Princip fotovoltaika

Transkript

1 Fotovoltaiku lze chápat jako technologii s neomezeným r?stovým potenciálem a?asov? neomezenou možností výroby elektrické energie. Nejedná se však pouze o zajímavou technologii, ale také o vysp?lé (hi-tech) pr?myslové odv?tví, které ve sv?t? zažívá neobvyklý rozvoj a pozitivn? ovliv?uje nejen obchodní aktivity, ale nap?. také zam?stnanost nebo kvalifikaci v?deckých pracovník?. Tuto skute?nost pochopily již mnohé vysp?lé zem? sv?ta v?etn? zemí Evropské unie, snaží se fotovoltaiku podporovat a v delším?asovém horizontu jí p?isuzují nezastupitelné místo v energetickém mixu. Tento aspekt nabývá na významu zejména vzhledem k nar?stající energetické závislosti mnohých zemí, hrozící energetické krizi, ekologickým a bezpe?nostním otázkám klasických zp?sob? výroby energie a dalším negativním aspekt?m sou?asné i budoucí energetiky. V tomto kontextu lze tedy fotovoltaiku po odstran?ní n?kterých p?ekážek, zejména ekonomických, vnímat jako jedno z dostupných?ešení, jako univerzáln? použitelný energetický zdroj, jako technologii, která jde ruku v ruce s trvale udržitelným rozvojem, prost? jako technologii budoucnosti Trocha historie Pojem fotovoltaika pochází ze dvou slov,?eckého??? [phos] = sv?tlo a ze jména italského fyzika Alessandra Volty. Objev fotovoltaického jevu se pak p?ipisuje Alexandru Edmondu Becquerelovi, který jej jako devatenáctiletý mladík odhalil p?i experimentech v roce V roce 1904 jej fyzikáln? popsal Albert Einstein a v roce 1921 mu byla za práce pro rozvoj teoretické fyziky, zejména objev zákona fotoelektrického efektu ud?lena Nobelova cena. Již v roce 1916 pak další držitel této ceny Robert Millikan experimentáln? potvrdil platnost principu fotovoltaického jevu. Prvotní pokusy s foto?lánky spadají do sedmdesátých let 19. století, kdy byly poprvé zjišt?ny zm?ny vodivosti selenu p?i jeho osv?tlení a kolem r byl sestrojen první selenový foto?lánek s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts, ú?innost pod 1 %). První patent na solární?lánek pak byl podán v roce 1946 Russellem Ohlem, který také stál na po?átku rozvoje k?emíkových solárních?lánk? (1941). První skute?ný fotovoltaický?lánek s 6 % ú?inností byl vyroben z krystalického k?emíku v roce 1954 v Bellových laborato?ích (G.L. Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller). V?tší rozvoj fotovoltaiky nastává v šedesátých letech s nástupem kosmického výzkumu, slune?ní?lánky slouží jako zdroj energie pro družice. V?bec první družicí využívající k zisku energie slune?ní paprsky byl ruský Sputnik 3, vypušt?ný 15. kv?tna Dalším d?ležitým mezníkem pro rozvoj fotovoltaiky a zejména výzkumu a vývoje v této oblasti byla celosv?tová ropná krize v roce Dnes je již využití fotovoltaiky r?znorodé, ale o tom až v dalších odstavcích. 1 / 8

2 První generace První generací se nazývají fotovoltaické?lánky využívající jako základ k?emíkové desky. Jsou dnes nejrozší?en?jší technologií na trhu (cca 90 %) a dosahují pom?rn? vysoké ú?innosti p?em?ny (v sériové výrob? 16 až 19 %, speciální struktury až 24 %). Komer?n? se za?aly prodávat v sedmdesátých letech. P?estože je jejich výroba relativn? drahá (a to zejména z d?vodu drahého vstupního materiálu krystalického k?emíku), budou ješt? v n?kolika dalších letech na trhu dominovat. Druhá generace Impulsem pro rozvoj?lánk? druhé generace byla p?edevším snaha o snížení výrobních náklad? úsporou drahého základního materiálu k?emíku.?lánky druhé generace se vyzna?ují 100 krát až 1000 krát ten?í aktivní absorbující polovodi?ovou vrstvou (thin-film) a jejími p?edstaviteli jsou nap?.?lánky z amorfního a mikrokrystalického k?emíku (p?ípadn? silicon-germania,?i silicon-karbidu, ale také tzv. sm?sné polovodi?e z materiál? jako Cu, In, Ga, S, Se, ozna?ované obecn? jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo v porovnání s?lánky první generace k poklesu výrobních náklad? (a tedy za p?edpokladu velkosériové výroby i k poklesu ceny), nicmén? dosahovaná ú?innost je obvykle nižší (v sériové výrob? obecn? pod 10%). Nespornou výhodou tenkovrstvých?lánk? je možnost volby substrátu (na n?ž se tenkovrstvé struktury deponují) a v p?ípad? použití flexibilních materiál? (organické, kovové?i textilní folie) i zna?n? širší aplika?ní sféra. Komer?n? se za?aly?lánky druhé generace prodávat v polovin? osmdesátých let. T?etí generace Pokus o fotovoltaickou revoluci p?edstavují solární?lánky t?etí generace. Zde je hlavním cílem nejen snaha o maximalizaci po?tu absorbovaných foton? a následn? generovaných pár? elektron - díra ( proudový zisk), ale i maximalizace využití energie dopadajících foton? 2 / 8

3 ( nap??ový zisk fotovoltaických?lánk?). Existuje?ada sm?r?, kterým je ve výzkumu v?nována pozornost: - vícevrstvé solárních?lánky (z tenkých vrstev) -?lánky s vícenásobnými pásy -?lánky, které by využívaly horké nosi?e náboje pro generaci více pár? elektron? a d?r - termofotovoltaická p?em?na, kde absorbér je sou?asn? i radiátorem vyza?ujícím selektivn? na jedné energii - termofotonická p?em?na, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí -?lánky využívají kvantových jev? v kvantových te?kách nebo kvantových jamách - prostorov? strukturované?lánky vznikající samoorganizací p?i r?stu aktivní vrstvy - organické?lánky (nap?. na bázi objemových heterop?echod?) Zatím jediným komer?ním p?íkladem dob?e fungujících?lánk? t?etí generace (p?ímo navazující na FV druhé generace) jsou vícevrstvé struktury (dvojvrstvé tzv. tandemy a trojvrstvé?lánky), z nichž každá sub-struktura (p-i-n) absorbuje ur?itou?ást spektra a maximalizuje se tak energetická využitelnost foton?. P?íkladem tandemového solárního?lánku je struktura skládající se z p-i-n p?echodu amorfního (hydrogenovaného) k?emíku (a-si:h) a p-i-n p?echodu mikrokrystalického (hydrogenovaného) k?emíku (µc-si:h). Amorfní k?emík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a žluté?ásti spektra, mikrokrystalický k?emík pak dob?e absorbuje i v oblasti?ervené a infra?ervené. Mikrokrystalický k?emík m?že být nahrazen i slitinou k?emíku s germániem a dle zvoleného pom?ru abou materiál? se dají upravovat jejich optické (i elektrické) vlastnosti. Tohoto materiál? se nap?. využívá komer?n? práv? pro trojvrstvé solární?lánky, kde dva spodní?lánky jsou vyrobeny s r?znou koncentrací Si a Ge. Základní podmínkou pro dobrou funkcí vícevrstvých?lánk? je, aby každý z?lánk? generoval stejný proud. V opa?ném p?ípad?, horší (p?íp. nejhorší) z?lánk? limituje dosažitelnou ú?innost. Výsledné nap?tí je pak dané sou?tem obou (p?íp. všech)?lánk?. Solární?lánek (První generace) Fotovoltaika využívá p?ímé p?em?ny sv?telné energie na elektrickou energii v polovodi?ovém prvku ozna?ovaném jako fotovoltaický nebo také solární?lánek. Solární?lánek je velkoplošná dioda alespo? s jedním PN p?echodem. V ozá?eném solárním?lánku jsou generovány elektricky nabité?ástice (páry elektron díra). Elektrony a díry jsou separovány vnit?ním elektrickým polem PN p?echodu. Rozd?lení náboje má za následek nap??ový rozdíl mezi p?edním (-) a zadním (+) kontaktem solárního?lánku. Vn?jším obvodem zapojeným mezi oba kontakty potom protéká stejnosm?rný elektrický proud, jež je p?ímo úm?rný ploše solárního 3 / 8

4 ?lánku a intenzit? dopadajícího slune?ního zá?ení. Nap?tí jednoho?lánku s hodnotou p?ibližn? 0,5 V je p?íliš nízké pro další b?žné využití. Sériovým propojením více?lánk? získáme nap?tí, které je již použitelné v r?zných typech fotovoltaických systém?. Standardn? jsou používány sestavy pro jmenovité provozní nap?tí 12 nebo 24 V. Takto vytvo?ené sestavy?lánk? v sériovém nebo i sériovo-paralelním?azení jsou hermeticky uzav?eny ve struktu?e krycích materiál? výsledného solárního panelu. Slune?ní zá?ení dopadající na povrch Zem? (po pr?chodu atmosférou) se skládá z foton? r?zných vlnových délek a tedy i r?zných energií. Z celého slune?ního spektra je lidským okem viditelná pouze jeho?ást v oblasti 380 až 780 nanometr?. Oblast s kratší vlnovou délkou (v?tší energií) se nazývá ultrafialová (UV) a oblasti s delší vlnovou délkou se?íká infra?ervená (I?). Základním požadavkem na slune?ní?lánky je schopnost pohlcovat co nejširší oblast slune?ního spektra a co nejlépe využít energii foton?. Solární panel (K?emíkové?lánky) Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních?lánk? vzniká po jejich zapouzd?ení fotovoltaický panel. Panel musí zajistit hermetické zapouzd?ení solárních?lánk?, musí zajiš?ovat dostate?nou mechanickou a klimatickou odolnost (nap?. v??i silnému v?tru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panel? jsou zna?n? rozmanité podle druhu použití. Obvykle jsou po obvodu FV panely opat?eny duralovými rámy pro zpevn?ní celé konstrukce fotovoltaického panelu a zárove? k usnadn?ní realizace uchycení panel? ke konstrukci FV systému. P?ední krycí materiál je speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití. Fotografie FV panelu a popis jeho konstrukce jsou patrné z obrázk?. Z obrázku je také patrná pom?rn? složitá konstrukce panelu realizovaná v pr?b?hu procesu výroby panel? laminace. 4 / 8

5 Z aplika?ního hlediska jsou pro nás nejd?ležit?jší?ásti konstrukce nacházející se nad povrchem p?ední strany FV?lánk?, tedy EVA folie (ethylen vinyl acetát) a kalené sklo (pop?. teflon, litá prysky?ice). EVA folie je organickým materiálem, který m?že vykazovat p?i silném ozá?ení UV sv?tlem efekt žloutnutí a tedy snížení optické transparentnosti s nep?íznivým vlivem na množství generovaného elektrické výkonu slune?ními?lánky. Krycí kalené sklo je z hlediska degradace optických vlastností velmi stabilním materiálem a ke snížení optické propustnosti m?že dojít jedin? zne?išt?ním povrchu vlivem okolního prost?edí. Struktura panel? tenkovrstvých solárních?lánk? je pon?kud odlišná od konstrukce modul? z krystalických k?emíkových?lánk?. Je to dáno zejména zcela odlišnou technologií výroby, kdy celá aktivní struktura je deponována plazmaticky v jednotlivých krocích na sklen?ný velkoplošný substrát. Fotovoltaické systémy Podle ú?elu použití lze fotovoltaické systémy rozd?lit do 3 skupin (viz níže). Nejvýznamn?jší skupinou jsou jednozna?n? sí?ové systémy, které nap?íklad v N?mecku tvo?í více než 90 % veškerých instalací. 1. Drobné aplikace tvo?í nejmenší, avšak nezanedbatelný podíl na FV trhu. Každý jist? zná FV?lánky v kalkula?kách nebo také solární nabíje?ky akumulátor?. Trh drobných aplikací nabývá na významu, protože se množí poptávka po nabíjecích za?ízeních pro okamžité dobíjení akumulátor? (mobilní telefony, notebooky, fotoaparáty, MP3 p?ehráva?e apod.) na dovolených, v kempech pop?. ve volné p?írod?. 2. Ostrovní systémy (off-grid) se používají všude tam, kde není k dispozici rozvodná sí? a kde je pot?eba st?ídavého nap?tí 230 V. Obvykle jsou ostrovní systémy instalovány na místech, kde není ú?elné anebo není možné vybudovat elektrickou p?ípojku. D?vody jsou zejména ekonomické, tzn. náklady na vybudování p?ípojky jsou srovnatelné (nebo vyšší) s náklady na fotovoltaický systém (vzdálenost k rozvodné síti je více než m). Jedná se zejména o odlehlé objekty, jakými jsou nap?. chaty, karavany, jachty, napájení dopravní signalizace a 5 / 8

6 telekomunika?ních za?ízení, zahradní svítidla, sv?telné reklamy apod. Off-grid systémy se dále d?lí na systémy s p?ímým napájením, hybridní systémy a systémy s akumulací elektrické energie. U systém? s p?ímým napájením se jedná o prosté propojení solárního panelu a spot?ebi?e, kdy spot?ebi? funguje pouze v dob? dostate?né intenzity slune?ního zá?ení (nabíjení akumulátor? malých p?ístroj?,?erpání vody pro závlahu, napájení ventilátor? k odv?trání uzav?ených prostor atd.). Hybridní ostrovní systémy se používají tam, kde je nutný celoro?ní provoz se zna?ným vytížením. V zimních m?sících je možné získat z fotovoltaického zdroje podstatn? mén? elektrické energie než v letních m?sících. Proto je nutné tyto systémy navrhovat i na zimní provoz, což má za následek zvýšení instalovaného výkonu systému a podstatné zvýšení po?izovacích náklad?. Z t?chto d?vod? jsou fotovoltaické systémy dopl?ovány alternativním zdrojem energie, kterým m?že být nap?. v?trná elektrárna, malá vodní elektrárna, elektrocentrála, kogenera?ní jednotka atd. Typickými p?edstaviteli systém? nezávislých na síti jsou systémy s akumulací elektrické energie. Oproti sí?ové verzi (viz níže) vyžaduje tento systém navíc solární baterie, které uchovají vyrobenou energii na dobu, kdy není dostatek slune?ního svitu (v noci). Optimální dobíjení a vybíjení akumulátorové baterie je zajišt?no elektronickým regulátorem. Ostrovní systém se poté skládá z: - fotovoltaických panel? - regulátoru dobíjení akumulátor? - akumulátoru (v 95 % olov?ný) - st?ída?e = m?ni?e (pro p?ipojení b?žných sí?ových spot?ebi?? 230V/~50Hz) - pop?. sledova?e Slunce, indika?ních a m??ících p?ístroj? 6 / 8

7 3. Sí?ové systémy (on-grid) jsou nejvíce uplat?ovány v oblastech s hustou sítí elektrických rozvod?. V p?ípad? dostate?ného slune?ního svitu jsou spot?ebi?e v budov? napájeny vlastní solární elektrickou energií a p?ípadný p?ebytek je dodáván do ve?ejné rozvodné sít?. P?i nedostatku vlastní energie je elektrická energie z rozvodné sít? odebírána. Systém funguje zcela automaticky díky mikroprocesorovému?ízení sí?ového st?ída?e. P?ipojení k síti podléhá schvalovacímu?ízení u rozvodných závod?. Špi?kový výkon fotovoltaických systém? p?ipojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek kilowatt až jednotek megawatt. Základními prvky on-grid FV systém? jsou: - fotovoltaické panely - m?ni? nap?tí (st?ída?), který ze stejnosm?rného nap?tí vyrábí st?ídavé (230V/~50Hz) - kabeláž - m??ení vyrobené elektrické energie (elektrom?r) - pop?. sledova? Slunce, indika?ní a m??ící p?ístroj? Fotovoltaika v?r Dostupnost solární energie v?eské republice je samoz?ejm? ovlivn?na mnoha faktory. Pat?í mezi n? p?edevším zem?pisná ší?ka, ro?ní doba, obla?nost a lokální podmínky, sklon plochy na níž slune?ní zá?ení dopadá a další. Zajímavým faktem nicmén? z?stává, že se údaje o slune?ním zá?ení v?r z jednotlivých zdroj? v mnohém liší. Shrneme-li dosud publikované informace, dojdeme k následujícím výsledk?m: - v?eské republice dopadne na 1m² vodorovné plochy zhruba kwh energie - ro?ní množství slune?ních hodin se pohybuje v rozmezí hod (?HMÚ), odborná literatura uvádí jako pr?m?rné rozmezí hod Z hlediska praktického využití pak platí, že z jedné instalované kilowaty b?žného systému (FV 7 / 8

8 ?lánky z monokrystalického, pop?. multikrystalického k?emíku, b?žná ú?innost st?ída?? apod.) lze za rok získat v pr?m?ru kwh elektrické energie. 8 / 8