Moduły fotowoltaiczne – Energia przyszłości

Dla większości z nas pojęcie moduły fotowoltaiczny jest nowym słowem. Jak możemy się dowiedzieć z definicji: jest to układ połączonych szeregowo lub szeregowo-równolegle ogniw słonecznych.

Powszechna definicja mówi natomiast, że jest to jeden z produktów, które służy do wytwarzania energii elektrycznej. Jak możemy wydedukować z definicji – Wytwarzanie energii elektrycznej przy wykorzystaniu energii słonecznej. Główne cechy techniczno – fizyczne, które charakteryzują moduły fotowoltaiczne to materiał półprzewodnikowy – krzem. Jest on umieszczony w fotoogniwach – ogniwach fotowoltaicznych. Jednak, żeby tego było mało umieszczone, są one w tzw. urządzenie elektrotechniczne. To urządzenie składa się z połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych, najczęściej pomiędzy warstwami folii PET i EVA oraz szybą ze szkła hartowanego. W konsekwencji całość jest hermetycznie laminowana i oprawiona sztywną ramą – aluminiową. Jak możemy się domyślać całość komponentów, zapewnia wytrzymałość mechaniczną modułów, one zaś wytwarzają energię

Panel, a moduł fotowoltaiczny

W pierwszej kolejności omówione zostały podstawowe informacje, czym są moduły fotowoltaiczne. W takim razie czym jest panel? Niestety, na rynku utarło się twierdzenie, że jedno, jak i drugie słowo oznaczają to samo. W rzeczywistości jednak oznaczają coś lekko innego. Panel jest to zestaw połączonych modułów z konstrukcją fotowoltaiczną. Dosłownie jest to segment instalacji fotowoltaicznej. Taka to różnica, pomiędzy tymi zagadnieniami. Jak już jesteśmy przy wątku nazewnictwa, to rozwinę jeszcze definicje system fotowoltaiczny. Nie jest to aż tak trudne. Jest to całość naszej instalacji. Stąd składa się z modułów, konstrukcji, inwertera również okablowanie, elementów wspomagających, monitorujących, czujników itd. W rezultacie systemem nazywany połączone elementy w jeden tzw. organizm – Instalację.

Jak działa instalacja fotowoltaiczna?

Odpowiedź jest zawarta w kilku słowach: Na zasadzie konwersji energii promieniowania słonecznego. Promieniowanie słoneczne jest niewyczerpanym źródłem energii w skali naszej cywilizacji. Wszystkie nośniki energii występujące na Ziemi z wyjątkiem energii paliw rozszczepialnych i wnętrza Ziemi powstały w wyniku działania promieniowania słonecznego. Moduły fotowoltaiczne, a w szczególności ich technologia polega na wykorzystaniu promieni słonecznych i konwersji ich w energię. Jest to innowacyjny i najmniej ingerujący sposób dostosowania środowiska do potrzeb ludności. Warto przyjrzeć się definicji encyklopedycznej zjawiska:

Na czym polega efekt fotowoltaiczny?

Efektem fotowoltaicznym nazywamy kwant promieniowana, który wzbudza „wspólny elektron”, uwalniając go z wiązania. Elektron może poruszać się w sieci krystalicznej. W miejsce brakującego elektronu, tworzącego uprzednio wiązanie kowalencyjne, „wskakują” elektrony z sąsiadujących wiązań. Powstały „brak elektronu”, czyli potocznie zwana dziura może poruszać się w sieci krystalicznej. Wytworzona para nośników elektron i dziura są rozdzielane pod wpływem wbudowanego w złącze p-n powstałego na granicy krzemu typu „n” i krzemu typu „p”, pola elektrycznego i są kierowane w stronę odpowiednich kontaktów. Każdy nośnik może w swej drodze zrekombinować. Wędrujący elektron może trafić na dziurę i powrócić do stanu podstawowego, tym samym może on stać się znowu wiązaniem kowalencyjnym pomiędzy dwoma atomami sieci. Powyższa definicja jest technologiczno – fizyczną interpretacją stworzoną na potrzeby zrozumienia całego procesu fotowoltaicznego.

Jak działa moduł fotowoltaiczny?

Powszechnie używa się definicji, iż efektem fotowoltaicznym nazywamy „proces wytworzenia napięcia, elektryczności w materiale pod wpływem światła. W przypadku ogniw fotowoltaicznych fotony światła padające na panel są absorbowane przez materiały półprzewodników np.: krzem, platyna”. Skoro Omawiamy promieniowanie słoneczne, nie można pominąć pojęć takich jak natężenie promieniowania oraz nasłonecznienie. Najprościej można powiedzieć, że nasłonecznienie to natężenie promieniowania słonecznego w czasie. Mnożąc średnie natężenie promieniowania słonecznego oraz czas, w jakim ono występuje, otrzymujemy nasłonecznienie. Może definicja encyklopedyczna?

Co to jest natężenie promieniowania słonecznego?

