Słońce to niespożyte źródło energii, które w naszym kraju wciąż jest wykorzystywane w niewystarczający sposób. Jednym ze sposobów zamiany promieni na energię są ogniwa fotowoltaiczne, dzięki którym możesz uzyskać czysty jak źródlana woda prąd dla Twojego domu.

Słońce to największa elektrociepłownia znana człowiekowi. W dodatku pracuje za darmo i nie zanieczyszcza ziemskiej atmosfery. Problem w tym, że wciąż jesteśmy na zbyt niskim etapie rozwoju cywilizacji, aby w pełni z tego dobra korzystać. Według naukowców, do naszej planety dociera ze Słońca tyle energii, że zaledwie jedna godzina promieniowania mogłaby zaspokoić potrzeby energetyczne całej planety na rok. Cóż, na razie pozostaje nam korzystać ze sposobów jakie znamy. A jednym z najlepszych są właśnie ogniwa fotowoltaiczne.

Jak to działa?


Schemat działania ogniw fotowoltaicznych
Korzenie ogniw fotowoltaicznych sięgają XIX wieku. Francuski fizyk Aleksander Edmund Becquerel wyprodukował po raz pierwszy prąd ze światła słonecznego w 1883 roku. Do budowy ogniwa fotowoltaicznego zastosował selen jako półprzewodnik z cienką warstwą złota. Urządzenie charakteryzowało się sprawnością energetyczną na poziomie… 1 proc. Mimo że technika poszła mocno do przodu, podstawowe założenia uzyskiwania energii elektrycznej ze Słońca pozostają niezmienne. Nie zagłębiając się w teorię i naukowe definicje, w dużym skrócie w taki sposób można opisać działanie ogniw: promienie słoneczne padające na półprzewodnik powodują powstawanie par elektron-dziura, których ruch i rozdzielenie ładunku powoduje powstanie na nim napięcia elektrycznego.

Także sprawność energetyczna przez ponad wiek nie urosła tak bardzo, jak byśmy tego chcieli. Obecnie panele mogą uzyskać sprawność na poziomie ok. 22 – 25 proc. I to te najlepsze. Średnia wartość w najpopularniejszych ogniwach polikrystalicznych to ok. 12 – 15 proc.

Ogniwa fotowoltaiczne działają od świtu do zmierzchu przez cały rok. Nawet w pochmurne dni, kiedy wykorzystywane jest promieniowanie rozproszone!

Jak można wykorzystać ogniwa fotowoltaiczne?

Na wiele sposobów. Sprawdzają się wszędzie tam, gdzie nie ma dostępu do publicznej sieci elektrycznej. Mogą być instalowane na:

  • łodziach, jachtach, szalupach ratunkowych
  • punktach pomiarów meteo
  • satelitach, stacjach kosmicznych
  • robotach, pojazdach elektrycznych
  • przyczepach campingowych
  • znakach drogowych
  • latarniach ulicznych
  • światłach ulicznych
  • domkach letniskowych
  • domach jednorodzinnych
  • dachach, elewacjach fabryk, biur, zakładów pracy

Energia uzyskiwana w ten sposób od lat wykorzystywana jest do zasilania zegarków, kalkulatorów, telefonów satelitarnych. Ostatnio pojawiły się nawet plecaki i torby z fotoogniwami. Dzięki temu możesz nawet podczas górskiej wyprawy naładować laptopa, iPoda czy telefon komórkowy.

Rodzaje

Większość fotoogniw na rynku zbudowana jest z krzemu. Jeśli chodzi o urządzenia, których budowę oparto o ten pierwiastek wyróżniamy:

  • ogniwa monokrystaliczne
  • ogniwa polikrystaliczne
  • ogniwa amorficzne

Ogniwa monokrystaliczne wykonane są z jednego dużego kryształu krzemu. Mają wysoką sprawność energetyczną i są dość drogie. Wyróżniają się ciemnym, niemal czarnym kolorem. Tego rodzaju ogniwa stosowane są zazwyczaj przy mocach 150 – 180 W na jeden panel.

Ogniwa polikrystaliczne robione są z wykrystalizowanego krzemu. Mają niższą sprawność energetyczną, kolor niebieski i są tańsze w produkcji niż ogniwa monokrystaliczne. Technologia polikrystaliczna stosowana jest przy produkcji modułów o wyższych mocach – powyżej 200 W na jeden panel.

Ogniwa amorficzne to technologia najbardziej zaawansowana. Wykonane są z amorficznego, niewykrystalizowanego krzemu. Co ciekawe, charakteryzują się najniższą efektywnością energetyczną. Są też tańsze. Łatwo je odróżnić po ciemnym, lekko bordowym kolorze. Stosowane do małych urządzeń i w dużych elektrowniach słonecznych.

