Fotovoltaické články

Gorvinovy stránky

5) Fotovoltaické články - „sluneční“ elektrická energie

   Fotovoltaika je metodika, která umožňuje přímou přeměnu energie slunečního záření na energii elektrickou pomocí fotoelektrického jevu. K účelu získávání elektrické energie se hodí pouze tzv. vnitřní fotoefekt, zejména fotoefekt na hradlové vrstvě, při kterém se využívá polovodičových elementů (nejčastěji křemíkových) a dochází v nich vlivem dopadajících kvant slunečního záření k vybuzení elektronu, na jehož místě vzniká elektronová díra, do které může vstoupit jiný elektron a dochází tak ke vzniku vodivosti uvnitř materiálu, kterým je nejčastěji křemík. Abychom však mohli elektrickou energii z dopadající záření prakticky využít, je nutno křemík upravit v tzv. polovodičovou diodu. Toho se docílí vytvořením a kontaktem - spojením - dvou typů polovodičů:

   1) typu N (negativní, který je donorem - dárce - elektronů, který lze vytvořit přidáním nepatrného množství trojmocného prvku, např. india do křemíku) a

   2) typu P (pozitivní, který je akceptor - přijímač - elektronů, čehož lze dosáhnout dotací čtyřmocného křemíku pětimocným prvkem, např. antimonem).

   Pokud na rozhraní těchto dvou typů polovodičů dopadá světelné záření, dochází ke vzniku fotoelektrického napětí. Parametry záření však musí být dostatečné, aby článek mohl fungovat. Například některé fotovoltaické články jsou zdrojem napětí pouze při dopadu infračerveného záření a nikoli světla obecně, čehož se využívá v bezpečnostní a zabezpečovací technice. Konstrukcí slunečního článku je zajištěno, aby záření mohlo co nejlépe pronikat k hradlové vrstvě (rozhraní obou typů polovodičů).

   Účinnost přeměny energie světelné na elektrickou je však u křemíkových článků pouze 4 až 13%, tedy dost nízká, což je hlavní nevýhodou získávání "sluneční" elektrické energie pomocí fotovoltaických článků obecně. U článků z arzenidu galia (GaAs) bylo zatím dosaženo účinnosti 23%. Zatím nejvýše dosažená hodnota účinnosti, s třívrstevnými materiály, je kolem 28,5%. Budoucí technologie snad mohou u třívrstvých článků účinnost zvýšit i přes 50%, což je však pouze teoretická hodnota a praxe je doposud jiná.

   Naopak hlavní výhodou fotovoltaických článků je jejich "tichý chod", tedy, že tovární haly jsou v tomto procesu zastoupeny pouze při výrobě slunečních článků. Technická nenáročnost na jejich samotný provoz a to, že panely mohou od montáže, kdykoli při slunečním svitu, dodávat elektrickou energii, je výhoda, která někdy upřednostňuje sluneční články před jinými zdroji, jako například v kosmonautice.

   Avšak značnou nevýhodou je velká energetická náročnost výroby fotovoltaických článků a především jejich velká výrobní cena. Například pro výrobu solárního modulu M55 (výkon 55 W) firmy ARCO jsou následující hodnoty energetické náročnosti:

surovina (křemík)	450 kWh
solární články	40 kWh
sklo	10 kWh
umělá hmota	8 kWh
hliníkový rám	80 kWh
teplo (technologie)	3 kWh
celkem	591 kWh

   Nejvíce energeticky náročným procesem je zde zpracování křemíkové suroviny a výroba hliníkového rámu. (viz pozn.)

   Účinnost tohoto modulu je 12% a plocha 0,4 m². Kdyby takovýto modul byl instalován např. v Mnichově, kde je střední globální záření 3,2 kWh / m².d vyrobí množství energie 0,4 x 365 x 3,2 x 0,12 = 56,0 kWh za rok. Vynaložená energie může tedy být získána během 10,5 let a proto vzhledem k životnosti článku, který je alespoň 10 let, se vynaložená energie vrátí. Kdyby byl článek instalován na Sahaře, s ročním slunečním svitem přes 2200 kWh, energie se vrátí za 5,5 roku tedy asi o polovinu rychleji.

   Avšak při tenkovrstvové technologii se můžeme dostat k zajímavějším výsledkům. Účinnost článků je sice pouze 6,5%, ale tenkovrstvová technologie je podstatně méně energeticky náročná:

surovina	5 kWh
sklo	20 kWh
umělá hmota	8 kWh
hliníkový rám	80 kWh
teplo (technologie)	10 kWh
celkem	123 kWh

   Zde tedy má největší hodnotu výroba hliníkového rámu. (viz pozn.)

   V Mnichově by tento modul o ploše 0,48 m²a výkonu 30 W ročně vyprodukoval 0,48 x 365 x 3,2 x 0,065 = 36,4 kWh. Energie spotřebovaná k výrobě by tedy byla získána za 3,4 roků. Na Sahaře by se vynaložená energie vrátila do 1,8 roku.

   Přesto však vysoká cena a malá účinnost těchto článků brání jejich masivnímu nasazení a elektrická energie vyrobená fotovoltaickými články není konkurence schopná. Tato situace se však může díky novým technologiím v budoucnosti změnit, což umožní větší využití slunečních článků.

   Nakonec se podívejme ještě na jednu zajímavost, tzv. sluneční baterii. Jedná se v podstatě o ukládání sluneční energie (podobně jako u fotosyntézy) v podobě energie chemické. Tyto články využívají polovodičovou desku, která je v kontaktu s elektricky vodivou kapalinou (elektrolytem, který je zde podobě jako v akumulátorech). Může to být např. vodný roztok kuchyňské soli, avšak, aby mohla sluneční energie způsobit pohyb elektronů, musí kapalina obsahovat ještě látku přenášející elektrony (např. jód). Při tomto zařízení bylo dosaženo účinnosti asi 12%. Byly použity různé polovodiče (např. arzenid galia, křemík, sulfid kadmia atd.). Zatím není známo, zda takové články mají budoucnost.

   Velmi zajímavá je také kombinace klasického slunečního kolektoru, používaného na ohřev vody a fotovoltaického panelu. Celková účinnost využití sluneční energie se tak podstatně zvýší a toto zařízení poskytuje jak teplou vodu tak i elektrickou energii.

   Poznámka:

   Zdroj: Stratis Karamanolis; Sluneční energie Východisko z ekologicko-energetické krize; překlad z něm. orig. a dodatek: L. Eckertová; vydalo: Sdružení MAC, s.r.o.