Baterie słoneczne do produkcji energii elektrycznej

Kryzys energetyczny w 1973 r.,

który spowodował skokowy wzrost

najpierw ceny ropy naftowej, a

następnie wszystkich innych paliw,

względy ochrony środowiska oraz

rozwój techniki kosmicznej

zwiększyły zainteresowanie

nowymi, niekonwencjonalnymi

źródłami i technologiami

wytwarzania energii elektrycznej.

4 rejony zasobów energii

słońca

R I - pas nadmorski o

natężeniu promieniowania

powyżej 950 kWh/m

(lato) ze

stacją pomiarową Kołobrzeg

R II - wschodnia cześć kraju,

o natężeniu powyżej 950

kWh/m

ze stacją pomiarową

Zamość

R III - pozostałą cześć kraju

o natężeniu poniżej 950

kWh/m

ze stacją pomiarową

Brwinów

R IV - południowa cześć

kraju o natężeniu powyżej

950 kWh/m

(zima) ze stacją

pomiarową Zakopane.

Urządzenia, w których następuje

bezpośrednia konwersja energii

promieniowania słonecznego w

energię elektryczną nazywamy

ogniwami fotowoltaicznymi.

Spotyka się też nazwę fotoogniwa,

w literaturze stosowany jest skrót

tej nazwy: ogniwa PV, zaś w języku

potocznym nazywane są one po

prostu bateriami słonecznymi.

Pierwsze elementy PV były zbudowane już

w 1954 roku przez Fullera, Chapina i

Pearsona. Były to konstrukcje oparte na

bazie złącza dyfuzyjnego w krzemie. Z kolei

Reinolds uzyskał ogniwa słoneczne na PbS.

Niebawem, zjawisko fotowoltaiczne zaczęto

obserwować również i w innych

półprzewodnikowych materiałach. Należy

jednak podkreślić, że początki badań nad PV

sięgają 1839 roku, kiedy to po raz pierwszy

powstawanie siły elektromotorycznej na

oświetlonych elektrodach umieszczonych na

elektrolicie zaobserwował doświadczalnie

francuski fizyk – Edmund Becquerel. W 37

lat później W. Adams i R. Day taki sam efekt

zaobserwowali na styku dwóch ciał stałych.

Zestawy fotowoltaiczne

Aby korzystać z energii wytwarzanej na

modułach fotowoltaicznych, konieczne jest
ich połączenie z innymi urządzeniami, czyli
zbudowanie

zestawu

fotowoltaicznego.

Najczęściej spotykanym systemem, jest
konfiguracja,

której

energia

wyprodukowana

modułach

fotowoltaicznych magazynowana jest w
akumulatorach. W takim przypadku w
zestawach stosuje się następujące elementy:

Ogniwo fotowoltaiczne lub in.

słoneczne to podstawowy przyrząd

elektronowy używany do zamiany

energii słonecznej na elektryczną za

pomocą efektu fotowoltaicznego.

Ogniwo fotowoltaiczne składa się z

płytki półprzewodnika posiadającej

złącze p-n (positive-negative).

(positive- liczba dziur przewyższa

liczbę elektronów swobodnych,

negative-odwrotnie). W strukturze

takiej występuje pole elektryczne

(bariera potencjału).

W chwili, gdy na ogniwo pada światło słoneczne,

powstaje para nośników o przeciwnych

ładunkach elektrycznych, elektron-dziura, które

zostają następnie rozdzielone przez pole

elektryczne. Rozdzielenie ładunków powoduje, iż

w ogniwie powstaje napięcie. Fotony padając na

półprzewodnikowe złącze p-n powodują

wygenerowanie prądu stałego o napięciu

zależnym od materiału ogniwa (dla krzemu około

0,5V) i natężeniu zależnym od powierzchni

ogniwa. Po dołączeniu obciążenia do tych

zacisków płynie przez nie prąd elektryczny.

Panele fotowoltaiczne

Pojedyncze ogniwo produkuje

zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W, co
jest niewystarczające dla
większości zastosowań. Dla
uzyskania większych napięć lub
prądów ogniwa łączone są
szeregowo lub równolegle
tworząc moduł fotowoltaiczny.
Moc takich modułów (dostępne
na rynku maja powierzchnię od
0,3 do 1 m2) wyrażana jest w
watach mocy szczytowej (Wp -
watt peak),

Moduły

fotowoltaiczne są

przeważnie płaskie i

zawierają od 18 do

180

monokrystalicznych

lub

polikrystalicznych

ogniw krzemowych.

Rzadziej stosowane

są krzemowe ogniwa

amorficzne.

Moduły zawierające krzem mono- lub

polikrystaliczny moją sprawności ok.11 % do

13 %. Większość nich ma czas życia co

najmniej 20 lat. Czas zwrotu kosztów energii

waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu

i klimatu. Cienkowarstwowe moduły

fotowoltaiczne są tańsze, przy produkcji

masowej, niż moduły z krzemu krystalicznego,

ale mają niższe wydajności. Większość

dostępnych obecnie na rynku modułów z

krzemu amorficznego ma sprawności

pomiędzy 4 % do 8 %. Zwrot kosztów energii

szacowany jest na 1 do 3 lat.

Akumulatory

Naładowany akumulator

dostarcza energię
elektryczną do odbiorników,
gdy nie ma promieniowania
słonecznego lub jest ono
niewystarczające, np. w
nocy. Są również swoistym
zbiornikiem buforowym, w
którym magazynuje się prąd
wyprodukowany na zapas z
myślą o dniach
pochmurnych.

Większość akumulatorów używanych

w systemach fotowoltaicznych jest

ołowiowo-kwasowa. W regionach o

ostrym klimacie, tam gdzie konieczna

jest duża niezawodność, stosuje się

(szczególnie dla małych zastosowań)

akumulatory niklowo-kadmowe. Od

dobrej jakości akumulatorów tego

typu oczekuje się 5-7 lat pracy, przy

odpowiedniej obsłudze i użyciu

odpowiedniego kontrolera ładowania.

Dobry kontroler ładowania

akumulatora ograniczy głębokość i
szybkość rozładowania,
odpowiednio do temperatury
akumulatora. Celem
zminimalizowania parowania
elektrolitu, ograniczy on również
szybkość ładowania i poziom
maksymalnego naładowania
akumulatora.

Falowniki

Zamieniają prąd stały (DC)

produkowany przez anody
fotowoltaiczne, w prąd
przemienny (AC), który jest
potrzebny do zasilania
większości urządzeń.
Najważniejszymi cechami
falownika w zastosowaniach
fotowoltaicznych są jego
niezawodność i charakterystyki
sprawnościowe.
Zaprojektowane są one do
ciągłej pracy w pobliżu punktu
maksymalnej mocy.

Konfiguracje systemów

fotowoltaicznych

Systemy wolnostojące - korzystają jedynie z energii

produkowanej w ogniwach fotowoltaicznych.

System taki składa się z panelu fotowoltaicznego,

akumulatora oraz urządzenia kontrolującego

stopień naładowania akumulatora i odłączającego

panel, gdy akumulator jest w pełni naładowany lub

odłączającego urządzenie zasilane chroniąc

akumulator przed jego zbytnim rozładowaniem.

Akumulatory muszą mieć więc wystarczająco dużą

pojemność, aby zapewnić dostarczanie energii w

nocy oraz w okresach złej pogody.

Konfiguracje systemów

fotowoltaicznych

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 układy kontrolne niż systemy

wolnostojące. Dzięki wykorzystaniu dodatkowego

źródła energii panel fotowoltaiczny w systemie

hybrydowym może być mniejszy niż w

analogicznych systemie wolnostojącym. Dlatego w

niektórych

przypadkach system hybrydowy może być tańszy.

Konfiguracje systemów

fotowoltaicznych

Systemy dołączone do sieci mogą mieć postać

elektrowni z dużą ilością paneli fotowoltaicznych

oddających energię do sieci elektroenergetycznej.

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. Systemy te dołączone

są do sieci poprzez falownik. Akumulatory w tym

typie systemu nie są potrzebne, ponieważ sieć jest

w stanie przyjąć całą energię wyprodukowaną

przez system fotowoltaiczny.

Systemy dołączone do sieci

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. Takie programy potrzebne są aby

zdeterminować optymalną wielkość zestawu

modułów i akumulatora, dobrać kontroler i

falownik. Wydajność systemu zależy od

promieniowania słonecznego podającego na

zestaw modułów PV.

Wytwarzanie baterii

fotowoltaicznych

Elementem podstawowym jest ogniwo

fotowoltaiczne, sporządzane najczęściej

z mono- oraz polikrystalitów krzemu,

bądź jego amorficznej odmiany.

Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne

zawierają półprzewodnik w postaci

płytek o grubości 100 µm i powierzchni

10 x 10 cm.

Czynnikiem ograniczającym

wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych w

zastosowaniach energetycznych jest

ciągle ich wysoka cena.

Średnia jednostkowa cena systemu PV (ogniwa razem z instalacjami towarzyszącymi)
na rynku europejskim.

W przyszłości przewiduje się wykorzystanie

ogniw fotowoltaicznych do produkcji tzw.
paliw słonecznych. W układach takich
energia elektryczna z ogniw jest
bezpośrednio wykorzystywana do elektrolizy
wody, zaś uwolnione w tym procesie tlen i
wodór można magazynować w zbiornikach
praktycznie przez dowolny okres czasu.
Elementem dodatkowo sprzyjającym
takiemu wykorzystaniu ogniw PV jest to, że
do elektrolizy stosuje się prąd stały. System
taki pozwala więc magazynować energię z
okresu letniego na zimowy.

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

Elektroniczny sprzęt

powszechnego użytku

np. zegarki,

kalkulatory, ładowarki

do baterii...

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

Zasilanie sygnalizacji drog

owej

- sygnalizacji ostrzegawczej,
- oświetlania znaków drogow

ych,

- telefonów awaryjnych na

autostradach.

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

Zasilanie systemów

telekomunikacyjnych:

przenośnych lub stałych stacji nadawcz
o-odbiorczych,

- radiowo-

telewizyjnych stacji przekaźnikowych,

- stacji przekaźnikowych telefonii

komórkowej

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

Zasilanie systemów ostrzegania:
- lądowych i morskich radiolatarni,
- znaków nawigacyjnych na wodach
morskich i śródlądowych,
- światła ostrzegawcze na szczytach

gór, wysokich budynkach

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

Transport kolejow

- awaryjne zasilanie

kolejowych syste
mów

sterowania,
- telefony awaryjne

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

Zasilanie lądowych i morskich s

tacji

pomiarowych

(małe stacje meteorologiczne,

systemy alarmowe, balony

meteorologiczne, itp.).

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

W rolnictwie i hodowli,

systemy fotowoltaiczne są

dobrze przystosowane do

zasilania urządzeń o małej

mocy (< 500 W) takich,

jak np. suszarki ziół,

warzyw, itp., ogrzewania i

wentylacji szklarni,

napowietrzania stawów

rybnych i jezior,

pompowania wody, itd. .

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

Zasilanie samotnie

stojących domów

mieszkalnych

i schronisk

Główne zastosowania ogniw

fotowoltaicznych

W miastach moduły

fotowoltaiczne mogą być

wykorzystywane do zasilania

np. parkomatów, automatów

sprzedających bilety,

zegarów...

Coś nowego...

plecak z wbudowaną
własną,

zintegrowaną
baterią słoneczną

cena $249 czyli 750 zł, do

kupienia

w sklepach internetowych

W ciągu ostatnich 100 lat

zużyliśmy więcej energii

niż wszystkie generacje

przed nami. Skutki tego już

odczuwamy! Można temu

zaradzić! Wykorzystujmy

promieniowanie

słoneczne! Promienie

słoneczne, to największe

źródło energii na Ziemi,

około 10000 razy większe,

niż obecne zużycie energii.

Energia słoneczna jest

bezpieczna, czysta i

ekologiczna.

Document Outline