WSPÓŁCZESNE PROBLEMY ENERGETYKI SOLARNEJ

Ewa Krac, Krzysztof Górecki Akademia Morska w Gdyni WSPÓŁCZESNE PROBLEMY ENERGETYKI SOLARNEJ W pracy przedstawiono typowe rozwiązania stosowane w energetyce solarnej oraz problemy związane z poszczególnymi składnikami instalacji fotowoltaicznych i fototermicznych. Rozważania teoretyczne zilustrowano literaturowymi wynikami badań. Sformułowano problemy badawcze związane z energetyką solarną. Słowa kluczowe: energetyka solarna, fotoogniwa, ogniwa fototermiczne. WPROWADZENIE Od początku obecnego stulecia obserwować można dynamiczny wzrost zainteresowania pozyskiwaniem energii ze źródeł odnawialnych: wiatru, promieniowania słonecznego, biomasy, wody czy źródeł geotermalnych. Ich mnogość, a zwłaszcza duża liczba dostępnych już technologii pozyskania zielonej energii, wpisuje się idealnie w płynące z rynku zapotrzebowanie zgłaszane zarówno przez duże instytucje, jak i indywidualnych odbiorców. Nie bez znaczenia dla rozwoju tych gałęzi przemysłu i nauki są również programy wspierające wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Rządy państw kładą duży nacisk na dywersyfikację źródeł energii, tym samym zmierzając do zmniejszenia eksploatacji konwencjonalnych jej zasobów i, co wybrzmiewa równie mocno jak potrzeba oszczędzania bogactw naturalnych, obniżenie emisji CO 2 do atmosfery. Za podstawę europejskiej polityki energetycznej do 2020 roku obrany został tzw. program 3 20: 20% redukcja emisji gazów cieplarnianych w stosunku do poziomu z 1990 roku; 20% zmniejszenie zużycia energii; 20% udział energii ze źródeł odnawialnych w produkcji energii w UE do 2020 roku [9]. Z całą pewnością to właśnie mechanizmy pomocy instytucji rządowych oraz międzynarodowych (ulgi podatkowe, dotacje i subsydia, systemy wsparcia bezpośredniego), dotujących tę gałąź nauki i przemysłu, w znacznym stopniu przyczyniły się do tak intensywnego jej rozwoju. W ślad za tym idą regulacje prawne, które definiują rynek zarówno po stronie pozyskiwania zielonej energii, jak i jej zbywania oraz mechanizmy wspierające rozwój pozyskania energii z odnawialnych

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 69 źródeł. Jednym z pierwszych i podstawowych mechanizmów, mających na celu wzrost wykorzystania źródeł odnawialnych, było wprowadzenie tzw. Feed-In Tariff (FIT) dopłat państwa do każdej kwh energii uzyskanej ze źródeł odnawialnych. Dopłaty te okazały się najskuteczniejszym mechanizmem wsparcia dla fotowoltaiki, pozwalającym na stabilny rozwój rynków na całym świecie. Jako pierwsze ten system dopłat wprowadziły Niemcy. Natomiast w Japonii w 2009 roku zainstalowano baterie słoneczne o mocy ponad 2,6 GW, z czego ponad 99% systemów zostało połączonych z siecią energetyczną dzięki dopłatom stosowanym przez tamtejsze Ministerstwo Gospodarki [13]. Niniejsza praca stanowi przegląd sposobów wykorzystania energii słonecznej do wytworzenia energii elektrycznej lub cieplnej, wskazując odpowiednie zjawiska fizyczne oraz uwarunkowania ekonomiczne. W rozdziale 1 autorzy wskazują na powiązania sektora fotowoltaicznego (PV z ang. PhotoVoltaics) z rozwojem przemysłu elektronicznego w ujęciu globalnym. W rozdziale 2 opisano systemy fototermiczne i fotowoltaiczne, wyjaśniając zjawiska fizyczne, budowę pojedynczych urządzeń oraz budowę systemów produkujących energię. Rozdział 3 zawiera opis kompletnego systemu wytwarzającego energię elektryczną z promieniowania słonecznego. Wskazano w nim również na problemy związane z wykorzystywaniem odnawialnych źródeł energii (OŹE) do produkcji energii elektrycznej, ze szczególnym uwzględnieniem polskich uwarunkowań geograficznych, oraz przedyskutowano prognozy na najbliższe 25 lat. 1. MAKROOTOCZENIE SEKTORA SYSTEMÓW FOTOWOLTAICZNYCH Wraz z rozwojem metod pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych nastąpił dynamiczny rozwój całego przemysłu z tym związanego, w szczególności elektroniki oraz automatyki pozostającej w służbie zielonej energii. Według danych z ubiegłego roku tylko przemysł fotowoltaiczny (PV) stanowi aż 11 000 przedsiębiorstw na świecie (z czego nieco ponad 30 w Polsce). Wśród nich są przedsiębiorstwa specjalizujące się w produkcji krzemu dla fotowoltaiki, przedsiębiorstwa produkujące ogniwa słoneczne, firmy produkujące moduły fotowoltaniczne czy też zajmujące się montażem podzespołów lub ogniw. Dla porównania według opublikowanych raportów w roku 2010 dla sektora fotowoltaicznego wyprodukowano trzy razy więcej krzemu niż dla sektora mikroelektroniki, a wartość tego rynku szacowano na 25 mld euro [4, 10, 12]. Tymczasem jeszcze sześć lat wcześniej wiodącym odbiorcą krzemu był sektor mikroelektroniki. Z całą pewnością ten zauważalny wzrost zapotrzebowania na podłoża krzemowe płynący z rynku PV wynika z faktu, iż zarówno w Europie, jak i na świecie, spośród wymienionych wcześniej źródeł zielonej energii farmy wiatrowe i duże systemy solarne należą do najpopularniejszych instalacji pracujących w warunkach rzeczywistych, a to właśnie systemy solarne są głównym odbiorcą elementów i systemów elektronicznych oraz układów sterujących. Wszystko wskazuje na to, że zapotrzebowanie to będzie rosło, gdyż produkcja energii z ogniw wykazuje tendencję wzrostową. Pod koniec

70 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 2009 roku całkowita moc elektrowni słonecznych na świecie wynosiła 23 GW. Natomiast rok później liczba ta wyniosła ponad 35 GW [13]. Dynamikę wykorzystania słońca do produkcji energii przedstawiono na rysunku 1 [10]. Na wykresie można zaobserwować, że od roku 1998 do roku 2009 nastąpił kilkudziesięciokrotny wzrost produkcji energii elektrycznej uzyskiwanej z promieniowania słonecznego. Rys. 1. Całkowita moc wszystkich rodzajów ogniw słonecznych na świecie w okresie od 1998 do 2009 roku Fig. 1. Total power of all the types of solar cells in the world in the period from 1998 to 2009 years Moce te uzyskane zostały w elektrowniach solarnych obu istniejących typów, różniących się między sobą sposobami konwersji promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną lub cieplną. Mowa tu o systemach fototermicznych i systemach fotowoltaicznych opisanych poniżej [10]. 2. SYSTEMY KONWERSJI ENERGII W ELEKTROWNIACH SOLARNYCH 2.1. Systemy fototermiczne Funkcjonowanie systemów fototermicznych polega na przekształceniu energii promieniowania słonecznego w energię cieplną. Proces ten odbywa się w specjalnie przystosowanych kolektorach, przez które przepływa ciecz. Nagrzewa się ona do odpowiednio wysokiej temperatury, a w dalszym etapie sama oddaje ciepło, np. ogrzewając wodę bieżącą użytkową lub napędzając turbiny wytwarzające energię elektryczną. Instalacje służące do podgrzania wody użytkowej najczęściej można

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 71 spotkać w hotelach, pensjonatach czy szpitalach. Fototermiczne systemy pasywne montuje się też w gospodarstwach domowych. Wynika to głównie z relatywnie niskiego kosztu montażu i stosunkowo szybkiego zwrotu poniesionych kosztów inwestycji. Mechanizm pracy układu pasywnego zilustrowano na rysunku 2 [5]. W kolektorze słonecznym, zamontowanym pod zbiornikiem z gorącą wodą, następuje konwersja promieniowania elektromagnetycznego na energię cieplną. Tak pozyskane ciepło oddawane jest bezpośrednio przez podgrzewanie wody użytkowej, która doprowadzona jest do kolektora rurą o wlocie położonym blisko jego ściany dolnej. Dodatkowo układy takie na ogół pracują w systemach hybrydowych, w których do obiegu wody bieżącej użytkowej podgrzewanej za pomocą instalacji fototermicznej włączony jest jednocześnie zapasowy podgrzewacz wody potrzebny do osiągnięcia zadowalających rezultatów przy zbyt małym nasłonecznieniu. W systemach takich montuje się również zbiorniki na wodę gorącą, w których gromadzi się zapas ciepła, pozwalający na korzystanie z ciepłej wody także w nocy [5]. Warto jednak zauważyć, że układy takie nie są pozbawione wad. Decydując się na budowę systemu fototermicznego pasywnego, należy mieć na względzie jego niską sprawność. Na etapie projektów trzeba także uwzględnić położenie geograficzne miejsca pracy takiego systemu. Jest to o tyle istotne, iż w regionach, w których występują ujemne temperatury, system należy zabezpieczyć przed zamarzaniem czynnika grzewczego [5]. Znacznie wyższą sprawność pozyskiwania energii promieniowania słonecznego uzyskują systemy aktywne. Wzbogacone są one o układy automatyki, które mają za zadanie np. śledzenie słońca, dzięki czemu układ odbierający promieniowanie może ustawić się pod optymalnym kątem w stosunku do kierunku padania promieni słonecznych. Można też zainstalować pompę, która wymusza stały przepływ czynnika roboczego, dzięki czemu uzyskuje się równomierne nagrzewanie całej objętości cieczy, jednostajnie oddającej ciepło. Do tej grupy systemów fototermicznych należą m.in. systemy stosowane w solarnych elektrowniach termicznych, gdzie pozyskana energia cieplna jest jedynie etapem do wytworzenia energii elektrycznej. Schemat blokowy takiego systemu przedstawiono na rysunku 2. Warto jednak podkreślić, iż wspomniane systemy są opłacalne wówczas, gdy instalacje są odpowiednio duże, a technologia ich budowy jest w stanie zapewnić maksymalne możliwe pozyskanie energii słonecznej. Obecnie w tego typu instalacjach, by osiągnąć najefektywniejsze pozyskanie energii słonecznej, wykorzystuje się jedną z trzech technologii: system z punktową koncentracją promieni słonecznych, system z liniową koncentracją promieni słonecznych, system z centralnym sterowaniem. System z punktową koncentracją promieni słonecznych składa się z zespołu luster rozstawionych wokół metalowej wieży. Zadaniem luster jest skierowanie promieni słonecznych do jednego punktu zlokalizowanego na szczycie wieży. W tym punkcie centralnie umieszczony jest zbiornik, będący odbiornikiem energii cieplnej (rys. 3b). Zamiast koncentracji punktowej stosuje się również koncentrację liniową promieni słonecznych, wykorzystując metaliczne reflektory złożone w układ paraboliczny, w których środku umieszcza się rurę z czynnikiem roboczym.

72 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 Schemat blokowy tego rozwiązania pokazano na rysunku 3a). Dodatkowo układem takim może sterować centralny system, zapewniający takie skierowanie kolektora, by kąt padania promieni słonecznych na elementy odbierające promieniowanie był optymalny z punku widzenia sprawności układu. Układy te nazywane są układami CPS z koncentracją liniową. Zamiast układu parabolicznego można zbudować układ luster z silnikiem cieplnym, co w rezultacie zapewnia równie wysoką skuteczność urządzenia [5]. Rys. 2. Schemat blokowy prostego systemu fototermicznego [5] Fig. 2. The block diagram of a simple photothermal system [5] Rys. 3. Schemat blokowy systemu fototermicznego wytwarzającego energię cieplną, wykorzystywaną do wytworzenia energii elektrycznej: a) system z koncentracją liniową promieni słonecznych, b) system z punktową koncentracją promieni słonecznych [5] Fig. 3. The block diagram of a photothermal system generating thermal energy, which is used in the next stage to generate electrical energy: a) the system with linear concentration of solar beams, b) the system with point concentration of solar beams [5]

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 73 2.2. Ogniwa fotowoltaiczne Inaczej niż w systemach fototermicznych, w systemach fotowoltaicznych konwersja promieniowania elektromagnetycznego na energię elektryczną odbywa się w sposób bezpośredni, tj. bez udziału czynnika roboczego. Technologia tych systemów wykorzystuje zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, które opisuje sposób zachowania się elektronów w półprzewodniku po wniknięciu w jego wnętrze promieniowania elektromagnetycznego. Wiązka promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego lub bliskiej podczerwieni, która przeniknie do wnętrza półprzewodnika, zderzając się z elektronami obu środowisk półprzewodnika i metalu, z powierzchni ich styku uwalnia elektrony związane w atomach półprzewodnika, które migrują w kierunku metalu. Jednak energia uzyskana w ten sposób wystarcza tylko na ruch elektronów w jedną stronę, tj. od półprzewodnika w kierunku metalu. Elektrony uwolnione z powierzchni metalu nie są w stanie przekroczyć bariery potencjału, tym samym powstaje siła elektromotoryczna na złączu. W dalszym etapie pojedyncze ogniwa łączy się ze sobą, budując małe oraz duże, osiągające moce do kilkudziesięciu MWp (moc nominalna), systemy fotowoltaiczne. Największe elektrownie PV produkują ok. 97 MW [10]. W Polsce największa tego typu instalacja znajduje się w Bydgoszczy. Może ona wyprodukować 80,5 kwp, a mieści się na dachu budynku chłodni o powierzchni blisko 600 m 2. Składa się z 366 polikrystalicznych modułów fotowoltaicznych [7, 17]. Obok dużych elektrowni fotowoltaicznych znaczną grupą odbiorców urządzeń wykorzystujących moduły PV są użytkownicy sprzętu codziennego użytku. Na rynku można znaleźć: przenośne lodówki zasilane modułami PV, lampy z kloszem z ogniw, sygnalizatory światła zasilane energią słoneczną, ładowarki do telefonów wykorzystujące fotoogniwa, mechaniczne zabawki, których mechanizmy zasilane są energią słoneczną, automaty z napojami, zestawy ogrodowe, a nawet samochody [14]. W dużym uproszczeniu wykorzystanie systemów PV można podzielić na pięć grup [14]: urządzenia elektroniczne powszechnego użytku; systemy autonomiczne; systemy dołączone do sieci elektroenergetycznej; systemy hybrydowe; urządzenia stosowane w kosmonautyce. Jakość poszczególnych urządzeń różni się między sobą, tak jak i różni się ich sprawność energetyczna. Spośród czynników, które ograniczają sprawność energetyczną ogniw, należałoby wskazać: szerokość przerwy energetycznej Eg materiału (zależność sprawności fotowoltaicznej od szerokości przerwy energetycznej Eg dla różnych materiałów przedstawiono na rysunku 4). Spośród rozważanych materiałów zarówno dla złącza idealnego, jak i dla złącza rzeczywistego największą wartość przerwy energe-

74 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 tycznej posiada GaAs oraz CdTe i to właśnie CdTe prawdopodobnie w przyszłości będzie wiodącym materiałem do produkcji PV. Dziś najczęściej wykorzystuje się do tego krzem (Si), którego szerokość przerwy energetycznej jest o około 0,4 V mniejsza; niedopasowanie charakterystyki absorpcyjnej fotoogniwa do charakterystyki emisyjnej promieniowania słonecznego; czułość widmową fotoogniwa; wartość współczynnika odbicia; straty spowodowane rezystancją szeregową i równoległą bocznikującą; zmianę szerokości przerwy energetycznej Eg(T) pod wpływem wzrastającej podczas pracy ogniwa temperatury jego wnętrza [2]. Rys. 4. Zależność sprawności ogniwa fotowoltaicznego od szerokości przerwy energetycznej Eg dla różnych materiałów: dla złącza idealnego (krzywa a) oraz dla złącza rzeczywistego (krzywa b) [2] Fig. 4. The dependence of the watt-hour efficiency of photovoltaic cells on the band gap Eg for different materials: for ideal junction (curve a) and for real junction (curve b) [2] Obecnie badane są różne materiały, które mogłyby stanowić bazę do wytwarzania systemów PV. Znane są także różne technologie ich wytwarzania, jednak analiza porównawcza udziału procentowego poszczególnych rodzajów ogniw jednoznacznie wskazuje na przewagę ilościową produkcji ogniw na bazie krzemu, pomimo że nie te ogniwa uzyskują najwyższą sprawność energetyczną [10]. Na rysunku 5 pokazano klasyfikację materiałów stosowanych w przemyśle fotowoltaicznym do budowy ogniw, w tabeli 1 zaś przedstawiono wartości uzyskanych sprawności poszczególnych rodzajów ogniw z podziałem na grupy i wskazaniem producentów. Jak można zauważyć, zarówno ogniwa, jak i moduły zbudowane na bazie krzemu mono- oraz polikrystalicznego osiągają znacznie mniejszą sprawność niż ogniwa produkowane na bazie GaInP 2 /GaAs.

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 75 Ogniwo Krzem Związki półprzewodnikowe Inne materiały krystaliczny amorficzny nc halogenki Związki AmBv barwnikowe organiczne inne monokrystaliczny polikrystaliczny CIS, CIGS CdTe GaAs InP cienkowarstwowe inne halogenki inne Rys. 5. Materiały stosowane w przemyśle fotowoltaicznym do budowy ogniw h Fig. 5. Materials used in photovoltaic industry for the construction of h cells W 2009 roku ciekawą zdała się być metoda HIT (Heterijunction with intrinsicthin layer ogniwo zbudowane z pojedynczej warstwy monokrystalicznego krzemu typu n, sąsiadującej z bardzo cienkimi warstwami krzemu amorficznego typu n z jednej strony i typu p z drugiej strony opracowana przez firmę Sanyo. Podnosiła ona wówczas sprawność ogniw budowanych na bazie Si aż o kilkanaście procent. Si wykorzystywane jest do produkcji PV głównie z powodu bardzo dobrej znajomości właściwości krzemu i istniejących już zaawansowanych laboratoriów badawczych. Do wytworzenia płytki krzemowej używanej do produkcji ogniwa potrzebne są wyspecjalizowane technologie obejmujące szereg procesów. Przemysł PV stara się wykorzystywać te, które już opracowano kosztem milionów dolarów koszt budowy zakładu produkującego Si dla PV szacuje się na 250 milionów dolarów [10]. Względy ekonomiczne mają duże znaczenie przy wyborze materiału podczas planowania linii produkcyjnej, jednak należy podkreślić, że Si zapewnia produkowanym z niego ogniwom i modułom wysoką stabilność czasową parametrów pracy i przeciętną sprawność energetyczną. Obecnie prognozuje się, że dominująca pozycja krzemu w przemyśle fotowoltanicznym utrzyma się jeszcze przez co najmniej 20 następnych lat [10]. Kolejne lata miałyby przynieść przewagę ogniwom produkowanym z materiałów, które zapewniają większą niż Si sprawność pozyskania energii z promieniowania elektromagnetycznego. Liderem w tym rankingu mają być cienkowarstwowe ogniwa CdTe (ogniwa wykonane w technologii tellurku kadmu, z łac. Cadmium telluride) oraz CIGS (ogniwa wykonane ze stopu indu, galu, miedzi, selenu, z ang. Copper Indium Gallium Selenide). Ich udział w produkcji ogniw w roku 2009 wzrósł do 19% [10, 11, 15].

76 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 Tabela 1. Wartości sprawności energetycznej poszczególnych rodzajów ogniw z podziałem na grupy i wskazaniem producentów [10] Table 1. The values of watt-hour efficiency of selected types of cells with the partition on groups and with the indication of producers [10] Grupa ogniw Krzemowe (Si) Wysokosprawne Cienkowarstwowe Rodzaj ogniw Monokrystaliczne (Cz-Si) Polikrystaliczne (mc-si) (mc-si) Mikrokrystaliczne (µc-si) Taśmowe (R-Si) η ogniwa [%] η modułu [%] 24,7 22,7 20,3 18,6 11,7 10,9 13,4 HIT 21,8 17,3 GaAs 25,8 InP 21,9 GalnP 2/GaAs 39,3 CdTe 16,5 10,1 CIGS 19,5 12,2 Amorficzne Si (a-si) 10,1 7,5 Organiczne Polimerowe 5,1 1,8 Fotochemiczne Barwnikowe Grätzela 11,4 11,1 3. SYSTEMY FOTOWOLTAICZNE Wyprodukowane ogniwa, połączone w moduły, wyposaża się w układ dopasowujący generowany sygnał do wymagań konkretnego odbioru, układ magazynujący nadmiar wytworzonej energii tak, aby w czasie gdy warunki nasłonecznienia nie są wystarczające do wytworzenia energii elektrycznej, system mógł czerpać z wcześniej wytworzonej energii, a także regulator napięcia lub falownik, gdy potrzeba zasilić urządzenia zmiennoprądowe. Ponadto poszczególne ogniwa zabezpieczone są przed wilgocią, zanieczyszczeniami czy wpływem atmosfery. Gotowy panel składa się z aż pięciu warstw, z czego cztery stanowią warstwy zabezpieczające moduł. Na rysunku 6 przedstawiono moduł PV w przekroju, który uwidacznia poszczególne warstwy PV.

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 77 a) Szkło EVA Ogniwa EVA Podłoże b) Rama aluminiowa Uszczelka Szyba Ogniwa Folia kompozytowa Rys. 6. Moduł PV wykonany w technologii c-si w przekroju: a) warstwy modułu PV, b) moduł PV osadzony w ramie aluminiowej [16] Fig. 6. The cross-section of the PV module made in c-si technology: a) lamellar PV module; b) PV module located in a alumina frame [16] System na ogół dodatkowo wzbogacony jest o układy automatyki, które mają za zadanie śledzić położenie słońca, ustawiając moduł pod optymalnym kątem padania na niego promieni słonecznych, zapewniając w ten sposób najwyższą sprawność energetyczną systemu. Urządzenia takie przygotowane są do pracy nawet przez 30 lat. Ich wydajność wyrażana jest w watach mocy szczytowej (Wp watt peak), tj. mocy dostarczanej przez nie przy promieniowaniu słonecznym AM 1,5 o gęstości mocy 1000 W/m 2 i temperaturze otoczenia 25 C (tzw. warunki standardowe STC Standard Test Conditions). Systemy produkowane dla przemysłu przechodzą dodatkowo badanie sprawności energetycznej modułów przeprowadzane w szerokim zakresie warunków pracy. Dzięki temu odbiorca modułu może wybrać najlepszy dla siebie system, uwzględniając uwarunkowania klimatyczne, w jakich nabyty moduł będzie pracować. Opis modułów PV określony jest parametrami: producent, model, technologia; wymiary, powierzchnia, waga. Podstawowe parametry elektryczne modułu PV (wartości dla STC): Wp moc znamionowa moc w warunkach STC [W]; Vmpp napięcie w punkcie mocy maksymalnej [V]; Impp prąd w punkcie mocy maksymalnej [A]; Voc napięcie obwodu otwartego [V]; Isc prąd zwarcia [A].

78 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 W tym warunki STC (Standard Test Conditions) są następujące: natężenie promieniowania 1 kw/m 2 ; temperatura modułu 25 C; rozkład spektralny promieniowania AM 1,5 [16]. Wskazane wyżej parametry systemu PV mogą okazać się różne dla modeli referencyjnych i tych pracujących w warunkach rzeczywistych. Poza problemami wymienionymi do tej pory, jakie należy rozwiązać na etapie produkcji ogniw, czyli szerokością przerwy energetycznej materiału, niedopasowaniem charakterystyki absorpcyjnej fotoogniwa do charakterystyki emisyjnej promieniowania słonecznego, czułością widma fotoogniwa, wartością współczynnika odbicia, stratami spowodowanymi rezystancją szeregową i równoległą bocznikującą, zmianami szerokości przerwy energetycznej Eg(T) pod wpływem wzrastającej podczas pracy ogniwa temperatury jego wnętrza, czy kompletnych systemów PV (co opisano w dalszej części tego rozdziału), ogromny wpływ na wydajność produkcji energii elektrycznej z promieniowania słonecznego mają: warunki atmosferyczne: wszelkiego rodzaju zacienienia paneli; degradacja modułów PV. Spośród naturalnych wrogów systemów PV pracujących w warunkach rzeczywistych pierwsze miejsce zajmują warunki atmosferyczne, wśród których należałoby wymienić przede wszystkim wpływ temperatury na obniżenie sprawności układu. Na rysunku 7 przedstawiono charakterystykę prądowo-napięciową (I-V) modułów pracujących w różnych temperaturach przy stałym poziomie natężenia promieniowania. Różnica napięcia na zaciskach modułu pracującego w temperaturze bliskiej 0 C jest prawie dwukrotnie większa niż dla modułu pracującego w temperaturze 75 C. 3,5 3 Prąd modułu [A] 2,5 2 1,5 1 0,5 0 10 20 30 40 Napięcie modułu [V] Zakres zmian V MPP Rys. 7. Charakterystyki I-V modułu wykonanego z krzemowych ogniw fotowoltaicznych dla różnych wartości temperatury przy stałym poziomie natężenia promieniowania [16] Fig. 7. I-V characteristics of a silicon PV module for different values of temperature at the constant value of the flux of radiation per unit area [16]

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 79 Ponadto, instalując system PV, należy uwzględnić wpływy natężenia promieniowania słonecznego, kąt padania tego promieniowania na płaszczyznę paneli PV, lokalne ciśnienie, gęstość oraz zanieczyszczenie powietrza. Innym problemem stanowiącym wyzwanie dla instalatorów systemów PV są wszelkiego rodzaju zacienienia paneli. Wynikać one mogą z przeszkód architektonicznych, np. kominów, anten satelitarnych, fasad itp., czy przejściowych, takich jak śnieg lub spadające, a osadzające się na panelach liście, sadza i inne zanieczyszczenia. Gdy jedno ogniwo w szeregu zasłonięte jest w 75%, prąd generowany przez ogniwo jest ograniczony do 25%, natomiast prąd całego szeregu spada do poziomu 25%. Pozostałe 75% nośników z niezacienionych ogniw rekombinuje w zacienionym obszarze jednego ogniwa i oddaje swoją energię w postaci ciepła [16]. Równie niebezpieczne dla sprawności systemów PV, co opisane wyżej, jest rozlaminowanie pomiędzy folią Tedlar i warstwą EVA. Podobnie jak w przypadku zacienienia modułu, degradacja jednego modułu wpływa negatywnie na cały system. W tabeli 2 przedstawiono różnice wartości parametrów systemu referencyjnego i systemu pracującego przez okres ok. czterech lat, w którym po tym czasie uległ degradacji jeden z modułów. W wyniku uszkodzenia jednego modułu następuje, poza obniżeniem sprawności wytwarzania energii, wzrost procesów pasożytniczych, w efekcie czego straty sprawności systemu sięgają kilkudziesięciu procent [16]. Tabela 2. Parametry systemu referencyjnego w zestawieniu z parametrami systemu, w którym w jednym z modułów nastąpiło rozlaminowanie pomiędzy folią Tedlar i warstwą EVA [6, 16] Table 2. Parameters of a reference system with comparison with parameters of system, in which after 4 years of operations, in one in one of modules laminating followed among the foil with Tedlar and the layer EVA [6, 16] Parametr Moduł systemu Moduł referencyjny Różnica [%] Jednostka Moc maksymalna 24,235 32,194 25 [W] Napięcie Voc 49,25 52,0061 5 [V] Napięcie prądu zwarcia Isc 0,97 0,988 2 [A] Napięcie Vmpp 33,252 38,135 13 [V] Napięcie prądu Impp 0,729 0,844 14 [A] FF 50,7 62,6 19 [%] Sprawność 4 5,4 26 [%] Rezystancja szeregowa 17,8567 10,1102 77 [ohm] Rezystancja równoległa 356,1 1000,9 64 [ohm] Rezystancja izolacji 97,5 166 41 [Mohm] Schemat blokowy systemu PV zbudowanego z zabezpieczonych przed wpływem czasu i atmosfery modułów fotowoltaicznych pokazano na rysunku 8.

80 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 Generator PV Skrzynka połączeniowa generatora Detektor przebić do ziemi RCD L N Monitor izolacji Falownik Konstrukcja nośna PE Rys. 8. Schemat systemu PV [3] Fig. 8. The diagram of PV system [3] W systemie tym można wyróżnić następujące bloki: generator PV składający się z modułów fotowoltaicznych, które są chronione przed wpływem środowiska. Ich zadaniem jest zamiana energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Najczęściej moduły PV stanowią połączenie kilku ogniw. Często zestawy czterech lub więcej mniejszych modułów są oprawione lub połączone ze sobą, stanowiąc zestawy nazywane panelami słonecznymi; zestaw urządzeń dopasowujących BOS (balance of system equipment bilans urządzeń systemu) zawierający elementy montażowe oraz systemy okablowania wykorzystywane w celu zintegrowania modułów słonecznych ze strukturalnymi i elektrycznymi systemami w domu. Systemy okablowania obejmują rozłącza dla prądu stałego i przemiennego, systemy błędów ochrony i przeciążenia; falownik urządzenie, które przetwarza prąd stały z modułów PV na prąd przemienny;

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 81 licznik urządzenie pomiarowe informujące o wydajności systemu. Niektóre liczniki mogą wskazywać zużycie energii w domu; pozostałe elementy, np. przełączniki pomiędzy urządzeniami obciążenia [1]. Celem zmagazynowania nadmiaru energii stosuje się akumulatory. Stanowi to kolejne wyzwanie dla technologów oraz instalatorów systemów PV jest to bowiem obszar, w którym naukowcy oraz technolodzy, dla poprawy sprawności systemów fotowoltaicznych mają jeszcze znacznie więcej do zrobienia niż w przypadku udoskonalenia sprawności samych ogniw. Tę samą opinię można usłyszeć, analizując systemy przesyłu wytworzonej energii słonecznej. Opinie takie wynikają głównie z faktu, iż rynek akumulatorów dla systemów fotowoltaicznych jest jeszcze bardzo wąski, a straty powstałe w ramach przesyłu energii zarówno do akumulatorów, jak i do obciążenia są wciąż niezadowalająco duże. Dosyć uboga również w tym zakresie jest literatura przedmiotu. Tymczasem od dobrej jakości akumulatorów zależy sprawność tych układów, które pracują w regionach małego lub umiarkowanego nasłonecznienia, co jest szczególnie aktualne dla układów pracujących w naszej strefie klimatycznej. W tabeli 3 przedstawiono usłonecznienie wyrażone w godzinach, w wybranych regionach Polski. W Polsce usłonecznienie szacuje się jako umiarkowane i nierównomierne jest różne w różnych porach roku oraz w różnych regionach. Najkorzystniej pod tym względem wypada Polska północna, gdzie wartość roczna nasłonecznienia jest największa, natomiast najgorzej sprawa wygląda w paśmie górskim. Potencjalne łączne zasoby energii promieniowania słonecznego w Polsce po uwzględnieniu strat energii na skutek pochłaniania i rozpraszania w atmosferze określa się na 780 1050 kwh/m 2 rocznie [1]. Tabela 3. Zasoby energii słonecznej w wybranych regionach Polski Table 3. Resources of the solar power in chosen regions of Poland Region Polski Przeciętna roczna dawka promieniowania słonecznego [kwh/m 2 ] Przeciętne roczne usłonecznienie [h] Stołeczny 967 1580 Suwalszczyzna 975 1576 Podhale 988 1467 Dolny Śląsk 1030 1529 Zamojszczyzna 1033 1572 Pas nadmorski 1064 1624 Wobec powyższego zdaje się być uzasadniona teza, iż wpływ na sprawność układów solarnych ma również odpowiednie dobranie akumulatorów do konkretnych warunków oraz właściwe ich użytkowanie. Współczesne komercyjne systemy fotowoltaiczne najczęściej wyposażone są w akumulatory ołowiowo-kwasowe lub w tych regionach, gdzie występuje ostry klimat akumulatory na bazie niklu (najczęściej niklowo-kadmowe). Jednak warto trochę miejsca poświęcić również i innym akumulatorom, wykorzystywanym

82 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 w systemach fotowoltaicznych do magazynowania pozyskanej energii, akumulatorom na bazie niklu czy litu. Najwcześniej wykorzystywane były (wspomniane wyżej) akumulatory kwasowo-ołowiowe. Charakteryzują się one wysoką wydajnością oraz prawie stałym napięciem, które spada gwałtownie dopiero po wykorzystaniu ok. 95% zasobów akumulatora. Cechuje je również szeroki przedział temperatury pracy od 0 do 40 C. Sporą ich wadą są duże gabaryty oraz fakt, że stosunkowo źle znoszą ujemne temperatury otoczenia. Warto również zauważyć, że akumulatory te wykazują degradację wydajności w funkcji czasu. Po przekroczeniu zaś 80% zużycia w stosunku do wydajności znamionowej dla takiego akumulatora następuje koniec okresu eksploatacji. Istnieją dwa typy tego rodzaju akumulatorów: uzyskane poprzez wymieszanie żelu krzemionkowego z elektrolitem tzw. akumulatory żelowe oraz akumulatory z systemem zachowawczym (lub absorpcyjnym) wykorzystujące włókno szklane, którego zadaniem jest zatrzymanie elektrolitu. Akumulatory niklowo-kadmowe jako aktywny materiał elektrody dodatniej wykorzystują oksywodorotlenek niklu, a elektrodę ujemną stanowi kadm. Podobnie jak w przypadku akumulatorów opisanych wyżej, tak i te akumulatory charakteryzuje stałe napięcie w funkcji czasu, aż do wyczerpania większości ich pojemności. Obrazuje to rysunek 9, który przedstawia zależność spadku napięcia wyjściowego akumulatora od stopnia rozładowania akumulatora niklowo-kadmowego. Istnieje też silna zależność stopnia rozładowania tych akumulatorów od temperatury, w jakiej pracują. Zależność tę zobrazowano na rysunku 10. Zarówno w jednym, jak i drugim przypadku obserwuje się stałość napięcia pracy aż do momentu, w którym akumulatory zaczynają się rozładowywać, czy to pod wpływem temperatury czy czasu, wówczas to rozładowanie następuje gwałtownie, niemalże skokowo. Napięcie ogniwa [V] 1,50 1,45 1,40 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 Spadek napięcia naładowania 0 10 30 40 Rozładowanie przebiegające w warunkach normalnych 20 50 60 70 80 90 100 110 120 Rozładowanie [%] Rys. 9. Zależność spadku napięcia od stopnia rozładowania akumulatora niklowo-kadmowego Fig. 9. The dependence of the voltage drop on the discharge level of a nickel-cadmium battery

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 83 1,5 1,3 1,1 MPV 1C MPV 0,2C 0,9 0,7 0,5 0,3 0,1 MPV 20C MPV 5C MPV 10C 20C 10C 5C C 0,2C 0 20 40 60 80 100 120 140 Rys. 10. Zależność stopnia rozładowania akumulatorów niklowo-kadmowych od temperatury Fig. 10. The dependence of the discharge level of a nickel-cadmium battery on temperature Na szczególną uwagę odbiorcy zasługują akumulatory litowo-jonowe. W ich przypadku obok charakterystyk rozładowania ogromnie ważną rolę odgrywa sposób zarządzania ich pracą. Przekroczenie granic naładowania akumulatora wskazanych przez producenta może skutkować trwałym uszkodzeniem takiego akumulatora. Z tego powodu są one dodatkowo wyposażone w obwody ochronne, które mają za zadanie nie dopuścić do przekroczenia zarówno górnej, jak i dolnej granicy dopuszczalnego stopnia ich naładowania. Warto jednak podkreślić, iż ze względu na ogromną wrażliwość tych akumulatorów na wszelkie niekorzystne czynniki, takie jak złe zarządzanie rozładowaniem i naładowaniem akumulatora czy wpływ temperatury, zarządzanie akumulatorami litowymi nie sprowadza się wyłącznie do pilnowania granic naładowania i nie jest kontrolowane jedynie przez obwód ochronny kontrolujący napięcie tak, aby uzyskać maksymalną ich sprawność. Aplikacje te na ogół sprawują funkcje kontrolne nad: modelowaniem akumulatorów, określeniem stanu ich naładowania, rozładowania, wpływem temperatury na poszczególne stany akumulatora, pomiarem gazów oraz niekorzystnym wpływem na środowisko i zdrowie. Na rysunku 11 przedstawiono zależność objętości nieobciążonego akumulatora litowego w zmieniającej się temperaturze. Można zaobserwować silny wpływ temperatury na akumulator, zauważalny spadek jego objętości wraz ze wzrostem temperatury oraz degradację akumulatora pogłębiającą się w funkcji czasu. Na przedstawionym wykresie widać spadek jego nominalnej pojemności aż do 40% po roku pracy Jednak akumulatory te cieszą się dużym zainteresowaniem i ich udział w rynku rośnie każdego roku, poczynając od początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku [8]. Głównym powodem ich popularności jest wysoka sprawność energetyczna oraz stosunkowo wysoka, przy dobrym zarządzaniu, żywotność [8].

84 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 Rys. 11. Zależność pojemności akumulatorów litowych w zmieniającej się temperaturze Fig. 11. The dependence of lithium battery rating in different temperatures Schemat ideowy systemu z podtrzymaniem akumulatorowym przedstawiono na rysunku 12. Generator PV Skrzynka połączeniowa generatora Regulator ładowania Detektor przebić do ziemi RCD L N Falownik Monitor izolacji Akumulator Konstrukcja nośna PE Rys. 12. Schemat blokowy systemu PV z układem magazynowania nadmiaru energii [3] Fig. 12. The block diagram of a PV system with the system of the stockpiling of the excess of the energy [3]

E. Krac, K. Górecki, Współczesne problemy energetyki solarnej 85 Typowy system magazynowania nadmiaru energii stosowany w systemach PV, pracujących w gospodarstwach domowych, na ogół przewiduje 8 kwh magazynowania energii na 8 godzin. Oznacza to, że bateria będzie działać z obciążeniem 1 kw przez 8 godzin, gdzie obciążenie 1 kw stanowi średnie wykorzystanie energii elektrycznej w domu przez 8 godzin. Dla systemów przemysłowych wygląda to zupełnie inaczej. Można to zobrazować na przykładzie wspomnianej na początku tego rozdziału instalacji o mocy 80,5 kwp pracującej w Bydgoszczy. Instalacja ta składa się z dziewięciu systemów: sześć o mocy 10,56 kwp każdy, złożonych z 48 modułów na system, podłączonych do falowników SMC 10 000 TL oraz trzy o mocy 5,72 kwp każdy, złożone z 26 modułów na system, podłączone do falowników SMC 5000 A. PODSUMOWANIE Prognozuje się, iż w rozrachunku globalnym w roku 2020 całkowita moc instalacji PV wyniesie do 29 GW i będzie zaspokajać aż 7% ogólnego zapotrzebowania na energię elektryczną. W tym samym czasie energia elektryczna, wyprodukowana w elektrowniach jądrowych, będzie stanowiła zaledwie 1% zużywanej energii. Tendencja ta, według prognoz, przyniesie do roku 2030 6500 Mt15 redukcji emisji CO 2 [12]. Jednak pomimo że fotowoltaika jest jednym z najszybciej rozwijających się sektorów energii odnawialnych i najdynamiczniej rozwijającym się sektorem gospodarki obok informatyki i biotechnologii [12], to zdaje się być uzasadniona teza, że przemysł PV dopiero wchodzi na rynek i wciąż boryka się z szeregiem problemów od tych rodzących się na etapie produkcji poszczególnych ogniw, poprzez powstające podczas przesyłu energii do obciążenia czy akumulatora, po konieczność poprawienia technologii składowania nadmiaru energii. W związku z tym w najbliższym czasie, obok szukania sposobów zminimalizowania wpływu wzrastającej temperatury podczas pracy ogniwa na jego sprawność, poprzez poprawienie sprawności linii przesyłu energii i składowania jej nadmiaru, naukowcy będą poszukiwać metod udoskonalenia sprawności systemów PV. Dopiero w dalszym etapie technolodzy sięgną po zmianę materiału do produkcji ogniw PV z Si na ogniwa wykonane ze stopu indu, galu, miedzi, selenu, choć prace w tym kierunku już trwają. LITERATURA 1. A guide to photovoltaic (PV) system design and installation, California Energy Commission Energy Technology Development Division, Sacramento, June 2001. 2. Butkowski M., Rynek technologii słonecznych w Polsce, PSE Wschód, Radom 2010.

86 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 75, grudzień 2012 3. Edwards L., Sanyo announces world's most efficient solar module, http://phys.org/news 195885853.html. 4. EPIA Solar Generation V 2008, 2008. 5. Jaworowska M., Energetyka słoneczna, część 1, Instalacje fototermiczne i fotowoltaniczne, Automatyka, Podzespoły, Aplikacje, 2010, nr 12, s. 38 47. 6. Karta referencyjna modułu z krzemu amorficznego dwuzłączowego. 7. Kostrzewa P., Zasilanie. Instalacje fotowoltaniczne, http://www.e-pv.pl/downloads/pdf/elektro systemy09_2009b.pdf. 8. Kularatna N., Rechargeable Batteries and Their Management, IEEE Instrumentation & Measurement Magazine, Vol. 24, 2011, No. 2, s. 20 33. 9. Muras Z., Małe jednostki wytwórcze w inteligentnych sieciach jaki model wsparcia finansowego? Departament Przedsiębiorstw Energetycznych, Warszawa, wrzesień 2011. 10. Panek P., Fotowoltanika Polska 2011; Ogniwa słoneczne, podstawy działania, budowa, zastosowanie, Elektronika, 2011, nr 6, s. 69 120. 11. Piasecka I., Energia odnawialna energia słoneczna, http://www.zsz6.edu.pl/energiasoneczna.pdf. 12. Pietruszko S.M., Światowy rynek fotowoltaiki, Centrum Fotowoltaniki Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009; http://ptes-ises.itc.pw.edu.pl/swiatowy_rynek_fotowoltaiki_pietruszko.pdf. 13. Raport EPIA i Greenpeace Fotowoltaika na świecie 2010, http://www.modernhome.h2.pl/ viewtopic.php?f=6&t=1041&start=0&sid=c62ad1d24925b22f1d62b0187c112393. 14. Redlin S., Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych w charakterze pierwotnych źródeł zasilania, praca magisterska, Akademia Morska w Gdyni, Wydział Elektryczny, Gdynia 2010. 15. Sarniak M.T., Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008. 16. Wiśniewski J., Moduły i generatory fotowoltaiczne, Politechnika Warszawska, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych, Warszawa. Strony internetowe: 17. http://gramwzielone.pl/energia-sloneczna/1452/sloneczne-mrozonki. CURRENT PROBLEMS OF SOLAR ENERGETICS Summary In the paper typical practical solutions used in the solar energetic are presented and connected problems with each components of the photovoltaic photothermal installation are discussed. Theoretical considerations were illustrated with some experimental results. Some investigation problems connected with the solar energetic were formulated. Keywords: solar energetic, photovoltaic cells, photothermal cells.