w ogniwach fotowoltaicznych. Najbardziej popularne są ogniwa słoneczne krzemowe mono i polikrystaliczne. Wśród innych technologii na uwagę zasługuje technologia cienkowarstwowa – thin film. Inne technologie, dynamicznie rozwijane, nie stanowia obecnie zbyt dużego udziału w rynku.

Sprawność ogniw fotowoltaicznych z krzemu monokrystalicznego kształtuje się obecnie na poziomie od 17% do 20%, a ogniw polikrystalicznych na poziomie od 15% do 19%. Na rynku występują również w niewielkiej ilości ogniwa monokrystaliczne o specjalnej konstrukcji o sprawności powyżej 20%.

Podział systemów fotowoltaicznych

Instalacje fotowoltaiczne generalnie dzieli się na dwa typy: podłączone do sieci (grid-connected, grid tied) oraz instalacje autonomiczne (stand alone, off-grid). W instalacjach autonomicznych energia jest magazynowana w akumulatorach. Najczęściej takie system, są wspierane przez inne źródła zasilania, na przykład turbinę wiatrową bądź silnik dieslowski. Takie system nazywane są systemami hybrydowymi.

Systemy podłączone do sieci publicznej, w których to sieć pełni funkcję „magazynu energii”. W Unii Europejskiej przeważająca większość instalacji to te podłączone do sieci, z uwagi na benefit systemów taryf gwarantowanych (feed-in tariff). Dla Niemiec prognoza zakłada, że prawie 30% energii w 2050 roku będzie pochodzić z fotowoltaiki.

Jednakże rosnąca liczba instalacji przyłączonych do sieci, oznacza także coraz większą liczbę instalacji autonomicznych.

Autonomiczny system fotowoltaiczny pozwala na całkowite uniezależnienie się od zewnętrznych dostawców energii elektrycznej. Głównym założeniem autonomicznego systemu jest wytworzenie energii elektrycznej wyłącznie ze słońca i wykorzystanie jej do pokrycia całkowitego zapotrzebowania na energię elektryczna. Energia elektryczna z systemu autonomicznego może być wykorzystywana zarówno w dzień jak i w nocy.

Systemy autonomiczne stosuje się przede wszystkim tam, gdzie nieopłacalna staje się budowa linii energetycznej oraz przyłączy do zasilania poszczególnych obiektów, np. takich jak:

• schroniska górskie,
• przepompownie wody, przekaźniki telekomunikacyjne,
• sygnalizacja drogowa, tablice ogłoszeniowe,
• systemy zasilania awaryjnego,
• automaty z napojami, parkomaty,
• zasilanie jachtów, przyczep kampingowych,

Na autonomiczny system energii słonecznej składają się następujące elementy:

1. Panele fotowoltaiczne.
2. Regulator napięcia – służy do właściwej kontroli stanu naładowania akumulatorów,
3. Zespół akumulatorów – gromadzi nadwyżki energii wytworzonej przez panele fotowoltaiczne, która wykorzystywana jest np. w godzinach nocnych, gdzie nie występuje produkcja energii elektrycznej przez panele fotowoltaiczne.
4. Inwerter – służy do konwersji prądu stałego na prąd przemienny.

W przypadku posiadania osobnej instalacji zasilanej prądem stałym w systemie autonomicznym możemy pominąć stosowanie inwertera, zatępując go tylko konwerterem DC/DC. Rozwiązanie z inwerterem stosuje się wtedy, gdy urządzenia wymagają zasilania prądem zmiennym (np. 230V).

Zupełnie inną konstrukcję posiadają systemy fotowoltaiczne zintegrowane z siecią publiczną. Instalacje 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.

Na system składają się następujące elementy:

1. Panele fotowoltaiczne.
2. Przetwornica.
3. Licznik energii wyprodukowanej przez system fotowoltaiczny.
4. Licznik energii dostarczanej z sieci do obiektu.

Znaczenie Fotowoltaiki na tle innych Źródeł Energii

W minionej dekadzie rynek fotowoltaiczny odnotował nieopisany wzrost. W 2012 roku skumulowana moc zainstalowana w systemach fotowoltaicznych wyniosła 90 GWp (z czego prawie 24 GWp zainstalowane w Niemczech). Fotowoltaika staje się pełnym konkurentem w systemach energetycznych w Unii Europejskiej, gdzie stosowane są specjalne systemy wsparcia, ale także w innych rozwijających się regionach świata. Niemniej jednak światowym liderem w ilości zainstalowanych systemów fotowoltaicznych, ale także w ilości firm, fabryk, kooperantów działających w tym sektorze są Niemcy.

Słoneczna energia elektryczna, uważana za jedno z najbardziej obiecujących i przyjaznych środowisku źródeł energii, jest wyjątkowa pośród nowych źródeł ze względu na szerokie możliwości osiągnięcia korzyści energetycznych i poza energetycznych. Z uwagi na swój olbrzymi potencjał związany z bezpośrednią konwersją wszędzie dostępnego promieniowania słonecznego na energię elektryczną ma ona szansę na stanie się w przyszłości poważną alternatywą dla paliw kopalnych.

