Energetyka słoneczna
Energetyka słoneczna (ang. solar energy) jest sektorem energetyki zajmującym się pozyskiwaniem energii promieniowania słonecznego i przetwarzaniem jej w celu uzyskania ciepła (konwersja fototermiczna), energii elektrycznej (konwersja fotowoltaiczna) lub związków organicznych (konwersja fotochemiczna).
Do korzystania z energii promieniowania słonecznego na potrzeb uzyskiwania energii elektrycznej służy fotowoltaika. Energia cieplna z promieniowania słonecznego jest wytwarzana w instalacjach z wykorzystaniem kolektorów słonecznych.
Poniżej przedstawiamy podstawy tych dwóch sektorów energetyki słonecznej.
Fotowoltaika
FOTOWOLTAIKA (ang. Photovoltaic, PV)- dziedzina nauki zajmująca się procesem konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną wykorzystując przy tym zjawisko efektu fotowoltaicznego.
W skład instalacji fotowoltaicznej wchodzą przede wszystkim moduły fotowoltaiczne oraz falownik zmieniający wytwarzany prąd stały na prąd przemienny o odpowiednich parametrach (bądź mikrofalownik, jeśli jeden falownik obsługuje jeden moduł). Nie należy również zapominać o niezbędnych zabezpieczeniach, dedykowanym okablowaniu oraz o systemie monitorującym. W zależności od preferencji inwestora możliwe jest dodatkowe wyposażenie systemu w postaci sensorów do pomiaru natężenie promieniowania i innych warunków atmosferycznych, moduł wi-fi przekazujący zarejestrowane dane dotyczące pracy instalacji do platformy on-line. Instalacja fotowoltaiczna może współpracować z siecią i synchronizować się z nią lub pracować niezależnie; w tym wypadku instalacja wyposażona jest również w akumulatory. O charakterze konstrukcji montażowej decyduje rodzaj pokrycia dachowego: w zależności od potrzeb oraz dostępnej powierzchni montażowej istnieje możliwość wykonania instalacji dachowej lub naziemnej.
Efekt fotowoltaiczny (ang. Photovoltaic effect)- proces polegający na wytworzeniu się siły elektromotorycznej w ogniwach fotowoltaicznych pod wpływem padających promieni słonecznych. Na skutek dostarczonej energii elektrony walencyjne znajdujące się w wiązaniach atomowych uwalniają się i zaczynają swobodnie poruszać się w materiale półprzewodnika. Miejsce pozostałe po elektronie walencyjnych nazywane dziurą może zająć elektron sąsiadujący, powodując tym samym ruch w materiale zwany przewodzeniem prądu.
Należy rozróżnić pojęcie modułu fotowoltaicznego od ogniwa fotowoltaicznego. Moduł fotowoltaiczny to zespół wielu połączonych ze sobą szeregowo ogniw fotowoltaicznych umieszczonych w obudowie, odpowiednio zabezpieczonych przed wpływem czynników atmosferycznych.
Rodzaje systemów fotowoltaicznych
Rysunek 1 Zasada działania systemu on-grid oraz off-grid (Źródło: Szymański Bogdan, Instalacje fotowoltaiczne, Wydanie V,Geosystem Burek, Kotyza S.C., Kraków 2016)
Instalacje synchronizujące się z siecią nazywane są instalacjami on-grid. Po zmianie charakteru prądu z prądu stałego na prąd przemienny przez falownik wyprodukowana energia może być przekazana na pokrycie aktualnego zapotrzebowania energetycznego gospodarstwa domowego a następnie niewykorzystana nadwyżka zostanie przekazana do sieci elektroenergetycznej, bądź też energia może być skierowana od razu do sieci; rozwiązanie to jest jednak nieopłacalne z racji niskich stawek zakupu energii elektrycznej oferowanych przez Operatorów Sieci Dystrybucyjnych. Instalacja off-grid, zwana instalacją wyspową, wyposażona jest dodatkowo w akumulatory będące miejscem gromadzenia się energii niewykorzystanej w gospodarstwie domowym i jest niezależna od sieci elektroenergetycznej. Rozwiązanie to stosowane jest w miejscach znajdujących się poza zasięgiem sieci elektroenergetycznej.
