Obecnie na rynku spotykamy kilka rodzajów ogniw fotowoltaicznych i mają one zastosowanie oczywiście nie tylko w budownictwie. Większość z nich to ogniwa tzw. pierwszej generacji, wykonane z krzemu. Stosunkowo niedawno pokazano moduły z ogniw tzw. drugiej generacji, bazujące na technologii cienkowarstwowej.
Największą sprawnością (powyżej 15%) mogą pochwalić się panele monokrystaliczne z ogniw pierwszej generacji. Są one zbudowane z pojedynczych ogniw, utworzonych z jednorodnego kryształu krzemu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Podstawą do tworzenia ogniw są odpowiedniej wielkości bloki krzemu. Są one cięte na warstwy, których grubość wynosi około 0,3 mm.
Panele polikrystaliczne zbudowane są z ogniw składających się z wielu małych kryształów krzemu tworzących niejednolitą powierzchnię, która wyglądem przypomina szron na szybie. Moduły polikrystaliczne są mniej wydajne niż monokrystaliczne, jednak proces ich produkcji jest mniej złożony, a zatem tańszy. Panele te są najbardziej rozpowszechnione w zastosowaniach domowych i w dużych instalacjach.
Zupełnie inną strukturę krzemu mają ogniwa amorficzne. Grubość warstwy krzemu wynosi jedynie 2 mikrony i warstwa ta osadzona jest na powierzchni innego materiału, np. szkła. Moduły amorficzne występują zwykle w zegarkach lub kalkulatorach i innych przenośnych urządzeniach. Ich sprawność dochodzi do 8,5%.
Alternatywę dla opisanych technologii stanowią moduły cienkowarstwowe z ogniwami z selenku indowo-miedziowego CIS (CIGS) lub tellurku kadmu CdTe. Charakterystyczna ciemna i jednolita powierzchnia, bardziej jednorodna niż w przypadku materiałów krystalicznych, oraz duże możliwości tworzenia różnorodnych kształtów i wymiarów sprawiają, że moduły te mogą być wykorzystane w nowoczesnych budowlach architektonicznych. Sprawność tych ogniw wynosi od 12 do 14%.
| Budowa instalacji fotowoltaicznej i parametry ogniw |
|
Budowa. Przeciętnie instalacja fotowoltaiczna składa się z kilku do kilkunastu paneli fotowoltaicznych (duże instalacje – nawet z kilkuset), które są łączone szeregowo w pola, nazywane z ang. stringami. Każdy string jest podłączany do inwertera, który w zależności od modelu może obsługiwać jeden string lub więcej. O liczbie paneli wchodzących w skład stringu decydują parametry elektryczne panelu, ale także możliwości inwertera (głównie zakres napięć, na którym inwerter pracuje). Panel fotowoltaiczny tworzą moduły, które składają się z poszczególnych ogniw fotowoltaicznych, nazywanych celami (ang. cells), łączonych ze sobą szeregowo. Od liczby ogniw w module zależy jego moc i napięcie, które generuje. Obecnie większość paneli fotowoltaicznych ma dodatkowo tzw. diody obejścia, umożliwiające bardziej skuteczną pracę panelu przy częściowym zacienieniu jego powierzchni. Podstawowe parametry, które opisują ogniwa fotowoltaiczne to:
Najbardziej korzystne warunki pracy powołane w powyższych definicjach, czyli nasłonecznienie 1000 W/m2, temperatura ogniwa 25°C i AM 1,5, w praktyce nigdy nie będą osiągnięte. Są to jedynie warunki laboratoryjne określane skrótem STC (z ang. Standard Test Conditions). Realne parametry pracy ogniwa podawane są dla tzw. NOTC, czyli Normal Operating Cell Temperature. Jest to nasłonecznienie 800 W/m2, przy temperaturze ogniwa 51±2°C. Parametr AM 1,5 oznacza, że promienie słoneczne padają pod kątem z = 48,2° w stosunku do położenia słońca w zenicie, czyli AM ≈ 1 / cos z [2]. |
Minimalna temperatura pracy
W przypadku kolektorów słonecznych wyższa temperatura wewnątrz kolektora powoduje zwiększenie strat ciepła, natomiast w przypadku ogniw fotowoltaicznych wyższa temperatura przyczynia się do spadku napięcia uzyskiwanego w ogniwie, a niższa temperatura pracy powoduje wzrost napięcia (rys. 1). Jest to istotna cecha paneli fotowoltaicznych, gdyż zmiany napięcia należy uwzględnić, dobierając inwerter, czyli urządzenie zamieniające prąd stały otrzymywany z ogniw na prąd przemienny gotowy do wprowadzenia do sieci elektrycznej. W naszej strefie klimatycznej, dobierając inwerter, należy przyjąć jako minimalną temperaturę pracy ogniwa fotowoltaicznego -25°C. Programy doborowe producentów inwerterów najczęściej mają założoną wyższą temperaturę (np. -10°C). Jak widać na rysunku 1. spadek temperatury skutkuje wzrostem napięcia stałego nawet dwukrotnie.
