Ogniwo słoneczne

Ogniwo fotowoltaiczne
(Przekierowano z Baterie słoneczne)

Ogniwo słoneczne, ogniwo fotowoltaiczne, ogniwo fotoelektryczne, fotoogniwo – element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana (konwersja) energii promieniowania słonecznego (światła) w energię elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego. Poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (zob. nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Panele słoneczne zasilające latarnię uliczną
Panele słoneczne złożone z baterii ogniw
Wyposażony w ogniwa słoneczne Bydgoski Tramwaj Wodny „Słonecznik”
Ogniwo słoneczne
Symbol fotoogniwa

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował Alexandre Edmond Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później William Grylls Adams i jego uczeń, Richard Evans Day.

Fotoogniwa są produkowane z materiałów półprzewodnikowych, najczęściej z krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu ma nominalne napięcie ok. 0,5 wolta. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych można otrzymać baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną liczbą ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw.

Zasada działania

edytuj

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika ze złączem p-n, na które pada światło. Padające na złącze fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika powodują powstanie par elektron-dziura. Pole elektryczne wewnątrz półprzewodnika, związane z obecnością złącza p-n, przesuwa nośniki różnych rodzajów w przeciwne strony. Elektrony trafiają do obszaru n, dziury do obszaru p. Rozdzielenie nośników ładunku w złączu powoduje powstanie na nim zewnętrznego napięcia elektrycznego. Ponieważ rozdzielone nośniki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu p-n jest stałe, oświetlone złącze działa jak ogniwo elektryczne, czyli takie, w którym źródłem prądu są reakcje chemiczne zachodzące między elektrodą a elektrolitem.

Zastosowania

edytuj

Fotoogniwa są stosowane przede wszystkim jako trwałe i niezawodne źródła energii w elektrowniach słonecznych, kalkulatorach, zegarkach, plecakach, sztucznych satelitach, samochodach z napędem hybrydowym, a także w automatyce – jako czujniki fotoelektryczne i fotodetektory w fotometrii. Inne zastosowania to:

  • elektronika użytkowa, lampy ogrodowe, oświetlanie znaków drogowych i wspomaganie sygnalizacji świetlnej;
  • zasilanie elektroniki promów i sond kosmicznych, stacji orbitalnych i sztucznych satelitów Ziemi (w przestrzeni kosmicznej promieniowanie słoneczne jest o wiele silniejsze);
  • ładowywanie akumulatorów w dzień a wykorzystywanie energii w nocy na jachtach, kempingach, domach jednorodzinnych;
  • zasilanie układów telemetrycznych w stacjach pomiarowo-rozliczeniowych gazu ziemnego, ropy naftowej oraz energii elektrycznej;
  • zasilanie automatyki przemysłowej i pomiarowej;
  • produkcja energii w elektrowniach słonecznych.

Skala przemysłowa

edytuj
Osobny artykuł: energetyka słoneczna.

Ze względu na wysoką cenę, ogniwa fotowoltaiczne nie były w XX wieku masowo wykorzystywane jako źródło energii. Cena ta jednak stopniowo spadała, a na początku XXI wieku wiele państw zaczęło wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalacji słonecznych. Wywołało to rozwój fotowoltaiki przemysłowej i dalszy spadek cen ogniw słonecznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5 USD/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3 USD/wat[1]. Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc elektrowni słonecznych w kolejnych latach.

Rozwój fotowoltaiki przemysłowej w XXI wieku[2][3]
Rok 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013
Moc elektrowni
słonecznych (MW)
1455 1779 2248 2839 3989 5426 7013 9571 15 900 23 042 39 777 67 350 100 115 136 700
Roczny wzrost 48,7% 22,3% 26,4% 26,3% 40,5% 36,0% 29,3% 36,5% 66,1% 44,9% 72,6% 69,3% 48,6% 35,0%

Gwałtowny wzrost inwestycji w instalacje fotowoltaiczne oraz spadek ich cen doprowadził do ograniczenia wsparcia w formie taryf gwarantowanych w krajach takich jak Niemcy czy Austria. Mimo obniżenia wsparcia rynek energii ze źródeł odnawialnych w tamtych krajach nadal dynamicznie rośnie[4]. Szacuje się, że trend ten dopiero wejdzie do Polski. Od 14 września 2013 r. obowiązuje bowiem nowelizacja ustawy prawo energetyczne, która umożliwia podłączenie systemu fotowoltaicznego (zdefiniowanego w ustawie jako „mikroinstalacja” o mocy do 40 kW) do sieci elektrycznej bez uzyskiwania zezwoleń[5].

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

edytuj
 
Porównanie efektywności ogniw słonecznych wytwarzanych w różnych technologiach. Obecnie znane są już ogniwa o efektywności powyżej 40%. Masowo produkowane ogniwa osiągają efektywność około 20%. Prowadzi się również badania nad ogniwami polimerowymi i organicznymi, które mimo mniejszej efektywności miałyby korzystniejszy stosunek energii do ceny wytworzenia.

Ogniwa I generacji (grubowarstwowe)

edytuj

monokrystaliczne – najwydajniejszy rodzaj ogniw fotowoltaicznych. Wytwarzane z monokryształu krzemu, charakteryzują się wysoką sprawnością i długą żywotnością. Ze względu na czasochłonny proces produkcji, ogniwa monokrystaliczne są najdroższym rodzajem ogniw. Mają charakterystyczny, czarny kolor.

polikrystaliczne – tańsze w produkcji i mniej wydajne niż ogniwa monokrystaliczne. Wytwarzane z płytek krzemowych, których struktura krystaliczna jest nieregularna. Ich sprawność oscyluje pomiędzy 15–18%. Mają niebieski kolor i widoczną strukturę kryształów krzemu, która przypomina szron.

Ogniwa II generacji (cienkowarstwowe)

edytuj

Ogniwa drugiej generacji wykonywane są z takich materiałów jak tellurek kadmu, krzemu amorficznego, czy też mieszanki miedzi, indu, galu i selenu. Ze względu na bardzo cienką warstwę (od 0,001 do 0,08 mm) ogniwa tej generacji są znacznie tańsze niż ogniwa z krystalicznego krzemu. Półprzewodniki w tych ogniwach nakłada się za pomocą naparowywania, napylania oraz epitaksji. Ogniwa II generacji mogą być bardzo elastyczne, dzięki czemu można je wykorzystywać jako elementy budowlane.

Ogniwa III generacji (w trakcie badań)

edytuj

Bazują na bardzo różnych technologiach i nie są oparte na złączach półprzewodnikowych p-n. Tego typu ogniwa nie są jeszcze skomercjalizowane i mają charakter nowatorski. Ze względu na to, że ogniwa te są w trakcie badań, charakteryzują się jeszcze niską sprawnością i żywotnością. Największą zaletą ogniw III generacji jest niezwykle niski koszt produkcji oraz nietoksyczność. Można wymienić takie ogniwa jak:

Awaryjność paneli fotowoltaicznych

edytuj

Na podstawie danych Instytutu TÜV Rheinland zebranych z wielu farm fotowoltaicznych, instalacji przemysłowych i mikroinstalacji domowych, przeanalizowano najczęstsze problemy i uszkodzenia modułów pv. Do nich należą:

  • Pęknięcia szyby
  • PID(inne języki) (Potential Induced Degradation degradacja indukowana napięciem) – utrata mocy przez moduł fotowoltaiczny wywołana upływem prądu z ogniwa fotowoltaicznego do jego obudowy i ziemi[7][8].
  • Ślimacze ścieżki – widoczne mikropęknięcia w warstwie krzemu formujące się w ścieżki, po pewnym czasie mogą być przyczyną procesu chemicznego zmieniającego powierzchnię ogniw i powodować powstawanie tzw. hot spotów[9].
  • Wadliwa folia ochronna
  • Odklejanie się folii ochronnej
  • Hot spoty
  • Zabrudzenia paneli pv
  • Przegrzewanie się skrzynki przyłączeniowej
  • Awaria diody bocznikowej lub skrzynki przyłączeniowej
  • Wadliwa instalacja

W panelach fotowoltaicznych nie wykonuje się żadnych napraw oprócz czyszczenia, wymiany skrzynki przyłączeniowej, czy diody bocznikowej. Panele fotowoltaiczne mogą działać przez długi czas, pomimo wystąpienia niektórych usterek. Delaminacja folii czy zmniejszenie wydajności nie powodują natychmiastowej awarii modułu, a jedynie jego przyśpieszoną degradację i niższe uzyski energii.

Testy wytrzymałościowe paneli fotowoltaicznych

edytuj

Panele fotowoltaiczne poddaje się czterem głównym testom wytrzymałościowym. Do nich należą:

  1. Test cyklów termicznych – badanie sprawdza połączenia między warstwami poddane nagłym zmianom temperatury. Procedura polega na wykonaniu 800 cykli chłodzenia i przegrzewania paneli od -40 do 85 °C oraz traktowanie modułów wysokim prądem podczas ochładzania i podgrzewania. Najlepsze panele tracą mniej niż 2% na teście. Normalne panele certyfikowane według IEC 61215 tracą mniej niż 5% mocy po 200 takich cyklach.
  2. Test wilgoci i ciepła – badanie sprawdza połączenia między poszczególnymi warstwami panelu słonecznego. Test polega na umieszczeniu modułu w środowisku względnej wilgotności na poziomie 85%, przy temperaturze 85 °C, na 2000 godzin (ok. 84 dni). Normalne panele słoneczne certyfikowane według IEC 61215 wytrzymują w takich warunkach ok. 1000 godzin. Najlepsze panele słoneczne tracą mniej niż 2% mocy po takim teście.
  3. Test obciążeń dynamicznych – badanie sprawdza odporność na mikropęknięcia i pękanie poszczególnych elementów pod wpływem uciążliwych warunków i obciążeń. Procedura polega na obciążaniu modułów naprzemiennym naciskiem 1000 Pa (1000 cykli), następnie badanie obciążeń termicznych od -40 do 85 °C (50 cykli), kolejny etap to 3 serie po 10 cykli nawilgacania i zamarzania (85 °C i wilgotność na poziomie 85% przez 20 godzin, a potem gwałtowne oziębianie do –40 °C). Najlepsze panele fotowoltaiczne tracą mniej niż 2% mocy po takim teście.
  4. Test PID – badanie dotyczy odporności na zjawisko PID. Test składa się z dwóch 96 godzinnych sesji. Podczas tych sesji między ogniwa a obudowę panela podawane jest maksymalne dopuszczalne dla danego panela napięcie (1000 do 1500 V), przy temperaturze 85 °C oraz względnej wilgotności około 85%. Najlepsze panele fotowoltaiczne tracą mniej niż 2% mocy.

Przypisy

edytuj
  1. Solar module pricing. solarbuzz.com. [dostęp 2012-02-14]. [zarchiwizowane z tego adresu (8 grudnia 2012)]. (ang.).
  2. BP Statistical World Energy Review 2013. BP p.l.c.. [dostęp 2014-12-04]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-12-06)]. (ang.).
  3. EPIA Market Report 2013. European Photovoltaic Industry Association, marzec 2014. [dostęp 2015-01-08]. (ang.).
  4. Dariusz Szwed: Zaczęła się globalna era energii odnawialnej. [dostęp 2015-01-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-01-27)].
  5. Internetowy System Aktów Prawnych: Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne.
  6. Włodzimierz Kotowski: Trzecia generacja baterii słonecznych. [dostęp 2010-11-20].
  7. Degradacja PID w panelach fotowoltaicznych [online], Akademia Fotowoltaiki, 5 lipca 2023 [dostęp 2024-04-03] (pol.).
  8. Czym jest efekt degradacji indukowanej potencjałem (PID) i jak go uniknąć? [online], Czym jest efekt degradacji indukowanej potencjałem (PID) i jak go uniknąć? [dostęp 2024-04-07] (ang.).
  9. Rodzaje uszkodzeń i wady paneli fotowoltaicznych: część I | gminazenergia.pl [online], gminazenergia.pl [dostęp 2024-04-03].

Linki zewnętrzne

edytuj