Artykuł Dodaj artykuł

Ogniwa fotowoltaiczne – budowa, rodzaje i koszty

Ogniwa fotowoltaiczne są fundamentalnym elementem instalacji PV. Dzięki nim możliwe jest przetwarzanie energii słonecznej, która jest uważana za jedną z najbardziej obiecujących gałęzi OZE (Odnawialnych Źródeł Energii). Jak właściwie funkcjonują ogniwa, jakie rodzaje ich wyróżniamy oraz czy instalacja fotowoltaiczna jest opłacalna?

Ogniwa fotowoltaiczne – budowa, rodzaje i koszty

Ogniwa fotowoltaiczne są fundamentalnym elementem instalacji PV. Dzięki nim możliwe jest przetwarzanie energii słonecznej, która jest uważana za jedną z najbardziej obiecujących gałęzi OZE (Odnawialnych Źródeł Energii). Jak właściwie funkcjonują ogniwa, jakie rodzaje ich wyróżniamy oraz czy instalacja fotowoltaiczna jest opłacalna? 

Ogniwa fotowoltaiczne są ściśle związane z konwersją energii, która jest efektem promieniowania słonecznego. Promienie te docierają do powierzchni Ziemi, z czego 20% jest pochłaniane przez atmosferę, 40% jest przez nią odbijane, a kolejne 40% dociera do planety, dzięki czemu mogą być one wykorzystywane w procesie produkcji energii elektrycznej.

Struktura i funkcjonowanie ogniw słonecznych

Struktura i funkcjonowanie ogniw słonecznych

Ogniwa fotowoltaiczne, często nazywane słonecznymi, znajdują się we wszystkich urządzeniach, w których występuje proces konwertowania energii pochodzącej z promieni słonecznych na energię elektryczną. Cykl ten nazywany jest zjawiskiem fotowoltaicznym i nosi on pewne podobieństwa do fotosyntezy, gdzie energia słoneczna jest przekształcana w roślinach na energię chemiczną. Panele fotowoltaiczne pracują w pochmurne dni oraz przy częściowym zachmurzeniu - wówczas czerpią energię z promieniowania rozproszonego. Mimo to, iż ich efektywność nie jest wtedy, aż tak wysoka jak w pogodne i słoneczne dni to nadal wytwarzają prąd.

Światło, które w kolejnych etapach pozwoli na zasilenie energią elektryczną domu na samym początku procesu fotowoltaicznego musi paść na przedmiot przez powłokę optyczną, czy też antyrefleksyjną. Są to warstwy, które minimalizują utratę świata i skutecznie przechwytują promienie do pozostałych części ogniwa fotowoltaicznego. Zazwyczaj omawiana przeciwodblaskowa powłoka, zbudowana jest z tlenku krzemu, tantalu lub tytanu, które tworzy się za pomocą powlekania obrotowego (spin-coater) lub techniki osadzania próżniowego.

Najprostsze ogniwa fotowoltaiczne składają się z dwóch warstw, tzw. półprzewodników (złącze p-n), gdzie jeden jest naładowany dodatnio, a drugi ujemnie. Wchłanianie promieni słonecznych przez półprzewodniki oddziałuje na elektrony znajdujące się na paśmie walencyjnym, które przemieszczają się do pasma przewodnictwa albo zwiększają energię wewnętrzną materiału. Tam, gdzie pozostał ubytek po elektronie, powstaje dziura, która także może być nośnikiem prądu. W miejscu gdzie łączą się półprzewodniki typu p-n wykształca się warstwa zaporowa. Na styku półprzewodników charakteryzujących się odmiennymi rodzajami przewodnictwa występuje różnica potencjałów i ściśle związane z nią pole elektryczne. Powstające przez efekt promieniowania słonecznego dziury oraz elektrony ulegają rozdzieleniu przez pole elektryczne, dzięki czemu mogą znaleźć się w zewnętrznym obwodzie prądu elektrycznego.

Schemat typowego ogniwa PV, który został zbudowany z krzemu krystalicznego przedstawia poniższy rysunek.

Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Na grafice zostały wyróżnione najważniejsze elementy wchodzące w skład budowy ogniwa fotowoltaicznego, tj.:

  • półprzewodnik krzemowy typu “p”,
  • półprzewodnik krzemowy typu “n”,
  • elektroda dodatnia,
  • elektroda ujemna,
  • powierzchnia odblaskowa,
  • pole elektryczne.

W celu uzyskania większych napięć, ogniwa fotowoltaiczne są łączone w moduły, a te natomiast w panele o określonej mocy i wymiarach.

Zanim urządzenia domowe zostaną zasilone prądem zmiennym, energia z fotowoltaiki w postaci prądu stałego musi przejść przez urządzenie zwane inwerterem solarnym. W urządzeniu tym następuje zmiana wartości natężenia i napięcia w sposób odpowiadający wymaganiom zasilanego odbiornika.

Ogniwa fotowoltaiczne w panelach słonecznych

Ogniwa fotowoltaiczne w panelach fotowoltaicznych

Rozmiary ogniw są niewielkie, zazwyczaj posiadają od kilku do kilkunastu milimetrów kwadratowych i są chronione przed szkodliwymi warunkami atmosferycznymi poprzez nałożenie na nie cienkiej szklanej lub plastikowej warstwy. Standardowe ogniwo fotowoltaiczne zbudowane z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie wynoszące ok. 0,5 W. W celu zwiększenia napięcia, ogniwa łączy się szeregowo i równolegle, przez co powstaje panel fotowoltaiczny (PV). W skład powstałej instalacji wchodzi zazwyczaj 60 ogniw fotowoltaicznych. Jeden lub więcej modułów w zbudowanym systemie fotowoltaicznym może zostać okablowany i oprawiony za pomocą aluminiowej ramy, aby utworzyć panel słoneczny. Dolne powierzchnie paneli są wyposażone w specjalne gniazdka, za pomocą których można łączyć poszczególne elementy tworząc całe systemy fotowoltaiczne, dostosowane do różnych obciążeń elektrycznych i potrzeb użytkownika.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

Wyróżnia się trzy generacje ogniw słonecznych. Tego podziału dokonuje się, ze względu na materiał z jakiego zostało zbudowane ogniwo, jak i biorąc pod uwagę technologię produkcji, która została użyta do jego konstrukcji.

Więcej informacji na temat fotowoltaiki znajduje się tutaj.

Ogniwa fotowoltaiczne pierwszej generacji

To ogniwa fotowoltaiczne, które są zbudowane z tzw. krzemu krystalicznego. Około 90% światowej produkcji ogniw słonecznych jest wytwarzana właśnie z tego materiału. Ten rodzaj ogniw dzieli się na mono i polikrystaliczne. Przy czym sprawność ogniw monokrystalicznych jest wyższa niż polikrystalicznych, i może ona wynosić 15-18%.

Za zalety ogniw krzemowych uważa się przede wszystkim dostępność materiału, jak i ich wysoką wydajność, sięgającą niekiedy ponad 18%. Krzem jest drugim, zaraz po tlenie pierwiastkiem występującym na Ziemi i najczęściej można go spotkać w piasku. Wysoka wydajność ogniw krzemowych jest efektem m.in. odpowiedniej przerwy energetycznej w ich budowie atomowej. Fotony, które wyróżniają się małą energią, bo ok. 1.1 eV są w stanie wywołać zjawisko fotowoltaiczne.

Do wad ogniw z krzemu krystalicznego zalicza się ich niski współczynnik absorpcji i z tego powodu warstwa krzemu musi być zdecydowanie grubsza, niż materiałów stosowanych przy innych rodzajach ogniw. Co więcej, aby uzyskać krzem charakteryzujący się dużą czystością potrzeba sporych nakładów finansowych.

Druga generacja

Ten rodzaj ogniw fotowoltaicznych jest wytwarzany najczęściej z krzemu amorficznego, tellurku kadmu, związków podwójnych lub potrójnych miedzi, indu, galu i selenu. Nazywane są one cienkowarstwowymi ogniwami fotowoltaicznymi i w porównaniu do tych z krzemu krystalicznego posiadają nieuporządkowaną strukturę. Konstrukcja krzemu amorficznego wyznacza się wieloma defektami, co przekłada się na niższą sprawność, niż w przypadku krzemu krystalicznego. Wiele ładunków przez specyficzną strukturę budulca, z którego są zbudowane nie jest niewykorzystywanych w zjawisku fotowoltaicznym podczas konwersji energii. Zaletą ogniw cienkowarstwowych jest ich niewielka waga oraz możliwość zamontowania na powierzchniach podatnych na wyginanie. Są one chętnie wykorzystywane w miejscach, w których zastosowanie cięższych ogniw z krzemu krystalicznego jest niemożliwe. Ponadto do wyboru ogniw cienkowarstwowych zachęca atrakcyjna cena, która jest niższa, niż w przypadku ogniw fotowoltaicznych pierwszej generacji.

Trzecia generacja

Ogniwa tandemowe i organiczne są zaliczane do ogniw fotowoltaicznych trzeciej generacji. Do ich budowy wykorzystywane są polimery. To co, w szczególności wyróżnia omawiane ogniwa to niska cena, będąca wynikiem zastosowania niedrogich materiałów do ich budowy. Ponadto ogniwa te są lekkie i elastyczne. Minusem ogniw słonecznych trzeciej generacji jest ich sprawność, która osiąga zaledwie 12%. Ogniwa trzeciej generacji posiadają wiele zalet, jednak nie są zbyt rozpowszechnione w użytku codziennym.

Ceny systemów fotowoltaicznych

Ceny systemów fotowoltaicznych

Ceny paneli fotowoltaicznych, są uzależnione od kilku składowych, jak zastosowana technologia, użyte surowce czy marka paneli słonecznych. Specjaliści zalecają, aby podczas zakupu systemu fotowoltaicznego kierować się przede wszystkim jakością paneli. Dlatego też warto sprawdzić przed zakupem czy producent wybranych paneli może pochwalić się odpowiednimi certyfikatami, oraz dobrze jest dowiedzieć się czy dana firma gwarantuje serwis w miejscu gdzie ma powstać instalacja fotowoltaiczna.

Analiza cen na rynku systemów fotowoltaicznych pozwala na sformułowanie stwierdzenia, iż są one dość drogie, pomimo faktu, że koszty związane z ich instalacją  z roku na rok są coraz niższe. Ten mało pozytywny aspekt fotowoltaiki, jest jednak rekompensowany przez długą żywotność paneli fotowoltaicznych oraz to, iż odpowiednio dobrany system może przyczynić się do znacznych oszczędności z zakresu wydatków na prąd.

Obecnie najchętniej kupowane moduły fotowoltaiczne to te wspomniane powyżej – z krzemu krystalicznego, a dokładniej panele polikrystaliczne, wyznaczające się sprawnością ok. 14%.

Wybór rodzaju ogniw nie jest wystarczający. To, jaki zysk pod względem energii zostanie osiągnięty zależy od elementów takich jak kąt nachylenia miejsca instalacji, zacienienie, dobór inwertera oraz prawidłowo wykonany projekt.

Dofinansowania na systemy fotowoltaiczne

19 września br. został uruchomiony program Czyste Powietrze,  w ramach, którego zainteresowani montażem instalacji fotowoltaicznych i nie tylko, mogą skorzystać z dofinansowania. Inwestorzy, mogą ubiegać się o zwrot części poniesionych kosztów, jednak maksymalna kwota, od której liczona jest dotacja wynosi 53 tysiące złotych.

Program Czyste Powietrze obejmuje m.in  wymianę okien i drzwi, zakup i montaż instalacji OZE, modernizację lub montaż instalacji centralnego ogrzewania, czy też montaż wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (tzw. rekuperacja).

Minimalna kwota kosztów kwalifikowanych wynosi 7 tysięcy złotych. Podpisywanie umów w ramach programu Czyste Powietrze trwa do dnia 31 grudnia 2027 roku.

Podsumowanie

Ogniwa fotowoltaiczne stają się coraz bardziej popularne zarówno w Polsce, jak i na całym świecie. Zaletą zjawiska fotowoltaicznego jest brak produkcji zanieczyszczeń, dzięki wykorzystaniu wewnętrznego efektu fotowoltaicznego. Ponadto ogniwa słoneczne w większości przypadków są produkowane z materiałów, które w dużych ilościach występują na Ziemi i są łatwo dostępne. Jak podaje SBF (Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej) w dokumencie - „Rozwój polskiego rynku fotowoltaicznego” w 2016 roku łączna moc skumulowana w polskich instalacjach fotowoltaicznych wyniosła niemal 163 MWp, gdzie w 2017 roku, według danych Polskiego Towarzystwa Fotowoltaiki (PTPV) w Polsce funkcjonowało ok. 29.2 tys. systemów fotowoltaicznych o łącznej mocy 281.4 MWp.

Inwestor przed wyborem instalacji fotowoltaicznej, powinien dokładnie przeanalizować swoje zapotrzebowanie na energię oraz możliwości finansowe, gdyż ceny systemów fotowoltaicznych w zależności od zastosowanych rodzajów ogniw znacznie się różnią. Mimo to ogniwa, moduły, panele a w rezultacie systemy fotowoltaiczne stanowią dobre i optymalne rozwiązanie dla tych inwestorów, którym zależy na uzyskaniu prądu pod postacią czystej energii.