Słońce, wiatr, woda, geotermia oraz biomasa zapewniają mieszkańcom naszej planety – przy obecnie już dostępnych technologiach – pełne pokrycie zapotrzebowania na energię z odnawialnych źródeł. Wśród nich dominującą rolę przywiązuje się do bezpośredniej przemiany promieniowania słonecznego w energię elektryczną via ogniwa fotowoltaiczne.

Dopiero pod wpływem stale i silnie rosnących cen ropy oraz gazu ziemnego, wysoko rozwinięte gospodarczo kraje zaczęły na ogromną skalę rozwijać produkcję ogniw fotowoltaicznych oraz grzewczych baterii słonecznych, a w czym Polska jest dopiero w fazie raczkowania.

Dowodem tego jest fakt, że w Niemczech, w kraju o podobnym nasłonecznieniu jak Polska, eksploatuje się obecnie aż 1,3 miliona instalacji słonecznych, tak fotowoltaicznych, jak i baterii ciepłej wody dla celów sanitarno-gospodarczych oraz wspomagających domowe sieci grzewcze.

Niemieckie instalacje fotowoltaiczne, których eksploatuje się nieco ponad 300 000, wytwarzają obecnie 2 terawatogodziny energii elektrycznej, co odpowiada zapotrzebowaniu dwóch miast, wielkości Stuttgartu.

Czterdzieści procent niemieckich instalacji fotowoltaicznych jest o mocy do 10 kW i zostało zabudowanych na niewielkich domkach. Ogromne elektrownie fotowoltaiczne są natomiast instalowane generalnie na łąkach. Natomiast te niewielkiej mocy, na domkach jednorodzinnych, zajmują już znaczącą pozycję w sektorze odnawialnych nośników energii na poziomie lokalnych elektrowni.

Republika Federalna Niemiec podjęła przed wieloma laty hasło „100 000 dachów domów pokryć instalacjami fotowoltaicznymi”, co zrealizowano w relatywnie krótkim okresie (patrz rys. 1). W ten sposób udało się tę gałąź wytwórczości energii elektrycznej zintegrować z istniejącą infrastrukturą i to bez dodatkowych kabli oraz powierzchni. Po prostu każdy właściciel domku staje się posiadaczem własnej elektrowni. W warunkach niemieckich ta wytwórczość energii elektrycznej jest subwencjonowana, co zapewnia jej opłacalność. Podstawą wyznaczania wielkości subwencji są pokaźne efekty ekologiczne i gospodarcze z bezpośredniego przetwarzania promieniowania słonecznego w wysoce użyteczną energię elektryczną.

Wytwarzanie baterii fotowoltaicznych

Elementem podstawowym jest ogniwo fotowoltaiczne, sporządzane najczęściej z mono- oraz polikrystalitów krzemu, bądź jego amorficznej odmiany. Krzemowe ogniwa fotowoltaiczne zawierają półprzewodnik w postaci płytek o grubości 100 μm i powierzchni 10 x 10 cm.

Tworzenie się ładunków elektrycznych pod wpływem promieni świetlnych ma miejsce nie tylko w jednorodnym półprzewodniku – przykładowo krzemowym – i jest wynikiem różnicy prędkości z jaką dyfundują w jego wnętrze elektrony oraz wytworzone dziury, wyzwolone w obszarze przypowierzchniowym, ale wyzwalają one także przepływ elektronów i zaistnienie dwóch biegunów na złączach dwóch półprzewodników, względnie półprzewodnika oraz metalu, co ilustruje rys. 2.

Od kilku lat eksploatuje się z powodzeniem cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne o grubości tylko około 4 μm i o powierzchni 60 x 120 cm. Jako materiał absorbujący promieniowanie światła stosuje się – między innymi – układy, zawierające pierwiastki: miedź (Cu), ind (In), gal (Ga) oraz selen (Se) w dwóch wariantach: Cu – In – Se2 pod skróconą nazwą CIS oraz Cu – In – Ga – Se2 znane pod określeniem CIGS. Wymienione pierwiastki: Cu, In, Ga oraz Se nanosi się na szklaną szybę poprzez katodowe napylanie w fazie parowej. W końcowym etapie produkcyjnym układ bywa szybko ogrzewany w piecu dla przeprowadzenia krystalizacji. Ogniwa krzemowe charakteryzują się relatywnie wysoką sprawnością, sięgającą 15 – 17% i żywotnością do 20 – 25 lat. Cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne osiągają natomiast sprawność 7 – 9% oraz krótszą żywotność od krzemowych, przy czym są od tych ostatnich znacznie tańsze (MODERNE ENERGIE & Wochnen, 16,2,2007 r.).

Wytworzone wg powyższych operacji ogniwa krzemowe są układane na szybach w moduły, co ilustrują rys. 3–4. Tu poszczególne ogniwa łączy się taśmami metalowymi. One przejmują wyzwolone przez fotony elektrony i odprowadzają je do złącza modułu.

Następnie ogniwa w poszczególnych modułach zostają pokryte folią i składane w piecu o temperaturze 150 st. C. W tych warunkach – przy podwyższonym ciśnieniu – folia, ulegając stopnieniu, laminuje wszystkie ogniwa modułu. W końcowej fazie obróbki każdy z nich zostaje obramowany specjalną obudową, która – wraz z laminatem – chroni przed różnego rodzaju czynnikami atmosferycznymi, przez cały okres eksploatacji. W tak przygotowanym stanie moduły bywają montowane na dachach i fasadach budynków, zapewniając im dodatkową osłonę przed wszelkiego rodzaju czynnikami atmosferycznymi.

Każda instalacja fotowoltaiczna składa się z trzech części: słonecznego elektrogeneratora (na dachu lub fasadzie budynku), obejmującego połączone z sobą moduły, które zmontowano z ogniw fotowoltaicznych, dostarczających energię elektryczną. W ten sposób wytwarza się prąd stały i dlatego konieczny jest trzeci element, obejmujący przetwornik na prąd zmienny i inne składniki, zapewniające bezkolizyjny przepływ nadmiarowej energii elektrycznej do sieci regionalnej.

Montując moduły fotowoltaiczne na dachu, czy fasadzie budynku, należy uwzględnić maksymalne napromieniowanie słoneczne, co zapewnia strona południowa i nachylenie dachu najefektywniej pod kątem 30 stopni. Trzeba przy tym unikać cieni rzucanych przez drzewa i różnego typu budowle. Gdy te warunki zostają spełnione, uzyskuje się rocznie na południu Polski i Niemiec 900 kWh energii elektrycznej z 1 kW mocy zainstalowanej, a 800 kWh na północy tych krajów.

8 – 10 m2 powierzchni modułów krzemowych zapewnia 1 kW mocy przy napromieniowaniu w południowej porze dnia i przy w/w uwarunkowaniach ich montażu. Typowe warunki atmosferyczne (wiatry, deszcze, upały, mrozy, itp.) nie niszczą instalacji fotowoltaicznych (MODERNE ENERGIE & Wohnen, 8, 2, 2007 r.).

Są jednak wypadki losowe, jak przykładowo uderzenie pioruna czy pożar, a nawet wandalizm. Dlatego należy ubezpieczać instalacje fotowoltaiczne, których nakłady inwestycyjne – dla układów krzemowych – wynoszą 2800 €/kW zainstalowanej mocy. Koszty eksploatacyjne z konserwacyjnymi nie przekraczają 1,5% rocznie w/w z okresu budowy.

Skoro w krajach wysokorozwiniętych opłaca się właścicielom domków jednorodzinnych oraz spółdzielniom mieszkaniowym – i nie tylko – użytkowanie własnych instalacji fotowoltaicznych, to u nas pora najwyższa na tego typu wysoce ekologiczne inwestycje w polskiej energetyce lokalnej.