Konwersja fotowoltaiczna

Konwersja fotowoltaiczna energii promieniowania słonecznego - ogniwa, moduły i systemy fotowoltaiczne
Photos i volt
Słoneczne ogniwa fotowoltaiczne zwane też ogniwami słonecznymi lub fotoogniwami są urządzeniami posiadającymi zdolność bezpośredniej przemiany światła słonecznego w energię elektryczną.
Słońce dostarcza ogromnej ilości energii w postaci promieniowania, z czego do Ziemi dociera tylko jej niewielka część. Podstawową wadą tego źródła jest mała gęstość produkowanej energii. Poza atmosferą ziemską na 1 m2 powierzchni umieszczonej prostopadle do kierunku promieni słonecznych pada strumień energii ok. 1,3 kW. średnio, największa gęstość energii padającej na powierzchnię Ziemi występuje w strefie tropikalnej.
Największa ilość energii słonecznej absorbowanej w ciągu roku przez 1 m2 powierzchni wypada jednak nie na równiku, ale z uwagi na dłuższy czas dobowego nasłonecznienia, na strefę umiarkowaną (ok. 40 stopni szerokości geograficznej). Polska leży niezbyt daleko od 40 równoleżnika, tzn. pomiędzy 49O a 54O i 50Ň szerokości geograficznej północnej, podobnie jak Niemcy, Francja czy Dania. Na obszarze naszego kraju nasłonecznienie niewiele się różni. Największe jest nad morzem i w górach. Pomiędzy kwietniem a wrześniem największe występuje na wybrzeżu, a pomiędzy październikiem i marcem w górach. Około 80% energii słonecznej przypada w Polsce (z wyjątkiem gór) na dni wiosenno-letnie.
Energię słoneczną w Polsce można scharakteryzować następująco:

• stosunkowo duża ilość energii padająca na jednostkę powierzchni, porównywalna z wartością charakteryzującą strefę tropikalną, jednak o znacznie mniejszym jednostkowym strumieniu mocy wynoszącym średnio w ciągu roku 930 - 1163 kW/m²,
  
• duży udział promieniowania rozproszonego, tzw. dyfuzyjnego wynoszący około 50% promieniowania całkowitego,
• średnio 1600 godzin słonecznych w ciągu roku.
  
  

Słoneczne ogniwa fotowoltaiczne
Poszukując idealnych systemów konwersji energii promieniowania słonecznego, trudno sobie wyobrazić coś bardziej atrakcyjnego dla użytkownika niż system konwersji fotowoltaicznej promieniowania zbudowany na bazie ogniw słonecznych. Słoneczne ogniwa fotowoltaiczne zwane też ogniwami słonecznymi lub fotoogniwami są urządzeniami posiadającymi zdolność bezpośredniej przemiany światła słonecznego w energię elektryczną. Oprócz podstawowej zalety polegającej na tym, że ogniwa słoneczne wykorzystują niewyczerpalne i absolutnie czyste źródło energii, jakim jest energia słoneczna, wykazują one wiele dodatkowych zalet. Wykonywane są głównie z krzemu, a więc najbardziej rozpowszechnionego pierwiastka na Ziemi, nie mają zużywających się łatwo w procesie ich działania elementów ruchomych, nie zużywają w trakcie normalnej pracy jakichkolwiek materiałów eksploatacyjnych (woda, paliwa) i nie ulegają korozji i starzeniu się. W efekcie tego ich okres trwałości może być ekstremalnie długi.
Efektem działania fotoogniw wystawionych na działanie promieniowania słonecznego jest produkcja energii elektrycznej, a więc najbardziej użytecznej formy energii końcowej wykorzystywanej przez współczesnego człowieka.
Podstawą działania ogniw słonecznych jest efekt fotowoltaiczny lub inaczej zjawisko fotoelektryczne zachodzące wewnątrz warstwowej struktury półprzewodnikowej pod wpływem światła słonecznego. Efekt fotowoltaiczny polega na powstaniu siły elektromotorycznej w wielowarstwowej niejednorodnej strukturze podczas jej oświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym. Słowo "fotowoltaiczny" pochodzi od dwu greckich słów: photos oznaczającego światło i volt będącego jednostką siły elektromotorycznej wywołującej w przewodnikach ruch elektronów. Tak więc "fotowoltaiczny" oznacza generujący prąd elektryczny pod wpływem światła.
Zjawisko fotowoltaiczne zostało zaobserwowane na granicy elektrolitu i elektrody metalowej zanurzonej w elektrolicie przez francuskiego fizyka Edmonda Bequerela - w 1839 r., a na granicy dwóch ciał stałych przez Adamsa i Daya w 1876 r. Do wytworzenia w 1883 roku w Stanach Zjednoczonych pierwszego fotoogniwa wykorzystującego efekt fotowoltaiczny użyto płytki selenu z wtopionymi cienkimi drucikami ze złota, tworzącymi złącze niemetal-metal generujące pod wpływem oświetlenia ładunki elektryczne i pokrytego ochronną płytką szklaną. Sprawność takiego ogniwa mierzona stosunkiem ilości produkowanej mocy elektrycznej do mocy padającego na płytkę promieniowania słonecznego była mniejsza od 1%. Do budowy kolejnych ogniw słonecznych w latach 50. ubiegłego stulecia wykorzystano najpierw german, a później krzem - materiały półprzewodnikowe mające pod względem przewodnictwa elektrycznego cechy pośrednie pomiędzy dobrymi przewodnikami prądu (metalami) a izolatorami (niemetalami). W materiałach tych, poprzez wprowadzanie specjalnych domieszek można łatwo wytworzyć w strukturze dwuwarstwowej złącze p-n, o różnym typie przewodnictwa elektrycznego (rys. 1).
Zbudowane w Laboratorium Bella w połowie lat 50. krzemowe ogniwa słoneczne miały już sprawność 6%. W oparciu o nie, po raz pierwszy na świecie, zademonstrowano ich praktyczne wykorzystanie do zasilania linii telefonicznej na obszarach wiejskich oddalonych od sieci elektroenergetycznej. Niestety, ceny fotoogniw były w tym czasie zbyt wysokie, aby upowszechnić ich wykorzystanie do zasilania urządzeń elektrycznych powszechnego użytku. Wysokie ceny nie były jednak przeszkodą w wykorzystaniu fotoogniw w rozwijającej się szybko na przełomie lat 50. i 60. technice kosmicznej, gdzie znalazły stałe zastosowanie po dzień dzisiejszy. Zwiększenie zakresu zastosowań ogniw słonecznych na Ziemi jest związane z gwałtownym wzrostem sprawności i obniżką kosztów ich produkcji w ostatnich trzydziestu latach. W tym czasie sprawność produkowanych fotoogniw wzrosła z 6-8% do 16-18%, a koszt budowy z 200 tys. dolarów za wat mocy użytecznej w tzw. piku (przy natężeniu promieniowania słonecznego na powierzchnię fotoogniwa wynoszącymi 1000 W/m2) w 1959 roku do 4 dolarów za wat pik obecnie. Wszystko wskazuje na to, że procesy te będą kontynuowane, co wróży gwałtowny rozwój wykorzystania ogniw słonecznych w nadchodzących latach. Wiek XXI, przez analogię do poprzedniego określanego mianem węgla i pary, może stać się wiekiem ogniw fotowoltaicznych i fotowoltaiki.

Systemy fotowoltaiczne
Początkowo ogniwa słoneczne były wykorzystywane tylko w kosmosie. W latach siedemdziesiątych narodziła się koncepcja wykorzystania energii słonecznej jako źródła alternatywnego w stosunku do źródeł paliwowych.

• Obecnie moduły fotowoltaiczne służą do budowy różnych systemów fotowoltaicznych zaspokajających określone potrzeby energetyczne. Najbardziej typowe sektory zastosowania systemów fotowoltaicznych to:
  
• telekomunikacja (zasilanie stacji radiowo-telekomunikacyjnych),
  
• rolnictwo (zasilanie urządzeń pompujących i nawadniających, konserwujących żywność),
  
• rekreacja i turystyka (pola namiotowe, domki kempingowe, jachty),
  
• budownictwo mieszkaniowe (oświetlanie i zasilanie elektrycznych urządzeń gospodarstwa domowego),
  
• transport (zasilanie znaków drogowych i morskich, oświetlanie przystanków i ulic oraz napęd pojazdów słonecznych),
  
• elektroenergetyka (produkcja energii elektrycznej na potrzeby ogólnej sieci elektroenergetycznej),
  
• elektronika użytkowa (zasilanie wszelkiego użytku: kalkulatory, urządzenia telewizyjne).
  Systemy można podzielić na autonomiczne, dające prąd stały i podłączone do sieci, dające prąd zmienny. System autonomiczny składa się z trzech głównych części: zestawu połączonych modułów, elektronicznego urządzenia sterującego, układu magazynującego energię elektryczną, np. akumulatorów. Systemy podłączone do sieci nie wymagają akumulatorów. Łączone są z nią przez przetwornicę częstotliwości (falownik), której zadaniem jest zamiana prądu stałego na prąd zmienny o parametrach (napięcie, częstotliwość) identycznych z panującymi w sieci elektroenergetycznej. Spotkać też można systemy hybrydowe z akumulatorami i falownikami dającymi zarówno prąd stały jak i prąd zmienny.
  Sam układ fotoogniw nie spełniłby warunków stabilnego źródła energii, tzn. nie miałby stałych parametrów pracy: napięcia, natężenia prądu i mocy. Do tego jest niezbędny system zawierający układ połączeń umożliwiający wykorzystanie w maksymalnym stopniu zmiennej w czasie intensywności nasłonecznienia. Innym problemem jest wytworzenie odpowiedniej mocy wyjściowej, która odniesiona wyłącznie do fotoogniwa jest zmienna w czasie, czyli zależna nie tylko od nasłonecznienia, lecz także od temperatury i zmian napięcia na zaciskach baterii ogniw. Trudno dopasować moc odbiorników do tak zmiennego źródła. Powstaje więc problem nie tylko stabilizacji parametrów pracy, ale też problem akumulacji nadwyżek energii na czas, gdy nasłonecznienie jest za małe.
  

Jednym z najdroższych i najbardziej zawodnych elementów jest akumulator. W praktyce można spotkać jeszcze prostsze autonomiczne systemy fotowoltaiczne bez akumulatorów, w których źródło fotowoltaiczne jest połączone bezpośrednio z odbiornikiem. Takie rozwiązanie jest najprostsze i najbardziej niezawodne, choć ma pewne ograniczenia. Systemy takie stosuje się wtedy, gdy zapotrzebowanie na energię ze strony odbiornika pokrywa się z okresem występowania wystarczającego do jego zasilenia natężenia promieniowania słonecznego i jednocześnie charakterystyka odbiornika pozwala na pełne i efektywne wykorzystanie zmiennej w czasie wydajności źródła fotowoltaicznego. Drugi warunek oznacza, że cały system pracuje przy parametrach zbliżonych do punktu mocy maksymalnej na charakterystyce prądowo-napięciowej odbiornika. Niewiele odbiorników (poza akumulatorem) zasilanych prądem stałym ze źródeł fotowoltaicznych spełnia powyższe kryterium. Spełniają je np. elektrolizery do produkcji wodoru z wody oraz w systemach fotowoltaicznych napędzających silniki elektryczne prądu stałego.
Przykłady systemów, w których są spełnione obydwa powyższe warunki to: systemy do pompowania wody oraz systemy do suszenia i chłodzenia z wykorzystaniem energii słonecznej. W wypadku systemów do pompowania wody, w których pompa jest zasilana ze źródła fotowoltaicznego, największe zapotrzebowanie na wodę występuję w okresie dnia, a ponadto istnieje łatwy sposób magazynowania wody na okres nocy w wyniesionym w górę zbiorniku.
Systemy podłączone do sieci nie wymagają akumulatorów energii. W tym wypadku ogólna sieć elektroenergetyczna pełni rolę akumulatora energii o praktycznie nieograniczonej pojemności. Pewną odmianą systemów podłączonych do sieci są systemy pracujące na wydzieloną sieć elektryczną, np. budynku, w których regionalna sieć elektroenergetyczna nie tylko przyjmuje nadmiar energii, ale i dostarcza energii wtedy, gdy zapotrzebowanie na energię w sieci wydzielonej budynku przekracza bieżące możliwości źródła fotowoltaicznego.
W budownictwie i rolnictwie rozwijają się też pośrednie w stosunku do poprzednio wymienionych fotowoltaiczne systemy hybrydowe pracujące na sieć wydzieloną danego obiektu/budynku, które w razie niedoboru energii słonecznej są uzupełniane w pierwszej kolejności przez lokalny generator prądotwórczy lub elektrownię wiatrową. Takie systemy są też wyposażone w baterie akumulatorów pozwalające ograniczyć do niezbędnego minimum konieczność skorzystania z innych niż słoneczne źródła zasilania.
Obecnie na świecie najszybciej rozwijają się samodzielne systemy fotowoltaiczne podłączone do sieci oraz właśnie systemy fotowoltaiczne na dachach i fasadach budynków. Przewiduje się, że do roku 2010 udział systemów podłączonych do sieci wzrośnie z obecnych 11 do 29%, a udział hybrydowych domów słonecznych wzrośnie z obecnych 15 do 23%. W tym czasie swoje udziały w rynku stracą systemy do pompowania wody (z 12 do 7%), systemy zasilania obiektów na terenach wiejskich i oddalonych od sieci (z l5 do l2%) i systemy stosowane w telekomunikacji do zasilania stacji radiowo-telekomunikacyjnych i radiostacji (z 21 do 11%).
Główną siłą napędową przyszłego rozwoju fotowoltaiki i opanowywania kolejnych nisz rynkowych będzie dalszy spadek kosztów modułów fotowoltaicznych na jednostkę ich mocy szczytowej (w piku) i spadek kosztów produkowanej za ich pośrednictwem energii. W ciągu ostatnich 20 lat (1977-1996) cena modułów spadła trzykrotnie z 24 do 8 USD/Wp (w dużych systemach nawet do 5,5 USD/Wp). Przewiduje się, że do roku 2010 cena modułów fotowoltaicznych może spaść nawet do 1 USD/Wp. Obecnie koszt energii elektrycznej z tych systemów wynosi ok. 25 centów/kWh i jest pięciokrotnie wyższy od średniej ceny l kWh z sieci elektroenergetycznej. Taka relacja cen powodowała, że fotowoltaika mogła być konkurencyjna tylko w miejscach, gdzie nie było dostępu do sieci. Jednakże już w roku 2005 przewiduje się, że systemy fotowoltaiczne będą w stanie dostarczać energię po koszcie niższym od 15 centów/kWh, co stanie się ofertą konkurencyjną cenowo w wypadku sprzedaży energii do sieci w okresie szczytowego zapotrzebowania mocy.
Uważa się, że generatory fotowoltaiczne mogą mieć w przyszłości znaczny udział w globalnej produkcji energii elektrycznej nawet w tych krajach, które nie mają zbyt dobrych warunków nasłonecznienia. Ich zastosowanie wpłynęłoby na zmniejszenie emisji SO2, NO2, CO2 oraz na poprawę środowiska naturalnego.
Obecnie łączna moc elektrowni fotowoltaicznych na świecie wynosi ponad 20 MW.

Marian Walkusz