Fotowoltaika. dr inż. Piotr Kolasa

Transkrypt

1 61B Fotowoltaika dr inż. Piotr Kolasa 1

2 1. Promieniowanie słoneczne Słońce jest czystym i niewyczerpalnym źródłem energii, które jest w stanie bez problemu zaspokoić energetyczne potrzeby wszystkich mieszkańców Ziemi (wystarczyłoby zabudować 3% powierzchni Sahary). Energia słoneczna jest bezpłatna, a jej wykorzystanie coraz bardziej efektywne. Wielkością określającą promieniowanie jest natężenie, mówiące o ilości energii padającej na jednostkę powierzchni ustawioną prostopadle do kierunku padania promieni słonecznych. Natężenie promieniowania słonecznego docierającego do granicy atmosfery nosi nazwę stałej słonecznej i jest równe W/m2. W Polsce natężenie promieniowania waha się w granicach od 950 do kwh/m 2 rok, rys.1. Dla porównania, wartość ta dla północnej Kanady wynosi 800 kwh/m 2 rok, a dla obszarów pustynnych w okolicach równika kwh/m 2 rok, rys.2. Rys.1. Natężenie promieniowania na obszarze Polski. 2

3 Rys.2. Natężenie promieniowania na świecie Promieniowanie słoneczne przechodzące przez atmosferę ulega częściowemu pochłanianiu, odbiciu i rozpraszaniu. Reszta dociera do powierzchni Ziemi, jako promieniowanie bezpośrednie. Całkowite promieniowanie składa się z promieniowania bezpośredniego i promieniowania rozproszonego w atmosferze, Rys.3. Promieniowanie, które pada na powierzchnię Ziemi jest przez nią w dużej części pochłaniane. Pozostała część jest obijana. Ilość promieniowania odbitego zależy od powierzchni, na jaką ono pada, przy czym Ziemia pochłania średnio 40-45% promieniowania słonecznego. W górnych warstwach atmosfery, głównie cząsteczki ozonu, pochłaniają promieniowanie nadfioletowe, a w dolnych - cząsteczki pary wodnej, kropelki wody ( w chmurach), cząsteczki pyłów i dwutlenku węgla pochłaniają promieniowanie widzialne i podczerwone. Promieniowanie odbija się głównie od chmur, a rozprasza na cząsteczkach gazu i aerozolu. Rys.3. Bilans energetyczny. Na promieniowanie słoneczne składa się promieniowanie świetlne i cieplne. Natężenie promieniowania zależy od stopnia zachmurzenia, położenia Słońca nad horyzontem, a co za tym idzie od pory roku i pory dnia. 3

4 Gdyby nie zjawisko pochłaniania, do Ziemi docierałoby od Słońca światło białe. Światło słoneczne jest mieszaniną barw widma od czerwonej do fioletowej i długości fal świetlnych od 800 do 400 nm (nanometrów). Promieniowanie słoneczne, oprócz światła widzialnego, emituje także niewidzialne światło podczerwone (promieniowanie długofalowe) oraz promieniowanie ultrafioletowe i promieniowanie Rentgena (promieniowanie krótkofalowe). Promieniowanie ultrafioletowe (UV), czyli te szkodliwe dla procesów życia zachodzących na Ziemi, jest w większości pochłaniane w atmosferze przez warstwę ozonu, Rys.4. Największą koncentrację ozonu w atmosferze notuje się w stratosferze na wysokości od 20 do 30 kilometrów. Im krótsza jest fala świetlna, tym silniejszemu ulega rozpraszaniu. Granatowe i fioletowe promienie światła są rozpraszane dwa razy intensywniej niż czerwone. Właśnie, dlatego patrząc w niebo widzimy światło rozproszone, w którym dominują promienie o barwie od niebieskiej do fioletowej. W momencie zachodu Słońca przeważają barwy ciepłe, gdyż wydłuża się droga promieni świetlnych w atmosferze, większy jest, zatem udział promieni czerwonych i żółtych w świetle docierającym do obserwatora. Rys.4. Rozkład widmowy promieniowania słonecznego. Promieniowanie słoneczne dostarcza całkowitą ilość energii niezbędnej do przebiegu zjawisk pogodowych w atmosferze ziemskiej. Promieniowanie widzialne (visible), nazywane potocznie światłem, odgrywa zasadniczą rolę w procesie fotosyntezy, w widzeniu u ludzi i zwierząt, ma wpływ na liczne zjawiska cykliczne w świecie roślin i zwierząt. Kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię Ziemi warunkuje istnienie na Ziemi stref klimatycznych oraz zmianę pór roku. Jeżeli promienie słoneczne padają pionowo lub prawie pionowo na powierzchnię naszego globu, wówczas mamy do czynienia z promieniowaniem najsilniejszym. Tak jest między dwoma zwrotnikami, gdzie Słońce dwa razy do roku znajduje się w zenicie. Pod mniejszym kątem promienie słoneczne padają w szerokościach umiarkowanych, w których znajduje się również Polska. Natomiast na terenach podbiegunowych mamy do czynienia z dniem polarnym (słońce przez całe lato nie zachodzi) i z nocą polarną (słońce przez całą zimę nie wschodzi). 2. Zasada działanie paneli fotowoltaicznych Podstawą działania ogniw fotowoltaicznych jest zjawisko przetwarzania energii promieniowania optycznego w energię elektryczną. Zgodnie z teorią Einsteina, o falowo korpuskularnej naturze promieniowania, możemy je traktować jako fale rozchodzące się z pewną częstotliwością, lub strumień fotonów (kwantów), z których każdy niesie energię. Fotony zderzając się z elektronami przekazują im całą niesioną przez siebie energię. Jeżeli 4

5 jest ona wystarczająco duża, dochodzi do fotoemisji, czyli wybicia elektronu z ciała, w którym się znajdował. Fotoogniwo jest elementem półprzewodnikowym, w którym następuje konwersja energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego, czyli poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem energii przenoszonej przez fotony, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury do obszaru p. Takie przemieszczanie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Podstawowym materiałem, z którego wykonuje się oba typy półprzewodników jest krzem (Si), dlatego na jego przykładzie przedstawimy dalej interesujące nas zjawisko fotoelektryczne. Atomy, Rys.5, składają się z jądra zbudowanego z protonów (posiadających ładunek dodani) i neutronów oraz elektronów (posiadających ładunek ujemny), które krążą wokół jądra po różnych orbitach. Te położone blisko jądra są elektronami o tzw. niskim poziomie energii, a te krążące dalej posiadają wyższy poziom energetyczny. Elektrony, które znajdują się na najdalej usytuowanej od jądra powłoce mają najwyższy poziom energii i są nazywane elektronami walencyjnymi. Dostarczenie do atomu energii z zewnątrz, np. ze słońca, może spowodować zmianę poziomu energetycznego elektronów. Gdy doprowadzimy energię do półprzewodnika, nastąpi wybicie elektronów walencyjnych. Rys.5. Atomy krzemu Atom półprzewodnika, pozbawiony elektronu, zyskuje ładunek dodatni (+e), a miejsce, w którym brakuje elektronu nazywamy dziurą. Atom krzemu posiada 14 elektronów, wśród których 4 to elektrony walencyjne. Wiąże się to z możliwością oddania lub przyjęcia 4 elektronów. W ciele stałym, w sieci krystalicznej atomy znajdują się jeden obok drugiego, a na elektrony znajdujące się na orbitach zewnętrznych zaczynają działać siły nie tylko jądra macierzystego, ale również siły jąder atomów sąsiednich. Uniemożliwia to elektronom wykonywanie niezakłóconego ruchu wokół jądra. W sieci krystalicznej elektrony walencyjne sąsiednich atomów tworzą wiązania. Pierwiastki czwartej grupy jak krzem, są półprzewodnikami samoistnymi, a przewodność, jaką osiągają jest niewystarczająca do praktycznego ich wykorzystania. W celu poprawienia ich właściwości, wprowadza się do struktury krystalicznej domieszki odpowiednich atomów. W zależności od wprowadzonego pierwiastka uzyskuje się półprzewodniki zawierające nadmiar, lub niedobór elektronów w strukturze krystalicznej. Półprzewodnik typu n (negative) uzyskuje się przez dodanie w procesie wzrostu kryształu domieszek pięciowartościowych, czyli takich, które posiadają o 1 elektron walencyjny więcej od krzemu (np. fosfor, arsen, antymon). Ten piąty elektron z powodu braku pary nie będzie brał udziału w tworzeniu wiązania kowalencyjnego. Będzie słabo związany z jądrem, a więc niewielka ilość energii będzie potrzebna, aby zerwać to wiązanie. 5

6 Półprzewodnik typu p (positive) uzyskuje się analogicznie poprzez dodanie do kryształu pierwiastków trójwartościowych (np. bor, ind, glin), co spowoduje zdekompletowanie jednego z wiązań kowalencyjnych w sieci krystalicznej i powstanie dziur elektronowych. Po zetknięciu ze sobą obu półprzewodników, Rys.6, w pobliżu płaszczyzny złącza istnieją gradienty koncentracji dziur i elektronów, co powoduje ich dyfuzję. Elektrony z obszaru n przemieszczają się do obszaru p, przez co nowe dziury powstają w obszarze n. Wymusza to ciągły przepływ elektronów, a co za tym idzie przepływ prądu. Rys.6. Budowa ogniwa fotowoltaicznego 3. Własności paneli fotowoltaicznych Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne składa się z płytki krzemowej. Na górnej powierzchni płytki umieszczona jest elektroda zbierająca elektrony w postaci siatki, a na dolnej nanoszona jest elektroda dolna w postaci warstwy metalicznej, Rys.7. Rys.7. Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne 3.1. Łączenie ogniw budowa paneli fotowoltaicznych. Wymiary takich ogniw wahają się od 10x10 cm 2 do 15x15 cm 2. Moc takiego ogniwa przy napięciu 0,5 0,6 V i prądzie 2,5 A kształtuje się w granicach 1 2 W. Ponieważ moc pojedynczego ogniwa jest znikoma, łączy się je w większe struktury zwane panelami fotowoltaicznymi. Moduły (panele) fotowoltaiczne wykonywane są na standardowe napięcia 12, 24 i 48 Volt. Przy czym moc elektryczna zależy od sposobu i ilości podłączonych ogniw. Przy połączeniu równoległym, przy zastosowaniu N ogniw, całkowity prąd wygenerowany przez moduł będzie iloczynem natężenia pojedynczego ogniwa i ilości ogniw. Połączenie szeregowe daje nam możliwość zwiększenia napięcia w układzie, analogicznie jak w poprzednim przypadku. Napięcie końcowe będzie iloczynem napięcia pojedynczego ogniwa i ilości ogniw. 6

7 Przykład: Chcemy zbudować panel fotowoltaiczny o napięciu 12 V i mocy 300 W. Załóżmy, że mamy do dyspozycji pojedyncze ogniwa o wymiarach 10x10cm, U=0,6V i I=2,5A wówczas, aby zbudować moduł o napiciu 12Vpotrzebujemy: czyli: Czyli potrzebujemy 20 ogniw połączonych szeregowo. czyli: Wynika z tego, że nasze ogniwo będzie zbudowane z 10 (równolegle) x 20 paneli (szeregowo) Wpływ temperatury i promieniowania słonecznego na charakterystyki modułów Zależności te są ważnym elementem pracy ogniw fotowoltaicznych i każdy producent powinien dostarczyć użytkownikowi takie dane, Rys.8-9. Należy jednak zwrócić uwagę, że poniższe parametry są wyznaczane laboratoryjnie w określonych warunkach. Jest to istotne, jeżeli chcemy porównać panele różnych producentów, ponieważ mamy jakiś punkt odniesienia. Jednak warunki rzeczywistych mogą się znacznie różnić od warunków laboratoryjnych, które definiuje się jak poniżej: natężenie promieniowania słonecznego jest równe W/m 2, masa optyczna atmosfery (stosunek długości drogi przebytej przez promienie słoneczne przy promieniowaniu padającym pod pewnym kątem do długości przebytej drogi pod kątem prostym; jeżeli masa optyczna jest równa 1, wówczas promienie słoneczne docierają do ziemi pod kątem prostym) AM równa 1,5, temperatura otoczenia jest równa 25 C. Warto zwrócić uwagę, że takie warunki są możliwe do osiągnięcia tylko w słoneczne dni wiosny. Na pracę ogniwa mają wpływ zmiany temperatury pracy ogniwa. Jak wynika z poniższych rysunków wraz ze wzrostem temperatury ogniwa: maleje napięcie układu (ok. 0,4 %/K), wzrasta jego prąd zwarcia (ok. 0,06 %/K), maleje moc (nawet o 10% przy wzroście temperatury o 20 K, a co za tym idzie również jego sprawności). I [A] P [W] MPP MPP T 3 T 2 T 1 T 3 T 2 T 1 U [V] U [V] T 1 < T 2 < T 3 Rys.8. Charakterystyki układów dla zmiennych temperatur 7

8 Dobrym rozwiązaniem poprawiającym sprawność ogniw jest zastosowanie systemu hybrydowego, łączącego system fotowoltaiczny z jednoczesnym wykorzystaniem energii odpadowej z chłodzenia paneli dla celów ogrzewania ciepłej wody użytkowej, lub wsparcia dla centralnego ogrzewania pomieszczeń. Ogniwa fotowoltaiczne pracują przez cały dzień, od wschodu aż do zachodu słońca, przy czym natężenie promieniowania w ciągu dnia jest nieustannie zmienne, co wpływa w istotny sposób na charakterystykę modułów. W poniższej charakterystyce wyróżniono trzy punkty: punkt optymalnego działania, który odpowiada mocy maksymalnej (MPP Maximal Power Point) - punkt ten określa wartości napięcia i prądu, punkt, w którym napięcie jest równe zeru i wartość prądu jest maksymalna, punkt, który odpowiada zerowej wartość prądu i maksymalnej wartości napięcia. I [A] W/m W/m 2 MPP 600 W/m W/m 2 P [W] MPP U [V] U [V] Rys.9. Charakterystyki układów dla zmiennych natężeń promieniowania Z ostatnich charakterystyk wynikają następujące wnioski: Prąd zwarciowy ogniwa zmienia się proporcjonalnie do natężenia oświetlenia. Napięcie jest w niewielkim stopniu zależne od natężenia promieniowania słonecznego. Dopiero przy znacznym spadku natężenia promieniowania, napięcie to gwałtownie malej i o zmroku dąży do zera. Napięcie dla punktów mocy maksymalnej maleje nieznacznie ze spadkiem natężenia promieniowania. Maksymalna moc generowana przez ogniwa malej proporcjonalnie do spadku natężenia promieniowania słonecznego Sprawność ogniw fotowoltaicznych. Poprawienie sprawności ogniwa jest możliwe poprzez: wprowadzenie bardziej zaawansowanej technologii, zmniejszenie odbić, przez zastosowanie powłok antyrefleksyjnych, zmianę materiału, z którego wykonane jest ogniwo, np. w przypadku krzemu amorficznego sprawność ogniwa polikrystalicznego wzrasta 1,4 raza, monokrystalicznego 1,8 raza, ogniwa z arsenku galu (GaAs) 2,2 raza, ogniwa GaAs/GaAsAl 2,3 raza, a ogniwa AlGaAs/Si sprawność wzrasta 2,85 raza, zmniejszenie temperatury powierzchni absorpcyjnej, maksymalne wykorzystanie wolnego miejsca pomiędzy pojedynczymi ogniwami, zastosowanie koncentratorów promieniowania słonecznego. Sprawność paneli krystalicznych na dzień dzisiejszy dochodzi do 20%, natomiast maksymalna sprawność uzyskana w panelach fotowoltaicznych to 41%. Rekordowy panel to Multijunction Solar Cell, składający się z kilku połączeń typu p-n, połączonych szeregowo w celu lepszego pokrycia spektrum solarnego, Rys.10. Dlatego każde połączenie p-n musi być 8

9 wykonane z odpowiedniego materiału, jak na poniższym rysunku. Teoretyczna sprawność takiego panelu dla nieskończonej ilości połączeń p-n wynosi 86,8%. Rys.10. Budowa Multijunction Solar Cell. Można przyjąć zasadę, że sprawność paneli fotowoltaicznych zależy głównie od materiału, z jakiego są wykonane i temperatury. Z czego zależność temperaturowa jest również zdeterminowana przez materiał. Zależności te przedstawia poniższy rysunek, Rys Sprawność, % 20 Si GaS GaP CdS InP GaAs 10 Si Temperatura, C Rys.11. Sprawność paneli w różnych temperaturach 3.4. Pozostałe parametry power (P max ) Tolerance Moc maksymalna Tolerancja wydajności Wartość podaje maksymalną moc osiągalną przez fotoogniwo. Moc jest opisana doświadczalnie jako STC (1000W/m 2 ; AM 1,5; temp. 25 o C). O taką wartość moc rzeczywista może różnić się od mocy maksymalnej. Innymi słowy, o tyle może być mniejsza. 9

10 Maximum Power Voltage (V mp ) Maximum Power Current (I mp ) Open Circuit Voltage (V oc ) Short Circuit Current (Isc) Module Efficiency Solar Cell Efficiency Maximum system voltage Napięcie mocy maksymalnej Natężenie prądu mocy maksymalnej Napięcie jałowe Prąd zwarciowy Sprawność panelu Sprawność pojedynczego ogniwa Maksymalne napięcie systemu Napięcie osiągane podczas pracy z maksymalną mocą P max. Natężenie prądu osiągane podczas pracy z maksymalną mocą P max. Napięcie osiągane podczas pracy bez obciążenia. Natężenie prądu osiągane podczas pracy z pełnym obciążeniem. Ilość energii wygenerowanej w stosunku do energii słonecznej padające na panel. Sprawność pojedynczego ogniwa. Maksymalne napięcie, w jakim mogą pracować połączone szeregowo ogniwa. 4. Typy paneli fotowoltaicznych i sposoby ich wytwarzania Rys.12. Panele fotowoltaiczne i ich sprawności Istnieje wiele typów paneli fotowoltaicznych i technologii ich wytwarzania, Rys.12. W ostatnim dziesięcioleciu można było zaobserwować bardzo prężny rozwój tej nowej gałęzi przemysłu. Ciągle trwa poszukiwanie nowych materiałów oraz metod wytwarzania, zmierzających przede wszystkim do podniesienia sprawności, oraz obniżenia ceny ogniw. Najczęściej spotykanym i najpopularniejszym materiałem służącym do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem, Rys.13. Jego atutami są: niska cena, łatwość dostępu, oraz wysoka trwałość struktur krystalicznych. 10

11 Rys.13. Krzem 4.1. Ogniwa monokrystaliczne Cały panel składa się z pojedynczych ogniw, które tworzone są z jednorodnego kryształu krzemu, Rys.14. Ogniwa monokrystaliczne osiągają najwyższą sprawność (dochodzącą do 20%) spośród ogniw stosowanych masowo. Rys.14. Ogniwo i panel monokrystaliczny Krzem krystaliczny w naturze nie występuje. Najczęściej wytwarza się go metodą opisaną przez prof. Jana Czochralskiego, która jest cytowana w większości międzynarodowej literatury. Polega ona na powolnym wyciąganiu zarodków kryształu z roztopionego krzemu z dodatkiem boru, Rys.15. Taki monokryształ formowany jest najczęściej w postaci walca. Dzięki zastosowaniu boru otrzymujemy kryształ typu p. Rys.15. Schemat metody Czochralskiego Taki monokryształ jest najczęściej cięty na standardowe płytki o wymiarach 10x10cm,i o grubości 0,3mm przy pomocy specjalnego drutu ze stali nierdzewnej nawiniętego na rolki. Taka metoda pozwala za jednym razem wyciąć setki płytek, Rys.16. Drut na rolkach 11

12 jest przesuwany w jednym kierunku, lub oscyluje tam i z powrotem z optymalną prędkością i napięciem. Ogniwa na potrzeby fotowoltaiki są najczęściej cięte poprzez przeciąganie drutu w jednym kierunku, co pozwala na zastosowanie większych prędkości, 5-20 m/s. Jednakże tą metodą uzyskuje się mniej gładką powierzchnię. W zależności od szybkości drut ma długość od 150 do 500 km, aby pociąć całą kolumnę za jednym razem. Rys.16. Cięcie monokryształu na pytki (lewo) i przekrój poprzeczny przez miejsce cięcia (prawo). W cienkiej warstwie powierzchniowej wytwarza się poprzez dyfuzję fosforu obszar typu n. Położenie obszaru złącza p-n jest istotne, ponieważ wytwarzanie par elektron-dziura, oraz separacja nośników zachodzi właśnie w tym miejscu. Ponieważ współczynnik odbicia światła na powierzchni krzemu jest duży, istniej potrzeba zastosowania powłok anty-odblaskowych. Powoduje to zwiększenie napięcia obwodu otwartego. Innym sposobem zmniejszającym odbicie światła jest teksturowanie ogniwa, co pozwala na pochłonięcie dodatkowej ilości światła, lub zastosowanie powłok selektywnych odbijających niepożądaną część promieniowania słonecznego Ogniwa polikrystaliczne Istnieją dwie główne metody otrzymywanie ogniw polikrystalicznych: proces Bridgman a, Rys.18 i odlewania bloku, Rys.17. W obu przypadkach mamy do czynienia z krystalizacją wysokiej jakości polikrystalicznego bloku o masie kg i wymiarach 70x70x30cm. Główną różnicą pomiędzy tymi metodami jest ilość użytych w procesie tygli. Tygle, w których następuje krystalizacja pokryte są azotkiem krzemu (Si 3 N 4 ), tworzącym warstwę nieprzywieralną. Szybkość krystalizacji w takich warunkach jest równa ok. 1 cm/h, co w odniesieniu do masy bloku wynosi ok. 10 kg/h. 12

13 Rys.17. Metoda odlewy bloku polikrystalicznego Rys.18. Metoda Bridgman a Blok jest następnie dzielony na mniejsze bloki przy pomocy dużych pił tarczowych, a następnie cięty za pomocą drutu o średnicy 0,16-0,18 mm na cienkie płytki dla dalszej obróbki. Ogniwa polikrystaliczne, Rys.19, posiadają mniejsza sprawność w stosunku do ogniw mono-krystalicznych, ale i koszt ich produkcji jest niższy, co jest jednoznacznie związane z cena gotowego produktu. Rys.19. Ogniwo i panel polikrystaliczny 13

14 4.3. Technologie cienkowarstwowe Do produkcji przemysłowej ogniw cienkowarstwowych stosuje się: krzem amorficzny wodorowy (a-si:h), dwuselenek miedziowo-indowy (CuInSe 2 lub CIS), siarczek kadmu/telurek kadmu (CdS/CdTe). Technologia nakładania cienkich warstw krzemu amorficznego i innych związków rozwinęła się bardzo w czasie ostatnich dwóch dekad, a ogniwa cienkowarstwowe zaczęły konkurować z używanymi do tej pory ogniwami mono- i polikrystalicznymi. Ogniwa z krzemu amorficznego wodorowego (a-si:h) są najczęściej używanym typem ogniw cienkowarstwowych, chociaż ich sprawność jest dużo niższa od ogniw krystalicznych i wynosi 8-15%. Wartości te rekompensują zalety ogniw, takie jak elastyczność, niższa cena oraz większa trwałość, Rys.20. Ich produkcja polega na nakładaniu cienkich warstw na szkle, stali nierdzewnej, lub tworzywach sztucznych. Proces wytwarzania jest prosty i łatwy do zautomatyzowania, dzięki czemu przebiega przy znacznych oszczędnościach na materiale i energii. Aby poprawić sprawność ogniw, wprowadza się ogniwa wielozłączowe, zawierające warstwowo ułożone materiały odpowiadające różnym fragmentom spektrum solarnego. Takie podejście zapewniło uzyskanie wysokiego współczynnika konwersji energii słonecznej na energię eklektyczną. Przewiduje się podniesienie sprawności ogniw do 17% przy dwóch złączach i 25% dla fotoogniw zawierających 3 złącza. Najlepszym obecnie pod względem sprawności materiałem używanym przy produkcji fotoogniw jest arsenek galu (GaAs), osiągający sprawność na poziomie 35%. Jednakże z powodu bardzo drogich technologii nie ma praktycznego zastosowania. Rys.20. Panel amorficzny Z powodów ekonomicznych ogniwa z krzemu amorficznego są wiodącym produktem wśród ogniw cienkowarstwowych i prognozuje się że tak zostanie przez najbliższy czas Technologie organiczne Prowadzone są też badania dotyczące zastosowania związków organicznych w produkcji fotoogniw ogniw organicznych. Pierwsze ogniwa organiczne złożone z jednej warstwy materiału osiągnęły sprawność rzędu 0,1%. Zasada działania organicznych ogniw fotowoltaicznych opata jest na procesach powodowanych przez ekscytony, które wytwarza światło w materiałach molekularnych. Wytworzone rzez światło ekscytony dyfundują wewnątrz materiału molekularnego i mogą dysocjować na dwa rodzaje nośników ładunku na elektrodach lub na złączach materiałów. Po wytworzeniu dwóch rodzajów nośników ładunków kolejne procesy powinny doprowadzić do ich rozkładu tak, aby powstał prąd w obwodzie zewnętrznym. Na dzień dzisiejszy sprawność ogniw organicznych dwuwarstwowych jest najniższa spośród znanych i wynosi ok. 5%. 14

15 Ogromy postęp w produkcji ogniw organicznych pozwala sądzić, że staną się one konkurencją dla pozostałych, kiedy poziom sprawności osiągnie 10%. Aczkolwiek istnieją już firmy mające w swojej ofercie ogniwa organiczne, Rys.21. Przewiduje się, że będą one najtańsze spośród dostępnych na rynku. Koszt produkcji takiego ogniwa będzie o razy tańszy od dotychczas stosowanych ogniw krystalicznych. Rys.21. Organiczne ogniwo fotowoltaiczne 5. Budowa systemu fotowoltaicznego Fotowoltaika ma prawie niegraniczone możliwości zastosowania, w związku z czym, szczegółowe omówienie wszystkich przypadków i możliwości jest niemożliwe. Generalnie można stwierdzić, że w każdym systemie fotowoltaicznym, Rys.22, znajdziemy: Rys.22. System fotowoltaiczny Generator fotowoltaiczny (panele fotowoltaiczne) Odbiornik generowanej energii Urządzenia pomocnicze (regulator ładowania, inwerter, przetwornik, aparatura pomiarowa sterowani, software) Elementy systemów fotowoltaicznych Generator fotowoltaiczny Panele fotowoltaiczne będące generatorem prądu zostały przedstawione w poprzednim rozdziale. Dobór właściwego typu i modelu panelu musi być wynikiem pewnej optymalizacji uwzględniającej: miejsce usytuowania instalacji ilość dostępnego miejsca typ systemu fotowoltaicznego warunki meteorologiczne 15

16 zależności sprawność/cena warunki handlowe, gwarancja, preferencje użytkownika Falownik W większości przypadków panele fotowoltaiczne dostarczają nam prąd stały o niskim napięciu, który rzadko możemy wykorzystać bezpośrednio w wersji surowej. Mamy 2 możliwości: Zastosowanie paneli fotowoltaicznych z już wbudowanym mikro-inwerterem. Ich zaletą są bardzo małe straty związane z przesyłaniem prądu stałego, natomiast wadą jest zawodność systemu i krótka żywotność mikro-inwerterów. Zastosowanie falowników. Dobór falownika nie jest sprawą skomplikowaną, ponieważ decydując się na konkretną firmę (np. SMA) możemy w prosty sposób dobrać falownik wykorzystując darmowe oprogramowanie producenta. Wystarczy pobrać takie oprogramowanie ze strony internetowej, zainstalować i w prosty, przejrzysty sposób dobrać najodpowiedniejszy falownik. Jednak, aby dobrać falownik musimy wykonać analizę miejsca usytuowania instalacji fotowoltaicznej, a co za tym idzie dokonać optymalizacji mając na uwadze, że: Tańsze jest zastosowanie jednego falownika o mocy 10 kw, niż 10 falowników o mocy 1 kw każdy. Jeżeli czas pracy części paneli będzie krótszy od pozostałych, powinno się wydzielić osobny system, ponieważ sprawność falowników spada wraz ze spadkiem obciążenia. Powinno się dążyć do minimalizacji drogi przepływu prądu stałego od panelu do inwertera, oraz maksymalizować grubość kabla, aby zminimalizować straty. Łącząc panele fotowoltaiczne z inwerterem, możemy się spodziewać na samych przewodach strat rzędu 5%. Do tego dochodzą dodatkowo straty na falowniku, oraz straty związane ze zużyciem paneli oraz zanieczyszczeniami, liśćmi, itd. Sprawność falowników dochodzi do 95% przy dobrze dobranej mocy i spada przy niższym obciążeniu. Przy doborze falownika należy zwrócić uwagę, co oferują poszczególne z nich: Automatyka załączania i wyłączania, Monitorowanie sieci, Pomiary w sieci i wizualizacja danych, Komunikacja z PC, Rejestrowanie i zapisywanie pomiarów, Synchronizacja sieci (regulacja), Regulacja napięcia zmierzająca do uzyskania mocy maksymalnej (Maximal Power Point Tracking), Ograniczanie prądu wejściowego i wyjściowego, Współpraca z innymi systemami energetycznymi oraz systemami zarządzania Warta uwagi jest możliwość monitorowania i wizualizacji takich danych jak: napięcia i natężenia prądu instalacji fotowoltaicznej oraz sieci, generowanej mocy, skumulowanej produkcji energii (dobowa, miesięczna, roczna, ), liczba godzin pracy, oraz ewentualnie dane informujące nas o stanie systemu zmierzające do wykrycia usterek: temperatura radiatora, prąd uszkodzeni owy (moduł FU). Przy uszkodzeniu, lub np. przy dotknięciu obwodu przez człowieka moduł FU wykrywa sytuację i odpowiednio na nią reaguje. 16

