Moduły fotowoltaiczne – od gadżetów do dużych systemów

Energia słoneczna jest źródłem fotosyntezy, zapewniającej wzrost roślinom, jest też źródłem energii elektrycznej dzięki ogniwom fotowoltaicznym.

Różnorodne ogniwa fotowoltaiczne, z których powstają miniaturowe moduły stosowane w zegarach, czy moduły, które łączone są w panele, mogą być wykorzystywane do tworzenia elektrowni fotowoltaicznych o mocy wielu megawatów.

Zjawisko fotowoltaiczne

PhotoVoltaics – światło i napięcie, wykorzystywane w fotoogniwach baterii słonecznych, odkrył w 1839 r. francuski fizyk A. C. Becquerel. W półprzewodniku pod wpływem fotonów (światła) powstaje napięcie – siła elektromotoryczna (SEM). Jest to zmiana energii promieniowania słonecznego bezpośrednio w energię elektryczną.Największą wydajność pracy ogniw fotowoltaicznych (ponad 15 proc.) uzyskuje się przy zastosowaniu krzemu amorfi cznego, a największą sprawność mają fotoogniwa wykonane z materiału półprzewodnikowego GaAs (arsenku galu). Fotoogniwa są bardzo trwałymi elementami, ich trwałość wynosi 20 lat. Z fotoogniw buduje się moduły, które łączy się przewodami w panele, służące np. fotowolataice domowej.

Gadżety zasilane energią słoneczną

Ogniwa i moduły znalazły zastosowanie w zasilaniu różnych urządzeń codziennego użytku, przede wszystkim są przydatne są tam, gdzie nie ma dostępu do prądu elektrycznego z sieci energetycznej.

Miniaturowe ogniwa fotowoltaiczne w zegarkach i kalkulatorach

W zasilaniu miniaturowego sprzętu użytkowego znalazły zastosowanie moduły fotowoltaiczne, które zasilają naręczne zegarki. Cieszą się popularnością ze względu na brak konieczności wymiany baterii. Elektroniczne zegarki z klasycznymi wskazówkami korzystają z mechanizmów solarnych. Na tarczy zegarka znajduje się mikromoduł słoneczny. Zegarek jest oświetlany przez światło naturalne lub sztuczne, które zostaje przetworzone na prąd. Wytworzona w ten sposób energia jest magazynowana w kondensatorze i przekazywana do mechanizmu zegarka. W zależności od zaawansowania technicznego zegarek może działać od sześciu do dwunastu miesięcy. Niektóre modele mają funkcję oszczędzania energii. W praktyce oznacza to, że zegarek po 2-3 godzinach lub dobie bez dostępu do źródła światła przechodzi w stan uśpienia. Aby ponownie naładować zegarek, wystarczy na kilka minut wystawić go na działanie energii słonecznej lub sztucznego oświetlenia. W produkcji zegarków solarnych główną rolę odgrywają marki: Seiko, Casio, Citizen oraz Tissot. Klasyczne kalkulatory mogą mieć niewielki moduł słoneczny wspomagający zasilanie kalkulatora, przez co baterie wolniej się zużywają.

Oświetlenie solarne

Jednym z najpopularniejszych zastosowań ogniw fotowoltaicznych jest wykorzystanie ich w lampach oświetlających teren lub wyznaczających ścieżki w ogrodzie, mocowanych do elewacji budynków. Element światłoczuły jest wbudowany w lampę lub stanowi zewnętrzny moduł połączony kablem z jedną lub kilkoma lampami LED.

Lampy solarne

Zaletą podzespołów tworzących układ elektryczny lampy są niewielkie wymiary, co umożliwia produkcję niedużych zespolonych lamp z ogniwem słonecznym. Ich największą zaletą jest brak zasilania zewnętrznego, więc mogą być instalowane w prawie dowolnym miejscu. Układ elektryczny prostej lampy solarnej składa się z modułu fotowoltaicznego, akumulatora i źródła światła, jakim jest jedna lub kilka LED. Światło słoneczne padające na ogniwa fotowoltaiczne modułu jest zamieniane na prąd elektryczny, który ładuje akumulator. Z akumulatorem i źródłem światła jest połączony czujnik, który o zmierzchu automatycznie włącza je. Wtedy prąd z akumulatora zasila diodę LED, która świeci ok. 8–10 godzin, do momentu, gdy napięcie akumulatora spadnie do określonego poziomu – wtedy lampa przestaje świecić i akumulator w ciągu dnia jest ponownie ładowany.

Do podawanych parametrów lampy solarnej należy rodzaj:

• akumulatora ( jego pojemność i napięcie),
• modułu słonecznego (jego napięcie i wydajność prądowa),

LED ( wielkość strumienia świetlnego, pobierana moc).

Im większa jest pojemność akumulatora, tym więcej można w nim zmagazynować energii, lampa będzie wtedy dłużej świeciła. Od wydajności prądowej modułu słonecznego zależeć będzie wielkość prądu zasilającego akumulator, czyli czas jego ładowania. Od diody LED i jej strumienia świetlnego zależeć będzie powierzchnia oświetlanego terenu. Czas świecenia lamp solarnych zależy także od ilości światła słonecznego oświetlającego lampę w ciągu dnia, a więc od pory roku i zachmurzenia. Aby akumulator się naładował, urządzenie musi stać na słońcu przez cały dzień. Dlatego lampy solarne warto instalować wyłącznie w słonecznych miejscach ogrodu. Lampy solarne są wyposażane w czujnik zmierzchowy światła, automatycznie włączający oświetlenie po zmroku. Nie powinny być ustawiane w pobliżu innych źródeł światła, np. ulicznej latarni, gdyż sztuczne światło uniemożliwi ich prawidłowe włączanie po zmierzchu. Odległość pomiędzy urządzeniami powinna wynosić ok. 1,5 m (producenci podają zazwyczaj minimalne odległości pomiędzy nimi). Lampy solarne przyjmować mogą różne formy, można je także mocować w podłodze (wtedy obudowy mają wykonywane z nierdzewnej stali i odpornego szkła) oraz muszą być w ciągu dnia naświetlane, co ogranicza ich zastosowanie.

Zestaw – moduł i kilka lamp

Rozwiązaniem, które może zwiększyć możliwości ustawienia lampy w miejscach gorzej naświetlonych, jest zastosowanie zestawu lamp solarnych – trzech lub czterech zasilanych z jednego modułu słonecznego, a w każdej lampie jest akumulator. Każda lampa jest połączona przewodem z modułem słonecznym. Połączenie przewodem stwarza możliwość oświetlenia miejsc, do których nie dochodzi słońce. Wystarczy, że moduł będzie ustawiony w miejscu o największym nasłonecznieniu. Profesjonalne solarne oświetlenie ziemne może wykorzystywać 10 lub 20 lamp zasilanych z jednego, znacznie większego modułu słonecznego, umieszczonego na kilkumetrowym maszcie, zapewniającym jego optymalne oświetlenie. W ten sposób oświetla się alejki, parki, większe place.

Zestawy oświetleniowe – „kity”

Za pomocą modułu fotowoltaicznego można szybko wyposażyć garaż, altanę czy przyczepę kempingowa w oświetlenie. Przykładowy zestaw solarny, np. Sundaya Ulitium 1, składa się z modułu słonecznego, lamp Ulitium 200 zawierających akumulator litowo-jonowy oraz adaptera połączeniowego. W zależności od wersji mogą różnić się mocą modułu – od 3 do 12 Wp. W czasie słonecznego dnia akumulatory lamp są ładowane. Ich zmagazynowana energia wystarcza na 6-godzinne świecenie lampy wytwarzającej strumień światła o wartości 240 lm. Rozgałęziacz łączy się z modułem fotowoltaicznym, aby dołączyć trzy lampy lub zwiększać ich liczbę, dodając kolejne rozgałęziacze.

Ładowarki solarne

Podstawą ładowarek solarnych jest moduł fotowoltaiczny, który może być mocowany do plecaka, torby lub być samodzielnym elementem jedno-, dwu- lub trzyczęściowym, składanym, a więc zajmującym mniej miejsca w podróży. Urządzenie ma wbudowany akumulator, od pojemności którego będzie zależeć, ile razy będzie można naładować smartfon. Akumulator musi być zabezpieczony przed przeładowaniem i nadmiernym rozładowaniem, co zapewni jego poprawną pracę przez kilka lat. Pojemności akumulatorów zawierają się w zakresie 1200 – 10 000 mAh. W zależności od modelu mogą mieć różne wyjścia: USB, jack 2,5 mm 12 V.

Instalacje fotowoltaiczne 12 V z akumulatorem

Szereg urządzeń elektronicznych, takich jak telewizory dekodery TV, radioodbiorniki, nadaje się do zasilania prądem o napięciu 12 V. W tym celu do ich zasilania wykorzystuje się moduł słoneczny ładujący w dzień akumulator przy wykorzystaniu regulatora ładowania w celu uniknięcia szkodliwego przeładowania oraz głębokiego rozładowania. Przyłącze z kilkoma rodzajami gniazd umożliwia podłączenie urządzeń 12 V lub przez złącze USB (5 V) ładowanie lub zasilanie urządzeń multimedialnych. Energia jest dostarczana przez wydajny moduł solarny, np. 20 Wp (51,5 × 35 cm), zasilający akumulator o pojemności np. 8 Ah.

Systemy solarne w wentylacji i klimatyzacji

Dyrektywa ErP 3x20, zakłada zwiększenie korzystania ze źródeł odnawialnych o 20 proc. przy równoczesnym zmniejszeniu emisji CO2 o 20 proc. i zmniejszeniu zużycia energii o 20 proc. Panele fotowoltaiczne mogą zasilać małe i duże systemy wentylacyjno-klimatyzacyjne.

Domowe klimatyzatory typu split o mocy 2 kW i większej mogą być zasilane także energią słoneczną. Panel fotowoltaiczny dostarcza prąd do jednostki zewnętrznej, która jest połączona z jednostką wewnętrzną. Zestaw może zawierać akumulatory magazynująco-zasilające (opcja). Instalacja jest montowana jak standardowy układ split, zaś panel fotowoltaiczny może być umieszczony na dachu budynku lub na jednostce zewnętrznej. Dzięki instalacji paneli fotowoltaicznych urządzenia osiągają największe na rynku współczynniki energooszczędności. Efektywność energetyczna klimatyzacji solarnej (z jedną baterią słoneczną) jest znacznie większa niż tradycyjnego klimatyzatora. Klasa A+++ zaczyna się od współczynnika SEER 8,5, a np. Midea Solar Inverter osiąga wartość 23,5! Przyjmuje się, że zastosowanie energii odnawialnej pozwoli na zmniejszenie zużycia energii przez klimatyzację o co najmniej 80 proc.

Gadżetem jest system wentylacji Esotec Fresh-Air 101862, zawierający moduł o mocy 5 Wp i wymiarach 20,5 × 25 cm, zasilający wentylator o wydajności 90 m3/h z możliwością regulacji położenia nadmuchu.

Moduły fotowoltaiczne w samochodzie

Rozwój samochodów elektrycznych spowodował, że prowadzone są prace nad wykorzystaniem w nich modułów fotowoltaicznych. Dobrym miejscem do ich instalacji jest dach samochodu. Wytwarzana energia może zasilać dodatkowo akumulator (powodując zmniejszenie obciążenia alternatora i redukując zużycie paliwa) oraz klimatyzację samochodową. Według badań silnik zapłonu iskrowego emituje średnio o 2,3 g/km mniej CO2, a pojazd z silnikiem Diesla o 1,6 g/km mniej. Wartości te dotyczą dachu „słonecznego” z modułem fotowoltaicznym o współczynniku efektywności 20 proc., mocy 100 Wp i powierzchni 0,5 m2.

Panele fotowoltaiczne są stosowane na dachach wiat samochodowych czy garaży z systemem ładowania (EV chargers), które mogą być niezależne energetycznie od instalacji domowej, przez co stają się rozwiązaniem w pełni ekologicznym. Stacja domowa do ładowania samochodu ładuje go w ciągu nocy, a w ciągu dnia ładuje swoje akumulatory.

Panele fotowoltaiczne w domu

Dynamiczne rozwijają się systemy fotowoltaiczne na dachach domów prywatnych. Panele fotowoltaiczne wytwarzające prąd o napięciu stałym współpracują z inwerterem sieciowym, który zmienia prąd stały na prąd przemienny o parametrach prądu w sieci elektrycznej. Wyróżnia się dwa rodzaje instalacji fotowoltaicznych:

• on grid – instalacja jest dołączona do sieci energetycznej. Wyprodukowany prąd jest zużywany na własne potrzeby, a w przypadku nadmiaru energii może zostać odsprzedany do publicznej sieci. Licznik dwukierunkowy zlicza energię pobraną z sieci i oddaną do sieci. Rozliczenie z operatorem systemu dystrybucji (OSD) następuje na podstawie różnicy odczytów licznika;
• off grid – instalacja jest niepodłączona do sieci energetycznej lokalnego OSD, a nadwyżki energii są magazynowane np. akumulatorach. Instalację off grid stosuje się, gdy nie mamy w zasięgu linii energetycznej. Prąd stały z akumulatorów jest przetwarzany przez inwerter na prąd przemienny o napięciu 230 V, który zasila urządzenia elektryczne. Off grid jest to rozwiązanie znacznie droższe ze względu na koszt akumulatorów, które mają mniejszą trwałość niż panele fotowoltaiczne.

Do magazynowania energii konieczne są akumulatory. Firma Tesla opracowała akumulator do paneli fotowoltaicznych o grubości 18 cm (1302 × 862 × 183 mm) i poboru mocy 6,4 kWh, mocowany do ściany, przez co w garażu lub domu zajmuje mało miejsca. Analiza dziennego i nocnego poboru prądu pozwala uniknąć wysokich opłat w szczycie energetycznym.

Dachówki solarne Tesli

Dachy domów, garaży i innych budynków to najpopularniejsze miejsca montażu paneli słonecznych. Jednak nie jest to estetyczne rozwiązanie dla domu. Firma Tesla rozpoczęła produkcję dachówek solarnych, które mają być tańsze od tradycyjnego dachu z panelami fotowoltaicznym i przetwarzać więcej energii słonecznej. W ofercie będą cztery rodzaje dachówek, np. czerwone typu karpiówka oraz proste kwadratowe dachówki z teksturą lub gładkie. Solarne dachy niewiele odbiegające wyglądem od obecnych rozwiązań mają być wytrzymalsze od dotychczasowych rozwiązań dachowych. CEO Tesla Motors przewiduje, że pierwsze dachy pojawią się na budynkach już latem 2017 r. Solarne dachówki tworzone są z połączenia szkła hartowanego, powłoki ochronnej i ogniw fotowoltaicznych. Ich zaletą jest barwna warstwa przezroczysta dla światła powodująca, że nie widzimy struktury panelu słonecznego.

Moduły fotowoltaiczne zastępujące dachówki

Polska fi rma Fotton jest producentem dachówek solarnych, w których specjalnej konstrukcji moduł fotowoltaiczny stanowi jednocześnie pokrycie dachowe. Dachówki solarne są oferowane są przede wszystkim w gotowych zestawach o mocy ok. 2, 3, 4, 6 kWp do bezpośredniego montażu na łatach lub płaszczyznach przygotowanych pod gonty. W skład zestawu wchodzą dachówki solarne, okablowanie, inwerter sieciowy Fotton Platinium, wkręty ze stali nierdzewnej. Do montażu nie jest wymagana żadna dodatkowa konstrukcja nośna czy pośrednia, co znacząco zmniejsza koszty instalacji i oszczędza czas. Moduł może być mocowany bezpośrednio do elementów konstrukcyjnych dachu i zastępować w ten sposób typowe pokrycia takie jak blacha, płyta, dachówka itp. Moduły można montować jako częściowe lub całkowite pokrycie danej połaci dachu; są idealne do krycia wiat, budynków gospodarczych itp. Moduły są wykonane na bazie ogniw poli- lub monokrystalicznych w klasie A. Typowa dachówka ma wymiary 919 × 560 ×29 mm lub 1196 × 420 × 30 mm (większy moduł).

Budownictwo i mikrolektrownie w różnych krajach

Globalny dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii znajduje odzwierciedlenie w budownictwie mieszkalnym i użyteczności publicznej oraz prawodawstwie w Unii Europejskiej i różnych krajach na świecie. Montaż modułów fotowoltaicznych staje się standardem w państwach wysoko rozwiniętych. Najlepszymi przykładami są regulacje prawne we Francji z 2015 r., które stanowią, że każdy nowy budynek wybudowany w strefi e handlowej musi być częściowo pokryty instalacją fotowoltaiczną lub roślinnością. W wypadku instalacji fotowoltaicznej celem takiego rozwiązania jest znacząca redukcja zapotrzebowania na energię elektryczną budynku. Energia wyprodukowana przez fotowoltaikę głównie zużywana jest przez klimatyzację w okresie letnim bądź na energochłonne ogrzewanie w okresie zimowym.

Innym równie interesującym przykładem potwierdzającym dynamiczny rozwój fotowoltaiki w budownictwie jest San Francisco. Od stycznia 2017 r. nowe regulacje prawne będą obligowały inwestorów do montażu instalacji fotowoltaicznych na wszystkich nowych budynkach poniżej 10 kondygnacji. Istotnym warunkiem jest powierzchnia dachu (minimum 15 proc. z bezpośrednim nasłonecznieniem w celu maksymalizowania uzysku z systemu fotowoltaicznego). Zainteresowanie fotowoltaiką wzrasta także w Polsce. Dane Urzędu Regulacji Energetyki (URE) wskazują, że zainstalowana moc systemów słonecznych do produkcji energii elektrycznej wyniosła ponad 91,8 MW (stan 30.06.2016 r.), co jest znaczącym wzrostem w porównaniu do analogicznego okresu w 2015 r., kiedy skumulowana zainstalowana moc systemów fotowoltaicznych przekroczyła zalewie 35,6 MW.

Kluczową rolę w implementacji przepisów odgrywają inżynierowie budowlani i architekci, którzy w trakcie prac projektowych mogą integrować mikroelektrownie fotowoltaiczne z budynkami, tworząc dzięki temu nową jakość w budownictwie. Montaż modułów fotowoltaicznych wiąże się ze spełnieniem warunków technicznych niezbędnych do prawidłowego funkcjonowania instalacji fotowoltaicznej oraz maksymalizacji uzysku energii. W związku z tym istotne jest nie tylko miejsce montażu (dach płaski, dach jednospadowy, dach dwuspadowy, dach wielospadowy, fasada, grunt), lecz także m.in. orientacja posadowienia modułów fotowoltaicznych względem południa, kąt pochylenia połaci dachowej czy nośność dachu. Takie przedsięwzięcie jest korzystne ekonomicznie dla inwestora, gdyż do montażu systemu fotowoltaicznego nie jest wymagany dodatkowy grunt, a nominalna moc wyjściowa modułów fotowoltaicznych na poziomie min. 80 proc. jest gwarantowana przez producentów przez 25 lat, co czyni z fotowoltaiki inwestycję ze stabilnym wzrostem.

Moduły fotowoltaiczne mogą być zintegrowane z wieloma konstrukcjami, wpisując się w architekturę miasta, np. z zadaszeniami parkingów, stacji paliw czy wiat przystanków komunikacji miejskiej. Technologia cienkowarstwowa w modułach typu CIGS czy z krzemu amorfi cznego pozwala także na ich wykorzystanie do pokrycia elewacji budynków przy zachowaniu estetycznego wyglądu. Należy jednak pamiętać, że takie rozwiązanie wiąże się z dużo mniejszą efektywnością energetyczną niż w wypadku modułów wyeksponowanych na południe pod odpowiednimi kątami azymutu i elewacji dla danej szerokości geografi cznej i pory roku.

Baterie słoneczne satelitów

Satelity na orbicie wokół Ziemi czerpią energię z setek baterii słonecznych, umieszczonych na ich kadłubach lub na wielkich płaskich płytach, zasilających urządzenia satelitów. Ponieważ prawie nie wymagają konserwacji, nadają się dobrze do zastosowania w przestrzeni kosmicznej. Sprawność pierwszych baterii słonecznych wynosiła 8–11 proc. i w połowie lat 80. wzrosła do około 20 proc.

Czy perowskity zrewolucjonizują fotowoltaikę?

Wytwarzanie energii elektrycznej ze światła słonecznego czeka rewolucja, a to za sprawą związku chemicznego o nazwie perowskit, umożliwiającego wytwarzanie energii elektrycznej jak w związkach krzemu wykorzystywanych w panelach fotowoltaicznych. Minerał perowskit został odkryty przez niemieckiego geologa Gustava Rosego w 1839 r. i nazwany nazwiskiem Lwa Perowskiego na część założyciela Rosyjskiego Towarzystwa Geografi cznego. Perowskit zawiera związek chemiczny tytanian wapnia. Ma on charakterystyczną strukturę krystaliczną sieci atomowej o właściwościach fotowoltaicznych, umożliwiających absorbowanie energii słonecznej i przetwarzanie jej na energię elektryczną. Materiał ten bardzo dobrze absorbuje światło i jest półprzewodnikiem, który dobrze transportuje ładunki elektryczne. Perowskit nie tylko występuje naturalnie w środowisku, jak choćby wspomniany tytanian wapnia, ale można go wytwarzać w wyniku syntezy chemicznej, wymieniając w jego strukturze pierwiastki lub grupy chemiczne przy zachowaniu specyfi cznej sieci krystalicznej, co zmienia jego właściwości fotowoltaiczne i mechaniczne. Może być rozpuszczalny przy zachowaniu zdolności wytwarzania energii elektrycznej, co pozwala na zastosowanie wielu technik nanoszenia, chociażby z pomocą napylania na różne powierzchnie czy nadrukowywania. Dzięki zawartości związków organicznych może być wykorzystany do produkcji elastycznych ogniw cienkowarstwowych, co zwiększa różnorodność zastosowań (ogniwa z krzemu krystalicznego są bardzo kruche i wymagają grubych szyb zabezpieczających). Dostosowując grubość materiału aktywnego w ogniwie perowskitowym, możemy wytworzyć moduły o różnym poziomie przezroczystości. Dodatkowo atutem perowskitów jest bardzo duży współczynnik absorpcji (czyli pochłaniania światła), przewyższający nawet absorpcję arsenku galu (GaAs). Pozwala to na wytwarzanie bardzo cienkich przezroczystych ogniw, o grubości rzędu zaledwie kilkuset nanometrów.

Przezroczystość nanoszonej warstwy stwarza nieograniczone możliwości produkowania energii. Źródłem energii będą mogły być nasłonecznione ściany i okna wieżowców. Także dachy i fasady budynków można będzie przykryć perowskitowymi płytkami zamiast dużych, nieporęcznych paneli fotowoltaicznych. Daje to możliwość tworzenia pasywnych, samowystarczalnych budynków, a nadmiar wyprodukowanej energii może być odprowadzany do sieci energetycznej.

Szybko rośnie sprawność ogniw perowskitowych – w ciągu 5 lat zwiększyła się z 4 proc. i wynosi już 19,3 proc. Ocenia się, że w ciągu kilku lat będzie większa niż tradycyjnych krystalicznych ogniw fotowoltaicznych i może osiągnąć wartość ok. 30 proc. Największym problemem, jaki naukowcy widzą przed powszechnym zastosowaniem perwoskitów w fotowoltaice, jest ich niska stabilność. Szybka degradacja minerałów (pod wpływem wilgoci) pozostaje główną barierą w rozwoju technologii. W ich składzie jest obecny ołów, czyli pierwiastek niebezpieczny dla zdrowia ludzi i zwierząt. Także polscy naukowcy wnoszą duży wkład w rozwój techniki perowskitowej. Bada je Polka Olga Malinkiewicz, która za prace nad ogniwem perowskitowym otrzymała prestiżową nagrodę Photonics21, przyznawaną przez Komisję Europejską. Polce udało się wytworzyć perowskity bez konieczności użycia wysokich temperatur, co zmniejsza koszty produkcji. W ubiegłym roku podczas International Conference on Perovskite Thin Film Photovoltaics (ABXPV) fi rma Saule Technologies, której jedną z założycielek jest Olga Malinkiewicz, zaprezentowała pierwszy na świecie prototyp urządzenia zasilającego smartfony zbudowanego na bazie perowskitów.