Fotowoltaika

Wstęp
Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na świecie ze względu na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez zanieczyszczeń, hałasu i innych zauważalnych zmian środowiska. W połowie lat siedemdziesiątych wzrost cen energii spowodowany kryzysem naftowym, spowodował zwiększenie opłacalności tych systemów. Od tego czasu koszt systemów PV systematycznie spada, a liczba zainstalowanych systemów stale rośnie. Światowa produkcja modułów fotowoltaicznych osiągnęła poziom 260 MWp w 2000 roku zwiększając się przeciętnie 25% rocznie w ostatnim dziesięcioleciu.Urządzenia fotowoltaiczne są używane w trzech podstawowych obszarach: elektronika powszechnego użytku, systemy wolnostojące i systemy dołączone do sieci elektrycznej.Miliony małych ogniw fotowoltaicznych (produkujących od kilku mW do kilku W) zasila obecnie zegarki, kalkulatory, przenośne telewizory i wiele innych dóbr konsumpcyjnych. Ogniwa takie wykonane są najczęściej z cienkich warstw krzemu amorficznego (a-Si).Obecnie największym zastosowaniem PV są systemy wolnostojące średniej skali, produkujące od kilku W do kilku kW. Są one najczęściej używane na obszarach oddalonych od sieci elektrycznej, gdzie inne sposoby generacji energii elektrycznej są drogie. Dziesiątki tysięcy gospodarstw domowych na całym świecie wykorzystuje systemy PV do pokrycia większości lub całości swojego zapotrzebowania na energię elektryczną. Profesjonalne systemy wolnostojące wykorzystywane są w automatycznych urządzeniach takich, jak oświetlenie i telefony awaryjne na autostradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, przekaźnikowe stacje telekomunikacyjne i stacje meteorologiczne. Takie systemy PV udowodniły już, że są niezawodne, nie wymagają obsługi i są opłacalne.W ostatnich latach kładziony jest duży nacisk na rozwój systemów PV dołączonych do sieci elektrycznej, ponieważ mają one największy potencjał na zmniejszenie zużycia paliw kopalnych, a więc zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. Dotyczy to przede wszystkim systemów zintegrowanych z dachami i fasadami budynków. Fotowoltaika nie jest jeszcze konkurencyjna z tradycyjnymi źródłami energii do produkcji energii elektrycznej na skalę przemysłową. Jednakże, kilka dużych systemów fotowoltaicznych (produkujących od kilkuset kWp do kilku MWp) jest testowanych w kilku krajach.

Konfiguracje systemów fotowoltaicznych
Wyróżnia się trzy podstawowe konfiguracje systemów fotowoltaicznych: wolnostojące, hybrydowe i dołączone do sieci.Systemy wolnostojące korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach fotowoltaicznych. System taki składa się z panelu fotowoltaicznego, akumulatora oraz urządzenia kontrolującego stopień naładowania akumulatora. Akumulatory muszą mieć więc wystarczająco dużą pojemność, aby zapewnić dostarczanie energii w nocy oraz w okresach złej pogody. Systemy hybrydowe są kombinacją panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzania energii takiego, jak np. generator spalinowy, gazowy lub wiatrowy. Dla zapewnienia efektywnego wykorzystania różnych sposobów wytwarzania energii systemy hybrydowe mają zazwyczaj bardziej skomplikowane elementy kontrolne niż systemy wolnostojące.Systemy dołączone do sieci mogą mieć postać małych elektrowni z dużą ilością paneli fotowoltaicznych oddających energię do sieci. Innym wykorzystaniem takich systemów może być zasilanie budynków dołączonych do sieci, gdzie energię z sieci pobiera się tylko wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyższa jej produkcję w ogniwach fotowoltaicznych. Magazynowanie energii nie jest potrzebne, ponieważ sieć jest w stanie przyjąć całą energię wyprodukowaną przez system PV.Projektowanie systemów fotowoltaicznych jest zazwyczaj optymalizowane przy użyciu programów komputerowych (np. ASHLING 7.0), które dopasowują przewidywany profil obciążenia w ciągu roku i dnia do przeciętnego słonecznego napromieniowania na danym obszarze.

Typowa wydajność systemu
Wydajność systemu PV zależy od promieniowania słonecznego podającego na zestaw modułów. Typowe, małe systemy wiejskie mają roczne współczynniki sprawności pomiędzy 30% a 60% (odpowiednik przeciętnych wydajności rzędu 300 – 1000 kWh/kWp na rok). Wolnostojące systemy profesjonalne mają zwykle niskie wydajności, pomiędzy 20% a 30% (odpowiednik przeciętnych wydajności rzędu 200 – 550 kWh/kWp na rok), ponieważ pracują prawie przy stałym obciążeniu przez cały rok i ich zestawy modułów muszą być wystarczająco duże aby zapewnić dostateczną ilość energii w zimie, co powoduje, że część energii elektrycznej produkowanej w lecie jest bezużyteczna. Hybrydowe systemy fotowoltaiczne mają zazwyczaj wyższe współczynniki sprawności, w zakresie 50% do 70% (odpowiednik przeciętnych wydajności w granicach 500 – 1250 kWh/kWp na rok), niż systemy wolnostojące, ponieważ zestaw modułów może być dopasowany tak, aby zapewnić obciążeniu dostateczną ilość energii w lecie i być wsparty przez generator w zimie lub w czasie złej pogody. Generatory fotowoltaiczne podłączone do sieci mają największy potencjał uzyskiwania wysokich współczynników sprawności i wydajności, ponieważ cała energia którą wytwarzają może być zużyta albo na miejscu, albo przekazana sieci. Dobrze kontrolowany system podłączony do sieci, który współpracuje z falownikiem o wysokiej sprawności, może osiągnąć współczynniki przetwarzania wyższe niż 80% (równowartość wydajności powyżej 800 – 1400 kWh/kWp na rok).

Koszt systemu
Tak jak w przypadku większości technologii odnawialnych źródeł energii, użycie systemów fotowoltaicznych wymaga dużych inwestycji, ale późniejsze koszty eksploatacji są bardzo niskie. Na cenę zakupu systemu fotowoltaicznego składają się zazwyczaj cztery podstawowe koszty: zestawu modułów fotowoltaicznych, elementów systemu (akumulator, falownik, kontroler, okablowanie itp.), transportu i instalacji oraz projektowania i kierowania projektem. Relatywny udział tych kosztów w całkowitej cenie zainstalowanego systemu zależy od zastosowania, wielkości systemu i jego położenia. W ogólności koszt zestawu modułów determinuje cenę dużych systemów podłączonych do sieci, ale stanowią tylko jedną trzecią ceny zakupu małych, wolnostojących systemów w zastosowaniach przy elektryfikacji wsi. W tych systemach, zazwyczaj przeważa koszt akumulatora.Efektywny koszt modułów obniżany jest również poprzez stosowanie modułów, które mogą spełniać kilka zadań. Na przykład, wytwarzane są moduły do integracji z fasadami lub dachami budynków. Moduły są również używane do innych zastosowań architektonicznych, włączając w to półprzeźroczyste szklenie i bariery pochłaniające dźwięk na autostradach. Takie wielofunkcyjne zastosowania mogą w znacznej mierze obniżyć efektywne koszty generatorów fotowoltaicznych i dlatego też spodziewany jest dalszy ich rozwój w przyszłości. W systemach podłączonych do sieci główne koszty systemu związane są z falownikiem i podłączeniem do sieci elektrycznej.

Podstawowym celem badań i rozwoju fotowoltaiki jest uzyskanie energii elektrycznej w cenie porównywalnej z cenami energii uzyskanej ze konwencjonalnych źródeł energii. Z powodu tego, że fotowoltaika jest technologią czystą, która wytwarza elektryczność bez ubocznych zanieczyszczeń, może, pod warunkiem włączenia również kosztów ochronny środowiska w cenę źródeł energii pochodzących z paliw kopalnych albo wprowadzenia podatku od emisji CO2, szybko stać się ekonomicznie atrakcyjna. Kraje europejskiej, Japonia i USA, jak również duże firmy przemysłowe inwestują w badania, rozwój oraz programy demonstracyjne i mają ambitne plany zwiększenia ilości energii elektrycznej uzyskiwanej z paneli fotowoltaicznych w najbliższych kilku latach.

źródło: www.ekologika.pl