System fotowoltaiczny to odnawialne źródło energii, które zasadniczo przekształca promieniowanie lub energię słoneczną w energię elektryczną. Szacuje się, że światowa produkcja fotowoltaiczna pokrywa od 3,5% do 7% obecnego zapotrzebowania na energię elektryczną.
Ta forma wytwarzania energii, po zainstalowaniu i uruchomieniu, nie generuje żadnych gazów cieplarnianych ani innych rodzajów zanieczyszczeń. Ponadto instalację można bardzo łatwo skalować w celu dostosowania jej do potrzeb użytkowników.
Zapotrzebowanie na energię elektryczną nie jest jednakowe w godzinach szczytu.
Komórka fotowoltaiczna
Stanowi on podstawową konstrukcję paneli fotowoltaicznych i jest kluczowym elementem całego procesu wytwarzania energii elektrycznej.
Krótko mówiąc, funkcją ogniw fotoelektrycznych (zwanych też m.in. ogniwami, fotokomórkami lub ogniwami fotowoltaicznymi) jest przekształcanie światła w napięcie i prąd elektryczny. Zjawisko, które występuje w niektórych półprzewodnikach i jest nazywane efektem fotoelektrycznym.
Efekt ten, choć odkryty przez Heinricha Hertza w 1887 roku, doczekał się podstawy teoretycznej dopiero prawie 20 lat później, w artykule Alberta Einsteina „Heurystyka powstawania i przekształcania światła”.
Zasady działania
Zasada działania tej technologii, bez zbytniego zagłębiania się w szczegóły dotyczące jej fizycznych podstaw, opiera się na zdolności fotonu do uderzenia w atom półprzewodnika i wzbudzenia go, a tym samym uwolnienia elektronu i utworzenia dziury.
Elektrony zazwyczaj szybko znajdują nową dziurę do zajęcia, a energia dostarczona przez foton jest rozpraszana w postaci ciepła.
Specyfika materiałów, z których zbudowane są fotokomórki, polega na tym, że wymuszają one ruch elektronów i dziur zamiast ich jednoczesnej rekombinacji. W ten sposób powstaje różnica potencjałów, podobnie jak w akumulatorze.
Zużycie fotokomórek
Techniki wytwarzania tych ogniw są podobne do tych stosowanych w innych urządzeniach półprzewodnikowych, chociaż stopień czystości wymaganych surowców lub sam proces nie są tak wymagające.
Ogólnie rzecz biorąc, proces ten jest podobny do następującego:
- Surowiec, taki jak kwarc, jest pobierany i wprowadzany do pieca, gdzie uzyskuje się stopiony krzem..
- Zanieczyszczenia są usuwane.
- W procesach takich jak proces Czochralskiego wytwarzane są wlewki jednokrystaliczne.
- Wlewek jest cięty na bardzo cienkie plastry (płytki) o grubości 200 µm.
- Czyszczenie i polerowanie płytek.
- Doping wafli, który może być wykonany w procesie Czochralskiego w przypadku domieszkowania borem (B) lub, jak w przypadku domieszkowania fosforem (P), przez sprowadzenie wafli poniżej temperatury topnienia w obecności gazu fosforowego
- Ogniwa są połączone ze sobą za pomocą styków elektrycznych, a cienkie metalowe paski są dodawane w celu „przechwytywania” wytworzonej energii elektrycznej.
- Powłoka antyrefleksyjna jest dodawana w celu zapobiegania przeciekom.
- Ogniwa słoneczne są hermetyzowane i umieszczane w konstrukcji panelu.
Rodzaje fotokomórek
Chociaż istnieje kilka rodzajów komórek, skupimy się na dwóch najpopularniejszych.
Komórki z krzemu polikrystalicznego
Znane również jako ogniwa wielokrystaliczne, charakteryzują się występowaniem wielu kryształów, które tworzą się podczas chłodzenia krzemu. Powoduje to niejednolity wygląd.
Ich sprawność wynosi około 100 Wp/m2 (szczytowa moc w watach na metr kwadratowy), przy czym wysoka sprawność wynosi 14%.
Jest stosowany szczególnie w gorącym klimacie, ponieważ w mniejszym stopniu ulega przegrzaniu.
Komórki z krzemu monokrystalicznego
Oprócz ogniw słonecznych jest on również wykorzystywany jako podstawa do produkcji układów scalonych z krzemu, chociaż wymagania dotyczące niedoskonałości układów krzemowych są znacznie bardziej ograniczone.
Jego sprawność i wydajność jest nieco wyższa i wynosi odpowiednio prawie 150 Wp/m2 oraz 14-16%.
W przeciwieństwie do poprzednich, są one mniej tolerancyjne na wysokie temperatury.
Zastosowanie energii solarnej fotoelektrycznej
Zastosowania tego typu energii są bardzo różnorodne. W tym artykule skoncentrujemy się na instalacjach do samodzielnego wytwarzania energii elektrycznej w gospodarstwach domowych, ale najpierw wymienimy niektóre z wielu zastosowań tego typu urządzeń::
Mechanizmy izolowane
Są to zazwyczaj małe urządzenia zasilane przez niewielką płytkę lub grupę fotokomórek.
Najbardziej typowym przykładem jest kalkulator słoneczny, ale obecnie można znaleźć różnego rodzaju urządzenia, takie jak lampy, pompy wodne czy parkometry.
Transport i nawigacja
Chociaż jego zastosowanie jako podstawowego źródła energii jest bardziej eksperymentalne niż praktyczne, jest on coraz częściej wykorzystywany jako pomocniczy układ napędowy zarówno w samochodach, jak i na łodziach.
World Solar Challenge w Australii cieszy się dużą popularnością. Wyścig, w którym kilka zespołów (głównie firm, uniwersytetów i instytutów) rywalizuje ze swoimi pojazdami napędzanymi energią słoneczną na odcinku 3021 km przez pustynię.
Farmy słoneczne
Nazywane również parkami słonecznymi, to nic innego jak elektrownie fotowoltaiczne, w których instaluje się duże systemy paneli słonecznych do wytwarzania energii elektrycznej i przekazywania jej do sieci.
Telekomunikacja
Ten rodzaj energii jest bardzo przydatny w centralach telefonicznych, antenach radiowych lub wzmacniaczach mikrofalowych, gdzie zazwyczaj jest instalowany w połączeniu z akumulatorami. W ten sposób obsługa nie jest przerywana w przypadku awarii zasilania.
Przestrzeń kosmiczna
Jedno z najwcześniejszych zastosowań technologii fotowoltaicznej. Panele słoneczne są od dawna stosowane w satelitach, od czasu wystrzelenia przez USA satelity Vanguard 1 w 1958 roku.
Autokonsumpcja fotowoltaiczna paneli solarnych
Samodzielna konsumpcja energii fotowoltaicznej jest rozumiana jako produkcja energii na własne potrzeby, oczywiście przy użyciu paneli słonecznych.
Ten typ instalacji jest spotykany głównie w domach jednorodzinnych, gdzie z reguły instalacja i dobór wielkości systemu jest prostszy.
Podstawowe elementy „domowego” systemu fotowoltaicznego
Główne elementy standardowej instalacji fotowoltaicznej obejmują następujące elementy:
Panele fotowoltaiczne: odpowiadają za wytwarzanie energii elektrycznej na podstawie zasady fizycznej, którą opisaliśmy na początku tego artykułu.
Baterie: gromadzą wytworzoną energię do późniejszego wykorzystania, zwykle w nocy i poza godzinami szczytu.
Inwerter: przekształca prąd stały w prąd zmienny.
Kontrolery ładowania: zapobiegają przeładowywaniu/rozładowywaniu akumulatorów, przedłużając ich żywotność.
Należy zauważyć, że nie wszystkie elementy muszą być obecne w instalacji, z wyjątkiem paneli, aby była ona w pełni funkcjonalna. Wszystko zależy od potrzeb danego projektu.
Klasyfikacja systemów autokonsumpcji fotowoltaicznej
Wśród różnych dostępnych obecnie opcji można wyróżnić, na poziomie technicznym, różne typy instalacji, w zależności od tego, czy są one podłączone do konwencjonalnej sieci elektroenergetycznej i w jaki sposób to podłączenie jest realizowane.
W ten sposób można wyróżnić:
System fotowoltaiczny izolowany
Como su nombre indica, se trata sistemas totalmente independientes de la red. Son especialmente populares en zonas donde el acceso a la energía eléctrica está más limitado.
W tego typu instalacjach stosowanie akumulatorów jest niezbędne, ponieważ w przypadku ich braku dostępność energii elektrycznej byłaby ograniczona do godzin nasłonecznienia.
Bardzo często spotyka się instalacje tego typu, które łączą w sobie oddzielne obwody prądu przemiennego i stałego, tzn. posiadają urządzenia działające na prąd stały (głównie 12V/24V), jak np. oświetlenie, oraz inne działające na prąd przemienny, jak np. telewizor.
System fotowoltaiczny z podłączeniem do sieci
W tym przypadku konwencjonalna sieć energetyczna służy jako rezerwa, gdy wytworzona energia słoneczna jest niewystarczająca, co eliminuje konieczność instalowania akumulatorów i obniża koszty instalacji.
W obecnym prawodawstwie można dokonać rozróżnienia między instalacjami z lub bez nadwyżki produkcji odprowadzanej do sieci (system odizolowany oczywiście nie oddaje energii do sieci dystrybucyjnej).
Obecnie wiemy już nieco więcej o tym, jak działa fotowoltaiczna energia słoneczna i jakie są jej liczne zastosowania.