Ogniwa słoneczne
Ogniwa słoneczne przetwarzają światło na energię elektryczną. Ogniwo słoneczne może być produkowane z wielu różnych pierwiastków, ale najczęściej używanym jest krzem.
Mówi się o ogniwach pojedynczych (monokrystalicznych), wielokrystalicznych (polikrystalicznych) albo cienkowarstwowych (amorficznych). Różnica między ogniwem mono- i polikrystalicznym nie jest zbyt duża, właściwie chodzi o różny sposób produkcji materiału bazowego ogniwa. Dzięki jednolitemu materiałowi ogniwo monokrystaliczne ma nieco wyższą sprawność, tzn, że wytwarza nieco więcej energii na jednostkę powierzchni, niż ogniwo polikrystaliczne. Różnica jest jednak niewielka, 12-15% dla monokrystalicznego i 10-14 % dla polikrystalicznego.
Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu o wymiarach ok. 10 × 10 cm ma nominalne napięcie ok. 0,5 V. Poprzez połączenie szeregowe ogniw słonecznych, można otrzymać tzw. baterie słoneczne. Istnieją baterie z różną ilością ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw. Bateria słoneczna, która będzie używana do ładowania baterii ołowiowych na naszej długości i szerokości geograficznej, potrzebuje co najmniej 30 ogniw, jeśli chodzi o monokrystaliczne, i 32 ogniwa, jeżeli chodzi o ogniwa polikrystaliczne. Przy wzrastającej temperaturze napięcie ogniwa spada, co oznacza, że może być potrzebna bateria z jeszcze większą ilością ogniw ( o ile jest bardzo gorąco w miejscu, gdzie będzie ona zainstalowana).
Zwykła bateria składająca się z 30-32 ogniw ma maksymalną moc rzędu 40-45 W. Inne wielkości można otrzymać poprzez albo dołożenie większej ilości ogniw, albo poprzez podział ogniwa na mniejsze części. Jest to jednak dość drogie, ponieważ wymaga dodatkowych zabiegów w procesie produkcji.
Technika cienkowarstwowa oferuje bardzo wiele zalet z punktu widzenia możliwości produkcyjnych, ponieważ można bardzo dokładnie określić charakterystykę poprzez ułożenie wzoru połączeń w specjalny sposób. Bateria cienkowarstwowa produkowana jest w ten sposób, że nakłada się cienką warstwę aktywnego materiału na specjalnie przygotowaną szybę ze szkła. Następnie można przy pomocy lasera wycinać ogniwa w pożądanych wielkościach i ilościach. Niestety sprawność tego typu ogniw jest znacznie niższa niż ogniw krystalicznych, ale do prostych zastosowań, np. do zasilania kalkulatorów, ten typ stał się bardzo powszechny. Standardowa bateria cienkowarstwowa do ładowania akumulatorów ma zazwyczaj moc ok. 10 W.
Baterii słonecznych używa się normalnie do ładowania akumulatorów lub do bezpośredniego zasilania jakiegoś rodzaju urządzeń np. pompy wodnej, wentylatora itp. Do ładowania akumulatora buduje się system złożony z jednego lub wielu paneli słonecznych i regulatora ładującego tak, aby akumulator mógł być maksymalnie ładowany, jak również zabezpieczony od przeładowania i szkodliwego głębokiego rozładowania. Akumulatory mogą być różnych typów. Zwykły typ akumulatora samochodowego nie jest odpowiedni, ze względu na to, że jest skonstruowany tak, żeby oddawać dużo energii w ograniczonym czasie, a nie do tego, aby dawać mniejsze ilości energii w dłuższym czasie, co ma zazwyczaj miejsce tam, gdzie mamy do czynienia z urządzeniami słonecznymi. Do tego celu doskonale nadają się akumulatory ogólnego przeznaczenia, np. takie jak stosowane w układach podtrzymywania zasilania.
Baterie słoneczne powinny być montowane w ten sposób, aby były maksymalnie wyeksponowane do światła. Moc wyjściowa jest wprost proporcjonalna do ilości energii odbieranej z baterii. Kierunek ustawienia powinno się wybierać pomiędzy południowym wschodem i południowym zachodem, a miejsce powinno być nieocienione. Panele krystaliczne są szczególnie wrażliwe na zaciemnienie i nawej jeżeli jedno ogniwo w baterii jest zacienione traci się dużą część energii. Półcień nie jest tak niebezpieczny, jak całkowite zacienienie. Kąt ustawienia w kierunku słońca ma również znaczenie; w czasie półrocza zimowego jest ważne, aby panel był ustawiony pod kątem prostym do promieni słonecznych, podczas gdy w letniej porze roku wystarczy kąt 30-45 stopni. Bateria słoneczna produkuje energię również wówczas, gdy słońce jest za chmurami, lecz oczywiście energia, która jest produkowana jest zależna od natężenia promieniowania świetlnego. W słoneczny, letni dzień w Szwecji napromieniowanie wynosi aż do 1000 W/m2 i w tym czasie można ładować akumulator maksymalnie prądem 3 A, o ile oczywiście jest on już w pełni naładowany.
W pochmurny, letni dzień napromieniowanie może wynieść tylko ok. 200 W/m2 i wówczas prąd nie będzie większy niż ok. 0,5 A.
Ogniwa słoneczne - bezpośrednia przemiana energii słonecznej w elektryczną.
Prace nad wykorzystaniem bezpośredniej przemiany energii słonecznej w elektryczną metodą fotowoltaiczną prowadzone są w Polsce od 1973 roku. Polega ona na powstawaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika przez promienie słoneczne. W celu wykorzystania tego zjawiska buduje się kolektory w postaci baterii słonecznych stanowiących zestaw ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo, aby uzyskać odpowiednie napięcie i równolegle aby uzyskać niezbędną moc. Oprócz kolektorów instalacje fotowoltaiczne zawierają konstrukcję wspierającą wraz z układem sterującym ruchem kolektorów, system regulacji i kontroli, urządzenie przekształcające prąd stały uzyskiwany z kolektorów w prąd zmienny i system magazynowania energii lub rezerwowe źródło energii.
Podstawowe cechy instalacji fotowoltaicznych są następujące:
- żadne paliwo nie jest potrzebne, a zatem wszelkie problemy związane z transportem i magazynowaniem paliwa są wyeliminowane;
- nie wymagają one intensywnego chłodzenia, zatem mogą być lokalizowane z dala od rzek;
- ogniwa przekształcają także rozproszoną część promieniowania słonecznego padającego na Ziemię;
- ich wydajność nie zmniejsza się wraz z upływem czasu;
- żywotność wynosi 20-30 lat;
- na skutek braku części ruchomych nie ulegają zużyciu, nie wymagają części zamiennych ani konserwacji.
Podstawowym parametrem fizycznym cechującym ogniwo słoneczne jest jego sprawność. Sprawnością ogniwa nazywamy stosunek uzyskiwanej z ogniwa energii elektrycznej do energii promieniowania słonecznego padającego na ogniwo. Około1960 roku ogniwa miały 19 mm średnicy, a ich sprawność wynosiła 6 do 7%. W pięć lat później sprawność wzrosła do 9%, średnica do 30 mm, średnia moc do 2,5W.
Trzecia generacja ogniw pojawiła się w latach 70-tych. Średnica wynosiła 57 mm, sprawność zaś 12,5%.Dziś sprawność ogniw słonecznych osiąga już 25%.
Obecnie energia elektryczna z ogniw fotowoltaicznych jest jednak wyraźnie bardziej kosztowna niż innych źródeł. Jednakże, jeżeli najbliższa sieć elektryczna jest dalej niż 10 km od odbiorcy, a zapotrzebowanie na energię jest małe (np. pojedynczy dom), to nawet dziś może być bardziej opłacalne zainstalowanie ogniw fotoelektrycznych.
Dwa główne typy systemów fotowoltaicznych naziemnych są możliwe do wykorzystania w celu wytwarzania dużej ilości energii:
- instalacje na budynkach z kolektorami o powierzchni 50-10000 m2 i średniej dziennej produkcji 25-5000 kWh;
- instalacje umieszczone na powierzchni ziemi, które mogą zaspokajać lokalne zapotrzebowanie gospodarstw wiejskich.
W obu przypadkach można stosować kolektory z koncentracją optyczną, czyli wykorzystujące promieniowanie słoneczne rozproszone, które w naszych warunkach najczęściej występuje.
Szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem jest połączenie kolektorów termicznych z fotowoltaicznymi w jeden system, ponieważ większość budynków potrzebuje zarówno ciepła, jak i energii elektrycznej. W tym przypadku powierzchnia pochłaniająca kolektorów cieplnych jest uformowana częściowo z ogniw słonecznych, które przetwarzają część promieniowania w energię elektryczną, promieniowania pozostałe zaś około 50% promieniowania przekształcane jest w ciepło użytkowe. Chociaż w rezultacie tego połączenia sprawność kolektorów fotowoltaicznych ulega częściowemu zmniejszeniu, to jednak w sumie instalacje takie pozwalają łącznie spożytkować do 60% promieniowania słonecznego oraz są bardziej efektywne, gdyż wykorzystywana jest wspólna powierzchnia dla kolektorów cieplnych i fotowoltaicznych.
O zastosowaniu ogniw słonecznych do produkcji energii elektrycznej decyduje cena ogniwa słonecznego w przeliczeniu na 1W uzyskanej mocy elektrycznej.
Według badań amerykańskich energia fotoelektryczna jest jeszcze 10-krotnie droższa niż energia jądrowa. Należy jednak uwzględnić, że ogniwa słoneczne tanieją a koszty pozyskiwania energii w elektrowniach jądrowych drożeje.