Wstęp Energia Kolektory Fotoogniwa Zastosowanie Obliczenia Galeria zdjęć  Bibliografia Linkownia Kontakt

FOTOOGNIWA

Ogniwa słoneczne - bezpośrednia przemiana energii słonecznej w elektryczną.

Fotowoltaika jest technologią, dzięki której promieniowanie słoneczne jest bezpośrednio przetwarzane na energię elektryczną.

Prace nad wykorzystaniem bezpośredniej przemiany energii słonecznej w elektryczną metodą fotowoltaiczną prowadzone są w Polsce od 1973 roku. Polega ona na powstawaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika przez promienie słoneczne. W celu wykorzystania tego zjawiska buduje się kolektory w postaci baterii słonecznych stanowiących zestaw ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo, aby uzyskać odpowiednie napięcie i równolegle, aby uzyskać niezbędną moc. Oprócz kolektorów instalacje fotowoltaiczne mogą zawierać konstrukcję wspierającą wraz z układem sterującym ruchem kolektorów, system regulacji i kontroli, urządzenie przekształcające prąd stały uzyskiwany z kolektorów w prąd zmienny i system magazynowania energii lub rezerwowe źródło energii.

Jak to działa?

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki z półprzewodnika posiadającej złącze P (positive) - N (negative). W strukturze takiej występuje pole elektryczne (bariera potencjału). W chwili, gdy na ogniwo pada światło słoneczne, powstaje para nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, elektron - dziura, które zostają następnie rozdzielone przez pole elektryczne. Rozdzielone ładunki powodują, iż w ogniwie powstaje napięcie. Po dołączeniu obciążenia (urządzenia pobierającego energię) następuje przepływ prądu elektrycznego.

Objaśnienia do schematu budowy i działania ogniwa fotowoltaicznego:

1. elektrody metalowe,
2. półprzewodnik typu N,
3. pole elektryczne (bariera potencjału),
4. półprzewodnik typu P,

Obecnie fotoogniwa najczęściej produkuje się z krzemu, który jest drugim (po tlenie) najpopularniejszym pierwiastkiem na kuli ziemskiej (występuje m.in. w piasku). Istnieje kilka technologii produkcji fotoogniw z krzemu:

1. technologia krzemu monokrystalicznego,
2. technologia krzemu polikrystalicznego,
3. technologia krzemu amorficznego (a-Si).

Spośród wielu zalet instalacji fotowoltaicznych wymienić należy jako te najistotniejsze następujące cechy:

• żadne paliwo nie jest potrzebne, a zatem wszelkie problemy związane transportem i magazynowaniem paliwa są wyeliminowane
• ich sprawność nie zmniejsza się wraz z upływem czasu
• żywotność wynosi 20-30 lat
• na skutek braku części ruchomych nie ulegają zużyciu, nie wymagają części zamiennych ani konserwacji
• energia elektryczna wytwarzana jest nawet w dni pochmurne poprzez wykorzystanie promieniowania rozproszonego
• instalacja nie wymaga żadnej obsługi ani konserwacji
• w czasie produkcji energii elektrycznej nie powstają żadne szkodliwe odpady zanieczyszczające środowisko
• brak kosztów eksploatacji.

Podstawowym parametrem fizycznym cechującym ogniwo słoneczne jest jego sprawność. Sprawnością ogniwa nazywamy stosunek uzyskiwanej z ogniwa energii elektrycznej do energii promieniowania słonecznego padającego na ogniwo. Około1960 roku ogniwa miały 19 mm średnicy, a ich sprawność wynosiła 6 do 7%. W pięć lat później sprawność wzrosła do 9%, średnica do 30 mm, średnia moc do 2,5W.

Trzecia generacja ogniw pojawiła się w latach 70-tych. Średnica wynosiła 57 mm, sprawność zaś 12,5%. Dziś sprawność ogniw słonecznych osiąga ponad 25%. Przykładowe fotomoduły dostępne w ofercie handlowej przedstawione są w poniższej tabeli.

