Ogniwa i moduły fotowoltaiczne

Ogniwa fotowoltaiczne (PV), są - dzięki absorpcji i konwersji promieniowania słonecznego - źródłem energii elektrycznej.

Z punktu widzenia ochrony środowiska, w porównaniu do produkcji energii elektrycznej w oparciu o paliwa kopalne, każdy kW instalacji fotowoltaicznej pozwala zaoszczędzić do 16 kg NOx i 9 kg SOx, a jednocześnie od 600 do 2300 kg CO2, w zależności od składu paliwa i natężenia promieniowania słonecznego.

Maksymalna wartość generowanego napięcia dla pojedynczego ogniwa krzemowego nie przekracza 0,6V, a moc osiąga wartość od 1 do 2W. Dla zastosowań praktycznych wymagane jest znacznie większe napięcie elektryczne, dlatego pojedyncze ogniwa łączy się ze sobą szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle, tworząc w ten sposób moduły fotowoltaiczne.

Ogniwa i moduły fotowoltaiczne używane są w trzech podstawowych obszarach: elektronice powszechnego użytku, systemach wolnostojących i systemach dołączonych do sieci elektroenergetycznej. Małe ogniwa fotowoltaiczne, generujące od kilku mW do kilku W mocy, zasilają zegarki, kalkulatory, zabawki, radia, przenośne telewizory i wiele innych dóbr konsumpcyjnych. Duże instalacje, składające się z wielu połączonych w jeden układ generujący energię, modułów – przekazują energię elektryczną do sieci energetycznej.

W ostatnich pięciu latach wzrost ilości zainstalowanych ogniw i modułów fotowoltaicznych na świecie kształtował się na poziomie 30% rocznie, skutkiem czego jest czterokrotny przyrost ich rocznej produkcji w tym okresie. W roku 2003 wzrost ten wyniósł rekordowo 32,4%, dając roczną światową produkcję w ilości 744,08 MW, a w samej Europie wzrost o 43% skutkował roczną produkcją 193,35 MW. Obecnie 90% światowej produkcji ogniw do zastosowań naziemnych stanowią ogniwa z krystalicznego krzemu.

Pojedyncze ogniwo krzemowe i schemat konwersji fotowoltaicznej

Chociaż systemy fotowoltaiczne mogą sprowadzać się do tak prostego rozwiązania jak: moduł i obciążenie (np. pompa wodna lub wiatraczek), to najczęściej muszą one zasilać w energię urządzenia pracujące nie tylko wtedy, gdy są w stanie ją wytworzyć. Dlatego system musi być wyposażony w układ do akumulowania wyprodukowanej energii (baterię akumulatorów) lub korzystać z podłączenia do sieci elektroenergetycznej (wówczas sieć spełnia rolę akumulatora: moduły oddają nadwyżki energii lub system czerpie energię z sieci, gdy sam produkuje jej zbyt mało).

Pierwszym krokiem przy dokonywaniu doboru elementów instalacji fotowoltaicznej jest określenie rodzaju instalacji:

instalacja stacjonarna (ang.: stand-alone) czy nadążna (ang.:sun-tracking),
instalacja samodzielna (ang.:off-grid) czy dołączona do sieci (ang.: in-grid).

Główne składniki systemu fotowoltaicznego

Systemy stacjonarne (nieruchome względem Słońca) powinny być ustawione pod kątem optymalnym i skierowane na południe. W systemie nadążnym układ mechaniczny korzystając z dwóch zmiennych, charakteryzujących położenie Słońca ustawia moduły tak, aby promienie słoneczne padały prostopadle na ich powierzchnie. Ruch odbywa się w dwóch płaszczyznach. Układy nadążne ilustrują pliki: http://pl.youtube.com/watch?v=nKa7-pFz2iY&feature=related i http://pl.youtube.com/watch?v=Ud09alYMSJY&NR=1 .

Podstawowym kryterium doboru modułów jest wymagana moc nominalna (od 2-4 kW dla domu jednorodzinnego do kilkuset megawatów dla instalacji naziemnych o największej skali) oraz miejsce montażu (dach o określonym nachyleniu, elewacja budynku, samodzielny system na stelażu) z uwzględnieniem wielkości systemu.

Przy wyborze rodzaju modułów PV należy wziąć pod uwagę, jak różne rodzaje ogniw pracują w warunkach zmiennego nasłonecznienia (ogniwa cienkowarstwowe osiągają lepsze efekty przy słabym nasłonecznieniu niż ogniwa krystaliczne), w warunkach częściowego zacienienia, w zmiennej temperaturze. Na świecie dominują moduły z krystalicznego krzemu: mono- i polikrystaliczne (prawie 90% wszystkich stosowanych w instalacjach naziemnych modułów). Standardowy moduł składa się z 36-72 ogniw połączonych szeregowo-równolegle i generuje 50-140 W przy natężeniu promieniowania 1000 W/m2.

Najpoważniejszym problemem podczas projektowania samodzielnych układów fotowoltaicznych jest dopasowanie wielkości źródła zasilania (mocy modułów PV) i baterii akumulatorów do poziomu zapotrzebowania na energię elektryczną na podstawie oszacowanego dziennego zużycia energii elektrycznej. Sytuacja staje się trudniejsza, gdy źródło to ma być wystarczające przez cały rok. Na niektórych obszarach prowadzi to do nieekonomicznego zwiększenia powierzchni modłów fotowoltaicznych i baterii akumulatorów.

Dlatego w przypadku korzystania z obiektu, wyposażonego w instalację PV przez cały rok zaleca się użycie systemu, w którym jest ona wspomagana przez inne źródło energii elektrycznej w okresach niewystarczającego nasłonecznienia.

Topologia samodzielnego systemu fotowoltaicznego (PV)

Konwencjonalne układy zasilania z wykorzystaniem energii słonecznej zwykle pracują w połączeniu z magazynem energii elektrycznej w postaci baterii akumulatorów i posiadają następujące elementy składowe:

Proces montażu systemu autonomicznego przedstawiono na filmie: http://pl.youtube.com/watch?v=T3z9TX4yOEY&feature=related. Jak pracuje duży autonomiczny system energetyczny ilustruje animacja filmowa, prezentowana przez firmę SMA, specjalizującą się w produkcji elementów systemów fotowoltaicznych: http://www.windandpower.pl/?lang=&p1=&p2=1&id=346 (UWAGA: Duży plik: ok. 17MB. Film w wersji anglojęzycznej).

Duża ilość systemów fotowoltaicznych na całym świecie - to systemy podłączone do sieci. W takich systemach konieczne jest zastosowanie jednego lub kilku inwerterów, przekształcających napięcie stałe (DC) na dwu- lub trójfazowe zmienne napięcie o częstotliwości sieciowej (AC). Inwerter zawiera zwykle wbudowany układ śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPP).

Systemy fotowoltaiczne zintegrowane z budynkami (BIPV - ang. Building Integrated Photovoltaics), najczęściej dołączone do sieci – to jedna z najbardziej obiecujących form wykorzystania energii słonecznej, pozwalająca na połączenie systemu generującego energię elektryczną z obiektami takimi jak domy mieszkalne, szkoły i biurowce. Instalacje takie powstają na całym świecie, głównie w przypadku prestiżowych projektów, takich jak np. olbrzymie biurowce wielkich korporacji.

Koncepcje zastosowania inwerterów w systemach fotowoltaicznych :

a) układ kilku równolegle połączonych szeregów modułów PV, dołączony do centralnego inwertera; ograniczenie do kilkuset kW mocy,

b) kilka szeregów modułów PV o mocy od 500 W do 2,5 kW, każdy dołączony do inwertera,

c) inwertery dołączone indywidualnie do każdego z modułów; rozwiązanie korzystne, gdy pojedyncze moduły są zacienione lub nie mają tej samej mocy znamionowej .

BIPV - są to zasadniczo instalacje projektowane i konstruowane w fazie budowy budynku. Mogą one jednak powstać – jeśli jest to konieczne i możliwe – również na późniejszych etapach. W zależności od tego jak oraz kiedy system fotowoltaiczny został zainstalowany, rozróżnia się następujące instalacje zintegrowane z budynkami: