Fotowoltaika

Ogniwo fotowoltaiczne

Fotowoltaiczne 'drzewo' w Styrii, Austria

Parkomat na fotoogniwa

Nasłonecznienie w Europie

Fotowoltaika (PV) – dziedzina nauki i techniki zajmująca się przetwarzaniem światła słonecznego na energię elektryczną czyli inaczej wytwarzanie prądu elektrycznego z promieniowania słonecznego przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego.

Fotowoltaika w Polsce

Fotowoltaika znajduje obecnie zastosowanie, mimo stosunkowo wysokich kosztów (choć te maleją, a w opracowaniu są tańsze technologie np. oparte na perowskitach) w porównaniu ze źródłami konwencjonalnymi, z dwóch głównych powodów: ekologicznych (tam, gdzie ekologia ma większe znaczenie niż ekonomia), oraz praktycznych (promieniowanie słoneczne jest praktycznie wszędzie dostępne).

Rynek energii słonecznej stanowi część rynku odnawialnych źródeł energii (OZE). Rozwija się on dość dynamicznie, a ilość mocy zainstalowanej w systemach fotowoltaicznych w Polsce i na świecie ma tendencję wzrostową. Ma na to wpływ przede wszystkim Unia Europejska i jej wymogi stawiane wobec Polski. W związku z wymaganiami określonymi przez UE udział odnawialnych źródeł energii w naszym kraju ma wynosić 15% do 2020 roku, co również przyczynia się do zwiększania udziału energii elektrycznej z OZE. Na przestrzeni kilku lat (2013-2016) obserwuje się olbrzymi rozwój fotowoltaiki w kraju z 2,1 MW do 219,2 MW. W połowie 2017 roku łączna moc zainstalowana instalacji fotowoltaicznych wynosiła 300 MW. Stanowiło to 3,5% z całości uzyskanej energii z odnawialnych źródeł. Bardzo dużo powstających inwestycji opiera się na instalowaniu mikroinstalacji fotowoltaicznych. Są to przydomowe źródła energii odnawialnej. W 2017 roku zainstalowana moc pochodziła z 29 tysięcy takich instalacji i łącznie wynosiła 180 MW. W 2018 roku podłączono 5 tysięcy mikroinstalacji, których łączna moc wynosiła 32 MW. Szacuje się, że do 2020 roku całkowita moc zainstalowana ma wynieść 3,2 GW i tym samym fotowoltaika stałaby się drugą w Polsce technologią OZE, tak jak na świecie.

Budowa paneli

Głównym surowcem do produkcji ogniw fotowoltaicznych jest wafel krzemowy, lecz nie amorficzny, ale krystaliczny. Pojedyncze ogniwo jest w stanie wygenerować prąd o mocy 1-6,97 W. W celu maksymalizacji uzyskiwanych efektów, ogniwa łączone są w moduły fotowoltaiczne (grupy ogniw w urządzeniu). Ogniwa są najczęściej produkowane w panelach o powierzchni 0,2 – 1,0 m².

Panele fotowoltaiczne zbudowane są z połączonych ze sobą wielu modułów, które składają się z ogniw fotowoltaicznych (fotoogniw). Pod wpływem oddziaływającego na nie promieniowania słonecznego generują one napięcie elektryczne z wykorzystaniem zjawiska fotowoltaicznego. Polega ono na tworzeniu nośników ładunku elektrycznego w wyniku absorpcji promieniowania słonecznego przez półprzewodnik. Prowadzi to do przepływu prądu stałego proporcjonalnego do mocy promieniowania padającego na ogniwo. Fotoogniwa produkowane są z materiałów półprzewodnikowych np.: krzemu (Si), germanu (Ge) czy selenu (Se). Przykładowo, typowe fotoogniwo (np. krzemowe), składa się z dwóch warstw półprzewodnika. Pierwsza warstwa (górna) jest cienka i przeźroczysta, a druga umieszczona jest na dole ogniwa. Można wyróżnić trzy generacje ogniw fotowoltaicznych:

• I generacja – ogniwa monokrystaliczne (sc-Si), polikrystaliczne (mc-Si), ogniwa wielozłączowe (mj-cells), które stosowane są w technice kosmicznej;
• II generacja – ogniwa cienkowarstwowe wykonane z tellurku kadmu (Cd-Te), ogniwa cienkowarstwowe wykonane z mieszaniny półprzewodników (miedzi, indu, falu, selenu – CIGS), ogniwa cienkowarstwowe z krzemu amorficznego (a-Si);
• II generacja – ogniwa barwnikowe, działające na zasadzie sztucznej syntezy (Dye Sensitized Solar Cells – DSSC).

Moduł fotowoltaiczny umieszczony jest w stalowej lub aluminiowej ramie, składającej się też z uszczelnionych hermetycznie szyb ochronnych. Mają one za zadanie chronić ogniwa przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływem środowiska. Dodatkowo ogniwa umieszczane są pomiędzy warstwami folii PET i EVA co również zapewnia hermetyczną ochronę.

Przy typowym zastosowaniu systemów fotowoltaicznych do zasilania budynków mieszkalnych lub do współpracy z siecią energetyczną panele zbudowane są z od jednego do kilkunastu modułów fotowoltaicznych, które połączone są ze sobą szeregowo. Dzięki temu tworzą one tzw. łańcuch, który zwiększa sumaryczne napięcie. Można też zastosować równoległe połączenie modułów, tworzące macierz fotowoltaiczną.. Uzyskuje się wtedy wysoką wartość prądu wyjściowego.

Systemy fotowoltaiczne można zastosować w dwóch układach: on-grid i off-grid (tzw. systemy wyspowe). Systemy on-grid połączone są z istniejącymi sieciami energetycznymi, niezależnie od zapotrzebowania energetycznego obiektu, na którym są zainstalowane. Energia, która zostanie wytworzona za pomocą paneli fotowoltaicznych w tym systemie wprowadzana jest do sieci energetycznej. Umożliwia to sprzedaż wyprodukowanej w nadmiarze energii elektrycznej. Układy typu off-grid są całkowicie samodzielnymi, autonomicznymi źródłami energii. Nie wymagają podłączenia do linii elektrycznej. Przy pracy tych systemów stosuje się akumulatory jako dodatkowe bufory energii. Magazynują one nadwyżki wytworzonej energii i zwiększają efektywność całego systemu.

Wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych

Ogniwa te przede wszystkim są stosowane w technice kosmicznej. Ich zaletami są bezobsługowość oraz duża żywotność, gwarantowana na 25 lat. Oprócz tego są stosowane jako źródło zasilania samodzielnych urządzeń, np. boi sygnalizacyjnych, świateł drogowych itp. Zaczynają również docierać do budowli i budynków, zwłaszcza tych oddalonych od sieci energetycznych.

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są również w elektronice użytkowej (kalkulatory, lampy ogrodowe, oświetlanie znaków drogowych), zasilaniu układów telemetrycznych w stacjach pomiarowo rozliczeniowych gazu ziemnego, ropy naftowej oraz energii elektrycznej, zasilanie automatyki przemysłowej i pomiarowej, a także produkcji energii w pierwszych elektrowniach słonecznych. Ogniwa tego typu wykorzystywane są również w użytku domowym. Mylone są one często z kolektorami słonecznymi, które odróżniają się tym, że przekształcają energię promieniowania słonecznego w ciepło.

Fotowoltaika jako gałąź gospodarki

Fotowoltaika przeżywa intensywny rozwój: Na koniec 2006 roku na całym świecie zainstalowano 1581 MW paneli fotowoltaicznych, a skumulowana moc wynosiła 6890 MW. Pięć lat później w roku 2011 zainstalowane zostało aż 27 650 MW baterii słonecznych, a moc skumulowana urosła do 67 350 MW. Liderem w mocy zainstalowanych paneli fotowoltaicznych są Niemcy (32 380 MW mocy paneli słonecznych). Dla porównania, potencjał polskich konwencjonalnych elektrowni to około 38 000 MW.

Fotowoltaika, jako dziedzina zajmująca się wytwarzaniem energii elektrycznej ze źródła odnawialnego, za jakie w czasowej mikroskali zwykliśmy uważać Słońce, obecnie bardzo dynamicznie się rozwija i należy przypuszczać, że w niedalekiej przyszłości będzie coraz powszechniej stosowana.

Wytwarzanie energii z odnawialnych źródeł pozwala na zaoszczędzenie wydatków. Wyprodukowanie jej w nadwyżce, która nie zostanie spożytkowana, daje również możliwości jej sprzedaży i zarobku.

Instalacja paneli fotowoltaicznych umożliwia przede wszystkim redukcję wydatków na energię elektryczną, a nawet daje możliwości pozyskania darmowej energii elektrycznej, przy zainstalowaniu odpowiedniej ilości paneli. Dzięki tak stworzonym oszczędnościom, sama inwestycja może się zwrócić w przeciągu 9-10 lat, przy wydajności paneli szacowanej na 35 lat. W Polsce gospodarstwa rolne co raz częściej wspomagają się fotowoltaiką, aby zredukować koszty energii elektrycznej. Panele można montować na budynkach gospodarskich i na nieużytkach rolnych (w terenie). Możne też zakładać je na dachach budynków inwentarskich (oborach, chlewniach, kurnikach), a wytworzony prąd wykorzystywać do ich oświetlania zewnętrznego i wewnętrznego oraz do zasilania maszyn i robotów pracujących w budynku. Jeżeli energia zostanie wyprodukowana w nadmiarze to rolnik może ją sprzedać i zarobić. Jest to też dodatkowym zabezpieczeniem w razie strat plonów czy zwierząt, ale może stanowić także alternatywę dla hodowli zwierząt lub uprawy ziemi. Na świecie istnieją farmy słoneczne będące głównym źródłem dochodu dla inwestorów, którzy je zainstalowali. Dzięki takim możliwościom zwiększa się liczba osób inwestujących w instalacje OZE, w tym systemami fotowoltaicznymi, a objęcie ich przez państwo dofinansowaniami czy ulgami zwiększa możliwości inwestycyjne.

Dofinansowania

W ramach programu Czyste Powietrze w latach 2018-2019 można w Polsce uzyskać dotacje na instalację fotowoltaiczną nawet w wysokości 90% kosztów kwalifikowanych.

Rynek fotowoltaiki rozwija się przede wszystkim dzięki ustawie o OZE. Dużym wsparciem dla osób zainteresowanych takimi instalacjami są programy dodatkowego wsparcia (np. opracowywany program "Energia plus"). W związku ze wzrostami kosztów energii, takie programy umożliwiają wprowadzenie fotowoltaiki również do domów jednorodzinnych.^2,3 Na przełomie 2016 i 2017 roku w ramach Regionalnych Programów Operacyjnych na lata 2014-2020 kwota dofinansowania na instalacje energii słonecznej (w tym fotowoltaiki) wynosiła 1,26 miliarda złotych. Całkowite koszta planowanych inwestycji wynosiły 1,86 miliarda złotych. Dofinansowanie pojedynczych inwestycji w ramach Programów Operacyjnych wynosiło średnio 70% względem całości.²

Rolnicy mogą dodatkowo skorzystać z ulgi inwestycyjnej na obiekty środowiskowej (zawartej w ustawie o podatku rolnym). Pozwala to na skorzystanie z ulgi na rzecz wydatków poniesionych na zakup i zainstalowanie urządzeń do wykorzystywania na cele produkcji energii z OZE – wiatru, biogazu, słońca czy wód. Ulga inwestycyjna przyznawana jest w wysokości 25% na podstawie dokumentacji rachunkowej potwierdzającej nakłady inwestycyjne. Program Czyste Powietrze odnosi się przede wszystkim do zabudowań jednorodzinnych. Bierze on również pod uwagę mikroinstalacje fotowoltaiczne.

Nasłonecznienie w Polsce a fotowoltaika

Funkcjonowanie elektrowni fotowoltaicznych jest zależne od warunków meteorologicznych (nasłonecznienia) danego rejonu, na którym powstają. Określa się je na podstawie ilości energii jaka dociera do kraju w postaci energii słonecznej. Mierzy się ją poprzez wyznaczenie natężenia promieniowania słonecznego. Jest ono rozproszone oraz charakteryzuję się cyklicznością dobową i roczną. Natężenie energii słonecznej w Polsce mieści się w przedziale 900-1200 kWh/m² na rok, co sprzyja rozwojowi energetyki słonecznej. Polska jest zlokalizowana w dobrym położeniu geograficznym, więc stanowi odpowiednie miejsce na inwestowanie w fotowoltaikę. W centralnej Polsce (okolice Warszawy, Lublina, Poznania) i na południu (np. Kraków, Rzeszów) można zaobserwować największe wartości natężenia nasłonecznienia.

Na natężenie nasłonecznienia wpływają również zjawiska klimatyczne takie jak zachmurzenie lub zanieczyszczenie powietrza (stopień jego przezroczystości). Rozkład promieniowania słonecznego w cyklu rocznym jest nierównomierny. Około 80% rocznej sumy nasłonecznienia kumuluje się w miesiącach zaliczanych do okresu wiosenno-letniego, zaś najmniej w miesiącach zimowych. Mimo to panele fotowoltaiczne spełniają zapotrzebowanie na energię elektryczna nawet w okresie zimowym.

Zobacz też

• energetyka słoneczna
• Projektowanie autonomicznych systemów fotowoltaicznych

Przypisy

{{Kontrola autorytatywna}} Nieznane pola: "WORLDCATID".