Ogniwa i systemy fotovoltaiczne

Pompy ciep砤 | O秝ietlenie LED, 縜r體ki LED | Kolektory s硂neczne | Certyfikat energetyczny | Pod硂g體ka

Ogniwa i systemy fotovoltaiczne... Jak to dzia艂a?聽
Energia promieniowania elektromagnetycznego powoduje wybijanie elektron贸w z p贸艂przewodnik贸w, znajduj膮cych si臋 w fotoogniwie (w ogniwach fotowoltaicznych znajduj膮 si臋 dwa p贸艂przewodniki w postaci p艂ytek krzemowych). Gdy w jednym p贸艂przewodniku brak jest elektron贸w (efekt wybicia pod wp艂ywem promieniowania), kumuluj膮 si臋 one w obr臋bie drugiego p贸艂przewodnika....

Tu jest miejsce na reklam.
Zobacz cennik
Na styku dw贸ch p贸艂przewodnik贸w powstaje tzw. zapora, ujemna przy pierwszym p贸艂przewodniku a dodatnia przy drugim. W wyniku na艣wietlenia ogniwa 艣wiat艂em s艂onecznym, padaj膮ce na ogniwo fotony powoduj膮 przesuwanie cz膮stek w p贸艂przewodnikach. W efekcie tego powstaje napi臋cie elektryczne, czyli pr膮d.

Obja艣nienia do schematu budowy i dzia艂ania ogniwa fotowoltaic
znego:

Obja艣nienia do schematu budowy i dzia艂ania ogniwa <a href=fotowoltaicznego" width="194" height="180">

1. styki wykonane z metalu - przewodnika; odprowadzaj膮 wyprodukowany w ogniwie pr膮d,
2. p贸艂przewodnik o biegunie ujemnym (z elektronami),
3. zapora,
4. p贸艂przewodnik o biegunie dodatnim.

ZASTOSOWANIE OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH

    • w domach mieszkalnych i domkach letniskowych - zasilanie ca艂o艣ci lub cz臋艣ci obiektu,
      do zasilanie pomp obiegowych do kolektor贸w s艂onecznych,
    • przy zasilaniu nadajnik贸w radiowych, telewizyjnych, telekomunikacyjnych, BTS-贸w itp.,
    • w instalacjach o艣wietleniowych, w tym w o艣wietleniu pas贸w startowych na lotniskach,
    • w instalacjach alarmowych i TV przemys艂owej - jako pewne i niezale偶ne 藕r贸d艂o zasilania,
    • w reklamach 艣wietlnych i o艣wietleniu billboard贸w - jest to cz臋sto ta艅sze ni偶 pod艂膮czenie do sieci,
    • do zasilania urz膮dze艅 na 艂odziach i statkach oraz w samochodach kempingowych,
    • jako niezale偶ne 藕r贸d艂o energii dla pomp, przepompowni i linii produkcyjnych,
    • jako jedyne 藕r贸d艂o energii dla stacji meteorologicznych i innej aparatury badawczo - pomiarowej,
    • w miejscach trudnodost臋pnych, gdzie nie ma sieci energetycznej,
    • do produkcji pr膮du w elektrowniach s艂onecznych,

1. WST臉P
Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na 艢wiecie ze wzgl臋du na to, 偶e przetwarzaj膮 one promieniowanie s艂oneczne bezpo艣rednio na energi臋 elektryczn膮, bez ubocznej produkcji zanieczyszcze艅, ha艂asu i innych czynnik贸w wywo艂uj膮cych niekorzystne zmiany 艣rodowiska. Efekt fotowoltaiczny zosta艂 zaobserwowany przez francuskiego fizyka Edmonda Becquerela w 1839 r. Pierwszym powa偶nym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych by艂o zasilanie satelit贸w w ko艅cu lat pi臋膰dziesi膮tych. Zapotrzebowanie na wysoce niezawodne i lekkie 藕r贸d艂a energii dla zastosowa艅 kosmicznych by艂o si艂膮 nap臋dow膮 rozwoju technologii fotowoltaicznej w jej pocz膮tkowym okresie, a post臋p techniczny w latach sze艣膰dziesi膮tych pozwoli艂 na wykorzystanie system贸w fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych. Pomimo post臋pu, systemy fotowoltaiczne by艂y zbyt drogie, by mog艂y by膰 powszechnie zastosowane. Jednak偶e, wzrost cen energii wywo艂any kryzysem naftowym w po艂owie lat siedemdziesi膮tych, spowodowa艂 zwi臋kszenie ich op艂acalno艣ci. Od tego czasu koszt system贸w fotowoltaicznych systematycznie spada, a liczba zainstalowanych system贸w stale ro艣nie. Ca艂kowita 艣wiatowa produkcja modu艂贸w fotowoltaicznych osi膮gn臋艂a 152 MWp w 1998 roku, zwi臋kszaj膮c si臋 25% w por贸wnaniu z rokiem poprzednim. 艢redni roczny wzrost w ostatniej dekadzie r贸wnie偶 wynosi 25% i jest to obok energii wiatrowej najdynamiczniej rozwijaj膮ca si臋 technologia odnawialnych 藕r贸de艂 energii.
Ogniwa fotowoltaiczne s膮 u偶ywane w trzech podstawowych obszarach: elektronika powszechnego u偶ytku, systemy wolnostoj膮ce i systemy do艂膮czone do sieci elektroener
getycznej. Miliony ma艂ych ogniw fotowoltaicznych (generuj膮cych od kilku mW do kilku W mocy) zasila obecnie zegarki, kalkulatory, zabawki, radia, przeno艣ne telewizory i wiele innych d贸br konsumpcyjnych. Ogniwa takie wykonane s膮 najcz臋艣ciej z cienkich warstw krzemu amorficznego (a-Si).

Urz膮dzenia elektroniki powszechnego u偶ytku zasilane z ogniw fotowoltaicznych.


Obecnie najpowszechniejszym zastosowaniem fotowoltaiki s膮 systemy wolnostoj膮ce 艣redniej skali, produkuj膮ce od kilku W do kilku tysi臋cy W. S膮 one najcz臋艣ciej u偶ywane na obszarach oddalonych od sieci elektroenergetycznej, gdzie inne sposoby generacji energii elektrycznej s膮 drogie, oraz tam gdzie konieczna jest generacja energii w spos贸b czysty, cichy i niezawodny. Profesjonalne systemy wolnostoj膮ce wykorzystywane s膮 do zasilania automatycznych urz膮dze艅, takich jak o艣wietlenie i telefony awaryjne na auto
stradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, przeka藕nikowe stacje telekomunikacyjne i stacje meteorologiczne. Stwierdzone i偶 wolnostoj膮ce systemy fotowoltaiczne s膮 niezawodne, op艂acalne i nie wymagaj膮 obs艂ugi.

Zasilanie boi nawigacyjnej

Zasilanie stacji telekomunikacyjnej


Systemy fotowoltaiczne maj膮 r贸wnie偶 ogromny potencja艂 do zasilania urz膮dze艅 na obszarach nie pod艂膮czonych jeszcze do sieci elektroenergetycznej (ok. 2 mld ludzi nie ma dost臋pu do pr膮du elektrycznego). Dziesi膮tki tysi臋cy gospodarstw domowych na ca艂ym 艣wiecie polega obecnie na systemach fotowoltaicznych, wykorzystuj膮c je do pokrycia wi臋kszo艣ci lub ca艂o艣ci swojego zapotrzebowania na energi臋 elektryczn膮 (Rys. 5).

Zasilanie dom贸w wolnostoj膮cych

Modu艂y fotowoltaiczne
zintegrowane
z fasadami dom贸w


Jednak偶e w ostatnich latach du偶y nacisk jest k艂adziony na rozw贸j system贸w PV zintegrowanych z architektur膮 (BIPV - Building Integrated Photovoltaics) pod艂膮czonych do sieci elektroenergetycznej, poniewa偶 zapewniaj膮 one najwy偶szy potencja艂 na d艂ugofalow膮 redukcj臋 zu偶ycia paliw kopalnych i zmniejszenie emisji CO2.


Fotowoltaika nie jest jeszcze konkurencyjna z tradycyjnymi 藕r贸d艂ami energii do produkcji energii elektrycznej na skal臋 przemys艂ow膮. Jednak偶e kilka du偶ych system贸w fotowoltaicznych (produkuj膮cych od kilkuset kW do kilku MW) jest testowanych jako elektrownie PV w kilku krajach.

Elektrownia fotowoltaiczna


W dzisiejszych czasach ogniwa fotowoltaiczne prawie ca艂kowicie zasilaj膮 satelity u偶ywane zar贸wno do cel贸w telekomunikacyjnych, badawczych, jak i wojskowych.

Zasilanie pojazd贸w kosmicznych przez modu艂y fotowoltaiczne


2. SYSTEMY FOTOWOLTAICZNE

System fotowoltaiczny sk艂ada si臋 z modu艂贸w, paneli lub kolektor贸w fotowoltaicznych, oraz element贸w dostosowuj膮cych wytwarzany w ogniwach pr膮d sta艂y do potrzeb zasilanych urz膮dze艅. Gdy system jest przewidziany do dostarczania energii elektrycznej w nocy, konieczne jest stosowanie odpowiedniego systemu magazynowania energii (akumulator) wyprodukowanej ci膮gu dnia. Je偶e
li system zasila urz膮dzenie sta艂opr膮dowe potrzebny jest kontroler napi臋cia. Do zasilania z systemu fotowoltaicznego urz膮dze艅 zmiennopr膮dowych konieczne jest u偶ycie falownika. Potrzebna jest tak偶e odpowiednia konstrukcja kieruj膮ca modu艂y lub panele w kierunku S艂o艅ca oraz zabezpieczaj膮ca przed kradzie偶膮.

2.1. Elementy system贸w fotowoltaicznych

2.1.1 Ogniwa fotowoltaiczne

Podstawowy przyrz膮d elektronowy u偶ywany do zamiany energii s艂onecznej na elektryczn膮 za pomoc膮 efektu fotowoltaicznego, nazywany jest ogniwem fotowoltaicznym lub s艂onecznym. Uformowany jest on w materiale p贸艂przewodnikowym, w kt贸rym pod wp艂ywem absorpcji promieniowania powstaje napi臋cia na zaciskach przyrz膮du. Po do艂膮czeniu obci膮偶enia do tych zacisk贸w p艂ynie przez nie pr膮d elektryczny. Najp
owszechniejszym materia艂em u偶ywanym do produkcji ogniw jest krzem. Najwi臋ksze sprawno艣ci przetwarzania promieniowania s艂onecznego (do 30 %) uzyskuje si臋 z ogniw wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale ogniwa te s膮 najdro偶sze i dlatego stosowane przede wszystkim w zastosowaniach w kosmosie.
Typowe ogniwo fotowoltaiczne jest to p艂ytka p贸艂przewodnikowa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego, w kt贸rej zosta艂a uformowana bariera potencja艂u np. w postaci z艂膮cza p-n. Grubo艣膰 p艂ytek zawiera si臋 w granicach
200 - 400 mikrometr贸w. Na przedni膮 i tylni膮 stron臋 p艂ytki naniesione s膮 metaliczne po艂膮czenia, b臋d膮ce kontaktami i pozwalaj膮ce p艂ytce dzia艂a膰 jako ogniwo fotowoltaiczne.

Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane s膮 p艂ytek o kszta艂cie okr膮g艂ym, a nast臋
pnie przycinane na kwadraty dla zwi臋kszenia upakowania na powierzchni modu艂u. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazuj膮 najwy偶sze sprawno艣ci konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale r贸wnie偶 s膮 najdro偶sze w produkcji. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osi膮gaj膮 sprawno艣ci rz臋du 24%. Ogniwa produkowane na skal臋 masow膮 maj膮 sprawno艣ci oko艂o 17%. Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonane s膮 z du偶ych prostopad艂o艣ciennych blok贸w krzemu, wytwarzanych w specjalnych piecach, kt贸re powoli ozi臋biaj膮 roztopiony krzem, aby zainicjowa膰 wzrost polikryszta艂u o du偶ych ziarnach. Bloki te s膮 ci臋te na prostok膮tne p艂ytki, w kt贸rych r贸wnie偶 formowana jest bariera potencja艂u. Polikrystaliczne ogniwa s膮 troch臋 mniej wydajne ni偶 monokrystaliczne, ale ich koszt produkcji jest te偶 troch臋 ni偶szy.
W chwili obecnej przemys艂 fotowoltaiczny oparty jest g艂贸wnie na krzemie krystalicznym i polikrystalicznym (w 1997 roku - ok. 80% 艣wiatowej produkcji). Podstawowymi zaletami tej technologii s膮: mo偶liwo艣膰 wykorzystania do艣wi
adcze艅 bardzo dobrze rozwini臋tego przemys艂u p贸艂przewodnikowego (mikroelektroniki), relatywnie wysokie sprawno艣ci przetwarzania promieniowania s艂onecznego, prostota i bardzo dobra stabilno艣膰 pracy. Jednak偶e ogniwa takie s膮 stosunkowo grube i zu偶ywaj膮c du偶o drogiego materia艂u, maj膮 ograniczon膮 wielko艣膰 i musz膮 by膰 艂膮czone, a wi臋c modu艂y nie s膮 monolitycznie zintegrowane.
Przewiduje si臋, 偶e nast臋pna generacja ogniw fotowoltaicznych b臋dzie si臋 opiera膰 na technologiach znanych szeroko jako technologie "cienkowar
stwowe". Dzi臋ki stosowaniu jedynie bardzo cienkich warstw (grubo艣ci pojedynczych mikrometr贸w) drogiego materia艂u p贸艂przewodnikowego na tanich pod艂o偶ach o du偶ej powierzchni mo偶na znacznie zredukowa膰 ca艂kowity koszt ogniwa fotowoltaicznego. Ogniwa cienkowarstwowe s膮 mniej sprawne od najlepszych ogniw z krzemu krystalicznego, ale oczekuje si臋, 偶e w przysz艂o艣ci, przy produkcji na skal臋 masow膮, b臋d膮 one znacznie ta艅sze. Obecnie, najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe wykonane s膮 z krzemu amorficznego (a-Si) i jego stop贸w (a-SiGe, a-SiC). Technologia pojedynczych, podw贸jnych i potr贸jnych ogniw jest dobrze rozwini臋ta i skomercjalizowana. Ogniwa potr贸jne osi膮gn臋艂y w skali laboratoryjnej sprawno艣膰 13%. Ogniwa z krzemu amorficznego s膮 powszechnie u偶ywane w produktach wymagaj膮cych ma艂ej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.).
Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego s膮: ma艂y koszt materia艂u, niewielkie zu偶ycie energii przy produkcji modu艂u (g艂贸wnie dzi臋ki niskiej temperaturze procesu),
mo偶liwo艣膰 osadzania na gi臋tkich pod艂o偶ach, zintegrowane po艂膮czenia ogniw i mo偶liwo艣膰 uzyskania du偶ych powierzchni. Ogniwa i modu艂y mog膮 by膰 produkowane w dowolnych kszta艂tach i rozmiarach oraz projektowane w spos贸b umo偶liwiaj膮cy integracj臋 z fasadami i dachami budynk贸w lub w postaci dach贸wek. Mog膮 by膰 one projektowane jako nieprzezroczyste lub p贸艂przezroczyste. Jednak偶e wydajno艣膰 ogniwa jest ni偶sza ni偶 w przypadku krzemu krystalicznego. Du偶e zaanga偶owanie przemys艂u w technologie cienkowarstwowe rokuje nadziej臋 na obni偶enie koszt贸w produkcji.
Innymi materia艂ami u偶ywanymi do wyrobu ogniw cienkowarstwowych s膮 tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CIS - copper indium diselenide). Zademonstrowano ju偶 mo偶liwo艣ci produkcji, na du偶膮 skal臋, ogniw wykonan
ych z tych materia艂贸w, ale w przeciwie艅stwie do ogniw z krzemu amorficznego, nie zosta艂y one jeszcze wprowadzone do produkcji masowej.

2.1.2. Modu艂y i panele fotowoltaiczne


Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomi臋dzy 1 a 2 W, co jest niewystarczaj膮ce dla wi臋kszo艣ci zastosowa艅. Dla uzyskania wi臋kszych napi臋膰 lub pr膮d贸w ogniwa 艂膮czone s膮 szeregowo lub r贸wnolegle tworz膮c modu艂 fotowoltaiczny. Moc takich modu艂贸w (dost臋pne na rynku maja powierzchni臋 od 0,3 do 1 m2) wyra偶ana jest w watach mocy szczytowej (Wp - watt peak), zdefiniowanych jako moc dostarczana przez nie w warunkach standardowych (STC), tj. przy promieniowaniu s艂onecznym AM1.5 o mocy 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia 25掳C i zwykle kszta艂tuje si臋 pomi臋dzy 30 a 120 Wp. W praktyce modu艂y rzadko pracuj膮 przy warunkach standardowych, wi臋c u偶yteczne jest posiadanie charakterystyk pr膮dowo-napi臋ciowych (I - V) wydajno艣ci modu艂u w szerokim zakresie warunk贸w pracy. Modu艂y s膮 hermetyzowane, aby uchroni膰 je przed korozj膮, wilgoci膮, zanieczyszczeniami i wp艂ywami atmosfery. Obudowy musz膮 by膰 trwa艂e, poniewa偶 dla modu艂贸w fotowoltaicznych oczekuje si臋 czas贸w 偶ycia przynajmniej 20 - 30 lat. Na rynku znajduje si臋 szeroki wachlarz modu艂贸w o r偶nej wielko艣ci pokrywaj膮cy zapotrzebowanie na szybko rosn膮c膮 ilo艣膰 zastosowa艅 fotowoltaicznych. Wytwarza si臋 specjalne modu艂y, kt贸re s膮 zintegrowane z dachami lub fasadami budynk贸w. Produkowane s膮 r贸wnie偶 modu艂y szczeg贸lnie odporne na korozj臋 wywo艂an膮 s艂on膮 wod膮 morsk膮. Znajduj膮 one zastosowanie na 艂odziach 偶aglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich, gdzie musz膮 by膰 szczeg贸lnie odporne na korozj臋 od s艂onej wody. Ostatnim osi膮gni臋ciem w tej dziedzinie jest wytworzenie p贸艂przezroczystego modu艂u, kt贸ry mo偶e by膰 u偶ywany jako okno w budynkach.

