Fotowoltaika – co warto wiedzieć?

Energia elektryczna jest nieodłącznym elementem współczesnego świata. Nawet chwilowa przerwa w jej dostawach stwarza wiele problemów. W miejscach, gdzie ciągłość zasilania odgrywa kluczową rolę, inwestuje się w rezerwowe źródła energii. Ludzkość cały czas rozwija się, pojawia się coraz więcej rozwiązań technologicznych ograniczających prace manualne, a co za tym idzie potrzeby energetyczne rosną. Konwencjonalne metody wytwarzania energii stają się coraz droższe i mniej opłacalne, a dostępne paliwa kopalne ulegają stopniowemu wyczerpywaniu się. To wszystko zmusza do rozwoju nowych technologii wytwórczych, które mogą stanowić alternatywę dla tradycyjnych rozwiązań. Z pomocą przychodzi energetyka odnawialna, która nie potrzebuje żadnych naturalnych surowców, aby wytworzyć energię. Jest wiele technik wytwórczych, które umożliwiają przekształcenie zjawisk przyrodniczych w coś bardziej użytecznego i potrzebnego jak energia elektryczna, jednak to zawsze sytuacja rynkowa i popyt na dany towar czy usługę decydują, co staje się powszechnie używane i rozwijane. W polskich realiach na dzień dzisiejszy kluczową rolę odgrywają 2 technologie: energetyka wiatrowa i właśnie fotowoltaika.

Fotowoltaika – jak to działa?

Ocenia się, że na każdy metr kwadratowy powierzchni Ziemi dociera średnio 164 W . Gdyby zatem pokryć zaledwie 1% pustyni Sahara panelami fotowoltaicznymi, to wytworzona ilość energii byłaby wystarczająca, aby zasilić cały świat. Oczywiście jest szereg ograniczeń z tym związanych, jednak w dużym uproszczeniu pokazuje to, jak ogromny potencjał drzemie w Słońcu. Podstawowym elementem instalacji fotowoltaicznej jest komórka solarna wielkości ludzkiej dłoni, która jako urządzenie elektroniczne “łapie” docierające do niej promienie słoneczne i zamienia bezpośrednią w prąd elektryczny. Komórki łączy się w większe grupy – najpierw moduły, a następnie w panele, które instalowane są już np.: na dachach domów bądź gruncie. Często komórki, moduły, panele solarne określa się mianem fotowoltaicznych, co bezpośrednio wynika z genezy tego terminu: greckie słowa “photo” oraz “voltaic” odpowiednio oznaczają światło i elektryczność. Promieniowanie słoneczne dostarcza zarówno światła jak i energii w postaci małych cząstek – fotonów. Ilości, jakie docierają do powierzchni Ziemi, są praktycznie niepoliczalne – dlatego też każdy, kto tylko posiada odpowiednią instalację, może czerpać z tego energetycznego źródła. W ten sposób pojawia się instalacja fotowoltaiczna, która to umożliwia. Komórki solarne zgrupowane w panele przechwytują pędzące do nich fotony i zamieniają w uporządkowany ruch elektronów – innymi słowy powstaje prąd elektryczny. Zadaniem takiego panelu jest połączenie małych porcji prądu, które może dostarczyć pojedyncza komórka, w większe zbiory, a w efekcie w ciągły strumień prądu. Proces ten zachodzi wyłącznie, kiedy na panel promienie słoneczne padają bezpośrednio. Innymi słowy, im mniej chmur na niebie, tym więcej prądu taka instalacja może wyprodukować.

Z czego zbudowany jest panel fotowoltaiczny?

Główny materiał wykorzystywany do produkcji paneli to krzem, jeden z najpowszechniej występujących pierwiastków na Ziemi. Należy do grupy materiałów określanych jako półprzewodniki, które w normalnych warunkach nie przewodzą prądu, jednak przy zaistnieniu sprzyjających okoliczności mogą to robić. Aby zrozumieć, jak działa instalacja fotowoltaiczna, warto przyjrzeć się pojedynczej komórce. Jej budowa przypomina swego rodzaju kanapkę. Dolna warstwa jest dodatnia naładowana – tutaj praktycznie nie ma ujemnie naładowanych elektronów, natomiast górna jest ich pełna, a zatem ma zdecydowanie charakter ujemny. Pomiędzy obydwoma warstwami jest przestrzeń stanowiąca barierę dla elektronów. Dopiero gdy do powierzchni komórki dotrze odpowiednia energia wyzwalająca elektrony mogą przekroczyć tę barierę. W ten sposób pod wpływem promieniowania słonecznego powstaje prąd elektryczny – uporządkowany ruch elektronów. Przemieszczają się one do dodatniej części “kanapki”, aby wyrównać zagęszczenie ładunków elektrycznych. Przyroda w ten sposób samoistnie dąży do zachowania równości. Oczywiste jest, że im więcej promieni słonecznych dotrze do komórki, tym więcej przepłynie prądu. To właśnie jest zjawiskiem nazywanym efektem fotoelektrycznym.

Jak każdy produkt tak i komórki solarne mogą być różnego typu. Zasadniczo wyróżnia się dwie kategorie: monokrystaliczne oraz multikrystaliczne (inaczej polikrystaliczne). Komórki pierwszego rodzaju powstają z jednolitego monokryształu krzemu, który jest cięty na cienkie plastry, natomiast drugi rodzaj krzemu powstaje w procesie krystalizacji wielu mniejszych monokryształów tego pierwiastka. Poza parametrami technicznymi i technologią obróbki jest pewien aspekt wizualny, który pozwoli łatwo rozróżnić dwa rodzaje materiałów. Ogniwa monokrystaliczne mają zaokrąglone krawędzie, co jest związane z technologią cięcia monobloku krzemu na plastry, natomiast polikrystaliczne mają kształt kwadratu. Współcześni producenci paneli oferują szeroką gamę produktów – możemy spotkać się z określeniami takimi jak: bi-facial, half-cut, duo, mono-perc, poly-perc, high efficiency, thin film. Wszystkie z nich różnią się technologią produkcji, jednak zawsze wykorzystywane są podstawowe dwa rodzaje krzemu: monokrystaliczny i polikrystaliczny.

Ile energii można wyprodukować ze Słońca?

W teorii energia docierająca do Ziemi zaspokoiłaby potrzeby energetyczne świata, nawet gdyby były one większe 10 000 razy. Jednak po uwzględnieniu różnych czynników środowiskowych oraz kształtu Ziemi ilość ta jest znacząco mniejsza – w szerokościach geograficznych północnych jest to poziom 100-250 Watów na metr kwadratowy. Czy to dużo? To zależy od lokalizacji na Ziemi. Może to zamienić się w ilości energii na poziomie 2-6 kWh na dzień. Rocznie będzie to pomiędzy 700 a 2500 kWh na każdy metr kwadratowy. Gdyby całą tę energię można było zagospodarować, instalacje fotowoltaiczne byłyby bardzo małe pod względem liczby paneli. Niestety, ich wydajność nie przekracza na dzień dzisiejszy 20%, więc muszą być one większe, podobnie jak ich ilość. Z roku na rok dokonuje się postęp technologiczny i osiągane są coraz wyższe poziomy efektywności, także są szanse na lepsze wyniki.

Elektrownia słoneczna

Słowo “elektrownia” kojarzy się z przemysłowym obiektem energetycznym wytwarzającym energię elektryczną. Jest to zbieżne z definicją tego terminu, jednak wraz z rozwojem czystych technologii określenie “przemysłowy” nabiera innego znaczenia. Elektrownia może pracować zarówno wykorzystując paliwa kopalne jak i źródła alternatywne, takie jak wiatr, woda i nasze słońce. Instalując tysiące paneli fotowoltaicznych wzajemnie połączonych w odpowiednie układy elektryczne powstaje elektrownia słoneczna. Jeśli ktoś posługuje się nazwami takimi jak: PV-ka, farma fotowoltaiczna lub słoneczna to ma na myśli właśnie taki rodzaj elektrowni. Dzięki zainstalowaniu bardzo dużej liczby paneli w jednej lokalizacji otrzymujemy szklaną taflę, która produkuje energię elektryczną, skąd trafia ona do sieci energetycznej a dalej do każdego domu lub zakładu. W ten sposób każdy z nas może mieć w gniazdku ekologiczną energię pochodzącą ze Słońca, nigdy nie wiadomo, które źródło zasiliło nasza żarówkę dzisiaj. Farma fotowoltaiczna to duże przedsięwzięcie i pojedynczy obywatel, który nie posiada dużego pola za domem, nie ma możliwości zbudowania swojej elektrowni. Można jednak trochę gabaryty elektrowni zmniejszyć, ograniczyć liczbę modułów i dopasować do swoich możliwości. Wystarczy trochę miejsca w ogrodzie lub na dachu i panele można zamontować. W efekcie powstaje prywatna mini-elektrownia, która będzie produkowała energię elektryczną na własny użytek. W innych naszych wpisach więcej informacji, jak instalacja wygląda od środka i co musi być, aby powstał prąd ze Słońca.

Czy fotowoltaika to technologia z przyszłością?

Potrzeby energetyczne świata nieustannie rosną, a paliwa kopalne takie jak węgiel nie tworzą się szybko. Potrzeba milionów lat, aby pokłady surowcowe zostały odtworzone. Dlatego coraz ważniejsze stają się technologie odnawialne, które są od tych problemów niezależne. Co prawda Słońce, jako ogromne źródło energetyczne, również pewnego dnia straci swoją moc, jednak perspektywa tego jest tak odległa, że na dzień dzisiejszy praktycznie niewyobrażalna. Aspekt gospodarki surowcowej to tylko jeden z wielu przemawiający za wyborem fotowoltaiki. Nie bez znaczenia są inne czynniki takie jak: nielimitowany dostęp do promieniowania słonecznego i brak problemów z dostawami surowców czy też ekologiczny sposób produkcji energii. Fotowoltaika daje również możliwość na zbudowanie rozproszonej struktury energetycznej, a co za tym idzie zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego z punkt widzenia kraju. W przypadku awarii mniejszej elektrowni mniejsza liczba odbiorców będzie poszkodowana niż w sytuacji, gdyby zdarzenie takie miało miejsce w dużym zawodowym obiekcie energetycznym. Co prawda trudniej zarządzać rozproszonymi źródłami wytwórczymi, jednak postęp myśli technologiczno-informatycznej i nowe narzędzia pojawiające się na rynku ułatwiają to i co najważniejsze – umożliwiają zarządzanie zdalne bez wychodzenia z domu czy biura.

Nie bez znaczenia są kwestie ekonomiczne. Technologia fotowoltaiczna z roku na rok tanieje, a to za przyczyną głównego komponentu instalacji – paneli. Na przestrzeni ostatnich 2 lat ceny spadły niemalże dwukrotnie, co skierowało zainteresowanie świata energetyki właśnie w tym kierunku. Zarówno farmy fotowoltaiczne jak i pojedynczy obywatele posiadający swoje mini-elektrownie na domach mogą liczyć na korzystne formy dofinansowania i późniejszych rozliczeń w ramach eksploatacji. O zasadach rozliczeń i finansowaniu fotowoltaiki możesz poczytać na naszym blogu o energii. Czy fotowoltaika to przyszłość dla Polski? Oczywiste jest, że więcej energii z takich samych instalacji zostanie wytworzona w krajach o większy nasłonecznieniu – Polska nigdy nie osiągnie takich wyników jak południe Hiszpanii czy Sahara. Jednak przy odpowiedniej polityce i regulacjom prawnym inwestycja w panele staje się opłacalna. Prym w szybkości przyrostu obiektów solarnych wiodą Chiny, gdzie tempo budowy nowych projektów jest niesamowite. Ogromne dotacje rządowe wspierają rozwój rozległych parków fotowoltaicznych. Specyfika Polski to elektrownie o mocy 1 MW, co bezpośrednio wynika z aktualnego systemu wsparcia aukcyjnego. Jednak najbliższe lata zdecydują, czy takich “jedynek” będzie 100, 1000 czy dużo więcej. Równorzędnie powstają instalacje na domach jednorodzinnych o mocach na poziome 3 – 15 kW, które dają bezpieczeństwo zasilania na poziomie lokalnym. Czy fotowoltaika zatem w Polsce będzie się rozwijała? Zdecydowanie tak. Rosnąca świadomość społeczeństwa w temacie energetyki i ochrony środowiska, idea zrównoważonego rozwoju, wymagania europejskie stawiane Polsce, korzystne formy rozliczenia a wreszcie dostępność technologii i szybki proces instalacji oraz budowy (instalacja dla domu jednorodzinnego może powstać w zaledwie 1 dzień, a farma 1 MW w kilka tygodni) stawiają fotowoltaikę w korzystnym świetle i są silnymi argumentami wspierającymi jej rozwój.