Jakie są rodzaje ogniw fotowoltaicznych?

Globalne ocieplenie klimatu oraz nasilające się w każdym sezonie grzewczym zjawisko smogu zmuszają do poszukiwania ekologicznych źródeł energii, które równocześnie zapewnią ekonomiczną opłacalność. Energia wiatru, zasoby cieplne zgromadzone w gruncie oraz promieniowanie słoneczne stwarzają duże nadzieje na pokonanie dręczących ludzkość problemów. Nowe technologie pozwalają w coraz bardziej ekonomiczny sposób korzystać z tych zasobów.

Jak działają ogniwa fotowoltaiczne?

Jedną z najdynamiczniej rozwijających się metod wykorzystania odnawianych źródeł energii (OZE) są instalacje fotowoltaiczne. Fotowoltaika wykorzystuje zjawisko zamiany energii fotonów promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Odbywa się to w różnego rodzaju ogniwach fotowoltaicznych. Wykorzystuje się w nich półprzewodniki o różnych typach przewodnictwa i tzw. złącza p-n. Pod wpływem światłą słonecznego dochodzi w nich do przemieszczenia ładunków elektrycznych i powstania różnicy potencjału, czyli napięcia elektrycznego. Pojedyncze fotoogniwo z krystalicznego krzemu pozwala uzyskać napięcie ok. 0,5 V. Ogniwa łączy się szeregowo w panelach słonecznych. Do produkcji ogniw fotowoltaicznych oprócz krzemu wykorzystywane są inne materiały półprzewodnikowe takie jak selen lub german. Uzyskany w panelach fotowoltaicznych prąd stały jest przetwarzany w inwerterach solarnych (falownikach) na prąd przemienny zsynchronizowany z prądem w sieci energetycznej.

Rodzaje ogniw fotowoltaicznych

W dziedzinie wykorzystania energii słonecznej następuje nieustanna ewolucja, jednak nie wszystkie rodzaje ogniw fotowoltaicznych (ogniw PV) nadają się do zastosowania w panelach fotowoltaicznych instalacji domowych, a nawet do zastosowania w warunkach polskiego klimatu i panującej w naszym kraju insolacji.

Wśród ogniw fotowoltaicznych można wyróżnić:

1. Ogniwa monokrystaliczne, wytwarzane z monokryształu krzemu. Panele monokrystaliczne składają się z czarnych wielokątów, pomiędzy którymi są luki, które nie pozwalają wykorzystać całej powierzchni panelu. Ze względu na czasochłonny proces hodowli kryształów ten rodzaj paneli fotowoltaicznych ma wysoką cenę. Mają jednak wysoką sprawność, sięgającą 15-25%, odporność na warunki atmosferyczne i trwałość. Ich wydajność jest optymalna w warunkach maksymalnego nasłonecznienia i dlatego słabo sprawdzają się w polskim klimacie. Sprawdzają się tam, gdzie mamy ograniczoną powierzchnię do zamontowania paneli fotowoltaicznych.
2. Ogniwa polikrystaliczne, wytwarzane z prostokątnych płytek krzemowych o nieregularnej strukturze krystalicznej. Panele polikrystaliczne mają charakterystyczny niebieski kolor z widoczną strukturą kryształów (przypomina szron). Ze względu na niższą sprawność, sięgającą 14-18% wymagają większej powierzchni do uzyskania tej samej ilości prądu, co panele monokrystaliczne. Mają niebieski kolor i widoczną strukturę kryształów krzemu, która przypomina szron. Lepiej wykorzystują światło rozproszone i dlatego są najpowszechniej wykorzystywanym typem paneli w polskich warunkach klimatycznych. Cena fotowoltaiki zbudowanej z ogniw polikrystalicznych jest też bardziej przystępna.
3. Ogniwa cienkowarstwowe produkowane są z krzemu amorficznego, CdTe (tellurek kadmu), CIS (miedzi, indu i selenu) i CIGS (miedzi, indu, galu i selenu). Cena paneli fotowoltaicznych cienkowarstwowych ze względu na ich grubość od 0,001 do 0,08 mm jest niska, pomimo wykorzystywania surowców rzadko występujących w przyrodzie (tellur, ind, gal i selen). Panele są elastyczne i dobrze znoszą wysokie temperatury. Ich wadą jest niska sprawność. Panele z krzemu amorficznego osiągają tylko 6-10% sprawności, a najwydajniejsze z ogniw cienkowarstwowych panele CIGS mają 12-14% sprawności. Nadają się do współpracy z akumulatorami, dostosowanie ich do sieci energetycznej wymaga bardzo drogich falowników.
4. Ogniwa najnowszej generacji to np. ogniwa polimerowe oraz barwnikowe, których działanie przypomina fotosyntezę w komórkach roślin. Są one dopiero na etapie badań i eksperymentów. Dotychczas nie udało się uzyskać zadowalającej sprawności i żywotności tych ogniw, które pozwoliłyby na ich szersze zastosowanie.

Czy fotowoltaika w Polsce się opłaca?

Coraz częstsze ograniczenia w stosowaniu paliw stałych wprowadzane przez lokalne samorządy w ramach walki ze smogiem sprawiają, że inwestycje w fotowoltaikę należy traktować jako rozwiązanie perspektywiczne. Fotowoltaika może liczyć na dofinansowanie w ramach rządowego programu “Mój Prąd”, którego celem jest wzrost produkcji energii elektrycznej z mikroinstalacji fotowoltaicznych. Program ten został skorelowany z programem “Czyste Powietrze”, którego nowa edycja, korzystniejsza dla beneficjentów ruszyła w czerwcu 2020 r. Wnioski o dofinansowanie można składać online lub w Wojewódzkim Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej właściwym dla lokalizacji inwestycji. W przypadku inwestycji w pompę ciepła wraz z fotowoltaiką dofinansowanie może wynieść nawet 37 000 zł w zależności od uzyskiwanych rocznych dochodów. Prawidłowo wykonana i dobrej jakości instalacja fotowoltaiczna pozwala na bilansowanie produkcji i zużycia prądu w ramach bezgotówkowego rozliczenia z operatorem sieci energetycznej i zminimalizowanie wydatków na prąd w całym okresie eksploatacji instalacji fotowoltaicznej.