Artykuły

WPROWADZENIE

Z powodu zwiększonej eksploatacji zasobów środowiska oraz zanieczyszczenia środowiska, na świecie stają się popularne systemy techniczne przetwarzające energię z czystych i odnawialnych źródeł energii (wiatr, promieniowanie słoneczne, biomasa). Takimi systemami technicznymi są instalacje fotowoltaiczne przetwarzające energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Elektrownie fotowoltaiczne są alternatywą w stosunku do elektrowni konwencjonalnych, produkujących energię elektryczną ze źródeł nieodnawialnych. Regulacje prawne oraz konkurencyjność cen produkcji energii z elektrowni fotowoltaicznych sprawił, że na świecie z roku na rok przybywa instalacji fotowoltaicznych. Szacuje się, że na świecie jest ponad 1 TW elektrowni fotowoltaicznych, a w Polsce moc fotowoltaiki to już ponad 13 GW. Wzrost zainteresowania instalacjami fotowoltaicznymi sprawił, że przemysł fotowoltaiczny gwałtownie w ostatnich latach się rozwinął. Zaczęto więcej produkować paneli fotowoltaicznych, stacji inwerterowych, konstrukcji fotowoltaicznych, czy elementów elektroinstalacyjnych. Już od jakiegoś czasu zaczęto się zastanawiać nad problemem wpływu elektrowni fotowoltaicznych na otoczenie (człowieka, środowisko). Wiadomo, że do produkcji energii wykorzystuję się czystą i nieszkodliwą energię promieniowania słonecznego ale zaczęto się obawiać o wpływ instalacji fotowoltaicznych w innych fazach cyklu życia elektrowni fotowoltaicznych, przede wszystkim
podczas wytwarzania i zagospodarowania poużytkowego paneli fotowoltaicznych, stacji inwerterowych, konstrukcji wsporczych i elementów elektroinstalacyjnych. Z tego względu energetyka instalacji fotowoltaicznych staje się ważną dziedziną wiedzy dla inżynierów. Poszukuję się coraz to nowych rozwiązań mających na celu zwiększenie sprawności ogniw fotowoltaicznych i działań mających na celu minimalizację oddziaływań elektrowni fotowoltaicznych na otoczenie (człowieka, środowisko) [1,2,3].

ELEKTROWNIE FOTOWOLTAICZNE - PODSTAWOWE POJĘCIA

Elektrownie fotowoltaiczne przetwarzają energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Przetwarzanie energii odbywa się z wykorzystaniem zjawiska fotowoltaicznego odkrytego przez Aleksandra Becquerela, który eksperymentując z elektrodami i elektrolitem zauważył, że przewodność elektryczna rośnie wskutek oświetlenia układu. Jednak dopiero Albert Einstein fizycznie wyjaśnił to zjawisko i wprowadził pojęcie fotonu. Konwersja fotowoltaiczna w ogniwach fotowoltaicznych składa się z dwóch elementów, najpierw absorbcji promieniowania słonecznego przez ogniwo fotowoltaiczne, a następnie generacji dziura-elektron. Aby proces fotowoltaiczny mógł zajść należy pokonać szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika [1,4].
Głównymi zespołami budującymi elektrownie fotowoltaiczną są następujące elementy:
a) Panele fotowoltaiczne
b) Stacja inwerterowa
c) Konstrukcja wsporcza
d) Elementy elektroinstalacyjne

Rys. 1. Udział poszczególnych elementów w budowie elektrowni fotowoltaicznej

Panele fotowoltaiczne są zbudowane głównie z ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo, składających się z następujących warstw: kontakty emiterowe, warstwy antyrefleksyjnej, warstwy typu p i n oraz kontakty bazowe. Ogniwa fotowoltaiczne głównie zbudowane są z krzemu mono- lub polikrystalicznego, które w zasadzie ciągle dominują na rynku. Można również wyróżnić ogniwa zbudowane z innego materiału niż krzem np. tellurek kadmu, czy ogniwa organiczne. Wymienione ogniwa różnią się przede wszystkim ich wytwarzaniem i sprawnością. W zależności od domieszkowania krzemu na etapie wytwarzania można wyróżnić ogniwa typu p i n. Aby zapewnić sztywność oraz chronić ogniwa fotowoltaiczne przed wilgocią, czy uszkodzeniami mechanicznymi, ogniwa fotowoltaiczne zamyka się w szczelnej obudowie, składającą się z kilku warstw [5,6].

Rys. 2. Budowa panela fotowoltaicznego [13]

Szyba wykorzystywana do produkcji panela fotowoltaicznego powinna spełniać pewne wymagania w celu zapewnienia odpowiedniej absorbcji promieniowania słonecznego. Do głównych wymagań należy: wysoka transmitancja optyczna, niski współczynnik odbicia oraz odporność na promienie UV. Grubość szyby w panelu PV nie przekracza 8 mm. Folia EVA (octan etylowinylowy) bezpośrednio pokrywa ogniwo fotowoltaiczne, zapewniając szczelność konstrukcji. Folia EVA musi posiadać dużą transmitancje promieniowania słonecznego oraz być odporna na długotrwałe wystawienie na działanie promieniowania UV. Na spodzie panelu fotowoltaicznego znajduję się folia poliwinylowa, odpowiadająca za odprowadzenie ciepła. Całość zamyka aluminiowa rama o szerokości do 45 mm, powodując, że całe urządzenie jest sztywne. Na spodzie panela fotowoltaicznego umieszczono skrzynkę przyłączeniową służącą do konfiguracji elektrycznej systemu fotowoltaicznego [5,7,8,9].
Stacja inwerterowa jest urządzeniem służącym do przekształcenia energii wytwarzanej przez panel fotowoltaiczny na energię prądu przemiennego o parametrach zgodnych z energią elektryczną w sieci. Inwerter odpowiada za kontrole całego systemu technicznego oraz zbiera informacje dotyczące produkcji przez system fotowoltaiczny. Falownik fotowoltaiczny
zbudowany jest z kondensatorów, tranzystorów, bezpieczników oraz ograniczników przepięć, a cała konstrukcja zamknięta jest w kompozytowej obudowie o wymaganym stopniu szczelności [5,7,8,9].
Ostatnimi elementami budującymi system fotowoltaiczny jest konstrukcja wsporcza w zależności od sposobu montażu wykonana z aluminiowych lub stalowych elementów przymocowanych do gruntu lub dachu budynku i zespół materiałów elektroenergetycznych między innymi przewody solarne, kable AC, rury elektroinstalacyjne, złączki, ograniczniki przepięć wyłączniki nadprądowe oraz inne elementy, służące do poprawnego montażu instalacji fotowoltaicznej [5,7,8,9].

PRZEPŁYW MATERIAŁÓW I ENERGII W CYKLU ISTNIENIA ELEKTROWNI FOTOWOLTAICZNEJ

Elektrownia fotowoltaiczna jak każdy inny wytwór składa się z czterech faz istnienia: projektowanie, wytwarzanie, eksploatacja i zagospodarowanie poużytkowe. W każdym z wymienionych faz istnienia elektrowni fotowoltaicznej pobierane są z otoczenia zasoby (energia, surowce), które podlegają przemianą w poszczególnych fazach istnienia elektrowni fotowoltaicznej, do momentu aż staną się zasobami poużytkowymi przeznaczonymi do ponownego wykorzystania lub odpadami emitowanymi do otoczenia, powodując jego zanieczyszczenie. Poszczególne podsystemy elektrowni fotowoltaicznej po wytworzeniu opuszczają zakłady produkcyjne i trafiają na rynek do eksploatacji. Po utraceniu funkcji użytkowych poszczególne elementy są traktowane jako elementy do ponownego wykorzystania lub jako odpady poddane składowaniu lub recyklingowi [4,5,9].
Elektrownie fotowoltaiczną można traktować jak ,,czarną skrzynkę’’, która charakteryzuje się określną ilością wejść i wyjść z systemu (rys. 2.).

Rys. 3. System fotowoltaiczny traktowany jako ,,czarna skrzynka’’

Na wejściu do systemu fotowoltaicznego w każdym etapie cyklu istnienia dostarczane są materiały, surowce i nośniki energii powodując powstanie gotowego produktu, który w poszczególnych fazach istnienia wywołuje powstanie strumieni wyjść w postaci odpadów
System fotowoltaiczny
Wejście
Wyjście
i zanieczyszczeń powodując degradacje środowiska. Analiza energetyczno-ekologiczna takie wytworu musi uwzględniać wszystkie etapy wytwarzania poszczególnych elementów elektrowni fotowoltaicznej oraz wszystkie fazy istnienia elektrowni fotowoltaicznej od fazy wytwarzania, eksploatacji po zagospodarowanie poużytkowe [11].
Przejście między pobieranymi z otoczenia zasobami surowców energetycznych i nieenergetycznych a procesem wytwarzania elektrowni fotowoltaicznej stanowi wiele podsystemów, które zapewniają powstanie zdatnego do użytkowania systemu technicznego. Strumień wytworów opuszczający etap produkcji podlega dystrybucji i użytkowania, w czasie którego podlega zabiegom eksploatacyjnym (naprawy, remonty, czyszczenia powierzchni paneli fotowoltaicznych), a po utracie zdatności podlega likwidacji. Po którym następuję wyłączenie z użytkowania elektrowni fotowoltaicznej, której poszczególne elementy poddane są składowaniu lub recyklingowi. To sprawia, że oddziaływanie systemu fotowoltaicznego na otoczenie (człowieka, środowisko) odbywa się we wszystkich fazach istnienia elektrowni fotowoltaicznej, poprzez wprowadzenia do otoczenia obciążań środowiskowych. Obciążenia te można podzielić na obciążania wejściowe, w postaci pobieranych ze środowiska surowców energetycznych i nieenergetycznych oraz wody i gruntu, a także obciążeń wyjściowych stanowiących zanieczyszczenia emitowane do atmosfery, wody, gruntu, promieniowania, hałas, czy ciepło [5,10, 11].
Aby móc dokonać analizy cyklu istnienia elektrowni fotowoltaicznej i sterować systemem fotowoltaicznym w poszczególnych etapach istnienia elektrowni fotowoltaicznej należy poznać wielkości wejść oraz wyjść z systemu. Znajomość tych wielkości umożliwi sterowanie wielkościami wyjściowymi poprzez zmianę wielkości na wyjściu systemu. Jest to możliwe tylko i wyłącznie jeżeli można te wielkości mierzyć. Mierzalne wielkości nazywa się ilościowymi charakterystykami na wejściu i wyjściu z systemu fotowoltaicznego [5,10,11].
Znając opis systemu fotowoltaicznego w poszczególnych etapach istnienia elektrowni fotowoltaicznej można go przedstawić jako model jakościowy poprzez poniższą relacje [12]:
𝑓(𝑋1,𝑌𝑛,𝑅)=0
(1)
Gdzie:
X1 – jest zbiorem wejść do systemu fotowoltaicznego,
Yn – jest zbiorem wyjść do systemu fotowoltaicznego,
R – jest zbiorem relacji wyrażony jako iloczyn kartezjański X1×Yn.
Jest to opis ogólny systemu fotowoltaicznego, dla poszczególnych elementów równania (1) należy nadać znaczenia.
Budując powyższy model dla elektrowni fotowoltaicznej w celu poprawnego przeprowadzenia oceny cyklu istnienia elektrowni fotowoltaicznej między innymi wykorzystując metodą IPCC 2021 należy jak napisano powyżej znać te wielkości.
W całkowitej strukturze budowy elektrowni fotowoltaicznej największy udział mają panele fotowoltaiczne, konstrukcja wsporcza, stacja inwerterowa i instalacja elektryczna. Głównymi materiałami budującymi poszczególne elementy elektrowni fotowoltaicznej są aluminium, stal, szkło oraz miedź. Powyższe materiały w mniejszym lub większym stopniu oddziałują na otoczenie. Analiza poszczególnych etapów istnienia elektrowni fotowoltaicznych wykazała, że największy udział w oddziaływaniu na otoczenie miał etap wytwarzania poszczególnych komponentów budujących system fotowoltaiczny. W trakcie wytwarzania paneli fotowoltaicznych, konstrukcji wsporczej, stacji inwerterowej oraz elementów elektrycznych wykorzystuję się największą ilość surowców i energii, zaś najwięcej odpadów powstaje po wyłączeniu z użytkowania elektrowni fotowoltaicznej. Podczas etapu eksploatacji wykorzystuje się najmniejsza ilość surowców i energii oraz powstaję najmniejsza ilość odpadów. Dlatego istotne jest zajęcie się sterowaniem podsystemem wytwarzania i zagospodarowania poużytkowego elektrowni fotowoltaicznej, aby zmniejszyć jej oddziaływanie na otoczenie (człowieka, środowisko) [1,4,5,7,8,9].

WNIOSKI

Elektrownie fotowoltaiczne należy traktować jako system fotowoltaiczny, który w poszczególnych etapach swojego życia wymaga dostarczenia pewnych surowców naturalnych i nośników energii. Należy również zwrócić uwagę, że istnienie elektrowni fotowoltaicznej w poszczególnych etapach od wytwarzania poprzez użytkowanie i zagospodarowanie poużytkowe wiąże się z powstaniem odpadów i zanieczyszczeń, które negatywnie oddziałują na otoczenie – człowieka i środowisko. Wybór systemu fotowoltaicznego jako obiektu badań do oceny cyklu istnienia spowoduje, że będzie można określić jego wpływ na środowisko i jeżeli będzie taka możliwość zaproponować działania mające na celu ograniczenie jej działania na otoczenie.