Budowa i eksploatacja systemów fotowoltaicznych. Zeszyty dla elektryków

Przedmowa
Fotowoltaika (nazywana dalej w skrócie PV) jest obecnie jednym z najszybciej rozwijających się w Europie i na świecie odnawialnym źródłem energii, tzw. OZE . Sam termin fotowoltaika pochodzi od dwóch wyrazów: „foto” – oznaczającego światło oraz „wolt” – od jednostki napięcia (od nazwiska Alessandra Volty). Wykorzystuje ona zjawisko fotowoltaiczne, polegające na bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na najbardziej użyteczną postać energii – energię elektryczną. Podstawą rozwoju fotowoltaiki było odkrycie przez francuskiego fizyka Edmunda Becquerela w 1839 r. efektu fotowoltaicznego, polegającego na generowaniu energii elektrycznej przez materiał półprzewodnikowy, który zaabsorbował promieniowanie słoneczne. Teoretycznego opisu tego zjawiska dokonał Albert Einstein w 1904 r. (m.in. za to otrzymał nagrodę Nobla w 1921 r.), a pierwsze efektywne ogniwo powstało w 1954 r. w Bell Laboratories.
Na obecnym etapie rozwoju fotowoltaika urasta do nowej dziedziny nauki i techniki, która łączy w sobie wiedzę z zakresu: fizyki, astronomii, elektroniki, mechaniki, elektrotechniki, energetyki i automatyki. Z drugiej strony, określa się ją jako istotną część szeroko rozumianej inżynierii OZE. Trzeba więc mieć wiele odwagi, aby nazywać się specjalistą od fotowoltaiki, a określenie „inżynier OZE” uważam za zdecydowanie zbyt ogólnikowe i powierzchowne podejście do sprawy.
W fotowoltaice zaskakujące jest wciąż aktualne prawo empiryczne, wynikające z obserwacji dotyczącej trendu cenowego ogniw PV, zgodnie z którym każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu fotowoltaicznego powoduje spadek ceny ogniw o 20%. Nazwa tego prawa pochodzi od nazwiska Richarda Swansona, założyciela firmy produkującej ogniwa PV SunPower Corporation. Prawo Swansona jest porównywane do Prawa Moore'a. Ceny krystalicznych ogniw słonecznych spadły z 76,67 USD/Wp w 1977 roku do poziomu 0,74 USD/Wp w roku 2013, potwierdzając w ten sposób opisywane prawo.

Zanim jednak opłacalność wykorzystywania fotowoltaiki w praktyce stanie się faktem, doświadczenia wielu krajów dowodzą, że wpływ na rozwój tego sposobu generowania energii zależy od różnego rodzaju programów wsparcia. W tym zakresie w Europie mamy zarówno wiele przykładów pozytywnych, jak np. w Niemczech, jak i negatywnych, jak np. w Czechach . O ile oczywiście przykłady pozytywne doprowadziły do rozwoju tej dziedziny gospodarki, to negatywne skutki miały miejsce w postaci krótkotrwałych i nieprzemyślanych „baniek” spekulacyjnych. W Polsce temat fotowoltaiki bardzo długo był tematem tabu (głównie ze względu na obawy rządu przed niezadowoleniem silnego lobby węglowego). Jednak w momencie kończenia tej publikacji zapaliło się przysłowiowe światełko w tunelu. Prezydent RP 11 marca 2015 r. podpisał bowiem Ustawę o OZE, która zawiera zaskakująco sprzyjające zapisy dla rozwoju fotowoltaiki w Polsce. W skrócie można ją określić jako element promujący energetykę rozproszoną i prosumencką, która w przyszłości może zwiększyć bezpieczeństwo energetyczne kraju. Terminu prosument (od słów producent i konsument) po raz pierwszy użył w 1980 roku słynny futurolog Alvin Toffler, autor „Trzeciej fali”.
Według nowej ustawy o OZE systemy PV do 3 kW otrzymają taryfę gwarantowaną FIT (ang. Feed-in-Tariff) w wysokości: 0,75 zł/kWh, natomiast do 10 kW – 0,65 zł/kWh na okres 15 lat. Zapis ten może znacząco wpłynąć na rozwój fotowoltaiki w Polsce w najbliższym czasie (więcej o nowej ustawie w rozdziale 14.2.).

Opóźnienie Polski może w pewnym sensie być pozytywnym czynnikiem jakościowym rozwoju fotowoltaiki w naszym kraju. W ostatnich latach dokonał się bowiem bardzo duży postęp w jakości i niezawodności sprzętu. Kiedy w Niemczech był najszybszy rozwój fotowoltaiki na rynku, dominowały moduły o mocy rzędu 50 Wp, natomiast obecnie moc pojedynczego modułu jest już bliska 300 Wp, a okresy gwarantowanej pracy deklarowane przez producentów sięgają do ok. 30 lat.
W książce wątki ekonomiczne będą się jednak pojawiały bardzo sporadycznie, gdyż głównym jej celem jest opracowanie monograficzne tematyki technicznej związanej z budową i eksploatacją systemów PV dla najpopularniejszych stosowanych obecnie technologii produkcyjnych. Zamierzeniem autora jest to, aby czytelnik zapoznał się z metodami projektowania i budowy systemów PV, a także z istotnymi aspektami ich eksploatacji i metodami badań. Dużo uwagi poświęcono również metodyce komputerowego wspomagania projektowania systemów PV. Publikacja ma charakter monograficzny i nie opisuję w niej innych odnawialnych źródeł energii.
Wszelkie uwagi i sugestie zmian w następnych wydaniach monografii proszę kierować na e mail: mariusz@sarniak.pl – wszystkie konstruktywne propozycje zmian i korekt uwzględnię przy kolejnych wydaniach publikacji.

Autor