Energie živlů

Fotovoltaika

Základní principy fotovoltaiky

Podle výpočtů předních vědců svítí slunce již 5 miliard let a ještě alespoň 10 miliard let svítit bude.
Bylo zjištěno, že pouhých 1,01% ročního slunečního záření vystačí na pokrytí spotřeby energie na celém světě. Je proto třeba začít využívat sluneční energii v maximální možné míře Fotovoltaikou se rozumí přímé získávání proudu ze slunečního záření. Slovo fotovoltaika se skládá z řeckého slova „proton“ – světlo a jména „Volta“. Volta byl italský fyzik jehož jméno se stalo nositelem pro označení jednotky elektrického napětí.

 

Fotovoltaický článek – princip funkce

Hlavní surovinou pro výrobu fotovoltaického článku je křemík. Křemík je v zemské kůře hojně zastoupen, dokonce jako druhý nejrozšířenější prvek. Proto je relativně levný, je snadno dostupný, není jedovatý a je nejvíce používaným a asi i nejlépe prozkoumaným polovodičem. Surový křemík se vyrábí z písku redukcí uhlíkem v obloukové peci, kde dochází k celému řetězci chemických reakcí. Pokud započítáme pouze výchozí a konečné produkty, můžeme zjednodušeně vše vyjádřit jedinou rovnicí SiO2 + C → Si + CO2

Křemík absorbuje část slunečního záření a zahřátím, nebo osvětlením dochází k prudkému zvýšení jeho vodivosti. Při absorpci fotonu ze slunečního záření dojde k přenosu jeho energie na elektron ve valenční sféře některého atomu křemíku. Sluneční paprsky (fotony) dopadem na křemíkový modul fotovoltaického panelu rozkmitají elektrony v tzv. PN přechodové vrstvě a elektrony přecházejí z vrstvy s jejich větším počtem do vrstvy kde jejich méně. V důsledku toho se objeví na PN přechodu elektrického pole, které odděluje elektrony a díry vzniklé absorpcí fotonu. Elektrony usměrní do N-polovodiče a díry do P-polovodiče. Vzájemným působením slunečního záření a hmoty dochází k pohlcování fotonů a uvolňování elektronů, v polovodiči pak vznikají volné elektrické náboje, elektron-díra, které jsou už jako elektrická energie dováděny ze solárního článku přes regulátor dobíjení do akumulátoru, ke spotřebiči nebo přes měnič do sítě. Velikost vyrobeného výkonu je přímo úměrná množství dopadajícího světla a účinnosti článků. Díky tomuto principu je fotovoltaika pokládána a nejčistší zdroj energie.

 

Typy fotovoltaických článků

Monokrystalické křemíkové články

Stupeň účinnosti 12-16%
Monokrystalická buňka má tvar černého osmiúhelníku. Monokrystalický křemík je křemík s jednotnou strukturou. Toho se dosahuje tím, že se monokrystal nechá vyrůst ve speciálních tancích za přesně řízených podmínek. Výsledkem je křemíkový ingot, který připomíná obrovskou nábojnici . Výroba monokrystalických ingotů je složitější, než výroba polykrystalických a probíhá tzv.
Czochralskiho metodou. Do taveniny o teplotě cca 1415°C se ponoří malý monokrystal jako zárodek. Ten se velmi pomalu z taveniny vytahuje a přitom se musí otáčet kolem své podélné osy. Celý proces probíhá v inertní atmosféře.
Vzniklý monokrystalický ingot se řeže na destičky o tloušťce d=100µm. Destičky se dále chemicky upravují v lázni mořením (texturování) z důvodu zvýšení absorpce světla, dále se pokrývají antireflexní fólií a nakonec jsou po obvodu pokryty kovovou mřížkou s kontakty.

 

Polykrystalické křemíkové články

Stupeň účinnosti 12-14%
Polykrystalická buňka ze zabarvena modře ve tvaru čtverce.
Polykrystalický křemíkový ingot se vyrábí tak, že se granule křemíku roztaví a nalijí do formy, kde se nechají pomalu definovanou rychlostí chladnout. Chladnutí musí být pomalé, aby se vytvořila co možná největší monokrystalická zrna a aby bylo v materiálu minimum dislokací, pnutí apod. Vzniklý Odlitek je rozřezán na takzvané cihly, které se dále dělí na destičky. Rovněž tak tyto destičky se moří, opatřují antireflexní vrstvou a kovovou mřížkou s kontakty.
Články polykrystalického křemíku mají sice nižší účinnost, ale mají zase větší účinnost při osvětlení ze strany, takže jsou vhodnější pro nepohyblivé instalace.
 

 

Amorfní články

Stupeň účinnosti 8-9%
Amorfní článek je beztvarý a je vyráběn nejmodernější metodou nanášením slabé vrstvy křemíku do skleněného obalu, nebo na fólii. Nevýhodou tohoto článku je menší účinnost a tudíž pro dosažení požadovaného výkonu je nutná cca 2,5 krát větší plocha. Tyto články jsou však schopny absorbovat takzvané difuzní záření, které vzniká tříštěním přímého slunečního záření v mracích o částice v atmosféře, takže v celkové roční bilanci mají vyšší účinnost až asi o 10%. Tento typ slunečního záření v České republice převládá. Monokrystalické a polykrystalické články přijímají pouze přímé sluneční záření.

 

Solární modul

Solární modul se skládá z většího počtu solárních článků zapojených do série. Díky tomu probíhá všemi články stejný proud. Nejsou-li všechny články stejnoměrně ozářeny sluncem, vyrábějí různě velké proudy. Protože však v sériovém zapojení musí být proud všemi články stejný, dává celý modul jen takový proud, jaká je vyráběn nejhůře osvětleným článkem. Proto zastínění jednoho článku v modulu způsobí, že je zásadně snížen výkon celého panelu. Články chrání ze spodu pevná deska (TEDLAR) a z vrchu tvrzené leštěné sklo. Svým zpracováním jsou schopny odolat i nestandardním klimatickým podmínkám jako je například krupobití. Na trhu je mnoho výrobců solárních panelů. V principu se panely liší rozměry, účinností a samozřejmě cenou.