efektywność wykorzystania energii pochodzącej z ogniw

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Jarosław RAJCZYK
Politechnika Częstochowska
EFEKTYWNOŚĆ WYKORZYSTANIA ENERGII
POCHODZĄCEJ Z OGNIW FOTOWOLTAICZNYCH
There were shown the efficienty of photovoltaic technology in the article. There
was presented the technical conditions of usage of photovoltaic cells in Poland.
WPROWADZENIE
Do Ziemi dociera jedynie maleńki ułamek energii wypromieniowanej przez
Słońce. Ten maleńki ułamek to 4,2 × 1015 kilowatogodzin energii dziennie.
Gdyby spalone zostały wszystkie lasy oraz zapasy węgla, ropy naftowej i torfu,
jakie istnieją na Ziemi, nie uwolniłoby się w ten sposób więcej energii, niż dociera
na Ziemię ze Słońca w ciągu trzech dni. Warto pomyśleć, aby uzmysłowić sobie,
jakie ilości energii docierają codziennie na Ziemię.
Jeżeli uda się człowiekowi tę energię okiełznać, to wtedy zaopatrzenie w energię będzie na zawsze zapewnione. Energia słoneczna jest jedynym niewyczerpalnym i ekologicznie czystym źródłem energii na Ziemi. Obecnie bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej możliwe jest na różne sposoby.
Do najpopularniejszych technologii słonecznych zaliczamy kolektory słoneczne, które przekazują zawartą w nich energię odpowiedniemu medium energetycznemu, np. wodzie lub powietrzu. Kolektory mogą być używane przez cały rok,
gdyż nawet jeśli podgrzeją wodę o 3°C, ich stosowanie jest opłacalne. Orientacyjne korzyści z użytkowania kolektora płaskiego prezentuje rysunek 1.
W Polsce występują średnie warunki nasłonecznienia. W porównaniu z Włochami mamy ponad 60% mniej słońca rocznie. Jednak z opracowanej dla Polski
mapy zasobów energii słonecznej wynika, że najlepsze warunki występują we
wschodniej części Polski. Kolektory słoneczne umieszczone na dachach budynków
„łapią” promienie słoneczne i za ich pomocą ogrzewają wodę do mycia czy też
ogrzewania budynków lub powietrza wykorzystywanego do np. suszenia zboża.
Kolektory słoneczne wykorzystuje się głównie do produkcji energii ogrzewającej wodę. W niektórych regionach oszczędności uzyskane z zastosowania kolektorów słonecznych dochodzą do 30÷60%. Kolektory ogrzewają wodę, wykorzystując
efekt szklarniowy. Średnie dzienne zużycie ciepłej wody w gospodarstwie domo-
Efektywność wykorzystania energii pochodzącej z ogniw fotowoltaicznych
243
Korzyści energetyczne, kWh/m 2
wym to od 50 do 80 litrów na osobę. Zapotrzebowanie to pokrywa 1,5 powierzchni
standardowego kolektora.
140
120
100
80
60
40
20
0
I
II
III
IV
V
VI
VII VIII
IX
X
XI
XII
MIESIĄCE
Rys. 1. Miesięczna wydajność w kWh/m2 pozyskania energii
z kolektorów słonecznych [1]
1. OGNIWA FOTOWOLTAICZNE
Konstrukcja ogniw fotowoltaicznych pozwala zmienić światło słoneczne bezpośrednio w prąd elektryczny bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń i hałasu.
Ogniwa fotowoltaiczne są używane w trzech podstawowych obszarach: elektronika powszechnego użytku, systemy autonomiczne oraz systemy dołączone do sieci
elektroenergetycznej.
Miliony małych ogniw fotowoltaicznych (generujących od kilku mW do kilku
W mocy) zasilają obecnie zegarki, kalkulatory, radia, przenośne telewizory i wiele
innych dóbr konsumpcyjnych. Zainstalowanie modułów fotowoltaicznych o powierzchni 100 m2 może dać nam moc nawet 10 kWh.
