Produkcja energii elektrycznej z  promieniowania słonecznego przy użyciu małych elektrowni fotowoltaicznych, zwanych też systemami fotowoltaicznymi polega na… No właśnie, na czym to właściwie polega?

Tłumaczymy: ogniwa fotowoltaiczne (PV) są to półprzewodnikowe elementy, w których następuje bezpośrednia konwersja energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną, powstającą wskutek zjawiska fotoelektrycznego.

Zjawisko to może zaistnieć  między dwoma półprzewodnikami - jednego typu „p”, a drugiego typu „n”- przedzielonymi barierą potencjału. Materiałem półprzewodnikowym najczęściej stosowanym do produkcji paneli PV jest krzem. W strukturze krystalicznej półprzewodnika „p” utrzymuje się niedobór liczby elektronów swobodnych, a w strukturze półprzewodnika „n” ich nadmiar.

Padające na ogniwo fotowoltaiczne kwanty promieniowania elektromagnetycznego, pochodzące ze słońca, powodują wybicie elektronów z  sieci krystalicznej półprzewodnika typu „p”. W ich miejsce powstają „dziury” o ładunkach dodatnich. Takie elektrony stają się swobodnymi w  obrębie półprzewodnika. Przedostają się one przez barierę potencjału (złącze „p-n”) do obszaru „n”.

Jeżeli przyłożone zostaną do obszarów „p” i „n” wyprowadzenia elektryczne, umożliwi to wybitym elektronom przepływ do odbiornika energii elektrycznej. Następnie elektrony wracają do obszaru „p” zajmując miejsca powstałych przez wybicie dziur.

Na wyjściu z ogniwa fotowoltaicznego uzyskuje się prąd stały. Jego napięcie jest jednak ściśle związane z  nasłonecznieniem - ilością kwantów promieniowania słonecznego powodujących wybijanie elektronów.

Rodzaje systemów

W  skład instalacji fotowoltaicznej, oprócz samych paneli PV, wchodzi szereg urządzeń pomocniczych.

Małe elektrownie fotowoltaiczne, zwykle do 10  kW, można zainstalować na dachu budynków mieszkalnych lub gospodarczych. Większe instalacje, z  racji zajmowanej powierzchni, będą musiały być instalowane bezpośrednio na gruncie, jako wolnostojące.

Na wyjściu z paneli PV odbierany jest prąd stały o parametrach zależnych od warunków nasłonecznienia w danej chwili. Poprzez kontroler ładowania można naładować więc akumulatory i zasilić urządzenia prądu stałego. W przypadku chęci zasilenia urządzeń prądu przemiennego niezbędne okaże się kupno inwertera sieciowego.

Ponadto elektrownia słoneczna będzie wymagała specjalnego kabla solarnego – przewodu transmitującego energię elektryczną, odpornego na warunki atmosferyczne, w szczególności wysoką temperaturę, a także na promieniowanie UV.

O typie instalacji decyduje końcowy sposób wykorzystania energii elektrycznej wyprodukowanej z  paneli. Biorąc to pod uwagę wyróżnić możemy instalacje typu on-grid (przyłączone do sieci elektroenergetycznej), typu off-grid (nie przyłączone do sieci) i systemy mieszane.

Energia elektryczna wyprodukowana w systemach on-grid przekazywana jest do sieci, a prosument (odbiorca i wytwórca energii jednocześnie) rozlicza się z wyprodukowanego prądu z lokalnych zakładem dystrybucyjnym.

Energię elektryczną służącą do zasilenia urządzeń w  gospodarstwie domowym można kupić osobno, ale w tzw. systemie producenckim może bardziej opłacać się jej wykorzystanie na potrzeby własne i sprzedaż nadwyżek do sieci.

W instalacjach off-grid, czyli autonomicznych, pracujących niezależnie od sieci, energia elektryczna wytwarzana jest tylko na potrzeby własne. Takie systemy służą do zasilania obiektów, gdzie prowadzenie przyłącza elektroenergetycznego okazuje się nieopłacalne, np. schroniska górskie, oświetlenie i  sygnalizacje drogowe poza miastem, domki letniskowe. Systemy takie wymagają jednak magazynowania energii w  akumulatorach, by umożliwić ciągłość zasilania w  czasie braku dostatecznej ilości promieniowania słonecznego.

Systemy mieszane PV wytwarzają w  pierwszej kolejności energię elektryczną na potrzeby własne gospodarstwa domowego lub rolnego. W  przypadku niedoboru energii, wyczerpania się akumulatorów lub awarii elektrowni PV, możliwe jest przełączenie na zasilanie z  innego źródła, jak na przykład sieć elektroenergetyczna.

Na polskim rynku

Obecnie na polskim rynku paneli fotowoltaicznych dominują cztery ich grupy. Przyjrzyjmy się im:

Panele fotowoltaiczne z  ogniw polikrystalicznych - najbardziej popularne. Ich sprawność jest rzędu 12-14 proc. Cechują się przystępną ceną za jednostkę mocy (1 Wp), a w  wyglądzie zewnętrznym można wyraźnie dostrzec tworzące panel kryształy krzemu.

Panele fotowoltaiczne z  ogniw monokrystalicznych - każde ogniwo wykonane jest z pojedynczego kryształu krzemu. Cechują się wyższą sprawnością niż panele polikrystaliczne - 14-16 proc., wyższa jest jednak też cena za jednostkę mocy.

Panele fotowoltaiczne z krzemu amorficznego - osadza się cienkie warstwy krzemu na szkle. Jest to najoszczędniejszy sposób produkcji paneli PV, co za tym idzie, najkorzystniejsza jest również relacja ceny za jednostkę mocy. Cechują się jednak stosunkowo niewielka sprawnością, bo tylko 6-8 proc.

Panele fotowoltaiczne z  tellurku kadmu - podobnie jak w  panelach PV amorficznych, nakłada się cienką warstwę półprzewodnika (tutaj tellurku kadmu) na taflę szklaną. Są one znacznie tańsze niż panele wykonane z krzemu. Ich sprawność jest rzędu 11 proc. Obecnie są jeszcze dość rzadko spotykane w Polsce.

W Polsce około 170 firm (liczba ta szybko rośnie) ma w swojej ofercie sprzedaż modułów fotowoltaicznych i montaż systemów oraz sprzedaż akcesoriów.

Najwięcej paneli na polskim rynku stanowią urządzenia produkcji chińskiej (28 proc.), niemieckiej (24 proc.), kanadyjskiej (17 proc.) i  japońskiej (9 proc). Z  równie bogatą ofertą można się spotkać planując zakup urządzeń pomocniczych.

Pozwala to na dobór odpowiednich urządzeń dopasowanych do wielkości instalacji fotowoltaicznej, jak i  preferencji klienta, a także typów pokryć dachowych oraz zestawów służących do zainstalowania elektrowni PV wolnostojących. Dostępne są też systemy śledzące, tzw. trackery, które na bieżąco analizują położenie słońca i obracają stelaż z panelami PV tak, by jak najefektywniej wykorzystać energię słoneczną.

Krajowy rynek jest na początkowym etapie rozwoju z niewielką całkowitą mocą zainstalowaną rzędu 2 MWp. Spodziewany szybki jego rozwój w najbliższych latach oraz dalszy spadek kosztów produkcji urządzeń doprowadza do szybkiego spadku kosztów. Potencjał spadku kosztów urządzeń PV w Polsce jest bardzo duży, nawet poniżej 50 proc. obecnych cen.

Zanim kupisz

Jeszcze przed zakupem musicie zdecydować, w  jakim celu będzie wykorzystana instalacja fotowoltaiczna - czy będzie ona źródłem dochodu, dzięki odsprzedaży wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci, czy też będzie służyć tylko potrzebom gospodarstwa domowego.

Mając już wybrany wariant przyłączeniowy, warto zwrócić się do firmy zajmującej się w sposób kompleksowy budową modułów fotowoltaicznych (wcześniej sprawdzić jej referencje!), która zapewni fachową konsultację i pomoc w doborze urządzeń, zainstalowanie elektrowni PV, przyłączenie oraz serwis gwarancyjny.

Koszt zakupu urządzeń elektrowni fotowoltaicznej zależy w  sposób ścisły odwybranej mocy i  wariantu przyłączeniowego. Stałym elementem będzie koszt zakupu paneli PV, inwertera sieciowego oraz niezbędnego osprzętu elektrycznego.

W  przypadku chęci sprzedaży energii do sieci, trzeba kupić ponadto licznik energii elektrycznej zgodny z  coraz powszechniejszym wymogiem instalowania inteligentnych liczników, stawianym lokalnym przedsiębiorstwom energetycznym. W  wariancie OFF-GRID konieczne będzie nabycie kontrolera ładowania oraz akumulatorów.

Obecnie funkcjonujący system wsparcia nie pozwala na czerpanie realnych korzyści przez małych wytwórców energii elektrycznej. Ceny sprzedaży energii elektrycznej do sieci, wraz z możliwymi przychodami ze sprzedaży zielonych certyfikatów, nie pozwalają na szybki zwrot poniesionych nakładów inwestycyjnych. Ponadto system wymaga rejestracji działalności gospodarczej, co powoduje dodatkowe koszty z tym związane.

Planując sprzedaż wyprodukowanej energii elektrycznej do sieci, warto wziąć pod uwagę projekt ustawy o odnawialnych źródłach energii odnośnie tzw. stałych taryf FIT (Feed in Tariff).

W  założeniu będzie można odsprzedawać lokalnemu operatorowi systemu dystrybucyjnego energię po z góry ustalonej stawce za kilowatogodzinę. Odpowiednio dobrana stawka pozwoli na zapewnienie stabilnych i  trwałych warunków związanych ze zbytem energii elektrycznej przez ustalony czas, obecnie projekt zakłada 15-letni okres. Pozwoli także na szybszy zwrot poniesionych kosztów inwestycyjnych.

Z analiz Instytutu Energetyki Odnawialnej wykonanych dla Ministerstwa Gospodarki wynika, że możliwym jest osiągnięcie okresu zwrotu nakładów na budowę instalacji fotowoltaicznej w  ciągu około 9-10 lat.

W swoich założeniach ustawa ma także znieść uciążliwy obowiązek rejestrowania działalności gospodarczej związanej z  wytwarzaniem energii, a  także zminimalizować formalności Urzędu Regulacji Energetyki.

Oprac. Ewa Grochowska

Na podstawie: Małoskalowe odnawialne źródła energii.  Mikroinstalacje, kolektory słoneczne, systemy fotowoltaiczne, małe elektrownie wiatrowe. Poradnik opracowany przez Instytut Energetyki Odnawialnej.