Panel fotowoltaiczny sk艂ada si臋 z wielu modu艂贸w, kt贸re zosta艂y wzajemnie po艂膮czone dla uzyskania wi臋kszych mocy. Wytwarzaj膮 one pr膮d sta艂y. Poziom pr膮du na wyj艣ciu panelu zale偶y 艣ci艣le od nas艂onecznienia, ale mo偶e by膰 zwi臋kszony poprzez r贸wnoleg艂e 艂膮czenie modu艂贸w. Napi臋cie otrzymywane z modu艂u zale偶y w niewielkim stopniu od poziomu nas艂onecznienia. Panel fotowoltaiczny mo偶e by膰 zaprojektowany do pracy przy praktycznie dowolnym napi臋ciu, a偶 do kilkuset wolt贸w, dzi臋ki szeregowemu 艂膮czeniu modu艂贸w. Dla ma艂ych zastosowa艅 panele fotowoltaiczne mog膮 pracowa膰 tylko przy napi臋ciu 12 lub 14 wolt贸w, podczas gdy dla zastosowa艅 do艂膮czonych do sieci, du偶e panele mog膮 pracowa膰 przy napi臋ciu 240 V lub wi臋cej. Panele zamontowane na konstrukcjach mocuj膮cych z do艂膮czonym okablowaniem nazywane s膮 kolektorem fotowoltaicznym (PV array). W mniejszych systemach kolektor fotowoltaiczny mo偶e zawiera膰 pojedynczy panel.
Dost臋pne obecnie na rynku s膮 jedynie modu艂y wytwarzane z krzemu kryst
alicznego, krzemu amorficznego i CdTe. Modu艂y fotowoltaiczne s膮 przewa偶nie p艂askie i zawieraj膮 od 18 do 180 monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych. Moc wyj艣ciowa waha si臋 od 30 Wp do 180 Wp. Sprawno艣ci modu艂贸w komercyjnych zwi臋kszaj膮 si臋 z roku na rok wraz z popraw膮 technologii. Najbardziej zaawansowane komercyjne modu艂y z krzemu krystalicznego wykazuj膮 obecnie sprawno艣ci powy偶ej 16 %, podczas gdy przeci臋tne modu艂y zawieraj膮ce krzem mono-lub polikrystaliczny moj膮 sprawno艣ci oko艂o 11 % do 13 %. Wi臋kszo艣膰 nich ma czas 偶ycia co najmniej 20 lat. Czas zwrotu koszt贸w energii waha si臋 od 2 do 6 lat w zale偶no艣ci od regionu i klimatu. Cienkowarstwowe modu艂y fotowoltaiczne s膮 ta艅sze, przy produkcji masowej, ni偶 modu艂y z krzemu krystalicznego, ale maj膮 ni偶sze wydajno艣ci. Wi臋kszo艣膰 dost臋pnych obecnie na rynku modu艂贸w z krzemu amorficznego ma sprawno艣ci pomi臋dzy 4 % i 8 %. Zwrot koszt贸w energii szacowany jest na 1 do 3 lat.
Najlepsze modu艂y konstruowane s膮 do zastosowa艅 kosmicznych maj膮 sprawno艣ci powy偶ej 20% i zawieraj膮 ogniwa s艂oneczne z arsenku galu o sprawno艣ci dochodz膮cej do 30%.

2.1.3. Inne urz膮dzenia systemu fotowoltaicznego


Akumulatory
Najprostszym sposobem magazynowania energii produkowanej w ma艂ych systemach PV jest wykorzystanie elektrycznych akumulator贸w, zw艂aszcza, 偶e ogniwa fotowoltaiczne wytwarzaj膮 pr膮d sta艂y konieczny do 艂adowania akumulatora. Na艂adowany akumulator dostarcza energie elektryczn膮 do obci膮偶enia gdy nie ma promieniowania s艂onecznego lub jest ono niewystarczaj膮ce. W por贸wna
niu do zapotrzebowania na inne akumulatory, rynek akumulator贸w dla system贸w fotowoltaicznych jest bardzo ma艂y. Dlatego te偶 rozwojowi akumulator贸w dla system贸w fotowoltaicznych po艣wi臋cono znacznie mniej uwagi. Wi臋kszo艣膰 akumulator贸w u偶ywanych w systemach fotowoltaicznych jest o艂owiowo-kwasowa. W regionach o ostrym klimacie, tam gdzie konieczna jest du偶a niezawodno艣膰, stosuje si臋 (szczeg贸lnie dla ma艂ych zastosowa艅) akumulatory niklowo-kadmowe. Od dobrej jako艣ci akumulator贸w tego typu oczekuje si臋 5 - 7 lat pracy, przy odpowiedniej obs艂udze i u偶yciu odpowiedniego kontrolera 艂adowania. D艂u偶szy czas 偶ycia akumulatora mo偶e by膰 osi膮gni臋ty pod warunkiem ograniczenia maksymalnej g艂臋boko艣ci roz艂adowania. Z drugiej strony, przy z艂ym obchodzeniu si臋 z akumulatorami nale偶y oczekiwa膰 skr贸cenia ich czasu 偶ycia.

Kontrolery napi臋cia (regulatory napi臋cia)
U偶yteczny czas 偶ycia akumulatora silnie zale偶y od sposobu kontroli jego 艂adowania i roz艂adowania, szczeg贸lnie w przypadku akumulator贸w o艂owiowo-kwasowych. Dobry kontroler 艂adowania akumulatora ograniczy g艂臋boko艣膰 i szybko艣膰 roz艂adowania, odpowiednio do temperatury akumulatora. Celem zminimalizowania parowania elektrolitu, ograniczy on r贸wnie偶 szybko艣膰 艂adowania i poziom maksymalnego na艂adowania akumulatora. Granice napi臋cia 艂adowania i roz艂adowania powinny by膰 tak ustalone, aby odpowiada艂y typowi akumulatora i jego temperaturze pracy. Te ustawienia mog膮 znacznie wp艂ywa膰 na maksymalny czas 偶ycia akumulatora. Wysoka temperatura akumulatora mo偶e znacznie skr贸ci膰 jej czas 偶ycia,
poniewa偶 przy艣piesza korozj臋 i samo roz艂adowanie Wysokie temperatury mog膮 r贸wnie偶 zwi臋kszy膰 emisj臋 gaz贸w podczas 艂adowania, czego powinno si臋 unika膰 poprzez np. wymuszenie wentylacji obudowy akumulatora. Przy mrozie, odporno艣膰 roz艂adowanych akumulator贸w o艂owiowo-kwasowych jest obni偶ona. W zwi膮zku z tym powinny by膰 one dobrze na艂adowane, je偶eli maj膮 pracowa膰 w niskich temperaturach.
Modu艂y fotowoltaiczne u偶ywane do 艂adowania akumulator贸w zazwyczaj pracuj膮 przy sta艂ym napi臋ciu, odpowiednim do temperatury powi
etrza. Niekt贸re kontrolery w systemach fotowoltaicznych u偶ywaj膮 systemu 艣ledzenia punktu maksymalnej uzyskiwanej z ogniwa, kt贸ry automatycznie pozwala modu艂owi lub kolektorowi PV pracowa膰 przy napi臋ciu, kt贸re daje maksymaln膮 moc wyj艣ciow膮. Korzy艣ci p艂yn膮ce z u偶ycia MPPT zale偶膮 od zastosowania i ich wykorzystanie powinno by膰 rozwa偶ane z uwzgl臋dnieniem dodatkowych koszt贸w i ryzyka zmniejszenia niezawodno艣ci systemu. Dla wielu zastosowa艅, praca zestawu modu艂贸w przy ustalonym napi臋ciu wyj艣ciowym mo偶e by膰 r贸wnie lub bardziej finansowo efektywna.

Falowniki (przetwornice)

G艂贸wnymi funkcjami falownika s膮: zamiana napi臋cia sta艂ego na zmienne, nadanie kszta艂tu wyj艣ciowej fali zmienno napi臋ciowej Najwa偶niejszymi cechami falownika w zastosowaniach fotowoltaicznych s膮 jego niezawodno艣膰 i charakterystyki sprawno艣ciowe. Zaprojektowane s膮 one do ci膮g艂ej pracy w pobli偶u punktu maksymalnej mocy. Sprawno艣膰 falownika jest zazwyczaj podawana dla jego zaprojektowanej mocy pracy, ale zwykle, przez wi臋kszo艣膰 czasu, falowniki w systemach fotowoltaicznych pracuj膮 przy niepe艂nym obci膮偶eniu. Du偶e sprawno艣ci przy niepe艂nym obci膮偶eniu s膮 szczeg贸lnie wa偶ne w pod艂膮czonych do sieci. Falowniki maj膮 og贸ln膮 sprawno艣ci przy pe艂nym obci膮偶eniu od 90% do 96%, a dla 10% obci膮偶enia od 85% do 95%. Poniewa偶 straty na dopasowanie si臋 s膮 tutaj zazwyczaj wi臋ksze ni偶 straty rezystancyjne. Falowniki wykazuj膮 ci膮g艂y spadek sprawno艣ci wraz ze zmniejszaniem mocy wyj艣ciowej i wej艣ciowej.

2.2. Rodzaje system贸w fotowoltaicznych.

Wyr贸偶nia si臋 trzy podstawowe konfiguracje system贸w fotowoltaicznych: wolnostoj膮ce, hybrydowe i do艂膮czone do sieci.

Systemy wolnostoj膮ce
Systemy wolnostoj膮ce korzystaj膮 jedynie z energii produkowanej w ogniwach fotowoltaicznych. System taki sk艂ada si臋 z panelu fotowoltaicznego, akumulatora oraz urz膮dzenia kontroluj膮cego stopie艅 na艂adowania akumulatora i od艂膮czaj膮cego panel, gdy akumulator jest w pe艂ni na艂adowany lub od艂膮czaj膮cego urz膮dzenie zasilane chroni膮c akumulator przed jego zbytnim roz艂adowaniem. Akumulatory musz膮 mie膰 wi臋c wystarc
zaj膮co du偶膮 pojemno艣膰, aby zapewni膰 dostarczanie energii w nocy oraz w okresach z艂ej pogody.

Systemy hybrydowe
Systemy hybrydowe s膮 kombinacj膮 panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzania energii takiego, jak np. generator spalinowy, gazowy lub wiatrowy. Dla zapewnienia efektywnego wykorzystania r贸偶nych sposob贸w wytwarzania energii systemy hybrydowe maj膮 zazwyczaj bardziej skomplikowane uk艂ady kontrolne ni偶 systemy wolnostoj膮ce. Dzi臋ki wykorzystaniu dodatkowego 藕r贸d艂a energii panel fotowoltaiczny w
systemie hybrydowym mo偶e by膰 mniejszy ni偶 w analogicznych systemie wolnostoj膮cym. Dlatego w niekt贸rych przypadkach system hybrydowy mo偶e by膰 ta艅szy.

