fbpx

Konwersja fotowoltaiczna

Flickr / @ Michael Kleber / CC BY 2.0

Konwersja fotowoltaiczna

Fotowoltaika jest procesem zamiany promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Proces ten wykorzystuje do produkcji energii półprzewodniki, które po nagrzaniu przez promienie słoneczne generują odpowiednią siłę elektromotoryczną. Pełne wykorzystanie tego typu procesu polega na zbudowaniu ogniw (baterii) fotowoltaicznych aby uzyskać odpowiednią moc i napięcie.

Jak wynika z raportu Markets and Markets w 2020 roku rynek fotowoltaiki na świecie osiągnie wartość ponad 345 mld dolarów, notując w najbliższych latach średnioroczny wzrost o 18,3%.

Co to są ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

Obecnie znanych jest wiele typów materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są ogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego, ale produkuje się też ogniwa oparte na krzemie polikrystalicznym, krzemie amorficznym, polimerach, tellurku kadmu (CdTe), CIGS i wielu innych. Intensywny rozwój przemysłu fotowoltaicznego w ostatnich latach pociąga za sobą duże zainteresowanie badaniami nad wydajniejszymi i tańszymi ogniwami.

Ogniwo fotowoltaiczne źródłem prądu

Panele fotowoltaiczne przekształcają energię ze słońca w prąd. Tak można w skrócie opisać proces, który zachodzi w ogniwach fotowoltaicznych. Nadmiar wyprodukowanego przez prosumenta prądu może być odsprzedany do sieci. Jeśli jednak wyprodukujemy go za mało, niedobór jest dobierany z sieci publicznej.

Do najważniejszych zalet fotowoltaiki należą spore oszczędności, które może zanotować gospodarstwo domowe decydujące się na takie rozwiązania.

Dodatkowym plusem jest to, że energię elektryczną wytwarzają sami jej odbiorcy (a nie centralne elektrownie i elektrociepłownie) co pozwala uniknąć strat energii, które powstają gdy jest ona przesyłana na duże odległości. Trzeba też pamiętać o efekcie ekologicznym i ograniczeniu emisji CO2.

Instalacja fotowoltaiczna – koszt czy zysk?

Odnawialne źródła energii cieszą się coraz większym zainteresowaniem – nie tylko z przyczyn ekologicznych, ale także ekonomicznych. Coraz więcej właścicieli gospodarstw domowych i rolnych rozważa instalację paneli fotowoltaicznych. Sprzyja temu popularyzacja tematu, stopniowy spadek cen paneli i nowelizacja ustawy o OZE. Przed podjęciem decyzji o inwestycji warto zapoznać się z podstawowymi pojęciami zdefiniowanymi w zapisach prawnych, ekspertyzami dotyczącymi kosztów, jak również oszczędności i zysków.

Kim jest prosument?

W odniesieniu do obrotu rynkowego produktami i usługami do tej pory najczęściej używane było pojęcie „konsument”. To „nabywca towarów lub usług albo użytkownik jakichś zasobów lub dóbr”. Jeśli chodzi o odnawialne źródła energii, mamy do czynienia z innym modelem i innym pojęciem, jakim jest „prosument”. Na czym polega różnica?

Konsument wyłącznie konsumuje, czyli przyłącza się do sieci elektrycznej i pobiera z niej prąd. Prosument jest równocześnie producentem i konsumentem tzn. jest podłączony do sieci, pobiera z niej prąd a równocześnie produkuje go. Potocznie mówi się, że prosument sprzedaje prąd do sieci elektroenergetycznej.

Ustawa o OZE definiuje, że prosument oddaje do sieci nadwyżki wyprodukowanej energii, zyskując dzięki temu opust, gdy ma większe zapotrzebowanie na prąd np. zimą. Operator pobiera pozafinansową należność za magazynowanie nadwyżek energii wyprodukowanej przez prosumenta.

Zasadę jej naliczania określają wskaźniki: 0,7 i 0,8. Prosument, który ma instalację mikroinstalację fotowoltaiczną do 10 kW, wysyła do sieci 1000 kWh, a odbiera 800 kWh. Natomiast właściciel instalacji o mocy 10-40 kW wysyła 1000 kWh, a odbiera 700 kWh.

Trzeba podkreślić, że prosumentami mogą być osoby prywatne oraz podmioty niepodlegające ustawie o swobodzie działalności gospodarczej w tym gospodarstwa rolne, kościoły, instytucje samorządowe (np. szkoły).

W przypadku przedsiębiorców sytuacja wygląda nieco inaczej. Ponieważ nie mogą oni oddać nadwyżek prądu do sieci i odebrać ich w okresie zwiększonego zapotrzebowania na energię, najbardziej opłacalne jest zoptymalizowanie instalacji fotowoltaicznej tak, by zużywany był cały wyprodukowany prąd, a tym samym zminimalizowany pobór energii z sieci.

Ile kosztuje fotowoltaika?

Koszty zainstalowania paneli fotowoltaicznych zależą od kilku czynników –zapotrzebowania budynku czy gospodarstwa na prąd, lokalizacji i nasłonecznienia obiektu, typu i powierzchni dachu, rodzaju zastosowanego systemu montażowego.

Generalnie przyjmuje się, że panele o mocy 1 kW zajmują około 6-7 metrów kwadratowych na skośnym dachu domu jednorodzinnego. Na dachach płaskich, które wymagają innego sposobu montowania paneli, na 1 kW potrzebne jest kilkanaście metrów kwadratowych. Zwykle na skośnym dachu domu jednorodzinnego mieści się instalacja o mocy 5-7 kW, czyli, zgodnie z ustawą o OZE mikroinstalacja.

Koszt montażu paneli o mocy 1 kW wynosi około 4 000 zł, a za instalację o mocy 7 kW zapłacimy około 35 000 zł (+ 8 proc. VAT).

Energia odnawialna czyli czysty zysk

Chociaż jednorazowy koszt inwestycji w panele fotowoltaiczne może wydawać się znaczny, należy rozpatrywać go w kontekście późniejszych oszczędności i długofalowego wykorzystania. Dobrej jakości panele mają 25-letnią gwarancję wydajności, tzn. ich producenci zapewniają, że po 25 latach zachowują one aż 80% początkowej sprawności.

Przed podjęciem decyzji o instalacji takiego systemu trzeba sprawdzić rachunki z ostatnich lat i wyliczyć średnioroczne zużycie prądu, a następnie dobrać optymalną moc paneli. Bardzo przydatna będzie pomoc eksperta ds. odnawialnych źródeł energii. Należy też wziąć pod uwagę, że przeważnie prosument latem oddaje prąd do sieci, a zimą go wykorzystuje (pomniejszony o opisane powyżej współczynniki 0,7 lub 0,8), co bilansuje się w skali roku.

Instalacja o mocy 1 kW jest w stanie wyprodukować 1000 kWh. Rynkowa cena, jaką płacimy za prąd, to ok. 63 grosze za 1 kWh. Panele fotowoltaiczne o mocy 5-7 kWh, czyli standardowo instalowane na domu jednorodzinnym, generują prąd o wartości 4 000-5 000 zł rocznie. Najlepiej byłoby w 100% wykorzystać wyprodukowaną energię, ponieważ pozwoli to uniknąć przekazywania jej na rzecz operatora w zamian za magazynowanie. Wszystko zależy od prawidłowego skalkulowania: chodzi o to, aby wykorzystywać tyle prądu, ile jest potrzebne w maksymalnym momencie.

Realnie odczujemy zysk już w pierwszym roku użytkowania paneli, od początku rachunki za energię elektryczną staną się niższe (przy założeniu, że w całości zużywa się wyprodukowany prąd).

Przyjmuje się, że taka inwestycja – zrealizowana bez dofinansowania – zwraca się po 6-7 latach. Natomiast dzięki dofinansowaniu koszty spadają nawet o 85%. Jeżeli prosument odpowiednio wybierze i przygotuje instalację fotowoltaiczną, praktycznie jest w stanie pozbyć się wszystkich opłat za prąd!

w przygotowaniu: ogniwo słoneczne, budowa ogniwa fotowoltaicznego, fotowoltaika, schemat instalacji fotowoltaicznej

Historia fotowoltaiki

1839 rok – Aleksander Edmund Becquerel, francuski fizyk odkrywa efekt fotoelektryczny. Podczas doświadczeń z elektrodami i elektrolitem zauważył, że przewodność rośnie wskutek oświetlenia układu. Francuski naukowiec miał wtedy 19 lat. Podczas eksperymentu używał różnych rodzajów światła, najlepszy efekt uzyskał przy niebieskim świetle lub promieniowaniu ultrafioletowym.

Efekt fotoelektryczny (zjawisko fotoelektryczne, fotoefekt) to zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu, zwane również precyzyjniej zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym – dla odróżnienia od wewnętrznego. W zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym nośniki ładunku są przenoszone pomiędzy pasmami energetycznymi, na skutek naświetlania promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu. Emitowane w zjawisku fotoelektrycznym elektrony nazywa się czasem fotoelektronami. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła, a jedynie od jego częstotliwości. Gdy oświetlanym ośrodkiem jest gaz, zachodzi zjawisko fotojonizacji, natomiast gdy zachodzi zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, mówi się o fotoprzewodnictwie.

