Panele fotowoltaiczne - co to za rozwiązanie?
Panele fotowoltaiczne (lub też moduły fotowoltaiczne - określenie to stosuje się zamiennie) to urządzenie, którego zadaniem się transformowanie promieniowania słonecznego w energię elektryczną (a konkretnie w prąd stały DC). Proces ten odbywa się dzięki zjawisku fotowoltaicznemu, zachodzącemu w tzw. ogniwach fotowoltaicznych, budujących panel fotowoltaiczny. Jednocześnie moduł fotowoltaiczny to jeden z podstawowych elementów każdej instalacji fotowoltaicznej. Jeśli chcecie dowiedzieć się więcej na temat ogniw fotowoltaicznych i budowy paneli fotowoltaicznych, to sprawdźcie nasz artykuł: Jak jest zbudowany panel fotowoltaiczny? Jak działa moduł PV?
Skoro wiemy już czym są panele fotowoltaiczne, wyjaśnijmy jeszcze, z czym nie należy ich mylić.
Panele fotowoltaiczne a kolektory słoneczne (solary)
Moduły fotowoltaiczne bardzo często mylone są innym urządzeniem, wykorzystującym promieniowanie słoneczne, a mianowicie z kolektorami słonecznymi (popularnie nazywanymi solarami). Nie są to jednak tożsame rozwiązania. Jak już wiemy, panele fotowoltaiczne zamieniają energię słoneczną w energię elektryczną. Solary (kolektory słoneczne) służą natomiast do pozyskiwania energii cieplnej.
Pomyłki mogą być jednak zrozumiałe, gdyż w pewnych przypadkach, oba urządzenia bywają do siebie łudząco podobne. W efekcie, nie każdy jest w stanie na pierwszy rzut oka, rozróżnić panele fotowoltaiczne i kolektory słoneczne.
Panele fotowoltaiczne a panele solarne
Panele fotowoltaiczne bardzo często nazywane są również panelami solarnymi. To również może stwarzać pole do nieporozumień, bo tym samym pojęciem niektórzy określają właśnie kolektory słoneczne (solary). Dlatego, by uniknąć pomyłek, najlepiej jest trzymać się nazewnictwa, które nie budzi wątpliwości, czyli:
- dla urządzeń zamieniających promienie słoneczne w elektryczność - stosujemy nazwę “panele fotowoltaiczne”, “moduły fotowoltaiczne”, ewentualnie: “panele PV” lub “moduły PV”.
- dla urządzeń zamieniających promienie słoneczne w ciepło - “kolektor słoneczny”, ewentualnie “solary”.
Rodzaje paneli fotowoltaicznych
Choć zasada działania niemal wszystkich modułów fotowoltaicznych jest właściwie identyczna, to jednak panele jako urządzenia, mogą się od siebie znacząco różnić. Istnieje wiele różnych rodzajów paneli fotowoltaicznych. Ich podziału zwykle dokonuje się na podstawie cech ogniw lub samych modułów:
- rodzaje paneli fotowoltaicznych uwzględniające generację ogniw,
- rodzaje paneli fotowoltaicznych - podział ze względu na materiał półprzewodnika,
- rodzaje paneli fotowoltaicznych - podział ze względu na budowę.
Podział paneli fotowoltaicznych ze względu na generację ogniw
Zwykle wyróżnia się 3 generacje ogniw fotowoltaicznych, determinujących rodzaj modułu fotowoltaicznego. Ich podział związany jest z chronologią powstawania poszczególnych technologii budowy ogniw.
- Ogniwa fotowoltaiczne I generacji - znajdziemy w modułach wykorzystujących krzem w krystalicznej formie. Ich cechą charakterystyczną jest stosunkowo gruba warstwa półprzewodnika (krzemu). Moduły z ogniw I generacji to najstarsze i najszerzej wykorzystywane rodzaje paneli fotowoltaicznych. Zatem, jeśli na dachu czyjegoś domu zobaczycie panele fotowoltaiczne, najprawdopodobniej będą to właśnie moduły z ogniwami I generacji.
- Ogniwa fotowoltaiczne II generacji - występują w modułach bazujących na: krzemie amorficznym (nie krystalicznym a-Si), tellurku kadmu (CdTe), mieszaninie miedzi, indu, galu i selenu (CIGS) lub arsenku galu (GaAS). W przeciwieństwie do ogniw I generacji, tu znajdują się bardzo cienkie warstwy półprzewodników. Ogniwa II generacji możecie niekiedy znaleźć m.in. w różnego rodzaju fotowoltaice do ogrodu, czyli np. w lampach solarnych. Znane są również z kalkulatorów solarnych. Ogniwa II generacji, choć wykorzystywane na rynku, z różnych przyczyn (m.in. ze względu na toksyczność niektórych pierwiastków oraz koszt produkcji) są znacznie mniej popularne od ogniw I generacji.
- Ogniwa fotowoltaiczne III generacji - w tej kategorii znajdziemy m.in. moduły fotowoltaiczne wykorzystujące ogniwa barwnikowe. Działają one nieco inaczej niż pozostałe, bo na zasadzie zbliżonej do procesu fotosyntezy. Inaczej Oprócz tego, do ogniw fotowoltaicznych III generacji zaliczamy też tzw. ogniwa organiczne. Cechą charakterystyczną ogniw III generacji jest m.in. brak złącz P-N. To stosunkowo nowe rozwiązania, które wciąż wymagają udoskonalania, szczególnie na płaszczyźnie sprawności oraz żywotności. Jeśli nie wiecie czym jest sprawność modułów fotowoltaicznych, sprawdźcie nasz artykuł: Parametry paneli fotowoltaicznych – jakie dane skrywa tabliczka znamionowa?
W nowych opracowaniach naukowych wyróżnia się niekiedy jeszcze ogniwa fotowoltaiczne IV generacji. Zalicza się do nich wówczas ogniwa z modułów wykorzystujących perowskity lub hybrydowe połączenia półprzewodników. O tych nowych rodzajach modułów fotowoltaicznych, powiemy nieco więcej w dalszej części artykułu.
Powyższy podział paneli fotowoltaicznych (a raczej ogniw PV) raczej rzadko jest wykorzystywany na co dzień. Częściej napotkacie na podział związany z półprzewodnikiem zastosowanym w module.
Podział paneli fotowoltaicznych ze względu na wykorzystywane półprzewodniki
W prostych słowach, półprzewodnik, to materiał, który pod względem przewodnictwa elektrycznego znajduje się gdzieś między metalami a izolatorami. Ze względu na swoje cechy, półprzewodniki znajdują zastosowanie w modułach fotowoltaicznych - to właśnie one pozwalają przekształcić promienie słoneczne w energię elektryczną. Najpopularniejszym półprzewodnikiem wykorzystywanym w modułach fotowoltaicznych jest krzem. W różnych modułach występuje on jednak w różnej formie.
- Polikrystaliczne moduły fotowoltaiczne - to jedne z pierwszych modułów fotowoltaicznych szerzej wykorzystanych na rynku. Składają się z kwadratowych lub prostokątnych ogniw. Ich bazę stanowi krzem o budowie polikrystalicznej - składa się on z wielu kryształów, o różnym kształcie i rozmiarach. Jest to cecha, po której można je łatwo rozpoznać - na ich powierzchni można zauważyć struktury o błękitnej barwie, przypominające szron. Polikrystaliczne panele fotowoltaiczne są stosunkowo tanie w produkcji, przez co przez lata dominowały na rynku. Ich sprawność jest jednak ograniczona i nawet w najnowszych konstrukcjach nie przekracza 19%. Nie najlepiej radzą sobie również z wysokimi temperaturami - w takich warunkach produkują mniej niż konkurencja, która z czasem wyparła je z rynku.
- Monokrystaliczne panele fotowoltaiczne - to obecnie wiodąca technologia modułów PV. Stosowane w nich ogniwa (najczęściej kwadratowe) produkowane są one z jednego, dużego kryształu krzemu (stąd ich nazwa), który jest “hodowany” metodą opracowaną przez polskiego chemika, Jana Czochralskiego. Moduły monokrystaliczne można poznać po jednolitej, czarnej lub ciemnoniebieskiej barwie. W przeciwieństwie do ogniw polikrystalicznych, ogniwa w modułach monokrystalicznych mogą sięgać 23% sprawności (oznacza to, że mogą wyprodukować więcej energii z mniejszej powierzchni). Lepiej radzą sobie również z wysokimi temperaturami. Niestety, proces produkcji i obróbki krzemu monokrystalicznego jest dość skomplikowany, żmudny i wymaga specjalnych warunków, co przekłada się na wyższe koszty.
- Amorficzne panele fotowoltaiczne - wyglądają jak wielkie ogniwo fotowoltaiczne. Krzem w modułach amorficznych jest odmianą alotropową, co oznacza, że jego atomy nie są uporządkowane w krystaliczną formę. Jest go również znacznie mniej niż w przypadku pozostałych krzemowych rodzajów paneli fotowoltaicznych. Moduły amorficzne mają ciemną barwę i na ich matowej powierzchni nie zauważymy charakterystycznych cienkich drucików (busbarów) występujących w mono i polikrystalicznych wersjach. Bardzo dobrze radzą sobie w wysoką temperaturą otoczenia i zacienieniem. Są też tanie w produkcji. Nie zawojowały jednak rynku, m.in. dlatego, że mają bardzo niską sprawność (ok. 10%) co sprawia, że wymagają bardzo dużo przestrzeni. Problemem jest ich krótka żywotność, duży i szybki spadek wydajności i konieczność stosowania odpowiednich falowników.
Typy paneli fotowoltaicznych ze względu budowę i technologię
Przeciętnego użytkownika modułów fotowoltaicznych zwykle bardziej od struktury krzemu w module, interesuje konkretna technologia jego budowy. W dużej mierze od niej zależą ostateczne parametry pracy paneli fotowoltaicznych. Temat jest jednak mocno rozbudowany, bo można wskazać kilkanaście technologii. Wciąż pojawiają się też nowe rozwiązania.
Panele fotowoltaiczne z technologią PERC
To obecnie jedna z wiodących technologii, która stanowi doskonały balans między kosztami produkcji a osiągami modułu. W ogniwach typu PERC znajduje się dodatkowa warstwa, dzięki której promienie słoneczne mogą zostać odbite i ponownie wykorzystane. Poprawi ulega szczególnie wykorzystanie promieniowania o dłuższej fali (podczerwone), dzięki czemu moduły tego typu dobrze radzą sobie rano, wieczorem i podczas zachmurzeń.
Panele fotowoltaiczne z technologią MWT
Technologia MWT (Metal Wrap Through) polega na przeniesieniu do tylnej części ogniwa szyn zbiorczych. Za pomocą otworów w ogniwie zapewnia się kontakt z górną elektrodą. Na ogniwie MWT, zamiast drobnych metalowych drucików (busbarów) zobaczymy jedynie drobne kropki. W praktyce pozwala to zmniejszyć zacienienie ogniwa i zwiększyć produkcję. Ten sam efekt zapewnia też fakt lepszego odprowadzania ciepła z przodów ogniw.
Panele fotowoltaiczne z technologią All Back Contact
Inaczej niż w przypadku większości ogniw PV na rynku, w ogniwach All Back Contact obie elektrody występują w tylnej części. Dzięki temu, minimalizuje się samo zacienienie ogniw i zwiększa uzyski. Jednocześnie w ogniwie występują mniejsze straty wewnętrzne.
Panele fotowoltaiczne z technologią HIT
W ogniwach typu HIT znajdują się dwie cienkie warstwy krzemu amorficznego. Jego dodanie, poprawia absorpcję światła, również rozproszonego (oznacza to lepszą pracę przy zachmurzonym niebie). Osiągają również doskonałe parametry pracy przy wysokiej temperaturze otoczenia.
Panele fotowoltaiczne z technologią Smartwire
W ich przypadku, klasyczne busbary zastępuje dość gęsta siatka z mikroprzewodów. Taka konstrukcja przekłada się na niższe opory wewnętrzne w ogniwie (a więc mniej straty na przesyle) oraz większą odporność modułu (na mikropęknięcia). Co więcej, zastosowanie większej ilości cienkich przewodów, wbrew pozorom, zmniejsza zacienienie ogniwa.
Panele fotowoltaiczne z technologią Shingled
To jedne z najbardziej charakterystycznych modułów PV. W tej technologii ogniwa to wąskie paski, nakładane na siebie podobnie jak w przypadku gontu. To pozwala ukryć szyny zbiorcze, minimalizując związane z nimi zacienienia. Konstrukcja paneli shingled daje również inne korzyści - m.in. niższe straty wewnętrzne i wyższą sprawność modułu.
Panele fotowoltaiczne Half Cut
To rozwiązanie, które w swojej ofercie posiada niemal każdy producent paneli fotowoltaicznych. W modułach z technologią Half Cut, kwadratowe ogniwa są podzielone na dwie, równe części. Taki podział przekłada na znacząco (aż czterokrotnie!) niższe straty związane z rezystancją. Moduły Half Cut lepiej radzą sobie także z zacienieniem.
Panele fotowoltaiczne Double Glass (Glass-Glass)
Panele z fotowoltaiczne typu “szyba-szyba”, jak sama nazwa wskazuje, zamiast tylnej części wykonanej z tworzywa sztucznego, posiadają szklaną taflę. Zabudowanie kluczowych elementów modułu (wafli krzemowych i elektrod) szkłem sprawia, że można zrezygnować z aluminiowej ramy. Moduły Glass-Glass charakteryzuje przede wszystkim większa wytrzymałość, dłuższa żywotność oraz odporność na trudne warunki (np. wysoką wilgotność, solanki, kwasy).
Panele bifacjalne (dwustronne)
Dwustronne moduły fotowoltaiczne są zbudowane w ten sposób, że zarówno ich przednia, jak i tylna część posiada zdolność do przekształcenia promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Tylna strona modułu wykorzystuje najczęściej tzw. promieniowanie odbite. W zależności od potencjału odbicia (określanego jako albedo) uzyski z modułów dwustronnych mogą być nawet o 25% większe niż w przypadku klasycznych, jednostronnych wariantów.
Nowe rodzaje paneli fotowoltaicznych
Wspominaliśmy już, że technologie fotowoltaiczne wciąż są ulepszane, a efektem tych procesów jest pojawianie się nowych rodzajów paneli fotowoltaicznych. Do najważniejszych z nich należy z pewnością zaliczyć dwa typy: moduły fotowoltaiczne z technologią TOPCon oraz perowskitowe panele fotowoltaiczne.
Panele fotowoltaiczne TOPCon
Określenie TOPCon pochodzi od angielskiego terminu "Tunnel Oxide Passivated Contact", co można przetłumaczyć, jako “tunelowy utleniony kontakt z pasywną warstwą”. Zwrot ten bezpośrednio odnosi się do specjalnej struktury tych ogniw. W panelach fotowoltaicznych TOPCon znajduje się specjalna warstwa ditlenku krzemu, która działa jak tunel dla elektronów. Oprócz tego, ogniwa TOPCon posiadają dodatkową warstwę z krzemu polikrystalicznego, która ma chronić warstwę tunelującą i pasywacyjną. Technologia TOPCon sprawia, że w ogniwie występują mniejsze straty (m.in. wynikające z rekombinacji nośników prądu), a samo ogniwo ma mniej niedoskonałości. Co to daje użytkownikowi modułu?
- Lepszą wydajność w wyższych temperaturach.
- Skuteczniejsza praca w warunkach słabego nasłonecznienia, a także przy niekorzystnych kątach padania promieni słonecznych.
- Niemal całkowita odporność na degradację wywołaną światłem (LID) oraz światłem temperaturą (LdTid).
- Wysoka sprawność (w testach osiągnięto wynik do 25,7% - na ogniwie o wymiarach produkcyjnych).
- Dłuższa żywotność od ogniw P-Type (TOPCon powstaje na bazie krzemu typu N).
Technologia TOPCon ma wiele wspólnego z technologią PERC i jest traktowana jako jej następczyni. I faktycznie, obserwując rynek można zauważyć stopniowe wypieranie klasycznych modułów PERC, przez moduły TOPCon.
Hybrydowe ogniwa fotowoltaiczne z perowskitami
Musicie jeszcze wiedzieć, że w niedalekiej przyszłości najpopularniejsze obecnie krzemowe panele fotowoltaiczne mogą zostać zastąpione technologią tandemowych (hybrydowych) paneli PV, wykorzystujących perowskity. O tym, jak ogromny potencjał tkwi w tym rozwiązaniu mówią wyniki pierwszych testów - naukowcy z Helmholtz-Zentrum Berlin osiągnęli sprawność ogniwa tandemowego na poziomie 32,5%. Wynik jest o tyle imponujący, że dotychczas takie efekty można było osiągnąć jedynie w przypadku niezwykle drogich półprzewodników (np. arsenku galu).
Perowskity i wykorzystujące je ogniwa to jednak stosunkowo nowa technologia, na której upowszechnienie będzie trzeba poczekać. Dobra wiadomość jest jednak taka, że obecnym popycie na nowoczesne, odnawialne technologie, nie będziemy musieli czekać zbyt długo.
