Fotowoltaika - lista artykułów
Czy ogniwa drugiej generacji oparte na CIGS i CdTe staną się początkiem końca ogniw krzemowych?
Jeszcze kilka lat temu praktycznie wszystkie masowo produkowane ogniwa fotowoltaiczne oparte były na krzemie krystalicznym. Dziś sytuacja na rynku energetyki słonecznej dynamicznie się zmienia, pojawiają się nowi gracze, a wraz z nimi technologie, które chętnie zastępują krzem innymi materiałami. W roku 2009 ogniwa fotowoltaiczne niezawierające krystalicznego krzemu osiągnęły 18% rynku, a analizy wskazują, że udział ten może zostać podwojony w ciągu najbliższych trzech do pięciu lat.
Dlaczego producenci ogniw fotowoltaicznych rezygnują z krzemu krystalicznego?
Krzem jest bardzo popularnym pierwiastkiem na Ziemi, a produkowane z niego ogniwa są relatywnie bardzo wydajne. Niestety produkcja tanich ogniw z krzemu krystalicznego napotyka szereg problemów. Pierwszym z nich i najbardziej istotnym jest słaba absorpcja światła przez krzem, w wyniku czego ogniwa z niego produkowane muszą być relatywnie grube (obecnie ok. 0.25 mm). Drugi problem to wysokie koszty pozyskiwana bardzo czystego krzemu niezbędnego do produkcji ogniw (minimum 99.99999%). Duża energochłonność całego procesu produkcji znacząco podnosi koszty zwłaszcza w czasach rosnących cen energii. Trzeci problem to brak możliwości znaczącej poprawy sprawności, gdyż obecnie produkowane ogniwa krzemowe są już bardzo blisko sprawności teoretycznej dla tego materiału. Te trzy problemy stanowią duże wyzwanie dla producentów ogniw fotowoltaicznych. Z jednej strony rynek wymusza na nich ciągłą obniżkę cen, z drugiej zbliżają się do granic możliwości redukcji kosztów. Z tego też powodu pojawiają się coraz częściej opinie, że dalszy dynamiczny rozwój energetyki słonecznej możliwy będzie jedynie dzięki zmianie technologii i odejściu od wykorzystywania krzemu krystalicznego.
CdTe – 50 lat oczekiwania na swoją szansę
Już w latach 50. minionego wieku odkryto, że tellurek kadmu (CdTe) bardzo dobrze absorbuje światło i może być wykorzystany do produkcji ogniw fotowoltaicznych w układzie CdTe jako złącze typu P i CdS jako złącze typu N. Do końca lat 90., mimo wielu prób, żadnej z firm nie udało się wprowadzić tej technologii do masowej produkcji nawet pomimo dużego zaangażowania ze strony ośrodków naukowych. W roku 1992 po wielu latach badań na uniwersytecie południowej Florydy opracowano strukturę bardzo cienkiego ogniwa w układzie TCO/CdS/CdTe o sprawności 15% (obecny rekord 16.5%). Dawało to otwartą drogę do komercjalizacji nowych tanich i wydajnych ogniw fotowoltaicznych wolnych od krzemu. Niestety przejście z laboratoryjnej do masowej skali produkcji nie jest proste i w przypadku CdTe trwało prawie dekadę. Prawdziwy przełom nastąpił dopiero za sprawą amerykańskiej firmy First Solar założonej w 1999 r., której po trzech latach prac w 2002 r. udało się skomercjalizować produkcję ogniw PV opartych na tellurku kadmu. Początkowo produkcja nie była duża i do 2005 r. nie przekraczała 25 MW rocznie. Firma jednak doskonale trafiła w czasie ze swoim produktem. Początek nowego milenium przyniósł ponownie duże zainteresowanie wykorzystaniem energii ze Słońca. Uwagę inwestorów zaczęły zwracać nowe niekrzemowe technologie, które w relatywnie krótkim czasie pozwalały znacząco obniżyć koszty produkcji. Wkrótce okazało się, że Fiest Solar posiadał produkt, na który czekał masowy rynek fotowoltaiki. W ciągu 5 lat firmie udało się poprawić sprawność produkowanych modułów z niecałych 7% do nieco ponad 10% oraz ponad 40-krotnie zwiększyć moce produkcyjne. Na koniec 2009 r. firma we wszystkich swoich fabrykach osiągnęła łączną wydajność ponad 1 GW ogniw rocznie, stając się tym samym największym na świecie producentem ogniw fotowoltaicznych. Oprócz rekordu w wolumenie produkcji First Solar także jako pierwszy ogłosił przekroczenie psychologicznej bariery cenowej 1$ za 1 Wat mocy ogniwa, a krótkoterminowym celem firmy jest osiągnięcie poziomów 65–70 centów za wat do 2012 r. Olbrzymi sukces firmy First Solar to jednocześnie ogromny sukces ogniw II generacji cieńszych, tańszych i szybszych w produkcji.
CIGS – nowy silny gracz na rynku ogniw II generacji (...)
Dlaczego CdTe oraz CIGS i dlaczego teraz
Zaletą wszystkich ogniw drugiej generacji, do której także należą CdTe i CIGS, jest radykalna redukcja zużycia drogich półprzewodników, a tym samym poprawa stosunku ceny do mocy wyprodukowanego ogniwa. Standardowa płytka krzemowa, która jest bazą do produkcji ogniwa mono czy polikrystalicznego, ma grubość 200–300 mikrometrów. Stosując tellurek kadmu (CdTe) równie skutecznie można absorbować promieniowanie słoneczne za pomocą warstwy 2 mikrometrów, a w przypadku CIGS wystarcza zaledwie warstwa 1 mikrometra. Chociaż nominalnie zarówno CdTe, jak i CISG są znacznie droższe od krzemu krystalicznego, to jednak ponad 100-krotna redukcja zużycia półprzewodnika rekompensuje wyższe koszty ze znaczną nawiązką. Wiele osób może zadawać sobie pytanie, dlaczego teraz tak dynamicznie rozwija się rynek ogniw II generacji skoro technologia ta znana była dziesiątki lat temu. Odpowiedź na to pytanie jest bardzo złożona. Od początku rozwoju fotowoltaiki aż do końca lat 90. nikt realnie nie widział w Słońcu źródła energii dla mas. Ogniwa fotowoltaiczne postrzegane były wyłącznie w kontekście zastosowań specjalnych. Na tym polu drogie, wydajne i produkowane w małej skali ogniw krzemowe spisywały się dobrze. Jeszcze na początku tego milenium roczna produkcja paneli PV nie przekraczała 300 MW rocznie. Rynek był mały i przez to nieatrakcyjny dla kosztownych technologii, które stają się opłacalne, gdy jedna linia produkcyjna wytwarza setki megawatów ogniw. Dziś sytuacja jest zupełnie inna. Na koniec 2009 r. roczna produkcja ogniw fotowoltaicznych sięgała 7000 MW, a rynek z roku na rok szybko rośnie. Duża liczba odbiorców daje potencjalnym inwestorom nadzieję na zwrot poniesionych kosztów. (...)
CdTe i CIGS największe zagrożenie rozwoju to brak surowców (...)
Bogdan Szymański
GLOBEnergia
Cały artykuł - GLOBEnergia 4/2010
Elektrownie słoneczne
Słońce jest centralną gwiazdą Układu Słonecznego, wokół której krąży Ziemia. Stanowi najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi. Energia elektryczna wytwarzana zarówno z paliw kopalnych, takich jak ropa, węgiel (tworzyły się one przez miliony lat dzięki promieniowaniu słonecznemu), jak również z energii wiatru (różnica ciśnień w atmosferze jest spowodowana różnicą temperatur) są pochodnymi energii słonecznej. Dopiero stosunkowo niedawno nauczyliśmy się bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej.
Energię promieniowania słonecznego można wykorzystywać na dwa podstawowe sposoby: zamieniać ją bezpośrednio w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych lub zamieniać ją w ciepło, które z kolei może być wykorzystane np. do ogrzewania wody użytkowej lub w elektrowniach słonecznych do wytwarzania energii elektrycznej.
Graniczną mocą, jaką można uzyskać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym, jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest jednak odbijana lub pochłaniana przez atmosferę, tak więc efektywnie wykorzystać możemy do 1000 W/m2.
Konwersja fotowoltaiczna polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Działanie ogniwa słonecznego jest oparte na zjawisku fotowoltaicznym, polegającym na powstaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika. Wielkość napięcia i mocy uzyskiwanej z pojedynczego ogniwa nie jest imponująca (ok. 0,5 V), dlatego też, aby urządzenie było użyteczne, ogniwa łączy się szeregowo w celu podwyższenia napięcia i równolegle w celu zwiększenia mocy. W ten sposób powstaje moduł
fotowoltaiczny. (...)
Inna koncepcja konfiguracji elektrowni fotowoltaicznej opiera się na idei sumowania energii po stronie prądu przemiennego (nie występuje równoległe łączenie modułów). Na generator słoneczny składa się kilka modułów połączonych szeregowo, tzw. strun o stałym napięciu wyjściowym nieprzekraczającym 120V. Generator fotowoltaiczny przekazuje energię elektryczną do sieci poprzez falownik strunowy niskiej mocy rzędu 1kW. Większą moc elektrowni uzyskuje się przez równoległe dołączanie do sieci kolejnych układów. W systemie takim wyeliminowana zostaje droga aparatura łączeniowa i zabezpieczająca oraz pracuje ona przy bezpiecznym napięciu dotykowym po stronie napięcia prądu stałego. Uzyskuje się w ten sposób znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych oraz większą sprawność systemu dzięki indywidualnemu sterowaniu grupą modułów. Rozwiązanie strunowe jest bardzo elastyczne, jeśli chodzi o dołączanie kolejnych grup modułów, ponieważ pracują one niezależnie od siebie. Wadą tego rozwiązania jest konieczność monitorowania dużej liczby falowników w systemie.
Fot. 1. Elektrownia fotowoltaiczna
Konwersja fototermiczna polega na przemianie promieniowania słonecznego w ciepło doprowadzane następnie do turbiny napędzającej generator. Stosowane są dwa systemy, tzn. CRS (ang. Central Receiver System), polegający na odbiciu promieni słonecznych z dużego obszaru i skierowaniu ich w jeden, centralnie umieszczony punkt, gdzie można osiągnąć bardzo wysoką temperaturę, a także DSS (ang. Distributed Solar System) – tu promienie są kierowane (najczęściej za pomocą kolektorów parabolicznych) na rurę, w której płynie czynnik.
Układ paraboliczny
Zbudowany jest w postaci długich rynien powlekanych wewnątrz srebrem bądź polerowanym aluminium. Wzdłuż rynny biegnie rurka wypełniona medium (zazwyczaj olej), na której skupiają się odbite promienie słoneczne. Uzyskiwanie energii elektrycznej może odbywać się na dwa sposoby: albo za pomocą turbogeneratorów umieszczonych bezpośrednio przy każdym kolektorze koncentrującym, co pozwala na zmniejszenie strat, albo we wspólnym generatorze. Pierwsze rozwiązanie zmniejsza nakłady inwestycyjne dzięki możliwości seryjnego wytwarzania modułów, niestety sprawność tego rozwiązania jest mniejsza ze względu na niższe temperatury czynnika roboczego. Częściej natomiast stosuje się przesyłanie czynnika roboczego między kolektorami koncentrującymi. Pozwala to na stopniowe podwyższanie jego temperatury, ale jednocześnie powoduje straty ciepła podczas przesyłu oraz komplikuje instalację ze względu na dużą liczbę przewodów rurowych do obiegu czynnika roboczego. W celu zmniejszenia strat przewody z czynnikiem roboczym umieszcza się w większym cylindrycznym przewodzie próżniowym. Czynnik roboczy podgrzewa się w ten sposób nawet do 400 ºC i jest używany do produkcji pary wodnej. Rynny ustawia się najczęściej wzdłuż osi północ–południe, a wzdłuż osi wschód–zachód mają możliwość zmiany kąta nachylenia, aby podążać za Słońcem.
Fot. 2. Cieplna elektrownia słoneczna w oparciu o system paraboliczny
(...)
Układ luster z silnikiem cieplnym
Silnik Stirlinga to silnik cieplny, który przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, bez procesu wewnętrznego spalania paliwa, a na skutek dostarczania ciepła z zewnątrz, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go ciepłem z dowolnego źródła. Źródłem ciepła w tym przypadku są skupione przez układ luster promienie słoneczne. Silnik napędza generator elektryczny, tworząc tym samym elektrownię. Szacuje się, że przy średnim nasłonecznieniu 1000 W/m2, silnik o mocy 25 kW wymaga lustra o średnicy 10 m. Sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego na elektryczną przy tej technologii może osiągać nawet 30%.
Fot. 3. Cieplna elektrownia słoneczna z silnikiem Stirlinga
Układ luster z centralną wieżą
Instalacja taka pozwala uzyskiwać bardzo wysokie temperatury rzędu 3000 ºC. Ruchome lustra zajmujące dużą powierzchnię odbijają promienie słoneczne w jeden punkt – umieszczony na szczycie wieży piec. Wypełniony jest on substancją mającą dobre parametry gromadzenia ciepła, np. ciekły. Dzięki temu elektrownia może pracować przez kilka godzin także po zachodzie Słońca. Dalszy proces technologiczny jest taki sam jak konwencjonalnej elektrowni – ciepło służy do wytworzenia pary wodnej.
Fot. 4. Piec słoneczny
(...)
Energetyka słoneczna jest bardzo obiecującym sposobem pozyskiwania energii i do tego niewytwarzającym żadnych zanieczyszczeń. Coraz wyższe sprawności oraz coraz niższe ceny sprawiają, że systemy takie są coraz bardziej opłacalne, co daje nadzieję na zastąpienie energii ze źródeł kopalnych czystą energią słoneczną. Do wyprodukowania energii, jaką obecnie zużywa się na całym świecie, potrzeba by wybudować elektrownię słoneczną (przy sprawności 10%) o powierzchni równej 1/3 powierzchni Sahary. Potrzeby Polski zaspokoiłaby elektrownia słoneczna zajmująca kwadrat o boku 70 km – to jest 1,6% powierzchni kraju.
źródło:
T. Rodacki A. Kandyba, Przetwarzanie energii w elektrowniach słonecznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000
www.zb.eco.pl
Grzegorz Golubiewski
Cały artykuł - GLOBEnergia 4/2010
Więcej artykułów…
Podkategorie
Produkty fotowoltaika
Aktualności - Fotowoltaika
------------------ Reklama ------------------
Warto przeczytać - Fotowoltaika
Wydarzenia Redakcji
------------------ Reklama ------------------
Copyright © 2006-2011
GEOSYSTEM S.C.
