Možnosti využitia fotovoltických článkov na výrobu elektrickej energie

Fotovoltické články umožňujú premenu slnečnej energie na elektrickú. Aj keď sa na výrobu elektrickej energie vo väčšej miere zatiaľ nepoužívajú, množstvo fotovoltických článkov vyrobených vo svete neustále rastie, ako je to zobrazené na obr. 1 (1). Brzdou rozvoja je ešte stále nízka účinnosť fotovoltických článkov a ich pomerne vysoká cena.

Zo súčasného porovnania cien 1 kWh elektrickej energie vyrobenej vo fotovoltických článkoch s cenami elektrickej energie vyrobenej z iných zdrojov (grafické zobrazenie je na obr. 2) vyplýva, že elektrická energia vyrobená spaľovaním uhlia v tepelných elektrárňach je cenovo najnižšia, zatiaľ čo elektrická energia vyrobená vo fotovoltických článkoch je cenovo najvyššia.

Ekologické problémy spojené so spaľovaním fosílnych palív v spojení s prudkým rozvojom výroby fotovoltických článkov však môžu tento pomer v blízkej budúcnosti zmeniť v prospech fotovoltiky.

Princíp fotovoltiky

Fotovoltické články sú zariadenia, v ktorých sa na princípe vnútorného fotoelektrického javu mení energia slnečného žiarenia priamo na elektrickú energiu. Vnútorným fotoelektrickým javom sa síce zvýši vodivosť polovodiča, ale nikdy sa nevytvorí potenciálový rozdiel. Ten vznikne buď nerovnomerným osvetlením polovodiča, alebo vytvorením článku tak, že spojíme dva polovodiče s rôznym typom vodivosti alebo polovodič s kovom.

V praxi sa najčastejšie používajú fotovoltické články s homoprechodom N/P na báze monokryštalického kremíka. Procesy, ktoré v takomto článku prebiehajú pri jeho osvetlení, sú schematicky znázornené na obr. 3.

Obr. 3 Procesy prebiehajúce pri osvetlení fotovoltického článku na báze monokryštalického kremíka (2, 3)

Na získanie vyššieho napätia alebo prúdu s vyššou intenzitou sa fotovoltické články spájajú do tzv. fotovoltických panelov alebo solárnych modulov. Sériovým zapojením fotovoltických článkov do fotovoltických panelov sa zvyšuje napätie, pričom všetkými fotovoltickými článkami prechádza rovnaký prúd. Ak však slnečné žiarenie nedopadá na všetky články rovnomerne, tieto články produkujú prúdy s rôznou intenzitou. To znamená, že celý panel bude dodávať len taký prúd, aký produkuje najhoršie osvetlený fotovoltický článok (2, 3).

Materiály na výrobu fotovoltických článkov

Prehľad najpoužívanejších polovodičových materiálov na výrobu fotovoltických článkov vo svete v roku 1992 je graficky zobrazený na obr. 4 (4). Z tohto prehľadu vyplýva, že najpoužívanejším materiálom na výrobu fotovoltických článkov v tom čase boli (a naďalej sú) monokryštály kremíka, ktoré sa vyrábajú z vyrafinovaného kremíka s čistotou 99,999 % kremíka (Si). Účinnosť monokryštalických kremíkových článkov dosahuje 16 % (v laboratórnych podmienkach až 24 %). Výroba fotovoltických článkov z monokryštálov kremíka je však drahá a energeticky náročná, a tak sa vývoj zameral na lacnejšie technológie. Fotovoltické kremíkové články vyrobené z polykryštalického kremíka majú nižšiu účinnosť premeny slnečnej energie na elektrickú ako fotovoltické články vyrobené z monokryštalického kremíka (o 12 až 14 %), ale ich výroba je ekonomicky menej náročná.

Medzi ďalšie typy fotovoltických článkov, ktoré sa v súčasnosti presadzujú na trhu, patria tzv. tenkovrstvové fotovoltické články vyrobené na báze amorfného kremíka. Čistý amorfný kremík je z hľadiska štruktúry na výrobu fotovoltických článkov nevhodný, a preto sa používa hydrogenizovaný amorfný kremík (a-Si : H). Výhody použitia hydrogenizovaného amorfného kremíka ako lacného materiálu pre fotovoltické články vyplývajú z jeho optoelektronických vlastností (obr. 5) (5). Šírka zakázaného pásma je asi 1,7 eV a hodnoty absorpčnej optickej konštanty vo viditeľnej časti spektra sú pre hydrogenizovaný amorfný kremík oveľa vyššie než pre monokryštalický kremík. To znamená, že vo fotovoltickom článku vyrobenom na báze hydrogenizovaného amorfného kremíka sa značná časť dopadajúceho slnečného žiarenia absorbuje už vo veľmi tenkej vrstve polovodiča, ktorá sa nanáša na lacný podklad, napr. sklo, oceľ alebo plast. Výroba takýchto fotovoltických článkov je síce lacnejšia než výroba fotovoltických článkov z monokryštalického a polykryštalického kremíka, účinnosť premeny slnečnej energie na elektrickú sa však v tomto prípade pohybuje od 3 do 7 %.

Meranie intenzity slnečného žiarenia dopadajúceho na fotovoltický panel

Na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty TU v Košiciach sa inštaloval fotovoltický panel na báze amorfného kremíka, ktorý dodáva jednosmerný prúd potrebný na elektrolýzu vody. Jeho základné technické parametre dané výrobcom sú uvedené v tab. 1. Cieľom inštalácie boli experimentálne skúšky premeny energie slnečného žiarenia na elektrickú energiu, ktorá je následne potrebná na výrobu vodíka elektrolýzou vody.

Medzi charakteristické hodnoty fotovoltického panela patrí prúd nakrátko (ISC) a napätie naprázdno (UOC). Prúd nakrátko ISC je maximálny prúd, ktorý môže fotovoltický panel pri danom ožiarení dodávať. Napätie naprázdno UOC je maximálne napätie, ktoré sa dosahuje, keď na fotovoltický panel nie je pripojený žiadny spotrebič. Z tab. 1 vyplýva, že maximálny výkon, ktorý môže fotovoltický panel dodávať, je 51 W. Tento dodávaný výkon sa však mení v závislosti od intenzity slnečného žiarenia dopadajúceho na fotovoltický panel počas dňa, pretože práve svetlom sa uvoľňujú elektróny pre elektrický prúd.

Intenzita slnečného žiarenia dopadajúceho na fotovoltický panel na báze hydrogenizovaného amorfného kremíka inštalovaný na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty TU v Košiciach sa kontinuálne meria pomocou pyranometra a namerané hodnoty sa zaznamenávajú počítačom pripojeným k dátovej zbernici systému. Na obr. 6 je znázornený príklad nameraného priebehu intenzity slnečného žiarenia G (W/m²) dopadajúceho na tento fotovoltický panel počas mesiaca august v závislosti od času. Z obr. 6 vyplýva, že intenzita dopadajúceho slnečného žiarenia sa v priebehu mesiaca mení v závislosti od počtu slnečných dní. V mesiaci august 2007 sa namerala maximálna hodnota intenzity slnečného žiarenia 820 W/m². Priame slnečné žiarenie dopadalo na fotovoltický panel len v dopoludňajších hodinách, v popoludňajších hodinách spôsoboval tieň budovy pokles intenzity slnečného žiarenia. V závislosti od intenzity slnečného žiarenia sa mení tiež výkon, ktorý môže fotovoltický panel dodávať.

Záver

Aj napriek rôznym sporným tvrdeniam o energetickej návratnosti fotovoltických článkov sa fotovoltika ako spôsob priamej premeny slnečného žiarenia na elektrickú energiu môže v súčasnosti využívať predovšetkým ako doplnkový zdroj elektrickej energie. Jednou z možností využitia takto získanej elektrickej energie je výroba vodíka elektrolýzou vody. Technológiu vodíkovej energetiky možno jednoducho aplikovať napr. v domoch a komerčných budovách s využitím fotovoltických strešných panelov. Vodík sa môže skladovať na neskoršie použitie v palivových článkoch alebo sa môže prepravovať do podzemných zásobníkov pomocou existujúcej plynovej distribučnej siete.

doc. RNDr. Alexandra Klenovčanová, PhD., Ing. Tomáš Brestovič
Foto a obrázky: archív autorky, Schüco International KG, Wagner & Co

Autori pôsobia na Katedre energetickej techniky Strojníckej fakulty TU v Košiciach.
Recenzoval: prof. Ing. Ivan Imriš, DrSc.

Literatúra:
1. Walter, G., Meyer, T., Wambach, K.: Recycling of used PV wafers by thermal Processing. In: Acta Metallurgica Sovaca, 11, 2005, str. 385 – 388.
2. Klenovčanová, A., Imriš, I.: Zdroje a premeny energie. Prešov: ManaCon, 2006.
3. Kadrnožka, J.: Energie a globální oteplování, Země v proměnách při opatřování energie. VUTIUM, Brno, 2006.
4. Cenek, M. a kol.: Obnovitelné zdroje energie.
Praha: FCC PUBLIC ,1994.
5. Fahrenbruch, A. L., Bube, R.: Fundamentals of Solar cells, Photovoltaic Solar Energy Conversion.
New York: Academic Press, 1983.