Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 francouzský fyzik Alexandre Edmond Becquerel. První fotovoltaický článek však byl sestrojen až v roce 1883 Charlesem Frittsem, který potáhnul polovodivý selen velmi tenkou vrstvou zlata. Jeho zařízení mělo pouze jednoprocentní účinnost. V roce 1946 si nechal patentovat konstrukci solárního článku Russel Ohl. Současná podoba solárních článků se zrodila v roce 1954 v Bell Laboratories. Při experimentech s dopovaným křemíkem byla objevena jeho vysoká citlivost na osvětlení.
Na začátku sedmdesátých let se fotovoltaické články dostaly z laboratoří a z kosmického prostoru i na zem, z velké části díky ropným společnostem těžícím v Mexickém zálivu. Na automatických ropných plošinách je elektrická energie potřebná pro osvětlení (maják) a pro ochranu proti korozi. Fotovoltaické články zcela vytlačily do té doby používané primární články elektrické energie.
Fotovoltaický článek je tvořen velkoplošnou polovodičovou p-n diodou. Tyto články se vyrábějí z křemíkových plátků, ať už z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku. V současné době se touto technologií vyrábí více než 85% solárních článků na trhu.
Fotovoltaický článek je tvořen nosnou plochou (například sklem, textilií a podobně), na které jsou napařené velmi tenké vrstvy amorfního nebo mikrokrystalického křemíku. Množství materiálu, použitého pro výrobu tenkovrstvého fotovoltaického článku, je nižší, než u tlustých vrstev, takže články jsou lacinější. Nevýhodou současných tenkovrstvých fotovoltaických článků je nižší účinnost a nižší životnost.
Na rozdíl od předešlých dvou se pro konverzi světla na elektrickou energii nepoužívá tradiční P-N polovodičkový přechod. Používají se různé organické sloučeniny, polymery a podobně. Tyto technologie jsou většinou ve stadiu výzkumů.
Vzhledem k možnému masovému využití fotovoltaických článků, jejichž výrobní cena by byla podstatně nižší než v současnosti, probíhá také výzkum fotovoltaických článků pracující s jinými fotocitlivými materiály než je křemík. Jednou z možností jsou vodivé polymery; např. v listopadu 2005 se podařilo výzkumné skupině na University of California v Los Angeles dosáhnout zatím maximální účinnosti 4,4%.
Velká část dnes používaných solárních článků je vyráběná z monokrystalického (případně polykrystalického) dopovaného P křemíku. Polykrystalické křemíkové ingoty se vyrábějí se čtvercovým průřezem, vhodným pro výrobu solárních článků. Kulaté monokrystalické ingoty se často ořezávají na pseudočtvercový průřez, aby byla lépe využitá plocha solárních panelů. Ingoty se rozřežou na tenké destičky (maximálně 1/3 mm). Na těch se pak vytvoří leptáním textura (destička zmatní a lépe pohlcuje světlo). Destička se poté dopuje fosforem, čímž se vytvoří polovodivý P-N přechod, vybaví se antireflexní vrstvou nitridu (článek získá tmavě modrou barvu), a vodivou pastou se sítotiskem vyrobí metalizace na zadní i přední straně. Poté se článek vypálí (sintruje) - vytvoří se vodivé propojení metalizace s křemíkem.
Hotové fotovoltanické články se spojují do série (a/nebo paralelně) pájenými plochými kovovými pásky a montují se do fotovoltaických panelů (Photovoltaic (Solar) Panels).
Aby se lépe využily drahé solární články, je možné použít odrazné plochy (zrcadla) nebo čočky, které koncentrují sluneční záření na solární článek a umožňují osvětlovat článek mnohem vyššími intenzitami světla. Pro práci takového systému je potřeba přimontovat panel do zařízení pro sledování slunce (tracker) a články je nutné chladit.
Běžně vyráběné fotovoltaické články jsou určené pro práci při osvětlení slunečním zářením o intenzitě 1kW•m-2 (1 slunce). Především metalizace běžných fotovoltaických článků není uzpůsobená vyššímu proudovému zatížení, proto se používají speciální koncentrátorové solární články.
Sluneční světlo vzniká termonukleární reakcí ve slunečním centru při teplotách okolo 15 miliónů Kelvinů. Na povrchu slunce už je teplota kolem 6 tisíc Kelvinů.
Zářivý výkon celého slunce je 3,85•1023 kW. Většina tohoto výkonu se vyzáří do prostoru a k Zemi dorazí je asi půl miliardtiny. I tak je to výkon 1,744•1014 kW na celou ozářenou polokouli.
Země obíhá kolem Slunce ve vzdálenosti 150 miliónů kilometrů. Energetická hustota slunečního záření v této vzdálenosti je ve vakuu 1367 ± 7 W•m-2. Tato energie je rozložená do elektromagnetického spektra přibližně odpovídající záření absolutně černého tělesa o teplotě 5700 K.
Při průchodu atmosférou se část sluneční energie ztratí. Asi 300 W•m-2 se v atmosféře absorbuje, kolem 100 W•m-2 se rozptýlí. Část rozptýlené energie přispívá k celkovému osvětlení jako difuzní záření oblohy.
Účinnost solárních článků se měří při definovaném osvětlení AM1.5 - energetická hustota tohoto spektra je 1 kW•m-2, ale silně závisí na průhlednosti atmosféry.
Každý foton je nosičem malého množství energie. Ve slunečním spektru je četnost fotonů o určité energii rozložena nestejnoměrně. Podle grafu je vidět, že například fotonů žlutého světla přichází od slunce mnohem více, než fotonů červeného světla. Na vodorovné ose grafu je vlnová délka - čím je vlnová délka kratší, tím mají fotony vyšší energii. Světlo na grafu vlevo má vyšší energii než světlo na grafu vpravo.
Světlo, dopadající na fotovoltaický článek, musí mít dostatečnou energii, aby článek mohl vyrábět elektřinu. Pro křemíkové fotovoltaické články potřebuje foton energii minimálně 1,12 eV, což odpovídá vlnové délce asi 1,1 mikrometru.
Energie fotonu, která překračuje potřebnou hranici pro výrobu elektřiny, se mění v teplo.
Ve fotovoltaickém článku tak lze na elektřinu přeměnit teoreticky maximálně padesát procent dopadajícího světla. Prakticky se dosahuje účinnosti asi patnáct procent u průmyslově vyráběných článků. U experimentálních laboratorně vyráběných článků se dosahuje účinnosti až třicet procent.
U současných tenkovrstvých článků dosahuje účinnost přibližně 8-9 procent, časem se však snižuje mnohem rychleji, než u tlustovrstvých článků.
V roce 2006 Národní laboratoř pro obnovitelnou energii (USA) představila články využívající trojnásobné přechody s efektivitou až 40,7%
Výkon fotovoltaických článků a panelů se udává v jednotkách Wp (watt peak - špičková hodnota). Výkon silně závisí na osvětlení a na úhlu dopadajícího světla, proto se výkon článků měří při definovaných podmínkách:
V praxi bývá většinu doby výkon článku nižší, protože článek není natočen přesně na slunce a světlo prochází v závislosti na denní době různou vrstvou atmosféry. Navíc je množství dopadajícího slunečního záření silně závislé na oblačnosti.
Je velmi rozšířeným mýtem, že fotovoltaický článek po dobu své životnosti nedokáže vyrobit ani tolik energie, kolik se spotřebuje na jeho výrobu. Ve skutečnosti běžný průmyslově vyráběný článek zapojený do panelu dokáže vygenerovat množství energie, které byla potřeba na jeho výrobu, už během dvou až tří let v závislosti na zeměpisných podmínkách. Pro podmínky České republiky se návratnost udává v rozmezí 5 až 10 let. Při předpokládané životnosti fotovoltaických článků 25 let tak může fotovoltaický článek vyrobit téměř až patnáctkrát více energie, než bylo spotřebováno na jeho výrobu.
Solární články mají mnoho aplikací. Dříve se používaly solární články především v kosmonautice. Od sedmdesátých let pronikají díky snížení cen fotovoltaické články i do míst, kde buď není k dispozici zdroj elektrické energie ze sítě, nebo z důvodu dopňkové výroby tzv. zelené elektrické energie.
Fotovoltaické panely jsou ploché shora zasklené a hermeticky uzavřené bezúdržbové skříně, v jejichž útrobách jsou umístěny sériparalelně pospojované jednotlivé fotovoltaické články, z nichž každý dává napětí do 1 voltu a výkon okolo jednoho wattu. Výkon takto vzniklého panelu se udává ve špičkové hodnotě Wp (Watt Peak). Dnešní moderní panely dosahují hodnot přes 200 Wp při napětí řádově desítek voltů.
Pokud jsou fotovoltaické panely připojeny přímo ke spotřebiči (většinou v kombinaci s akumulátorem, do kterého se ukládá přebytečná energie pro možnost napájení spotřebiče po dobu, kdy panel není osvětlen), mluvíme o tzv. gridd-off nebo ostrovních systémech. Gridd off systémy nejsou připojeny k veřejné rozvodné síti.
V našich podmínkách se fotovoltaické systémy (tj. systémy, obsahující jeden nebo více fotovoltaických panelů, střídač – invertor, řídící elektroniku a potřebnou kabeláž), často připojují k veřejné rozvodné síti. V takovém případě mluvíme o grid-on systémech. V případě, že výrobce má uzavřenou smlouvu s provozovatelem příslušné distribuční nebo přenosové soustavy (v ČR např. ČEZ, EON), energie vyprodukovaná fotovoltaickým systémem je dodávána do sítě za předem stanovenou výkupní cenu. Tato cena je dána cenovým rozhodnutím Energetického regulačního úřadu č.7/2007.
Tím je zabezpečen neustálý odběr elektrické energie vyrobené FV systémem. Připojení k síti podléhá schvalování provozovatelem příslušné distribuční nebo přenosové soustavy a nemusí být v daném místě povoleno např. z důvodu nedostatečné kapacity místní sítě nebo nadřazené přenosové soustavy.
Součásti fotovotaického systému jsou tyto:
FV panely a jejich mechanické uchycení by měly splňovat normu ČSN EN 61 215, IEC 61215 a odolávat veškerým povětrnostním vlivům. Měly by být např. odolné vůči kroupám do průměru 25 mm, dopadajícím na panel rychlostí 160 km/h.
FV panely generují stejnosměrný proud o napětí 12 V nebo 24 V. Ten se ve sřídači převádí na střídavý proud se stejnými paramerty, jaké má přípojná veřejná rozvodná síť, tj. v našich podmínkách na napětí 230 V a frekvenci 50 Hz). Střídač bývá integrován s další řídící elektronikou, která ukazuje aktuální údaje o činnosti systému (okamžitý výkon, napětí, frekvenci vyráběného el. proudu) a která zároveň v případě poruchy odpojí systém od sítě a signalizuje příčinu poruchy.
Měniče by měly splňovat požadavky ochrany dle normy ČSN 33200–4-41. Elektrické parametry by měly odpovídat mezinárodní směrnici 89/336/EWG o elektromagnetické kompatibilitě, dále směrnici 93/68/EWG o certifikační značce CE a Evropským normám EN 55 014, EN50 082–1. Střídače taktéž podléhají normě ČSN 396060.
© 2009 - 2024 A3, v.o.s.
Webdesign: SAPIO.CZ s.r.o. - www.sapio.cz