Ogniwa fotowoltaiczne – budowa, zastosowanie, elektrownie

Ogniwa fotowoltaiczne – budowa, zastosowanie, elektrownie

FOTOWOLTAIKA

pv1Termin ten pochodzi od dwóch słów – „photo” oznaczającego światło oraz „voltaic” oznaczającego elektryczność. Otrzymujemy więc określenie elektryczności pochodzącej ze słońca. Początki fotowoltaiki sięgają 19 wieku kiedy to francuski uczony nazwiskiem Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny (efekty powstania siły elektromotorycznej pod wpływem promienowania słonecznego). Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne powstało w 1883 roku, wykonane było z półprzewodnikowego selenu z cieńką wartswą złota. Sprawność urządzenia wynosiła zaledwie 1%, ale był to pierwszy krok do rozwoju technologii solarnej.

BUDOWA

Sercem ogniwa fotowoltaicznego jest najczęściej krzem, w różnej postaci. Jest to pierwiastek bardzo szeroko występujący na ziemi, co czyni go łatwo dostępnym i stosunkowo tanim materiałem do produkcji. Oprócz krzemu ogniwo składa się zwykle z szyby która przepuszcza promienie słoneczne do środka, obudowy w której umieszczone są płytki krzemu oraz z połączeń elektrycznych między komórkami krzemowymi. Ponieważ pojedyncze komórki wytwarzają niewielką moc, łączy się je w całe modułu, te z kolei w większe jednostki w zależności od potrzeb instalacji.

DZIAŁANIE

Jak to się dzieje że w ogniwie występuje napięcie i płynie prad elektryczny? Otóż zacznijmy od tego co się dzieje, kiedy na ogniwo pada jednostka światła zwana fotonem. Mogą zajść wtedy trzy sytuacje. Pierwsza to odbicie światła od ogniwa, szczególnie gdy światło nie pada prostopadle do urządzenia. Druga to przeniknięcie fotonu przez krzem. I trzecia, która najbardziej nas interesuje, to pochłonięcie fotonu przez krzem. Półprzewodnikowa płytka krzemowa znajdująca się w ogniwie posiada barierę potencjału (zwykle złącze p-n). Padające światło wybija elektrony z części gdzie jest ich najwięcej (strona n – negative), 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 urządzeniu płynie prąd.

Ogniwa fotowoltaiczne na świecie

Rynek producentów ogniw fotowoltaicznych rośnie z każdym rokiem. Wzrost ten wynosi conajmniej kilkadziesiąt procent, inne branże mogą tylko pozazdrościć tej nowo wschodzącej branży. Światowym liderem produkcji ogniw są Chiny, ale po piętach depcze im Europa. Połowę chińskiej produkcji ma za to Japonia, która umacnia swoją pozycję z każdym rokiem.

Produkcja ogniw PV w roku 2008:

1. Chiny          2,3 GW

2. Europa        1,9 GW

3. Japonia       1,2 GW

4. Tajwan        0,8 GW

5. USA            0,4 GW

Jak podaje Joint Reseach Center (wydział komisji europejskiej zajmujący się badaniami rynku i technologii) światowa produkcja ogniw fotowoltaicznych wyniosła około 7,3 GW (giga watt) w roku 2008. Rok wcześniej były to 4 GW, co daje wzrost produkcji o ponad 80%. Wstępne analizy pokazują dalszy wzrost w roku 2009, analitycy przewidują wzrost produkcji do 38 GW rocznie w roku 2010.

pv-produkcja

Technologie

Rynek ogniw fotowoltaicznych jest ciągle młodym, rozwijającym się rynkiem. Sprawność urządzeń jest na niskim poziomie (zwykle 8 – 15%), ale z dochodzą głosy od producentów o urządzeniach których efektywność przekracza 25% (nawet 41% w warunkach labolatoryjnych). Poszukiwane są nowe rozwiązania dążąc do lepszych uzysków ogniw, oraz co bardzo ważne – minimalizacji kosztów wytworzenia w przeliczeniu na 1 kWp (szczytowa moc 1 kilowata). Coraz głośniej na rynku o ogniwach wykonanych w technologii THIN-FILM (bardzo cieńka wartswa materiału światłoczułego mocowana w obudowie ze szkła lub tworzywa). Obecnie ponad 15% ogniw wykonanych jest właśnie w ten sposób. Ich produkcja jest stosunkowo tania w przeliczeniu na 1 kWh energii. Ogniwa te mają mniejszą wydajność dlatego ich instalacje mają zwykle większe powierzchnię.

Prawiają się także najnowe produkty zwane CPV (concentrator photovoltaics). Dzięki dodatkowym układom optycznym (podwójne lustro), które koncentrują promienie słoneczne na ogniwie, można osiągnąć sprawności przekraczające 20%.  Z każdym rokiem osiągi są znacznie polepszane co dobrze wróży ogniwom CPV. Dzięki takim produktom rynek ma szanse urosnąć znacznie więcej niż przewidują analitycy.

Z jakich elementów się składa standadowa przydomowa elektrownia fotowoltaiczna?
 
Podstawowy system fotowoltaiczny składa się z ogniw fotowoltaicznych (najczęsciej monokrystaliczne lub polikrystaliczne), okablowania po stronie napięcia stałego DC (kabel musi być odporny na promieniowanie UV) oraz inwertera solarnego (przetwornicy napięcia), przetwarzającego napięcia stałe na napięcie zmienne takiej jak jest w sieci domowej. Inwerter posiada zazwyczaj szereg zabezpieczeń (przeciwzwarciowe, nadczestotliwościowe, podczestotliwościowe, nadnapięciowe i pody inwerter musi posiadać zabezpieczenie antywyspowe, które sposoduje automatyczne wyłączenie instalacji w przypadku awarii sieci domowej lub też wyłączenia zasilania od strony energetyki – jest to szczególnie ważne ze względów bezpieczeństwa.

Czy instalację zbudowaną z ogniw fotowoltaicznych należy myć ?

Elektrownie fotowoltaicznę w znacznym stopniu ulegają czyszczeniu podczas opadów atmosferycznych np. deszczu, który spłukuje  bród i osadz z powierzchni paneli. Jednak w przypadku braku długotrwałych opadów (np. przez 2 miesiące), należy panele umyć, gdyż wszelkie zanieczyszczenia powodują zmieniejszenie zdolności produkcyjnych całego układu fotowoltaicznego. Mycie instalacje jest zalezane conajmniej raz (np. na wiosnę), gdyż nie zawsze deszcze jest w stanie usunąć wszystkie zabrudzenia (np. ptasie odchody).

W jaki sposób montowane są ogniwa fotowoltaiczne?
 
Dotychczas instalowano głównie systemy fotowoltaiczne na dachach budynków, jednak dziś coraz częściej się stosuje panele PV zintegrowane z budynkiem np. wkomponowane w fasadę. W celu odpowiedniego doboru typu instalacji należy skontaktować się ze specjalistami w naszą firmą. Najkorzystniejszymi dachami pod fotowoltaikę są dachy pokryte blachą trapezową o kącie nachylenia 10-30 stopni. Obecne rozwiązania konstrukcyjne pozwalają zamontować ogniwa fotowoltaiczne praktycznie na kazdym pokryciu dachowym.

Jakie są bieżące koszty eksploatacyjne elektrowni solarnej ?

Elektrownia fotowoltaiczna praktycznie nie wymaga obsługi, czy konserwacji. Niektóre inwertery mogą wymagać wymiany po 10-15 latach, z przyczyn naturalnego ich zuzycia (większość producentów inwerterów oferuje odpłatne przedłużenie gwarancji nawet do 15 lat).  Podczas działania systemu PV jedyne co muszą Państwo robić to sprawdzać licznik energii regularnie. Panele fotowoltaiczne nie wymagają specjalnego czyszczenia, zwykle deszcz oraz śnieg wykonują za nas tą czynność (w przypadku pochylonych paneli). Jednakże okresowe zabrudzenia powstające w wyniku na przykład ptasich odchodów i liści powinny być usuwane ponieważ ograniczają produkcję ogniw fotowoltaicznych. Zarówno w przypadku małej instalacji jak i dużych farm fotowoltaicznych mogą Państwo zamówić jako opcję monitoring takiej instalacji i podlądać jej pracę przez smartfon lub domowy komputer

Jaka jest żywotność elektrowni fotowoltaicznej?
 
Producenci ogniw fotowoltaicznych obecnie oferują gwarancję o długość od 10 do 25 lata na sprawność paneli. Średnia żywotność fotoogniwa to jednak 30 do 40 lat. Generalnie elektrownia fotoowoltaiczna nie potrzebuje znaczących usług konserwujących, a awarię zdarzają się bardzo rzadko. Jedynie inwertery mogą wymagać wymiany po 10-15 latach. Poprawnie zaprojektowana przydomowa elektrownia fotowoltaica czy też duża farma solarna będzie produkować bezawaryjnie i efektywnie energię elektryczną przez wiele lat.

 ogniwa fotowoltaiczne