Dzięki temu jest ona skutecznym sposobem zapewnienia dostaw „czystej” energii w krajach uprzemysłowionych i dostarczania energii elektrycznej krajom rozwijającym się bez obawy o bezpieczeństwo dostaw i zanieczyszczenie środowiska. Stąd tez fotowoltaika świetnie wkomponowuje się w energetyczne i ekologiczne programy czy projekty na poziomie międzynarodowym, krajowym, regionalnym czy lokalnym. Nie tylko rozwój rynku, ale również badania naukowe związane z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii, a w szczególności fotowoltaika to jeden z priorytetów tematycznych w europejskich planach BiR na najbliższe lata. Energia słoneczna jest najbardziej obfitym źródłem energii na świecie.

Obecne ceny systemów fotowoltaicznych czynią energię słoneczną konkurencyjną w stosunku do cen energii w okresie zapotrzebowania szczytowego oraz w systemach pracujących w sieci wydzielonej, w hybrydowych systemach zaopatrzenia w energię elektryczną, nie pozwalają jej jednak na skuteczne konkurowanie z tanią energią z ogólnokrajowej sieci, bez wsparcia w odpowiednich regulacjach, takich jak FiT.

Niemniej jednak spadające ceny całych systemów fotowoltaicznych pozwoli otrzymywać energię, której koszt uzyskania będzie taki sam jak ze źródeł kopalnianych. Według Europejskie Stowarzyszenie Przemysłu Fotowoltaicznego (European Photovoltaic Industry Association - EPIA) koszt produkcji energii w instalacjach fotowoltaicznych w 5 największych krajach Unii Europejskiej (Niemcy, Włochy, Francja, Hiszpania i Wielka Brytania) może zrównać się z kosztem produkcji energii w konwencjonalnych elektrowniach (grid parity) już do 2020 roku. Zdaniem EPIA, najszybciej tzw. grid parity energetyka słoneczna osiągnie we Włoszech - nawet już w roku 2013. W ciągu najbliższej dekady ceny systemów fotowoltaicznych spadną o 36-51% - we wszystkich krajach i segmentach - w segmencie gospodarstw domowych (instalacje powyżej 3 kW), komercyjnym (powyżej 100 kW), przemysłowym (powyżej 500 kW), a także w segmencie naziemnych elektrowni fotowoltaicznych (powyżej 2,5 MW).

Mimo szybkiego spadku cen systemów fotowoltaicznych, zdaniem EPIA, rozwój fotowoltaki w Europie musi być wspierany poprzez efektywne mechanizmy wsparcia i badania dające szansę na drastyczne obniżenie kosztów gotowych systemów oraz zwiększenie ich całkowitej sprawności. Dynamika wzrostu produkcji modułów fotowoltaicznych (65% - średniorocznie w ciągu ostatnich pięciu lat) często przyrównywana jest do dynamiki wzrostu przemysłu mikroelektronicznego w początkowym okresie jego rozwoju.

Od momentu zastsowania pierwszych instalacji PV w technologiach kosmicznych ponad 40 lat temu, fotowoltiaka stała się najdynamiczniej rozwijającym się sektorem obok informatyki i biotechnologii. Całkowity światowy rynek modułów PV osiągnęł wartość 6,1 GWp w 2008 roku i wzrosł o 85% w porównaniu do 2007 roku, natomiast całkowita sprzedaż w 2010 wyniosła już 16,6 GWp. Od 2000 roku rynek PV wzrosł ponad 30 krotnie, a roczny wskaźnik wzrostu w tym okresie wynosił między 40%-80%.

Skumulowana moc zainstalowanych instalacji fotowoltaicznych prezentuje także mapa poniżej. Jak widać nasi najbliźsi sąsiędzi – Niemcy i Repuplika Czeska to liderzy jeśli chodzi o ilość W przypadających na jednego mieszkańca. Te wartości przeczą całkowicie tezie, jakoby w Polsce nie było warunków dla instalacji fotowoltaicznych, skoro w krajach sąsiędnich z praktycznie identycznymi warunkami, istalację takie powstają.

Rozwiązania prawne i administracyjne „starej piętnastki” skierowane na wsparcie fotowoltaiki (oraz innych form OŹE) głównie przy użyciu Feed-in Tariff (FiT) spowodowały dominacje krajów europejskich na globalnym rynku fotowoltaicznym. Bezsprzecznym liderem są tu Niemcy, w których skumulowana moc zainstalowanych systemów fotowoltaicznych wyniosła 5.3GW w 2008 roku (17,9GW w roku 2011), niemniej jednak największy przyrost w skali roku, wynoszący 2.5GWp, dokonał się w Hiszpanii dzięki atrakcyjnej stawce FiT.

Kraje, które wprowadziły to rozwiązanie odnotowały wysoki skok wzrostu zainstalowanych systemów fotowoltaicznych. W tym miejscu na uwagę zasługuje Republika Czeska, gdzie w roku 2008 nastąpił dziesięciokrotny (z 5 do 55 MWp) wzrost zainstalowanych systemów fotowoltaicznych. Wyżej wymienione kraje, to jest Niemcy i Czechy są najlepszym dowodem na to, iż implementacja systemu FiT i aktywne wspieranie fotowoltaiki jest sensowne i ekonomicznie uzasadnione.

[MOBILE]

Powrót do strony z artykułami

AVENHANSEN Sp. z o.o. zezwala na kopiowanie i wklejanie na inne strony internetowe powyższego artykułu pod warunkiem dodania pod artykułem poniższego tekstu i dodania linka do tej strony:

Artykuł jest własnością firmy szkoleniowej AVENHANSEN Sp. z o.o.

Link do artykułu »