Do budowy ogniw fotowoltaicznych stosowany jest krzem, a w szczególności:

• krzem monokrystaliczny
• krzem polikrystaliczny
• krzem amorficzny i jego stopy (w najnowszych technologiach wytwarzania paneli PV)

W zależności od struktury głównego pierwiastka, z którego buduje się ogniwa, rozróżniamy następujące typy paneli:

• panele monokrystaliczne – charakteryzują się ciemną, jednorodną barwą i sześciokątym kształtem ogniw. Do produkcji wykorzystywane są tylko bardzo czyste kryształy stopionego krzemu w kształcie walca. Finalna sztaba krzemu podczas procesu obróbki jest cięta na pojedyncze i cienkie plastry grubości około 0,2-0,3 mm. Dzięki kwadratowemu kształtowi pojedynczych plastrów w całym panelu można umieścić więcej pojedynczych ogniw. Sprawność ogniw monokrystalicznych wynosi średnio około 18-20 proc. Moduły monokrystaliczne mają wyższą sprawność niż polikrystaliczne, ale ich cena jest wyższa.

• panele polikrystaliczne – mają ciemnogranatowy kolor, a ich powierzchnia ukazuje strukturę wewnętrzną. Wytwarzanie polikrystalicznego krzemu odbywa się w podobny sposób jak monokrystalicznego z tą różnicą, że strukturę ogniwa uzyskuje się poprzez podgrzanie krzemu do wysokiej temperatury, a następnie schłodzenie do postaci sztaby, dzięki czemu uzyskujemy nieregularne formy. Blok krzemu cięty jest na grubość około 0,3 mm. Niebieski kolor ogniw powstaje dzięki warstwie antyrefleksyjnej, która ma najlepsze właściwości optyczne oraz optymalne pochłanianie światła. Sprawność pojedynczych ogniw wynosi około 16-18 proc. Moduły polikrystaliczne są tańsze od monokrystalicznych.

Obejrzyj materiał: Fotowoltaika - poradnik inwestora

• panele amorficzne – ten typ posiada inną strukturę, niż dwa wymienione powyżej. Bardzo cienka warstwa krzemu osadzana jest na powierzchni innego materiału, takiego jak np. szkło. W panelach amorficznych nie jest możliwe wyróżnienie pojedynczych ogniw, co da się zrobić w panelach mono- i polikrystalicznych. Moduły amorficzne najczęściej spotykamy w małych urządzeniach: kalkulatorach, zegarkach, ale czasem mają zastosowanie w dużych domowych instalacjach fotowoltaicznych. Ich sprawność wynosi około 6-10 proc.

Wymienione typy paneli należą do urządzeń tzw. I generacji, opartych na złączu p-n. Wyjaśniamy: - ten typ złącza określa złącze dwóch półprzewodników niesamoistnych o różnych typach przewodnictwa - p i n. W obszarze typu n (negative) nośnikami większościowymi są elektrony (ujemne). Atomy domieszek (donory) pozostają unieruchomione w sieci krystalicznej.

Zdecydowanie najpopularniejsze na rynku są obecnie moduły polikrystaliczne (około 70 proc. światowego rynku) i monokrystaliczne (około 25 proc.).

Panele nowszych generacji

Z paneli I generacji opartych na złączu p-n składa się 80 proc. systemów działających w Polsce. Oprócz nich jednak na rynku znajdują się panele mniej popularne, do których należą:

• ogniwa II generacji - produkowane z tellurku kadmu (CdTe), mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS) lub krzemu amorficznego. Oparte są na złączu p-n. Ich grubość jest do 100 razy mniejsza, niż ogniw I generacji i wynosi od 1 do 3 mikrometrów. Mają niższą cenę od ogniw I generacji, jednak idzie za tym ich niższa sprawność wynosząca około 7-15 proc;

• ogniwa III generacji - próbują naśladować naturę, a konkretnie zjawisko fotosyntezy. Zastosowano w nich tradycyjne półprzewodniki, zamiast złącza p-n. Charakteryzują się prostą budową i najniższą ceną, jednak też bardzo niską sprawnością wynoszącą około kilku procent.

Jednym z najnowszych typów paneli fotowoltaicznych są panele cienkowarstwowe wytworzone przy użyciu technologii CIS. Charakterystyczną cechą modułów CIS jest wysoka wydajność w warunkach słabego oświetlenia jednakże, dzięki najwyższej reakcji widma, zachowują swoją wydajność również w warunkach dobrego oświetlenia słonecznego. Mogą być przydatnym rozwiązaniem na częste, pochmurne dni występujące w krajach Europy Środkowej. Warstwa półprzewodnika wykonana jest z miedzi, indu, selenu, galu i siarki. Charakteryzuje je jednak niższa sprawność od ogniw mono- i polikrystalicznych.

Są jeszcze panele zbudowane z ogniw CdTe, składające się głównie z tellurku kadmu, który jest półprzewodnikiem. Charakterystyczną cechą paneli CdTe jest to, że zbudowane są najczęściej z jednego ogniwa, w przeciwieństwie do modułów pierwszego typu, które w standardowym wymiarach zawierają 60 ogniw. Wartości prądów i napięć różnią się znacznie od wartości tych parametrów w modułach zbudowanych z kryształów krzemu. Z zewnątrz CdTe można odróżnić głównie przez czerwony kolor, który wyróżnia je spośród innych typów paneli fotowoltaicznych. Sprawność modułów CdTe oscyluje w granicach 12-15 proc.

Przeczytaj także: Czy fotowoltaika się opłaca?

Szybki rozwój branży fotowoltaicznej powoduje, iż pojawia się sporo nowych rozwiązań w obszarze tzw. technologii wysokosprawnych, jednak ich udział w rynku należy określić jako marginalny, głównie ze względu na wysoką cenę.

Wśród tych modułów możemy wskazać następujące konstrukcje:

- all back contact - najwyższa sprawność (ponad 20 proc.), ale wysoka cena (dwukrotnie wyższa od standardowych modułów);
- moduły typu HIT - wysoka wydajność (duży uzysk z kWp zainstalowanej mocy) i wysoka sprawność (około 20 proc.);
- moduły typu PERC - modyfikacja ogniwa klasycznego, gdzie dzięki zmianom uzyskano wyższą sprawność i wydajność. Te moduły wydajniej pracują w okresie zimowym i przy niższym nasłonecznieniu. Cena jest o około 10 proc. wyższa od klasycznych modułów monokrystalicznych;
- moduły typu smart wire;
- moduły szyba-szyba;
- moduły dwustronne - ich instalacja ma sens tylko nad powierzchnią odbijającą promienie.

Chcąc poprawić efektywność funkcjonowania instalacji stosowane są optymalizatory mocy. Dzięki nim możemy uzyskać ograniczenie problemu cienia, lepsze zagospodarowanie powierzchni dachu oraz dobrą kontrolę wydajności pracy instalacji. Niestety, wiążą się z tym niemałe nakłady cenowe (do kilkuset zł/moduł), więc opłacalność i zasadność takiej dodatkowej inwestycji powinna być każdorazowo weryfikowana.

Sprawność ważna, ale nie aż tak, jak myślicie

Większość systemów fotowoltaicznych działających w Polsce składa się paneli polikrystalicznych. Dlaczego? Szerokość geograficzna naszego kraju generuje różne warunki nasłonecznienia. Panele polikrystaliczne podczas wytwarzania energii elektrycznej wyłapują, oprócz promieniowania bezpośredniego, o wiele więcej promieniowania odbitego oraz załamanego, w odróżnieniu od paneli monokrystalicznych. Dlatego, pomimo niższej sprawności, pracują zdecydowanie bardziej stabilnie w przeciągu roku. Dodatkowym atutem jest korzystny stosunek ceny do uzysku energetycznego.

Każda z obecnych na rynku technologii ma swoje wady i zalety. Klientów najbardziej jednak interesuje moc, jaką mogą uzyskać ze swojej domowej instalacji fotowoltaicznej. Tutaj bezwzględnie należy pamiętać, iż moc paneli PV przedstawiana przez producenta (określana w Wp), jest zawsze wartością maksymalną uzyskaną w warunkach laboratoryjnych STC (Standard Test Conditions). Badania te są prowadzone przy natężeniu promieniowania słonecznego na poziomie 1000 W/m2, temperaturze 25°C i spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery równej 1,5. W praktyce parametry te są prawie niemożliwe do uzyskania. W związku z tym przy doborze paneli powinno się także przeanalizować dodatkowe informacje dotyczące ich charakterystyki pracy w mniej sprzyjających warunkach, za to zbliżonych do rzeczywistych.

Jakie czynniki wpływają na sprawność ogniw fotowoltaicznych? Od czego zależy efektywność całego systemu? Czy tylko od typu paneli PV?

Sprawność modułów PV jest liczona jako stosunek mocy generowanej energii elektrycznej do mocy promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię modułu. Jest ona zależna od:

• technologii wykonania ogniw ( o sprawności poszczególnych typów pisaliśmy w pierwszej części artykułu),
• właściwości oraz struktury krystalicznej materiału użytego do ich budowy,
• właściwości optycznych zastosowanych powłok antyrefleksyjnych i szkła chroniącego ogniwa,
• jakości połączeń pomiędzy poszczególnymi ogniwami,
• warunków atmosferycznych - temperatury otoczenia, wiatru,
• charakterystyki promieniowania słonecznego - wartości natężenia, widma.

Z tych powodów w różnych lokalizacjach, azymutach, kątach nachylenia instalacji oraz w lokalnych warunkach pogodowych moduły o jednakowej sprawności nominalnej będą pracować z różną wydajnością.

W praktyce sprawność paneli fotowoltaicznych jest istotna przede wszystkim w przypadku ograniczonej powierzchni dostępnej pod instalację PV. Instalując moduły o wyższej sprawności można na danej powierzchni osiągnąć większą moc instalacji.

Na co jeszcze warto zwrócić uwagę?

• normy jakości – panele powinny być wykonane zgodnie z właściwymi normami jakości. Norma PN-EN 61730 - ocena bezpieczeństwa modułu fotowoltaicznego. Normy dotyczące jakości wykonania: PN-EN 61215:2005 dla modułów mono- i polikrystalicznych (wraz z jej aktualizacją z 2013 roku); PN-EN 61646:2008 dla modułów cienkowarstwowych.

• diody bypass (obejściowe) – chronią instalację przed skutkami zacienienia wyłączając z łańcucha szeregowo połączonych modułów najbardziej zacieniony panel. W przypadku jednej diody, jeżeli mamy jedno ogniwo zacienione, cały moduł nie działa, ale – dzięki diodzie obejściowej – będą działały pozostałe moduły. Obecnie najpopularniejsze są trzy diody obejściowe na moduł - niewielkie zacienienie powoduje wyłączenie tylko 1/3 modułu. W praktyce jednak, aby diody zadziałały, konieczne jest dosyć mocne, punktowe zacienienie. Jeżeli mamy np. równomierne zabrudzenie modułu, spadnie jego wydajność, a pozostałe dostosują się do najsłabszego.

Obejrzyj także: Fotowoltaika - co może pójść nie tak?

• ilość bus barów - ogniwa w module fotowoltaicznym łączone są za pomocą cienkiej metalowej taśmy, której zadaniem jest przewodzenie prądu (tzw. bus bary). Do końca 2015 r. standardem były moduły PV z trzema bus barami (3BB). W 2016 roku wielu producentów wprowadziło 4 bus bary (4 BB), a niektórzy nawet 5 BB. Moduły wykonane z ogniw z większą liczbą bus barów to nieco wyższa odporność na zacienienie, niższe ryzyko mikropęknięć oraz wolniejsza degradacja modułu.

Uwaga na cień

3 proc. cienia na module potrafi zmniejszyć wydajność łańcucha aż o 25 proc. Cień obejmujący 6-10 proc. jednego modułu potrafi zmniejszyć wydajność całego łańcucha nawet o połowę! Ogniwa w module połączone są szeregowo, zaś moduły również są połączone ze sobą szeregowo, więc efekt zacienienia ma wpływ na funkcjonowanie całego szeregu modułów.

Co z gradem?

Odporność na warunki atmosferyczne, a w szczególności odporność na grad, to jedno z najczęstszych pytań potencjalnych użytkowników instalacji fotowoltaicznej. Wszystkie moduły wykonane zgodnie z normami jakości testowane są w zakresie odporności na grad. Moduły muszą wytrzymać 11 cykli uderzeń w jedno miejsce kuli o wadze 7,5 g i średnicy 2,5 cm wystrzelonej z prędkością 80km/h. Testy wytrzymałościowe tego typu pokazują, iż nasze moduły będą bezpieczne w przypadku standardowego gradobicia.

Ewa Grochowska

Źródła:

- elve.pl
- gsfotowoltaika.pl
- easysolar.pl
- easysolar.pl [2]
- elve.pl [2]
- solaris18.blogspot.com

FOTO: ekofachowcy.pl

Treści zawarte w publikacji nie stanowią oficjalnego stanowiska organów Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach