Fotowoltaika

Zarys historyczny

Fotowoltaika jest to dziedzina nauki zajmującą się przetwarzaniem energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną z odnawialnego źródła energii jakim jest słońce.

Roczna wartość energii emitowanej przez słońce docierającej do Ziemi wynosi 10 ²¹ Wh, co jest wartością o rząd wielkości większą od obecnie znanych źródeł energetycznych ziemi. Początek technologii PV datuje się na rok 1839 kiedy to francuski student, a potem słynny fizyk Alexander-Edmaond Becquerel odkrył zjawisko fotowoltaiczne przeprowadzając doświadczenie z zanurzeniem srebrnej elektrody w elektrolicie i jej oświetleniu. Badacz zaobserwował, że kondunktancja wzrasta wraz ze wzrostem oświetlenia. Zjawisko to zostało dokładniej opisane w 1877 roku przez brytyjskich fizyków R. Day-a i W. Adamsa, którzy zaobserwowali, że w selenie po oświetleniu zachodzi zjawisko fotoelektryczne.

W 1954 r. na terenie Stanów Zjednoczonych w Bell Laboratories D. M. Chapin, C. S. Fuller i G. L. Pearson skonstruowali pierwsze ogniwo fotowoltaiczne. Ogniwo to wykonane było z krzemu monokrystalicznego i posiadało sprawność 6 %, co na tamte czasy było imponującym osiągnięciem. Pierwszym poważnym zastosowaniem ogniw fotowoltaicznych było zasilanie satelitów. Zapotrzebowanie na wysoce niezawodne i lekkie źródła energii dla zastosowań kosmicznych było siłą napędową rozwoju technologii fotowoltaicznej w jej początkowym okresie. W czasie kilku lat udało się podnieść sprawność ogniw do poziomu 10 %. Od roku 1958 fotowoltaika była już używana komercyjnie do zasilania satelitów, sond i stacji kosmicznych.

Perspektywy rozwoju fotowoltaiki w Polsce

Obecnie cały świat swoje zapotrzebowanie energetyczne pokrywa w wyniku eksploatacji paliw kopalnych. Szacuje się, że zasoby tej energii mogą wystarczyć tylko na około 50 lat. Perspektywy wyczerpania zasobów kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego zanieczyszczanego przez powszechnie stosowane  sposoby wytwarzania i przetwarzania energii, przyczyniły się do zwiększenia zainteresowania odnawialnymi źródłami energii. W 2009 roku wyprodukowano moduły PV o łącznej mocy 12,318 GWp. (Wp- Wat mocy wyjściowej modułu fotowoltaicznego, uzyskanego w wyniku konwersji fotowoltaicznej w warunkach optymalnego dopasowania obciążenia).

Dynamiczny rozwój fotowoltaiki możemy zaobserwować od roku ok. 1999. Zilustrowane jest to na rysunku poniżej. Analizując powyższy wykres zauważyć można, że największy wzrost w produkcji nastąpił w latach 2007 na 2008 i wyniósł aż 85%. Do ciągłego rozwoju sprzedaży modułów przyczynia się ich coraz niższa cena oraz stale zwiększająca się podaż na fotowoltaikę. Unia Europejska oraz Stany Zjednoczone w 1997 roku ogłosiły program „Milion dachów słonecznych” promujący fotowoltaikę jako alternatywne źródło energii. Działanie to miało na celu zwiększenie zainteresowania społeczeństwa technologią PV, a co za tym idzie przyczyniać się do ciągłego rozwoju tego sektora. W Polsce obecnie instalacje fotowoltaiczne wspierane są przez WFOŚiGW z programu PROSUMENT w formie niskoprcentowego kredytu z dotacją 40 %.

Warunki nasłonecznienia w Polsce

Wydawać by się mogło, że Polska nie jest idealnym miejscem do inwestowania w fotowoltaikę i że w naszym kraju „nie ma słońca”. Otóż okazuje się, że
klimat Polski jest jednym z najlepszych we wschodniej części Europy pod względem warunków do wykorzystywania energii słonecznej. Dla porównania z innymi miastami Europy, leżącymi na szerokości geograficznej północnej na około 52  ̊ tj. dla Brwinowa, Berlina, Kew, roczna suma nasłonecznienia wyniosła odpowiednio: 1004, 1000, 927 kWh/m2. Możemy uznać, że zbadane wartości nasłonecznienia są w miarę równe  dla obszarów o podobnej szerokości geograficznej. Mapa nasłonecznienia poniżej przedstawia opracowany przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej rozkład energii promieniowania słonecznego dla terytorium naszego kraju.
Porównując dane energii promieniowania słonecznego z wartościami średnich godzin nasłonecznienia dla poszczególnych regionów Polski, otrzymamy całkowitą wartość usłonecznienia. Dane z wieloletnich obserwacji wykazują, że największy dopływ energii słonecznej występuje na wybrzeżu oraz we wschodniej części kraju. Dla wschodniej części kraju w okresie letnim obserwuje się najlepsze warunki dla wykorzystania energii słonecznej. Najmniejszy w skali roku dopływ energii obserwuje się na południu kraju. Spowodowane jest to dużym zanieczyszczeniem powietrza w tym regionie. Natomiast dla okresu zimowego w obszarze południowym dopływ energii słonecznej jest znacznie większy niż dla pozostałych regionów kraju. Największy potencjał energii słonecznej w Polsce przypada na półrocze letnie (75%), a szczególnie na miesiące czerwiec-sierpień (50%) i wynosi 300-1000 W/m2. Roczne sumy nasłonecznienia w Polsce wynoszą 1300-1900 godzin, przy czym dla większej części kraju średnie roczne wynoszą 1600 godzin, co stanowi 30-40% długości dnia. Promieniowanie słoneczne całkowite w Polsce (suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego) wynosi maksymalnie 1 kW/m2 w warunkach optymalnych (STC).