Czy można produkować prąd wykorzystując energię słoneczną?

Majster Guru:- Zależy, jak na to patrzeć. Ogniwa fotowoltaiczne (PV) są od lat stosowane jako trwałe i niezawodne źródła energii elektrycznej do zasilania układów elektrycznych promów i sond kosmicznych, stacji orbitalnych i sztucznych satelitów Ziemi. Sprawdzają się tam rewelacyjnie, bo w przestrzeni kosmicznej promieniowanie słoneczne jest o wiele silniejsze niż na Ziemi. Poza tym od dawna wykorzystuje się je w kalkulatorach, zegarkach, a także w automatyce jako czujniki fotoelektryczne. Wraz ze spadkiem cen ogniw pojawiło się mnóstwo użytecznych gadżetów, takich jak choćby lampy ogrodowe.

Wszyscy widzieli też chyba instalacje do oświetlania znaków drogowych czy zasilania sygnalizacji świetlnej. Od lat w mniej lub bardziej komercyjny sposób działają elektrownie słoneczne. Jednak do produkcji energii elektrycznej w domach jednorodzinnych ogniwa PV używane były do tej pory rzadko, a powodem były oczywiście wysokie koszty.

Uruchomienie masowej produkcji ogniw na Dalekim Wschodzie sprawiło jednak, że ich ceny spadają od kilku lat bardzo szybko, a to spowodowało, że powszechne zastosowanie w naszych domach stało się obecnie całkiem realne.

- Trudne pytanie, dość powiedzieć, że właśnie za wyjaśnienie tzw. zjawiska fotoelektrycznego Nagrodę Nobla otrzymał sam Albert Einstein. Dokładny opis wymaga, niestety, znajomości podstaw mechaniki kwantowej. Nam powinno wystarczyć, że ogniwo fotowoltaiczne - czy też fotoogniwo - to element półprzewodnikowy, w którym następuje przemiana energii promieniowania świetlnego na energię elektryczną.

Zjawisko fotoelektryczne polega na tym - niech pan zerknie na ten rysunek - że światło padające na złącze półprzewodnikowe powoduje powstanie par elektron-dziura. Jak zapewne pan pamięta, ten pierwszy ma ładunek ujemny, a dziura to nośnik ładunku dodatniego. Elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury - do obszaru p, a to z kolei skutkuje pojawieniem się różnicy potencjałów, czyli po prostu napięcia elektrycznego.

Fotoogniwa produkuje się najczęściej z krzemu, a napięcie na pojedynczym ogniwie wynosi ok. 0,5 V. Poprzez ich łączenie można otrzymać tzw. baterie słoneczne. Liczba ogniw PV i sposób połączenia zależy oczywiście od przeznaczenia baterii.

- Fakt, krzem jest jednym z najpowszechniej występujących pierwiastków na kuli ziemskiej, czyli niemalże niewyczerpalnym i tanim materiałem. Jednakże przed wykorzystaniem czy to do produkcji procesorów, czy też w branży fotowoltaicznej, musi zostać poddany skomplikowanemu i wieloetapowemu procesowi obróbki. Jeżeli chodzi o ogniwa solarne, to w zależności od struktury krystalicznej i technologii produkcji dzielimy je na monokrystaliczne, polikrystaliczne, amorficzne i cienkowarstwowe.

Te pierwsze składają się z jednego kryształu i są najbardziej wydajne oraz bardzo trwałe. Są też, co zrozumiałe, najdroższe, więc stosuje się je głównie tam, gdzie powierzchnia na potrzeby instalacji paneli jest ograniczona. Struktura krystaliczna ogniw polikrystalicznych jest tylko częściowo uporządkowana, co powoduje, że mają mniejszą wydajność, ale niższa cena przesądza, że są najczęściej wykorzystywane w komercyjnych instalacjach.

- Rzeczywiście, porównanie jest uzasadnione. Ale w fotowoltaice mamy do dyspozycji jeszcze tzw. panele cienkowarstwowe, wykonywane zwykle (choć nie zawsze) z cienkiej, amorficznej, a więc niekrystalicznej warstwy półprzewodnika (nie tylko krzemu).

Dzięki niskiej materiałochłonności są one najtańsze, wymagają jednak większej powierzchni, bo są mniej wydajne przy pełnym nasłonecznieniu. Ale mają też zaletę - zupełnie niezłą efektywność przy niskiej intensywności światła oraz w świetle rozproszonym. W praktyce, oglądając różne oferty handlowe - bo domyślam się, że jako dociekliwy inwestor nie omieszka pan tego zrobić - proszę pamiętać o dwóch rzeczach. Po pierwsze, zależnie od budowy ogniw, sprawność przemiany energii słonecznej w elektryczną waha się w szerokich granicach, od kilku do ponad 20%.

Patrząc na ceny, najlepiej od razu obliczać sobie relację ceny do mocy, czyli na przykład koszt 1 kW w złotych. Po drugie, moc paneli solarnych podawana jest na ogół w tzw. watt peak (ang. peak, szczyt), co wyróżnia mała litera "p" za danymi podanymi w watach lub kilowatach (Wp, kWp).

Oznacza to moc, którą panele fotowoltaiczne osiągają w pełnym słońcu i przy ściśle zdefi niowanych warunkach testowych, a więc dość teoretyczną. Często moc szczytowa opisywana jest jednak jako "moc nominalna", co już mocno trąci wprowadzaniem potencjalnego klienta w błąd.

- Dodałbym jeszcze, że aby zainstalować kolektory, trzeba przeprowadzić np. na dach grube (bo ocieplone) przewody hydrauliczne, a do ogniwa wystarczy dociągnąć dwużyłowy kabel elektryczny, który można układać w dowolny sposób. Instalacja ogniw PV jest więc zwykle dużo łatwiejsza i tańsza niż kolektorów. Muszę jednak trochę utemperować pański entuzjazm.

Po pierwsze, z paneli otrzymujemy prąd stały, a znakomita większość urządzeń zasilana jest prądem przemiennym. Trzeba więc go przetworzyć, co wymaga dodatkowych urządzeń, a dokładniej tzw. falownika.

Po drugie, ilość energii uzyskiwanej z paneli słonecznych zależy bezpośrednio od intensywności promieniowania słonecznego, praktyczne jej wykorzystanie obwarowane jest więc wszystkimi tymi zastrzeżeniami, które wymieniliśmy, rozmawiając o kolektorach słonecznych - podstawowy problem to oczywiście nierównomierny uzysk energii, zarówno w skali roku, jak i doby.

- Niech pan o tym zapomni! Cena, rozmiary i niska trwałość akumulatorów uniemożliwiają gromadzenie rozsądnej ilości energii na własne potrzeby. Już lepiej tę energię, której nie można spożytkować na bieżąco, przeznaczyć po prostu do ogrzewania wody w zasobniku c.w.u.

- Naprawdę! A inne rozwiązanie to odsprzedaż nadwyżek do sieci elektroenergetycznej.

- Tak. Zgodnie z ustawą Prawo Energetyczne w obecnym brzmieniu, dostawca energii elektrycznej ma obowiązek odkupić od nas jej nadmiar z instalacji PV, jeśli tylko moc nie przekracza naszej mocy przyłączeniowej, a tak jest niemal zawsze, bo w przypadku domów jednorodzinnych moc przyłączeniowa wynosi przynajmniej 10 kW, a domowe instalacje fotowoltaiczne mają zwykle co najwyżej 5 kW. Niestety, za sprzedany prąd dostaniemy tylko 80% giełdowej ceny energii elektrycznej w poprzednim roku, przy czym cena ta nie obejmuje, niestety, opłat przesyłowych. W praktyce można więc liczyć na 20 groszy za 1 kWh, podczas gdy za prąd, który kupujemy, płacimy około trzy razy więcej.

- Takie są fakty. Zresztą, rzeczywiście, operatorzy energii muszą mieć coś z tego, że jakoś zagospodarują energię, której zapewne nie tylko my będziemy mieli w danej chwili za dużo. Powiem panu jeszcze, że w niektórych krajach, które postawiły na rozwój domowej energetyki, rozliczenie wygląda prosto - od liczby kWh, które zużył odbiorca, odejmuje się po prostu to, co odesłał do sieci. W Polsce postuluje się wprowadzenie tzw. taryf gwarantowanych na wyprodukowaną własnym sumptem energię, ale na razie stanęliśmy przed wielką niewiadomą.

Wszystko zależy od ustawy o OZE, której losy wciąż się ważą. W brzmieniu zaproponowanym przez Sejm taryfy gwarantowane się znalazły, ale Senat tego pomysłu nie zaakceptował. Z kolei, gdy ustawa wróciła do Sejmu, ten senackie poprawki odrzucił, przywracając wsparcie dla mikroenergetyki. Nie wiadomo jednak, czy ustawę podpisze prezydent. Jeśli tak, to ci którzy zainwestują w produkcję energii z OZE, mogliby liczyć na taryfy gwarantowane na poziomie 75 gr za kWh dla instalacji o mocy do 3 kW. Ale - znowu - nie na pewno, bo rząd już zapowiada, że w 2017 roku skutki działania ustawy mogą zostać poddane ocenie, a zapisy - zmodyfikowane.