Ogniwa fotwoltaiczne. Jak działają i ile energii dostarczają?

W jaki sposób działają ogniwa fotowoltaiczne?

Energetyka słoneczna stanowi jedną z najbardziej obiecujących gałęzi odnawialnych źródeł energii. Do spożytkowania energii cieplnej służą kolektory słoneczne, natomiast ogniwa fotowoltaiczne do bezpośredniej przemiany energii słonecznej w elektryczną. Jest to możliwe dzięki tzw. zjawisku fotoelektrycznemu - światło (promieniowanie elektromagnetyczne), działając na ciało stałe, wywołuje siłę elektromotoryczną, ta z kolei powoduje przepływ prądu w obwodzie elektrycznym. Urządzenia wykorzystujące ten proces to złącza półprzewodnikowe, nazywane ogniwami fotowoltaicznymi lub fotoogniwami. Ogniwa fotowoltaiczne powszechnie zasilają mniejsze urządzenia, takie jak kalkulatory, światła drogowe, boje sygnalizacyjne, a nawet urządzenia należące do zaawansowanej techniki kosmicznej. Dzięki obniżce cen ogniw, coraz popularniejsze staje się inwestowanie w małe systemy fotowoltaiczne, wspomagające zasilanie w domach jednorodzinnych i budynkach użyteczności publicznej.

Najważniejszą składową typowego ogniwa fotowoltaicznego jest krzem krystaliczny - zastosowanie tego pierwiastka umożliwia uzyskanie relatywnie wysokiej sprawności zmiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną. W budowie każdego ogniwa wyróżniamy dwie warstwy półprzewodnika - typu "p" oraz typu "n" (rys.1). Zamknięcie obwodu elektrycznego powoduje przepływ prądu pod wpływem działania promieniowania słonecznego. Z reguły na pojedynczym ogniwie napięcie nieznacznie przekracza 0,5 V i 2 W mocy, dlatego aby uzyskać bardziej użyteczne napięcie i większą moc, ogniwa łączone są w moduły (zwane inaczej panelami). W ich skład wchodzą zlutowane ze sobą ogniwa słoneczne, przykryte warstwą antyrefleksyjną, zapewniającą lepszą absorpcję promieniowania. Całość ochrania szyba, a urządzenie
oprawione jest w aluminiowe ramy.

Rys. 1. Zasada działania ogniw fotowoltaicznych

W zależności od struktury i technologii produkcji, wyróżniamy ogniwa fotowoltaiczne z krzemu monokrystalicznego, polikrystalicznego lub amorficznego. Największą sprawność uzyskują ogniwa monokrystaliczne. Rozpoznamy je po charakterystycznym czarnym kolorze - są wykorzystywane wszędzie tam, gdzie powierzchnia do montażu paneli jest ograniczona. Z kolei sprawność ogniwa informuje nas, jaki procent energii promieniowania słonecznego przetwarzany jest na energię elektryczną. Im większa sprawność, tym mniejsza powierzchnia będzie wymagana do uzyskania żądanej mocy przez moduł fotowoltaiczny. Moc ogniwa wyrażana jest w watach mocy szczytowej (z j. angielskiego Watt Peak), oznaczona indeksem p za jednostką wat lub kilowat (Wp, kWp). Wartość ta oznacza moc, jaką ma ogniwo badane w warunkach testowych. Jednak w warunkach rzeczywistych - ogniwo rzadko będzie osiągać podaną moc szczytową.

Ile energii mogą dostarczyć ogniwa fotowoltaiczne?

Moc paneli słonecznych warunkuje pogoda oraz typ instalacji. Parametry paneli fotowoltaicznych, podawane przez producentów, wyznaczane są w standardowych warunkach pracy, czyli STC (z j. angielskiego standard test conditions), podczas których promieniowanie słoneczne osiąga moc 1000 W/m2, temperaturę 25°C i prędkość wiatru 1,5 m/s. Standardowe warunki pozwalają na porównywanie sprawności modułów niezależnie od producenta i rodzaju stosowanej technologii. Najczęściej notowane wartości promieniowania słonecznego bezpośredniego dla obszaru całego kraju, między godziną 9:00 i 15:00, mieszczą się w granicach 600-800 W/m2.

Koszt inwestycji w układ fotowoltaiczny jest powiązany z łączną mocą fotoogniw oraz miejscem, w którym instalacja powstanie. Niewielkie instalacje fotowoltaiczne, do 10 kW, lokowane są na dachach budynków. Systemy o mocy powyżej 10 kW montowane są zwykle na gruncie z pomocą konstrukcji wsporczych. Wydatki związane z przygotowaniem projektu instalacji ponosimy jako pierwsze i stanowią niewielki procent całej inwestycji (rys. 2). Ponad 2/3 kosztów to zakup urządzeń wraz z całym osprzętem elektrycznym. Na inwerter - zapewniający zmianę parametrów prądu płynącego z paneli na takie, jakich wymagają domowe odbiorniki (przemienny, 230 V, 50 Hz) - musimy przeznaczyć kilka tysięcy złotych, natomiast inne drobne akcesoria, takie jak konstrukcje mocujące, przewody wraz z montażem - kolejne kilka tysięcy. Żeby z grubsza oszacować opłacalność zakupu fotoogniw, przyjmuje się dane ich wytwórców, którzy na ogół opierają wycenę na teoretycznych obliczeniach. Wynika z nich, że średnie koszty jednostkowe dla małych instalacji poniżej 10 kW, zakładanych na dachach budynków, mieszczą się w przedziale od 7000 do 8000 zł/kWp.

Rys. 2. Procentowy udział kosztów dla instalacji fotowoltaicznej

Dobrze byłoby, gdyby wszystkie domowe urządzenia elektryczne były zasilane wyłącznie darmową energią słoneczną. Łączna moc odbiorników elektrycznych, wraz ze sprzętem RTV, AGD i oświetleniem (bez ogrzewania elektrycznego), może przekroczyć 30 kW. Zbudowanie instalacji, która zaspokoi choć połowę tej mocy będzie drogie i zajmie bardzo dużo miejsca. Przy czym rzadko się zdarza, żeby większość z nich działała jednocześnie, dlatego zaleca się, aby moc szczytowa instalacji fotowoltaicznej dla domu jednorodzinnego nie przekraczała 5 kW. Układ o tej mocy zajmie ok. 33 m2 dachu. Warunkiem uzyskania wysokiej sprawności systemu jest skierowanie fotoogniw na południe i nachylenie ich pod odpowiednim kątem. Nie na każdym budynku jesteśmy w stanie spełnić ten warunek.

Przypuśćmy, że interesuje nas instalacjao mocy 4 kW do zasilania domowych odbiorników energii. Wybieramy 16 paneli o mocy szczytowej 250 Wp, które są sprzedawane po 1000 zł/szt. Przyjmując średni koszt jednostkowy 7000 zł/kWp, otrzymujemy wydatek co najmniej 28 tys. zł. Szacuje się, że w polskich warunkach z 1 m2 panelu fotowoltaicznego można uzyskać 110-150 kWh energii elektrycznej. Jeżeli nasze urządzenie produkuje średnio 140 kWh rocznie z 1 m2, to uzysk z jednego panelu o standardowym wymiarze 1,64 m2 wyniesie 230 kWh na rok. Układ 16 modułów będzie oznaczać produkcję energii na poziomie 3670 kWh.

Ile możemy zaoszczędzić? Skoro za 1 kWh energii płaci się zakładom energetycznym 0,6 zł, to dzięki instalacji fotowoltaicznej o mocy 4 kW oszczędzamy teoretycznie 2200 zł - zakładając, że wykorzystujemy 100% wytworzonej energii (co w praktyce jest niestety niemożliwe). Czyli 28 tys. wydane na zakup fotoogniw zwróci się po 12 latach. Jeśli jednak wzrost cen energii będzie wyższy, co jest nader prawdopodobne, to inwestycja zwróci się znacznie szybciej.

Według producentów, żywotność fotoogniw szacowana jest na 30 lat. Warto dodać, że wiele wyrobów dostępnych na rynku ma gwarancję sięgającą 25 lat na co najmniej 80% mocy wyjściowej uzyskiwanej z fotoogniw. Na rys. 3 przedstawiono przykładową zależność mocy wyjściowej panelu fotowoltaicznego od lat jego eksploatacji. Jak widać, spadek mocy z upływem czasu eksploatacji stanowi funkcję liniową (malejącą).

Rys. 3. Przykładowa zależność mocy wyjściowej panelu fotowoltaicznego od długości czasu eksploatacji w latach

Uzyskana energia z ogniw fotowoltaicznych może zostać przeznaczona do zasilania urządzeń gospodarstwa domowego. Lodówka, pralka czy zmywarka mogą znaleźć się na liście urządzeń zasilanych darmową energią, ale tylko w czasie pracy w dzień, najlepiej w okresie, gdy natężenie promieniowania słonecznego jest największe. Instalację fotowoltaiczną można potraktować jako pomocnicze źródło do przygotowania c.w.u. W tym celu można zastosować elektryczny pojemnościowy podgrzewacz wody, dzięki czemu można ją podgrzewać dużo wcześniej, niż będzie ona wykorzystana.

autor: Damian Czernik
rysunki: materiały redakcyjne Budujemy Dom
zdjecie: Hewalex