 Monokrystaliczne  Polikrystaliczne  Amorficzne
     
 Sol – 230 M  IBC PolySol 240 LS  Schott Protect ASI 97

 

W gospodarstwach domowych najczęściej stosuje się ogniwa polikrystaliczne. Są tanie, mają całkiem wysoką sprawność energetyczną oraz stosunkowo wysoką moc (na jeden panel).

To jednak nie wszystko. Technologia prze naprzód także w dziedzinie fotowoltaiki. Na rynku dostępne są już panele drugiej generacji. Dzielą się na dwa rodzaje:

  • CdTe
  • CIGS

CdTe – do budowy tego rodzaju ogniw wykorzystuje się tellurek kadmu jako półprzewodnik. Charakteryzują się wysoką trwałością i dobrym stosunkiem ceny do mocy.

CIGS – wykorzystywane są takie półprzewodniki jak miedź, ind czy selen. Mają dość wysoką sprawność energetyczną i są
Panel DSC
bardzo tanie w produkcji.

Obecnie udoskonalane są ogniwa fotowoltaiczne III generacji, które znacznie różnią się od ogniw monokrystalicznych i polikrystalicznych. Chodzi o wymyślone przez firmę Dyesol tzw. ogniwa barwnikowe, które wykorzystują mechanizm stosowany przez naturę od milionów lat – fotosyntezę. Ogniwa barwnikowe określane są skrótem DSC od angielskiego dye-sensitized solar cell  (inne określenia to DSSC lub DYSC). Urządzenia takie składają się z nanokomórek zawierających syntetyczny barwnik, będący odpowiednikiem chlorofilu. W swoim działaniu naśladują one komórki spotykane w liściach roślin.

Nie zagłębiając się w szczegóły, warto wiedzieć, że tego rodzaju technologia pozwala na czerpanie energii z promieni słonecznych w warunkach, w których poległyby inne rodzaje paneli. Ogniwa barwnikowe pracują obustronnie przy świetle rozproszonym i odbitym. Jako że są niemal całkowicie przejrzyste można je montować w pomieszczeniach jako przejrzyste ścianki albo w świetlikach dachowych czy na szklanych powierzchniach budynków. Sprawdzą się także w miejscach częściowo zacienionych, na ścianach budynków, w przedsionkach czy wiatrołapach. 

W lipcu 2013 roku ogniwa DSC firmy Dyesol pobiły rekord sprawności energetycznej w tego typu rozwiązaniach osiągając poziom 15 proc. W ten sposób ogniwa barwnikowe stały się bardzo konkurencyjne dla ogniw fotowoltaicznych I i II generacji. Wciąż jednak trwają badania nad ogniwami DSC i mają one nadal niewielki udział w rynku. Bez wątpienia jednak przyszłość należy do nich.

Rodzaje systemów fotowoltaicznych

Żeby korzystać z energii słonecznej, potrzebne są nie tylko same ogniwa, ale cały system. Systemy produkujące prąd za pomocą promieni słonecznych dzieli się na:

  • autonomiczne (off grid)
  • podłączone do sieci (grid connected, on grid)

Autonomiczne działają w sieci zamkniętej. Mogą przekazywać prąd wprost do urządzeń lub magazynować energię w akumulatorach

Podłączone do sieci nie potrzebują akumulatorów. Nadwyżki prądu kierowane są do sieci publicznej, a nie magazynowane w akumulatorach.

Systemy solarne dzieli się również ze względu na sposób ich budowy i zasilania urządzeń elektrycznych. Mogą być:

  • proste
  • umiarkowane
  • profesjonalne

Proste dostarczają prąd bezpośrednio do urządzeń zasilanych prądem stałym o niskim napięciu. Umiarkowane dodatkowo wyposażone są w falownik, zmieniający prąd ze stałego na zmienny. Systemy profesjonalne obok falownika posiadają także akumulatory i sterownik kontrolujący ich ładowanie oraz automatyczny przełącznik sieć – energia solarna. W momencie, kiedy ogniwa i akumulatory nie będą zaspokajały potrzeb energetycznych domu, braki będą dostarczane z sieci publicznej.


Profesjonalny system fotowoltaiczny: 1 – falownik, 2 – przełącznik między źródłami zasilania,
3 – akumulatory, 4- regulator ładowania, 5 – system zdalnej obsługi, 6 – podłączenie do sieci (źródło: Soldar)

Parametry

Większość parametrów ogniw fotowoltaicznych opisują skomplikowane wzory fizyczne i matematyczne niezrozumiałe dla przeciętnego konsumenta. Dla przeciętnego Kowalskiego powinny wystarczyć podstawowe parametry takie jak:

  • sprawność energetyczna
  • moc maksymalna
  • tolerancja
  • maksymalne napięcie systemu
  • napięcie obwodu otwartego
  • napięcie mocy maksymalnej
  • prąd zwarcia
  • natężenie prądu mocy maksymalnej
  • współczynnik wypełnienia (FF)
  • temperatura pracy
  • wymiary
  • masa

Sprawność energetyczna określa stosunek wyprodukowanej energii elektrycznej do promieniowania zasilającego moduł w danym momencie. Tłumacząc najprościej, jeżeli na moduł pada 100 W promieniowania, to urządzenie o wydajności 14,3 proc. wyprodukuje 14,3 W energii.

Tak jak wspomnieliśmy wcześniej, najlepsze ogniwa uzyskują sprawność na poziomie 25 proc. Najczęściej stosowanie moduły sprawność na poziomie 12 – 15 proc. Wciąż jednak można spotkać urządzenia, których sprawność jest niższa niż 10 proc.

Moc maksymalna zależy od wielkości, rodzaju i przeznaczenia modułu. Waha się zazwyczaj od 10 W w niewielkich przenośnych modułach do 320 W w dużych modułach montowanych na dachach domów.

Tolerancja określa możliwość występowania różnic mocy maksymalnej i z reguły wynosi +5/ – 3 procent.

Maksymalne napięcie systemu – wartość ta pokazuje maksymalne napięcie, z jakim mogą pracować ogniwa połączone szeregowo w system. Normalne wartości to 600 – 1000 V.

Napięcie obwodu otwartego wynosi z reguły od 20 do 50 V. Inaczej napięcie jałowe. Oznacza maksymalne napięcie modułu bez podłączonego obciążenia, odbiornika.

Napięcie mocy maksymalnej – jak sama nazwa wskazuje parametr ten określa napięcie uzyskiwane przy pracy z maksymalną mocą. Określany w Voltach (np. 30 V)

Prąd zwarcia – określa maksymalne natężenie prądu przy maksymalnym obciążeniu. Podawany w amperach (np. 8,6).

Natężenie prądu mocy maksymalnej oznacza maksymalne natężenie przy pracy z maksymalną mocą. Wyrażane w amperach (np. 7,5 A).

Współczynnik wypełnienia jest to stosunek rzeczywistej energii uzyskanej z ogniw do ich mocy uzyskanej przy maksymalnych wartościach natężenia i napięcia. Podawany jest w procentach i wynosi z reguły od 70 do 80 proc.

Temperatura pracy – większość modułów może pracować w temperaturze od – 40oC do + 85oC.

Wymiary mogą być bardzo różne – od wielkości paznokcia po duże moduły 1,6 m na 1 m. Standardowa grubość modułu to 30 – 45 mm.

Waga powinna być brana pod uwagę podczas montowania całego systemu na dachu. Z reguły waga jednego modułu, w zależności od rozmiarów, waha się w granicach 20 – 30 kg. Małe moduły do mobilnych zastosowań ważą w granicach 1 – 2 kg.

Producenci i ceny

Poszukując producentów fotoogniw zwróć uwagę m.in. na takie marki:

  • Kyocera
  • Selfa
  • ET Solar
  • Bosch
  • LDK
  • Greentech
  • MW Green Power

W Polsce ogniwa fotowoltaiczne wciąż są dość drogie. Dlatego inwestycja może zwracać się przez kilka, a nawet kilkanaście lat. Jedno duże ogniwo monokrystaliczne potrafi kosztować grubo ponad 2 tys. zł. Ogniwo polikrystaliczne będzie nieco tańsze, nie należy jednak spodziewać się cen niższych niż 1300 zł. Trzeba pamiętać też o tym, że nie kupuje się jednego panelu lecz co najmniej kilka. Przy profesjonalnych systemach z akumulatorami trzeba ustawić moduły o łącznej mocy przynajmniej o 30 proc. wyższej niż wskazywałoby na to zapotrzebowanie zasilanych urządzeń. Przyjmuje się, że na uzyskanie 1 kW mocy z paneli o sprawności ok. 14 proc. należałoby zainstalować moduły o łącznej powierzchni ok. 7 mkw. A same ogniwa to nie wszystko. Trzeba jeszcze dokupić pozostałe elementy systemu. Akumulatory, falownik, sterownik itp.

Podsumowanie

Mimo że ogniwa fotowoltaiczne wciąż są dość drogie i mało popularne w naszym kraju, powinniśmy brać przykład z Niemców, którzy w tej dziedzinie są europejskimi liderami. Stawianie na zieloną energię przynosi korzyści nieprzeliczalne na pieniądze. Poza tym w wielu przypadkach naprawdę warto zastanowić się nad zakupem fotoogniw. Takie przedsięwzięcie może opłacać się, jeżeli chcesz zaspokoić słoneczną energią tylko część potrzeb Twojego gospodarstwa domowego. Zakup ogniw fotowoltaicznych jest także wart rozważenia, jeżeli Twoje siedlisko oddalone jest kilka kilometrów od najbliższej linii energetycznej. Fotoogniwa mogą być też sensownym rozwiązaniem w domku letniskowym albo w przyczepie campingowej, gdzie zapotrzebowanie na prąd nie jest bardzo duże.

Życzymy udanej inwestycji!