Czy jest możliwe zbudowanie elektrowni fotowoltaicznej? Efekty prac naukowo-badawczych pozwoliły dzisiaj zaoferować na rynku alternatywnych źródeł pozyskania energii elektrycznej nowoczesne rozwiązania, wśród których są elektrownie
fotowoltaiczne.
2. MAŁE ELEKTROWNIE FOTOWOLTAICZNE
Elektrownia fotowoltaiczna produkuje energię elektryczną, wykorzystując promieniowanie słoneczne. Elektrownia taka wytwarza energię, która może być sprzedawana zakładowi energetycznemu, który ma ustawowy obowiązek jej zakupu.
Elektrownia o mocy około 1,26 kWp rocznej produkcji przeznaczona jest dla
niewielkich budynków lub jako rozwiązanie obniżające rachunki za prąd elektryczny.
Elektrownia l MWh jest idealnym rozwiązaniem jako pokrycie kosztów oświetlenia podwórek, chodników, placów, składów i innych obiektów (tab. 1).
244
J. Rajczyk
Produkcja energii uzależniona jest od lokalizacji i pory roku. W zależności od
pory roku elektrownia fotowoltaiczna l MWh produkuje od 20 do 160 kWh energii
miesięcznie. Rocznie daje to w sumie około 1,1 MWh energii elektrycznej.
Tabela 1. Cechy podstawowego zestawu elektrowni fotowoltaicznej [2]
Lp.
Parametry i cechy elektrowni fotowoltaicznej
1
Roczna produkcja energii ~1125 kWh
2
Moc modułów 1260 Wp
3
Tylko dwa typy urządzeń - moduły i inwerter
4
Brak akumulatorów (wyższa sprawność, niższy koszt zakupu)
5
Prosta instalacja
6
Zintegrowane zabezpieczenia (wymagane przez Zakłady Energetyczne)
7
Brak kosztów eksploatacyjnych
8
Minimum formalności przy budowie
9
Łatwość prognozowania przychodów
Produkcja energii, kWh
Jak podaje literatura, produkcja energii 7 modułów o mocy 180 Wp przy średniorocznym nasłonecznieniu 1000 W/m2 daje rezultat wydajności widoczny na rysunku 2 lub wydajność roczną przedstawioną na rysunku 3.
200
164,2 161,1
144,6
150
129,4
103,7
100
94,5
87,4
65,3
63,0
50
34,7
30,9
22,4
0
I
II
III
IV
V
VI
VII VIII
MIESIĄCE
IX
X
XI
XII
Rys. 2. Produkcja energii 7 modułów o mocy 180 Wp w roku 2008, w lokalizacji
o średniorocznym nasłonecznieniu 1000 W/m2 [2]
Mikroelektrownia fotowoltaiczna to zestaw składający się z modułów fotowoltaicznych i inwertera (rys. 4). Moduły produkują energię, wykorzystując promieniowanie słoneczne. Inwerter odbiera energię w postaci prądu stałego i zamienia ją
na przemienny o parametrach takich jak w sieci, do której energia będzie oddawana. Sterowanie i zabezpieczenia (m.in. bardzo ważne zabezpieczenie antywyspowe) zapewnione jest przez inwerter. Taki układ oddaje energię do sieci, do której
jest podłączony. Potrzebny jest jedynie licznik elektryczny mierzący ilość oddanej
energii. Na podstawie odczytów z licznika odbywa się okresowe rozliczenie za
wyprodukowaną energię.
Efektywność wykorzystania energii pochodzącej z ogniw fotowoltaicznych
Rys. 3. Roczna produkcja energii w wyniku nasłonecznienia - zmienna w zależności
od regionu [3]
Moduł fotowoltaiczny
Inwerter
Sieć zewnętrzna
Rys. 4. Schemat minielektrowni fotowoltaicznej [2]
245
246
J. Rajczyk
Opisany przykład budowy przydomowych elektrowni fotowoltaicznych jest dość
powszechnie stosowanym rozwiązaniem w gospodarstwach domowych w Niemczech. Koszt budowy takich inwestycji jest wspierany przez instytucje państwowe.
3. AUTONOMICZNE ZESTAWY FOTOWOLTAICZNE
Do zaspokojenia stosunkowo niewielkich potrzeb energetycznych zostały zaprojektowane autonomiczne systemy fotowoltaiczne, jak przedstawiono na rysunku 5. Zestawy takie są niezależne od sieci elektrycznej, a ich niewielkie rozmiary
czynią zestawy mobilnymi. Można zabrać je ze sobą na wakacje, ciesząc się energią wytworzoną z naturalnego źródła. Jednak to nie koniec zalet. Wykorzystując
akumulatory jako magazyn energii, mamy możliwość korzystania z darmowego
prądu w nocy oraz w dni pochmurne.
Ogniwo
Przewodnik
(inwerter)
Odbiornik energii
Akumulator żelowy
Rys. 5. Autonomiczny zestaw fotowoltaiczny [2]
Korzyści wynikające ze stosowania zestawu:
– całkowita niezależność od sieci energetycznej, energia elektryczna jest produkowana z energii promieniowania słonecznego,
– obniżenie opłat za energię elektryczną lub ich wyeliminowanie,
– swobodny dostęp do energii elektrycznej, energia jest magazynowana w akumulatorach, co pozwala korzystać z elektryczności nawet nocą czy w dni pochmurne,
– modułowa budowa daje możliwość dalszej rozbudowy zestawu wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na moc lub energię,
– darmowa eksploatacja i bezobsługowe działanie - zestaw nie wymaga remontów i napraw amortyzacyjnych, nie ma kosztów eksploatacyjnych,
– korzyści ekologiczne - zestaw w czasie pracy nie produkuje zanieczyszczeń,
jest bezpiecznym sposobem pozyskiwania energii elektrycznej.
Efektywność wykorzystania energii pochodzącej z ogniw fotowoltaicznych
247
W zależności od zapotrzebowania na moc zostały zaprojektowane zestawy fotowoltaiczne o mocy od 85 do 1500 W.
Podstawowym elementem systemu są oczywiście ogniwa lub moduły fotowoltaiczne.
4. RODZAJE MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH
Ogniwo fotowoltaiczne jest to urządzenie bezpośrednio przetwarzające energię
słoneczną w energię elektryczną. Większość (około 95%) ogniw wykonana jest
w technologii krzemowej. Dwie warstwy, dodatnia i ujemna, pozwalają na wytworzenie się między nimi ładunku elektrycznego o napięciu około 0,5 V i mocy 2 W.
Jest to zbyt mało na bezpośrednie wykorzystanie, dlatego też łączy się takie ogniwa
szeregowo lub równolegle w tzw. panele fotowoltaiczne, których konstrukcję przedstawiono na rysunku 6. W ten sposób osiąga się odpowiednie napięcie i moc panela.
Produkowane są w modułach od 5 do 230 Wp.
Rys. 6. Konstrukcja elementu fotowoltaicznego o wadze od 3 do 8 kg [2]
Moduły polikrystaliczne to źródła energii elektrycznej, które można stosować
zarówno w systemach współpracujących z siecią, jak i w układach autonomicznych
o napięciu 12 V. Ogniwa są wykonane z polikryształu krzemu. Dzięki tej technologii panele uzyskują sprawność do 16%. Obecnie technologia polikrystaliczna
jest, obok monokrystalicznej, najpowszechniej stosowaną na świecie. Stosuje się
je do systemów współpracujących z siecią energetyczną.
Można je stosować wszędzie tam, gdzie potrzebna jest energia elektryczna i jest
wystarczające nasłonecznienie. Moduły o mocy do 20 Wp można zastosować do
zasilania m.in. nadajników radiowych i innych, systemów kontrolno-pomiarowych
(np. stacji meteorologicznych), telefonów alarmowych (np. na drogach), oświetlenia sygnalizacyjnego i innych drobnych urządzeń.
