Obnovitelné zdroje energie - fotovoltaika Ing. Miroslav Richter, Ph.D., EUR ING

Historie Fotovoltaický jev byl objeven v roce 1839 francouzským fyzikem Alexandrem Becquerelem. První fotovoltaický článek byl sestrojen až v roce 1883 Charlesem Frittsem – polovodivý selen pokryl velmi tenkou vrstvou zlata. Účinnost byla cca 1 %. Albert Einstein obdržel v roce 1921 Nobelovu cenu za teoretické vysvětlení fotoelektrického jevu a práce v oblasti teoretické fyziky. V roce 1946 si nechal Russel Ohl patentovat konstrukci solárního článku. Solární články stávající konstrukce byly vyvinuty v roce 1954 v Bell Laboratories. Začátkem 70. let 20. st. se fotovoltaické články dostaly z téměř výhradního užití v kosmické technice do širšího praktického použití – na bóje a majáky, do kapesních kalkulaček aj. aplikací. Po roce 2000 začala ve světě rozsáhlá výstavba fotovoltaických elektráren.

Výrobní technologie fotovoltaických článků Technologie tlustých vrstev - článek je tvořen velkoplošnou polovodičovou p-n diodou. Jsou vyráběny z křemíkových plátků z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku. Nyní se touto technologií vyrábí více než 85% solárních článků na trhu. Dosahovaná účinnost je cca 15 %. Technologie tenkých vrstev - článek je tvořen nosnou plochou (sklem, textilií, plastovou fólií aj.) s napařenou velmi tenkou vrstvou amorfního nebo mikrokrystalického křemíku. Množství materiálu použitého pro výrobu tenkovrstvého fotovoltaického článku je nižší, než u tlustých vrstev, články jsou lacinější. Nevýhodou současných tenkovrstvých fotovoltaických článků je účinnost do 10 % a kratší životnost.

Nekřemíkové technologie (ve stádiu výzkumu) pro konverzi světla na elektrickou energii nepoužívají tradiční P-N polovodičový přechod, ale různé organické polymerní sloučeniny. vzhledem k předpokládanému využití by byla jejich výrobní cena podstatně nižší, než je v současnosti. v listopadu 2005 se podařilo výzkumné skupině na University of California v Los Angeles dosáhnout zatím maximální účinnosti 4,4%.

Účinnost fotoelektrických článků Zářivý výkon celého Slunce je 3,85·1023 kW. Z tohoto výkonu se vyzáří směrem k Zemi výkon 1,744·1014 kW na ozářenou polokouli Země. Energetická hustota sl. záření u Země je ve vakuu 1,37 kW·m-2 Při průchodu atmosférou se hustota energie slunečního záření snižuje - asi 300 W·m-2 se v atmosféře absorbuje, kolem 100 W·m-2 se rozptýlí - přispívá k celkovému osvětlení jako difuzní záření oblohy. Účinnost solárních článků se měří při definovaném osvětlení AM 1.5 - energetická hustota tohoto spektra je 1 kW·m-2. Vždy silně závisí na průhlednosti atmosféry. Část energie fotonů se mění v teplo. Ve fotovoltaickém článku lze na elektřinu přeměnit teoreticky maximálně 50 % dopadající energie záření. u průmyslově vyráběných článků vyrobených technologií tlustých vrstev je dosahováno účinnosti asi 15 %. Laboratorně bylo dosaženo účinnosti až 30 %. U tenkovrstvých článků je dosahována účinnost 8-9 %, časem se však snižuje mnohem rychleji, než u tlustovrstvých článků. V roce 2006 byly představeny v USA nové články využívající trojnásobné přechody s efektivitou až 40,7 %.

Výkon fotovoltaického článku Výkon fotovoltaických článků a panelů se udává v jednotkách Wp (watt peak - špičková hodnota). Výkon silně závisí na osvětlení a úhlu dopadajícího světla, proto se výkon článků měří při definovaných podmínkách. Je uvažována výkonová hustota slunečního záření 1,0 kW·m-2. Optimální teplota solárního článku je 250 C. Výkon s rostoucí teplotou klesá. V praxi bývá většinu doby výkon článku nižší, protože článek není natočen přesně na Slunce a světlo prochází v závislosti na denní době různě silnou vrstvou atmosféry. Množství dopadajícího slunečního záření je silně závislé na vlhkosti vzduchu a oblačnosti.

Výroba solárních článků Velká část dnes používaných článků je vyráběna z monokrystalického, případně i polykrystalického křemíku. Monokrystalické či polykrystalické křemíkové ingoty se vyrábějí se čtvercovým průřezem, který je vhodný pro výrobu solárních článků (ingoty původně kruhového průřezu jsou řezány na hranoly). Ingoty se řežou na tenké destičky o síle maximálně 1/3 mm. Na destičkách se vytvoří leptáním textura, která povrch destičky zmatní, aby lépe pohlcovala záření. Křemík destičky je pak na protilehlých stranách povrchu dopována fosforem (nebo arzénem) a bórem. Tímto je vytvořen polovodivý P-N přechod. Vybaví se antireflexní vrstvou nitridu - článek získá tmavě modrou barvu. Vodivou pastou se sítotiskem je zhotovena metalizace na zadní i přední straně destičky. Poté je článek vypálen – sintrován. Tak je vytvořeno vodivé propojení metalizace s křemíkem.

Jsou-li na obě strany článku připojeny elektrody, je indikováno napětí 0,5 V. 1 cm2 fotočlánku poskytuje stř.výkon okolo 12 mW. Jeden metr čtvereční slunečních článků v mírném pásmu za ideálních podmínek (jasno, letní poledne) poskytuje výkon až 150 W stejnosměrného proudu. Sluneční články se zapojují seriově (za sebou), aby bylo dosaženo žádaného napětí a paralelně (vedle sebe), aby byl získán větší proud. Sluneční panel je tvořen propojením až několika set článků vedle sebe a za sebou. V měniči je stejnosměrný proud přeměněn na střídavý a je veden do trafostanice. Základní rozměr panelů je volen cca 2 x 2 m s ohledem na hmotnost a možnosti manipulace během instalace nebo oprav.

Solární článek vyrobený z monokrystalického křemíkového plátku o síle 1/3 mm

Koncentrátorové články Pro lepší využití drahých solárních článků, je možné použití odrazných ploch - zrcadel nebo čoček. Ty koncentrují sluneční záření na solární článek a umožňují dlouhodobě ozařovat článek násobně vyššími intenzitami záření než 1,0 kW·m-2 - max. hodnota dosažitelná pro konvenční články. Pro práci takového systému je potřeba solární panel instalovat do zařízení pro sledování pohybu slunce – tracker. Koncentrátorové články je vždy nutné chladit! Jsou uzpůsobeny vyššímu proudovému zatížení jinak řešenou metalizací.

Fotovoltaickou elektrárnu tvoří soubory: solárních panelů, měničů (střídačů), trackerů, trafostanice, kabelové rozvody, systémy měření regulace a řízení s elektroměry. Dohromady umožňují provoz: - nezávislý - ostrovní, - s připojením na rozvodnou síť.

Měnič 12V / 230V 50Hz s modifikovanou sinusovkou

Problémy fotovoltaických elektráren v ČR plynou z ideálních podmínek pro stavbu FVE velkých výkonů: Byl zvolen extrémně vysoký „zelený bonus“ na výkup elektřiny – téměř 12,- Kč/kWh. Pro investory je nejvýhodnější v Evropě! Smluvně je garantován výkup elektřiny na 20 let. Rychle klesají investiční náklady – důvodem je stále lépe zvládnutá výrobní technologie, hromadná výroba a její částečné přenesení do Číny. Zisk z prodeje elektřiny je násobkem zemědělské produkce, proto byly uzavřeny dlouhodobé pronájmy se záborem zemědělské půdy. FVE je nestabilním zdrojem pro výrobu elektřiny, silně závislým na denní době, počasí a ročním období. 100 %-ní zálohování výrobní kapacity. Nyní je instalovaný výkon FVE téměř 2000 MW, ale chybí regulační výkon v rozvodné síti. Rozmístění FVE na území státu vždy nekoresponduje s přenosovými kapacitami rozvodné sítě.

Zálohové zdroje výroby elektřiny: vodní elektrárny (vltavská kaskáda – např. Orlík je na výkonu za 2 min.), přečerpávací elektrárny (Dlouhé stráně za 100 s., Dalešice a Štěchovice podobně v min.), paroplynové elektrárny (Vřesová, Trmice – desítky minut), parní elektrárny v tzv. „teplé záloze“ (hodiny).

Jeseníky, Dlouhé stráně – 2 x 325 MW

Rizika v přenosové soustavě: běžné poruchy a atmosférické jevy (vichřice, námraza aj.) vyvolávají přechodné vyřazení některé trasy z provozu, přetížení vnitrostátní sítě při změnách intenzity slunečního svitu nebo síly větru, přetížení mezinárodních přenosových linek (black out), nedostatečný regulační výkon v síti: – vynucuje si odpojování OZE elektřiny, - vyvolává potřebu výstavby zálohových zdrojů elektřiny.

Solární fotovoltaická elektrárna - Španělsko

Původní představa EU….

Sluneční elektrárny a budoucnost Na Zemi je asi 22 milionů km2 pouští, které nelze využít ani v zemědělství, ani k chovu dobytka (Sahara, Kalahari, Gobi, Atakama). Jejich obrovské rozlohy však mohou být alespoň zčásti využity k přeměně sluneční energie na elektřinu a ta i k rozkladu vody na vodík a kyslík. Pro Evropu je nejblíže Sahara, která má rozlohu 7 milionů km2. Jednoduchý výpočet ukáže, že jen z jedné desetiny Sahary by dnešní technikou slunečních elektráren bylo možné získat asi 50 TW, což je 5krát více, než lidstvo potřebuje. Elektrická energie ze solárních článků ze Sahary by se do Evropy mohla rozvádět přes Gibraltar. Jinou možností je využívat sluneční energii k rozkladu vody a vodík pak do Evropy dopravovat potrubím nebo ve velkých tankerech podobně jako zemní plyn.

Nejmodernější solární elektrárna na světě: Španělsko - Andasol Solární elektrárna Andasol je nejmodernější solární elektrárnou současného světa. Přestože se tento nový typ solární elektrárny částečně dokáže vypořádat s nedostatkem slunečního záření, stále existují nemalé překážky jejího efektivního využití. Nejmodernější solární elektrárna dneška v podstatě funguje jako parní elektrárna. Jednou z jejích velkých nevýhod je vysoká spotřeba chladící vody a zastavěná plocha 200 ha. Abychom získali výkon JETE, tj. 2000 MW, museli bychom postavit 40 solárních elektráren typu Andasol…

Španělsko – Andasol – 50 MW

Děkuji Vám za pozornost ! Skutečně mohou solární elektrárny nahradit jadernou energii a fosilní paliva již při stávající spotřebě elektřiny ? Děkuji Vám za pozornost !