Ogniwa i systemy fotowoltaiczne.doc

OGNIWA I SYSTEMY FOTOWOLTAICZNE

Jak to działa? 
Energia promieniowania elektromagnetycznego powoduje wybijanie elektronów z półprzewodników, znajdujących się w fotoogniwie (w ogniwach fotowoltaicznych znajdują się dwa półprzewodniki w postaci płytek krzemowych). Gdy w jednym półprzewodniku brak jest elektronów (efekt wybicia pod wpływem promieniowania), kumulują się one w obrębie drugiego półprzewodnika. Na styku dwóch półprzewodników powstaje tzw. zapora, ujemna przy pierwszym półprzewodniku a dodatnia przy drugim. W wyniku naświetlenia ogniwa światłem słonecznym, padające na ogniwo fotony powodują przesuwanie cząstek w półprzewodnikach. W efekcie tego powstaje napięcie elektryczne, czyli prąd. 

Objaśnienia do schematu budowy i działania ogniwa fotowoltaicznego:

ZASTOSOWANIE OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH

o        w domach mieszkalnych i domkach letniskowych - zasilanie całości lub części obiektu, 
do zasilanie pomp obiegowych do kolektorów słonecznych,

o        przy zasilaniu nadajników radiowych, telewizyjnych, telekomunikacyjnych, BTS-ów itp.,

o        w instalacjach oświetleniowych, w tym w oświetleniu pasów startowych na lotniskach,

o        w instalacjach alarmowych i TV przemysłowej - jako pewne i niezależne źródło zasilania,

o        w reklamach świetlnych i oświetleniu billboardów - jest to często tańsze niż podłączenie do sieci,

o        do zasilania urządzeń na łodziach i statkach oraz w samochodach kempingowych,

o        jako niezależne źródło energii dla pomp, przepompowni i linii produkcyjnych,

o        jako jedyne źródło energii dla stacji meteorologicznych i innej aparatury badawczo - pomiarowej,

o        w miejscach trudnodostępnych, gdzie nie ma sieci energetycznej,

o        do produkcji prądu w elektrowniach słonecznych,

1. WSTĘP
Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na Świecie ze względu na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska. Efekt fotowoltaiczny został zaobserwowany przez francuskiego fizyka Edmonda Becquerela w 1839 r. Pierwszym poważnym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych było zasilanie satelitów w końcu lat pięćdziesiątych. Zapotrzebowanie na wysoce niezawodne i lekkie źródła energii dla zastosowań kosmicznych było siłą napędową rozwoju technologii fotowoltaicznej w jej początkowym okresie, a postęp techniczny w latach sześćdziesiątych pozwolił na wykorzystanie systemów fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych. Pomimo postępu, systemy fotowoltaiczne były zbyt drogie, by mogły być powszechnie zastosowane. Jednakże, wzrost cen energii wywołany kryzysem naftowym w połowie lat siedemdziesiątych, spowodował zwiększenie ich opłacalności. Od tego czasu koszt systemów fotowoltaicznych systematycznie spada, a liczba zainstalowanych systemów stale rośnie. Całkowita światowa produkcja modułów fotowoltaicznych osiągnęła 152 MWp w 1998 roku, zwiększając się 25% w porównaniu z rokiem poprzednim. Średni roczny wzrost w ostatniej dekadzie również wynosi 25% i jest to obok energii wiatrowej najdynamiczniej rozwijająca się technologia odnawialnych źródeł energii.
Ogniwa fotowoltaiczne są używane w trzech podstawowych obszarach: elektronika powszechnego użytku, systemy wolnostojące i systemy dołączone do sieci elektroenergetycznej. Miliony małych ogniw fotowoltaicznych (generujących od kilku mW do kilku W mocy) zasila obecnie zegarki, kalkulatory, zabawki, radia, przenośne telewizory i wiele innych dóbr konsumpcyjnych. Ogniwa takie wykonane są najczęściej z cienkich warstw krzemu amorficznego (a-Si).

Obecnie najpowszechniejszym zastosowaniem fotowoltaiki są systemy wolnostojące średniej skali, produkujące od kilku W do kilku tysięcy W. Są one najczęściej używane na obszarach oddalonych od sieci elektroenergetycznej, gdzie inne sposoby generacji energii elektrycznej są drogie, oraz tam gdzie konieczna jest generacja energii w sposób czysty, cichy i niezawodny. Profesjonalne systemy wolnostojące wykorzystywane są do zasilania automatycznych urządzeń, takich jak oświetlenie i telefony awaryjne na autostradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, przekaźnikowe stacje telekomunikacyjne i stacje meteorologiczne. Stwierdzone iż wolnostojące systemy fotowoltaiczne są niezawodne, opłacalne i nie wymagają obsługi.

Systemy fotowoltaiczne mają również ogromny potencjał do zasilania urządzeń na obszarach nie podłączonych jeszcze do sieci elektroenergetycznej (ok. 2 mld ludzi nie ma dostępu do prądu elektrycznego). Dziesiątki tysięcy gospodarstw domowych na całym świecie polega obecnie na systemach fotowoltaicznych, wykorzystując je do pokrycia większości lub całości swojego zapotrzebowania na energię elektryczną (Rys. 5).

Jednakże w ostatnich latach duży nacisk jest kładziony na rozwój systemów PV zintegrowanych z architekturą (BIPV - Building Integrated Photovoltaics) podłączonych do sieci elektroenergetycznej, ponieważ zapewniają one najwyższy potencjał na długofalową redukcję zużycia paliw kopalnych i zmniejszenie emisji CO2.

Fotowoltaika nie jest jeszcze konkurencyjna z tradycyjnymi źródłami energii do produkcji energii elektrycznej na skalę przemysłową. Jednakże kilka dużych systemów fotowoltaicznych (produkujących od kilkuset kW do kilku MW) jest testowanych jako elektrownie PV w kilku krajach.

W dzisiejszych czasach ogniwa fotowoltaiczne prawie całkowicie zasilają satelity używane zarówno do celów telekomunikacyjnych, badawczych, jak i wojskowych.

2. SYSTEMY FOTOWOLTAICZNE

System fotowoltaiczny składa się z modułów, paneli lub kolektorów fotowoltaicznych, oraz elementów dostosowujących wytwarzany w ogniwach prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń. Gdy system jest przewidziany do dostarczania energii elektrycznej w nocy, konieczne jest stosowanie odpowiedniego systemu magazynowania energii (akumulator) wyprodukowanej ciągu dnia. Jeżeli system zasila urządzenie stałoprądowe potrzebny jest kontroler napięcia. Do zasilania z systemu fotowoltaicznego urządzeń zmiennoprądowych konieczne jest użycie falownika. Potrzebna jest także odpowiednia konstrukcja kierująca moduły lub panele w kierunku Słońca oraz zabezpieczająca przed kradzieżą.

2.1. Elementy systemów fotowoltaicznych

2.1.1 Ogniwa fotowoltaiczne

Podstawowy przyrząd elektronowy używany do zamiany energii słonecznej na elektryczną za pomocą efektu fotowoltaicznego, nazywany jest ogniwem fotowoltaicznym lub słonecznym. Uformowany jest on w materiale półprzewodnikowym, w którym pod wpływem absorpcji promieniowania powstaje napięcia na zaciskach przyrządu. Po dołączeniu obciążenia do tych zacisków płynie przez nie prąd elektryczny. Najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji ogniw jest krzem. Największe sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego (do 30 %) uzyskuje się z ogniw wytworzonych z arsenku galu (GaAs), ale ogniwa te są najdroższe i dlatego stosowane przede wszystkim w zastosowaniach w kosmosie.
Typowe ogniwo fotowoltaiczne jest to płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego, w której została uformowana bariera potencjału np. w postaci złącza p-n. Grubość płytek zawiera się w granicach 200 - 400 mikrometrów. Na przednią i tylnią stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia, będące kontaktami i pozwalające płytce działać jako ogniwo fotowoltaiczne.

Ogniwa z krzemu monokrystalicznego wykonywane są płytek o kształcie okrągłym, a następnie przycinane na kwadraty dla zwiększenia upakowania na powierzchni modułu. Monokrystaliczne ogniwa fotowoltaiczne wykazują najwyższe sprawności konwersji ze wszystkich ogniw krzemowych, ale również są najdroższe w produkcji. W badaniach laboratoryjnych pojedyncze ogniwa osiągają sprawności rzędu 24%. Ogniwa produkowane na skalę masową mają sprawności około 17%. Polikrystaliczne ogniwa krzemowe wykonane są z dużych prostopadłościennych bloków krzemu, wytwarzanych w specjalnych piecach, które powoli oziębiają roztopiony krzem, aby zainicjować wzrost polikryształu o dużych ziarnach. Bloki te są cięte na prostokątne płytki, w których również formowana jest bariera potencjału. Polikrystaliczne ogniwa są trochę mniej wydajne niż monokrystaliczne, ale ich koszt produkcji jest też trochę niższy.
W chwili obecnej przemysł fotowoltaiczny oparty jest głównie na krzemie krystalicznym i polikrystalicznym (w 1997 roku - ok. 80% światowej produkcji). Podstawowymi zaletami tej technologii są: możliwość wykorzystania doświadczeń bardzo dobrze rozwiniętego przemysłu półprzewodnikowego (mikroelektroniki), relatywnie wysokie sprawności przetwarzania promieniowania słonecznego, prostota i bardzo dobra stabilność pracy. Jednakże ogniwa takie są stosunkowo grube i zużywając dużo drogiego materiału, mają ograniczoną wielkość i muszą być łączone, a więc moduły nie są monolitycznie zintegrowane.
Przewiduje się, że następna generacja ogniw fotowoltaicznych będzie się opierać na technologiach znanych szeroko jako technologie "cienkowarstwowe". Dzięki stosowaniu jedynie bardzo cienkich warstw (grubości pojedynczych mikrometrów) drogiego materiału półprzewodnikowego na tanich podłożach o dużej powierzchni można znacznie zredukować całkowity koszt ogniwa fotowoltaicznego. Ogniwa cienkowarstwowe są mniej sprawne od najlepszych ogniw z krzemu krystalicznego, ale oczekuje się, że w przyszłości, przy produkcji na skalę masową, będą one znacznie tańsze. Obecnie, najbardziej zaawansowane ogniwa cienkowarstwowe wykonane są z krzemu amorficznego (a-Si) i jego stopów (a-SiGe, a-SiC). Technologia pojedynczych, podwójnych i potrójnych ogniw jest dobrze rozwinięta i skomercjalizowana. Ogniwa potrójne osiągnęły w skali laboratoryjnej sprawność 13%. Ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie używane w produktach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.).
Zaletami ogniw wytworzonych z krzemu amorficznego są: mały koszt materiału, niewielkie zużycie energii przy produkcji modułu (głównie dzięki niskiej temperaturze procesu), możliwość osadzania na giętkich podłożach, zintegrowane połączenia ogniw i możliwość uzyskania dużych powierzchni. Ogniwa i moduły mogą być produkowane w dowolnych kształtach i rozmiarach oraz projektowane w sposób umożliwiający integrację z fasadami i dachami budynków lub w postaci dachówek. Mogą być one projektowane jako nieprzezroczyste lub półprzezroczyste. Jednakże wydajność ogniwa jest niższa niż w przypadku krzemu krystalicznego. Duże zaangażowanie przemysłu w technologie cienkowarstwowe rokuje nadzieję na obniżenie kosztów produkcji.
Innymi materiałami używanymi do wyrobu ogniw cienkowarstwowych są tellurek kadmu (CdTe) i selenek indowo-miedziowy (CIS - copper indium diselenide). Zademonstrowano już możliwości produkcji, na dużą skalę, ogniw wykonanych z tych materiałów, ale w przeciwieństwie do ogniw z krzemu amorficznego, nie zostały one jeszcze wprowadzone do produkcji masowej.

2.1.2. Moduły i panele fotowoltaiczne

Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny. Moc takich modułów (dostępne na rynku maja powierzchnię od 0,3 do 1 m2) wyrażana jest w watach mocy szczytowej (Wp - watt peak), zdefiniowanych jako moc dostarczana przez nie w warunkach standardowych (STC), tj. przy promieniowaniu słonecznym AM1.5 o mocy 1000 W/m2 i temperaturze otoczenia 25°C i zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 120 Wp. W praktyce moduły rzadko pracują przy warunkach standardowych, więc użyteczne jest posiadanie charakterystyk prądowo-napięciowych (I - V) wydajności modułu w szerokim zakresie warunków pracy. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią, zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Obudowy muszą być trwałe, ponieważ dla modułów fotowoltaicznych oczekuje się czasów życia przynajmniej 20 - 30 lat. Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów o różnej wielkości pokrywający zapotrzebowanie na szybko rosnącą ilość zastosowań fotowoltaicznych. Wytwarza się specjalne moduły, które są zintegrowane z dachami lub fasadami budynków. Produkowane są również moduły szczególnie odporne na korozję wywołaną słoną wodą morską. Znajdują one zastosowanie na łodziach żaglowych, znakach nawigacyjnych i latarniach morskich, gdzie muszą być szczególnie odporne na korozję od słonej wody. Ostatnim osiągnięciem w tej dziedzinie jest wytworzenie półprzezroczystego modułu, który może być używany jako okno w budynkach.

Panel fotowoltaiczny składa się z wielu modułów, które zostały wzajemnie połączone dla uzyskania większych mocy. Wytwarzają one prąd stały. Poziom prądu na wyjściu panelu zależy ściśle od nasłonecznienia, ale może być zwiększony poprzez równoległe łączenie modułów. Napięcie otrzymywane z modułu zależy w niewielkim stopniu od poziomu nasłonecznienia. Panel fotowoltaiczny może być zaprojektowany do pracy przy praktycznie dowolnym napięciu, aż do kilkuset woltów, dzięki szeregowemu łączeniu modułów. Dla małych zastosowań panele fotowoltaiczne mogą pracować tylko przy napięciu 12 lub 14 woltów, podczas gdy dla zastosowań dołączonych do sieci, duże panele mogą pracować przy napięciu 240 V lub więcej. Panele zamontowane na konstrukcjach mocujących z dołączonym okablowaniem nazywane są kolektorem fotowoltaicznym (PV array). W mniejszych systemach kolektor fotowoltaiczny może zawierać pojedynczy panel.
Dostępne obecnie na rynku są jedynie moduły wytwarzane z krzemu krystalicznego, krzemu amorficznego i CdTe. Moduły fotowoltaiczne są przeważnie płaskie i zawierają od 18 do 180 monokrystalicznych lub polikrystalicznych ogniw krzemowych. Moc wyjściowa waha się od 30 Wp do 180 Wp. Sprawności modułów komercyjnych zwiększają się z roku na rok wraz z poprawą technologii. Najbardziej zaawansowane komercyjne moduły z krzemu krystalicznego wykazują obecnie sprawności powyżej 16 %, podczas gdy przeciętne moduły zawierające krzem mono-lub polikrystaliczny moją sprawności około 11 % do 13 %. Większość nich ma czas życia co najmniej 20 lat. Czas zwrotu kosztów energii waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i klimatu. Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne są tańsze, przy produkcji masowej, niż moduły z krzemu krystalicznego, ale mają niższe wydajności. Większość dostępnych obecnie na rynku modułów z krzemu amorficznego ma sprawności pomiędzy 4 % i 8 %. Zwrot kosztów energii szacowany jest na 1 do 3 lat.
Najlepsze moduły konstruowane są do zastosowań kosmicznych mają sprawności powyżej 20% i zawierają ogniwa słoneczne z arsenku galu o sprawności dochodzącej do 30%.

2.1.3. Inne urządzenia systemu fotowoltaicznego

Akumulatory
Najprostszym sposobem magazynowania energii produkowanej w małych systemach PV jest wykorzystanie elektrycznych akumulatorów, zwłaszcza, że ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały konieczny do ładowania akumulatora. Naładowany akumulator dostarcza energie elektryczną do obciążenia gdy nie ma promieniowania słonecznego lub jest ono niewystarczające. W porównaniu do zapotrzebowania na inne akumulatory, rynek akumulatorów dla systemów fotowoltaicznych jest bardzo mały. Dlatego też rozwojowi akumulatorów dla systemów fotowoltaicznych poświęcono znacznie mniej uwagi. Większość akumulatorów używanych w systemach fotowoltaicznych jest ołowiowo-kwasowa. W regionach o ostrym klimacie, tam gdzie konieczna jest duża niezawodność, stosuje się (szczególnie dla małych zastosowań) akumulatory niklowo-kadmowe. Od dobrej jakości akumulatorów tego typu oczekuje się 5 - 7 lat pracy, przy odpowiedniej obsłudze i użyciu odpowiedniego kontrolera ładowania. Dłuższy czas życia akumulatora może być osiągnięty pod warunkiem ograniczenia maksymalnej głębokości rozładowania. Z drugiej strony, przy złym obchodzeniu się z akumulatorami należy oczekiwać skrócenia ich czasu życia.

Kontrolery napięcia (regulatory napięcia)
Użyteczny czas życia akumulatora silnie zależy od sposobu kontroli jego ładowania i rozładowania, szczególnie w przypadku akumulatorów ołowiowo-kwasowych. Dobry kontroler ładowania akumulatora ograniczy głębokość i szybkość rozładowania, odpowiednio do temperatury akumulatora. Celem zminimalizowania parowania elektrolitu, ograniczy on również szybkość ładowania i poziom maksymalnego naładowania akumulatora. Granice napięcia ładowania i rozładowania powinny być tak ustalone, aby odpowiadały typowi akumulatora i jego temperaturze pracy. Te ustawienia mogą znacznie wpływać na maksymalny czas życia akumulatora. Wysoka temperatura akumulatora może znacznie skrócić jej czas życia, ponieważ przyśpiesza korozję i samo rozładowanie Wysokie temperatury mogą również zwiększyć emisję gazów podczas ładowania, czego powinno się unikać poprzez np. wymuszenie wentylacji obudowy akumulatora. Przy mrozie, odporność rozładowanych akumulatorów ołowiowo-kwasowych jest obniżona. W związku z tym powinny być one dobrze naładowane, jeżeli mają pracować w niskich temperaturach.
Moduły fotowoltaiczne używane do ładowania akumulatorów zazwyczaj pracują przy stałym napięciu, odpowiednim do temperatury powietrza. Niektóre kontrolery w systemach fotowoltaicznych używają systemu śledzenia punktu maksymalnej uzyskiwanej z ogniwa, który automatycznie pozwala modułowi lub kolektorowi PV pracować przy napięciu, które daje maksymalną moc wyjściową. Korzyści płynące z użycia MPPT zależą od zastosowania i ich wykorzystanie powinno być rozważane z uwzględnieniem dodatkowych kosztów i ryzyka zmniejszenia niezawodności systemu. Dla wielu zastosowań, praca zestawu modułów przy ustalonym napięciu wyjściowym może być równie lub bardziej finansowo efektywna.

Falowniki (przetwornice)

Głównymi funkcjami falownika są: zamiana napięcia stałego na zmienne, nadanie kształtu wyjściowej fali zmienno napięciowej Najważniejszymi cechami falownika w zastosowaniach fotowoltaicznych są jego niezawodność i charakterystyki sprawnościowe. Zaprojektowane są one do ciągłej pracy w pobliżu punktu maksymalnej mocy. Sprawność falownika jest zazwyczaj podawana dla jego zaprojektowanej mocy pracy, ale zwykle, przez większość czasu, falowniki w systemach fotowoltaicznych pracują przy niepełnym obciążeniu. Duże sprawności przy niepełnym obciążeniu są szczególnie ważne w podłączonych do sieci. Falowniki mają ogólną sprawności przy pełnym obciążeniu od 90% do 96%, a dla 10% obciążenia od 85% do 95%. Ponieważ straty na dopasowanie się są tutaj zazwyczaj większe niż straty rezystancyjne. Falowniki wykazują ciągły spadek sprawności wraz ze zmniejszaniem mocy wyjściowej i wejściowej.

2.2. Rodzaje systemów fotowoltaicznych.

Wyróżnia się trzy podstawowe konfiguracje systemów fotowoltaicznych: wolnostojące, hybrydowe i dołączone do sieci.

Systemy wolnostojące
Systemy wolnostojące korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach fotowoltaicznych. System taki składa się z panelu fotowoltaicznego, akumulatora oraz urządzenia kontrolującego stopień naładowania akumulatora i odłączającego panel, gdy akumulator jest w pełni naładowany lub odłączającego urządzenie zasilane chroniąc akumulator przed jego zbytnim rozładowaniem. Akumulatory muszą mieć więc wystarczająco dużą pojemność, aby zapewnić dostarczanie energii w nocy oraz w okresach złej pogody.

Systemy hybrydowe
Systemy hybrydowe są kombinacją panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzania energii takiego, jak np. generator spalinowy, gazowy lub wiatrowy. Dla zapewnienia efektywnego wykorzystania różnych sposobów wytwarzania energii systemy hybrydowe mają zazwyczaj bardziej skomplikowane układy kontrolne niż systemy wolnostojące. Dzięki wykorzystaniu dodatkowego źródła energii panel fotowoltaiczny w systemie hybrydowym może być mniejszy niż w analogicznych systemie wolnostojącym. Dlatego w niektórych przypadkach system hybrydowy może być tańszy.

Systemy dołączone do sieci
Systemy dołączone do sieci mogą mieć postać elektrowni z dużą ilością paneli fotowoltaicznych oddających energię do sieci elektroenergetycznej. Innym wykorzystaniem takich systemów może być zasilanie budynków dołączonych do sieci, gdzie energię z sieci pobiera się tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyższa jej produkcję w ogniwach fotowoltaicznych. Systemy te dołączone są do sieci poprzez falownik. Akumulatory w tym typie systemu nie są potrzebne, ponieważ sieć jest w stanie przyjąć całą energię wyprodukowaną przez system fotowoltaiczny. Projektowanie systemów fotowoltaicznych jest zazwyczaj optymalizowane przy użyciu programów komputerowych (np. ASHLING 7.0), które dopasowują przewidywany profil obciążenia w ciągu roku i dnia do przeciętnego słonecznego napromieniowania na danym obszarze. Takie programy potrzebne są aby zdeterminować optymalną wielkość zestawu modułów i akumulatora, dobrać kontroler i falownik. Wydajność systemu zależy od promieniowania słonecznego podającego na zestaw modułów PV. Na przykład, wysoce użyteczny system wiejski ze współczynnikiem sprawności 50% w południowej Europie, gdzie promieniowanie słoneczne wynosi 1600 kWh/m2/rok może dać 800 kWh/kWp/rok. Jednakże na północy Europy, gdzie promieniowanie słoneczne wynosi 1000 kWh/m2/rok, system ten mógłby dać jedynie 500 kWh/kWp/rok.

Wydajność wolnostojących, małych, wiejskich systemów elektryfikacyjnych, zmienia się w szerokim zakresie w zależności od sposo...