Energia słoneczna

Obecnie najbardziej rozpowszechnionym sposobem eksploatacji energii słonecznej są instalacje fotowoltaiczne.

W przeciągu kilku lat rynek fotowoltaiki przeżył ogromny rozkwit. Mocno rozwija się rynek instalacji PV dla prosumentów indywidualnych i biznesowych. Już teraz jest on najbardziej rozwiniętym ze wszystkich sektorów OZE w Polsce. Na koniec 2020 roku, moc zainstalowana fotowoltaiki wzrosła o 259% i osiągnęła poziom 3,96 GWp Szacuje się, że w 2025 roku całkowita moc zainstalowana produkowana za pomocą tych urządzeń może osiągnąć nawet 7,8 GW ^[1]. Niedawno padł też w Polsce rekord produkcji energii elektrycznej z energii słonecznej.

Systemy te ze względu na relatywnie niskie koszty eksploatacji stały się praktycznie bezkonkurencyjne dla innych odnawialnych źródeł energii. Przekonują do siebie konsumentów swoją prostotą działania, estetycznym wyglądem, cichym działaniem i brakiem emisji zanieczyszczeń w czasie eksploatacji

Jak wykorzystujemy słońce?

Powszechnie wiadomo, że bez słońca nie ma egzystencji na naszej planecie. Bez energii elektrycznej nie wyobrażamy już sobie życia, konsumujemy jej coraz większe ilości, a co za tym idzie szukamy coraz bardziej efektywnych i ekologicznych sposobów jej wytwarzania. Najbardziej popularnym sposobem jest wykorzystywanie w tym celu słońca. Człowiek od zawsze wykorzystywał energię słoneczną, na początku do uprawy roślin, produkcji ciepła a dziś nawet do wytwarzania i magazynowania prądu.

Wyróżniamy trzy podstawowe mechanizmy przetwarzania promieniowania słonecznego na inne postacie energii:

• Konwersja fotobiochemiczna to energia wiązań chemicznych. Występuje w paliwach stałych takich jak węgle kopalne, ropie naftowej i biomasie.
• Konwersja fototermiczna to przetwarzanie energii słońca na ciepło. Wykorzystywana jest między innymi w kolektorach słonecznych, diodach cieplnych, stawach słonecznych i helioelektrowniach, które składają się z heliostatów, zwierciadeł podążających za pozornym ruchem słońca po nieboskłonie i bezpośrednio odbijających oraz przekierowujących promieniowanie słoneczne w ściśle określony odbiornik, którego zadaniem jest konwersja promieniowania słonecznego na ciepło.
• Konwersja fotowoltaiczna to przetwarzanie promieniowania słonecznego na energię elektryczną, obecnie najbardziej popularne i najmocniej rozwijane. Na tym zjawisku bazuje dziedzina nauki i techniki zajmująca się produkcją prądu ze słońca – fotowoltaika (ang. photovoltaic w skrócie PV).

Wykorzystując energię słoneczną można wytworzyć energię elektryczną kilkoma metodami

• Metoda heliotermiczna bazująca na konwersji fototermicznej, w której za pomocą zwierciadeł (heliostatów) lub rurowych kolektorów słonecznych, wytworzone przez promieniowanie słoneczne ciepło doprowadzone jest do turbiny. Podgrzewa ono znajdującą się w niej parę, tym samym napędzając generator produkujący prąd.

• Metoda helioelektryczna wykorzystuje zjawisko fotowoltaiczne, polegające na powstawaniu siły elektromotorycznej w półprzewodniku, czyli ogniwie fotowoltaicznym. Do tej metody zaliczamy instalacje i farmy PV.

Falownik-serce a panel-siła – z czego składa się instalacja PV?

Instalacja fotowoltaiczna to zespół urządzeń przetwarzających promieniowanie słoneczne na energię elektryczną, którą mamy w gniazdku. Jej najważniejsze elementy to:

• Panele fotowoltaiczne inaczej nazywane słonecznymi, przechwytują promienie słoneczne i  wytwarzają prąd stały.
• Falownik zwany też inwerterem. Służy do przekształcania prądu stałego w prąd zmienny o parametrach zbieżnych do prądu z sieci elektrycznej.
• Systemy zabezpieczeń po stronie DC przed inwerterem i po stronie AC, czyli po falowniku. Są to między innymi: wyłączniki nadprądowe i ograniczniki przepięć.
• Przewody łączące ze sobą wszystkie urządzenia: poszczególne panele ze sobą, zespół paneli z falownikiem oraz inwerter z tablicą rozdzielczą.
• Dobrej jakości konstrukcja na niej montowane są panele.

Jak instalacja produkuje prąd? Zjawisko fotowoltaiczne

Instalacja PV wykorzystując zjawisko fotowoltaiczne produkuje prąd elektryczny. Zachodzi ono pod wpływem promieniowania słonecznego w ogniwach fotowoltaicznych.

Połączone ogniwa tworzą moduł PV. Najważniejszymi częściami ogniwa słonecznego są warstwy o różnym typie przewodnictwa p i n, w których uwalniane są elektrony i wytwarzany jest prąd elektryczny.

Panel PV nie składa się z czystego krzemu, ponieważ nie zawiera on zbyt wiele elektronów walencyjnych, przez co charakteryzuje się małą przewodnością. Dlatego, stosuje się domieszkowanie, do kryształu krzemu wprowadzane są atomy innych pierwiastków. Dzięki temu uzyskujemy tak zwane półprzewodniki domieszkowane posiadające większą przewodność.

Półprzewodnik typu „n” domieszkuje się np. fosforem (P), przez co pojawia się dodatkowy elektron pozbawiony pary.

Półprzewodnik typu „p” uzyskuje się przez domieszkowanie borem (B), więc ma trzy elektrony walencyjne, czyli o jeden mniej niż atom krzemu. W ten sposób w krysztale pojawia się dziura.

Jak produkowany jest prąd w panelu solarnym?

Kiedy świeci słońce, dostarcza energię na panel i następuje wzbudzenie dodatkowego elektronu i oderwanie go od orbity walencyjnej atomu fosforu. Nadmiar elektronów z obszaru „n” przepływa przez złącze „p-n”, do obszaru „p” gdzie elektrony zapełnią dziury w  obszarze  „p, a w miejscu ucieczki elektronu z obszaru „n” pojawią się  nowe dziury. Zjawisko to nosi nazwę prądu dziurowego.

Jeśli do obszarów „n” i „p” doprowadzimy elektrody, to  na  elektrodzie obszaru „p” otrzymamy ładunek ujemny, a  na elektrodzie obszaru „n” – ładunek dodatni. Gdy zamkniemy obwód (np. podłączymy żarówkę), popłynie prąd elektryczny i żarówka będzie świecić.

Najczęściej ogniwa fotowoltaiczne produkuje się z krzemu w technologiach:

• Krzemu monokrystalicznego,
• Krzemu polikrystalicznego,
• Krzemu amorficznego.

Panele monokrystaliczne zdominowały rynek PV, mają największą wydajność z pośród innych dostępnych na rynku a ich cena maleje na przestrzeni lat, przez co są coraz bardziej wybierane.

Off-grid czy on-grid?

W zależności od preferencji konsumenta wyróżniamy następujące instalacje:

Off-grid

autonomiczna, niepołączona z siecią elektroenergetyczną instalacja wykorzystująca magazyny energii. Systemy te wykorzystywane są, gdy nie ma możliwości połączenia i z siecią elektroenergetyczną lub jest to zbyt drogie i czasochłonne np. domki letniskowe

Korzyści wynikające zastosowania instalacji off-grid:

• zapewnia całkowitą niezależność od przyszłych podwyżek cen energii,
• brak wpływu sieci elektroenergetycznej na instalacje, brak przerw w dostawie i produkcji energii,
• modułowa budowa, która w każdym momencie pozwala na dowolne rozbudowywanie instalacji,
• możliwość pozyskania energii elektrycznej w najbardziej niedostępnych miejscach,
• możliwość magazynowania energii elektrycznej.

Wady instalacji off-grid:

• dużo droższa od instalacji podłączonej z siecią głównie przez koszt magazynu energii,
• dodatkowe nakłady inwestycyjne co około 5 lat– akumulatory powinny być wymieniane cyklicznie w zależności od ich poprawności użytkowania,
• zmienne koszty magazynów energii, cena może urosnąć na przestrzeni lat,
• by zapewnić dobrą prace instalacji należy monitorować żywotność i efektywność magazynów energii,
• urządzenia do przechowywania energii należy montować w miejscach z odpowiednimi dla nich warunkami pracy i separować od pomieszczeń mieszkalnych.

On-grid

Współpracująca z siecią elektroenergetyczną, musi posiadać falownik zmieniający prąd produkowany przez panele ( stały-DC) na zmienny AC wykorzystywany w gospodarstwach domowych. Dzięki systemowi opustów to najpopularniejsza forma instalacji wśród konsumentów indywidualnych i biznesowych.

Polega on na tym, że nadwyżka energii trafiła do sieci, gdzie jest magazynowana i w zależności od mocy naszej instalacji możemy odebrać jej 80% lub 70% od zakładu energetycznego w ciągu roku. Oznacza to, że od wyprodukowanej przez instalacje nadwyżki energii pobierana jest prowizja dostosowana do mocy instalacji.

• Dla instalacji do 10 kWp zakład energetyczny pobiera 20%.
• Dla instalacji o mocy większej niż 10 kWp i mniejszej niż 50 kWp jest to 30%.

Najbardziej opłacalne będzie, więc wykorzystywanie jak największej ilości energii w czasie rzeczywistym. Można to zrobić za pomocą odpowiedniego ustawienia elektrycznego ogrzewania wody czy domu, klimatyzacji, ładowania samochodu, hulajnogi elektrycznej czy robienia prania.

Zalety instalacji współpracujących z siecią:

• ustawa o odnawialnych źródłach energii precyzuje sposób rozliczania się prosumenta z zakładem energetycznym dla instalacji on-grid,
• może być wykonana teoretycznie w każdym miejscu, w którym istnieje opcja połączenia z siecią elektroenergetyczną,
• dywersyfikacja źródeł energii oraz zmniejszenie zależności od dostaw energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej,
• zwiększenie wartości nieruchomości na terenie, której znajduje się instalacja.

Wady instalacji on-grid:

• w przypadku pojawienia się awarii w sieci dystrybucyjnej i braku napięcia zostanie rozłączony generator energii odnawialnej, więc obiekt pomimo posiadania własnej instalacji produkującej prąd pozostanie bez zasilania,
• duża zmienność i niepewność stałego występowania paliwa odnawialnego( zmiany pogody) i uzależnione zasilanie od sieci dystrybucyjnej,
• możliwość wprowadzenia ograniczeń przez generator mocy generowanej do sieci dystrybucyjnej,
• w przyszłości może wystąpić możliwość naliczania przez operatora dodatkowych opłat z tytułu przesyłu energii generowanej w instalacji OZE przez sieć dystrybucją.

Hybrydowe

Na przykład połączenie paneli fotowoltaicznych z turbiną wiatrową.

Stanowią praktyczne rozwiązanie w przypadku konieczności dostarczania małych ilości energii dla domków letniskowych czy urządzeń wolnostojących takich jak sygnalizacja świetlna. W wymienionych wyżej przypadkach popularne jest stosowanie hybrydowych instalacji wytwarzania energii przy pomocy małej turbiny wiatrowej i panelu PV oraz stosowanie magazynów energii.

Obecnie nadal obserwowany i prognozowany jest wzrost rynku PV szczególnie w sektorze prosumentów oraz deweloperów farm. Ceny instalacji znacznie spadają, stosowane są coraz nowsze i bardziej efektywniejsze technologie. Coraz większa konsumpcja prądu sprawia, że właściciele gospodarstw domowych szukają nowych rozwiązań.