Technologia PV – moduły fotowoltaiczne

Potencjał odnawialnych źródeł energii elektrycznej w Polsce

W aspekcie wykorzystania energii promieniowania słonecznego należy zwrócić uwagę na dwa podstawowe parametry je określające: usłonecznienie oraz napromieniowanie. Usłonecznienie to liczba godzin słonecznych w ciągu roku na danym terytorium. Napromieniowanie określa ilość energii promieniowania docierającego do danego obszaru i podawane jest z reguły w kWh/m².

W ciągu roku na 1 m² powierzchni Ziemi dociera średnio ok. 1000 kWh energii promieniowania słonecznego, a wartość ta zależy głównie od zachmurzenia (rys. 1). Rozkład napromieniowania w Polsce przedstawia rys. 2.

Polska leży w strefie klimatu umiarkowanego między 49 a 54,5° szerokości geograficznej północnej. Godzin dziennych (czas od wschodu do zachodu Słońca) jest ponad 51% przy 8544 godzinach w całym roku. Największe roczne nasłonecznienie – ok. 80% – występuje od kwietnia do września. W czerwcu dzień trwa średnio przez 70% doby, natomiast w grudniu tylko 30%.

Sytuacja ta nieznacznie różni się w różnych obszarach Polski. Na północy godziny dzienne obejmują 71,5% czerwca, w centrum 69%, a na południu 67%. W grudniu natomiast sytuacja znacznie się zmienia: na północy 29,5%, w centrum 31,7%, a na południu 34,7%.

Energia promieniowania słonecznego wykorzystywana jest od wielu lat do przygotowywania ciepłej wody użytkowej i na potrzeby centralnego ogrzewania oraz do produkcji energii elektrycznej.

Prognozy rozwoju energetyki odnawialnej w Polsce

Produkcja energii elektrycznej w naszym kraju w większości bazuje na węglu kamiennym i brunatnym, w mniejszym stopniu na ropie naftowej i gazie ziemnym, a w minimalnym na OZE. Mamy ok. 3,7 MWp mocy zainstalowanej (wg stanu na 31 marca 2014 r.), podczas gdy w Niemczech potencjał energetyczny z fotowoltaiki wynosi ponad 30 GWp.

Zasoby energetyczne z paliw kopalnych są źródłami wyczerpalnymi, a ich wykorzystywanie powoduje znaczne zanieczyszczenie środowiska i pogłębia efekt cieplarniany spowodowany emisją CO2. Ponadto stale rośnie zużycie energii elektrycznej oraz jej cena (rys. 3). W związku z tym w interesie Polski jest jak najszybsze podjęcie działań określających plan oszczędności energii elektrycznej oraz wykorzystywanie do jej produkcji odnawialnych źródeł.

Ze względu na powyższe, nie tylko Polska, ale wszystkie kraje członkowskie Unii Europejskiej mają obowiązek zastosować się do wprowadzonej 23 kwietnia 2009 r. dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. Dyrektywa ta jest głównym dokumentem regulującym kwestie związane z wykorzystaniem OZE.

Według jej zapisów Polska powinna mieć 15-proc. udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 r. Ponadto każde państwo członkowskie do 2020 r. ma obowiązek redukcji emisji gazów cieplarnianych o co najmniej 20% w porównaniu z rokiem 1990 oraz zwiększenia efektywności wykorzystania energii o 20%.

Zapisy dyrektywy 2009/28/WE wymagają także od Polski aktualizacji zapisów ustawy Prawo energetyczne, a mianowicie wprowadzenie tzw. ustawy o OZE. Ustawa ta miała wejść w życie w 2009 r., jednak prace nad jej treścią nadal trwają, a jej ostateczna wersja ma zostać uchwalona najwcześniej w 2015 r. We wrześniu 2013 r. wszedł w życie tzw. mały trójpak energetyczny.

Przepisy te umożliwiają m.in. osobom fizycznym montaż mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii (tj. instalacji o łącznej mocy zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 40 kW), a następnie produkcję energii elektrycznej na własne potrzeby oraz sprzedaż nadwyżek bez zbędnych formalności.

Dokonano też zmian w Prawie budowlanym – nie jest już wymagane pozwolenie na budowę dla robót polegających na montażu urządzeń fotowoltaicznych o zainstalowanej mocy do 40 kW oraz w Prawie energetycznym – prosumenci zostali zwolnieni z wymogu uzyskania koncesji na potrzeby produkcji energii elektrycznej.

W związku z tym jedynym dokumentem, jaki należy wypełnić i złożyć w miejscowym zakładzie energetycznym wraz z kompletem załączników (temat ten zostanie rozwinięty w kolejnych artykułach), jest zgłoszenie przyłączenia mikroinstalacji.

Technologie produkcji modułów fotowoltaicznych

W procesie wytwarzania energii elektrycznej ze Słońca należy zastosować moduły fotowoltaiczne – nie można ich mylić z kolektorami słonecznymi produkującymi energię cieplną. W ramach produkcji modułów fotowoltaicznych wyróżniamy technologię krzemową – I generacja oraz technologię cienkowarstwową – II i III generacja. W zależności od wyboru technologii (rys. 4) osiągnąć można różne poziomy sprawności (tabela 1).

Sprawnością określa się ilość energii elektrycznej w Wp (watt peak), jaka może zostać wyprodukowana z 1 m² ogniwa fotowoltaicznego. Jest ona określana w znormalizowanych warunkach STC (Standard Testing Conditions): przy temperaturze modułu 25°C, natężeniu promieniowania 1000 W/m² i widmie promieniowania 1,5.

Przy omawianiu technologii produkcji należy też wymienić moduły wytwarzane z zastosowaniem związków organicznych czy polimerów oraz moduły hybrydowe – heterozłączowe. Są one jeszcze w fazie badań i nie mają zastosowania komercyjnego, głównie z powodu wysokich kosztów produkcji. Największy udział w produkcji światowej mają moduły wytwarzane z wykorzystywaniem ogniw krzemowych – głównie krzemu polikrystalicznego. 

Technologia ta oferuje najlepszy stosunek sprawności do ceny, lepszy niż w przypadku modułów cienkowarstwowych. Stale prowadzone są badania w celu wzbogacenia struktury ogniw i zwiększenia ich sprawności.

Moduły na bazie ogniw krzemowych wykonywane są z krzemu oraz dodatków półprzewodnikowych GaAs (arsenek galu) i CdTe (tellurek kadmu). Ogniwa te mają kształt płytek o wymiarach ok. 140×140 mm i grubości 200–500 mm. Pojedyncze ogniwo krystaliczne wytwarza moc ok. 4 W. W celu zwiększenia mocy wyjściowej łączy się je w szeregi, a te w moduły i następnie w panele (rys. 5). Ogniwa wytwarzają napięcie stałe i w zależności od sposobu połączenia – szeregowo lub równolegle – zwiększa się ich napięcie wyjściowe lub wydajność prądową. 

W strukturze krzemowego ogniwa fotowoltaicznego (rys. 6) wyróżniamy następujące warstwy: 

• obszar typu p (tzw. baza) mający nadmiar elektronów dodatnich,
• obszar typu n (tzw. emiter) mający nadmiar elektronów ujemnych i jednowarstwowa lub wielowarstwowa powłoka antyrefleksyjna chroniąca powierzchnię emitera,
• metalowa siatka na górnej i dolnej powierzchni służąca do przenoszenia wytworzonego ładunku elektrycznego,
• aluminiowa warstwa spodnia chroniąca ogniwo przed uszkodzeniami mechanicznymi. 

Na moduł krzemowy składa się od kilkunastu do kilkudziesięciu ogniw, tym samym powierzchnia takiego modułu wynosi około 1,7 m².

Wśród modułów cienkowarstwowych wyróżniamy technologie II generacji – moduły amorficzne na bazie krzemu oraz III generacji –   mieszaniny związków półprzewodnikowych. Moduły te wykonywane są poprzez napylanie warstwy związków półprzewodnikowych na różnego rodzaju materiały, sztywne lub elastyczne, której grubość nie przekracza zazwyczaj 2 mm. 

Gotowy wyrób ma standardowo postać prostokąta o powierzchni nie większej niż 2 m2 lub dostosowany jest do wymagań odbiorcy, a jego moc to 150–200 W. Moduły wykonywane są także w postaci elastycznych materiałów dostosowujących się do podłoża, na którym zostaną zainstalowane, o grubościach mierzonych w mm.

Technologia cienkowarstwowa wykorzystywana jest głównie w nowoczesnym budownictwie i tam, gdzie znaczenie ma wzornictwo. Na rys. 4 pokazano przykładowe ogniwa wykonywane w tej technologii – z tellurku kadmu oraz z mieszaniny półprzewodników, tzw. CIGS.

Zjawisko fotowoltaiczne

Wytwarzanie energii elektrycznej z ogniw opiera się na zjawisku fotowoltaicznym zachodzącym w ich strukturze i jest takie same dla modułów krystalicznych i cienkowarstwowych. Pod wpływem promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię od strony półprzewodnika typu n generowane są pary dziura – elektron.

Napięcie dyfuzyjne występujące pomiędzy warstwami p i n rozbija następnie te ładunki, powodując powstanie na jego elektrodach wyjściowych (anodzie i katodzie) różnicę potencjałów. Po dołączeniu odbiornika zaczyna płynąć prąd elektryczny o wartości zależnej od ilości równolegle podłączonych modułów. 

Budowa modułu fotowoltaicznego

Analizując budowę przykładowego modułu SV60P oraz proces jego produkcji w Zakładzie Fotowoltaicznym SELFA GE S.A., wyróżnić można kilka etapów (fot. 1). 

W pierwszym etapie produkcji pojedyncze, wyselekcjonowane wcześniej ogniwa układane są w dziesięcioelementowe szeregi. Szeregi te łączone są metodą bezstykowego lutowania na całej powierzchni bussbarów, co jest pierwszym i najważniejszym etapem produkcji – to od niego zależy jakość przenoszenia ładunków elektrycznych z ogniw i sprawność gotowego wyrobu. 

Sześć zlutowanych szeregów układa się od strony warstwy półprzewodnika n na przygotowaną wcześniej pryzmatyczną, antyrefleksyjną szybę z ułożoną na niej folią EVA. W trakcie tych czynności ogniwa poddawane są dwukrotnej kontroli optycznej w podczerwieni, przed i po procesie lutowania, w celu wykrycia ewentualnych uszkodzeń mechanicznych czy mikropęknięć niewidocznych gołym okiem.

Folia EVA układana jest również na tylnej części ogniw – od strony półprzewodnika typu p, a na niej następnie układana jest folia elektroizolacyjna. Tak przygotowany produkt trafia do laminatora, w którym przebiega proces zespolenia wszystkich komponentów w jeden produkt. Proces ten jest drugim ważnym etapem produkcji i to od niego zależy odporność modułu na czynniki atmosferyczne, a tym samym jego żywotność.

W kolejnym etapie moduł poddawany jest ramowaniu, które przebiega w pełni automatycznie, z równomiernie rozłożonymi siłami docisku na całej długości jego krawędzi bocznych. Rama zapewnia sztywność i wytrzymałość mechaniczną produktu. W ostatnim etapie produkcji od spodniej części modułu przymocowywana jest puszka przyłączeniowa z zakończeniami gotowymi do podłączania modułów – konektorami.

Każdy moduł schodzący z linii produkcyjnej ma numer seryjny i poddawany jest w fabryce – na testerze symulującym warunki STC – badaniom określającym jego parametry i charakterystyki elektryczne, wydajność czy odporność na przebicia. Informacje te przechowywane są w bazie danych firmy.

Oferowane produkty posiadają certyfikat VDE wydany przez niemiecki Instytutu Fraunhofera, gdzie poddane zostały ocenie pod kątem wytrzymałości na obciążenia wywołane np. śniegiem (do 8000 Pa), odporności na uderzenia gradu (kulki lodowe o średnicy 25 mm i masie 7,5 g uderzające z prędkością 23 m/s), wpływu zacienienia, pracy w zmiennych warunkach wilgotności i nasłonecznienia oraz temperatury. 

Parametry pracy modułów fotowoltaicznych

Moduły fotowoltaiczne mogą zasilać odbiorniki o napięciach stałych 12–48 V lub generować napięcie prądu przemiennego 230/400 V. Żeby uzyskać wskazane wartości napięć, należy zastosować odpowiednie urządzenia współpracujące z modułami, takie jak regulatory, inwertery, akumulatory. 

Do głównych parametrów elektrycznych modułu fotowoltaicznego, zmierzonych w warunkach STC, należą:

• P_max – moc maksymalna, 
• V_oc – napięcie obwodu otwartego,
• V_mpp – napięcie w punkcie mocy maksymalnej,
• I_sc – prąd zwarcia,
• I_mpp – prąd w punkcie mocy maksymalnej,
• h – sprawność konwersji energii w module,
• FF – współczynnik wypełnienia, 
• współczynniki temperaturowe.

Bardzo ważnym parametrem określającym jakość modułów jest ich tolerancja. Zbyt duże zakresy tolerancji wpływają negatywnie na pracę całego systemu fotowoltaicznego, co zostanie omówione w kolejnych artykułach.

Wady i zalety technologii PV

Wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą modułów fotowoltaicznych niesie ze sobą wiele pozytywnych aspektów. Systemy te są całkowicie przyjazne dla środowiska w trakcie eksploatacji i nie emitują żadnych szkodliwych związków chemicznych. Pracują w kompletnej ciszy, nie przeszkadzając ludziom i zwierzętom, ich konstrukcja jest zwarta i prosta, żywotność wynosi co najmniej 25 lat i podlegają one całkowitemu recyklingowi. 

Konstrukcja modułów pozwala na ich zintegrowanie z konstrukcją budynku lub otoczeniem (BIPV – Building-integrated photovoltaics). W typowych instalacjach domowych montowane są na dachach domów w formie prostokątnych pakietów lub komponują się z fasadą budynku, a w nowoczesnych rozwiązaniach montuje się je w otworach okiennych. 

Jednak ze względu na stosunkowo małą sprawność konwersji energii znaczna musi być powierzchnia terenu, na którym mają one zostać zainstalowane – 1 MW instalacji PV zajmuje ok. 2 ha brutto terenu płaskiego. Innym minusem są wciąż stosunkowo wysokie koszty zakupu. Jednak tendencja ta z roku na rok ulega spadkowi, a ponadto uruchomione zostały programy dotujące przedsięwzięcia związane z fotowoltaiką. 

Literatura

1. Pasierb S., Bogacki M., Osicki A., Wojtulewicz J., Odnawialne źródła energii. Efektywne wykorzystanie w budynkach. Finansowanie przedsięwzięć. Poradnik, Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii, Katowice 2010.
2. Zimny J., Odnawialne źródła energii w budownictwie niskoenergetycznym, Wyd. I, seria „Problemy Ekoenergetyki i Inżynierii Środowiska”, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków 2010.
3. www.cire.pl.
4. www.zielonytelefon.eco.pl.
5. www.stat.gov.pl.