Moduły monokrystaliczne to źródło energii elektrycznej, które można stosować
zarówno w systemach współpracujących z siecią, jak i w układach autonomicznych
248
J. Rajczyk
12 V. Szeroka gama modułów daje duże możliwości dostosowywania systemu do
indywidualnych potrzeb klienta.
Moduły monokrystaliczne wykonane są w technologii monokrystalicznej. Ogniwa fotowoltaiczne są wykonane z monokryształu czystego krzemu. Dzięki tej technologii panele uzyskują sprawności do 18%. Obecnie technologia monokrystaliczna jest, obok polikrystalicznej, najpowszechniej stosowaną na świecie.
Panele fotowoltaiczne są wykorzystywane do zasilania m.in.:
– oświetlenia billboardów, reklam, szyldów, parków, posesji, budynków,
– zasilania aktywnych reklam, znaków przydrożnych, neonów, świecących szyldów, tablic informacyjnych,
– nadajników radiowych,
– systemów kontrolno-pomiarowych (np. stacji meteorologicznych),
– telefonów alarmowych (np. na drogach),
– oświetlenia sygnalizacyjnego.
Moduły hybrydowe to źródła energii elektrycznej, które możemy stosować
w systemach współpracujących z siecią. Moduły hybrydowe wykonane są w technologii (heterozłączowej), która łączy zalety technologii krystalicznej i amorficznej. Dzięki tej technologii ogniwa uzyskują sprawności powyżej 19% (najwyższe
z obecnie uzyskiwanych). Dzięki tak wysokiej sprawności moduły pozwalają uzyskiwać znaczne ilości energii z modułów o niewielkich wymiarach. Jest to ważne
przy montażu na niewielkich dachach czy na słupach (jako zasilania lamp, pomp
czy znaków aktywnych).
Moduł hybrydowy wykonany jest wg nowatorskiego pomysłu. Ogniwa są układane „w plaster miodu” (rys. 7). Dzięki temu wykorzystana powierzchnia jest optymalna, a straty przy wycinaniu ogniw zminimalizowane.
Rys. 7. Zasada ułożenia powierzchni modułu hybrydowego [2]
Inwertery to urządzenia przeznaczone do instalacji fotowoltaicznych współpracujących z jednofazową siecią elektroenergetyczną (istnieje możliwość współpracy z siecią trójfazową). Przetwarzają energię dostarczoną z modułów fotowoltaicznych w postaci prądu stałego na energię w postaci prądu przemiennego 230 V/
/50 Hz oddawaną do sieci elektroenergetycznej. Inwertery posiadają izolację galwaniczną, można je stosować praktycznie w każdej instalacji prądu przemiennego.
Efektywność wykorzystania energii pochodzącej z ogniw fotowoltaicznych
249
Inwertery (rys. 8) posiadają wyłącznik ESS DC, który znacząco upraszcza instalację i podłączenie modułów fotowoltaicznych. Dzięki temu możliwe jest natychmiastowe i bezpieczne wyłączenie instalacji. Nie trzeba rozłączać przewodów czy
wyjmować wtyczek.
Rys. 8. Przykład konstrukcji inwertera typu Boy 1100 [2]
Inwertery wyposażone są w system OptiTrac MPP, który zapewniają optymalne
wykorzystanie modułów fotowoltaicznych. W zmiennych warunkach pogodowych
(np. pojawiającym się zachmurzeniu czy opadach) nasłonecznienie zmienia się
bardzo znacznie. System OptiTrac MPP zawsze odbiera z modułów napięcie i prąd
o takich wartościach, aby moc uzyskana z modułów w danej chwili była najwyższa
z możliwych. Dzięki temu straty energii są minimalne, a zyski większe.
Inwertery przeznaczone do współpracy z siecią niskiego napięcia i muszą spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące bezpieczeństwa. Każdy inwerter posiada
zabezpieczenie antywyspowe. Polega ono na natychmiastowym zatrzymaniu oddawania energii do sieci publicznej w przypadku, gdy jej parametry (napięcie lub
częstotliwość) znajdą się poza ustalonymi granicami. Na przykład napięcie zanika
przy awarii lub wyłączeniu sieci w celach serwisowych. W takich przypadkach
oddawanie energii do sieci przez inwerter mogłoby spowodować porażenie prądem
pracownika serwisującego sieć. Zabezpiecznie antywyspowe jest podstawowym
i koniecznym zabezpieczeniem wymaganym przez każdego operatora sieci niskiego napięcia.
Inwerter do zasilania wszelkiego rodzaju urządzeń przenośnych i stacjonarnych
niewielkiej mocy. Inverter przetwarza prąd stały o napięciu 12 V na prąd przemienny o napięciu 230 V i częstotliwości 50 Hz. W zależności od modelu i mocy
inwerter może zasilać takie urządzenia, jak telewizory czy lampy.
Wybór odpowiedniego inwertera i akumulatora ma kluczowe znaczenie dla
funkcjonowania systemu zasilania i komfortu korzystania z zasilanych urządzeń.
5. WYKORZYSTANIE NOWEGO OŚWIETLENIA TYPU LED
W KONFIGURACJI Z OGNIWEM FOTOWOLTAICZNYM
Przykłady z praktyki potwierdzają celowość wykorzystania nowoczesnego oświetlenia typu LED. Jest to energooszczędna oprawa oświetleniowa z LEDowymi źró-
250
J. Rajczyk
dłami światła w połączeniu z ogniwami fotowoltaicznymi. Niewielka moc i wysoka
wydajność sprawiają, że jest idealnym rozwiązaniem do oświetlania ulic, parków
czy przejść dla pieszych.
Oprawy LED idealnie nadają się do stosowania w energooszczędnych systemach
oświetlenia zasilanych modułami fotowoltaicznymi. Oświetlenie LED to najnowsze osiągnięcie w dziedzinie energooszczędnego oświetlenia zewnętrznego, gdzie
wykorzystano wiedzę o anatomii ludzkiego oka oraz najnowsze osiągnięcia z dziedziny optyki.
WNIOSKI
Jak podaje S.M. Pietruszko z Centrum Fotowoltaiki Politechniki Warszawskiej
[4], dynamiczny wzrost produkcji ogniw fotowoltaicznych, 45% w skali roku, porównywanlny jest z dynamiką przemysłu mikroelektronicznego. Moc zainstalowana w 2008 roku, w porównaniu z rokiem 2007 wzrosła o 129% [5]. W Republice
Czeskiej nastąpił ponad 10-krotny wzrost mocy zaistalowanych systemów, z 5 do
55 MWp. Cel postawiony w Niemczech, aby 12% całej energii elektrycznej pochodziło od źródeł odnawialnych, został osiągnięty w 2007 roku. Kolejny pułap 20%,
założony na rok 2020 zostanie osiągnięty w 2011 roku. Szacuje się, że rynek fotowoltaiki będzie wart 20 mld euro. W roku 2007 przemysł fotowoltaiczny w Europie
zatrudnił 60 000 osób, z czego 40 000 osób w Niemczech. Szacuje się, że przemysł
fotowoltaiczny stworzy do 2020 około 200 000 miejsc pracy w Unii Europejskiej.
Znaczący udział w rynku fotowoltaiki mają technologie krzemowe, tym niemniej
w najbliższych latach będą to ogniwa cienkowarstwowe CdTe, drastycznie obniżające koszt systemów fotowoltaicznych, czyli takiego stanu, że bez żadnego wsparcia energia fotowoltaiczna będzie tańsza niż energia elektryczna wytwarzana przy
użyciu paliw kopalnych lub energii jądrowej.
LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
www.krainaenea.pl
Materiały informacyjne firmy Sunny Life Technologies.
Šúri M., Cebecauer T., Huld T., Dunlop E. D. PVGIS European Communities 2001-2008.
Pietruszko S.M., Światowy rynek fotowoltaiki, Warszawa 2009.
EPIA - Press Realease 2008.