FOTOVOLTAIKA

Fotovoltaiku lze chápat jako technologii s neomezeným růstovým potenciálem a časově neomezenou možností výroby elektrické energie. Tuto skutečnost pochopily již mnohé vyspělé země světa včetně zemí Evropské unie, snaží se fotovoltaiku podporovat a v delším časovém horizontu jí přisuzují nezastupitelné místo v energetickém „mixu“. Tento aspekt nabývá na významu zejména vzhledem k narůstající energetické závislosti mnohých zemí, hrozící energetické krizi, ekologickým a bezpečnostním otázkám klasických způsobů výroby energie a dalším negativním aspektům současné i budoucí energetiky. V tomto kontextu lze tedy fotovoltaiku po odstranění některých překážek, zejména ekonomických, vnímat jako jedno z dostupných řešení, jako univerzálně použitelný energetický zdroj, jako technologii, která jde ruku v ruce s trvale udržitelným rozvojem, prostě jako technologii budoucnosti

HISTORIE

Pojem fotovoltaika pochází ze dvou slov, řeckého φώς [phos] = světlo a ze jména italského fyzika Alessandra Volty. Objev fotovoltaického jevu se pak připisuje Alexandru Edmondu Becquerelovi, který jej jako devatenáctiletý mladík odhalil při experimentech v roce 1839. V roce 1904 jej fyzikálně popsal Albert Einstein a v roce 1921 mu byla za „práce pro rozvoj teoretické fyziky, zejména objev zákona fotoelektrického efektu“ udělena Nobelova cena. Již v roce 1916 pak další držitel této ceny Robert Millikan experimentálně potvrdil platnost principu fotovoltaického jevu. Prvotní pokusy s fotočlánky spadají do sedmdesátých let 19. století, kdy byly poprvé zjištěny změny vodivosti selenu při jeho osvětlení a kolem r. 1883 byl sestrojen první selenový fotočlánek s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts, účinnost pod 1 %). První patent na solární článek pak byl podán v roce 1946 Russellem Ohlem, který také stál na počátku rozvoje křemíkových solárních článků (1941). První skutečný fotovoltaický článek s 6 % účinností byl vyroben z krystalického křemíku v roce 1954 v Bellových laboratořích (G.L. Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller).

SOLÁRNÍ PANEL

Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich zapouzdření fotovoltaický panel. Panel musí zajistit hermetické zapouzdření solárních článků, musí zajišťovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost (např. vůči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panelů jsou značně rozmanité podle druhu použití. Obvykle jsou po obvodu FV panely opatřeny duralovými rámy pro zpevnění celé konstrukce fotovoltaického panelu a zároveň k usnadnění realizace uchycení panelů ke konstrukci FV systému. Přední krycí materiál je speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití.

Větší rozvoj fotovoltaiky nastává v šedesátých letech s nástupem kosmického výzkumu, sluneční články slouží jako zdroj energie pro družice. Vůbec první družicí využívající k zisku energie sluneční paprsky byl ruský Sputnik 3, vypuštěný 15. května 1957. Dalším důležitým mezníkem pro rozvoj fotovoltaiky a zejména výzkumu a vývoje v této oblasti byla celosvětová ropná krize v roce 1973. Dnes je již využití fotovoltaiky různorodé.

FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY

Základem fotovoltaického systému jsou fotovoltaické (FV) články seskupené do FV modulů různých velikostí a výkonů.V současné době jsou nejvíce rozšířené křemíkové FV moduly. Různým zpracováním křemíku lze vyrobit monokrystalické, polykrystalické a amorfní fotovoltaické články.

Rozdíl mezi monokrystalickým a polykrystalickým článkem je především vizuální. Monokrystalická buňka je černá ve tvaru osmiúhelníku. Polykrystalická buňka je modře zbarvená ve tvaru čtverce. Monokrystalické buňky jsou více účinné než polykrystalické, ale využití plochy modulu není vzhledem k tvaru tak dokonalé - v konečném výsledku jsou oba typy modulů výkonově obdobné. Účinnost polykrystalických modulů je 12-14%. Účinnost monokrystalických modulů je 12-16%.

Novým druhem jsou články z amorfního křemíku, který je v tenké vrstvě nanesen na sklo nebo fólii. Účinnost amorfních článků je 8-9%. Pro dosažení daného výkonu je potřeba 2,5x větší plochy, než kolik by bylo potřeba při použití mono nebo polykrystalických modulů. Celoroční výnos je ovšem o 10% vyšší!

Fotovoltaické moduly je vhodné v naší zeměpisné šířce orientovat směrem na jih (+/-15°) pod úhlem sklonu přibližně 30-40° dle typu panelu. Důležitý je i výběr lokality umístění FV systému s co možná největší roční svítivostí. Jeden kilowatt instalovaného výkonu krystalické technologie vyprodukuje v průměru patnácti let cca 900-1100 kWh za jeden rok.

STŘÍDAČE

Stejnosměrný proud vyrobený ve fotovoltaických (FV) modulech je pro dodávku do distribuční sítě třeba přeměnit na proud střídavý předepsaných parametrů (230 V / 400 V, 50 Hz) v měniči napětí – střídači.

Výkon se u fotovoltaických zařízení vyjadřuje obvykle v kWp. Kilowatt peak je jednotka výkonu solárního článku nebo panelu v bodě maximálního výkonu za standardních testovacích podmínek (1000W/m²; AM 1,5; 25°C). V podmínkách ČR vyrobí 1 kWp (cca 10 m² panelů) průměrně 800 – 1100 kWh elektrické energie (za předpokladu FV článků z monokrystalického, popř. polykrystalického křemíku, běžná účinnost střídačů apod.).

SÍŤOVÉ SYSTÉMY

Síťové systémy (on-grid) jsou nejvíce uplatňovány v oblastech s hustou sítí elektrických rozvodů. V případě dostatečného slunečního svitu jsou spotřebiče v budově napájeny vlastní „solární“ elektrickou energií a případný přebytek je dodáván do veřejné rozvodné sítě. Při nedostatku vlastní energie je elektrická energie z rozvodné sítě odebírána. Systém funguje zcela automaticky díky mikroprocesorovému řízení síťového střídače. Připojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodů. Špičkový výkon fotovoltaických systémů připojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek kilowatt až jednotek megawatt.

V ČR je výkupní cena pro rok 2009 stanovena na 12,89 Kč/kWh, jakožto cena minimální s garancí této částky po dobu minimálně 15 let. Možnosti aplikace: střechy rodinných domů 1-10 kW_p, fasády a střechy administrativních budov 10 kW_p – stovky W_p, protihlukové bariéry okolo dálnice, fotovoltaické elektrárny na volné ploše atd.

FOTOVOLTAIKA V ČR

Přírodní podmínky v ČR

Dostupnost solární energie v České republice je samozřejmě ovlivněna mnoha faktory. Patří mezi ně především zeměpisná šířka, roční doba, oblačnost a lokální podmínky, sklon plochy na níž sluneční záření dopadá a další. Zajímavým faktem nicméně zůstává, že se údaje o slunečním záření v ČR z jednotlivých zdrojů v mnohém liší. Shrneme-li dosud publikované informace, dojdeme k následujícím výsledkům:

• v České republice dopadne na 1m² vodorovné plochy zhruba 950 – 1340 kWh energie
• roční množství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 – 1844 hod (ČHMÚ), odborná literatura uvádí jako průměrné rozmezí 1600 – 2100 hod

Z hlediska praktického využití pak platí, že z jedné instalované kilowaty běžného systému (FV články z monokrystalického, popř. multikrystalického křemíku, běžná účinnost střídačů apod.) lze za rok získat v průměru 800 – 1100 kWh elektrické energie.

Sluneční záření v ČR – MWh/kWh/m² (dopad na vodorovnou plochu)

VÝKON