1873 rok – Pierwsza obserwacja efektu fotoelektrycznego w ciele stałym (selenie) przez Willoughby Smith’a. Podczas badania przewodnictwa prętów selenu odkrył, że wzrasta znacznie gdy są one oświetlone. Doświadczenie to zostało opisane przez niego w artykule „ Wpływ światła na selen podczas przepływu prądu” w gazecie Nature.

1877 rok – W.G. Adams i R.E. Day obserwują zjawisko fotowoltaiczne w selenie. W rurce szklanej umieścili pręt selenu, na którego końcach zamontowali platynowe elektrody. Celem eksperymentu było sprawdzenie czy pod wpływem światła w selenie będzie wytwarzany prąd. Pozytywny wynik doświadczenia, oznaczał powstanie uproszczonego modelu ogniwa fotowoltaicznego.

1883 rok – Charles Fritts tworzy pierwsze ogniwo selenowe. Składa się ono z cienkiej warstwy selenu powleczonej złotem. Ogniwo to charakteryzowało się bardzo niską sprawnością zbliżoną do 1%.

1887 rok – Heinrich Hertz odkrywa, że światło ultrafioletowe wyzwala iskrę w odbiorniku z cewką. Podczas eksperymentu zaobserwował, że szyba szklana lub kwarc zmniejszają iskrę, ponieważ pochłaniają promieniowanie elektromagnetyczne.

1888 rok – Edward Weston rejestruje w USA patenty o numerach US389124 US389125 na ogniwo słoneczne

1888 rok – Rosyjski uczony Aleksander Stoletov rozpoczął badania fotoefektu, odkrytego przez Herza. Wynikiem badań jest pierwsze prawo fotoefektu (zwane prawem Stoletowa), zgodnie z którym natężenie fotoprądu jest wprost proporcjonalne do intensywności padającego światła

1894 rok – Melvin Severy rejestruje patenty US527377 i US527379 na ogniwa słoneczne

1897 rok – Harry Reagan rejestruje kolejny patent US588177 na ogniwo słoneczne

1902 rok – Philipp von Lenard odkrywa zależność między energią emitowanych elektronów a intensywnością światła padającego na powierzchnię. Lenard ustalił, że natężenie fotoprądu zależy od natężenia padającego światła, energia elektronów jest natomiast od tegoż natężenia niezależna co było wynikiem sprzecznym z teorią klasycznej elektrodynamiki.

1904 rok – Wilhelm Hallwachs odkrywa że złącze miedzi i tlenku miedzi jest światłoczułe.

1905 rok – Albert Einstein podał wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego wykorzystując hipotezę kwantów Plancka. Uznał, że energia jest przekazywana elektronom w postaci porcji (kwantów energii). Według niego światło to strumień cząstek – fotonów, z których każdy niesie ściśle określoną porcję energii – kwant energii. Foton oddziałując z elektronem znajdującym się na powierzchni płytki metalowej, przekazuje mu całą swą energię. W przypadku, gdy energia wiązania elektronu W równa pracy, jaką należy wykonać, by wyrwać elektron z powierzchni płytki, jest większa od energii fotonu – zjawisko nie zajdzie, jednak gdy energia fotonu stanie się większa niż praca wyjścia W, elektron zostaje wyrwany z powierzchni płytki.

1911 rok – William J. Bailley opatentował kolektor słoneczny do podgrzewania wody. Nie służył on do wytwarzania prądu, lecz był jednym z pierwszych urządzeń, które pokazywały praktyczne wykorzystanie energii słonecznej.

1916 rok – Robert Millikan podaje doświadczalny dowód zachodzenia zjawiska fotoelektrycznego.

1918 rok – Jan Czochralski opracował metodę wytwarza monokryształów metali oraz ich stopów. Jest to jedna z najpowszechniejszych metod do produkcji np. monokryształów krzemu (krzem wytworzony metodą Czochralskiego)

1921 rok – Albert Einstein otrzymuje Nagrodę Nobla z wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego.

1932 rok – Audobert and Stora odkrywają efekt fotowoltaiczny w selenku kadmu. Selenek kadmu jest czuły na promieniowanie elektromagnetyczne, którego maksimum przypada na długość fali przy 730 nm (światło podczerwone.) Właściwość ta pozwala stosować go do produkcji fotorezystorów, fototranzystorów, elementów optoelektronicznych, detektorów promieniowania podczerwonego, sensorów optycznych czy ogniw fotowoltaicznych.

