Fotovoltaika – elektřina ze slunce

Fotovoltaika je technologie zaměřená na přímou přeměnu sluneční energie na elektrickou. Základním principem je tzv. fotoelektrický (fotovoltaický) jev. Praktické využívání fotovoltaických systémů začalo v rámci vesmírných programů v takových aplikacích, jako je napájení vesmírných satelitů elektrickou energií, kde jsou téměř výlučným energetickým zdrojem. Na odlehlých místech se prosazují sluneční články už od 70. let minulého století a v komerčních spotřebitelských produktech, jako jsou kalkulačky, rádia nebo hodinky, od 80. let. V 90. letech se o sluneční články začal vážně zajímat soukromý sektor elektrárenské společnosti a nastala éra jejich využívání v malých elektrárnách.

Proč fotovoltaika?
Sluneční články využívají energii, která je zadarmo, proto se vyznačují zanedbatelnými provozními náklady a navíc i vysokou spolehlivostí. Výhodou fotovoltaiky je, že panely se dají snadno přidávat, a tak lze zvětšovat výkon celého zařízení. Majitel tohoto zařízení může zvětšovat jeho výkon v závislosti na narůstající spotřebě energie. Panely i ostatní součásti jsou přenosné, a tak je možno je bez problémů instalovat na jakémkoliv místě. Články se dnes nevyrábějí jen ve formě zvláštních panelů, ale mnoho firem je montuje do střešních krytin nebo materiálů na fasády budov. Instalace slunečních článků do stavebních prvků výrazně snižuje náklady a současně sluneční články působí na budovách velmi esteticky.

Fotovoltaický článek
Fotovoltaický článek pracuje na fyzikálním principu toku elektrického proudu mezi dvěma propojenými polovodiči s rozdílnými elektrickými vlastnostmi, na které dopadá světelné záření. Elektrická energie se ve slunečním článku vyrábí na spoji dvou křemíkových vrstev, které se liší svými vlastnostmi. Jedna vrstva křemíku se díky příměsi atomů fosforu vyznačuje nadbytkem elektronů (záporných nábojů) a označuje se jako N-vrstva. Druhá vrstva křemíku je obohacena atomy bóru, čímž v ní vzniká nedostatek elektronů (je označována jako P-vrstva) a má kladný náboj. Mezi oběma vrstvami vzniká tzv. P – N přechod, který je při dopadu slunečního záření aktivován, takže připojenými vodiči teče mezi oběma vrstvami elektrický proud.

Napětí mezi oběma póly má hodnotu asi 0,5 voltu a protékající proud je úměrný intenzitě světelného záření (množství dopadajících fotonů). V každém slunečním článku je napětí téměř konstantní a proud je závislý na velikosti článku a intenzitě záření. Základní částí fotovoltaického článku, která má největší vliv na jeho účinnost, je polovodič. O vhodnosti polovodiče pro výrobu fotovoltaických článků rozhoduje především šířka zakázaného pásma energií, která by se měla pohybovat v rozmezí od 1,1 eV do 1,7 eV. Dalšími důležitými vlastnostmi jsou vysoká pohyblivost a dlouhá životnost minoritních nosičů náboje. Nejpoužívanějším materiálem na výrobu článků je v současnosti křemík, ale používají se i arzenid gallia, telurid kademnatý, sirník kademnatý.

Fotovoltaické články jsou spojovány do fotovoltaických panelů, ve kterých jsou vzájemně propojeny a chráněny skleněným krytem. Čím větší je plocha panelu a intenzita záření, tím větší proud jimi teče. Výkon panelů je vyjadřován hodnotou tzv. špičkového výkonu (W_p), což je výkon zařízení za definovaných podmínek při intenzitě slunečního záření 1 000 W/m² a při teplotě 25 °C. Těchto podmínek se dosahuje při dobrém počasí, když se slunce nachází v nejvyšším bodě na obloze. Na dosažení výkonu 1 Wp za těchto podmínek je potřebný článek asi 10 × 10 cm.

Fotovoltaické systémy
Fotovoltaické systémy můžeme rozdělit do tří základních skupin:

Stand Alone systémy – samostatné solární systémy
Malá a jednoduchá solární zařízení jsou dnes velmi často používána na čerpání vody, napájení klimatizačních zařízení, osvětlení a ventilátorů nebo různých meteorologických stanic na mnohých místech světa. Malé systémy mají několik výhod ve srovnání s tradičními zdroji energie. Kromě nízkých provozních a stavebních nákladů je výhodou i jejich mobilita. Malá zařízení s výkonem 500 W váží méně než 70 kg a jeho instalace trvá jen několik hodin. Ačkoliv čerpadla nebo ventilátory napojené na sluneční panely vyžadují jistou údržbu, články je potřebné jen příležitostně zkontrolovat a očistit.

Grid on systémy – připojené na rozvodnou síť
Tyto systémy nacházejí nejčastěji uplatnění na místech s hustou sítí elektrických rozvodů. V případě dostatečného slunečního svitu jsou spotřebiče v budově napájeny z fotovoltaického systému a případný přebytek nevyužité energie je dodáván do rozvodné sítě přes elektromotor. Systém pracuje automaticky. Připojení k veřejné síti podléhá schvalovacímu procesu ze strany rozvodných závodů. Výhodou těchto systémů jsou menší pořizovací náklady a možnost prodeje nespotřebované energie.

Hybridní solární systémy
Solární články s jiným typem elektrického zdroje dokážou velmi dobře pokrývat měnící se nároky spotřeby energie, a to při nižších nákladech, než jaké by byly potřeba u systémů založených jen na jednom zdroji.

V případech, kdy je nutno mít nepřetržitě spolehlivý zdroj energie nebo kdy je vyžadován vyšší výkon, než jaký je schopen dodat solární systém, je připojení dalšího elektrického zdroje vhodným řešením. Solární články v průběhu dne pokrývají spotřebu energie a současně dobíjejí baterie. Když jsou baterie vybité, energii do systému dodává jiný zdroj, dokud se baterie nedobijí. Tyto systémy jsou schopné dodávat energii kdykoliv, přičemž dodatečný elektrický generátor působí též jako záložní zdroj.

Výhodou je, že provoz solárních článků je tichý a neznečišťuje okolní prostředí. Ačkoliv připojení dodatečného elektrického zdroje se může zdát komplikované, moderní regulační zařízení umožňují, aby tento systém pracoval zcela automaticky. Regulační prvky připojují zdroje a mění jednosměrné napětí na střídavé podle okamžité spotřeby. Vedle tradičních generátorů proudu je možno do systému připojit i malé vodní elektrárny nebo malé větrné generátory proudu a vytvořit tak větší hybridní systém.

Součásti fotovoltaických zařízení
Solární panely. Vznikají spojením solárních článků podle požadavků výkonu. Články jsou umístěny v pevném rámu pod speciálním krycím sklem s nízkým obsahem kovů. Standardně se vyrábějí moduly s výkonem 5 až 150 W a napětím 12/24 V.

Akumulátory. Skladují elektrickou energii vyrobenou slunečními panely a následně ji dodávají různým elektrospotřebičům. Musí pokrývat špičkovou spotřebu, kterou solární články nejsou schopné zabezpečit vlastním výkonem, a také musí dodávat energii v noci nebo během nepříznivého počasí. Ve fotovoltaických systémech se používají speciální solární akumulátory, mající účinnost a životnost obvykle větší než automobilové akumulátory.

Elektronický regulátor. Je důležitou součástí fotovoltaického systému. Regulátor chrání akumulátor před přebitím nebo hlubokým vybitím s následným poškozením. Jestliže je akumulátor zcela nabitý, regulátor snižuje proud dodávaný solárními články až na úroveň vlastních ztrát zařízení. Na druhé straně regulátor přerušuje dodávku energie elektrospotřebičům, pokud kapacita akumulátoru klesne pod kritickou úroveň.
Měnič. Zařízení, které mění jednosměrný proud 12/24/48 V na střídavý (220 V, 50 Hz, respektive jiné hodnoty). Měniče jsou dodávány v různých velikostech podle výkonu od asi 250 W až po více než 8 000 W. V menších systémech jsou využívány hlavně levnější měniče s tzv. modifikovanou sinusoidou, což však v praxi může způsobovat rušení některých citlivých spotřebičů. Dražší měniče se sinusovým průběhem tento tzv. šum nezpůsobují.

Vodiče fotovoltaického systému. Měly by být vždy co nejkratší. Ty, které spojují různé elektrospotřebiče, by měly mít minimální průřez 1,6 mm². K zabezpečení napěťových ztrát nižších než 3 % mají mít vodiče mezi solárními panely a akumulátory průřez 0,35 mm² (12V systém) nebo 0,17 mm² (24V systém) na každý 1 m² solárního panelu. Proto 10metrový kabel pro dva panely vyžaduje minimální průřez 10 × 2 × 0,35 mm² = 7 mm². Protože s kabely s průřezem více než 10 mm² se těžko pracuje a ne vždy jsou dostupné, je často potřebné tolerovat vyšší ztráty v systému. Jestliže je část vodiče vystavena působení vnějšího prostředí, měla by být odolná proti povětrnostním vlivům.

Natáčecí zařízení. Solární články pracují nejúčinněji, když jsou natočeny přímo ke slunci. Natáčecí zařízení umožňuje pomocí pohyblivé platformy nastavit optimální polohu článků ke slunci v průběhu dne. Toto směrování dokáže zvýšit zisk energie v zimě o 10 % a v létě až o 40 %. Při navrhování celého systému však musí být započítána i spotřeba energie natáčecím zařízením a jeho cena. Na mnohých místech je výhodnější instalovat více článků než investovat do natáčecího zařízení.

První kroky fotovoltaiky První informace o fotovoltaické přeměně slunečního záření pocházejí z roku 1839, kdy A. E. Becquerel vysvětlil princip fotovoltaického jevu. Historie jeho energetického využití se začala psát už v roce1954, kdy pracovníci Bell Telephone Laboratories sestrojili fotovoltaické články založené na monokrystalickém křemíku s účinností 6 %. Vývoj fotovoltaických článků je pevně svázán s rozvojem polovodičů. V současnosti dosahují nejmodernější články účinnosti asi 30 %, přičemž v praxi jsou běžně využívány články s účinností 10 až 20 %.

Ing. Ján Tomčiak
Foto: Zdeněk Macháček, Solartec, Kamil Staněk, Wagner & Co