Słońce, wiatr, woda, geotermia, biomasa... Pełne pokrycie naszych potrzeb

Transkrypt

1 Słońce, wiatr, woda, geotermia, biomasa... Pełne pokrycie naszych potrzeb Autor: prof. zw. dr hab. inŝ. Włodzimierz Kotowski ( Energia Gigawat październik 2007) Słońce, wiatr, woda, geotermia oraz biomasa zapewniają mieszkańcom naszej planety przy obecnie juŝ dostępnych technologiach pełne pokrycie zapotrzebowania na energię z odnawialnych źródeł. Wśród nich dominującą rolę przywiązuje się do bezpośredniej przemiany promieniowania słonecznego w energię elektryczną via ogniwa fotowoltaiczne. Dopiero pod wpływem stale i silnie rosnących cen ropy oraz gazu ziemnego, wysoko rozwinięte gospodarczo kraje zaczęły na ogromną skalę rozwijać produkcję ogniw fotowoltaicznych oraz grzewczych baterii słonecznych, a w czym Polska jest dopiero w fazie raczkowania. Dowodem tego jest fakt, Ŝe w Niemczech, w kraju o podobnym nasłonecznieniu jak Polska, eksploatuje się obecnie aŝ 1,3 miliona instalacji słonecznych, tak fotowoltaicznych, jak i baterii ciepłej wody dla celów sanitarno-gospodarczych oraz wspomagających domowe sieci grzewcze. Niemieckie instalacje fotowoltaiczne, których eksploatuje się nieco ponad , wytwarzają obecnie 2 terawatogodziny energii elektrycznej, co odpowiada zapotrzebowaniu dwóch miast, wielkości Stuttgartu. Czterdzieści procent niemieckich instalacji fotowoltaicznych jest o mocy do 10 kw i zostało zabudowanych na niewielkich domkach. Ogromne elektrownie fotowoltaiczne są natomiast instalowane generalnie na łąkach. Natomiast te niewielkiej mocy, na domkach jednorodzinnych, zajmują juŝ znaczącą pozycję w sektorze odnawialnych nośników energii na poziomie lokalnych elektrowni. Republika Federalna Niemiec podjęła przed wieloma laty hasło dachów domów pokryć instalacjami fotowoltaicznymi, co zrealizowano w relatywnie krótkim okresie (patrz rys. 1). W ten sposób udało się tę gałąź wytwórczości energii elektrycznej zintegrować z istniejącą infrastrukturą i to bez dodatkowych kabli oraz powierzchni. Po prostu kaŝdy właściciel domku staje się posiadaczem własnej elektrowni. W warunkach niemieckich ta wytwórczość energii elektrycznej jest subwencjonowana, co zapewnia jej opłacalność. Podstawą wyznaczania wielkości subwencji są pokaźne efekty ekologiczne i gospodarcze z bezpośredniego przetwarzania promieniowania słonecznego w wysoce uŝyteczną energię elektryczną. 1

2 Rys. 1 Instalacja fotowoltaiczna na dachu domku jednorodzinnego wokół trzech kolektorów (w górnej części) słonecznych dla ciepłej wody uŝytkowej i wspomagających system ogrzewania. Wytwarzanie baterii fotowoltaicznych Elementem podstawowym jest ogniwo fotowoltaiczne, sporządzane najczęściej z mono- oraz polikrystalitów krzemu, bądź jego amorficznej odmiany. Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne zawierają półprzewodnik w postaci płytek o grubości 100 µm i powierzchni 10 x 10 cm. Tworzenie się ładunków elektrycznych pod wpływem promieni świetlnych ma miejsce nie tylko w jednorodnym półprzewodniku przykładowo krzemowym i jest wynikiem róŝnicy prędkości z jaką dyfundują w jego wnętrze elektrony oraz wytworzone dziury, wyzwolone w obszarze przypowierzchniowym, ale wyzwalają one takŝe przepływ elektronów i zaistnienie dwóch biegunów na złączach dwóch półprzewodników, względnie półprzewodnika oraz metalu, co ilustruje rys. 2. 2

3 Rys. 2. Schemat działania krzemowego ogniwa fotowoltaicznego, zmieniającego światło słoneczne bezpośrednio w energię elektryczną. Jego głównym elementem jest półprzewodnik, tj. materiał, w którym promień światła wywołuje elektryczną różnice napięć. Im silniejszy promień światła, tym wyższa różnica napięć. Od kilku lat eksploatuje się z powodzeniem cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne o grubości tylko około 4 µm i o powierzchni 60 x 120 cm. Jako materiał absorbujący promieniowanie światła stosuje się między innymi układy, zawierające pierwiastki: miedź (Cu), ind (In), gal (Ga) oraz selen (Se) w dwóch wariantach: Cu In Se 2 pod skróconą nazwą CIS oraz Cu In Ga Se 2 znane pod określeniem CIGS. Wymienione pierwiastki: Cu, In, Ga oraz Se nanosi się na szklaną szybę poprzez katodowe napylanie w fazie parowej. W końcowym etapie produkcyjnym układ bywa szybko ogrzewany w piecu dla przeprowadzenia krystalizacji. Ogniwa krzemowe charakteryzują się relatywnie wysoką sprawnością, sięgającą 15 17% i Ŝywotnością do lat. Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne osiągają natomiast sprawność 7 9% oraz krótszą Ŝywotność od krzemowych, przy czym są od tych ostatnich znacznie tańsze (MODERNE ENERGIE & Wochnen, 16,2,2007 r.). Wytworzone wg powyŝszych operacji ogniwa krzemowe są układane na szybach w moduły, co ilustrują rys Tu poszczególne ogniwa łączy się taśmami metalowymi. One przejmują wyzwolone przez fotony elektrony i odprowadzają je do złącza modułu. 3

4 Źródło: SOLARPRAXIX Rys. 3 Panele fotowoltaiczne na dachówkach ceramicznych typowego domku jednorodzinnego. Źródło: SUNTECHNICS Rys. 4. Montaż panelu fotowoltaicznego jednego z wielu na standardowych dachówkach ceramicznych domku jednorodzinnego 4

5 Następnie ogniwa w poszczególnych modułach zostają pokryte folią i składane w piecu o temperaturze 150 st. C. W tych warunkach przy podwyŝszonym ciśnieniu folia, ulegając stopnieniu, laminuje wszystkie ogniwa modułu. W końcowej fazie obróbki kaŝdy z nich zostaje obramowany specjalną obudową, która wraz z laminatem chroni przed róŝnego rodzaju czynnikami atmosferycznymi, przez cały okres eksploatacji. W tak przygotowanym stanie moduły bywają montowane na dachach i fasadach budynków, zapewniając im dodatkową osłonę przed wszelkiego rodzaju czynnikami atmosferycznymi. KaŜda instalacja fotowoltaiczna składa się z trzech części: słonecznego elektrogeneratora (na dachu lub fasadzie budynku), obejmującego połączone z sobą moduły, które zmontowano z ogniw fotowoltaicznych, dostarczających energię elektryczną. W ten sposób wytwarza się prąd stały i dlatego konieczny jest trzeci element, obejmujący przetwornik na prąd zmienny i inne składniki, zapewniające bezkolizyjny przepływ nadmiarowej energii elektrycznej do sieci regionalnej. Montując moduły fotowoltaiczne na dachu, czy fasadzie budynku, naleŝy uwzględnić maksymalne napromieniowanie słoneczne, co zapewnia strona południowa i nachylenie dachu najefektywniej pod kątem 30 stopni. Trzeba przy tym unikać cieni rzucanych przez drzewa i róŝnego typu budowle. Gdy te warunki zostają spełnione, uzyskuje się rocznie na południu Polski i Niemiec 900 kwh energii elektrycznej z 1 kw mocy zainstalowanej, a 800 kwh na północy tych krajów m 2 powierzchni modułów krzemowych zapewnia 1 kw mocy przy napromieniowaniu w południowej porze dnia i przy w/w uwarunkowaniach ich montaŝu. Typowe warunki atmosferyczne (wiatry, deszcze, upały, mrozy, itp.) nie niszczą instalacji fotowoltaicznych (MODERNE ENERGIE & Wohnen, 8, 2, 2007 r.). Są jednak wypadki losowe, jak przykładowo uderzenie pioruna czy poŝar, a nawet wandalizm. Dlatego naleŝy ubezpieczać instalacje fotowoltaiczne, których nakłady inwestycyjne dla układów krzemowych wynoszą 2800 /kw zainstalowanej mocy. Koszty eksploatacyjne z konserwacyjnymi nie przekraczają 1,5% rocznie w/w z okresu budowy. Skoro w krajach wysokorozwiniętych opłaca się właścicielom domków jednorodzinnych oraz spółdzielniom mieszkaniowym i nie tylko uŝytkowanie własnych instalacji fotowoltaicznych, to u nas pora najwyŝsza na tego typu wysoce ekologiczne inwestycje w polskiej energetyce lokalnej. 5