17 Magazyny energii Zmienność strumienia energii w ciągu dnia, a także warunki pogodowe powodują, że najlepszym systemem jest system połączony z siecią energetyczną, do której odsprzedaje się wyprodukowaną energię, a kupuje się od niej taką ilość, jaka jest nam potrzebna. W wielu krajach taki system się przyjmuje i jest opłacalny, ponieważ wsparcie rządu dla zielonych inwestycji powoduje, że cena energii odsprzedawanej jest czasem wyższa od energii kupowanej. Jednak nie wszędzie takie rozwiązania są możliwe ze względów ekonomicznych, lub braku dostępu do sieci zewnętrznej. Wówczas istnieje potrzeba instalacji magazynu energii, co oczywiście jest związane z dodatkowymi kosztami. Najpopularniejsze jest magazynowanie energii w postaci energii elektrycznej w akumulatorach, i jeżeli nie dojdzie do jakiegoś innowacyjnego odkrycia w tej dziedzinie, ta tendencja na pewno utrzyma się przez dobrych kilka lat. Nie jest to rozwiązanie najlepsze, ale nie wymaga dodatkowej konwersji energii, co jest związane z oszczędnościami. W szczególnych przypadkach warto zastanowić się czy nie magazynować energii w innej formie jak np. woda, sprężone powietrze, czy wodór. W systemach fotowoltaicznych stosuje się akumulatory: Kwasowo-ołowiowe. Akumulator taki składa się z 6 ogniw ołowiowo-kwasowych połączonych szeregowo. Jedno ogniwo ma napięcie około 2,1V, co w wyniku połączenia daje nam napięcie równe 12,6V. Elektrolitem jest tutaj wodny roztwór kwasu siarkowego. Ich zaleta jest niewątpliwie niska cena i powszechna dostępność. Żelowe. Wadą jest ich wysoka cena. Mają jednak niewątpliwe zalety, takie jak: o stabilność, o możliwa praca w różnych położeniach, o żywotność dochodząca często do 10 lat, o szeroki zakres pracy temperatur, o szybki czas ładowania i długi czas samo rozładowania, które powodują, że właśnie ten typ jest częściej wybierany. Podczas eksploatacji akumulatorów należy pamiętać, aby: nie przekraczać poziomu rozładowania równego 50%, ani temperatury wyższej od 50 C, gdyż może to spowodować trwałe uszkodzenie baterii, dobierać system w taki sposób, aby zminimalizować ilość ładowań i rozładowań systemu, co skraca żywotność akumulatorów, stosować kontrolery ładowania zapewniające utrzymanie odpowiednich warunków pracy akumulatora i jego współpracy z siecią, Parametry akumulatorów na jakie należy zwrócić uwagę to: Pojemność znamionowa pojemność nowych akumulatorów wyrażona w Ah. Napięcie znamionowe średnie napięcie, jakie może wystąpić na zaciskach akumulatora. Nominalna pojemność energetyczna iloczyn znamionowego napięcia i znamionowej pojemności wyrażony w Wh. Stan naładowania (SOC State of charge) stosunek ładunku, jaki można pobrać do pojemności akumulatora wyrażony w %. Stan rozładowania (DOD Depth of Discharge) stosunek pojemności pobranej do pojemności znamionowej wyrażony w %. (DOD = 100% - SOC) Sprawność amperogodzinna stosunek ładunku pobranego do ładunku dostarczanego do akumulatora. Sprawność energetyczna stosunek energii pobranej do energii dostarczonej do akumulatora. Cykl następujący po sobie proces rozładowania i naładowania akumulatora. Cykl makro - następujący po sobie proces rozładowania od 100% do 0% i naładowania od 0% do 100% akumulatora. 17

18 Napięcie końca ładowania górna granica napięcia, jaką akumulator osiągnie podczas ładowania. Samorozładowanie samoczynna utrata ładunku SOC, gdy akumulator nie jest obciążony. Stan zużycia (SOH State of Health) pojemność, jaką można pobrać z akumulatora wykazującego stan pełnego naładowania. Wraz z czasem pojemność ta będzie malała. Dobór akumulatora Akumulatory należy dobierać nie tylko w oparciu o moc systemu fotowoltaicznego, ale również i zwłaszcza o ilość zużywanego prądu i moc odbiorników. I tak np. dla zasilenia komputera o mocy 200W używanego przez 6h/dzień mamy: Mając do dyspozycji akumulator o napięciu 12V otrzymamy:, czyli 14 Ah/dzień. Zakładając, że system powinien zgromadzić nam energie na 3 dni, to bateria powinna zgromadzić 3 razy tyle. Przyjmując dodatkowo współczynnik maksymalnego rozładowania baterii wynoszącym 50% mnożymy wszystko dodatkowo przez 2, a więc: Następnie dobieramy typ akumulatora i ilość z katalogu. Np. potrzebujemy 10 akumulatorów o parametrach 12V 60A Kontroler ładowania akumulatora To czy akumulator popracuje nam 5 czy 20 lat, nie zależy tylko od rodzaju i typu akumulatora. Bardzo duże znaczenie ma zastosowanie dobrego kontrolera ładownia akumulatorów, Rys.23, który wstawia się pomiędzy panele, a akumulatory. Na tym rodzaju elektroniki nie należy oszczędzać i dobrać najodpowiedniejszy sprzęt, który na pewno się zwróci. Rys.23. Kontroler ładowania akumulatorów Zadaniem regulatora jest: ograniczenie głębokości i sztywność rozładowania akumulatora, a więc nie dopuszczanie do zejścia napięcia znamionowego poniżej granicy głębokiego naładowania, mierzenie napięcia na zaciskach akumulatora i odłączenie akumulatora po osiągnięciu stanu pełnego naładowania, aby nadmiar energii nie powodował wzrostu napięcia na zaciskach akumulatora, sterowanie ładowaniem metodą impulsową (on/off), lub poprzez modulację prądu ładowania (PWM Pulse Width Modulation), stabilizacja i optymalizacja pracy dostosowanie pracy do zmian np. poprzez wymianę akumulatorów na inny typ, lub na skutek starzenia się akumulatorów. 18

19 Adapter impedancji Adapter impedancji stosuje się w systemach bezpośrednio połączonych ze źródłem energii. Czasami trudno jest sprostać wymaganiom niektórych odbiorników, a niespełnienie wymagań prowadzi do znacznego obniżenia sprawności elektrycznej układu. Aby poprawić sprawność stosuje się element pośredniczący (adapter impedancji) zamieniający prąd stały na wejściu w prąd stały zapewniający obciążeniu maksymalną energię, ale przy innych wartościach napięcia i natężenia prądu niż zapewnia źródło prądu Zarządzanie systemem i współpraca z systemem tradycyjnym Zarządzanie systemem odbywa się za pośrednictwem automatyki i specjalistycznego oprogramowania. Oprogramowanie ma na celu przekazanie użytkownikowi pełnej kontroli nad procesami przebiegającymi w obiekcie oraz minimalizację całościowych kosztów związanych z pracą instalacji i poboru energii z zewnątrz. W ramach zarządzania energią, system może uwzględniać m.in.: Koszty dostawy energii z różnych źródeł, Maksymalne wykorzystanie energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych i energii odpadowych, Różne profile użytkowania pomieszczeń i urządzeń, aby jak najlepiej wykorzystać dostawy energii ze słońca, Zarządzanie oświetleniem (optymalne zintegrowane przygaszanie i rozświetlanie pomieszczeń w miarę potrzeb), Szybką reakcje na zmianę warunków klimatycznych, oraz możliwość ich wykorzystania w optymalizowaniu zużycia energii, Możliwość podłączenia do systemu innych odnawialnych i nieodnawialnych źródeł energii i systemów inteligentnych, Prognozowanie dostaw energii słonecznej, W razie potrzeby możliwość rozbudowy systemu o dodatkowe elementy Typy systemów Systemy sprzężone bezpośrednio Najprostszy system to taki, gdzie źródło jest połączone bezpośrednio z odbiornikiem. Zaletą jest prostota i niezawodność. Niestety, aby wykorzystać w całości energię dostarczaną przez źródło przy każdej wartości natężenia promieniowania, charakterystyka prądowo-napięciowa obciążenia powinna znajdować się blisko punktu mocy maksymalnej i odpowiadać stałej wartości napięcia. Dodatkowo działanie systemu jest bardzo ograniczone, ze względu na zmienność natężenia promieniowania. Ale z względów na swoja prostotę i niskie koszty nadają się do wielu systemów Systemy można wykorzystać w niektórych silnikach i generatorach wodoru Systemy z magazynem energii Proste systemy z magazynowaniem energii różnią się od systemów sprzężonych bezpośrednio, możliwością pracy również podczas przerw w nasłonecznieniu. Do systemu trzeba wprowadzić magazyn energii. Może to być akumulator, ale może być również zbiornik na wodór z generatora, lub zbiornik z przepompowaną na wyższy poziom wodą Systemy z magazynem energii i regulatorem ładowania System z magazynem energii, który wykorzystuje dodatkowo zalety wynikające z regulacji ładowania akumulatorów, jak np. przedłużenie żywotności magazynów energii, czy zabezpieczanie przed awariami. 19

20 Systemy z magazynem energii, regulatorem ładowania oraz przetwornikiem prądu. Pełne systemy fotowoltaiczne dające możliwość wykorzystania przy zasileniu odbiorników stałoprądowych z zastosowaniem przetwornicy napięcia DC/DC (prąd stały/prąd stały o innej wartości), lub zmiennoprądowych przy zastosowaniu inwertera DC/AC (prąd stały/prąd zmienny 230V (50 Hz) Systemy hybrydowe z dodatkowym źródłem energii Nierównomierny rozkład promieniowania, a w niektórych krajach dostęp do zbyt małego natężenia promieniowania słonecznego powoduje, że systemy fotowoltaiczne muszą mieć bardzo duże rozmiary, lub tez trzeba zastosować dodatkowe źródło energii elektrycznej. Takimi źródłem mogą być: Energia z sieci energetycznej Spalinowe generatory prądu Turbiny wiatrowe, Małe elektrownie wodne Generatory geotermalne Inne To, jaki generator wybierzemy, zależy od wielu czynników. Nasza decyzję musi podjąć w oparciu o uprzednią analizę finansową, analizę możliwości dostępu do odpowiednich zasobów, a coraz częściej także analizę wpływu oddziaływania na środowisko. Jeżeli mamy domek w górach, gdzie nie ma sieci energetycznej, dociągnięcie przewodów może się okazać najdroższą alternatywą, która może się nigdy nie zwrócić, a na turbinę wiatrową możemy nigdy nie dostać zgody ze względów ochrony środowiska. W przypadku stosowania generatorów prądu stałego i zmiennego mamy trzy możliwości, a decyzja o zastosowaniu konkretnego przypadku powinna być poprzedzona wnikliwą analizą. Wszystkie elementy podłączamy do linii stałoprądowej, stosując przetworniki AC/DC dla generatorów prądu zmiennego. Następnie w zależności od potrzeby wykorzystujemy bezpośrednio prąd stały, lub za pośrednictwem falownika (DC/AC) prąd zmienny. Wszystkie elementy podłączamy do linii zmiennoprądowej. Tworzymy dwie osobne linie. Wydzielamy system zasilany tylko z paneli fotowoltaicznych np. pompy solarne, oświetlenie, pompy obiegowe, czy automatyka. Całą resztę odbiorników podłączamy do osobnego systemu zasilanego z dodatkowego źródła energii. Takie rozwiązanie przy dobrym ustawieniu i wyborze odbiorników jest najefektywniejsze Systemy hybrydowe z zewnętrznym modułem zarządzającym energią System zarządzania energią (został już omówiony w poprzednim rozdziale) jest szczególnie ważny w systemach hybrydowych, gdzie często istnieje potrzeba rozbudowy systemu, lub sprawnego zarządzaniem wszystkimi elementami. W systemach takich istnieje potrzeba przełączania źródeł energii lub prognozowania zapotrzebowania na energię dla poszczególnych odbiorników, za co będzie odpowiedzialna automatyka. System może na przykład stwierdzić, że o tej porze energia elektryczna z sieci jest dużo tańsza, ponieważ jest w drugiej taryfie. System stwierdza, że dużo taniej będzie pobrać ją teraz z sieci, a produkowana w tej chwili energie z ogniw fotowoltaicznych można zmagazynować i wykorzystać w godzinach, w których energia z sieci jest droższa. Po sprawdzeniu ilości miejsca w akumulatorach system decyduje się najpierw je zapełnić. W przypadku, gdy mamy do czynienia z częstymi brakami dostaw energii, system może rozpoznać taką sytuację i trzymać maksymalnie doładowane akumulatory na wypadek kolejnej przerwy w dostawie energii elektrycznej. 20

21 Systemy sprzężone z siecią energetyczną Systemy sprzężone z siecią energetyczna nie wymagają systemu magazynowania energii, gdyż cała produkowana przez nie energia jest przyjmowana do sieci. Rozwiązanie takie jest ciekawe ze względu na duże oszczędności wynikające z braku całej instalacji magazynowania energii, jak również z pełnego wykorzystania wyprodukowanej energii, t.j. wysokiej sprawności systemu. Nie mamy tutaj problemu z ewentualnymi nadwyżkami energii w pewnych okresach. Istnieją tutaj 2 możliwości: System posiada jedną instalację. Wykorzystuje energię na własne potrzeby, a nadwyżki są kierowane do sieci, ewentualnie w przypadku niedoboru, brakująca część jest pobierana z sieci elektroenergetycznej. System posiada dwie instalacje. Jedną oddaje całą energie do sieci, a drugą pobiera z sieci taką ilość energii, jaka jest mu potrzebna Systemy hybrydowe aktywne i pasywne Zastosowanie paneli fotowoltaicznych Rysunek Wyjaśnienie Aktywne komponenty Pasywne komponenty Hybryda panel fotowoltaiczny system termi Wykorzystanie naturalnego światła Zacienienie Naturalna wentylacja Wytwarzane przez panel ciepło odpadowe może być transportowane przez dowolne medium (powietrze lub wodę), aby je wykorzystać na cele centralnego ogrzewania, lub przygotowania ciepłej wody użytkowej przy jednoczesnej oszczędności energii i podniesieniu sprawności ogniwa fotowoltaicznego. Półprzeźroczyste moduły fotowoltaiczne mogą być wykorzystywane nie tylko do produkcji energii elektrycznej, ale również przepuszczać naturalne światło do budynku redukując automatycznie ilość sztucznego oświetlenia, Rys.24, a czasem również i koszty ogrzewania. Ciepło wprowadzone tym sposobem do budynku powinno być kontrolowane w zależności od warunków atmosferycznych. Panele fotowoltaiczne mogą produkować energie elektryczną przy jednoczesnym zabezpieczeniu budynku przed nadmiarem promieni słonecznych. Przy takim rozwiązaniu możemy liczyć się ze zmniejszeniem zapotrzebowania na chłodzenie budynku. Dobrze zaplanowana wentylacja naturalna może powodować obniżenie zapotrzebowania energii na chłodzenie budynku. Można zastosować naturalną wentylacje dla chłodzenia paneli fotowoltaicznych podnosząc ich sprawność. Zimą można to ciepło zastosować do wstępnego podgrzania powietrza wentylacyjnego. 21

22 Rys.24. Transparentna fasada fotowoltaiczna 5.3. Instalacje nadążne za słońcem Każde nieruchome ustawienie paneli fotowoltaicznych wymaga obliczenia oszacowania, lub zasymulowania optymalnych warunków pracy systemu, czyli takich, w których uzysk roczny będzie maksymalny. Niestety w każdym nieruchomym systemie będziemy mieli część promieniowania, którego nie uda nam się wykorzystać. W praktyce zakres pracy systemu nadążnego może wyrysować nam tzw. okno słoneczne, Rys.25, charakterystyczne dla danego miejsca i okresu eksploatacji instalacji słonecznej. Okno determinuje obszar wędrówki Słońca, poza którym do paneli nie docierają bezpośrednio promienie słoneczne. Rys.25. Okno słoneczne Oczywiście musimy wziąć jeszcze pod uwagę promieniowanie, którego okno słoneczne nie dotyczy. Jest to: Promieniowanie dyfuzyjne, przy którym maksymalne zyski odnotujemy umieszczając panele poziomo, kąt jest równy 0. Promieniowanie zaabsorbowane przez powierzchnię i odbite od powierzchni, przy którym optymalny kąt ustawienia paneli jest równy 90, inaczej mówiąc, gdy panele ustawione są pionowo do powierzchni ziemi. Zależy w dużej mierze od refleksyjności (współczynnika) podłoża, - Powierzchnia wody 0,9 - Gleba sucha 0,5 - Gleba zielona 0,3 - Asfalt 0,1 Optymalny kąt pochylenia paneli jest równy szerokości geograficznej lokalizacji instalacji, lub nieco mniejszy wynikający z istnienia promieniowania rozproszonego. W Polskich warunkach to pomniejszenie kąta będzie równe

23 Chcąc maksymalnie wykorzystać energię słoneczną buduje się systemy nadążne, śledzące pozorny ruch słońca na nieboskłonie. Systemy takie można podzielić na: Systemy nadążne, w jednej osi równoległej do powierzchni ziemi względem kąta nachylenia padania promieni słonecznych, Rys.26, systemy nadążne, w jednej osi prostopadłej do powierzchni ziemi względem stron świata systemy nadążne dwuosiowe, Rys.27. Rys.26. System nadążny w jednej osi względem kąta nachylenia Decyzja, czy instalować system nadążny, czy nieruchomy powinna być podjęta po zrobieniu audytu energetycznego systemu fotowoltaicznego dotyczącego: oceny zwiększenia wydajności dla poszczególnych systemów nadążnych w porównaniu z systemem nieruchomym, oceny zwiększenia kosztów inwestycyjnych związanych z instalacją systemu nadążnego, oceny rocznych koszów pracy systemu (energia elektryczne) i jego konserwacji. Rys.27. System fotowoltaiczny nadążny za słońcem dwuosiowy. 23