Budownictwo / Technologia · 6 lutego 2019

System fotowoltaiczny

System fotowoltaiczny  – wykorzystywanie energii słonecznej staje się coraz bardziej popularne. Fotowoltaika jest procesem przekształcania światła słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną. Efekt fotowoltaiczny (PV) zaobserwowano pierwszy raz w 1839 roku. Jednak dopiero w 1954 roku naukowcy byli w stanie odkryć dokładnie, jak to działa.

Jak działa proces PV?

Proces fotowoltaiczny (PV) to metoda konwersji światła słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną za pomocą półprzewodnikowych materiałów. Podstawowym elementem tego procesu jest ogniwo fotowoltaiczne, które najczęściej wykonane jest z krzemu. Kiedy światło słoneczne pada na ogniwo fotowoltaiczne, fotony (cząsteczki światła) zderzają się z atomami krzemu, co powoduje wybicie elektronów z ich pozycji w atomach. To zjawisko jest znane jako efekt fotowoltaiczny. W wyniku tego procesu, elektrony stają się swobodne i zaczynają się poruszać w materiale półprzewodnikowym. Ogniwo fotowoltaiczne jest zbudowane z dwóch warstw krzemu: jednej warstwy typu p (dodatniej) i jednej warstwy typu n (ujemnej). Pomiędzy tymi warstwami powstaje złącze p-n, które tworzy wewnętrzne pole elektryczne. Gdy elektrony przemieszczają się z warstwy n do warstwy p, pole elektryczne kieruje je w określonym kierunku, co generuje prąd elektryczny. Prąd stały (DC) wytworzony przez ogniwa fotowoltaiczne jest następnie przekształcany na prąd zmienny (AC) za pomocą inwertera, aby mógł być używany do zasilania urządzeń elektrycznych w domach i firmach lub przesyłany do sieci energetycznej. Podsumowując, proces PV jest prostym, ale efektywnym sposobem na przekształcenie energii słonecznej w użyteczną energię elektryczną, wspierając zrównoważone źródła energii i redukując zależność od paliw kopalnych.

W jaki sposób zainstalowane są panele słoneczne?

fotowoltaika Kielce

fotowoltaika Kielce

Panele słoneczne składają się z wielu ogniw słonecznych. Liczba i rodzaj zastosowanych ogniw słonecznych zależy od wymaganego napięcia wymaganego przez panel słoneczny. Panele są instalowane w sposób, który pozwala na pochłanianie jak największej ilości światła słonecznego. Najpierw wybiera się rodzaj panelu, który chcemy zainstalować. Tradycyjne panele słoneczne są najbardziej wydajne. Są jednak większe i cięższe niż pozostałe dwa typy. Cienkowarstwowe panele fotowoltaiczne są lżejsze i tańsze od innych, ale generalnie są mniej wydajne. Zazwyczaj instaluje się na budynkach mieszkalnych. Po wyborze typu panelu słonecznego, należy zdecydować, która lokalizacja będzie najlepsza. Instalatorzy przeanalizują drogę słońca, aby wybrać właściwe miejsce. Najlepiej, jeśli panele będą skierowane na południe i nie zacienione. Wtedy pochłaniają najwięcej światła słonecznego w ciągu dnia.

Krzem krystaliczny

Prawie 90% światowej fotowoltaiki opiera się na pewnej wariacji krzemu. Używany w PV przybiera wiele postaci. Główną różnicą jest czystość krzemu. Im lepiej dopasowane są cząsteczki krzemu, tym lepiej ogniwo słoneczne będzie przekształcać energię słoneczną (światło słoneczne) w energię elektryczną. Wydajność paneli słonecznych idzie w parze z czystością. Jednak procesy stosowane w celu zwiększenia czystości krzemu są drogie. Wydajność nie powinna być podstawową troską. Tak naprawdę efektywność kosztowa i przestrzenna są decydującymi czynnikami.

Monokrystaliczne krzemowe panele słoneczne

Ogniwa słoneczne wykonane są z monokrystalicznego krzemu, zwanego też jednokrystalicznym. Są dość łatwo rozpoznawalne dzięki zewnętrznemu równomiernemu kolorowi i jednolitemu wyglądowi. Wskazuje to na krzem o wysokiej czystości. Są wykonane z wlewków krzemowych, które mają kształt cylindryczny. Aby zoptymalizować wydajność i obniżyć koszty pojedynczego monokrystalicznego ogniwa słonecznego.

Z cylindrycznych wlewek wycina się cztery boki, aby uzyskać płytki krzemowe. Dlatego monokrystaliczne panele słoneczne mają charakterystyczny wygląd. Dobrym sposobem na rozdzielenie mono- i polikrystalicznych paneli słonecznych jest to, że polikrystaliczne ogniwa słoneczne są idealnie prostokątne, bez zaokrąglonych krawędzi.

Polikrystaliczne krzemowe panele słoneczne

Pierwsze panele oparte na krzemie polikrystalicznym zostały wprowadzone na rynek w 1981 roku. Surowy krzem jest topiony i wlewany do kwadratowej formy, która jest chłodzona i cięta na idealnie kwadratowe kawałki.

Cienkowarstwowe panele słoneczne

Odkładanie jednej lub kilku cienkich warstw materiału fotowoltaicznego na podłożu jest podstawowym sposobem wytwarzania cienkowarstwowych ogniw słonecznych. W zależności od technologii, prototypy modułów cienkowarstwowych osiągnęły efektywność między 7-13%, a modułami produkcyjnymi około 9%. Oczekuje się, że w przyszłości wzrosną do 10-16%.

Panele słoneczne z amorficznego krzemu

Moc wyjściowa energii jest niska, dlatego ogniwa słoneczne oparte na amorficznym krzemie były tradycyjnie używane na małą skalę, np. do małych kalkulatorów. Jednak ostatnio stały się popularne również na większą skalę.  Dzięki technice wytwarzania zwanej układaniem w stosy można połączyć kilka warstw bezpostaciowego krzemowego ogniwa słonecznego, co skutkuje wyższą wydajnością (zazwyczaj 6-8%).

Kadmowe panele słoneczne

Kadmowe panele słoneczne, znane również jako CdTe (cadmium telluride), są jednym z rodzajów paneli fotowoltaicznych wykorzystujących technologię cienkowarstwową. W przeciwieństwie do tradycyjnych paneli krzemowych, kadmowe panele słoneczne wykorzystują cienką warstwę kadmowo-telurkową jako materiał fotowoltaiczny. Cechą charakterystyczną kadmowych paneli słonecznych jest ich wydajność w warunkach słabego oświetlenia i wysokich temperatur, co sprawia, że są one atrakcyjnym rozwiązaniem dla obszarów o zmiennej pogodzie. Ponadto, produkcja kadmowych paneli słonecznych jest zazwyczaj tańsza niż produkcja tradycyjnych paneli krzemowych, co może przyczynić się do obniżenia kosztów instalacji. Jednak istnieje pewna kontrowersja wokół stosowania kadmu w panelach słonecznych ze względu na jego toksyczność i wpływ na środowisko podczas procesu produkcji oraz utylizacji. W związku z tym, mimo swoich zalet, kadmowe panele słoneczne są przedmiotem debaty w kontekście zrównoważonej energii odnawialnej.

Miedziane panele słoneczne

Miedziane panele słoneczne, zwane również CIGS (copper indium gallium selenide), to zaawansowana technologia cienkowarstwowa stosowana w fotowoltaice. W odróżnieniu od tradycyjnych paneli krzemowych, panele CIGS wykorzystują cienką warstwę miedzi, indu, galu i selenku jako materiał fotowoltaiczny. Technologia ta charakteryzuje się wysoką wydajnością konwersji energii słonecznej na elektryczną, osiągającą nawet do 20% w warunkach laboratoryjnych. Jednym z głównych atutów miedzianych paneli słonecznych jest ich elastyczność i lekkość, co umożliwia instalację na różnych powierzchniach, w tym na elastycznych substratach, takich jak folie czy tkaniny. Dzięki temu znajdują zastosowanie nie tylko na dachach budynków, ale również w innowacyjnych rozwiązaniach, takich jak zintegrowane systemy fotowoltaiczne na fasadach budynków czy przenośne źródła energii. Kolejną zaletą paneli CIGS jest ich efektywność w warunkach słabego oświetlenia i tolerancja na wysokie temperatury, co sprawia, że są one odpowiednie do stosowania w różnych klimatach. Ponadto, proces produkcji paneli CIGS jest mniej energochłonny niż w przypadku paneli krzemowych, co może prowadzić do niższych kosztów produkcji i mniejszego wpływu na środowisko. Jednakże, jak każda technologia, miedziane panele słoneczne mają również swoje wyzwania. Produkcja materiałów takich jak ind i gal może być kosztowna i ograniczona przez dostępność surowców. Mimo to, rozwój technologii CIGS jest obiecującym kierunkiem w dążeniu do bardziej efektywnych i zrównoważonych rozwiązań energetycznych.

angielski