Dane techniczne baterii słonecznych (fotomodułów) firmy SUN SET - seria SM.  

Źródło: strona internetowa www.ekologika.com

Obecnie energia elektryczna z ogniw fotowoltaicznych jest jednak wyraźnie bardziej kosztowna niż innych źródeł. Jednakże, jeżeli najbliższa sieć elektryczna jest dalej niż 10 km od odbiorcy, a zapotrzebowanie na energię jest małe (np. pojedynczy dom), to nawet dziś może być bardziej opłacalne zainstalowanie ogniw fotoelektrycznych.

Dwa główne typy systemów fotowoltaicznych naziemnych są możliwe do wykorzystania w celu wytwarzania dużej ilości energii:

• instalacje umieszczone na powierzchni ziemi, które mogą zaspokajać lokalne zapotrzebowanie gospodarstw wiejskich
• instalacje na budynkach z kolektorami o powierzchni 50-10000 metrów kw. i średniej dziennej produkcji 25-5000 kWh

W obu przypadkach można stosować kolektory z koncentracją optyczną, czyli wykorzystujące promieniowanie słoneczne rozproszone, które w naszych warunkach najczęściej występuje.

Szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem jest połączenie kolektorów termicznych z fotowoltaicznymi w jeden system, ponieważ większość budynków potrzebuje zarówno ciepła, jak i energii elektrycznej. W tym przypadku powierzchnia pochłaniająca kolektorów cieplnych jest uformowana częściowo z ogniw słonecznych, które przetwarzają część promieniowania w energię elektryczną, promieniowania pozostałe zaś około 50% promieniowania przekształcane jest w ciepło użytkowe. Chociaż w rezultacie tego połączenia sprawność kolektorów fotowoltaicznych ulega częściowemu zmniejszeniu, to jednak w sumie instalacje takie pozwalają łącznie spożytkować do 60% promieniowania słonecznego oraz są bardziej efektywne gdyż wykorzystywana jest wspólna powierzchnia dla kolektorów cieplnych i fotowoltaicznych.

O zastosowaniu ogniw słonecznych do produkcji energii elektrycznej decyduje cena ogniwa słonecznego w przeliczeniu na 1W uzyskanej mocy elektrycznej. Według badań amerykańskich energia fotoelektryczna jest jeszcze 10 - krotnie droższa niż energia jądrowa. Należy jednak uwzględnić, że ogniwa słoneczne tanieją a koszty pozyskiwania energii w elektrowniach jądrowych drożeje. Obecnie koszt jednostki energii z układów fotowoltaicznych jest dość wysoki. W najbliższych latach przewiduje się jednak szybka obniżkę kosztów.

Technologia fotowoltaiczna należy do wysoko rozwiniętych technologii.

Cykl technologiczny stosowany podczas produkcji fotoogniw: 

1. Testowanie ogniw. Pomiary i sortowanie ogniw słonecznych według wydajności.
   
2. Czyszczenie płyt szklanych. Mycie i suszenie.
   
3. Cięcie folii i układanie na płytach szklanych.
   
4. Lutowanie ogniw. Całkowicie automatyczne lutowanie ogniw w pasma (strings).
   
5. Lutowanie poprzeczne. Kompletowanie modułów przez lutowanie pasm (strings).
   
6. Ręczne układanie. Równolegle z całkowicie zautomatyzowanym lutowaniem ogniw, prefabrykowane pasma (strings) mogą być układane na przygotowanych płytach szklanych, przy pomocy półautomatycznego urządzenia próżniowego.
   
7. Kontrola. Kontrola wizualna i pomiary charakterystyki prądu biernego. Nakładanie pozostałych folii, potrzebnych do laminowania.
   
8. Laminowanie. Laminowanie zestawu połączonych folii pod próżnią, w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Dzięki temu ogniwa słoneczne są hermetycznie zamknięte, na dziesiątki lat.
   