1954 rok – amerykańscy naukowcy z Bell Labs, Pearson, Chapin i Fuller skonstruowali ogniwo słoneczne o sprawności 4%. W krótkim czasie udało im się powiększyć sprawność urządzenia do 6%. Daryl Chapin zajmował się selenowymi ogniwami słonecznymi. Podczas eksperymentów z selenem nie mógł przekroczyć 1% sprawności ogniwa. Calvin Fuller i Gerald Pearson zajmowali się projektami związanymi z tranzystorami krzemowymi. Podczas jednego z eksperymentów zauważyli, ze tranzystor pod wpływam światła wytwarza prąd elektryczny. W 1954 roku w trójkę zaprezentowali ogniwo słoneczne które zasilało wiatrak zabawkę i radio. Ogniwo osiągało maksymalną sprawność 6%, co powodowało, ze jego masowa produkcja nie była opłacalna.

1958 rok – Hoffman Electronics zbudowało ogniwo słoneczne o sprawności 9%. W tym samym roku panele słoneczne zastosowano w satelicie Vanguard I. Kolejne projekty kosmiczne Explorer czy radziecki Sputnik wykorzystywały ogniwa słoneczne do zasilania części urządzeń pokładowych (np. radia).

1959-1960 rok – Hoffman Electronics buduje ogniwa fotowoltaiczne o sprawności 10% a następnie 14%.

1959 rok – satelita Explorer 6 jest zasilana ogniwami słonecznymi – bateria słoneczna była zbudowana z 9600 komórek, każda o wielkości 1 na 2 cm.

1962 rok – firma Bell Telephone Laboratories umieszcza na orbicie ziemskiej pierwszego satelitę telekomunikacyjnego Telstar 1. Jest on zasilany panelami słonecznymi umieszczonymi na całej jego powierzchni i wytwarzającymi 14 W mocy.

1963 rok – Sharp Corporation instaluje na latarni morskiej w Japonii macierz paneli słonecznych dostarczających 242 W mocy.

1964 rok – NASA umieszcza na orbicie ziemskiej satelitę meteorologicznego Nimbus 1. System był zasilany poprzez 2 panele słoneczne, każdy z nich zawierał 10,5 tys. ogniw, wytwarzających łączną moc około 470 W.

1968 rok – ogniwa fotowoltaiczne wykonane z siarczku kadmu zostało wykorzystane do zasilania odbiornika telewizyjnego w wiejskiej szkole w Gondel (Nigeria) W przeciągu kolejnych 4 lata Francja instaluje kolejne 123 odbiorniki telewizyjne wraz ogniwami słonecznymi, wykorzystywane do celów edukacyjnych.

Początek lat 70-tych XX w – cena ogniw słonecznych spada ze 100 $ za wat, do 20 $ za wat. Ogniwa słoneczne zaczynają być wykorzystywane do zasilania świateł nawigacyjnych na morzu i platformach naftowych, czy lamp ostrzegawczych na przejazdach kolejowych.

1978 rok – NASA’s Lewis Research Center instaluje 3,5 kW system ogniw słonecznych zasilający wioskę indiańską Papago w Arizonie. System zasila 15 domów mieszkalnych (domy oraz popy wodne) do roku 1983, gdy tere ten zostaje podłączony do linii energetycznej.

1981 rok – Paul MacCready buduje samolot napędzany energią słoneczną. Zasilanie zapewniało mu 16000 ogniw słonecznych umieszczonych na skrzydłach i generujących 3 000 wat mocy. W tym samym roku przelatuje on 262 km trasy z Francji do Wielkiej Brytanii nad kanałem La Manche

1982 rok – w Australii powstaje pierwszy samochód napędzany ogniwami słonecznymi. Pokonał on w 20 dni trasę 2800 mil pomiędzy Perth a Sydney.

1986 rok – w Kramer Junction, stan Kalifornia powstaje wielka elektrownia słoneczna. Wykorzystuje energię słońca do podgrzewania wody poprzez system luster skupiających promienie słoneczne. Para wytworzona z gorącej wody napędza tradycyjne generatory prądu, wytwarzające moc 354 MW.

1992 rok – naukowcy z University of South Florida wytwarzają ogniwo fotowoltaiczne o sprawności 15,9 %. Zostaje przełamana bariera 15% sprawności ogniw.

1998 rok – samolot Pathfinder napędzany energia słoneczną osiąga rekordową wysokość lotu – 80 000 stóp (około 26 000 metrów).

1999 rok – w Nowym Jorku zostaje oddany do użytku budynek 4 Times Square. Pomiędzy 37 a 43 piętrem na ścianie południowej i zachodniej elewację stanowią ogniwa fotowoltaiczne zasilające budynek w energię elektryczna.

XXI – Fotowoltaika staje się jednym z głównych źródeł energii

Leave a Reply

Przewiń do góry
X