Nowe technologie i rozwiązania w instalacjach fotowoltaicznych

Europejskie regulacje prawne dotyczące zmian w energetyce mają swój początek w latach 90. ubiegłego wieku, kiedy uchwalono Dyrektywę 96/92/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 19 grudnia 1996 r. [1]. Zawarto w niej pierwsze zapisy dotyczące rozwoju sektora energetycznego na poziomie europejskim, kwestie bezpieczeństwa dostaw energii, ochrony środowiska oraz poprawy efektywności energetycznej. W 2009 r. Rada Europejska przyjęła cele w zakresie energii i zmiany klimatu na 2020 r., który został nazwany pakietem 3×20 [2]. Zakładał on redukcję emisji gazów cieplarnianych o 20% (w porównaniu z 1990 r.) z możliwością zwiększenia wielkości redukcji do 30%, zwiększenie udziału energii odnawialnej do 20% oraz uzyskanie 20-proc. poprawy w zakresie efektywności energetycznej. W grudniu 2018 r. w ramach pakietu Czysta energia dla wszystkich Europejczyków (Clean Energy for all Europeans) zmieniona została dyrektywa w sprawie odnawialnych źródeł energii (Dyrektywa UE 2018/2001) [3]. W Dyrektywie ustanowiono nowy cel, zgodnie z którym do 2030 r. zużywaną energię końcową w Unii powinno się pozyskiwać co najmniej w 32% ze źródeł odnawialnych.

Europejski Zielony Ład (European Green Deal) [4], jedna z najbardziej kompleksowych strategii Unii Europejskiej w zakresie ochrony środowiska oraz przeciwdziałania zmianom klimatycznym, przyjęty został przez Unię w 2019 r. Europa do 2050 r. planuje zostać pierwszym kontynentem neutralnym dla klimatu. Zielony Ład jest w swoim założeniu odpowiedzią Unii na największy globalny kryzys naszych czasów, jakim są zmiany klimatyczne [5]. Celem jest gospodarka niskoemisyjna, co oznacza fundamentalne zmiany nie tylko w sektorze energetyki, lecz we wszystkich obszarach życia gospodarczego na przestrzeni najbliższych 30 lat. Problem rosnących cen energii elektrycznej dotknął większość krajów Unii Europejskiej. Ma to również ścisły związek z rosnącymi cenami uprawnień do emisji CO₂ w systemie ETS. Unijny system handlu emisjami w swojej idei ma służyć finansowaniu walki ze zmianami klimatycznymi oraz zmniejszeniu emisji gazów cieplarnianych. Brak przemyślanego podejścia do transformacji energetycznej może spowodować, że koszty energii w najbliższym czasie mogą jeszcze mocniej obciążać portfele obywateli.

Ważnym krokiem w kierunku redukcji emisji gazów cieplarnianych i neutralności klimatycznej jest oczywiście odejście od zanieczyszczających źródeł energii – w szczególności paliw kopalnych, takich jak węgiel i gaz ziemny, które emitują znaczne ilości gazów cieplarnianych podczas spalania – na rzecz źródeł bardziej przyjaznych dla środowiska, w szczególności energii odnawialnej. Spośród wszystkich źródeł energii węgiel jest powszechnie uważany za najgorszy pod względem emisji gazów cieplarnianych, a zatem rezygnacja z jego stosowania jest jednym z głównych celów europejskiej polityki transformacji niskoemisyjnej. Należy jednak zauważyć, że od 1990 r. wydobycie węgla kamiennego w Europie spadło o 77%, natomiast węgla brunatnego o 55% [6]. Działania mające na celu ograniczenie węgla w energetyce europejskiej sprawiły, że w latach 2010–2019 energia brutto wyprodukowana ze stałych paliw kopalnych (tj. węgla kamiennego i brunatnego) spadła o 30%, jednak nadal stanowi znaczny udział w produkcji energii elektrycznej i ciepła w Europie, odpowiednio ok. 16 i 22%. W związku z tym Unia Europejska zobowiązała się do wspierania planów wycofywania węgla, opracowanych przez państwa członkowskie, poprzez zapewnienie odpowiedniego wsparcia najbardziej dotkniętym regionom, branżom i społecznościom. Jednym z ważnych instrumentów opracowanych w tym celu przez Komisję Europejską jest mechanizm sprawiedliwej transformacji. Ma on na celu pomoc władzom krajowym i regionalnym w identyfikacji i dostarczaniu rozwiązań w zakresie przejścia na gospodarkę niskoemisyjną [7].

W tym kontekście rozwój źródeł generacji rozproszonej, w tym źródeł odnawialnych, wydaje się jednym z rozwiązań, które pozwolą na transformację sektora energetyki. Wśród tych źródeł duże nadzieje pokłada się obecnie w wykorzystaniu instalacji fotowoltaicznych, których rozwój na świecie, a także w Polsce jest bardzo dynamiczny.

Stan obecny sektora energetycznego oraz polityka energetyczna Polski

Pod koniec 2019 r. polski rząd przyjął Krajowy plan na rzecz energii i klimatu na lata 2021–2030 [8]. W dokumencie tym Polska zadeklarowała osiągnięcie do 2030 r. przynajmniej 21–23% udziału OZE w finalnym zużyciu energii brutto (zużycie łącznie w elektroenergetyce, ciepłownictwie i chłodnictwie oraz na cele transportowe). Założono, że w perspektywie 2030 r. udział OZE w ciepłownictwie i chłodnictwie będzie zwiększał się o 1,1 pkt proc. średniorocznie, tj. do poziomu około 28,4%. Do 2030 r. przewiduje się wzrost udziału OZE do około 32% w elektroenergetyce.

2 lutego 2021 r. Rada Ministrów zatwierdziła „Politykę energetyczną Polski do 2040 r.” [9]. Po 12 latach od uchwalenia poprzedniej wersji takiego dokumentu, przyjęto nowy dokument strategiczny, wyznaczający kierunki rozwoju sektora energetycznego. Celem polityki energetycznej Polski do 2040 r. jest przede wszystkim bezpieczeństwo energetyczne realizowane przy zmniejszeniu oddziaływania energetyki na środowisko. Cel główny opisuje osiem kierunków polityki, podzielonych na obszary. Stanowią one rozszerzenie listy projektów Strategii na rzecz Odpowiedzialnego Rozwoju [10] z obszaru Energia: optymalne wykorzystanie własnych surowców energetycznych, rozbudowa infrastruktury wytwórczej i sieciowej energii elektrycznej, dywersyfikacja dostaw i rozbudowa infrastruktury sieciowej gazu ziemnego, ropy naftowej oraz paliw ciekłych, rozwój rynków energii, wdrożenie energetyki jądrowej, rozwój odnawialnych źródeł energii, rozwój ciepłownictwa i kogeneracji. Z treści zapisanych w nowej polityce energetycznej do 2040 r. wynika, że rola węgla kamiennego w energetyce będzie powoli ulegać ograniczaniu.

W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE), który oparty jest głównie na elektrowniach opalanych węglem, moc zainstalowana według danych na wrzesień 2023 r. przekroczyła 63 GW. Na rysunku 1. przedstawiono podstawowe dane dotyczące zmian mocy zainstalowanych w KSE, natomiast na rysunkach 2. i 3. – obecną strukturę procentową mocy zainstalowanej oraz produkcji energii elektrycznej w okresie od stycznia do września 2023 r. w KSE.

Wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych cechuje się niewielką lub zerową emisją zanieczyszczeń, co zapewnia pozytywne efekty ekologiczne. W ostatnich kilku latach można zauważyć przede wszystkim dynamiczny rozwój sektora instalacji fotowoltaicznych (rys. 4.). Założenia polityki energetycznej zakładają zrównoważone wykorzystanie poszczególnych rodzajów energii ze źródeł odnawialnych. Istotne będzie wykorzystanie biogazu pochodzącego z wysypisk śmieci, oczyszczalni ścieków i innych odpadów. W zakresie energetyki wiatrowej przewiduje się jej rozwój zarówno na lądzie, jak i na morzu. W znacznie większym stopniu niż dotychczas zakłada się wykorzystanie energii promieniowania słonecznego za pośrednictwem technologii fotowoltaicznych w produkcji energii elektrycznej.

Na rysunkach 5. i 6. przedstawiono udziały procentowe źródeł energii odnawialnej w mocy zainstalowanej w tych źródłach oraz w produkcji energii elektrycznej w okresie od stycznia do września 2023 r. Jak można zauważyć, pomimo ponad 57% udziału w mocy zainstalowanej, źródła fotowoltaiczne odpowiadają za niecałe 25% produkowanej energii elektrycznej.

Na rysunku 7. przedstawiono prognozę mocy zainstalowanej w KSE do 2040 r., zgodną z zapisami Polityki energetycznej Polski do 2040 r., z której wynika prognozowany wzrost udziału źródeł odnawialnych w przyszłym miksie energetycznym oraz tempo wycofywania się z energetyki węglowej. Warto również zauważyć, że zgodnie z założeniami PEP2040 łączna moc zainstalowana w źródłach fotowoltaicznych w roku 2040 powinna wynosić ponad 16 GW. Ponieważ już obecnie, według dostępnych danych, w Polsce zainstalowano łącznie prawie 15 GW mocy w fotowoltaice, zapisy PEP2040 są nieaktualne i wymagają korekty.

Rozwój instalacji fotowoltaicznych na świecie

Od kilkunastu lat można zaobserwować na świecie wyraźny wzrost zainteresowania odnawialnymi źródłami energii. Jest to wynik nie tylko rosnącej świadomości ekologicznej, ale także wymiernych korzyści ekonomicznych, jakie daje inwestowanie w te technologie. Tendencja ta jest widoczna na całym świecie, a niektóre kraje, takie jak Chiny, Niemcy czy USA, są już globalnymi liderami w tej dziedzinie. Wśród technologii OZE coraz większy udział mają instalacje fotowoltaiczne. Według prognozy przygotowanej przez Wood Mackenzie, przyrost nowych mocy zainstalowanych w fotowoltaice w 2023 roku, w stosunku do roku 2022, ma wynieść ok. 33%. Na koniec 2022 r. globalna moc nowych przyłączonych do sieci instalacji fotowoltaicznych wyniosła prawie 200 GW. Prognozy grupy konsultingowej Wood Mackenzie zakładają, że do 2032 r. moc instalacji fotowoltaicznych, budowanych rok do roku na całym świecie, przekroczy 300 GW [15].

Według danych [16] globalna moc zainstalowana w fotowoltaice przekroczyła w 2022 r. 1 TW. Na rysunku 8. przedstawiono tempo wzrostu mocy zainstalowanych na świecie w latach 2013–2022. Natomiast na rysunku 9. przedstawiono kraje z największą zainstalowaną mocą w źródłach fotowoltaicznych na świecie.

Nowe rozwiązania w zakresie fotowoltaiki

Obecnie stosowane ogniwa fotowoltaiczne, ze względu na wykorzystywany w nich materiał, można podzielić na cztery generacje:

• Generacja I – to ogniwa krzemowe w wersji mono- i polikrystalicznej. Ze względu na korzystną relację ceny do jakości wciąż należą do najczęściej stosowanych.
• Generacja II – została zapoczątkowana wraz z wprowadzeniem na rynek ogniw z krzemu amorficznego. Obejmuje również ogniwa z tellurku kadmu (CdTe) oraz mieszanek miedzi, indu, galu i selenu (CIGS), a także z arsenku galu (GaAs). Są to przeważnie ogniwa cienkowarstwowe, w których warstwa półprzewodnika ma grubość ok. 1–3 μm (mikrometrów, czyli jednej milionowej metra).
• Generacja III – to ogniwa barwnikowe i polimerowe, pozbawione złącz p-n. Ich zasada działania opiera się na wykorzystaniu znanego z roślin zjawiska fotosyntezy. Ich główne wady, ograniczające zastosowanie komercyjne, to przede wszystkim wysoka cena oraz niewielka wydajność (około 8%) i trwałość niższa od ogniw pierwszej i drugiej generacji.
• Generacja IV – niektóre źródła do tej kategorii zaliczają ogniwa perowskitowe oraz hybrydowe połączenia półprzewodników. Perowskity to materiały nieorganiczne, jednak w procesie wytwarzania ogniw używane są materiały organiczne (np. rozpuszczalniki). Ogniwa hybrydowe (np. krzemowo-organiczne) również są wykonane zarówno z materiałów organicznych, jak i nieorganicznych.

W zakresie nowych technologii stosowanych w budowie ogniw fotowoltaicznych warto zwrócić uwagę na następujące:

• ogniwa dwustronne, czyli bifacjalne (BiFacial Solar Modules) – absorbują światło z obu stron panelu i we właściwej lokalizacji mogą wytworzyć do 30% więcej energii niż tradycyjne panele jednostronne. Zarówno przód, jak i tył modułu PV pokryty jest szkłem hartowanym lub specjalną folią (rys. 10.). To pozwala na dotarcie odbitego światła do tylnej strony panelu [17];
• technologia typu PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) – w tylnej części ogniwa dodano dodatkową warstwę pasywującą, która jednocześnie odbija część niezaabsorbowanych promieni słonecznych z powrotem do ogniwa fotowoltaicznego [19]. Uzyskano w ten sposób ograniczoną zdolność wykorzystania światła odbitego od strony spodniej panelu (rys. 11.). Technologia ta zwiększa wydajność ogniw zwłaszcza w pochmurne dni;

• technologia SmartWire – polega ona na tym, że proces lutowania w tych ogniwach zastąpiono laminowaniem przodu i tyłu panelu specjalną folią z mikroprzewodami. W efekcie uzyskano znacznie większą liczbę punktów kontaktowych, dzięki czemu ogniwo pracuje nawet przy mikropęknięciach. Ogniwa łączone są za pomocą 18–32 mikrowłókien, co daje 990–1760 punktów kontaktowych z ogniwem. Uzysk roczny takich ogniw jest większy średnio o 10% w stosunku do tradycyjnej technologii BusBar [21];
• technologia Shingled – to nowa technika łączenia ogniw na zakładkę klejem ECA, która w stosunku do klasycznego sposobu łączenia ogniw ma kilka zalet. Wśród nich można wymienić: mniejszy opór, niższą temperaturę procesu łączenia, lepsze wykorzystanie powierzchni ogniwa, niższą temperaturę pracy (co skutkuje zwiększoną wydajnością energetyczną). Dzięki równolegle łączonym szeregom ogniw (rys. 12.), charakteryzują się one wysoką odpornością na zacienienie, a dzięki niższym prądom – większą odpornością na niebezpieczne hotspoty;

• technologia HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) – heterozłącza z wewnętrzną cienką warstwą to ogniwa słoneczne, które składają się z kilku warstw zmieszanych w celu utworzenia warstwy krzemowej, aby zmaksymalizować produkcję energii przez ogniwo. Różnica w stosunku do konwencjonalnych polikrystalicznych lub monokrystalicznych ogniw słonecznych polega na układzie ogniwa HIT, które składa się z krystalicznej warstwy krzemu typu n, która jest umieszczona pomiędzy warstwami amorficznymi (rys. 13.) [23]. Zaletami tego rozwiązania są zdolność do wytwarzania energii elektrycznej nawet z niskoenergetycznego promieniowania podczerwonego oraz niski temperaturowy współczynnik spadku mocy, co skutkuje lepszymi uzyskami energii w okresie letnim. Panele często występują w formie „plastra miodu” (sześciokąta), co pozwala na bardziej ekonomiczne wykorzystanie „wafli” krystalicznego krzemu;
• technologia MWT (Metal Wrap Through) polega na przeniesieniu do tylnej części ogniwa szyn zbiorczych. Za pomocą otworów w ogniwie zapewnia się kontakt z górną elektrodą. Na ogniwie MWT zamiast drobnych metalowych busbarów widać jedynie drobne kropki. W praktyce pozwala to zmniejszyć zacienienie ogniwa i zwiększyć produkcję energii elektrycznej. Ten sam efekt zapewnia też lepsze odprowadzanie ciepła z przodów ogniw [25];
• technologia TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) – technologia ta jest podobna do technologii PERC i jest traktowana jako jej następczyni. W ogniwach TOPCon (rys. 14.) powierzchnia ogniwa jest pokryta dodatkowymi warstwami krzemu, które zapewniają lepszy kontakt z elektrodami i minimalizują straty energii spowodowane rezystencją wewnętrzną [26].

Ciekawym rozwiązaniem w zakresie montażu paneli fotowoltaicznych, które pojawiło się w ostatnim czasie, są tzw. ogrodzenia fotowoltaiczne (rys. 15.). Konstrukcja z wykorzystaniem modułów dwustronnych ustawianych pionowo w orientacji wschód–zachód pozwala na znacznie większą produktywność energii w porze porannej i popołudniowej [28].

Ten typ instalacji nadaje się zarówno pod budowę dużych farm fotowoltaicznych, jak również do indywidualnej produkcji energii elektrycznej w gospodarstwach rolnych, zakładach przemysłowych lub jako instalacje przy drogach i autostradach [29]. Zaletą tego typu ustawienia paneli jest dłuższy czas pracy oraz przesunięcie szczytu z godzin południowych na dwa szczyty – przed i po południu (rys. 16.). 

Uzysk z 1 kW według założeń autorów tego projektu jest nawet o 25% większy od systemów tradycyjnych. Pionowa orientacja konstrukcji nośnej paneli uniemożliwia osadzanie się i zaleganie np. kurzu lub śniegu na panelach, przez co eksploatacja ich jest praktycznie bezinwazyjna. System ten jest coraz bardziej popularny w Niemczech i we Francji.

Podsumowanie

Przyszłość energetyki na świecie to niewątpliwie odnawialne źródła energii. Globalne trendy wskazują na rosnącą dominację energii słonecznej i wiatrowej, a kluczowe kraje, takie jak Chiny, USA czy Niemcy, już od lat inwestują miliardy dolarów w rozwój tych technologii. Według prognoz Międzynarodowej Agencji Energii (IEA), udział odnawialnych źródeł energii w globalnej produkcji energii elektrycznej ma wzrosnąć do 30% już w 2024 r. W najbardziej optymistycznym scenariuszu OZE mogą dostarczyć nawet 80% energii w 2050 roku.

Według prognoz w niedalekiej przyszłości najpopularniejsze obecnie krzemowe panele fotowoltaiczne mogą zostać zastąpione technologią hybrydowych paneli PV, wykorzystujących perowskity, których sprawność ma być na poziomie powyżej 30%. Jednak pomimo że energia słoneczna jest niewątpliwie przyszłościowym źródłem energii, jej stabilność i niezawodność wciąż pozostawia wiele do życzenia. Stochastyczny charakter pracy instalacji fotowoltaicznych sprawia, że w przyszłości coraz częściej będziemy mówić o ryzyku możliwej destabilizacji i zakłóceń pracy w systemach elektroenergetycznych.

Literatura

1. Dyrektywa 96/92/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 19 grudnia 1996 roku (https://eur-lex.europa.eu/legal-content/PL/ALL/?uri=CELEX%3-A31996L0092) [dostęp: 10.10.2023].
2. https://climate.ec.europa.eu/eu-action/climate-strategies-targets/2020-climate-energy-package_pl [dostęp: 10.10.2023].
3. https://energy.ec.europa.eu/topics/energy-strategy/clean-energy-all-europeans-package_en [dostęp: 10.10.2023].
4. https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_pl [dostęp: 10.10.2023].
5. https://instytutobywatelski.pl/analizy/211-swit-nowej-epoki-jak-zmienia-sie-unia-i-co-z-tego-wynika-dla-polski [dostęp: 30.09.2023].
6. https://www.eca.europa.eu/Lists/ECADocuments/SR22_22/SR_coal_regions_EN.pdf [dostęp: 16.09.2023].
7. https://wiiw.ac.at/phasing-out-coal-n-569.html [dostęp: 16.09.2023].
8. https://www.gov.pl/web/klimat/krajowy-plan-na-rzecz-energii-i-klimatu [dostęp: 10.10.2023].
9. Polityka energetyczna Polski do 2040 (https://www.gov.pl/web/klimat/polityka-energetyczna-polski) [dostęp: 10.09.2023].
10. Strategia na rzecz Odpowiedzialnego Rozwoju (https://www.gov.pl/web/fundusze-regiony/informacje-o-strategii-na-rzecz-odpowiedzialnego-rozwoju) [dostęp: 10.09.2023].
11. https://www.pse.pl/dane-systemowe [dostęp: 14.10.2023].
12. https://www.rynekelektryczny.pl/produkcja-energii-elektrycznej-w-polsce [dostęp: 14.10.2023].
13. https://www.ure.gov.pl/pl/oze/potencjal-krajowy-oze/5753,Moc-zainstalowana-MW.html [dostęp: 14.10.2023].
14. https://energy.instrat.pl/ [dostęp: 30.09.2023].
15. https://www.woodmac.com/news/opinion/record-solar-buildout/ [dostęp: 20.10.2023].
16. Renewable capacity statistics 2023, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.
17. https://www.deegesolar.co.uk/bifacial_solar_panels/ [dostęp: 20.10.2023].
18. https://www.tno.nl/en/technology-science/technologies/bifacial-solar-panels/ [dostęp: 20.10.2023].
19. https://www.solarpowerworldonline.com/2016/07/what-is-perc-why-should-you-care/ [dostęp: 20.10.2023].
20. https://www.renogy.com/blog/solar-panel-efficiency-everything-you-need-to-know/ [dostęp: 20.10.2023].
21. https://www.solartechuniversal.com/smartwire-technology#performance [dostęp: 20.10.2023].
22. https://www.alternergy.co.uk/blog/post/what-are-the%E2%80%8B-advant%E2%80%8Bages-of-shingled-solar-panels [dostęp: 20.10.2023].
23. https://www.australiansolarquotes.com.au/blog/2018/09/25/hit-solar-modules/ [dostęp: 20.10.2023].
24. https://www.solarchoice.net.au/blog/solar-panels-sanyo-hit-solar-panels-high-efficiency-panels-from-an-industry-pioneer/ [dostęp: 20.10.2023].
25. https://enerad.pl/wiedza/panele-fotowoltaiczne-co-to-jest-jakie-sa-rodzaje/ [dostęp: 20.10.2023].
26. https://www.solarpowerworldonline.com/2022/04/what-is-topcon-solar-panel-technology/ [dostęp: 20.10.2023].
27. https://www.pv-magazine.com/2021/05/21/next2sun-unveils-bifacial-photovoltaic-fence/ [dostęp: 20.10.2023].
28. https://next2sun.com/en/solar-fence/solar-fence-the-pv-innovation/ [dostęp: 20.10.2023].
29. https://www.eco-greenenergy.com/the-complete-guide-to-topcon-technology/ [dostęp: 20.10.2023].