9. Montaż końcowy. Obróbka krawędzi, instalowanie skrzynek przyłączeniowych, ew. montaż uszczelek i ram.
   
10. Test wysokiego napięcia. Test niezawodności izolacji między obwodem prądowym ogniwa i uchwytem modułu.
    
11. Test mocy. W symulowanych warunkach oświetlenia słonecznego mierzona jest moc modułów. Moduł, który pozytywnie przeszedł ten test, otrzymuje numer seryjny. Wszystkie parametry są zapisywane i kojarzone z numerem seryjnym.
    
12. Kontrola jakości/odbiór końcowy. Kontrola wizualna gotowych modułów pod kątem jakości materiału i wykonania. Powtórna kontrola wszystkich wcześniejszych testów jakości.

    Elektrownie słoneczne

    Energię słoneczną można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej i do produkcji ciepłej wody. Są dwie metody wykorzystania energii słonecznej :

    1. - metoda heliotermiczna;
       
    2. - metoda helioelektryczna.
       

    Metoda heliotermiczna polega na przemianie promieniowania słonecznego w ciepło, doprowadzane następnie do turbiny napędzającej generator, produkujący energię elektryczną. Elementami w niej stosowanymi są: - heliostaty- zwierciadła ogrzewane energią słońca i kierujące odbite jego promienie na umieszczony centralnie na wysokiej wieży absorber, składający się z rurek ogniskujących na sobie odbite od heliostatów promieniowanie słoneczne. Wewnątrz rurek absorbera krąży czynnik roboczy (sód, lit. azotan potasu), którego pary napędzają turbinę. Największą elektrownią słoneczną działającą na tej zasadzie jest elektrownia Barstow o mocy 10 MW pracująca w Kalifornii (USA). W projekcie takiej elektrowni o mocy 100 MW wieża absorbera ma wysokość 225 m, heliostaty zaś są umieszczone w polu o pro- mieniu 450 m, temperatura czynnika roboczego dochodzi do 530°C. Inny projekt amerykański elektrowni słonecznej o mocy 250 MW przewiduje zbudowanie jej na pustyni, gdzie moc promieniowania słonecznego dochodzi do 900 W/m2. Uzyskane parametry czynnika roboczego wyniosą 15 MPa, 500°C. Schemat ideowy takiej elektrowni przedstawiono na rysunku poniżej

    

    Schemat ideowy elektrowni heliocentrycznej typu CRS
    1 - zwierciadła sterowane komputerem, 2 - absorber, 3 - zbiornik nagrzanego helu, 4 - zbiornik ochłodzonego helu, 5 - wytwornica pary, 6 - turbina, 7 - skraplacz, 8 - chłodnica, 9 - generator, 10 - obieg helu, 11 - obieg parowy, 12 - obieg wody chłodzącej

    Metoda helioelektryczna polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie słońca, lecz również promieniowanie rozproszone (przy zachmurzeniu). Ogniwa fotoelektryczne są wykonywane z krystalicznego krzemu, arsenku galu lub siarczanu kadmu. Moc elektrowni fotoelektrycznych wynosi 20-1000 kW. Przodują w ich budowie Stany Zjednoczone, Japonia i Francja. Największą, produkującą od 1985 r. elektrownią tego typu jest elektrownia CarissaPlainas w Kalifornii o mocy 6,5 MW. Planuje się budowę elektrowni tego rodzaju o mocy 10 MW. Stosuje się w nich koncentrację promieniowania słonecznego przez zastosowanie zwierciadeł parabolicznych lub soczewek Fresnela. Ogniwa fotoelektryczne zajmują wielką powierzchnię. Elektrownia o mocy 1000 MW wymagałaby powierzchni 50 km2. Sprawność ogniw fotoelektrycznych jest mata i wynosi od 10% (ogniwa z krzemem polikrystalicznym) do 12-16% (ogniwa z krzemem monokrystalicznym) i 23% (ogniwa z arsenku galu). Koszt elektrowni z ogniwami fotoelektrycznymi w 1995 r. wynosił 10000 dol./kW

    

    Zdjęcie fragmentu elektrowni słonecznej.

    Do góry