Słońce daje energię czystą i niewyczerpalną. Ilość energii docierającej do powierzchni Ziemi przekracza 10 000 razy obecne zapotrzebowanie ludzkości na energię.
Dlatego też, w obliczu kończących się zasobów konwencjonalnych źródeł energii, energia słoneczna i metody jej zamiany na inne formy nabierają coraz większego znaczenia – zwłaszcza, że jej pozyskiwanie nie powoduje żadnych efektów ubocznych i szkodliwych emisji. Transfer energii słonecznej jest zatem rozwiązaniem oszczędzającym zasoby naturalne. To bardzo ważny krok w kierunku ochrony środowiska naturalnego.
Co roku do powierzchni Ziemi docierają ogrom- ne ilości promieniowania słonecznego. Gę- stość tego promieniowania wynosi od 800 do
2300 kWh/m2 rocznie. Średnia wartość dla Europy wynosi 1200 kWh/m2 rok, a dla Polski – 1000 kWh/m2 rok (tak jak w innych krajach o podobnym położeniu geograficznym, np. w Niemczech czy Danii).
Ilość energii słonecznej docierającej do powierzch- ni Ziemi zależy nie tylko od położenia geograficznego, ale również od pory roku i dnia, warunków atmosfe- rycznych (np. zachmurzenia) i zanieczyszczenia at- mosfery.
Ze względu na fizykochemiczną naturę procesów energetycznych promieniowania słonecznego na po- wierzchni Ziemi, wyróżnić można trzy podstawowe i pierwotne rodzaje konwersji:
- konwersję fotochemiczną energii promieniowania słonecznego prowadzącą – dzięki fotosyntezie – do tworzenia energii wiązań chemicznych w roślinach w procesach asymilacji;
- konwersję fototermiczną prowadzącą do przetwo- rzenia energii promieniowania słonecznego na cie- pło – kolektory słoneczne;
- konwersję fotowoltaiczną prowadzącą do przetwo- rzenia energii promieniowania słonecznego w ener- gię elektryczną.
Czym jest fotowoltaika?
Fotowoltaika to dziedzina nauki i techniki zajmu- jąca się przetwarzaniem energii słonecznej na energię elektryczną, czyli inaczej wytwarzaniem prądu elek- trycznego z promieniowania słonecznego przy wyko- rzystaniu zjawiska fotowoltaicznego.
Podstawowy przyrząd elektronowy używany do zamiany energii słonecznej na elektryczną, za pomocą efektu fotowoltaicznego, nazywany jest ogniwem fo- towoltaicznym lub słonecznym. Ogniwo fotowoltaicz- ne składa się z płytki wykonanej z półprzewodnika,
posiadającej złącze P-N (positive – negative). W struk- turze takiej występuje pole elektryczne (bariera poten- cjału). W chwili, gdy na ogniwo pada światło słonecz- ne, powstaje para nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, elektron – dziura, które zostają następ- nie rozdzielone przez pole elektryczne. Rozdzielenie ładunków powoduje, iż w ogniwie powstaje napięcie. Po podłączeniu obciążenia (urządzenia pobierającego energię) następuje przepływ prądu elektrycznego.
Najpowszechniejszym materiałem używanym do produkcji ogniw jest krzem. Typowe ogniwo fotowol- taiczne to płytka półprzewodnikowa z krzemu mo- nokrystalicznego lub polikrystalicznego, a w najnow- szych technologiach krzemu amorficznego.
Pojedyncze ogniwo charakteryzuje się małą mocą
- około 2 watów. W celu uzyskanie zakładanej w insta- lacji mocy i napięcia elektrycznego, ogniwa fotowol- taiczne skupiane są po kilkadziesiąt sztuk w moduły fotowoltaiczne, a te następnie w panele. W ten sposób możemy zasilić jeden lub więcej odbiorników. Nie- wielka wydajność pojedynczego ogniwa limitowana jest sprawnością elektryczną, wynoszącą – w zależno- ści od tego, z jakiego materiału zostało wykonane – od 10 do 18%. Moduł fotowoltaiczny o powierzchni 1 m2 może zapewnić oświetlenie żarówki o mocy ponad 100 Wat.
Moduły fotowoltaiczne (panele) są urządzeniami płaskimi i lekkimi. Po ich zainstalowaniu na dachu domu lub pomieszczenia gospodarczego (również na powierzchni gruntu), mogą z powodzeniem produko- wać energię elektryczną dla gospodarstwa domowego lub rolnego. Panele PV cechuje mało skomplikowa- na budowa, są praktycznie bezobsługowe, a przez to koszty ich eksploatacji są znikome.
Ogniwa fotowoltaiczne mogą pracować w połą- czeniu z siecią elektroenergetyczną lub w sieciach wy- dzielonych, z wykorzystaniem akumulatorów. Ogni- wa PV produkują prąd stały. Aby dostosować go do naszych odbiorników lub do sieci elektroenergetycznej, wymagane jest zastosowanie przetworników prą- du stałego na zmienny – inwerterów.
Jak dobrać moc (powierzchnię) ogniwa fotowoltaicznego (PV)?
Powierzchnię ogniwa fotowoltaicznego dobiera- my na podstawie naszych potrzeb energetycznych, wynikających z analizy rachunków za energię elek- tryczną lub sumowania dziennego zapotrzebowania na zasilanie wybranych urządzeń elektrycznych. Przy założeniu, że nasze dzienne zapotrzebowanie wynosi 5 kWh, powinniśmy zainstalować panel fotowoltaicz- ny o pow. ok. 40 m2.
Przy wykorzystaniu różnych urządzeń, trudno sa- memu oszacować potrzeby inwestycyjne pod konkret- ne wymagania. Dlatego najlepiej powierzyć to wyspe- cjalizowanym firmom instalacyjnym, których obecnie na rynku nie brakuje.
Prosument i system opustów
Nowe możliwości wykorzystania wyprodukowa- nego prądu z ogniw PV w mikroinstalacjach OZE na własne potrzeby daje nowelizacja ustawy o odnawial- nych źródłach energii (z dnia 22 czerwca 2016 roku). Jej przepisy obowiązują od 1 lipca 2016 roku. Nowe- lizacja ta wprowadziła definicję prosumenta oraz sys- tem tzw. opustów.
Zgodnie z ustawą, prosument to odbiorca końcowy dokonujący zakupu energii elektrycznej na podstawie umowy kompleksowej i wytwarzający energię elek- tryczną wyłącznie z odnawialnych źródeł energii w mi- kroinstalacji, w celu jej zużycia na potrzeby własne, nie- związane z wykonywaną działalnością gospodarczą.
Prosument to: osoba fizyczna, szkoła, parafia, wspólnota mieszkaniowa, osoba prowadząca działal- ność, ale montująca mikroinstalację na potrzeby wła- sne, niezwiązane z działalnością gospodarczą.
Mikroinstalacja to instalacja odnawialnego źródła energii o łącznej zainstalowanej mocy elektrycznej nie większej niż 40 kW, podłączona do sieci elektroenerge- tycznej niskiego i średniego napięcia (niższej niż 110 kV). Omawiana nowelizacja wprowadza zupełnie nowe (nigdzie dotąd niestosowane) zasady rozliczeń dla pro- sumentów – tzw. opusty. W innych krajach stosuje się tzw. taryfy gwarantowane (np. w Niemczech).
W myśl tych zasad, produkując energię elektrycz- ną z OZE na potrzeby gospodarstwa domowego, mo- żemy nadmiar wyprodukowanej energii przekazać do sieci dystrybucyjnej – elektroenergetycznej i potrakto- wać ją jak akumulator (magazyn) energii.
Aby energię oddawać do zakładu energetyczne- go, nie musimy mieć żadnych pozwoleń. Wystarczy tylko zgłoszenie. Podłączenie mikroinstalacji do sieci jest bezpłatne (koszt układów zabezpieczających i po- miarowo-rozliczeniowych ponosi operator systemów dystrybucyjnych).
Za gromadzenie w sieci energii prosument ponosi opłatę w postaci części wprowadzonej energii elek- trycznej (poza tym brak jakichkolwiek finansowych i podatkowych rozliczeń z tego tytułu).
System opustów ma na celu zachęcenie prosumen- tów do jak największego wykorzystania wyproduko- wanej energii, bez jej oddawania do sieci. Niestety, przy produkcji energii z fotowoltaiki występują różnice w jej wytwarzaniu w cyklu dobowym i rocznym (najwięcej energii produkowane jest w ciągu dnia lub latem, na- tomiast zapotrzebowanie na energię w gospodarstwie domowym jest zdecydowanie większe rano, wieczora- mi lub zimą). Dlatego wykorzystanie energii na potrze- by gospodarstwa domowego nie jest łatwe.
W przypadku instalacji fotowoltaicznej, bilansującej swoją produkcję, całoroczne zapotrzebowanie gospodar- stwa domowego na energię elektryczną, czyli samokon- sumpcja wynosi – według ekspertów – nie więcej niż 30%. Zatem pozostałe 70% wyprodukowanej przez nas energii należy oddać do sieci, a następnie pobrać w innym czasie.
Zakład energetyczny dokonuje rozliczenia ilo- ści energii wprowadzonej przez prosumenta do sieci elektroenergetycznej wobec ilości energii pobranej z tej sieci w stosunku ilościowym:
- 1 : 0,8 – dla mikroinstalacji o mocy do 10 kW,
- 1 : 0,7 – dla mikroinstalacji o mocy przekraczającej 10 kW do 40 kW.
Od ilości rozliczonej energii nie ponosi się opłat za dystrybucję i opłat za jej rozliczenie. Zaletą tego sys- temu jest możliwość odebrania energii – rozliczanie z zakładem energetycznym w cyklu rocznym.
Najłatwiej zrozumieć system opustów na przykła- dzie. Posiadając instalację PV o mocy 2 kW i wprowa- dzając do sieci 1000 kWh energii elektrycznej, można za darmo pobrać z sieci 800 kWh energii. Należy jed- nak tego dokonać w ciągu 365 dni od daty pierwszego wprowadzenia jej do sieci, bo inaczej energia ta ulegnie
„przedawnieniu” i przepadnie.
Z tego powodu nie należy przewymiarowywać in- stalacji PV względem własnych potrzeb, ponieważ ener- gia wprowadzona do sieci i nieodebrana, w ramach limi- tów określonych w systemie opustów, po roku przepada. System opustów obowiązuje przez 15 lat od daty wytworzenia po raz pierwszy energii w mikroinstala-
cji, jednak nie dłużej niż do końca 2035 roku.
Możemy zadać sobie pytanie. W którym miejscu oszczędzamy energię, skoro np. na niej nie zarabiamy (nie sprzedajemy)? System polega na tym, że – przy
rocznym bilansowaniu – produkujemy energię na własne potrzeby, z własnej instalacji PV i w ten spo- sób nie kupujemy jej od zakładu energetycznego. Gro- madzenie jej w sieci elektroenergetycznej i odebranie w okresie, gdy ją potrzebujemy, może spowodować, że wyprodukowaną własną energię wykorzystamy w całości. Gdy dobrze dobierzemy moc instalacji PV, to w ciągu roku możemy nie wydać ani złotówki na energię z zewnątrz. I to jest nasza oszczędność.
Czy ten system będzie opłacalny? Po ilu latach zwrócą się koszty inwestycji w ogniwa PV? Na razie brak jest doświadczeń i opinii na ten temat. Opłacal- ność inwestycji może zwiększyć dotacja, jednak obec- nie brakuje ogólnopolskiego programu wspierające- go prosumentów (dostępne są regionalne programy wsparcia). Na pewno każda inwestycja w instalacje OZE zmniejsza zużycie konwencjonalnych źródeł energi, a to jest niewspółmiernie korzystne dla środo- wiska i klimatu.
Możemy przypuszczać, iż wprowadzony prefe- rencyjny system rozliczeniowy (opusty) może spowo- dować rozwój rynku małych prosumenckich instalacji OZE – energetyki rozproszonej.
Źródło: – portal internetowy www.lex.pl
- miesięcznik „Czysta energia”
- materiały Instytutu Energii Odnawialnej
Opracował Adam Kopeć