Systemy do艂膮czone do sieci
Systemy do艂膮czone do sieci mog膮 mie膰 posta膰 elektrowni z du偶膮 ilo艣ci膮 paneli fotowoltaicznych oddaj膮cych energi臋 do sieci elektroenergetycznej. Innym wykorzystaniem takich system贸w mo偶e by膰 zasilanie budynk贸w do艂膮czonych do sieci, gdzie energi臋 z sieci pobiera si臋 tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na ni膮 przewy偶sza jej produkcj臋 w og
niwach fotowoltaicznych. Systemy te do艂膮czone s膮 do sieci poprzez falownik. Akumulatory w tym typie systemu nie s膮 potrzebne, poniewa偶 sie膰 jest w stanie przyj膮膰 ca艂膮 energi臋 wyprodukowan膮 przez system fotowoltaiczny. Projektowanie system贸w fotowoltaicznych jest zazwyczaj optymalizowane przy u偶yciu program贸w komputerowych (np. ASHLING 7.0), kt贸re dopasowuj膮 przewidywany profil obci膮偶enia w ci膮gu roku i dnia do przeci臋tnego s艂onecznego napromieniowania na danym obszarze. Takie programy potrzebne s膮 aby zdeterminowa膰 optymaln膮 wielko艣膰 zestawu modu艂贸w i akumulatora, dobra膰 kontroler i falownik. Wydajno艣膰 systemu zale偶y od promieniowania s艂onecznego podaj膮cego na zestaw modu艂贸w PV. Na przyk艂ad, wysoce u偶yteczny system wiejski ze wsp贸艂czynnikiem sprawno艣ci 50% w po艂udniowej Europie, gdzie promieniowanie s艂oneczne wynosi 1600 kWh/m2/rok mo偶e da膰 800 kWh/kWp/rok. Jednak偶e na p贸艂nocy Europy, gdzie promieniowanie s艂oneczne wynosi 1000 kWh/m2/rok, system ten m贸g艂by da膰 jedynie 500 kWh/kWp/rok.

Wydajno艣膰 wolnostoj膮cyc
h, ma艂ych, wiejskich system贸w elektryfikacyjnych, zmienia si臋 w szerokim zakresie w zale偶no艣ci od sposobu jego u偶ytkowania przez odbiorc贸w. Typowe, ma艂e systemy wiejskie maj膮 roczne wsp贸艂czynniki sprawno艣ci pomi臋dzy 30% a 60% (odpowiednik przeci臋tnych wydajno艣ci rz臋du 300 - 1000 kWh/kWp na rok).
Wolnostoj膮ce systemy profesjonalne maj膮 zwykle niskie wydajno艣ci, poniewa偶 pracuj膮 prawie przy sta艂ym obci膮偶eniu przez ca艂y rok i ich zestawy modu艂贸w musz膮 by膰 wystarczaj膮co du偶e aby zapewni膰 dostateczn膮 ilo艣膰 energ
ii w zimie, co powoduje, 偶e cz臋艣膰 energii elektrycznej produkowanej w lecie jest bezu偶yteczna. Typowe profesjonalne systemy w Europie maj膮 roczne wsp贸艂czynniki sprawno艣ci pomi臋dzy 20% a 30% (odpowiednik przeci臋tnych wydajno艣ci rz臋du 200 - 550 kWh/kWp/rok).
Hybrydowe systemy fotowoltaiczne maj膮 zazwyczaj wy偶sze roczne wsp贸艂czynniki sprawno艣ci ni偶 systemy wolnostoj膮ce, poniewa偶 zestaw modu艂贸w mo偶e by膰 dopasowany tak, aby zapewni膰 obci膮偶eniu dostateczn膮 ilo艣膰 energii w lecie i mo偶e by膰 wsparty przez silnik spalinowy dla dostarczenia dodatkowej energii w zimie lub w czasie z艂ej pogody. Typowe wsp贸艂czynniki sprawno艣ci system贸w hybrydowych le偶膮, w zale偶no艣ci od strat pochodz膮cych od kontrolera 艂adowania i akumulatora, w zakresie 50% do 70% (odpowiednik przeci臋tnych wydajno艣ci w granicach 500 - 1250 kWh/kWp/rok). Generatory fotowoltaiczne pod艂膮czone do sieci maj膮 najwi臋kszy potencja艂 uzyskiwania wysokich wsp贸艂czynnik贸w sprawno艣ci i wydajno艣ci, poniewa偶 ca艂a energia kt贸r膮 wytwarzaj膮 mo偶e by膰 zu偶yta albo na miejscu, albo przekazana sieci elektroenergetycznej. Dobrze kontrolowany system, kt贸ry wsp贸艂pracuje z wysokiej sprawno艣ci falownikiem, mo偶e osi膮gn膮膰 wsp贸艂czynniki sprawno艣ci wy偶sze ni偶 80% (r贸wnowarto艣膰 wydajno艣ci powy偶ej 800 - 1400 kWh/kWp/rok).

3. INSTALACJA I OBS艁UGA SYSTEM脫W FOTOWOLTAICZNYCH.

Modu艂u fotowoltaiczne wymagaj膮 delikatnego obchodzenia si臋 z nimi. Ogniwa s膮 cienkimi i kruchymi p艂ytkami po艂膮czonymi delikatnymi paskami metalu. Po po艂膮czeniu w modu艂 ogniwa od frontu zabezpieczone s膮 tward膮 p艂yt膮 szklan膮, ale od spodu ju偶 tylko cienk膮 warstw膮 plastiku. Orientacja panelu wzgl臋dem S艂o艅ca musi by膰 optymalna. Struktura mocuj膮ca ustawia modu艂 pod w艂a艣ciwym nachyleniem. W systemach montowanych na dachach ustawienie orientacji i nachylenia jest zazwyczaj nieco t
rudniejsze.
Akumulatory o艂owiowe, kt贸re posiadaj膮 odpowietrzacze powinny by膰 dostarczane bez kwasu, wi臋c mog膮 by膰 nim nape艂nione na miejscu instalacji systemu. Je偶eli droga od dostawcy akumulatora nie jest zbyt odleg艂a mo偶na transportowa膰 akumulatory z kwa
sem w 艣rodku. Po nape艂nieniu akumulatora kwasem nie powinien on by膰 nigdy wylewany. Podczas monta偶u akumulator贸w nale偶y zwr贸ci膰 szczeg贸ln膮 uwag臋 na po艂膮czenie ich we w艂a艣ciwej konfiguracji (szeregowo lub r贸wnolegle) i z zachowaniem odpowiedniej polaryzacji.
Elektryczne systemy s艂oneczne mog膮 generowa膰 wysokie napi臋cia. Ze wzgl臋du na bezpiecze艅stwo struktury kolektor贸w fotowoltaicznych s膮 zwykle uziemione, albo poprzez umieszczenie pod艂o偶a metalowego w ziemi pod kolektorem, albo poprzez u偶ycie konwencjonalny
ch metalowych odgromnik贸w. Uziemienie jest zwykle trudne do zrealizowania na suchych, kamienistych terenach. Zazwyczaj nie jest konieczna ochrona zestaw贸w fotowoltaicznych przed bezpo艣rednimi uderzeniami piorun贸w, pod warunkiem, 偶e zamocowanie konstrukcji jest dobrze uziemione. Jednak偶e, szybkie ochronniki napi臋ciowe powinny chroni膰 falowniki lub inne urz膮dzenia kontroluj膮ce pod艂膮czone do kolektora PV.
W zestawach fotowoltaicznych umieszcza si臋 diody blokuj膮ce, kt贸re maj膮 na celu zabezpieczenie modu艂贸w prze
d przep艂ywem przez nie pr膮du w kierunku zaporowym, kt贸ry m贸g艂by dokona膰 zniszcze艅 modu艂贸w i spowodowa膰 straty energii. Dodatkowo, w zestawach fotowoltaicznych umieszcza si臋 diody bocznikuj膮ce, kt贸re w przypadku zacienienia cz臋艣ci ogniw lub modu艂贸w, chroni膮 pozosta艂e modu艂y przed uszkodzeniami typu wypalenia lub wytopienia, spowodowanych ich przegrzaniem. Elektryczne systemy s艂oneczne mog膮 zawiera膰 niebezpieczne elementy i generowa膰 wysokie napi臋cia. Odpowiednie 艣rodki bezpiecze艅stwa s膮 wi臋c wymagane aby zapobiec wypadkom i uszkodzeniu kosztownych element贸w i urz膮dze艅. System fotowoltaiczny wymaga regularnej konserwacji dla zapewnienia w艂a艣ciwego dzia艂ania i trwa艂o艣ci element贸w. Oto kilka najwa偶niejszych zabieg贸w konserwacyjnych:

  • czyszczenie p艂yty czo艂owej modu艂贸w
  • usuwanie przeszk贸d, ga艂臋zi drzew itp., kt贸re mog膮 zas艂ania膰 modu艂 przed s艂o艅cem
  • sprawdzanie stanu na艂adowania akumulatora. Je偶eli zawsze jest bardzo niski nale偶y przeprojektowa膰 system
  • uzupe艂nianie elektrolitu w akumulatorze

Pozosta艂e elementy systemu fotowoltaicznego wymagaj膮 niewielkich lub 偶adnych zabieg贸w konserwacyjnych.

4. KOSZT SYSTEMU PV

Tak jak w przypadku wi臋kszo艣ci technologii odnawialnych 藕r贸de艂 energii, u偶ycie system贸w fotowoltaicznych wymaga du偶ych inwestycji, ale p贸藕niejsze koszty eksploatacji s膮 bardzo niskie. Na cen臋 zakupu systemu fotowoltaicznego sk艂adaj膮 si臋 zazwyczaj cztery podstawowe koszty:

  • modu艂贸w fotowoltaicznych,
  • element贸w systemu (akumulator, falownik, kontroler, okablowanie, itp.),
  • transportu i instalacji,
  • projektowania i kierowania projektem.

Relatywny udzia艂 tych koszt贸w w ca艂kowitej cenie zainstalowanego systemu zale偶y od zastosowania, wielko艣ci systemu i jego po艂o偶enia.
W og贸lno艣ci, koszt modu艂贸w determinuje cen臋 du偶ych system贸w pod艂膮czonych do sieci, ale stanowi膮 tylko jedn膮 trzeci膮 ceny zakupu ma艂ych, wolnostoj膮cych system贸w w zastosowaniach przy elektryfikacji wsi.
Efektywny koszt modu艂贸w obni偶any jest r贸wnie偶 poprzez stosowanie modu艂贸w, kt贸re mog膮 spe艂nia膰 kilka zada艅. Na przyk艂ad, wytwarzane s膮 modu艂y do i
ntegracji z fasadami lub dachami budynk贸w. Modu艂y s膮 r贸wnie偶 u偶ywane do innych zastosowa艅 architektonicznych, w艂膮czaj膮c w to p贸艂przezroczyste szklenie lub bariery poch艂aniaj膮ce d藕wi臋k na autostradach. Takie wielofunkcyjne zastosowania mog膮 w znacznej mierze obni偶y膰 efektywne koszty system贸w fotowoltaicznych i dlatego te偶 spodziewany jest dalszy ich rozw贸j w przysz艂o艣ci.
W systemach wolnostoj膮cych, koszt akumulatora zazwyczaj przewa偶a w kosztach systemu, a poniewa偶 technologia w tej dziedzinie jest ju偶 dobrz
e rozwini臋ta, to potencja艂 zredukowania koszt贸w w przysz艂o艣ci jest tutaj bardzo ograniczony. Koszt akumulatora zale偶y od typu oraz jako艣ci, i waha si臋 od 100 ECU/kWh w akumulatorach samochodowych, do powy偶ej 1000 ECU/kWh w akumulatorach niklowo-kadmowych dla potrzeb PV. Czas 偶ycia wi臋kszo艣ci akumulator贸w fotowoltaicznych wynosi jedynie 5 - 7 lat, tote偶 koszt wymiany akumulatora musi by膰 brany pod uwag臋 przy szacowaniu koszt贸w system贸w PV.
W systemach pod艂膮czonych do sieci g艂贸wne koszty systemu zwi膮zane s膮 z
falownikiem i pod艂膮czeniem do sieci elektroenergetycznej. Falowniki fotowoltaiczne nie s膮 jeszcze produkowane w du偶ych ilo艣ciach, wi臋c ceny za ma艂e falowniki (do 3 kW) zwykle wahaj膮 si臋 w granicach 0.5 do 1.2 ECU/W. Wi臋ksze falowniki s膮 zazwyczaj ta艅sze, ale wi臋kszo艣膰 z nich ci膮gle wykonywana jest na zam贸wienie. Czas 偶ycia falownik贸w, kt贸re obj臋te s膮 maksymaln膮 ochron膮 przed "pikami" napi臋ciowymi i przeci膮偶eniem, jest zwykle por贸wnywalny z czasem 偶ycia modu艂u fotowoltaicznego. Koszty transportu i instalacji s膮 szczeg贸lnie du偶e w odleg艂ych i g贸rzystych terenach. Jednak偶e, firmy kt贸re zak艂adaj膮 instalacje w takich regionach przyzwyczajone s膮 do takich koszt贸w i s膮 zach臋cane modu艂ow膮 struktur膮 generator贸w fotowoltaicznych, kt贸re mog膮 by膰 艂atwo transportowane. Koszty projektowania i kierowania projektem spadaj膮 wraz ze wzrostem do艣wiadczenia firm, a projekty zaczynaj膮 by膰 standardowe. Dla przyk艂adu, "zestawy fotowoltaiczne do o艣wietlenia" s膮 obecnie dost臋pne dla wiejskiej elektryfikacji, a zasilane energi膮 fotowoltaiczn膮 pompy wodne sprzedawane s膮 jako "pakiety".
W Niemczech i Austrii koszty pokrycia dach贸w modu艂ami fotowoltaicznymi wynios艂y oko艂o 13 ECU/Wp. Przy wi臋kszej ilo艣ci identycznych system贸w koszty wahaj膮 si臋 od 8 do 12 ECU/Wp. Du偶ym zainteresowaniem cie
szy si臋 mo偶liwo艣膰 zamiany konwencjonalnych materia艂贸w dla budownictwa modu艂ami fotowoltaicznymi. Tej mo偶liwo艣ci obni偶enia koszt贸w nie zosta艂y wzi臋te pod uwag臋 przy podaniu powy偶szych koszt贸w. Relatywny udzia艂 poszczeg贸lnych sk艂adowych w kosztach 1 kWp-systemu pokrywaj膮cego dach wynosi:

  • modu艂 - 53 %
  • falownik - 22 %
  • urz膮dzenia mocuj膮ce - 12 %
  • reszta - 13 %

Dla system贸w pod艂膮czonych do sieci powy偶ej 500 kWp koszty wahaj膮 si臋 od 8 do 16 ECU/Wp. Wysokie koszty s膮 konsekwencj膮 jeszcze ma艂ego do艣wiadczenia w produkcji energii elektrycznej na skal臋 przemys艂ow膮 w elektrowniach fotowoltaicznych.
Koszty system贸w wolnostoj膮cych zale偶膮 w du偶ej mierze od ich konfiguracji. Og贸lnie koszt modu艂u wynosi ok. 30 % ceny systemu, podczas gdy w systemie pod艂膮czonym do sieci w
ynosi on ok. 50 %.

5. TENDENCJE ROZWOJU

Podstawowym celem bada艅 i rozwoju fotowoltaiki jest uzyskanie energii elektrycznej w cenie por贸wnywalnej z cenami energii uzyskanej z konwencjonalnych 藕r贸de艂 energii. Z tego powodu, 偶e fotowoltaika jest technologi膮 czyst膮, kt贸ra wytwarza elektryczno艣膰 bez ubocznych zanieczyszcze艅, mo偶e szybko sta膰 si臋 ekonomicznie atrakcyjna, pod warunkiem w艂膮czenia r贸wnie偶 koszt贸w ochronny 艣rodowiska w cen臋 藕r贸de艂 energii pochodz膮cych z paliw kopalnych albo wprowadzenia podatku od
emisji CO2.
S膮 trzy zasadnicze dziedziny, w kt贸rych systemy PV mog膮 odgrywa膰 powa偶n膮 rol臋 w dostarczaniu energii: zasilanie rejon贸w odleg艂ych od sieci elektroenergetycznej, zastosowania profesjonalne i systemy do艂膮czone do sieci.
Szczeg贸lnym zainteresowani
em cieszy si臋 rozw贸j system贸w fotowoltaicznych pod艂膮czonych do sieci, poniewa偶 mog膮 znacznie zmniejszy膰 emisj臋 CO2 i zu偶ycie paliw kopalnych w d艂u偶szym okresie. W p贸艂nocnej Europie, przysz艂o艣ci dla system贸w pod艂膮czonych do sieci upatruje si臋 w ich integracji z fasadami lub dachami budynk贸w, co umo偶liwia zmniejszenie koszt贸w instalacji. Obecnie s膮 one najszybciej rozwijaj膮c膮 si臋 segmentem rynku fotowoltaicznego. Spadek koszt贸w budowy system贸w fotowoltaicznych mo偶e r贸wnie偶 oznacza膰 przysz艂o艣膰 dla wielkich elektrowni fotowoltaicznych w po艂udniowej Europie.
Kraje europejskie, Japonia i USA, jak r贸wnie偶 du偶e firmy przemys艂owe inwestuj膮 w badania, rozw贸j i programy demonstracyjne. Sukces program贸w "Tysi膮ce dach贸w" w kilku krajach europejskich spowodowa艂 podobne in
icjatywy w USA (One Million Roofs) i w Japonii (100,000 dach贸w). Opublikowana przez Komisj臋 Europejsk膮 Bia艂a Ksi臋ga "Energia dla przysz艂o艣ci: odnawialne 藕r贸d艂a energii" przewiduje wyprodukowanie 1 miliona system贸w fotowoltaicznych do roku 2010, z czego po艂owa ma by膰 zainstalowana w krajach Unii Europejskiej. Wed艂ug tego opracowania fotowoltaika b臋dzie najbardziej dynamicznie rozwijaj膮co si臋 dziedzin膮 odnawialnych 藕r贸de艂 energii. Raport Komisji Europejskiej "Photovoltaics 2010 - PV 2010" przewiduje si臋, 偶e w roku 2010 g艂贸wnym zastosowaniem fotowoltaiki b臋d膮 systemy domowe (23%), systemy ma艂ej skali pod艂膮czone do sieci (17%) oraz telekomunikacja (11%).

Tekst zosta艂 zamieszczony dzi臋ki uprzejmo艣ci

Dr. Stanislaw M. Pietruszko
http://www.pv.pl

Artyku艂 pochodzi ze strony: http://www.energiasloneczna.com

Ogniwa i systemy fotovoltaiczne

Promocje:

PROMOCJE: