Fotowoltaika (PV) – energia prosto ze słońca

Problem Fotowoltaiki (ang. Photovoltaics) czyli tzw. „Ogniw Słonecznych” właściwie dobrze omawia np. Wikipedia, jednak jak to jest ze szczegółami? W poprzednim wpisie wyjaśniałem problem złącza P-N, jeśli je rozumiemy,i kojarzymy już, czym jest powłoka elektronowa to pora na informację,iż w istocie pojedynczy foton może sprawić,że dany elektron znajdzie się w stanie wzbudzonym lub nawet zostanie wybity z atomu.Takie wybicie nazywamy „efektem fotoelektrycznym„,za jego wyjaśnienie Albert Einstein dostał nagrodę Nobla (za teorię względności już nie – ot komisja noblowska i kontrowersje naukowe w miniaturze). W praktyce zatem, poprzez naświetlenie złącza P-N, możliwe jest uzyskanie zarówno wolnych elektronów, jak i „dziur elektronowych”.I teraz wystarczy je tylko podłączyć – i voila ! mamy przepływ prądu – oto cała idea fotoogniwa w uproszczeniu. Podstawowe ogniwo,jeśli znamy temat, może wyglądać tak:

Ogniwo

W porządku.Znamy więc podstawy. Sprawa jednak, nie jest tak prosta, w praktyce bowiem wyróżnia się następujące rodzaje ogniw:

  • Selenowe
  • Krzemowe:
    • Monokrystaliczne
    • Polikrystaliczne
    • Cienkowarstwowe (głównie amorficzne)
  • Barwnikowe
  • Polimerowe

Omówię tutaj zwłaszcza problem ogniw krzemowych. Co znaczy podział na monokrystaliczne i polikrystaliczne ?

Zasadniczo, bardzo wiele.Osobom, które nie czytały wcześniejszych wpisów z tego bloga, i nie chcą czytać całych artykułów z Wikipedii lub szukać danych w internecie wyjaśniam,że główną różnicą,  pomiędzy monokryształempolikryształem jest fakt,że polikrystaliczna struktura składa się z wielu niewielkich kryształów posiadających własne orientacje krystalograficzne,a monokryształ to pojedynczy kryształ. Tak,jak w mikroelektronice, oznacza to,że struktura bardziej jednorodna – monokrystaliczna – jest stabilniejszym i wydajniejszym rozwiązaniem.I tak jest w istocie,choć zależeć to może, rzecz jasna, nieco od konstrukcji ogniwa. Oznacza to też,że przynajmniej w wypadku ogniw krzemowych, technologia i reżim technologiczny są całkiem podobne,jak w wypadku mikroprocesorów.Zwłaszcza jeśli chodzi o otrzymanie monokryształu, w produkcji konieczne jest stosowanie technologii cleanroom,wraz z całą konieczną sterylnością.

Jeśli chodzi o rozwiązania cienkowarstwowe, są one stosunkowo nowszym wyjściem.Mogą one być lżejsze i nieco wydajniejsze – jest to jednak raczej znów generalizacja. W zasadzie bowiem, postęp w tej dziedzinie jest tak duży,że trudno dokonać jednoznacznej kategoryzacji osobie która nie jest specjalistą,zwłaszcza,ze nowsze rozwiązania,np. oparte o związki, takie jak Telurek Kadmu (CdTe),ogniwa barwnikowe,polimerowe itd. mocno komplikują sprawę. Postęp w tej dziedzinie jest bardzo dynamiczny,co można zilustrować następującym obrazkiem:

Przyrost efektywności

Jak widać istnieją dziś ogniwa o sprawności rzędu ponad 40%. W dodatku komercyjnie dostępne ogniwa mogą mieć sprawność rzędu 20%. Realnie, nawet starsze ogniwa, powinny mieć sprawność rzędu choć 8%. Czy jednak jest sens instalowania takich ogniw np. w Polsce ? Jak widać na poniższym obrazku Słońce nie jest wyjątkowo efektywnym źródłem energii jeśli chodzi np. o Europę:

 

W praktyce jednak,sytuacja u nas nie jest gorsza,niż np. w Niemczech.Oczywiście należy pamiętać,że również w dni pochmurne pewna ilość energii zostanie uzyskana. Pomimo tego,że ogniwa nie muszą być bardzo wydajne nie jest też tak,że są one „ekologiczną niewydajną fanaberią” jak niektórzy utrzymują.Owszem,okres zwrotu w wypadku starszych ogniw wciąż jest duży, a ich wydajność w miarę czasu (jak w wypadku innych źródeł zasilania) spada,lecz czy do tego stopnia jak mówią miejskie legendy i utrzymują sceptycy ? Wydajność systematycznie wzrasta,choć oczywiście podnoszące wydajność układy układy np. śledzące pozycje słońca i dostosowujące do tego nastawienie ogniw są droższe.

Prawdziwe problemy są jednak zupełnie inne np.:

  • Niektóre słabsze,tanie ogniwa są zapewne np. niedostatecznie przetestowane lub dość niefrasobliwie przygotowane. W przeciwieństwie do przemysłu mikroprocesorowego, kontrola jakości w wypadku ogniw PV nie jest tak drastyczna,przejściem testów jest spełnienie określonych wymagań dotyczących uzyskanej mocy i nic innego – a pamiętajmy „Polak lubi tanio”,nawet jeśli „tanie” w istocie jest bardzo drogie,a ta „oszczędność” to czysta głupota polegająca na „zaoszczędzeniu” kilku procent kwoty.W praktyce, może się okazać zatem,że realnie, ogniwo od niepewnego producenta nie spełnia nawet podanych specyfikacji albo wręcz nie działa.
  • Nie jest to stabilne źródło zasilania,zależy od rytmu dnia i nocy,pory roku itd. (ogniwa monokrystaliczne mogą tu być nieco lepsze od porównywalnych ogniw amorficznych ze względu na barierę potencjału)
  • Prawdziwym wąskim gardłem są często akumulatory, w których magazynowana jest energia (jeśli system nie jest podłączony bezpośrednio do sieci)
  • podłączenie do sieci domowej przy równoczesnym korzystaniu z klasycznego systemu energetyki może być zarówno korzystne jak i niekorzystne (obecne prawo jest raczej takie,że właściwie to trzeba sprzedawać ten prąd elektrowni i odkupywać – co prawda w ramach nowej ustawy o OZE mówi się o „preferencyjnych cenach” itd,ale…)
  • Pozycja słońca i ustawienie ogniw względem niej ma decydujące znaczenie – brak systemu śledzącego pozycję słońca czy umieszczenie ogniw na „niewłaściwym dachu” może znacznie wpłynąć na osiągane wyniki.

Osobiście uważam,że choć branża ogniw PV ma niesamowitą przyszłość,to inwestowanie w obecne,mniej wydajne ogniwa, dla użytku domowego wydaje się nieco przedwczesne. Co prawda Polska jest zmuszona do zwiększenia udziału energii odnawialnej przez Unię Europejską,jednak jeśli nie korzysta się z dotacji w praktyce,bardziej uzasadnione wydaje się póki co raczej zainwestowanie w kolektor słoneczny.

Magazynowanie energii – baterie i nie tylko

Cała nasza cywilizacja opiera się na przetwarzaniu energii,zwłaszcza energii elektrycznej, w użyteczną pracę. Gdyby jej nagle zabrakło,np. w wyniku rozbłysku słonecznego,czy końca zasobów, ludzkość, w najlepszym razie, cofnęła by się o kilka stuleci cywilizacyjnie.  Podczas, gdy fenomen wykorzystania energii mechanicznej wody,czy pary jest stosunkowo prostym problemem, elektryczność jest poniekąd nieuchwytna,niewidzialna – chyba,że chodzi o wyładowania atmosferyczne; pioruny,których jednak nie potrafimy wykorzystać w energetyce:

błyskawica

Podobnym przykładem są niekiedy „iskry” wynikające z nagłego wyładowania prądu z przewodów. Można ją za to odczuć. Czasem delikatnie,a czasem… śmiertelnie.Fenomen ten wynikający z przepływu elektronów – tudzież tzw. „dziur elektronowych”  w zasadzie jest częściowo wyjaśniany już w szkołach,lecz niezbyt jasno,ponieważ elektromagnetyzm,jedno z fundamentalnych 4 oddziaływań, nadal jest badany.Kwestia ładunku elektrycznego  czy elektromagnetyzmu nie jest też kwestią prostą ani intuicyjną.

Tak czy inaczej, to na wykorzystaniu elektryczności opierają się nasze urządzenia,to od jej dostaw jesteśmy uzależnieni,uzależnieni bardziej nawet,niż nasi przodkowie. Czasem jednak,stałe dostawy energii są niedostępne.Kable też stanowią problem.Niekiedy energię trzeba zmagazynować.

Jednym z rozwiązań tego problemu (inne to przesył bezprzewodowy energii czy silniki) jest bateria. Przeważnie,jako baterię rozpatrujemy ogniwo galwaniczne. Pierwszym takim ogniwem znanym współczesnej nauce było ogniwo Volty:
Ogniwo Wolty - koncepcja

W istocie jednak,wiele wskazuje na to,że prymitywne ogniwa znali już starożytni,czego prawdopodobnie dowodzi tzw. „bateria z Bagdadu” :

„[…] W latach sześćdziesiątych XX wieku archeologowie znowu znaleźli podobny przedmiot w okolicach Bagdadu, a następnie kilkadziesiąt elementów składowych owych tajemniczych urządzeń (m.in. pręty miedziane i żelazne oraz odpowiednie korki bitumiczne)[…]Dla jej [hipotezy] poparcia zrekonstruowano owe hipotetyczne ogniwa i wypełniono je roztworami kwasów znanych w Mezopotamii w tamtych czasach (octowego i cytrynowego). Baterie zaczęły działać […]” (źródło cytatu – wikipedia)

Bateria z Bagdadu
Pomińmy skomplikowaną debatę „skąd starożytni wiedzieli”,  i co właściwie wiedzieli,ważne jest to,że udowodniono,iż takie ogniwo w istocie miało prawo działać i działało.

Jak widać zatem, sama koncepcja nie jest skomplikowana. Diabeł jednak tkwi w szczegółach.Uzyskana energia zależy od potencjału związanego z reakcjami chemicznymi,powierzchni czynnej i wielu innych czynników.

Wyróżniamy bardzo dużo rodzajów baterii,np:

Istnieją też baterie jądrowe,oparte o rozpad promieniotwórczy,jednak ich zasada działania jest inna, i moim zdaniem, na dobrą sprawę, można by tu raczej mówić o prymitywnym rodzaju generatora,który w dodatku, z natury zapewnia coraz mniej energii (prawo rozpadu naturalnego to sprawia) choć może ją zapewniać przez wiele lat.

Ponadto w praktyce rozróżnienie pomiędzy baterią, a akumulatorem jest raczej dość umowne w powszechnym języku. Wynika to z faktu,że w praktyce akumulator różni się od typowej baterii tym,że przewidziane jest jego wielokrotne ładowanie,sama konstrukcja i funkcje nie są zaś aż tak różne,stąd zdarzają się pomyłki.

Wyróżniamy różne  akumulatory np.:

W praktyce jest ich jeszcze więcej, co udowadniają artykuły Anglojęzycznej Wikipedii o Bateriach i Akumulatorach

Baterie i akumulatory zrewolucjonizowały nasze życie,dzięki ich wykorzystaniu wiele urządzeń elektrycznych stało się naprawdę mobilnymi i na dobrą sprawę niezależnymi od problemów z okablowaniem, czy dostępem do sieci elektrycznej. Niestety – ich wydajność i koszt są istotnymi ograniczeniami.

Problem w tym,że pomimo mnogości rodzajów baterii i akumulatorów, magazynowanie energii nie jest proste,nie jest też do tej pory wystarczająco opłacalne ekonomicznie. W dodatku, baterie podlegają też przecież samorozładowaniu – te popularnie stosowane tracą rocznie 8-20% zmagazynowanej energii. Przesył energii elektrycznej przy pomocy sieci przesyłowej wciąż jest wielokrotnie tańszy.Oczywiście, problem lobbingu koncernów naftowych i energetycznych może być również ważnym powodem braku wystarczającej alternatywy – ale nie jedynym. Problem bowiem polega naprawdę efektywności i tylko wydaje się prosty,a pomimo rozwoju technologii – zwłaszcza w przypadku akumulatorów telefonów komórkowych – koszty wciąż są znaczne.

Oczywiście – z czasem gęstości energii rosną:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c9/Secondary_cell_energy_density.svg/395px-Secondary_cell_energy_density.svg.png

I wygląda to imponująco,ale tylko do momentu,gdy porównamy to z gęstością energii innych jej źródeł obecnych w naturze:

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c6/Energy_density.svg/800px-Energy_density.svg.png

Jak widać jednak z całości artykułu na Wikipedii dotyczącego gęstości energetycznej wartości te są śmieszne w porównaniu nie tylko z prochem strzelniczym (który tylko pozornie wydaje się efektywny),ale nawet z drewnem czy cukrami.

Oczywiście,baterie są zaprojektowane do efektywnego wyzwalania energii w oczekiwany sposób,a te substancje – same z siebie póki co, nie,ale problem pozostaje.

W tym kontekście bardzo istotne wydają się badania nad „bateriami na cukier”/biobateriami i sztuczną fotosyntezą,ponieważ cukry i enzymy ulegają rozpadowi w sposób ekologiczny a przy tym są dużo wydajniejsze energetycznie. W istocie,w świetle ostatnich badań ze stycznia których wyniki opublikowano w artykule pt. „A high-energy-density sugar biobattery based on a synthetic enzymatic pathway.” w czasopiśmie „Nature Communications”, a omówiono również na stronie Extremetech, urzeczywistnienie takich rozwiązań wydaje się kwestią czasu.Czy tak będzie tak zatem faktycznie ? Zobaczymy.