Natężenie promieniowania słonecznego jest to chwilowa wartość gęstości mocy promieniowania słonecznego padającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnię jednego m2, prostopadłą do kierunku promieniowania. Wartość ta podawana jest zazwyczaj w [W/m2] lub [kW/m2]. Do granicy atmosfery ziemi dociera ze słońca w sposób ciągły strumień energii o mocy 1366 [W/m²] i jest to tak zwana stała słoneczna – chociaż, jak wiadomo, nie jest ona wielkością do końca stałą. Prawdą jest, że natężenie docierające do powierzchni ziemi ulega ciągłym zmianom. Jej zakres mieści się zazwyczaj w przedziale 100 – 800 [W/m²] w ciągu dnia. Najwyższe wartości notowane są w słoneczne bezchmurne dni i mogą osiągnąć 1000 [W/m²].

Czym jest nasłonecznienie?

Nasłonecznienie to suma natężenia promieniowania słonecznego w danym czasie i na danej powierzchni np. suma natężenia promieniowania słonecznego w czasie godziny, dnia, roku na powierzchni 1m^2. Nasłonecznienie jest wielkością opisującą zasoby energii słonecznej w danym miejscu i czasie”. Oczywiście podana wielkość na swoją jednostkę. Najczęściej wyrażane jest w Wh/m², kWh/m², MJ/m², GJ/m²na dzień, miesiąc lub rok.

Rodzaje modułów fotowoltaicznych

Promieniowanie słoneczne przechodząc przez atmosferę ziemską, jest częściowo absorbowane i odbijane (ok. 30% mocy docierającej do górnych warstw stratosfery), a następnie dociera do powierzchni Ziemi jako promieniowanie rozproszone (ok. 23% promieniowania całkowitego) oraz w postaci wiązki bezpośredniej (77%). W celu uzupełnienia wiedzy na temat fotowoltaiki należy posiąść wiedzę z zakresu podstaw elektrotechniki, półprzewodników, oraz podziału modułów. Najpopularniejszym półprzewodnikiem jest krzem (SI), z którego wykonane są ogniwa fotowoltaiczne w najpopularniejszej technologii c-Si, jest on pierwiastkiem pochodzącym z IV grupy układu okresowego pierwiastków. Domieszkowanie krzemu atomami z grupy V (np. fosfor) zwiększa przewodność półprzewodnika poprzez zwiększenie ilości elektronów, tworząc materiał typu „n”. Domieszkowanie atomami z grupy III układu okresowego (B-Bar) zwiększa ilość pustych miejsc dziur, tworząc strukturę o sumarycznym ładunku dodatnim – materiał typu „p”. Najbardziej popularnym podziałem modułów jest podział według rodzaju materiału półprzewodnikowego. Należą do nich: (Si, Ge, związki półprzewodnikowe CdTe, CdS.). Kolejny podział to według struktury półprzewodnika (monokrystaliczne, polikrystaliczne, amorficzne). Ostatni, chyba najmniej rozpoznawalny to podział według grubości ogniwa (cienkowarstwowe poniżej 20 um) i grubowarstwowe. Tak czy inaczej, poniższa tabela pokazuje najczęściej stosowany.

Zalety modułów fotowoltaicznych

Moduły monokrystaliczne są wyprodukowane z jednego dużego monokryształu krzemu. Chyba najważniejszą zaletą to fakt, że mają najwyższą sprawność wśród ogniw krzemowych. Są one koloru granatowo – czarnego. Moduły polikrystaliczne wytwarzane są w postaci wielu kryształów. Mają one kształt kwadratu lub prostokąta.

Ogniw z krystalicznego krzemu:

zalety:

krzem jest powszechnie obecnym na ziemi pierwiastkiem,
technologia produkcji krzemu jest bardzo dobrze znana,
bardzo ugruntowana wiedza na temat tego materiału,
moduły na bazie krzemu są bardziej sprawne od TF,
łatwość przejścia przemysłu z produkcji elektroniki na produkcję modułów,

wady:

skośna przerwa energetyczna, bardzo słaba absorpcja światła,
już teraz dochodzimy do maksymalnej granicy teoretycznej sprawności,
moduły krzemowe są droższe w produkcji,
powszechne wykorzystanie krzemu przez różne gałęzie przemysłu, nieuniknione jest, że utrzymuje cenę materiału na wysokim poziomie.

Ogniwa cienkowarstwowe

elementy pozytywne:

mniejsze zużycie materiałów, czyli ich oszczędność,
niższe koszty ich produkcji,
duża przepustowość – wydajność,
prostą przerwę energetyczną
elastyczność wielkich ogniw/modułów,
półprzezroczystość,

elementy negatywne:

niestabilność modułów (efekty metastabilne),
z pewnością problem z toksycznością składników,
niepoznana jeszcze do końca fizyką ich działania,
istotnie wysokie koszty nakładów produkcyjnych.

Ogniwa amorficzne

Charakteryzują się cienką, na około 2 mikronomy, warstwą bezpostaciowego krzemu. Jednocześnie osadzona jest ona na powierzchni innego materiału, np. na szkle. Ich cechami charakterystycznymi są relatywnie niskie koszty ich produkcji oraz niska sprawność, c.a. 8,5%. Finalnie do zalet i wad tych ogniw zalicza się:

zalety:

relatywnie niska ich cena,
możliwość ich zastosowania na dużych powierzchniach,
zdecydowanie lepsza ich absorpcja niż c-SI,
możliwość nakładania warstw w niskich temperaturach,
elastyczne podłoża,
stosunkowo małe straty materiałów,
cienkie warstwy,
lepsza absorpcja światła rozproszonego

wady:

dużo mniejsza sprawność,
mniejsza trwałość – około 10 lat (u najlepszych producentów).

Czym są Ogniwa CdTe?

Rolę materiału półprzewodnikowego pełni telurek kadmu. Dlatego przeciętna sprawność modułu jest niemal o 50% wyższa niż w wypadku ogniw amorficznych i wynosi około 12%. Do zalet i wad tych ogniw najczęściej zalicza się:

Plusy:

wykorzystuje się do produkcji zielonej energii odpady kadmu z kopalni cynku do produkcji zielonej energii
charakteryzują się one najniższy koszt produkcji,
możliwe jest monitorowanie zużycia modułów, które następnie poddawane są procesowi recyklingu,
związane są z nimi duże możliwości rozwoju.

Minusy:

Toksyczność składników,
krótsza ich żywotność niż innych ogniw,
brak elastycznych podłoży,
wysoki koszt inwestycji przeznaczonych na rozwój tych technologii.

Moduły CIGS/CIS.

Jeżeli chodzi o technologię CIGS/CIS to rolę materiału półprzewodnikowego pełni mieszanina miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) lub miedzi, indu i selenu (CIS). W konsekwencji sprawność najlepszych modułów osiąga poziom około 15%. Mimo wszystko takimi cechami, które odróżniają moduły fotowoltaiczne w technologii CIGS/CIS to fakt, że mają one kolor czarny bez widocznych ogniw.

Historia modułów fotowoltaicznych

1839 A.E. Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny,
1904 to rok, w którym A. Einstein opublikował dokument na temat efektu fotowoltaicznego,
1950 Laboratoria Bell wyprodukowały pierwsze ogniwo fotowoltaiczne do celów kosmicznych,
1970 fotowoltaika „wraca na ziemię” – w tym roku nastąpiło rozpoczęcie produkcji na masową skalę,
z kolei w roku 1999 odnotowano w statystykach międzynarodowych, że zainstalowana moc baterii słonecznych na całym świecie osiągnęła liczbę 1000 MW w 2013.

Co warto wiedzieć o modułach fotowoltaicznych?

Szczegółowe dane dotyczące sektora modułów fotowoltaicznych można znaleźć w raporcie Global Market Outlook, oraz http://www.solarpowereurope.org/

W rezultacie wnioski płynące z wyżej wymienionego raportu są następujące:

Do końca 2013 roku zainstalowano 31,1 GW instalacji fotowoltaicznych,
Fotowoltaika pozostaje po elektrowniach wodnych i wiatrowych trzecim najważniejszym źródłem energii elektrycznej odnawialnej,
Europa pozostaje rynkiem o przeważającym 55% udziale w światowym rynku fotowoltaicznym,
największy udział w rynku przypada na Niemcy: 7,6 GW, (Chiny – 5,6 GW; Włochy – 3,4 GW; USA – 3,3 GW), (dane na 2013r.)
Pesymistyczna prognoza przewiduje scenariusz, że do 2017 roku globalny rynek fotowoltaiczny może osiągnąć 48 GW, natomiast optymistyczny zakłada 84 GW.
Aktualnie ( 2019 r.) głównym graczem na światowym rynku fotowoltaicznym są Chiny. Jest wielce prawdopodobne, że tak pozostanie przez lata. Globalna ekspansja, oraz niskie koszty produkcyjne sprawiają, że są w stanie ceną zdziałać cuda.

Oferta modułów fotowoltaicznych

Jak się można domyślać w ofercie Alter Energia Sp. z o.o., znajduje się szereg modułów fotowoltaicznych. Wszystkie produkty posiadają niezbędne certyfikaty, a ich jakość została doceniona przez ekspertów z całego świata. Takie elementy jak warunki gwarancji, oraz wyniki Flash Test, za każdym razem są udostępniane Klientowi. Flash Test Report (FTR) to taki dokument, który pokazuje rzeczywiste parametry, jakie uzyskują moduły fotowoltaiczne w warunkach standardowych tj. w warunkach STC. To pojęcie to nic innego jak informacja, w jakich warunkach przebadano moduł.

Standardowe warunki STC ukazane zostały poniżej:

Natężenie promieniowania świetlnego: 1000 W/m²;
Temperatura: 25ºC;
Współczynnik masy powietrza AM (ang. Air Mass): 1,5;