 |
 |
| 1. Charakterystyka U-I – wpływ zmiany temperatury na napięcie modułu fotowoltaicznego [3] | 2. Charakterystyka U-I – wpływ zmiany intensywności promieniowania słonecznego (zacienienia) na wartość maksymalnego punktu mocy ogniwa [3] |
Łączenie szeregowe czy równoległe
Innym, bardzo istotnym zjawiskiem, którego wpływu nie wolno pominąć przy projektowaniu instalacji fotowoltaicznej, jest zacienienie. Jak wiemy, moduły fotowoltaiczne pracują w różnych warunkach atmosferycznych. W związku z tym, w czasie ich pracy intensywność napromieniowania będzie zmienna, a ich moc – wraz ze zmianą napromieniowania – będzie także ulegać zmianie.
Na rysunku 2. pokazano zależność maksymalnego punktu mocy ogniwa (MPP) od intensywności promieniowania słonecznego. Spadek dostępnej mocy zależy od stopnia nasłonecznienia, a na to wpływ ma także zacienienie. Jeśli przysłaniany jest pojedynczy panel, traci on na mocy, a pozostałe panele w instalacji, gdy są połączone szeregowo, będą oddawać do instalacji tylko taką moc, jak panel zacieniony. Pozostała część energii zostanie wytracona na ciepło emitowane przez panel przysłonięty.
Warto pamiętać, że przy szeregowym połączeniu paneli fotowoltaicznych częściowe zacienienie jednego z nich skutkuje podobnym spadkiem wydajności każdego z paneli z osobna. Łączna moc takiego szeregu będzie iloczynem liczby paneli oraz mocy dostępnej z zacienionego panela.
Aby zapobiec takim efektom, powinno się łączyć panele równolegle, gdy choćby jeden z nich jest narażony na zacienienie. Już na etapie doboru miejsca montażu paneli należy zatem zwrócić szczególną uwagę na możliwość zacieniania powierzchni montażu. Cień może pochodzić od takich obiektów, jak np.: linie i słupy elektryczne, kominy, wysokie drzewa czy elementy dachu. Warto przy tym zastanowić się nad możliwością pojawienia się cienia w przyszłości, np. od rozrastających się drzew czy planowanych w sąsiedztwie obiektów.
Uzupełniając informacje o sposobie łączenia paneli, trzeba dodać, iż przy szeregowym połączeniu moc instalacji stanowi sumę mocy poszczególnych paneli fotowoltaicznych, podobnie jest z napięciem na przewodach wyjściowych z pola paneli, a natężenie prądu jest takie, jak dla pojedynczego modułu. Panele połączone równolegle charakteryzują się mocą wynikającą z sumy mocy pojedynczych paneli (jak przy łączeniu szeregowym). Natomiast napięcie jest wówczas równe napięciu z pojedynczego panela, a natężenie prądu jest sumą natężeń z poszczególnych paneli.
 |
|
| 3. Nieprawidłowe (z lewej) i prawidłowe (z prawej) ułożenie modułów fotowoltaicznych narażonych na zacienienie, wyposażonych w diody obejścia [3] | 4. Sposób wyznaczenia odległości między wolno stojącymi rzędami paneli fotowoltaicznych [5] |
Zacienienie a diody obejściowe
Również w skali jednego modułu istotne jest zjawisko częściowego zacienienia, bowiem przesłonięcie jednego ogniwa skutkuje spadkiem wydajności całej konstrukcji. Producenci, aby zapobiec temu niepożądanemu zjawisku, łączą ogniwa za pośrednictwem specjalnych diod obejściowych. Od tego, ile tych diod jest zastosowanych, zależy podatność modułu na zjawisko spadku mocy spowodowanej zacienieniem. Montując moduły w miejscach, gdzie zacienienie jest nieuniknione, należy zatem dobrać takie ułożenie modułu, aby diody obejścia prawidłowo spełniały swoją rolę (rys. 3).
Rodzaj instalacji a inwerter
Każda instalacja fotowoltaiczna, oprócz ogniw fotowoltaicznych, musi być wyposażona w urządzenie nazywane inwerterem, które przekształci otrzymywany z ogniw prąd stały, w akceptowalny przez odbiorniki prąd przemienny. Dobór inwertera zasadniczo zależy od rodzaju instalacji fotowoltaicznej, która może pracować:
- w systemie wyspowym (autonomicznie), czyli niezależnie od sieci elektrycznej. Takie instalacje z ang. określa się „off grid”. Nie są one podłączone do sieci i nie oddają do niej nadwyżek energii elektrycznej;
- przy podłączeniu do sieci elektrycznej – instalacja jest z ang. określana „on grid”. Nadwyżki energii elektrycznej są wówczas sprzedawane do sieci elektrycznej lub sprzedawana jest cała dostępna energia elektryczna.
Wybór rodzaju instalacji należy do inwestora. Ze względów bezpieczeństwa inwertery dedykowane do pracy z siecią elektryczną wyłączają dopływ prądu z instalacji w przypadku zaniku prądu w sieci elektrycznej, natomiast inwertery typu „off grid” dostarczają energię elektryczną z instalacji zawsze, kiedy jest ona dostępna. Uniezależniają inwestora od dostaw prądu z sieci. Zależnie od potrzeb można stosować inwertery prądu jednofazowego lub trójfazowego. Aby zmagazynować energię elektryczną, instalacje typu „off grid” uzupełnia się o zestaw akumulatorów. Nadwyżki energii niewykorzystane w ciągu dnia mogą być zużywane po zachodzie słońca.
Nachylenie paneli i odległości
Montując ogniwa fotowoltaiczne na dachach, mamy do dyspozycji ograniczoną przestrzeń połaci dachowej, która dodatkowo może być zmniejszona przez fragmenty czasowo zacieniane. Kąt pochylenia dachu determinuje kąt montażu, gdyż nie ma sensu stosować na dachach pochyłych uchwytów zmieniających pochylenie paneli w stosunku do połaci dachowej. Łatwiej jest zatem projektować rozmieszczenie instalacji posadowionej na gruncie (lub dachu płaskim).
Wielu producentów proponuje gotowe systemy montażowe umożliwiające wybór optymalnego kąta montażu paneli fotowoltaicznych. Jeśli zdecydujemy się na taki system, znacząco skrócimy czas wykonania inwestycji i zyskamy pewność, że wszystko będzie do siebie pasować. Musimy jednak zwrócić baczną uwagę na odległości między rzędami instalacji (patrz ramka i rys. 4). Kolektory słoneczne lub ogniwa fotowoltaiczne powinny być tak rozmieszczone, aby nie rzucały na siebie nawzajem cienia.
| Wyznaczanie min. odległości między rzędami paneli |
|
Minimalną odległość między rzędami posadowionych na płaskiej powierzchni instalacji można wyznaczyć, korzystając z poniższego wzoru (1) [4]. Do wyznaczenia odległości Z musimy znać:
Przykładowo, dla Bydgoszczy położonej na szerokości geograficznej ok. φ = 53°, kąt padania promieni słonecznych wynosi β = 13,5°, a minimalna odległość dla przykładowych ogniw fotowoltaicznych o wysokości h = 1,65 m, ustawionych pod kątem α = 32°, wyniesie: Przedstawiony sposób wyznaczania minimalnej odległości między panelami gwarantuje, że nie będą wzajemne się zacieniać, przy założeniu, że kąt β padania promieni słonecznych jest przyjęty dla najkrótszego dnia w roku (21 grudnia) o godz. 12, czyli kiedy słońce jest w zenicie. O innych porach dnia zacienianie oczywiście także jest możliwe, jednakże ze względu na ograniczenia przestrzeni montażowej dla instalacji fotowoltaicznej takie założenie jest słuszne. |
Podsumowanie
Wykorzystanie energii słonecznej stanowi doskonałą alternatywę dla tradycyjnych źródeł energii. Na obecnym etapie zaawansowania technologicznego systemy fotowoltaiczne są już dopracowanymi instalacjami, mogącymi pokryć zapotrzebowanie na energię zarówno użytkowników indywidualnych, jak i obiektów przemysłowych. Największym obecnie utrudnieniem w eksploatacji systemów fotowoltaicznych jest magazynowanie pozyskanej energii elektrycznej. Akumulatory ze względu na straty energii nadają się do stosunkowo krótkotrwałego jej magazynowania, np. do wykorzystywania w nocy energii zmagazynowanej w ciągu poprzedniego dnia. Problematyczne jest także przekazywanie energii na dalsze odległości. Mimo to energia słoneczna jest przyszłością energetyki, także w naszym kraju. Przykładowo, do powierzchni Polski dociera rocznie ponad 300 razy więcej energii cieplnej niż roczne zapotrzebowanie naszego kraju na ciepło. W celu pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla całej Polski wystarczyłaby instalacja fotowoltaiczna o powierzchni około 800 km2.
Autor: Paweł Kowalski
Następny odcinek już jutro!
Cykl warsztatów instalatora OZE to projekt edukacyjny przygotowywany we współpracy redakcji Polskiego Instalatora oraz Polskiej Korporacji Techniki Sanitarnej, Grzewczej, Gazowej i Klimatyzacji – z dużymi firmami z branży OZE, mającymi bogate doświadczenie projektowe, produkcyjne, montażowe i serwisowe. Kierujemy go do potencjalnych projektantów i wykonawców takich instalacji, a być może także docelowych użytkowników. Kontynuujemy cykl o małych instalacjach fotowoltaicznych z firmą Viessmann.
Ogniwa fotowoltaiczne (cz. 2). Charakterystyka i warunki pracy
Obecnie na rynku spotykamy kilka rodzajów ogniw fotowoltaicznych i mają one zastosowanie oczywiście nie tylko w budownictwie. Większość z nich to ogniwa tzw. pierwszej generacji, wykonane z krzemu. Stosunkowo niedawno pokazano moduły z ogniw tzw. drugiej generacji, bazujące na technologii cienkowarstwowej.
Największą sprawnością (powyżej 15%) mogą pochwalić się panele monokrystaliczne z ogniw pierwszej generacji. Są one zbudowane z pojedynczych ogniw, utworzonych z jednorodnego kryształu krzemu o uporządkowanej budowie wewnętrznej. Podstawą do tworzenia ogniw są odpowiedniej wielkości bloki krzemu. Są one cięte na warstwy, których grubość wynosi około 0,3 mm.
Panele polikrystaliczne zbudowane są z ogniw składających się z wielu małych kryształów krzemu tworzących niejednolitą powierzchnię, która wyglądem przypomina szron na szybie. Moduły polikrystaliczne są mniej wydajne niż monokrystaliczne, jednak proces ich produkcji jest mniej złożony, a zatem tańszy. Panele te są najbardziej rozpowszechnione w zastosowaniach domowych i w dużych instalacjach.
Zupełnie inną strukturę krzemu mają ogniwa amorficzne. Grubość warstwy krzemu wynosi jedynie 2 mikrony i warstwa ta osadzona jest na powierzchni innego materiału, np. szkła. Moduły amorficzne występują zwykle w zegarkach lub kalkulatorach i innych przenośnych urządzeniach. Ich sprawność dochodzi do 8,5%.
Alternatywę dla opisanych technologii stanowią moduły cienkowarstwowe z ogniwami z selenku indowo-miedziowego CIS (CIGS) lub tellurku kadmu CdTe. Charakterystyczna ciemna i jednolita powierzchnia, bardziej jednorodna niż w przypadku materiałów krystalicznych, oraz duże możliwości tworzenia różnorodnych kształtów i wymiarów sprawiają, że moduły te mogą być wykorzystane w nowoczesnych budowlach architektonicznych. Sprawność tych ogniw wynosi od 12 do 14%.
Minimalna temperatura pracy
W przypadku kolektorów słonecznych wyższa temperatura wewnątrz kolektora powoduje zwiększenie strat ciepła, natomiast w przypadku ogniw fotowoltaicznych wyższa temperatura przyczynia się do spadku napięcia uzyskiwanego w ogniwie, a niższa temperatura pracy powoduje wzrost napięcia (rys. 1). Jest to istotna cecha paneli fotowoltaicznych, gdyż zmiany napięcia należy uwzględnić, dobierając inwerter, czyli urządzenie zamieniające prąd stały otrzymywany z ogniw na prąd przemienny gotowy do wprowadzenia do sieci elektrycznej. W naszej strefie klimatycznej, dobierając inwerter, należy przyjąć jako minimalną temperaturę pracy ogniwa fotowoltaicznego -25°C. Programy doborowe producentów inwerterów najczęściej mają założoną wyższą temperaturę (np. -10°C). Jak widać na rysunku 1. spadek temperatury skutkuje wzrostem napięcia stałego nawet dwukrotnie.
Łączenie szeregowe czy równoległe
Innym, bardzo istotnym zjawiskiem, którego wpływu nie wolno pominąć przy projektowaniu instalacji fotowoltaicznej, jest zacienienie. Jak wiemy, moduły fotowoltaiczne pracują w różnych warunkach atmosferycznych. W związku z tym, w czasie ich pracy intensywność napromieniowania będzie zmienna, a ich moc – wraz ze zmianą napromieniowania – będzie także ulegać zmianie.
Na rysunku 2. pokazano zależność maksymalnego punktu mocy ogniwa (MPP) od intensywności promieniowania słonecznego. Spadek dostępnej mocy zależy od stopnia nasłonecznienia, a na to wpływ ma także zacienienie. Jeśli przysłaniany jest pojedynczy panel, traci on na mocy, a pozostałe panele w instalacji, gdy są połączone szeregowo, będą oddawać do instalacji tylko taką moc, jak panel zacieniony. Pozostała część energii zostanie wytracona na ciepło emitowane przez panel przysłonięty.
Warto pamiętać, że przy szeregowym połączeniu paneli fotowoltaicznych częściowe zacienienie jednego z nich skutkuje podobnym spadkiem wydajności każdego z paneli z osobna. Łączna moc takiego szeregu będzie iloczynem liczby paneli oraz mocy dostępnej z zacienionego panela.
Aby zapobiec takim efektom, powinno się łączyć panele równolegle, gdy choćby jeden z nich jest narażony na zacienienie. Już na etapie doboru miejsca montażu paneli należy zatem zwrócić szczególną uwagę na możliwość zacieniania powierzchni montażu. Cień może pochodzić od takich obiektów, jak np.: linie i słupy elektryczne, kominy, wysokie drzewa czy elementy dachu. Warto przy tym zastanowić się nad możliwością pojawienia się cienia w przyszłości, np. od rozrastających się drzew czy planowanych w sąsiedztwie obiektów.
Uzupełniając informacje o sposobie łączenia paneli, trzeba dodać, iż przy szeregowym połączeniu moc instalacji stanowi sumę mocy poszczególnych paneli fotowoltaicznych, podobnie jest z napięciem na przewodach wyjściowych z pola paneli, a natężenie prądu jest takie, jak dla pojedynczego modułu. Panele połączone równolegle charakteryzują się mocą wynikającą z sumy mocy pojedynczych paneli (jak przy łączeniu szeregowym). Natomiast napięcie jest wówczas równe napięciu z pojedynczego panela, a natężenie prądu jest sumą natężeń z poszczególnych paneli.
Zacienienie a diody obejściowe
Również w skali jednego modułu istotne jest zjawisko częściowego zacienienia, bowiem przesłonięcie jednego ogniwa skutkuje spadkiem wydajności całej konstrukcji. Producenci, aby zapobiec temu niepożądanemu zjawisku, łączą ogniwa za pośrednictwem specjalnych diod obejściowych. Od tego, ile tych diod jest zastosowanych, zależy podatność modułu na zjawisko spadku mocy spowodowanej zacienieniem. Montując moduły w miejscach, gdzie zacienienie jest nieuniknione, należy zatem dobrać takie ułożenie modułu, aby diody obejścia prawidłowo spełniały swoją rolę (rys. 3).
Rodzaj instalacji a inwerter
Każda instalacja fotowoltaiczna, oprócz ogniw fotowoltaicznych, musi być wyposażona w urządzenie nazywane inwerterem, które przekształci otrzymywany z ogniw prąd stały, w akceptowalny przez odbiorniki prąd przemienny. Dobór inwertera zasadniczo zależy od rodzaju instalacji fotowoltaicznej, która może pracować:
⚫⚫w systemie wyspowym (autonomicznie), czyli niezależnie od sieci elektrycznej. Takie instalacje z ang. określa się „off grid”. Nie są one podłączone do sieci i nie oddają do niej nadwyżek energii elektrycznej;
⚫⚫przy podłączeniu do sieci elektrycznej – instalacja jest z ang. określana „on grid”. Nadwyż- ki energii elektrycznej są wówczas sprzedawane do sieci elektrycznej lub sprzedawana jest cała dostępna energia elektryczna.
Wybór rodzaju instalacji należy do inwestora. Ze względów bezpieczeństwa inwertery dedykowane do pracy z siecią elektryczną wyłączają dopływ prądu z instalacji w przypadku zaniku prądu w sieci elektrycznej, natomiast inwertery typu „off grid” dostarczają energię elektryczną z instalacji zawsze, kiedy jest ona dostępna. Uniezależniają inwestora od dostaw prądu z sieci. Zależnie od potrzeb można stosować inwertery prądu jednofazowego lub trójfazowego. Aby zmagazynować energię elektryczną, instalacje typu „off grid” uzupełnia się o zestaw akumulatorów. Nadwyżki energii niewykorzystane w ciągu dnia mogą być zużywane po zachodzie słońca.
Nachylenie paneli i odległości
Montując ogniwa fotowoltaiczne na dachach, mamy do dyspozycji ograniczoną przestrzeń połaci dachowej, która dodatkowo może być zmniejszona przez fragmenty czasowo zacieniane. Kąt pochylenia dachu determinuje kąt montażu, gdyż nie ma sensu stosować na dachach pochyłych uchwytów zmieniających pochylenie paneli w stosunku do połaci dachowej. Łatwiej jest zatem projektować rozmieszczenie instalacji posadowionej na gruncie (lub dachu płaskim).
Wielu producentów proponuje gotowe systemy montażowe umożliwiające wybór optymalnego kąta montażu paneli fotowoltaicznych. Jeśli zdecydujemy się na taki system, znacząco skrócimy czas wykonania inwestycji i zyskamy pewność, że wszystko będzie do siebie pasować. Musimy jednak zwrócić baczną uwagę na odległości między rzędami instalacji (patrz ramka i rys. 4). Kolektory słoneczne lub ogniwa fotowoltaiczne powinny być tak rozmieszczone, aby nie rzucały na siebie nawzajem cienia.
Podsumowanie
Wykorzystanie energii słonecznej stanowi doskonałą alternatywę dla tradycyjnych źródeł energii. Na obecnym etapie zaawansowania technologicznego systemy fotowoltaiczne są już dopracowanymi instalacjami, mogącymi pokryć zapotrzebowanie na energię zarówno użytkowników indywidualnych, jak i obiektów przemysłowych. Największym obecnie utrudnieniem w eksploatacji systemów fotowoltaicznych jest magazynowanie pozyskanej energii elektrycznej. Akumulatory ze względu na straty energii nadają się do stosunkowo krótkotrwałego jej magazynowania, np. do wykorzystywania w nocy energii zmagazynowanej w ciągu poprzedniego dnia. Problematyczne jest także przekazywanie energii na dalsze odległości. Mimo to energia słoneczna jest przyszłością energetyki, także w naszym kraju. Przykładowo, do powierzchni Polski dociera rocznie ponad 300 razy więcej energii cieplnej niż roczne zapotrzebowanie naszego kraju na ciepło. W celu pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla całej Polski wystarczyłaby instalacja fotowoltaiczna o powierzchni około 800 km2.
