Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Elektřina ze Slunce

Fotovoltaické systémy a jejich ekonomika
Publikováno: Vesmír 79, 672, 2000/12

Ve fosilních palivech se po miliony let akumulovala energie slunečního záření. Z tohoto akumulátoru lze energii odebírat, ale nelze ho znovu nabíjet. Až se vyčerpá – stejně jako suroviny pro jadernou energetiku – budeme se muset vrátit ke každodenním přídělům, které nám, podobně jako rostlinám a zvířatům, poskytuje Slunce.

Problémy s energií
V souvislosti s rostoucím počtem obyvatelstva vzniká otázka, jak vyřešit zásobování energií a zároveň se vyvarovat negativního vlivu na životní prostředí. Nároky na energii se každoročně zvyšují o 3 % a spotřeba energie se tak každých 24 let zdvojnásobuje. Při tomto trendu hrozí v některých lokalitách brzké vyčerpání zásob energetických zdrojů. Navíc tento růst doprovázejí nežádoucí efekty, např. zvyšování koncentrace CO2 v ovzduší vznikající spalováním fosilních paliv (viz glosu, Vesmír 79, 669, 2000/12). V důsledku skleníkového efektu se pak bude atmosféra oteplovat, což povede k dalším problémům. Je proto nutné se vážně zabývat obnovitelnými (po dobu existence Slunce nevyčerpatelnými) zdroji energie, mezi nimiž zaujímá přední místo přímá přeměna energie záření na energii elektrickou prostřednictvím slunečních článků.

Výhodou slunečního záření je, že ho lze využívat téměř všude na zeměkouli a jeho zdroj – Slunce – je prakticky nevyčerpatelný. Výroba elektrické energie nezanechává zplodiny, nehrozí skleníkový efekt ani tepelné zamoření. Na druhou stranu má sluneční záření své specifické vlastnosti, k nimž patří nízká hustota zářivého toku (maximálně 1 kW/m2 na povrchu země), závislost na počasí a možnost využívání pouze v denním období, což vede k potřebě akumulace. Zářivý tok, který Slunce vysílá na celou zeměkouli (175 000 TW), převyšuje o mnoho řádů výkon všech zdrojů zásobujících obyvatelstvo Země (10–12 TW). Využívání sluneční energie se proto jeví jako velice perspektivní.

  • Sluneční články, které mění zářivý tok ze Slunce na tok elektrický, jsou vlastně velkoplošné diody z polovodičových materiálů. Samostatné články se používají pouze v drobných aplikacích, jako jsou hodinky a kalkulátory. Ve většině případů se montují do série i paralelně, aby se zvýšilo napětí i proud, a vytvářejí modul. V něm jsou před vnějšími vlivy chráněny zapouzdřením do plastického materiálu a čelním sklem. Zespodu bývá rovněž sklo nebo nějaký polymer. Moduly lze zapojit do větších celků a doplnit ochranou proti blesku a dalšími prvky, čímž vznikne fotovoltaický systém. Například nezávislost na střídání dne a noci i jiném kolísání slunečního svitu lze získat připojením akumulátoru. Při jeho dostatečné kapacitě může fotovoltaický systém poskytovat energii i několik dní, kdy je zataženo. Akumulátor nárazově dodá větší proud, než je fotovoltaický generátor schopen vyrobit, což má význam při startu motorů. Není-li modul osvětlen, nedává žádné napětí a akumulátor by se mohl vybíjet. Tomu zabrání regulátor, který odpojí spotřebiče, jestliže napětí akumulátoru klesne pod určitou mez, a postará se o jeho dobíjení. Pro síťové spotřebiče a pro dodávání energie do veřejné sítě se využívají invertory, které mění stejnosměrný proud z modulů na proud střídavý.

    Fotovoltaické systémy lze rozdělit na autonomnípřipojené na elektrorozvodnou síť. Autonomní systémy můžeme dále dělit z hlediska využívání akumulátorů a pomocných zdrojů.

    Samostatný fotovoltaický systém bez baterie se užívá tehdy, jestliže stačí, aby spotřebič pracoval pouze při osvětlení (kalkulátor, větrák nebo vodní čerpadlo).

    Samostatný fotovoltaický systém s baterií je často využívaný typ, vhodný pro veřejné osvětlení, signalizační a telekomunikační zařízení, zdravotnické účely, monitorovací zařízení, elektrifikaci chat apod. Vyplatí se tam, kde je vzdálenost od přípojky elektrozvodné sítě větší než 0,5 km a kde jde o malou spotřebu, tj. menší než 5 kWh za den při celoročním provozu (viz rámeček 1).

    Fotovoltaické systémy pracují spolehlivě i v zimě při velkých mrazech. V Kanadě napájejí např. monitorovací zařízení, která sledují funkci plynových vrtů. Výkon modulu je 165 Wp, 12V baterie má kapacitu 740 Ah a životnost 8–10 roků. Celé zařízení má denní spotřebu 264 Wh a stojí 3500 amerických dolarů. V oblasti, kde neexistuje elektrorozvodná síť, je tento způsob řešení levnější a bezpečnější než provoz elektrocentrály, respektive termoelektrického generátoru.

    Jak již bylo naznačeno, o ekonomičnosti samostatného fotovoltaického systému značnou měrou rozhoduje i vzdálenost od elektrorozvodné sítě. Budování nadzemní přípojky ve státech EU stojí 9 až 13 E na metr při vzdálenostech do 500 m a 8 až 8,5 E na metr, jde-li o delší trasy. U nás se tyto náklady odhadují na 150 až 300 Kč/m.

    Celoročně provozovaný fotovoltaický systém musí být navržen tak, aby v době nejmenšího slunečního svitu (v ČR v prosinci a lednu asi 0,7 kWh /m2/den) dodával dostatek energie. Následkem toho vlastně vzniká v ostatních měsících přebytek energie a systém se jeví jako předimenzovaný, tudíž drahý. Jestliže existuje zdroj, který může energii v kritických obdobích doplnit, lze snížit investice do elektrárny a vytvořit hybridní systém. Doplňkovým zdrojem může být např. elektrárna vodní, větrná nebo nejčastěji elektrocentrála s dieslovým motorem.

  • Fotovoltaické elektrárny připojené na síť. V oblastech s hustým osídlením a v dosahu elektrického rozvodu lze využívat pro instalaci fotovoltaických systémů střechy a fasády budov (obr. 8). Sluneční elektrárny, obvykle o výkonu 1–5 kW, mění pomocí invertorů stejnosměrný proud na střídavý. Pokud tento proud není spotřebován v místních spotřebičích, odvádí se do veřejné sítě. Při nedostatku proudí elektrická energie opačným směrem, takže elektrorozvodná síť vlastně nahrazuje akumulátor. K uvedenému účelu lze využít asi 20 % kapacity sítě. V Evropě (ve Finsku, Holandsku, SRN, Rakousku aj.) je již instalováno několik tisíc elektráren tohoto typu a od r. 1997 má Evropská unie a USA v plánu výstavbu asi milionu dalších. Potenciální možnosti výroby elektřiny tímto způsobem jsou značné. Podle EUREC Agency by využitím všech vhodných střech v Evropě bylo možno získat elektrárny o špičkovém výkonu 600 GWp, které by vyrobily ročně 500 TWh elektrické energie. Tato hodnota je srovnatelná se současnou spotřebou SRN. Kromě těchto malých elektráren jsou v provozu i střední a velké elektrárny s výkonem až do několika MW, které již mají většinou moduly umístěné na samostatných konstrukcích. Pro tento účel se využívají také protihlukové zábrany na dálnicích.

    Značnou roli v ceně vyrobené energie hraje materiál, z nějž jsou články vyráběny, a zvolená technologie (viz rámeček 3). Využití tenkých vrstev v technologii znamená značnou úsporu materiálu. Z výrobní linky nevycházejí jednotlivé články, nýbrž již celé moduly, takže odpadá nutnost spojování jednotlivých elementů a lépe se využije plocha modulu. Nevýhodou je, že nelze do modulu vybírat články tak, aby měly podobnou charakteristiku. Jestliže se má zabránit snížení účinnosti, musí být nanášené vrstvy dostatečně homogenní.

    Snížení ceny článků pod kritickou mez (za niž se považuje hodnota kolem 1 E/Wp a která znamená dosažení konkurenceschopnosti s klasickými zdroji elektřiny) lze dosáhnout i bez technologického rozvoje, a to využitím ekonomických zákonitostí zvýšením výroby. K tomu by bylo potřeba rozšířit objem výroby tenkovrstvých článků alespoň na 60 MWp a článků z monokrystalického křemíku na 500 MWp ročně.

    Cena energie z fotovoltaických elektráren nemůže zatím konkurovat elektřině vyráběné klasicky (viz obr. 9 a tab. IV), pokud je odběr v dosahu elektrorozvodné sítě. Její cena však neustále klesá, takže v několika desetiletích se dá předpokládat, že se stane konkurenceschopnou. Již dnes existují případy, kdy využití fotovoltaiky znamená úspory. Důležitá je rovněž spolehlivost fotovoltaických elektráren, jednoduchost obsluhy a nenáročnost na údržbu. Jsou proto velice vhodné pro elektrifikaci v rozvojových zemích, kde dosud dvě miliardy lidí nemohou elektřinu využívat. V Evropské unii se obnovitelné zdroje energie podílejí 10 % na celkové produkci, v roce 2010 to má být již 15 %. Předpokládaný intenzivní rozvoj nových technologií přinese mimo jiné i nové pracovní příležitosti.

    Potenciál fotovoltaiky je značný. Abychom však mohli zcela nahradit klasickou výrobu elektřiny fotovoltaickými zdroji, museli bychom vytvořit síť elektráren po celé zeměkouli a transportem na velké vzdálenosti zásobovat energií ty oblasti, které právě nejsou osvětleny. Tak by bylo možno se vyhnout největšímu problému fotovoltaiky, jímž je akumulace energie.

Literatura

1. The Future for Renewable Energy, 1996 EUREC Agency, James&James, London 1997
2. Fotovoltaika 98, 1. česká a slovenská konference a výstava o fotovoltaické přeměně slunečního záření, 16.–17. prosince 1998, Valašské Meziříčí
3. A Thermie Program Action: Photovoltaic Technologies and their Future Potential. EAB Energie-Anlagen Berlin GmbH 1993
4. P. A. Basore, J. M. Gee: Crystalline-silicon photovoltaics: necessary and sufficient. First World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion; Dec. 5–9, 1994; Hawaii, s. 2254
5. Photovoltaics in cold climates, M. Ross and J. Royer editors. James&James, London 1999

1. ZDROJE PRO MALOU SPOTŘEBU

Jako příklad uvedeme podrobnější údaje o energetické bilanci zdroje, který zajišťuje osvětlení autobusové čekárny v Götenburgu ve Švédsku: fotovoltaický generátor o výkonu 50 W doplněný akumulátorem 12 V, 50 Ah napájí 11W zářivku. Tento zdroj, který je zcela autonomní, kryje denní spotřebu 20 Wh. Cena zařízení je 1300 amerických dolarů.

Na chatě často stačí příkon 100 W pro zářivkové osvětlení a televizor při denní spotřebě 200 Wh. Pro tento účel potřebujeme fotovoltaický systém s moduly o ploše 1 m2 (cena v tuzemsku 22 000 Kč), solární regulátor (2500 Kč) nebo invertor (3500 Kč). Dva 12V akumulátory o kapacitě 100 Ah (celkem 7200 Kč) dokážou zálohovat 3 dny bez slunečního svitu. Životnost systému (kromě baterií) je 20 let. Systém lze provozovat denně v letních měsících nebo od dubna do září 2 dny v týdnu, popřípadě v zimě 1krát měsíčně. V posledních dvou případech postačí 1 akumulátor a 0,5 m2 modulů. V Kanadě a ve Skandinávii se chaty využívají hlavně v létě a tento způsob elektrifikace je tam populární; např. v Norsku mají 60 000 chat s fotovoltaickými generátory.

J. T.

2. VÝKON A ÚČINNOST

Každý polovodič je charakterizován tzv. šířkou zakázaného pásu Eg. Můžeme ji zde chápat jako minimální energii potřebnou pro vytvoření páru volných nábojů. Při absorpci fotonů s energií větší nebo rovnou Eg vznikají záporné elektrony a kladně nabité díry. Tyto náboje jsou potom oddělovány elektrickým polem přechodu P-N (nebo usměrňujícího kontaktu kov-polovodič), takže na kovových elektrodách diody vzniká napětí a je-li zapojen vnější obvod, protéká jím proud (viz obr. ). Čím je Eg menší, tím více fotonů ze slunečního spektra se absorbuje, a tudíž se generuje větší proud. Na druhé straně s klesajícím Eg klesá i napětí, které vzniká na elektrodách (toto napětí nemůže překročit velikost Eg). Z toho vyplývá, že existuje určitá optimální velikost šířky zakázaného pásu, pro kterou dostáváme největší součin napětí a proudu, tedy nejvyšší výkon a také účinnost. Teoretická závislost účinnosti na šířce zakázaného pásu je znázorněna na obrázku. Proud obvodem závisí na velikosti zátěže. Součin napětí a proudu (odevzdávaný výkon) dosahuje v určitém bodě maximální hodnoty. Je důležité, aby tento bod byl zároveň pracovním bodem článku. Protože se zatěžovací křivky mění s teplotou i osvětlením, zařazuje se do zátěže elektronický obvod zajišťující tuto podmínku. Výkon, který článek produkuje, jestliže na něj dopadá zářivý tok o hustotě 1 kW/m2, je špičkový výkon (Wp). Tohoto výkonu se dosahuje pouze kolem poledne, v době maximálního slunečního svitu. Různé články se porovnávají podle ceny připadající na jednotku 1 Wp (viz tab. I a tab. II). Například pro běžné články z monokrystalického křemíku se uvádí cena 4 USD/Wp.

J. T.

3. MATERIÁLY NA SLUNEČNÍ ČLÁNKY

Nejčastěji používaným materiálem je krystalický (monokrystalický a polykrystalický) křemík. V zemské kůře se vyskytuje v dostatečném množství a jeho technologie je dobře zvládnuta, protože se využívá ješte v elektronice a v metalurgii. Není toxický, články se vyznačují vysokou účinností, stabilitou a životností 20-30 let. Nevýhodou je nízká absorpce slunečního záření, kvůli které se pro přípravu článku musí používat poměrně tlusté destičky (kolem 300 m). Zvětšuje se tak spotřeba materiálu, a tím i cena. V laboratorních podmínkách byly již vyrobeny cely s účinností 24 % (maximální teoreticky dosažitelná hodnota pro křemík je 26 %), běžná účinnost komerčních cel je 15-17 %. Cena modulu z monokrystalického křemíku je přibližně 4 USD/Wp. Dosažení ceny 1,7 USD/Wp by umožnilo ekonomickou výrobu elektřiny v malých (1-5kWp) fotovoltaických elektrárnách připojených na síť. Snížení ceny by mohlo přinést používání tenčích křemíkových destiček (170-200 μm) a zlevňování technologického procesu přípravy článku.

Hydrogenizovaný amorfní křemík (a-Si:H) vzniká rozkladem silanu (SiH4) v doutnavém výboji. Na podložce se při tom usazují vrstvy o tloušťce jen několika μm. Mají však velký optický absorpční koeficient, takže k výrobě článku to stačí. Nevýhodou je složitost přípravy, vyžadující vakuové zařízení a vysokou čistotu výchozích látek. Je nutno pracovat s toxickými materiály. Amorfní křemík vystavený slunečnímu záření degraduje. Teprve asi po roce se účinnost článku stabilizuje a dosahuje hodnoty 5-6 %.

Tenké vrstvy CdTe se využívají pro přípravu heterogenních přechodů CdTe/CdS. Oproti článkům z amorfního křemíku se články CdTe/CdS vyznačují vysokou stabilitou a účinností přes 15 %. Spotřeba materiálu je rovněž malá (tloušťka článku je asi 2 m) a článek lze připravit i velmi jednoduchou technologií, nenáročnou na drahé aparatury. Pokud jsou články zapouzdřené, nevadí jedovatost kadmia, nedostatkem však jsou malé zásoby teluru v zemské kůře.

Tenké vrstvy Cu(Ga,In)(S,Se2). Články na bázi těchto vrstev jsou v posledním desetiletí předmětem intenzivního výzkumu. Dosahují účinnosti 15 %, nejvyšší publikovaná účinnost je 17 %. Jde o materiál s nízkou toxicitou. Stejně jako v případě CdTe/CdS jde o články levné, jejichž příprava je energeticky nenáročná.

Pro úplnost je třeba se ještě zmínit o monokrystalických článcích GaAs, které se hodí spíše jako sluneční články pro speciální účely (např. v kosmu). Technologie GaAs je dobře zvládnuta vzhledem k tomu, že se využívá pro luminiscenční diody a polovodičové lasery. Protože má šířku zakázaného pásu blízkou optimální hodnotě, dosahuje se s ním vysokých účinností. Je odolnější proti radiačnímu poškození než křemík a lze s ním pracovat v koncentrovaném slunečním světle, protože dobře snáší zvýšenou teplotu. Nevýhodou je však vysoká cena.

J. T.

Soubory

Článek ve formátu PDF: 2000_V670-675.pdf (605 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky