---------------------------    FOTOVOLTAIKA     ---------------------------
 
Solární (fotovoltaické) články  
 
   
Ve srovnání s jinými zdroji elektrické energie má provoz fotovoltaického zařízení celou řadu ekologických i provozních výhod. V našich klimatických podmínkách je však třeba počítat i s nevýhodami, které mohou omezit nebo zcela znemožnit efektivní využití fotovoltaických zařízení:
 

Výhody
  • Používá se prakticky nevyčerpatelný zdroj energie.
  • Při provozu nevznikají žádné emise nebo jiné škodlivé látky.
  • Provoz je zcela bezhlučný, bez pohyblivých dílů.
  • Jednoduchá instalace solárního systému
  • Provoz zařízení prakticky nevyžaduje obsluhu, snadná elektronická regulace.
  • Zařízení mají vysokou provozní spolehlivost.
Nevýhody
  • Poměrně nízká průměrná roční intenzita slunečního záření.
  • Krátká průměrná roční doba slunečního svitu.
  • Velké kolísání intenzity záření v průběhu roku.
  • Malá účinnost přeměny a z toho plynoucí nároky na plochu článků.
  • Vysoké investiční náklady na instalaci.
  • Poměrně malá životnost (20 let) v poměru k ceně.
  • Potřeba záložního zdroje elektřiny.

Z porovnáním výhod a nevýhod vyplývá, že fotovoltaické zdroje u nás mají smysluplné využití především v místech bez možnosti připojení k rozvodné síti, případně jako doplňkový zdroj malého výkonu.
 
Princip fotovoltaického článku

Fotovoltaický (sluneční, solární) článek je v podstatě polovodičová dioda. Jeho základem je tenká křemíková destička s vodivostí typu P. Na ní se při výrobě vytvoří tenká vrstva polovodiče typu N, obě vrstvy jsou odděleny tzv. přechodem P-N. Osvětlením článku vznikne v polovodiči vnitřní fotoelektrický jev a v polovodiči se z krystalové mřížky začnou uvolňovat záporné elektrony. Na přechodu P-N se vytvoří elektrické napětí, které dosahuje u křemíkových článků velikosti zhruba 0,5 V. Energie dopadajícího světla se v článku mění na elektrickou energii. Připojíme-li k článku pomocí vodičů spotřebič (například miniaturní elektromotorek), začnou se kladné a záporné náboje vyrovnávat a obvodem začne procházet elektrický proud. Je-li třeba větší napětí nebo proud, zapojují se jednotlivé články sériově či paralelně a sestavují se z nich fotovoltaické panely.

Fotočlánek border=0 height=

 
Proud, který můžeme ze slunečního článku odebírat, je úměrný velikosti ozařované plochy článku. Výkon křemíkových fotovoltaických článků o ploše 1 m2 je 80 – 100 W, účinnost přeměny světelné energie na energii elektrickou závisí na struktuře materiálu a způsobu výroby článku (laboratorní nebo průmyslová):
 
KŘEMÍKOVÝ MATERIÁL laboratorní výr. (%) průmyslová výr. (%)
monokrystalický ~ 24 14 - 17
polykrystalický ~ 18 13 - 15
amorfní ~ 13 5 - 7

Příklady konkrétních parametrů fotovoltaických článků (řezů) z monokrystalického křemíku, které vyrábí firma SOLARTEC. Články se liší jen svou velikostí.
 
TYP ŘEZU napětí (V) proud (mA) výkon (mW)
SSC2-04 0,57 700 300
SSC2-12 0,57 230 100
SSC2-24 0,57 90 40

Fotovoltaické systémy

FotovoltaikaJediný fotovoltaický článek má jen velmi malé využití. Výstupní napětí i výkon je pro většinu aplikací příliš malý. Proto se články podle požadovaného napětí a odebíraného proudu spojují a vytvářejí fotovoltaický modul (panel). Spojením více modulů vzniká rozměrné fotovoltaické pole, které se instaluje například na střechu nebo fasádu budovy. Pro dosažení vysoké životnosti se moduly ukládají do hermeticky uzavřených pouzder, která jsou opatřena vysoce průhledným tvrzeným sklem. Tato úprava chrání moduly před povětrnostními vlivy, udávaná životnost je 20 - 30 let.
 
Nejjednodušší fotovoltaický systém:
Fotovoltaický modul je přímo připojen ke spotřebiči, jak je znázorněno na schématu. Spotřebič v tomto zapojení pracuje jen při dostatečně intenzivním osvětlení modulu a to je hlavní nevýhoda. Toto řešení je možno zvolit jen výjimečně, například k napájení jednoduchých kalkulaček, dětských hraček.nebo učebních pomůcek.
Fotočlánek

Autonomní fotovoltaický systém:
Jedná se o zdroj nezávislý na rozvodné síti, bývá označován jako "grid-off". Systém se skládá z fotovoltaických modulů nebo polí, regulátoru, akumulátoru a spotřebiče. Elektrická energie z modulů se uchovává v nabitých akumulátorech pro období, kdy Slunce nesvítí. Regulátor zajišťuje správné podmínky pro nabíjení a vybíjení akumulátoru. Tento systém se používá k napájení pokusných solárních vozidel, zahradních svítidel, elektrických spotřebičů v horských chatách, k napájení měřicích přístrojů v meteorologických stanicích apod.
Fotočlánek

Fotovoltaický systém spojený se sítí:
Velké fotovoltaické systémy mohou být zapojeny tak, aby část nebo všechnu vyrobenou elektrickou energii dodávaly do veřejné rozvodné sítě. Označují se také jako systémy "grid-on". Zdrojem je opět fotovoltaický modul, stejnosměrné napětí je nejprve nutné ve střídači (měniči) transformovat na střídavé napětí 230 V/50 Hz. Zařízení musí splňovat přísné požadavky na bezpečnost, odolnost proti zkratu a přetížení a na správnou synchronizaci. Výhodou tohoto systému je, že spotřebiče v domácnosti mohou fungovat nezávisle na vnějším osvětlení. Při dostatku slunečního záření jsou napájeny z fotovoltaického modulu, v noci odebírají energii z rozvodné sítě. Elektroměry E1 a E2 měří energii odevzdanou nebo odebranou z rozvodné sítě.
Fotočlánek
Trochu ekonomických úvah

Instalace fotovoltaických systémů je dnes - vzhledem k vysoké ceně solárních modulů - relativně značně nákladná. Vzhledem k předpokládané životnosti nemohou tyto systémy cenově konkurovat elektřině z rozvodné sítě. Výhodnost se však může projevovat jiným způsobem a v jiných situacích:
  • Velké autonomní systémy jsou výhodné tam, kde by bylo vybudování přípojky rozvodné sítě příliš vysoké.
  • Malé autonomní systémy (odběr do 0,15 kWh za den) jsou efektivní při libovolné vzdálenosti od sítě.
  • Fotovoltaika je už dnes výhodná v odlehlých místech, při malé spotřebě energie a při požadavku bezobslužného a bezporuchového provozu.
  • Porovnání efektivity autonomního systému s jinými lokálními zdroji elektřiny (např. elektrocentrálami s dieselagregátem) závisí na potřebě energie v průběhu roku.
  • Fotovoltaicka na rozdíl od elektrocentrál nezatěžuje životní prostředí zplodinami a hlukem.
  • Cena fotovoltaických článků se neustále snižuje, takže klesají pořizovací náklady a tím i návratnost investice.
Ceny fotočlánků
Pokles ceny fotovoltaických modulů (dolary na watt instalovaného výkonu)

Zajímavosti o fotovoltaických systémech

  • 1839 A. E. Becquerel poprvé pozoroval přímou přeměnu záření na elektřinu, objevil fotovoltaický jev.
  • 1839 W. Smith objevil závislost odporu selénu na osvětlení.
  • 1876 Adams a Day pozorovali fotovoltaický jev na krystalu selénu.
  • 1916 Jan Czochralski vynalezl metodu získávání velkých monokrystalů, která se stala základem výroby křemíkových ingotů
  • 1932 Audobert a Stora pozorovali fotovoltaický jev na sirníku kademnatém CdS.
  • 1950 Průmyslové zavedení výroby křemíkových monokrystalů Czochralského metodou.
  • 1954 Ve firmě Bell Telephone byl vyroben první křemíkový fotovoltaický článek s účinností přeměny asi 4 %
  • 1958 Byla vypuštěna první umělá družice s přístroji napájenými z fotovoltaických článků (Vanguard I).
  • 1960 Účinnost nejlepších fotovoltaických článků dosáhla 14 %.
  • 1963 Japonský maják byl vybaven fotovoltaickým zdrojem o výkonu 242 W - v té době šlo o rekordní výkon.
  • 1982 Ve světě pracovaly fotovoltaické systémy o celkovém výkonu 9,3 MW.
  • 2002 Ve světě pracovaly fotovoltaické systémy o celkovém výkonu 562,5 MW. Téměř polovina těchto systémů je v provozu v Japonsku.

 
 

3. kapitola

Začátek článku

Obsah