Wybrane problemy energetyki słonecznej

Wybrane problemy energetyki słonecznej Prof. Dorota Chwieduk Instytut Techniki Cieplnej Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechnika Warszawska Wprowadzenie Energia promieniowania słonecznego jest energią dostępną okresowo, o natężeniu zmiennym w czasie, zarówno w ciągu dnia jak i roku, silnie zależnym od miejsca na Ziemi. Gęstość promieniowania słonecznego nie jest duża, jej średnia roczna wartość poza atmosferą ziemską wynosi 1367 W/m 2, jest to tzw. stała słoneczna. Promieniowanie słoneczne ulega osłabieniu w wyniku przejścia przez atmosferę ziemską. Do granicy atmosfery ziemskiej dociera promieniowanie bezpośrednie. W atmosferze ziemskiej fotony nie mogąc rozerwać cząsteczek atomowych atmosfery ulegają rozpraszaniu (inne zjawisko, które ma miejsce, to pochłanianie), w wyniku czego do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie słoneczne bezpośrednie i rozproszone. Maksymalne natężenie promieniowania słonecznego całkowitego na powierzchni Ziemi może dochodzić do 1000 W/m 2. W Polsce latem może osiągać chwilowo 600 700 W/m 2, a od listopada do końca stycznia nie przekracza z reguły 150 W/m 2. Natomiast średnia roczna suma gęstości energii promieniowania słonecznego, czyli tzw. całkowite średnie roczne napromieniowanie wynosi 950-1250 kwh/(m 2 rok) (w zależności od regionu kraju). W Polsce w promieniowaniu całkowitym przeważa promieniowanie rozproszone przez atmosferę ziemską, które stanowi około 55% całkowitego promieniowania słonecznego. Udział promieniowania rozproszonego zmienia się w poszczególnych miesiącach i w grudniu osiąga maksimum 75-80%. Promieniowanie bezpośrednie tylko latem stanowi więcej niż 50% promieniowania całkowitego. Innym istotnym parametrem opisującym warunki nasłonecznienia jest usłonecznienie, wyrażające liczbę godzin w danym przedziale czasu z widoczną tarczą słoneczną. W kraju usłonecznienie roczne waha się w zakresie 1400 1600 godzin [1]. Energia promieniowania słonecznego była zawsze wykorzystywana przez ludzi zarówno w sposób przypadkowy, jak i zaplanowany. Jednakże dopiero współczesne technologie dopasowane do warunków klimatycznych, typu i wielkości obciążeń energetycznych umożliwiły efektywne pozyskanie i przetwarzanie tej energii do celów użytkowych. Rozwiązania, do niedawna niemożliwe do stosowania w pewnych warunkach nasłonecznienia i odbioru energii użytkowej, uległy udoskonaleniu dzięki postępowi technologicznemu. Obecnie nie tylko są realne, ale stają się coraz bardziej powszechne. nr 3 (9) 2011 57

Podstawowe konwersje energii promieniowania słonecznego Energia promieniowania słonecznego może ulegać następującym podstawowym przemianom w energię użytkową: konwersji fototermicznej, w której zachodzi przemiana energii promieniowania słonecznego w ciepło; konwersji fotowoltaicznej, w której zachodzi przemiana energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną; konwersji fotochemicznej, w której zachodzi przemiana energii promieniowania słonecznego w energię chemiczną lub inne formy energii związane z procesami chemicznymi, np. w energię biochemiczną. Konwersje te mogą występować równocześnie. W zastosowaniach praktycznych najczęściej są rozważane dwie pierwsze formy konwersji. Konwersja fototermiczna polega na przemianie energii niesionej przez falę elektromagnetyczną, jaką jest promieniowanie słoneczne, na ciepło [1]. Uwzględnia się zjawiska optyki zachodzące przy przejściu promieniowania przez ośrodek przezroczysty i procesy wymiany ciepła zachodzące pomiędzy różnymi ośrodkami. Konwersja jest wykorzystywana w sposób zaplanowany w systemach aktywnych z kolektorami słonecznymi lub w systemach pasywnych, w tym w rozwiązaniach strukturalno-materiałowych budynku i w instalacjach termosyfonowych. Przemiana energii promieniowania słonecznego w energię użytkową w systemach aktywnych i pasywnych stosowanych w budownictwie należy do konwersji niskotemperaturowych. W nowoczesnych rozwiązaniach technologie systemów aktywnych i pasywnych mogą być skojarzone ze sobą w obudowie (strukturze) budynku, tworząc zintegrowane rozwiązania hybrydowe. Konwersja fototermiczna może też występować dzięki koncentrowaniu wiązki promieniowania słonecznego na odbiorniku energii cieplnej przy zastosowaniu kolektorów skupiających (koncentrujących) zwierciadlanych lub soczewkowych. W przypadku wykorzystania kolektorów skupiających w cieplnych elektrowniach słonecznych ma miejsce konwersja fototermoelektryczna. Przemiana energii promieniowania słonecznego w ciepło jest w tym przypadku konwersją wysokotemperaturową, następnie ma miejsce konwersja termoelektryczna. W cieplnych elektrowniach słonecznych jest produkowana energia elektryczna (pośrednio, bowiem najpierw jest wytwarzane wysokotemperaturowe ciepło), z reguły z wytworzonej wysokotemperaturowej pary. W tym Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia przypadku układ produkcji energii elektrycznej (z wysokotemperaturowej pary) jest analogiczny, jak w tradycyjnych elektrowniach. Cieplne elektrownie słoneczne dzielą się na: cieplne elektrownie wyposażone w kolektory skupiające paraboliczne; cieplne wieżowe elektrownie słoneczne; piece słoneczne; systemy talerzowe słoneczne z silnikiem Stirlinga; elektrownie z kominem słonecznym. Cieplne elektrownie słoneczne są stosowane w krajach o bardzo dobrych warunkach nasłonecznienia, gdzie całkowite roczne napromieniowanie słoneczne przekracza 1500 kwh/m 2, a udział promieniowania bezpośredniego (skupianie wiązki promieniowania słonecznego przy wykorzystaniu koncentratorów) jest bardzo duży przez cały rok. Ma to miejsce np. na południu europejskich krajów Morza Śródziemnego, a przede wszystkim w Afryce. Konwersja fotowoltaiczna (wewnętrzna) to bezpośrednia przemiana energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną dzięki zastosowaniu odpowiednich metod i urządzeń. Fotowoltaiczna przemiana energii promieniowania słonecznego zachodzi wówczas, gdy energia promieniowania słonecznego jest zamieniana w sposób czysto elektronowy na energię elektryczną. Efekt fotowoltaiczny polega na powstawaniu siły elektromotorycznej w materiale półprzewodnikowym, złączu p-n, w wyniku oświetlania go promieniowaniem o odpowiedniej długości fali. W ogniwach fotowoltaicznych jest wykorzystywane zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne zaporowe zachodzące w półprzewodnikach np. w krzemie. W przypadku konwersji fotowoltaicznej z wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych można wyszczególnić następujące podstawowe zastosowania: małe autonomiczne urządzenia/systemy stosowane w telekomunikacji, oświetleniu znaków drogowych, tablic informacyjnych, w parkometrach i w innych urządzeniach, położonych z dala od sieci elektroenergetycznych; autonomiczne systemy małej i średniej skali, w tym systemy zintegrowane z obudową budynku (fasad i dachu), tzw. BIPV (Building Integrated PhotoVoltaics), jako systemy działające na sieć własną lub podłączone do sieci elektroenergetycznych; elektrownie słoneczne różnej skali. Obecnie technologie energetyki słonecznej stanowią przede wszystkim rozwiązania energetyki rozproszonej. 58

Rozwiązania energetyki słonecznej rozproszonej Energia promieniowania słonecznego jest dzisiaj wykorzystywana w urządzeniach i instalacjach małej i średniej skali. Stosowane podstawowe formy konwersji energii promieniowania słonecznego to konwersja fototermiczna i fotowoltaiczna, używane głównie w budownictwie. Ideowe wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w budynkach ilustruje rys. 1. Systemy słoneczne do niedawna znajdowały zastosowanie przede wszystkim w budownictwie jednorodzinnym i były instalacjami autonomicznymi, działającymi na potrzeby własne producentów energii, będących równocześnie odbiorcami wyprodukowanej energii. Ze względu na stochastyczny i okresowy charakter energii promieniowania autonomiczne słoneczne systemy grzewcze i systemy produkujące energię elektryczną muszą posiadać odpowiedniej wielkości magazyny energii. W przypadku magazynowania krótkoterminowego zgromadzona energia ma wystarczyć od kilku godzin do kilku dni (w zależności od systemu). Wielkość magazynu energii i jego koszt są szczególnie widoczne w przypadku systemów fotowoltaicznych. Słoneczne systemy grzewcze pozostają nadal instalacjami autonomicznymi i nie muszą być skojarzone z siecią ciepłowniczą. Mają bowiem odpowiednie zasobniki ciepła oraz własne dodatkowe źródła ciepła (np. pompę ciepła, kocioł na biomasę, olejowy itp.), które współpracują z kolektorami słonecznymi i coraz częściej stanowią samowystarczalne systemy grzewcze, niezależne od centralnych sieci ciepłowniczych. Sytuacja zmieniła się w przypadku instalacji z panelami ogniw fotowoltaicznych. Coraz powszechniejsza jest rezygnacja z drogich układów magazynujących. Instalacje fotowoltaiczne działają na sieć własną i są podłączone do sieci elektroenergetycznych. Producent energii elektrycznej fotowoltaicznej oddaje/sprzedaje energię do sieci, gdy jej nie potrzebuje. Gdy sam nie wytwarza energii (przez brak lub złe warunki nasłonecznienia), odbiera/kupuje energię z sieci elektroenergetycznej. Należy wspomnieć, że w ogniwach fotowoltaicznych powstaje prąd stały, jego natężenie i napięcie na wyjściu zależy od warunków nasłonecznienia i od sposobu łączenia modułów (ogniwa łączy się w moduły, moduły w panele). Przy zasilaniu urządzeń na prąd zmienny i sprzedaży energii elektrycznej do sieci należy stosować falowniki. Na rynku europejskim są w sprzedaży urządzenia na prąd stały, specjalnie produkowane dla budynków zasilanych z modułów ogniw fotowoltaicznych. Panele fotowoltaiczne mogą być posadowione na gruncie lub na dachu budynku, mogą też być wkomponowane wbudowane w fasadę budynku, w przegrody pionowe ściany i dach. Stanowią wtedy tzw. systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budynkiem (BIPV Building Integrated PhotoVoltaics). Poza standardowymi technologiami energetyki słonecznej wykorzystywanymi w budownictwie, rys. 1 pokazuje rozwiązania innowacyjne polegające na zintegrowaniu w jednym urządzeniu konwersji fototermicznej z fotowoltaiczną. Urządzeniem, w którym te dwie konwersje zachodzą równocześnie, jest zintegrowany moduł fotowoltaiczny (PV) z kolektorem słonecznym (cieplnym-termicznym T), tzw. PV/T. Kolektor słoneczny może być powietrzny (rys. 1) lub cieczowy. W przypadku kolektora powietrznego pod modułem fotowoltaicznym mogą znajdować się kanały przepływowe powietrzne skojarzone z układem wentylacyjnym, stanowiące urządzenie wstępnego podgrzewania powietrza wentylacyjnego. W przypadku kolektora cieczowego pod modułem fotowoltaicznym znajdują się kanały przepływowe cieczowe (z reguły wodne) skojarzone z instalacją podgrzewania wody użytkowej lub ogrzewania pomieszczeń. W urządzeniach tego typu konwersja fotowoltaiczna ma priorytet w stosunku do konwersji fototermicznej. Moduły fotowoltaiczne w takich rozwiązaniach działają z większą sprawnością (sprawność ogniwa jest definiowana jako stosunek mocy elektrycznej odbieranej z jednostki powierzchni ogniwa do natężenia promieniowania słonecznego docierającego do tej powierzchni, zależy od obciążenia ogniwa, czyli od natężenia i napięcia prądu w obwodzie zewnętrznym), bowiem występuje stałe chłodzenie ogniw (sprawność ogniw maleje ze wzrostem temperatury). Fotowoltaiczne kolektory słoneczne mają niższą sprawność niż typowe kolektory, bowiem wykorzystują energię promieniowania słonecznego nie bezpośrednio jako falę elektromagnetyczną, lecz jej pochodną, będącą ciepłem odpadowym powstającym w czasie pracy ogniw fotowoltaicznych. Jednak tego typu urządzenia są uznawane za wskazane dla rozwoju współczesnej energetyki małej i średniej skali [2]. Systemy słoneczne grzewcze i fotowoltaiczne będą coraz powszechniejsze w budownictwie europejskim w związku z wdrażaniem dyrektyw unijnych o oszczędności i poszanowaniu energii. Dla rozwoju energetyki słonecznej szczególnie istotne są następujące dyrektywy: Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Dyrektywa między innymi zobowiązuje wszystkie nr 3 (9) 2011 59

Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia państwa członkowskie do wprowadzenia w swoich przepisach i kodeksach prawa budowlanego do końca 2014 r. wymogu wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych w budownictwie, oraz do określenia minimalnego poziomu wykorzystania odnawialnych źródeł energii w nowych budynkach i budynkach już istniejących, poddawanych termomodernizacji. Dyrektywa 2010/31/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie charakterystyki energetycznej budynków (recast). Dyrektywa wskazuje m. in. na konieczność ograniczenia zużycia energii w nowych budynkach przez zastosowanie co najmniej jednego z następujących rozwiązań technicznych: rozproszonych systemów dostarczania energii wykorzystujące odnawialne źródła energii; kogeneracji; centralnych systemów ogrzewania i chłodzenia, zwłaszcza gdy wykorzystują one całkowicie lub częściowo odnawialne źródła energii; oraz pomp ciepła. Jednocześnie Dyrektywa wprowadza bardzo rygorystyczne wymagania co do zmniejszenia energochłonności budynków, a mianowicie od 2021 r. wszystkie nowe budynki będą musiały być blisko zero-energetyczne, przy czym budynki użyteczności publicznej już od 2019 r. Aby to uzyskać, kraje członkowskie muszą opracować i wdrożyć własne plany krajowe na rzecz wdrażania budownictwa blisko zero-energetycznego. Blisko zero-energetyczność oznacza zmniejszenie zapotrzebowania na energię użyteczną, wykorzystanie energii odnawialnych i wytwarzanie energii końcowej na miejscu, bezpośrednio u odbiorcy z możliwością jej sprzedaży do sieci. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady w sprawie Efektywności Energetycznej, która została przygotowana do wprowadzenia i przedstawiona w dniu 22.06.2011 r. jako Proposal COM(2011) 370 final, która ma zastąpić Dyrektywę 2004/8/EC i 2006/32/EC. Dyrektywa ta, podobnie jak dwie poprzednie, nakazuje wprowadzenie daleko idących działań na rzecz efektywności energetycznej w budownictwie, zarówno nowym, jak i poddanym modernizacji, ze szczególnym uwzględnieniem wykorzystania energii odnawialnej. Poza systemami fotowoltaicznymi autonomicznymi stosowanymi w budownictwie, powszechnie używane są systemy autonomiczne wolnostojące, zasilające takie urządzenia, jak telefony alarmowe, znaki drogowe, boje morskie itp., położone z dala lub w pełnej izolacji od sieci elektroenergetycznej. Systemy wolnostojące korzystają jedynie z energii produkowanej przez ogniwa fotowoltaiczne, w związku z tym muszą być wyposażone w akumulator i urządzenia kontrolujące stopień naładowania akumulatora. Akumulator jest odłączany, gdy jest w pełni naładowany lub gdy zachodzi możliwość jego zbytniego rozładowania. Poza energetyką słoneczną rozproszoną małej i średniej skali, energetyka słoneczna coraz częściej staje się energetyką dużej skali, zsieciowaną z centralnymi systemami ciepłowniczymi i elektroenergetycznymi. Stan i perspektywy rozwoju energetyki słonecznej Od końca lat 1990. rozwój energetyki słonecznej jest bardzo dynamiczny na całym świecie, i to zarówno w odniesieniu do energetyki słonecznej cieplnej z kolektorami płaskimi i próżniowymi, jak i fotowoltaiki. Słoneczne elektrownie cieplne przede wszystkim z kolektorami skupiającymi i wieżowe z heliostatami zaczęły się intensywnie rozwijać dopiero od kilku lat. Na rys. 2 jest przedstawiony stan zastosowań energetyki słonecznej: cieplnej niskotemperaturowej związanej ze stosowaniem kolektorów słonecznych, cieplnej wysokotemperaturowej związanej ze stosowaniem koncentratów w cieplnych elektrowniach słonecznych oraz fotowoltaiki. Zgodnie z przedstawionymi danymi, w 2009 r. całkowita moc cieplna zainstalowana w instalacjach z kolektorami słonecznymi różnego typu wynosiła 189 GW, zaś energia wyprodukowana w tych instalacjach odpowiadała 137 TWh. Dla instalacji z ogniwami fotowoltaicznymi całkowita moc zainstalowana odpowiadała 23 GW, a energia elektryczna wyprodukowana w ciągu roku to 24 TWh. Moc zainstalowana w cieplnych elektrowniach słonecznych wynosiła 0,7 GW, a wyprodukowana energia elektryczna wyniosła 1,8 TWh. Ostatnio jest widoczna dywersyfikacja rynku energetyki słonecznej, zarówno co do rodzaju potrzeb energetycznych, jak i wielkości zainstalowanej mocy. Systemy energetyki słonecznej coraz sprawniej i bardziej niezawodnie spełniają różnorodne wymagania energetyczne. Niektóre technologie, jeszcze kilka lat temu uznawane za nieefektywne w krajach o gorszych warunkach nasłonecznienia, dzięki postępowi technologicznemu znacznie poprawiły swoją sprawność konwersji energii i niezawodność działania. W odniesieniu do słonecznej energetyki cieplnej słoneczne systemy grzewcze są stosowane nie tylko do podgrzewania wody użytkowej (jak się działo do niedawna), ale coraz częściej do ogrzewania pomieszczeń, czy ich 60

Energetyka słoneczna budynku Konwersja energii promieniowania słonecznego FOTOTERMICZNA FOTOWOLTAICZNA Systemy grzewcze z kolektorami Systemy pasywne budynku Ogniwa, panele fotowoltaiczne Posadowione zintegrowane Systemy hybrydowe aktywno - pasywne Rozwiązania zintegrowane PV/T Rys. 1. Podstawowe formy konwersji energii promieniowania słonecznego i rozwiązania technologiczne wykorzystywane w budownictwie

Wg W. Weiss, AEE INTEC, EUROSUN2010 Energetyka słoneczna 2009 r. B Rys. 2. Stan zastosowań energetyki słonecznej na tle innych energii odnawialnych wg [3] Koszt produkcji energii elektrycznej z fotowoltaiki źródeł konwencjonalnych!/kwh 1.0 0.8 0.6 Konkurencyjność fotowoltaiki 900 h/a: 0,60!/kWh 1800 h/a: 0,30!/kWh 0.4 fotowoltaika en. konw.(szczyt) en. konw. (poza szczytem) 0.2 0.0 1990 2000 2010 2020 2030 2040 Rys. 3. Przewidywana zmiana kosztów produkcji energii elektrycznej z systemów fotowoltaicznych wg [EPIA Roadmap, 2004, PV NET Roadmap] [7]

chłodzenia (skojarzenie instalacji z kolektorami słonecznymi cieczowym z urządzeniami chłodniczymi sorpcyjnymi) [4]. Ogniwa fotowoltaiczne są stosowane nie tylko do zasilania elektronicznych urządzeń kieszonkowych (np. kalkulatory), czy małych urządzeń autonomicznych (znaki drogowe, parkometry, lampy małej mocy), ale w postaci modułów i paneli fotowoltaicznych różnej wielkości dostarczają energię elektryczną dla coraz większej liczby różnych odbiorców. Są stosowane w budownictwie, transporcie (samochody i inne pojazdy, statki i inne obiekty pływające), wojsku (wyposażenie indywidualne żołnierzy, pojazdy, obiekty budowlane), badaniach kosmicznych (statki kosmiczne, stacje, satelity). Zmienia się wielkość samych kolektorów słonecznych i modułów fotowoltaicznych, powstają tzw. wielkopowierzchniowe kolektory i moduły PV wykorzystywane w systemach dużych mocy. Coraz więcej buduje się instalacji wielkogabarytowych, w postaci pól kolektorów słonecznych (o powierzchniach od kilkuset do kilkunastu tysięcy metrów kwadratowych), skojarzonych z osiedlowymi i centralnymi sieciami ciepłowniczymi, a także pól modułów fotowoltaicznych (o powierzchniach od kilkuset do kilkuset tysięcy metrów kwadratowych), stanowiących fotowoltaiczne elektrownie słoneczne dużych mocy. Fotowoltaika to obecnie najszybciej rozwijająca się dziedzina naukowa i gałąź przemysłu. Rozwój i perspektywy fotowoltaiki Obecnie podstawowym materiałem stosowanym do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest krzem, który jest używany w postaci krystalicznej jako monokrystaliczny, polikrystaliczny lub cienkowarstwowy, amorficzny. Ogniwa monokrystaliczne wykazują najwyższe sprawności konwersji spośród ogniw krzemowych, ale ich produkcja jest najbardziej energochłonna, a w konsekwencji najdroższa. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu nawet 28%. Na rynku dostępne są (produkowane na masową skalę) ogniwa o sprawności rzędu 17-18%. Na ogniwa PV mogą też być wykorzystywane inne złożone półprzewodniki, do których należy CiS (selenek indowo-miedziawy). Wysoką, większą niż 30%, sprawność uzyskuje się w ogniwach z arsenku galu (GaAs) i jego związków. Ogniwa te są jednak bardzo drogie i dlatego stosuje się je w pojazdach kosmicznych lub systemach z koncentratorami promieniowania słonecznego. Nowoczesne technologie materiałowe ogniw fotowoltaicznych to przede wszystkim ogniwa cienkowarstwowe, w których stosuje się bardzo cienkie, a przy tym bardzo drogie, warstwy materiału półprzewodnikowego umieszczonego na podłożach z innego (taniego) materiału o dużej powierzchni. Do technologii materiałowych cienkowarstwowych zalicza się ogniwa wykonane z krzemu amorficznego (a-si) (tzw. brudny krzem) i jego stopów (a-sige, a-sic). Ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie stosowane w urządzeniach wymagających małej mocy zasilania (np. kalkulatory kieszonkowe), ale także w systemach zintegrowanych z budownictwem. Ogniwa z krzemu amorficznego i ich moduły są produkowane w dowolnych kształtach i rozmiarach. Do wytwarzania ogniw cienkowarstwowych stosuje się też tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziawy (CIS Copper Indium diselenide). Obecnie rynek fotowoltaiki w 90% stanowią technologie krzemowe, a 10% to technologie cienkowarstwowe [5][6][7]. Do podstawowych technologii krzemowych należą: krzem monokrystaliczny (Cz-Si); krzem multikrystaliczny (mc-si); krzem typu ribbon. Do pozostałych 10% technologii cienkowarstwowych należą: krzem amorficzny (a-si); telurek kadmu (CdTe); selenek indowo-miedziawy (CIS Copper Indium diselenide). Ogniwa cienkowarstwowe powstają przez nakładanie bardzo cienkich warstw z materiałów półprzewodnikowych na podłoże ze szkła, lub stali, stali giętkiej i folii plastikowych. Koszt podłoża i samych materiałów półprzewodnikowych jest niski w porównaniu z typowymi ogniwami krzemowymi, ze względu na znacznie mniejsze zużycie samego surowca i energii w czasie produkcji ogniw. Przy produkcji ogniw cienkowarstwowych wymagane są znacznie niższe temperatury w czasie procesu produkcyjnego, niż przy produkcji ogniw krystalicznych, a w konsekwencji koszty pracy są niższe. Masowa produkcja ogniw cienkowarstwowych jest łatwiejsza, ponieważ ogniwa cienkowarstwowe są produkowane w postaci bardzo dużych i zintegrowanych modułów, połączonych ze sobą szeregowo. Dynamiczny rozwój badań i przemysłu fotowoltaiki w ciągu ostatnich 20 lat spowodował, że cena modułów spadła aż o 20%. Koszt wytwarzania energii z ogniw fotowoltaicznych w 1990 r. wahał się od 55 do 110 eurocentów/kwh. Natomiast ostatnio kształtuje się na poziomie nr 3 (9) 2011 63

22-44 eurocentów/kwh. Oczekuje się, że dzięki dalszemu rozwojowi tej technologii w 2020 r. zostanie osiągnięty poziom 11-22 eurocentów/kwh, a w 2030 r. 7-13 eurocentów/kwh [7]. Należy zaznaczyć, że niższy koszt odnosi się do państw o lepszych warunkach nasłonecznienia (usłonecznienie 1800 godzin/rok), wyższy koszt do regionów o gorszych warunkach (usłonecznienie 900 godzin/rok). Przewidywaną zmianę kosztów produkcji energii elektrycznej z systemów fotowoltaicznych przedstawia rys. 3. Obecnie energia elektryczna z systemów fotowoltaicznych jest droższa od energii z paliw konwencjonalnych. Z uwagi na wysokie ceny systemów podłączonych do sieci, czas zwrotu nakładów inwestycyjnych jest długi. Przewiduje się jednak, że ok. 2020 r. w Europie środkowej energia elektryczna z systemów fotowoltaicznych stanie się konkurencyjna w stosunku do energii konwencjonalnej produkowanej w szczycie i ok. 2030 r. w stosunku do energii produkowanej poza szczytem, co przedstawia rys. 3. Według prognoz EPIA w 2020 r. koszt instalacji powinien wynosić od 2 do 4 EUR/W p [7]. W 1991 r. całkowita moc modułów PV wyprodukowanych na świecie, głównie w USA, wynosiła 55,4 MW. W 2001 r. było to 386 MW, a produkcja koncentrowała się w Japonii, Europie i USA, a w 2009 r. było to aż 10660 MW, głównie w Chinach, Europie i Japonii [5]. Charakterystyczny jest coraz bardziej widoczny udział Chin na światowym rynku produkcji ogniw/modułów fotowoltaicznych. Obecnie największą instalacją fotowoltaiczną na świecie jest system Parque Fotovoltaico Olmedilla de Alarcon w Hiszpanii. Tę instalację o mocy 60 MW p stanowi 240 km 2 ogniw fotowoltaicznych krzemowych, a każdy pojedynczy moduł ma moc 235W p. Dzienna produkcja energii odpowiada 850 MWh. Inne duże instalacje fotowoltaiczne to: Strasskirchen, Niemcy, moc 54 MW, zastosowana technologia to krzem krystaliczny; Turnow-Preilack, Niemcy, moc 55 MW, krzem krystaliczny; Puertollano, Hiszpania, moc 50 MW, krzem krystaliczny; Moura, Portugalia, moc 46 MW, krzem krystaliczny; Brands, Niemcy, moc 40 MW, technologia cienkowarstwowa CdTe; Blythe, Kalifornia, USA, moc 21 MW, technologia cienkowarstwowa CdTe. Obecnie w trakcie budowy są elektrownie słoneczne fotowoltaiczne: Carizio Plain, Kalifornia, USA, moc 688 MW, technologia cienkowarstwowa CdTe, planowane ukończenie inwestycji 2012 r.; Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Ontario, Kanada, moc 625 MW, technologia cienkowarstwowa CdTe i CIGS, planowane ukończenie inwestycji 2014 r.; południowa Kalifornia, USA, moc 250 MW, technologia cienkowarstwowa CdTe i CIGS, planowane ukończenie inwestycji 2013 r. Skala powyższych inwestycji i zainstalowana moc pokazują, czym stają się współczesne technologie fotowoltaiczne energetyki słonecznej. Świadczy również o tym, że technologia ta nie może być już ignorowana, a powinna być poważnie brana pod uwagę przy tworzeniu perspektyw rozwoju sektora elektroenergetycznego w przyszłości. Literatura [1] Chwieduk D. Energetyka słoneczna budynku, Arkady, 2011. [2] M. Souliotis, Y. Tripanagnostopoulo, S. Kalogirou. Thermosiphonic Hybrid PV/T Solar Systems. Polska Energetyka Słoneczna, No 1-4/2009, 1/2010, pp. 28 31, Polskie Towarzystwo Energetyki Słonecznej. [3] W. Weiss, Solar energy prospects. Proceedings of the 2010 ISES Europe Solar Energy Congress, Graz, Austria, October 2010. [4] R. Critoph. Solar Thermal Cooling Technologies. pp. 55-62. Renewable Energy. Innovative Technologies and New Ideas. Warsaw University of Technology, Polish Solar Energy Society, Warsaw 2008. [5] L. Kazmierski, Solar Photovoltaics Technology: No Longer an Outlier. Proceedings of the 2010 World Renewable Energy Congress, Abu Dhabi, UAE, September 2010. [6] Renewables for Heating and Cooling. Untapped Potential. RETD Renewable Energy Technology Deployment. OECD/IEA 2007. [7] Raport EC Directoriat General, Joint Research Center, Status Report 2004, Energy End USE Efficiency and Electricity from Biomass, Wind, Photovoltaics in the EU, Ed. A. Jaeger- Waldau. Prof. dr hab. inż. Dorota Chwieduk jest pracownikiem Zakładu Aparatury Procesowej i Chłodnictwa w Instytucie Techniki Cieplnej Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej. Od 1993 r. jest członkiem Sekcji Termodynamiki i Komitetu Termodynamiki i Spalania PAN, a od 1996 r. Sekcji Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych Komitetu Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN. Założycielka i przewodnicząca Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Słonecznej (ISES), od 2009 r. przewodnicząca Europejskiego Stowarzyszenia Energetyki Słonecznej (ISES-Europe). Autorka ponad 200 artykułów i publikacji naukowych, w tym ośmiu książek (trzy monografie). W 2006 r. została powołana przez Komisarza ds. Nauki Komisji Europejsiej do Grupy Doradczej ds. Energii, AGE Advisory Group on Energy. 64