Aktywne metody pozyskiwania energii słonecznej cz.II

Ogniwa fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne (ogniwa PV ) są to urządzenia, w których następuje bezpośrednia konwersja energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Efekt, w którym energia promieniowania elektromagnetycznego konwertowana jest bezpośrednio w energię elektryczną prądu stałego nazywa się efektem fotowoltaicznym. Konwersja odbywa się bezgłośnie, bez dodatkowych urządzeń mechanicznych oraz bez zanieczyszczenia atmosfery. Otrzymany w ten sposób prąd stały za pośrednictwem konwertorów może być przekształcony w prąd przemienny o żądanym napięciu i częstości. Ogniwa PV są idealnymi przetwornikami energii słonecznej, które w przyszłości mogą zdominować energetykę słoneczną.

Ogniwa fotowoltaiczne można podzieli na krzemowe oraz półprzewodnikowe. Najbardziej rozpowszechnione są ogniwa zbudowane z krzemu. Podstawowym parametrem charakteryzującym ogniwo jest jego sprawność czyli stosunek uzyskanej energii elektrycznej do energii promieniowania słonecznego padającego na ogniwo. Ogniwa z krzemu monokrystalicznego mają sprawność około 17%, a z krzemu polikrystalicznego około 14%. Największą sprawność, dochodzącą do 35%, osiągają ogniwa zbudowane z arsenku galu. Są jednak bardzo drogie i stosuje się je przede wszystkim w przemyśle kosmicznym.

Nominalna moc wyjściowa modułu ogniw – Wp (peak Watt), jest to moc uzyskana z danego modułu w warunkach standardowych (tempe. 25, natężenie promieniowania słonecznego 1000 W/). Zgodnie z teorią kwantową promieniowanie słoneczne niesie energię rozłożoną dyskretnie w postaci fotonów. Energia fotonu zależna jest od częstotliwości promieniowania. Największą energię niosą fotony o małej długości fali. Fotony docierające do struktury atomowej materii mogą wybić elektrony z orbit walencyjnych. W fotoogniwach wykorzystywany jest wewnętrzny efekt fotowoltaiczny. Polega on na wybiciu elektronów z orbit, dzięki czemu tworzą one nadmiarowy ładunek nośników prądu elektrycznego, wewnątrz ciała stałego o budowie krystalicznej.

Najpopularniejsze obecnie ogniwa fotowoltaiczne budowane są z krzemu monokrystalicznego. Pojedynczy atom krzemu ma orbitę walencyjną, po której krążą cztery elektrony. Do dopełnienia powłoki walencyjnej atom potrzebuje 4 elektronów. Możliwe jest to przy budowie przestrzennej sieci krystalicznej. Każdy atom otoczony jest ośmioma elektronami walencyjnymi. Przy braku swobodnych elektronów kryształ jest izolatorem elektrycznym. Jeżeli elektron walencyjny otrzyma energię dostateczną do wybicia go z sieci i przejścia na wyższy poziom energetyczny, staje się mobilny wewnątrz kryształu i kryształ zaczyna przewodzić prąd. W miejscu wybicia elektronu z powłoki walencyjnej powstaje dziura o ładunku dodatnim. Liczba dziur odpowiada liczbie elektronów swobodnych.

W przypadku braku działania bodźca następuje rekombinacja dziury, elektron i atom wracają do stanu niewzbudzonego. Domieszkując kryształ słabo atomami innych pierwiastków można utrudnić rekombinację. Przy domieszkach typu „p” ( positive ) liczba dziur przewyższa liczbę elektronów. Tego typu domieszki to bor, glin, gal, tal.

Atom akceptora ma trzy elektrony walencyjne, o jeden mniej niż krzem. Dzięki temu tworzy w sieci krystalicznej dziurę dodatnią. Może akceptować jeden elektron z sieci bez dostarczania dodatkowej energii z zewnątrz. Stosując antymon, fosfor, arsen lub bizmut, na orbicie zewnętrznej mamy łącznie dziewięć elektronów. Jeden z nich jest swobodny dzięki teku powstaje przewodnictwo typu „n” (negative ). W półprzewodnikach typu „n” liczba elektronów swobodnych znacznie przewyższa liczbę dziur, zaś w półprzewodnikach typu „p” jest odwrotnie. Ładunki większościowe tworzą dziury, zaś mniejszościowe – elektrony. Złączenie warstwy „n” z warstwą „p” daje w efekcie diodę półprzewodnikową. Polaryzacja odsuwa nośniki prądu od granicy warstw uniemożliwiając przepływ prądu w tym kierunku, podczas gdy przy polaryzacji przeciwnej ładunki przemieszczają się do granicy rozdziału, gdzie następuje ich rekombinacja i w efekcie przepływ prądu.

Rozróżnia się trzy podstawowe systemy fotowoltaiczne:

  • systemy wolnostojące,
  • systemy hybrydowe,
  • systemy dołączone do sieci.

Systemy wolnostojące korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach PV. Taki system składa się z panelu fotowoltaicznego, akumulatora oraz urządzenia kontrolującego stopień naładowania akumulatora i odłączającego panel, gdy akumulator jest w pełni naładowany. Akumulatory powinny charakteryzować się dużą pojemnością, aby zapewnić dostarczenie energii w nocy oraz w okresach złej pogody.

Systemy hybrydowe są kombinacją panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzania energii. Systemy hybrydowe posiadają bardziej skomplikowany układ kontrolny niż wolnostojący, by zapewnić efektywne wykorzystanie różnych sposobów wytwarzania energii.

Systemy dołączone do sieci mogą mieć postać elektrowni, z dużą ilością paneli fotowoltaicznych, oddających energię do sieci energetycznej. Możliwości montażu systemów fotowoltaicznych na budynku zostały przedstawione na rysunku 1.1:

Możliwości montażu systemów fotowoltaicznych
Rys. 1.1. Możliwości montażu systemów fotowoltaicznych.

Ogniwa fotowoltaiczne stosowane są :

  • w nawigacji, do zasilania morskich, śródlądowych i lotniczych znaków nawigacyjnych, do ładowania akumulatorów na jachtach dalekomorskich,
  • w rolnictwie i leśnictwie. Służą do zasilania elektrycznych urządzeń ochrony pastwisk i lasów, urządzeń nawadniających i osuszających,
  • w telekomunikacji, do zasilania radiowo-telekomunikacyjnych stacji przekaźnikowych, radiostacji w miejscach odosobnionych, przez telefonię komórkową,
  • w transporcie, do zasilania znaków na drogach i liniach kolejowych, w szczególności oznakowań odcinków dróg i torów będących w remoncie;
  • w wojsku, do zasilania elektrycznych urządzeń polowych,
  • w meteorologii, do zasilania odosobnionych stacji meteorologicznych;
  • w gospodarstwach domowych,
  • w medycynie, do zasilania polowych ambulatoriów medycznych w krajach trzeciego świata.

Przykłady zrealizowanych obiektów z instalacją fotowoltaiczną:

Budynek biurowy Doxford Solar Office

Budynek biurowy Doxfor Solar Office
Rys. 1.2. Budynek biurowy Doxfor Solar Office.

Budynek znajduje się w Sunderland w Wielkiej Brytanii. Moduły PV zajmują 532 m2.

Budynek laboratoryjny ECN 31

Budynek laboratoryjny ECN 31
Rys. 1.3. Budynek laboratoryjny ECN 31
Budynek laboratoryjny ECN 31
Rys. 1.4. Budynek laboratoryjny ECN 31

Budynek znajduje się w Petent w Holandii. Panele elewacyjne dachu zajmują 360 m2 (48 kWp), żaluzje poziome 335 m2(33 kWp).

Mgr inż. Śliwiński Tomasz

Literatura: