Miniatura wpisu: Czynniki wpływające na generację energii przez panele fotowoltaiczne
Aktualności Oferro Panele fotowoltaiczne

Czynniki wpływające na generację energii przez panele fotowoltaiczne

Co najbardziej interesuje każdego, kto myśli o montażu instalacji fotowoltaicznej? Idziemy o zakład, że jest to informacja o zwrocie z inwestycji i miesięcznych oszczędnościach na rachunkach. Rzadko kiedy przeciętny prosument stara się zapoznać ze szczegółami technicznymi i zrozumieć sposób działania konkretnych elementów. W zalewie tekstów reklamowych rzadko obecnie można znaleźć artykuł omawiający aspekty techniczne budowy paneli fotowoltaicznych. Część, o ile nie większość z tych parametrów jest również pomijana w rozmowach z firmami fotowoltaicznymi. A lepsze zrozumienie tych aspektów przekłada się na lepszą instalację i efektywniejsze wykorzystanie samych paneli PV. Ponadto posiadanie tej wiedzy, chociaż na podstawowym poziomie, jest przydatne w rozmowach z firmami fotowoltaicznymi. To w połączeniu ze szczegółowym raportem o potencjalnej instalacji może pomóc w zminimalizowaniu ryzyka związanego z montażem.

Podstawy teoretyczne

Pod wpływem energii promieni słonecznych, elektrony znajdujące się w krysztale półprzewodnika, obecnie najczęściej krzemu (Si), germanu (Ge), lub selenu (Se), zostają wzbudzone przez kwanty światła, przechodzą na wyższy poziom energetyczny i zostają wybite. Na skutek ich przemieszczania się pomiędzy elektrodami, powstaje różnica potencjałów, a tym samym prąd elektryczny stały. Zjawisko to zwane efektem fotoelektrycznym wewnętrznym, lub krócej, efektem fotowoltaicznym jest wykorzystywane w ogniwach fotowoltaicznych.

Ogniwa fotowoltaiczne

Fotoogniwo jest zbudowane z półprzewodnika i tworzy złącze p-n. 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 różne strony. Idea działania fotoogniwa jest zilustrowana na Rysunek 2. Widzimy, że podłoże krzemowe typu p jest połączone z elektrodą dodatnią, a warstwa typu n jest połączona z elektrodą ujemną. Dodatkowa całe ogniwo jest pokryte hartowanym szkłem, żeby zabezpieczyć panel przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Sprawność każdego urządzenia jest to stosunek energii uzyskanej (użytecznej) do energii dostarczonej do tego urządzenia. W przypadku paneli jest to energia dostarczana przez promieniowanie słoneczne, a energia użyteczna to energia prądu wyprodukowana przez fotoogniwo. Sprawność teoretyczna, obliczona dla konwersji energii w krzemie (czyli również w ogniwach krzemowych) wynosi 36%. Maksymalne sprawności jakie udaję się osiągnąć w warunkach laboratoryjnych dla pojedynczego ogniwa krzemowego sięgają 27%. W przypadku ogniw połączonych szeregowo, tworzących moduł fotowoltaiczny sprawność jest mniejsza z powodu niewykorzystanych przestrzeni między ogniwami oraz w związku ze stratami na wewnętrznych połączeniach. W związku z tym sprawności krzemowych paneli fotowoltaicznych występujących na rynku sięga 20% i jest zależna od technologii produkcji.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

W oparciu o złącze p-n wytwarzane są ogniwa mono- i poli-krystaliczne. Drugą generacją ogniw są fotoogniwa cienkowarstwowe, natomiast obecnie naukowcy pracują nad fotoogniwami, które w ogóle nie są oparte na złączach półprzewodnikowych i należą do nich fotoogniwa barwnikowe i polimerowe.

Ogniwa krzemowe stanowią 95% światowego rynku produkcji ogniw. Krzem jest powszechnie występującym pierwiastkiem na Ziemi, chociaż nie występuje w czystej postaci. Związany z tlenem tworzy dwutlenek krzemu. Stosując odpowiednie technologie początkowo otrzymuje się krzem metalurgiczny o czystości 98%. Taki rodzaj krzemu nie może jednak służyć do produkcji ogniw z powodu dużego zanieczyszczenia. Konieczne jest zastosowanie dodatkowego procesu oczyszczania, który pozwala na uzyskanie wysokiego stopnia czystości – przynajmniej 99,9999999%.

Różnica sprawności pomiędzy fotoogniwami z krzemu polikrystalicznego, a monokrystalicznego wynika ze struktury krystalograficznej. W monokrysztale orientacja krystalograficzna jest zachowana w całej objętości, a w materiale polikrystalicznym orientacja kryształu nie jest zachowana.

  • Fotoogniwa monokrystaliczne – wytwarzane z monokryształu krzemu, którego produkcja polega na włożeniu do roztopionego materiału zarodka krystalicznego i następnie powolnym i stopniowym wyciąganiu go z roztopu, w sposób zapewniający kontrolowaną i stabilną krystalizację na jego powierzchni. Dodatkowo, jeśli wymagają tego warunki przebiegu krystalizacji, zarodek oraz tygiel mogą zostać wprawione w ruch obrotowy (celem poprawy warunków transportu masy i wymiany ciepła). Jest to metoda opracowana przez Jana Czochralskiego [3.]. Ze względu na czasochłonny proces produkcji, ogniwa monokrystaliczne są najdroższym rodzajem ogniw, ale charakteryzują się wysoką sprawnością i długą żywotnością – mają charakterystyczny, czarny kolor.
  • Fotoogniwa 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.
  • Fotoogniwa cienkowarstwowych — wykonywane są z takich materiałów jak tellurek kadmu (CdTe), krzemu amorficznego (a-Si), czy też mieszanki miedzi, indu, galu i selenu (CIGS). 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, (czyli takiej techniki nakładania nowych warstw monokryształu na istniejące podłoże krystaliczne, żeby powielać układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża). Ogniwa te mogą być bardzo elastyczne, dzięki czemu można je wykorzystywać jako elementy budowlane.
  • Fotoogniwa barwnikowe — zaliczane do ogniw cienkowarstwowych (ang. thin film solar cells), w których główną rolę odgrywa barwnik. Odkrywcami tego rodzaju ogniw są Brian O’Regan i Michael Grätzel. Ogniwa te są przezroczyste, więc mogą spełniać rolę szyb. Ich głównym komponentem są perowskity (CH3NH3PbI3). Sprawność ogniw słonecznych w urządzeniach wykorzystujących te materiały wzrosła z 3,8% w 2009 r. do 25,5% w 2020 r. w przypadku układów z jednym złączem, a w przypadku ogniw tandemowych opartych na krzemie do 29,15%, przekraczając maksymalną wydajność jedno-złączowych krzemowych ogniw słonecznych. Perowskitowe ogniwa słoneczne w 2016 r. były najszybciej rozwijającą się technologią fotowoltaiczną. Z uwagi na bardzo niskie koszty produkcji i perspektywy uzyskania dalszego zwiększenia wydajności stały się one atrakcyjne komercyjnie.
  • Fotoogniwa polimerowe – są oparte na polimerach, w których przewodzenie prądu odbywa się podobnie jak w metalach, na skutek istnienia pasm przewodnictwa powstających w wyniku delokalizacji elektronów w wielokrotnych wiązaniach chemicznych występujących w głównym łańcuchu polimerowym, bądź z nakładania się pustych orbitali wzdłuż łańcucha głównego. Polimerowy półprzewodnik łatwo można nanieść na dużą płaszczyznę i nie ulega on korozji [2].

Czynniki wpływające na sprawność paneli fotowoltaicznych

Natężenie promieniowa słonecznego.

Jak już powiedzieliśmy na początku fotoogniwa pracują dzięki promieniowaniu słonecznemu, które dostarcza energii wszystkim procesom na Ziemi. Jednakże ilość energii, która dociera do paneli zależy w zdecydowanym stopniu od szerokości geograficznej i pór roku. Czynniki klimatyczne wpływające na produkcję energii przez panele fotowoltaiczne zostały już opisane na naszym blogu w tekście pt.: Czynniki klimatyczne wpływające na panele FV.

Zgodnie z Rysunek 3 można zauważyć, że ogniwa fotowoltaiczne są w stanie zaabsorbować jedynie część docierającego do ziemi widma. Widmo promieniowania Słońca przypomina rozkład ciała doskonale czarnego o temperaturze 5800°K, największe natężenie promieniowania (maksimum rozkładu) przypada dla fali o długości ok. 500 nm, co odpowiada barwie zielonożółtej [1.].

Warunki elektryczne, przede wszystkim napięcie i natężenie prądu, a co za tym idzie moc zależą bezpośrednio od nasłonecznienia (patrz Rysunek 5). Należy zauważyć (wykresy na Rysunek 4), że przy zmieniającym się natężeniu promieniowania słonecznego największym zmianom będzie ulegać wartość natężenia prądu produkowanego przez panel fotowoltaiczny. Zmiany te są prawie wprost proporcjonalne, co oznacza, że np. dwukrotny wzrost natężenia promieniowania słonecznego będzie przekładał się na dwukrotny wzrost natężenia prądu. Z kolei wartość napięcia będzie podlegać niewielkim wahaniom w szerokim przedziale natężenia promieniowania słonecznego.

Natężenia promieniowa słonecznego przyjmowane do testów jako jeden ze standardowych warunków testowych STC (ang. Standard Test Conditions), wynosi 1000 W/m2., przy temperaturze powierza 25°C i gdy prędkość wiatru nie jest większa niż 1 m/s. To w takich warunkach oblicza się MPP (Maximum Power Point), czyli punkt, w których iloczyn napięcia i natężenia prądu jest największy.

Zasadnicza różnica prądowo-napięciowa występuje pomiędzy fotoogniwami mono- i poli-krystalicznymi. Przykład tej różnicy prezentowany na Rysunek 6 był wyznaczony przy natężeniu oświetlenia 3000 luksów.

Z powyższej charakterystyki jasno wynika, że ogniwo polikrystaliczne osiągnęło najwyższą moc dopiero przy oświetleniu kilkakrotnie razy wyższym niż ogniwo monokrystaliczne. Jest to szczególnie istotna różnica, jeśli ogniwo może być narażone na pracę w słabym oświetleniu np. ze względu na warunki pogodowe.

Następnym parametrem jest możliwość obciążenia instalacji, czyli podłączenie oporu i sprawdzenie charakterystyki w zależności od natężenia oświetlenia. Zauważono dzięki pomiarom prezentowanym na Rysunek 7, że punkt mocy maksymalnej uzyskuje się dla innego oporu w zależności od natężenia światła. Wynika stąd wiosek, że osiągnięcie maksymalnej wydajności ogniwa uzależnione jest od obciążenia ogniwa w zależności od natężenia światła padającego na panel. Należałoby więc stosować we wszystkich ogniwach układy, skalibrowane odpowiednio dla ogniwa o danej charakterystyce, dołączające dodatkowy odbiornik po wykryciu zmiany natężenia światła. W ten sposób ogniwo pozostanie zawsze w punkcie mocy maksymalnej i ograniczone zostaną straty energii.

Kolejnym istotnym parametrem jest współczynnik FF (ang. Fill Factor) — jest to charakterystyczna wielkość każdego ogniwa fotowoltaicznego. Wielkość ta równa jest stosunkowi mocy maksymalnej ogniwa do iloczynu jego maksymalnego napięcia i natężenia. Idealne ogniwo ma współczynnik FF równy 100%. Dla przykładowego ogniwa monokrystalicznego (patrz Rysunek 8) współczynnik ten wyniósł 70,2%.

Jak widać z powyższej analizy najważniejszym elementem wpływającym na wytwarzaną moc jest natężenie oświetlenia. Dlatego dodatkowo część promieniowania słonecznego odbijana jest przez szklaną powierzchnię pokrywającą ogniwo. W związku z tym, aktualnie stosowanym materiałem jest szkło matowe, które pozwala zaabsorbować większą ilość promieniowania. Przy tej okazji warto wspomnieć, że ogniwa pokryte są warstwą antyrefleksyjną, której zadaniem jest zmniejszenie efektu odbijania światła.

Komponenty do produkcji paneli FV

Wymienione powyżej typy paneli składają się z różnego rodzaju półprzewodników.

  • monokryształy krzemu
  • polikryształy krzemu
  • arsenek galu (GaAs) – ma sześcienną strukturę krystaliczną i jest używany do produkcji fotoogniw cienkowarstwowych, ponieważ o wiele lepiej absorbujący światło słoneczne niż krzem, więc jest to półprzewodnik bardzo obiecujący. Firma Semprius podaje, że efektywność w oparciu o ich panele z arsenku galu wynosi 28,8% [6.].
  • tellurek kadmu (CdTe)– ma sześcienną strukturę krystaliczną i jest używany do produkcji fotoogniw cienkowarstwowych ponieważ zwiększa wydajność paneli, jednocześnie obniżając ich koszt dzięki lepszej zdolności pochłaniania światła (zachowanie dobrych wyników przy słabym oświetleniu, szczególnie rano i wieczorem) oraz niskiemu współczynnikowi ciepła. Warstwa absorpcyjna tellurku kadmu jest umieszczana na szklanym wsporniku, a następnie przykrywana inną szklaną płytą, która hermetycznie uszczelnia panel.
  • Perowskity – fotoogniwo oparte najczęściej na hybrydowym organiczno-nieorganiczny materiale na bazie halogenku ołowiu lub cyny, jako warstwę aktywną zbierającą światło (patrz Rysunek 9). Halogenki to sole kwasów halogenowodorowych: fluorków, chlorków, bromków i jodków. 21.05.2021 przedsiębiorstwo Saule Technologies kierowane przez Olgę Malinkiewicz uruchomiło pierwszą na świecie wytwórnię perowskitowych ogniw słonecznych na terenie Wrocławskiego Parku Technologicznego. Olga Malinkiewicz jest polską fizyczką, która opracowała proces produkcji arkuszy perowskitowych za pomocą druku atramentowego w niskich temperaturach, co umożliwia wytwarzanie ogniw na rozmaitych powierzchniach, jak np. telefony komórkowe, żaluzje czy karoserie samochodowe.

  • Fotoogniwa polimerowe – (ang. organic solar cell) są zbudowane wielowarstwowo, jak widać na Rysunek 10, gdzie: PET – folia z politereftalanu etylenu, ITO – tlenek cynowo-indowy, PEDOT – Poli(3,4-etyleno-1,4-dioksytiofen), polimer przewodzący prąd elektryczny, Al – glin.

Ogniwa te są tanie w zastosowaniach fotowoltaicznych. Cząsteczki polimerów mają wysoki współczynnik absorbcji światła słonecznego, co oznacza, że duża ilość światła padającego może zostać zaabsorbowana przez taki materiał.

Temperatura pracy

Jednym z czynników mającym wpływ na sprawność fotoogniw jest temperatura otoczenia. Większość podawanych przez producentów parametrów technicznych fotoogniwa odnosi się do temperatury 2800°K, natężenia promieniowania w warunkach bezchmurnego nieba z prostopadle padającymi promieniami słonecznymi oraz temperaturze otoczenia wynoszącej w warunkach laboratoryjnych 25°C (patrz STC).

Zarówno elektryczna efektywność, jak i moc modułu fotowoltaicznego zależy liniowo od temperatury pracy. Nie jest prawdą, że im cieplej, tym lepiej dla pracy paneli. Zaznaczone punkty (MPP) na Rysunek 11, to miejsca mocy maksymalnej, czyli miejsca, w których iloczyn napięcia i natężenia prądu jest największy. Wraz ze wzrostem temperatury powyżej 25°C straty wydajności zazwyczaj mieszczą się w przedziale od 0,3% do 0,4% na stopień. W naszym klimacie zazwyczaj najwięcej energii z paneli PV uzyskuje się między majem, a lipcem.

Biorąc pod uwagę negatywny wpływ wzrostu temperatury ogniwa na sprawność, należy zapewnić odpowiednie chłodzenie – wentylację dla modułów. Zadanie to jest realizowane przez odpowiedni montaż modułów, zapewniający swobodny przepływ powietrza przy instalacji, lub w połączeniu z systemem hybrydowym, czyli z kolektorami słonecznymi, dzięki którym ciepło generowane przez generator PV jest wykorzystywane do konwersji na ciepło użytkowe w instalacjach ciepłej wody i centralnego ogrzewania [1.].

Mówiąc o temperaturze nie możemy zapominać, o prędkości wiatru, który chłodzi całą instalację, co wpływa korzystnie, na obniżanie temperatury pracy instalacji.

Straty wynikające z konstrukcji fotoogniw

Straty wydajności w czasie wynikają z działania wysokiej temperatury, wilgotności i promieniowania UV. Standardowo producenci podają maksymalną utratę sprawności w ciągu 25 lat do 15% co daje 0,6% roczne. Istnieje jednak technologia paneli podwójnie przeszklonych, dla których producenci gwarantują sprawność nawet przez 30 lat.

panelach podwójnie przeszklonych na spodniej stronie zamiast tradycyjne warstwy z polimeru stosuje się drugą warstwę szkła (tak jak na wierzchu) co pokazuje Rysunek 12. Panele te są co prawda cięższe i droższe, ale są preferowane przy instalacjach na farmach FV, ze względu na swoją wytrzymałość, co przekłada się na dłuższy okres pracy. Dzięki warstwom szkła panele są niepalne, jak też są znacznie odporniejsze na wysoką temperaturę pracy, bo w realnych warunkach panele pracują znacznie poza standardowymi warunkami testowymi (STC). Dodatkowo mają możliwość generowania energii ze spodniej strony, jeśli jest oświetlona, np. światłem rozproszonym lub odbitym.

Wpływ na sprawność mają też straty spowodowane przez kontakty metalowe na powierzchni ogniw krzemowych. Dlatego obecnie stosowana technologia czterech lub pięciu cieńszych wiązek przewodzących wyparła technologię trzech grubszych bus-barów (patrz Rysunek 2), stosowaną do niedawna na masową skalę.

Podsumowanie

Producenci paneli fotowoltaicznych prześcigają się w wykorzystaniu coraz nowszych technologii. Od użytych przez nich materiałów zależy cena paneli, a co za tym idzie całej instalacji. Wpływa to na czas zwrotu z inwestycji – prosumenci, którzy decydują się na zakup droższych rozwiązań będą dłużej czekać na realny zysk wynikający z korzystania z zielonej energii. W raporcie Oferro Fotowoltaika znajduje się część z kosztorysem, w którym uwzględniliśmy 3 opcje cenowe – ekonomiczną, regularną i najdroższą, obejmującą wykorzystanie w instalacji paneli monokrystalicznych.

Bibliografia:

  • Mirosław MAZUR, Janusz PARTYKA, Tomasz MARCEWICZ, Wpływ temperatury na sprawność baterii słonecznych, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 92 NR 8/2016, str. 109-112, doi:10.15199/48.2016.08.3
  • Polimery funkcjonalne, Open AGH e-podręczniki, 2022, str. 13.
  • Paweł Tomaszewski: Jan Czochralski i jego metoda. Jan Czochralski and his method, Oficyna Wydawnicza Atut, Wrocław–Kcynia 2003, ISBN 83-89247-27-5.
  • Mikołaj Kordowski, Maciej Jabłoński, Kamil Bartosiewicz, Jarosław Rybusiński, Badanie ogniw foto-woltaicznych, Projekt Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego realizowany pod opieką Jarosława Rybusińskiego, w ramach programu Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego „Uniwersytet Młodych Wynalazców”, str. 5, 2017.
  • PHOTOVOLTAICS REPORT  PHOTOVOLTAICS  REPORT,  Fraunhofer  Institute  for  Solar  Energy  Systems,  ISE with support of PSE Projects GmbH, Freiburg, 24.02.2022, str. 52, https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/studies/Photovoltaics-Report.pdf
  • Semprius, https://www.semprius.com/can-solar-cell-efficiency-overcome-its-current-values/, dostęp: 5.07.2022.

Komentarze

guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments