Ogniwa fotowoltaiczne

Przetworzenie energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną jest możliwe w instalacjach fotowoltaicznych. W tym celu pojedyncze ogniwa łączy się w całe moduły, które następnie tworzą panele fotowoltaiczne. 

Moc pojedynczego ogniwa wynosi na ogół kilka Wattów, natomiast modułu – do około 250–300 W. Moc panelu zależy bezpośrednio od ilości modułów, z których się  składa. Panele można dalej łączyć ze sobą, aby uzyskać planowaną produkcję energii.

Instalacja fotowiltaiczna (ogniwo – moduł – panel)

Panele fotowoltaiczne (PV) montuje się najczęściej:

• na dachach budynków,
• podwiesza na ścianach zewnętrznych budynków,
• na specjalnie temu dedykowanych konstrukcjach.

Schemat działania sytemu fotowoltaicznego[ref]https://i.ytimg.com/vi/myDjC_4SfzA/maxresdefault.jpg[/ref]

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Większość ogniw fotowoltaicznych zbudowanych jest z krzemu. Wyróżniamy ogniwa:

• monokrystaliczne
  • zbudowane z ogniw powstałych z dużego monokryształu krzemu
  • zazwyczaj barwy ciemnoniebieskiej lub czarnej
  • wykonane z płytek o przekroju kołowym, które następnie są przycinane do przekroju kwadratowego
  • cechuje je nieznacznie większa sprawność, niż panele polikrystaliczne, co przekłada się na mniejszą powierzchnię potrzebną do zainstalowania takiej samej mocy
  • ze względu na wysoką jakość materiału półprzewodnikowego ogniwa tego typu są stosunkowo drogie
• polikrystaliczne
  • składają się z ogniw powstałych z polikrystalicznego krzemu
  • barwy niebieskiej
  • wytwarzane są w procesie odlewania, krzepnięcia kierunkowego lub techniki wzrostu węglowego
  • charakteryzuje je wysoka odporność
  • są łatwo dostępne i stosunkowo tanie¹http://systemy-fotowoltaika.pl/roznica-miedzy-panelami-monokrystalicznymi-a-polikrystalicznymi/
• amorficzne 
  • mają bordowy lub brązowy kolor
  • wystarczy minimalna ich grubość aby promieniowanie słoneczne absorbowane było z dużo większą sprawnością niż w przypadku ogniw monokrystalicznych
  • mogą być najbardziej opłacalnym ze stosowanych rozwiązań
• CdTe 
  • inaczej cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne na bazie kadmu i telluru, których sprawność w warunkach laboratoryjnych może osiągać nawet 22,1 %
• CIGS
  • półprzewodnik wykonany ze stopu miedzi, indu, galu i selenu
  • należą do ogniw cienkowarstwowych
  • warstwa aktywna układów może być naniesiona na elastyczne podłoże np. folię plastikową

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych[ref]https://docplayer.pl/4233696-Technologia-produkcji-paneli-fotowoltaicznych.html[/ref]

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych[ref]https://powietrze.malopolska.pl/wp-content/uploads/2018/11/Fotowoltaika.pdf[/ref]

Sposoby łączenia paneli

Panele można łączyć ze sobą, tak aby uzyskać planowaną moc szczytową, a co za tym idzie produkować odpowiednie ilości energii elektrycznej.

Pojedyncze panele w instalacji fotowoltaiczne mogą być połączone:

• szeregowo;
• równolegle;
• w sposób mieszany.

Przy łączeniu szeregowym natężenie płynącego prądu ma wartość stałą. Ma to szczególne znaczenie przy częściowym zacienieniu panelu. Prąd płynący w jednej gałęzi jest wówczas znacząco ograniczany przez zacienione ogniwo, które stanowi swoistego rodzaju „wąskie gardło” dla produkcji energii elektrycznej w  tej konkretnej gałęzi.

Schemat połączenia panel

W przypadku szeregowego połączenia paneli natężenie przepływającego prądu jest takie samo dla każdego panelu, a napięcie wypadkowe jest sumą napięć na każdym z paneli. W praktyce oznacza to, że prąd płynący w całej gałęzi (przez wszystkie ogniwa) warunkowany jest przez najniższą wartość prądu produkowaną przez którekolwiek z ogniw. Sytuacja ta ma bezpośredni wpływ na moc generowaną na gałęzi.

Ilość faktycznie uzyskiwanej energii jest zależna od wielu czynników. Najważniejszymi z nich są:

• dostępność energii słonecznej;
• ilość  i moc zainstalowanych paneli;
• prawidłowość montażu i doboru urządzeń, a co za tym idzie, sprawność całkowita  systemu PV.

Zasada działania

Instalacje fotowoltaiczne są urządzeniami przekształcającymi energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Proces ten zachodzi za pomocą zjawiska fotowoltaicznego.

Ogniwo fotowoltaiczne złożone jest z dwóch (usytuowanych warstwowo jeden na drugim) obszarów krzemu – typu n oraz typu p. Światło słoneczne padające na powierzchnię ogniwa złożone jest z fotonów, które po dotknięciu obszaru n przenikają do położonego niżej obszaru p. Na skutek powyższego dochodzi do przesunięcia elektronów do obszaru n, czego efektem jest powstanie przepływu prądu elektrycznego.

Efekt fotowoltaiczny (żółtą kropką oznaczono foton, zieloną elektron)[ref]www.explainthatstuff.com[/ref]

Panele fotowoltaiczne produkują prąd stały. Zatem aby korzystać z wytworzonej energii elektrycznej musi być zainstalowany falownik (inwerter), który zmieni prąd stały wytworzony z paneli fotowoltaicznych na prąd zmienny (przemienny) – wykorzystywany w gospodarstawach domowych. ²http://globenergia.pl/abc-prosumenta/

Rodzaje systemów PV

Panele fotowoltaiczne mogą stanowić cześć oddzielnej sieci i nie być przyłączone do systemu elektroenergetycznego (tzw. „systemy wyspowe” – ang. offgrid). Taka instalacja fotowoltaiczna, poza panelami PV, wyposażona musi być w:

• inwerter – sterujący pracą ogniw w celu ich synchronizacji oraz maksymalizacji produkcji energii elektrycznej;
• akumulator – niezbędny do magazynowania energii w celu wykorzystywania jej później;
• urządzenie kontrolujące poziom naładowania akumulatorów.

Instalacja wyspowa

Systemy PV mogą być również podłączone do sieci. Znika wtedy konieczność zakupu akumulatora, którego rolę zastępuje krajowa sieć energetyczna.

Przyłącze do sieci elektroenergetycznej należy wyposażyć w liczniki energii pobranej i oddanej do sieci aby umożliwić rozliczenie z siecią wymienionej energii.

Falownik zamienia produkowany w panelach prąd stały na prąd zmienny o odpowiednich dla systemu elektroenergetycznego parametrach.

Instalacja sieciowa

Rodzaje systemów PV

Oszacowanie poziomu zużycia energii elektrycznej w gospodarstwie domowym

Wybór odpowiedniej wielkości instalacji powinien być uzależniony od poziomu zużycia energii elektrycznej w gospodarstwie domowym w poprzednim roku.

Najbardziej wiarygodnym, a zarazem najlepiej dostępnym źródłem informacji o zużyciu, są wystawione przez sprzedawcę energii faktury za usługę sprzedaży i dystrybucji energii elektrycznej.

Poniżej przedstawiono przykładowy wycinek faktury. Wynika z niego, iż w okresie od 01.01.2017 do 31.01.2017 odbiorca zużył 242 kWh energii.

Wycinek z faktury

Należy odczytać zużycia energii dla faktur obejmujących okresy rozliczeniowe mieszczące się w poprzednim roku. Ich suma będzie rocznym zużyciem energii elektrycznej.

Obecnie rozliczenie użytkownika odbywa się w ramach umowy kompleksowej, tj. określającej warunki dystrybucji oraz sprzedaży prądu. 

Dobór mocy instalacji

Osiągana przez instalacje fotowoltaiczną moc, uzależniona jest od ilości światła słonecznego padającego na powierzchnie paneli. Jej zmienność zależna jest nie tylko od warunków klimatycznych, ale również od usytuowania paneli fotowoltaicznych na dachu budynku. Aby wyznaczyć moc instalacji dla danej lokalizacji inwestor powinien w pierwszej kolejności określić nasłonecznienie dla danej lokalizacji, czyli średnią moc promieniowania w przeciągu roku mierzoną w kWh/m^²/rok.

Warunki nasłonecznienia w Polsce oscylują w przedziale od 900 do 1100 kWh/m^², co oznacza, że z jednego metra kwadratowego powierzchni modułu można uzyskać do 120 do 150 kWh energii rocznie.

Mapa globalnego nasłonecznienia na płaszczyźnie poziomej w Polsce[ref]solargis.info[/ref]

Dla szerokości geograficznej na której znajduje się Polska, optymalnym ustawieniem paneli fotowoltaicznych jest kąt 35° oraz południowa orientacja azymutalna (ustawienie w kierunku południowym).

Montaż paneli fotowoltaicznych w optymalnym ustawieniu nie zawsze jest możliwy ze względu na usytuowanie budynku i/lub konstrukcję dachu. Inwestor wybierając usytuowanie paneli powinien starać się, aby było ono w jak największym stopniu zbliżone do optymalnego.

Znając odchylenie od południa oraz kąt nachylenia, inwestor za pomocą współczynnika korekcyjnego może wyznaczyć wartość nasłonecznienia dla docelowego położenia paneli. Współczynnik korekcyjny na ogół odczytuje się z Tabel współczynników korekcyjnych.

Tabela współczynników korekcyjnych[ref]solaris18.blogspot.com[/ref]

Przykład:

Gospodarstwo domowe o rocznym zużyciu energii na poziomie  2700 kWh znajduje się w Krakowie, w którym nasłonecznienie wynosi 1050 kWh/m²/rok. 

Budynek charakteryzuje się dachem dwuspadowym. Kąt nachylenia połaci dachu na której właściciel planuje montaż instalacji to 40°, a jego odchylenie od południa wynosi 45°.

Współczynnik korekcyjny dla tego dachu wynosi zatem 1,07.

Przyjmując, iż natężenie promieniowania słonecznego wynosi 1050 W/m²,  uzysk z 1 kWp instalacji na powierzchnię tak usytuowanej połaci dachu będzie iloczynem wyznaczonego współczynnika korekcyjnego oraz nasłonecznienia na powierzchnię poziomą dla danej lokalizacji.

1050 W/m² × 1,07 = 1123,5 kWh/kWp

Obliczenie powinno jeszcze uwzględniać straty na poziomie 17%, co w praktyce oznacza, że:

1123,5 kWh/kWp × (100 – 17%) = 932,1 kWh/kWp

Znając zapotrzebowanie na energię budynku oraz uzysk, możemy wyznaczyć moc instalacji:

2700 kWh × 15%* + [2700 kWh × (100 – 15%)/932,1 kWh/kWp] = 3,51 kWp

* stopień autokonsumpcji energii

Z powyższych obliczeń wynika, że gospodarstwo domowe, którego roczne zużycie energii elektrycznej wynosi 2700 kWh powinno posiadać instalację fotowoltaiczną o mocy 3,51 kWp. 

Przyjęcie mocy pojedynczego panelu na poziomie 250 W będzie oznaczało, że na dachu należałoby zastosować 14 paneli.  Moc maksymalna instalacji fotowoltaicznej będzie wynosiła w takim przypadku 3,5 kWp.

Przyjmując wymiary pojedynczego panelu: 1600 mm (wysokość) x 1000 mm (szerokość) oraz  powierzchnia 1,6 m², w analizowanym przypadku, powierzchnia całej instalacji będzie wynosiła 22,4 m², a jej waga (przy założeniu, że ciężar pojedynczego ogniwa to 60 kg) – 840 kg.

Oszacowanie kosztów inwestycyjnych

Koszty instalacji fotowoltaicznej muszą uwzględniać koszty zakupu:

• paneli fotowoltaicznych;
• falownika;
• przewodów i zabezpieczeń;
• systemu mocowania;
• a także cenę montażu instalacji.

Dla uproszczenia obliczeń można przyjąć, że jednostkowa cena 1 kWp instalacji fotowoltaicznej wynosi 6 600 zł. Poniżej w tabeli przedstawiono przykładowe wyliczenie.

Koszty inwestycyjne instalacji fotowoltaicznej o mocy 3 kWp

Określenie czasu zwrotu

Określenie czasu w jakim zwrócą się fundusze zainwestowane w instalację fotowoltaiczną wymaga ustalenia rocznych oszczędności. Są one różnicą w wysokości obecnych rachunków za energię elektryczną oraz rachunków w sytuacji działania instalacji.

Działające instalacje fotowoltaiczne podlegają obecnie pod system tzw. opustów, w którym energia pobrana przez prosumenta oraz wyprodukowana w instalacji rozliczana jest w systemie bezgotówkowym.

Użytkownik systemu fotowoltaicznego osiąga korzyść z posiadania instalacji w wyniku oszczędności związanej z zaoszczędzonej, wyprodukowanej w instalacji, energii. W zależności od działającego na danym terenie operatora rozliczenie odbywa się w systemie rocznym lub półrocznym.

Uzyskana z modułów fotowoltaicznych energia, która nie zostaje wykorzystana w chwili bieżącej (stopień autokonsumpcji energii określa się na poziomie 15%), zostaje zwrócona do systemu elektroenergetycznego.

Użytkownik energii może odzyskać 80% (gdy instalacja ma moc do 10 kW) lub 70% (gdy instalacja ma moc 10–40 kW) wprowadzonej do sieci energii nie ponosząc przy tym dodatkowych opłat.

Im wyższy stopień autokonsumpcji, tym wyższa opłacalności instalacji.

Przykład:

Gospodarstwo domowe o rocznym zużyciu 2700 kWh i dostosowanego do tego zużycia uzysku z instalacji fotowoltaicznej (przy stopniu autokonsumpcji tego uzysku na poziomie 15%) będzie wykorzystywało bezpośrednio z instalacji sumarycznie dla całego roku jedynie 405 kWh rocznie.

Pozostała energia (2295 kWh) zostanie oddana do systemu energetycznego.

Gospodarstwo domowe w ramach przynależenia do systemu opustu będzie mogło odebrać 1836 kWh. Oznacza to, że łącznie wykorzystanie energii ze słońca będzie wynosiło 2241 kWh. W ciągu całego roku takie gospodarstwo będzie musiał dokupić 459 kWh energii elektrycznej (kupując ją za 247,86 zł).

Bez instalacji fotowoltaicznej rachunki takiego gospodarstwa za energię elektryczną byłyby na poziomie 1458 zł rocznie.

Przyjmując wyliczenie kosztów inwestycyjnych na poziomie 23 tys. zł, prosty okres zwrotu wynosiłby ok. 19 lat (w przypadku braku dofinansowania), a dla 50% dotacji – 9,5 lat.

Gdyby stopnień autokonsumpcji wzrósł do 25%, np. wykorzystania pompy ciepła lub zmiany zachowań użytkowników, np. poprzez celowe zwiększenie wykorzystywania urządzeń elektrycznych w słoneczne dni, gospodarstwo domowe zużywałoby już 675 kWh rocznie. Pozostała w ten sposób energia, czyli 2025 kWh, oddana zostaje do systemu elektroenergetycznego.

Użytkownicy gospodarstwa domowego mogliby liczyć na zwrot 80% z „zmagazynowanej” w systemie elektroenergetycznego energii, tj. 1620 kWh.

Wobec rocznego wykorzystywania energii z instalacji fotowoltaicznej na poziomie 2295 kWh gospodarstwo domowe musiałoby dokupić w ciągu roku 405 kWh za kwotę 218,70 zł. Bez instalacji roczny rachunek za energię elektryczną wynosiłby w takim przypadku 1458 zł.

Wobec rocznych oszczędności wynoszących 1239,30 zł, okres zwrotu dla inwestycji wynosiłoby ok. 18 lat.

Wady i zalety energetyki słonecznej

Do zalet energetyki słonecznej można zaliczyć:

• praktyczną niewyczerpalność jej źródła pochodzenia;
• brak emisji szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery związanych z prowadzeniem procesu produkcji energii;
• prostotę montażu;
• nieograniczony i darmowy dostęp.

Poważnym ograniczeniem dla energetyki słonecznej jest:

• niestabilna produkcja energii – zależność ilości wyprodukowanej energii od pory roku, a także od pory dnia;
• dostępność energii słonecznej w ciągu doby nie pokrywa się z maksymalnym zapotrzebowaniem na energię elektryczną;
• brak możliwości magazynowania energii elektrycznej produkowanej w czasie, gdy brak jest zapotrzebowania;
• uciążliwy dla środowiska proces ich produkcji;
• wysokie koszty zakupu niezbędnych urządzeń;
• konieczność udostępnienia dużych powierzchni zajmowanych przez farmy fotowoltaiczne.

Teren zagospodarowany przez farmę fotowoltaiczną[ref]https://www.topagrar.pl/media/cache/26/42/26429e55bc88c52d299a3df9d934bb23.jpg[/ref]

Autor: Krajowa Agencja Poszanowania Energii

Przypisy

• 1
  http://systemy-fotowoltaika.pl/roznica-miedzy-panelami-monokrystalicznymi-a-polikrystalicznymi/
• 2
  http://globenergia.pl/abc-prosumenta/