Jak fungují solární (fotovoltaické) články
Fotovoltaické články jsou nejmenší, ale nejdůležitější součástí fotovoltaické elektrárny. Jsou zodpovědné za to, že se sluneční paprsky, které na elektrárnu dopadají, přeměňují na elektrickou energii. Víte ale, jak solární články vlastně fungují?
Co se v článku dozvíte:
- Co jsou to fotovoltaické články
- Jaké druhy fotovoltaických článků známe
- Jak fungují solární články
- Jaká je účinnost solárních článků
- Jak se vyvíjely fotovoltaické články
- Jaké mají solární články využití
Co jsou to fotovoltaické články
Solární nebo také fotovoltaický článek je zařízení, které přeměňuje sluneční světlo na elektrickou energii. Sériově a paralelně zapojené solární články tvoří solární panely, tedy nejdůležitější část fotovoltaické elektrárny.
Solární články mají širokou škálu uplatnění. Mohou napájet kalkulačky nebo hodinky, ale také vytvářejí elektřinu pro celé domácnosti, firmy i obce.
Jaké druhy fotovoltaických článků známe
V současné době existuje několik druhů solárních článků, z nichž každý má své výhody i nevýhody. Představíme si ty nejčastější.
Křemíkové monokrystalické solární články
Solární články vyrobené z jediného čistého krystalu křemíku jsou nejstarším typem článků. Monokrystalický článek se vyrábí tažením monokrystalu z taveniny. Vzniká tak ingot monokrystalického křemíku ve tvaru válce.
Ingot se rozřeže na plátky ve tvaru kruhu s tloušťkou přibližně 0,15 mm. Plátky se následně ořežou na pseudočtvercový průřez, který je efektivnější při spojování článků do solárního panelů než kruh. Pokud bychom vytvářeli solární panel z kruhových plátků, mezi jednotlivými články by zbývalo zbytečně mnoho místa, a naopak jejich ořezáváním do tvaru čtverce by vznikalo příliš velké množství odpadu.
Monokrystalické články jsou nejúčinnějším typem solárních článků. Jejich výroba je ale výrazně dražší než u jiných typů článků.
Křemíkové polykrystalické solární články
Polykrystalické solární články se vyrábí lisováním a odléváním krystalů křemíku do zvolené formy. Výhodou je, že lze odlít ingoty se čtvercovým nebo obdélníkovým průřezem, které jsou při výrobě solárních panelů prostorově efektivnější.
Přítomnost více krystalů způsobuje, že jsou polykrystalické články zrnité, což vytváří větší odpor než v případě jednoho krystalu. Polykrystalické solární články mají tím pádem o něco nižší účinnost. Jejich výhodou je ovšem levnější výroba.
Solární články z amorfního křemíku
Tento typ solárních článků je vyroben z tenké vrstvy křemíku nanesené na substrát, jako je sklo, plast nebo nerez. Tento typ křemíku se označuje jako amorfní. Tvoří ho náhodně uspořádané atomy křemíku. Tato neuspořádanost ve výsledku snižuje účinnost solárních článků z amorfního křemíku.
Články z amorfního křemíku mají ovšem dvě zásadní výhody oproti mikrokrystalickým a polykrytalickým. Za prvé je jejich výroba výrazně levnější a za druhé jsou tenčí a lehčí než ty krystalické. Amorfní křemík tak najde využití tam, kde záleží zejména na hmotnosti a ohebnosti materiálu – v hodinkách, na batozích nebo při výrobě krycích fólií.
Jak fungují solární články
Fotovoltaický článek je polovodičová dioda, kterou tvoří vrstva polovodiče typu N (katoda) a vrstva polovodiče typu P (anoda), mezi nimiž vniká přechod P-N. Princip, na kterém solární článek funguje, se nazývá fotovoltaický jev.
Základem solárního článku je tenká křemíková destička. Křemík je ale sám o sobě poměrně špatným vodičem elektrického proudu. Křemíková destička se proto obohacuje o další prvky, typicky fosfor a bor.
Kombinací křemíku a fosforu získáme polovodič typu N, který má nadbytek záporně nabitých elektronů. V polovodiči typu P, který vytvoříme z křemíku a boru, bude naopak nedostatek elektronů. Místo nich se v anodě nacházejí tzv. díry, které mají kladný elektrický náboj.
Když na solární článek dopadnou fotony slunečního světla s dostatečnou energií, začnou se z polovodiče uvolňovat záporně nabité elektrony a na přechodu P-N se vytváří elektrické napětí o síle 0,5 V. Pokud připojíme vodič, vzniká proud. To, jak silný proud z fotovoltaického článku získáme, záleží na velikosti článku a technologii výroby.
Samostatný solární článek nemá prakticky žádné využití, protože jsou jeho napětí a výkon příliš malé. Proto se fotovoltaické články sério-paralelně spojují do fotovoltaických modulů (panelů), které jsou navrženy tak, aby solární články chránily před působením vnějších vlivů a zajišťovaly co nejdelší životnost.
Přečtěte si: Jaká je životnost fotovoltaických panelů?
Jaká je účinnost solárních článků
Účinnost solárního článku vyjadřuje, jak velká část slunečního světla, které článek ozařuje, se přemění na využitelnou elektrickou energii. Solární článek totiž nedokáže využít všechno sluneční záření, které na něj dopadá. Část fotonů článkem pouze projde, část se přemění na teplo a jen část fotonů se skutečně absorbuje.
Účinnost fotovoltaického článku se odvíjí od toho, z jakého materiálu a jakým způsobem je vyroben. V laboratoři, kde se výroba soustředí především na vývoj a zdokonalování nových technologií, vznikají solární články s výrazně vyšší efektivitou, než je tomu v průmyslové výrobě.
Pokud se zaměříme na fotovoltaické články z průmyslové výroby, můžeme očekávat účinnost kolem 13–15 % u polykrystalického křemíku, 14–17 % u monokrystalického a přibližně 5–7 % u amorfního. Účinnost solárních článků je předmětem mnoha výzkumů, které se neustále snaží najít nové, efektivnější materiály a technologie.
Účinnost celé fotovoltaické elektrárny závisí kromě účinnosti jednotlivých článků na celé řadě dalších faktorů, jako je počet a uspořádání článků v panelu, připojení a umístění elektrárny. Svou roli hraje také okolní teplota. Vyšší teplota panelu a okolí zmenšuje vnitřní elektrické pole solárního článku a snižuje celkovou účinnost solárního článku. Volně stojící elektrárny mají proto o něco vyšší účinnost než elektrárny na střeše domu, pod nimiž se hromadí teplo.
Jak se vyvíjely fotovoltaické články
Historie solárních článků se začala psát už v roce 1876, kdy William Grylls Adams a Richard Evans Day vůbec poprvé pozorovali fotovoltaický jev. Zjistili, že když na kousek selenu dopadne paprsek slunečního světla, vytvoří se v materiálu rozdíl elektrického potenciálu.
Trvalo ale další desítky let, než vědci začali zkoumat potenciál sluneční energie pro praktické využití. První moderní solární článek z křemíku byl vyroben ve Spojených státech amerických v roce 1954. Měl sice jen 6% účinnost při přeměně slunečního záření na elektrickou energii, ale znamenal zásadní průlom ve výzkumu fotovoltaiky.
V následujících letech se výzkum zaměřil na zlepšování efektivity solárních článků, zjednodušení výrobního procesu a snížení nákladů na jejich výrobu. Dlouhá desetiletí výzkumu solárních článků se pro zjednodušení dají rozdělit do čtyř generací.
První generace solárních článků
Do první generace patří solární články z monokrystalického křemíku. Mají vysokou efektivitu a dlouhou životnost, což z nich i v současnosti dělá nejoblíbenější variantu. Jejich nevýhodou jsou ovšem vysoké náklady na výrobu.
Druhá generace fotovoltaických článků
Úkolem druhé generace solárních článků bylo snížení nákladů tím, že se sníží množství čistého křemíku potřebné k výrobě. Výsledkem jsou tenkovrstvé články z křemíku, ale i z jiných, alternativních materiálů.
Tenkovrstvé články využívají méně materiálu, a jsou tedy levnější, ale zároveň mají nižší účinnost než články první generace.
Fotovoltaická revoluce: třetí generace solárních článků
Třetí generace výzkumu solárních článků, která v současnosti probíhá, spočívá v hledání nových materiálů a výrobních postupů, pomocí nichž by bylo možné dosáhnout vyšší účinnosti.
Mezi směry, kterými se třetí generace ubírá, patří například výroba organických solárních článků nebo vícevrstvé články, které využívají více vrstev různých materiálů k zachycení většího množství slunečního záření.
Čtvrtá generace: budoucnost solárních článků
Čtvrtá generace solárních článků je zatím pouze ve fázi vývoje. Pracuje se například na technologiích, které by využívaly solární články s kvantovými tečkami, nanostrukturované solární články nebo solární články s horkými nosiči. Cílem výzkumu je dosažení co nejvyšší účinnosti fotovoltaických článků a co nejnižších nákladů na jejich výrobu.
Jaké mají solární články využití
Solární články byly na počátku navrženy pro napájení vesmírných družic. Jak se jejich výroba zlevňovala, začaly postupně nacházet využití i v každodenním životě. Dnes je fotovoltaika nejrozšířenějším obnovitelným zdrojem energie, který šetří životní prostředí, ale také náklady domácností na eletrickou energii.
Solární články se využívají ve fotovoltaických systémech, které mohou být zcela jednoduché, ale také velmi sofistikované. Podívejme se na tři základní možnosti, jak zapojit článek do fotovoltaického systému.
Jednoduchý fotovoltaický systém
Fotovoltaický model, který vznikne spojením několika solárních článků, je možné připojit úplně jednoduše přímo ke spotřebiči. Spotřebič je v takovém systému schopný fungovat jen ve chvíli, kdy na solární článek dopadají fotony slunečního záření. Je tím pádem poměrně nepraktický. Můžete se s ním setkat u solárních kalkulaček, hraček a podobně.
Ostrovní fotovoltaický systém
Ostrovní, autonomní nebo také off-grid fotovoltaický systém se skládá z fotovoltaického modulu (panelů), střídače a akumulátoru, který je pro jeho fungování zásadní. Fotovoltaika napájí spotřebič (např. lampy, powerbanky, ale také celé domy) v době, kdy svítí slunce, a zároveň ukládá přebytky vyrobené elektřiny do akumulátoru, aby je bylo možné využít v době, kdy slunce nesvítí.
Nevýhodou off-grid systému je, že musí být stoprocentně sobestačný i během zimních měsíců, kdy sluneční záření nepokryje spotřebu elektřiny.
Fotovoltaický systém připojený k síti
Třetí variantou, která je nejčastější na rodinných i bytových domech, garážích nebo veřejných budovách, je fotovoltaický systém připojení k distribuční síti, tzv. on-grid systém. Je navržen tak, aby část (nebo všechna) vyrobené elektrické energie mohla odcházet do veřejné rozvodné sítě a aby z ní naopak spotřebiče mohly odebírat energii ve chvíli, kdy fotovoltaická elektrárna nezvládá pokrýt potřebu.
O rozdílech mezi off-grid a on-grid systémem jsme psali v článku o připojení fotovoltaiky do distribuční sítě.