Budowa i rodzaje modułów fotowoltaicznych
Moduły fotowoltaiczne: Integralne, hermetycznie zamknięte urządzenie, składające się z ogniw fotowoltaicznych, zdolne do wytwarzania prądu stałego pod wpływem promieniowania świetlnego. Moduły fotowoltaiczne zbudowane są w ogniw.
Ogniwa fotowoltaiczne w zależności od materiału półprzewodnikowego, z którego są zbudowane dzielą się na ogniwa I, II oraz III generacji. Ogniwa I generacji są ogniwami zbudowanymi z krzemu krystalicznego. W zależności od materiału wyróżniamy ogniwa monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz quasi monokrystaliczne.Ogniwo monokrystaliczne- ogniwo zbudowane z jednego monokryształu krzemu, którego przełom ma kształt owalny- ogniwo jest zatem zaokrąglone na rogach. Spotykane kolory to barwy od ciemnoniebieskiej do czarnej. Moduły zbudowane z tych ogniw odznaczają się najwyższą sprawnością oraz najniższym wskaźnikiem spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury. Średnia sprawność modułów to 15-18%.
Ogniwo polikrystaliczne- ogniwo o barwie jasnoniebieskiej zbudowane jest z krzemu polikrystalicznego, czyli wykrystalizowanego w wielu kryształach; ze względu na technologię produkcji ogniwa mają kanciaste rogi. Moduły odznaczają się nieco niższą sprawnością, niż moduły krystaliczne, a także większym wskaźnikiem spadku mocy. Średnia sprawność modułów to 15-17%. Cena jest niższa od modułów monokrystalicznych nawet o kilkanaście procent.
Ogniwa quasi-monokrystaliczne- moduły łączą w sobie zalety modułów mono- i polikrystalicznych. Centralna część zbudowana jest z ogniw monokrystalicznych, dzięki czemu moduł osiąga wysoką sprawność osiągającą nawet 17%, natomiast obramowania stanowią ogniwa polikrystaliczne, przyczyniające się do spadku ceny oraz obniżenia wskaźnika spadku mocy.
Rysunek 4 Budowa ogniwa fotowoltaicznego I generacji (Źródło: Szymański Bogdan, Instalacje fotowoltaiczne, Wydanie V, Geosystem Burek, Kotyza S.C., Kraków 2016)
Ogniwa II generacji stanowią ogniwa nowszej technologii będące ogniwami cienkowarstwowymi. W tym wypadku wyróżnić można ogniwa krzemowe amorficzne, CIGS (CIS) oraz CdTe.
Ogniwa krzemowe amorficzne- amorficzne, czyli krzem występuje tu w formie bezpostaciowej, co przyczynia się do bardzo niskich osiąganych sprawności oscylująca wokół 6-10% a w efekcie niskiej ceny. Patrząc na moduły zbudowane z tego rodzaju ogniw mają one zbitą formę i nie jest możliwe podzielenie modułu na poszczególne ogniwa. Zaletą jest osiąganie niskiego wskaźnika spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury.
Ogniwa CIGS (CIS)- ogniwa zbudowane z materiałów półprzewodnikowych będących mieszaniną miedzi, indu, gal oraz selenu lub, w przypadku ogniw CIS: z miedzi, indu oraz selenu. W modułach o barwie czarnej nie można wyróżnić poszczególnych ogniw. Świetnie nadają się do pracy w sezonie zimowym ze względu na dobre zagospodarowanie promieniowania niskoenergetycznego. Sprawność oscyluje wokół 13%.
Ogniwa CdTe- ogniwa zbudowane z materiału półprzewodnikowego w postaci tellurku kadmu. W modułach również nie można rozgraniczyć ogniw w kolorze czarnym. Odróżniając się od modułów zbudowanych z ogniw CIGS (CIS), moduły lepiej nadają się do pracy w półroczu letnim, ze względu na bardzo mały wskaźnik spadku mocy wraz ze wzrostem temperatury. Sprawność zazwyczaj występuje w przedziale 10-14%
Rysunek 2 Budowa modułu fotowoltaicznego I generacji (Źródło: Szymański Bogdan, Instalacje fotowoltaiczne, Wydanie V, Geosystem Burek, Kotyza S.C., Kraków 2016)
Rysunek 3 Budowa modułu fotowoltaicznego modułu II generacji (Źródło: Szymański Bogdan, Instalacje fotowoltaiczne, Wydanie V, Geosystem Burek, Kotyza S.C., Kraków 2016)
Rysunek 5 Wykorzystanie ogniw III generacji w wyposażeniu wojskowym (Żródło: Redakcja GLOBEnergia)
Ogniwa III generacji to ogniwa pozbawione złącza P-N stosowanego w ogniwach I i II generacji. Należą do nich ogniwa DSSC oraz ogniwa organiczne; pomimo niskich nakładów potrzebnych do ich wytworzenia oraz nieskomplikowanej produkcji, ogniwa te nie są powszechnie stosowane z uwagi na bardzo małą sprawność oraz krótką żywotność.
Falowniki
Falownik– zwany również inwerterem, element instalacji zamieniający prąd stały wytworzony w modułach fotowoltaicznych na prąd przemienny o odpowiednich parametrach. W zależności od systemu, w jakim pracuje, jest on lub nie jest przystosowany do synchronizacji z siecią: występują falowniki sieciowe oraz falowniki wyspowe. Ty inwertera dobiera się także na podstawie liczby modułów, które mają być do niego podłączone.
- W przypadku, gdy falownik obsługuje tylko jeden moduł fotowoltaiczny, nazywany jest mikrofalownikiem,
- Falownik obsługujący wiele modułów połączonych w łańcuchy jest falownikiem stringowym,
- Obsługiwaniem modułów fotowoltaicznych o łącznych mocach sięgających setek watów zajmuje się falownik centralny.
Kolektory słoneczne
KOLEKTORY SŁONECZNE są urządzeniami przetwarzającymi energię promieniowania słonecznego na ciepło używane do podgrzewu ciepłej wody użytkowej czy wody basenowej. W zależności od zastosowanej technologii wyróżniamy kolektory płaskie oraz próżniowe.
Kolektory płaskie są najczęściej wybieranym typem kolektorów, wśród których wyróżnia się kolektory cieczowe, gazowe lub dwufazowe. Zbudowane są z miedzianej bądź aluminiowej warstwy pokrytej ciemną powłoką selektywną pełniącą funkcję absorbera, czyli warstwy pochłaniającej energię promieniowania słonecznego. Jakość warstwy absorbującej jest głównym czynnikiem determinującym sprawność kolektora płaskiego.
Rysunek 6 Instalacja dachowa kolektorów płaskich (Źródło: Redakcja GLOBEnergia)
Do spodniej warstwy absorbera przylutowane są miedziane lub aluminiowe rurki, przez które przepływa czynnik solarny najczęściej w postaci glikolu odbierający i transportujący ciepło do zbiornika wodnego, w którym woda pobiera ciepło za pośrednictwem wężownicy.
W celu ograniczenia strat ciepła oraz wpływu czynników atmosferycznych kolektor jest szczelnie zaizolowany wełną mineralną oraz zabezpieczony hartowaną szybą.
Kolektory próżniowe, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystują zjawisko próżni działającej na zasadzie najlepszego możliwego izolatora. Najpopularniejszym modelem kolektora próżniowego jest kolektor próżniowo- rurowy (ang. Heat pipe). Na jego budowę składają się ułożone równolegle rury będące koncentrycznym złożeniem miedzianej rurki wypełnionej płynem roboczym oraz otaczającej ją szklanej rurki warunkującej stworzenie próżni. Rurka miedziana przymocowana do absorbera zakończona jest w górnej części zbiorniczkiem umieszczonym w wymienniku ciepła, dzięki czemu możliwa jest wymiana ciepła między płynem roboczym a krążącym w instalacji glikolem. Taka technologia pozwala na efektywniejsze wykorzystanie pozyskanego z promieniowania słonecznego ciepła poprzez ograniczenie strat i umożliwia szersze jej wykorzystanie ze względu na mniejszą zależność absorpcji od temperatury zewnętrznej. Dzięki temu kolektory próżniowo- rurowe osiągają wyższe sprawności niż w przypadku kolektorów płaskich. Niekorzystnymi cechami technologii jest wyższa cena oraz niższa odporność na czynniki opadowe w postaci śniegu czy gradu.
Uzyskiwanie energii chemicznej za pomocą energii promieniowania słonecznego nosi nazwę konwersji fotochemicznej. Nie jest ona wykorzystywana na skalę przemysłową w chwili obecnej, lecz w przyrodzie występuje w organizmach żywych i nosi miano fotosyntezy.
Źródło: globenergia.pl, kolektory.com, instsani.pl