Fotovoltaika

Tento článek není dostatečně ozdrojován a může tedy obsahovat informace, které je třeba ověřit.
Jste-li s popisovaným předmětem seznámeni, pomozte doložit uvedená tvrzení doplněním referencí na věrohodné zdroje.

Solární elektrárna Nellis na letecké základně Nellis v USA. Tento fotovoltaický systém sleduje pohyb Slunce po obloze

Solární elektrárna v České Skalici o výkonu 2800 kW ve špičce

Fotovoltaika je metoda přímé přeměny slunečního záření na elektřinu (stejnosměrný proud) s využitím fotoelektrického jevu na velkoplošných polovodičových fotodiodách. Jednotlivé diody se nazývají fotovoltaické články a jsou obvykle spojovány do větších celků - fotovoltaických panelů. Samotné články jsou dvojího typu - krystalické nebo tenkovrstvé. Krystalické články jsou vytvořeny na tenkých deskách polovodičového materiálu, tenkovrstvé články jsou přímo nanášeny na sklo nebo jinou podložku. V krystalických technologiích převažuje křemík, a to monokrystalický nebo multikrystalický, jiné materiály jsou používány pouze ve speciálních aplikacích. Tenkovrstvých technologií je celá řada, například amorfní křemík a mikrokrystalický křemík, jejichž kombinace se nazývá tandem, dále telurid kadmia a CIGS sloučeniny. Díky rostoucímu zájmu o obnovitelné zdroje energie se výroba fotovoltaických panelů a systémů v poslední době značně zdokonalila.

Podstata

Fotovoltaické články převádějí sluneční záření přímo na elektrický proud

Fotony slunečního záření dopadají na přechod P-N a svou energií vyrážejí elektrony z valenčního pásu do pásu vodivostního (uvolňují je z pevných vazeb na atomy krystalové mřížky). Takto vzniklé volné elektrony se pomocí elektrod odvedou u nejjednodušších systémů přímo ke spotřebiči, případně do akumulátoru. Pro napájení běžných domácích elektrospotřebičů na střídavý proud je nutno doplnit střídač, který energii převede na střídavé napětí o velikosti a frekvenci shodné s distribuční soustavou.

V nejjednodušším solárním článku jsou vytvořeny dvě vrstvy s rozdílným typem vodivosti. V jedné z vrstev - materiál typu N - převažují negativně nabité elektrony, kdežto v druhé vrstvě - materiál typu P - převažují "díry", které se dají popsat jako prázdná místa, která snadno akceptují elektrony. V místě, kde se tyto dvě vrstvy setkávají - P-N přechod - dojde ke spárování elektronů s děrami čímž se vytvoří elektrické pole, které zabrání dalším elektronům v pohybu z N-vrstvy do P-vrstvy.

Za normálních okolností jsou elektrony v polovodičovém materiálu pevně vázány k atomům krystalové mřížky, materiál je nevodivý. Například každý atom křemíku má čtyři valenční elektrony. Přidáním velmi malého množství prvku s větším počtem valenčních elektronů (donor) se vytvoří oblast s vodivostí typu N, v níž se vyskytují volné elektrony, které mohou přenášet elektrický náboj. Naopak příměs prvku s menším počtem elektronů vytvoří oblast s vodivostí typu P, v níž se krystalovou mřížkou pohybují "díry" - místa, kde chybí elektron. Při zachycení fotonu o dostatečné energii (odpovídající vlnové délce) v polovodičovém materiálu vznikne jeden pár elektron-díra. Je-li vnější obvod uzavřen, pohybují se tyto nositele náboje opačným směrem, elektrony k záporné elektrodě, díry ke kladné.

Solární články vyžadují ochranu před vlivy prostředí, proto se umísťují mezi ochranné vrstvy, obvykle sklo a plastovou fólii, ale používají se i dvě skla nebo jiné kombinace materiálů. Protože napětí jednoho článku je nízké, propojují se články sériově do větších panelů. Jeden solární panel poskytuje dostatek energie (do cca 300 W) pro napájení jednoduchých zařízení jako je rozhlasový přijímač. Pro napájení větších spotřebičů nebo v případě fotovoltaických elektráren jsou jednotlivé solární panely propojeny do větších systémů.

Moderní technologie

Fotovoltaický systém 'tree' ve Štýrsku, Rakousko

V současné době se vyvíjí takzvaná třetí generace fotovoltaiky. Nosnou myšlenkou této generace fotovoltaiky je zvýšení účinnosti za použití tenkovrstvých technologií, pokud možno při použití netoxických, hojně se vyskytujících materiálů. Zvýšení účinnosti lze dosáhnout obejitím Shockleyova-Queisserova limitu pro fotovoltaický článek s jedním polovodičovým přechodem použitím struktur s větším počtem P-N přechodů. Teoreticky byly navrženy i jiné principy, dosud se však nepodařilo je experimentálně ověřit. Shockleyův-Queisserův limit definuje maximální účinnost fotovoltaického článku s jedním P-N přechodem. Další možností, jak zvýšit účinnost fotovoltaického článku je modifikace spektra záření dopadajícího na P-N přechod konverzí vysokoenergetických fotonů nebo nízko-energetických fotonů na fotony o energii, která nejlépe odpovídá fyzikálním vlastnostem P-N přechodu.

Každý z výše uvedených přístupů má své výhody a nevýhody a nacházejí se v různých stupních vývoje.

Vývoj

Dějiny fotovoltaiky

Fotoelektrický jev byl objeven v roce 1839 francouzským fyzikem Alexandrem Edmondem Becquerelem. V roce 1876 objevili stejný efekt pro selenové krystaly pánové William G. Adams a Richard E. Day. V roce 1905 se Albertu Einsteinovi podařilo fotoelektrický jev vysvětlit, za což získal v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku. Po mnoha letech (během nichž bylo učiněno mnoho vynálezů a objevů) se v roce 1954 povedlo pánům Drylovi Chapinovi, Calvinu Fullerovi a Geraldu Pearsonovi vyvinout první článek s účinností vyšší než čtyři procenta. Fotovoltaické články našly první praktické použití koncem padesátých let pro napájení satelitů. První družice napájená solárními panely se jmenovala Vanguard I. Tato družice byla vypuštěna na oběžnou dráhu 17. března 1958. Díky poptávce leteckého průmyslu během šedesátých a sedmdesátých let minulého století došlo k významnému pokroku ve vývoji těchto technologií.

Díky energetické krizi v sedmdesátých letech a zvýšeného povědomí o životním prostředí se alternativní zdroje energie staly politicky zajímavými. Došlo k úpravě zákonů a vytvoření programů na podporu fotovoltaiky. Lídry jsou v této oblasti jsou zejména Německo, USA a Japonsko.

Současnost

Sluneční záření v České republice (uvedená jednotka kWh/m² je ovšem omyl, správně má být kW/m², což je jednotka intenzity záření)

Výroba elektřiny ze slunečního záření se od roku 2002 zdvojnásobuje každé dva roky, tempem 48% za rok čímž se stává nejrychleji se rozvíjející technologií na výrobu energie . Do konce roku 2008 bylo celosvětově nainstalováno 15000 MW . Přibližně 90% této kapacity je připojeno na síť .

V roce 2007 bylo na celém světě nainstalováno 2,826 gigawattů špičkových (GWp) a v roce 2008 již celosvětová instalace činila 5,95 gigawatů špičkových (GWp) což je nárůst o 110%. Většina těchto instalací (89%) je nainstalována ve třech zemích - Německo, Japonsko a Spojené státy. Indie schválila ambiciózní solární program výstavby solárních zařízení o výkonu 200 gigawattů do roku 2050, zhruba o třetinu více než byla celková indická energetická výrobní kapacita v roce 2009.

Podle organizace Navigant Consulting and Electronic Trend Publications se předpokládá, že v roce 2012 bude celosvětová instalace těchto systémů 18.8 gigawattů špičkových (GWp).^[zdroj?]

Jakkoliv se tato čísla zdají neuvěřitelná tak ve srovnání s ostatními zdroji energie jsou zatím naprosto zanedbatelná (Podíl geotermálních / solárních / větrných zdrojů dohromady činil 0,6% v roce 2006).

Cena fotovoltaiky se díky neustálému vývoji technologií a masivní výrobě neustále snižuje. Díky finančním pobídkám, dotacím a výhodným tarifním podmínkám pro energii z fotovoltaiky dochází v mnoha zemích k prudkému nárůstu instalací.

V České republice byla v roce 2006 nastavena výkupní cena elektřiny z fotovoltaických elektráren nastavena zcela jinak, než tomu bylo v té době v Německu. Energetický regulační úřad stanovil výkupní cenu shodně pro malé systémy na střechách i pro velké elektrárny na zemi. V Německu měly střešní systémy ve srovnání s Českou republikou výkupní cenu vyšší, zatímco pozemní instalace výrazně nižší. Vzhledem k vývoji kurzu koruny a výkupních cen v Německu se situace pro střešní systémy v roce 2007 vyrovnala, pro pozemní instalace se v České republice stala ještě výhodnější. Posílení koruny v roce 2008 a propad cen panelů v roce 2009 vyžadovaly rychlou reakci. Německý parlament (Bundestag) schválil snížení výkupních cen od poloviny roku 2010. Česká vláda sice již koncem srpna 2009 oznámila záměr snížit od výkupní ceny k 1. 1. 2010, příprava návrhu novely a následné schvalování v Poslanecké sněmovně se však protáhlo až do roku 2010 a platnost novely byla posunuta až na 1. 1. 2011. Díky tomu zůstaly výkupní ceny pro rok 2010 extrémně výhodné, což vedlo k boomu výstavby slunečních elektráren. Pod údajnou hrozbou skokového nárůstu ceny elektrické energie vláda navrhla a Parlament schválil další dvě novely zákonů, jejichž deklarovaným cílem bylo omezení rozvoje fotovoltaiky a snížení dopadu na koncové odběratele. Obě novely však byly zbytečné, fotovoltaické elektrárny, které nezískaly povolení pro připojení k síti před únorem 2010, připojit nelze a snížená výkupní cena pro rok 2011 odradila i ty, kteří povolení získali, ale nestihli by postavit v roce 2010. Jedna z novel kromě toho již míří k Ústavnímu soudu, návrh na zrušení podali senátoři, kteří ji na podzim schvalovali.

Avšak i v jiných zemích došlo k problému s dotacemi.

Výhody

• Množství sluneční energie dopadající na zemský povrch je tak obrovské, že by současnou spotřebu pokrylo 6000 krát - na zemský povrch dopadá 89 petawatů přičemž naše spotřeba činí 15 terawatů.. Solární energie má také nejvyšší hustotu výkonu (celosvětový průměr je 170 W/m²) ze všech známých zdrojů obnovitelné energie.
• Během výroby elektrické energie fotovoltaický systém neznečišťuje životní prostředí. Znečištění během výroby a likvidace zařízení se dá udržet pod kontrolou za použití již známých metod likvidace elektro-odpadu. Také se pracuje na vývoji technologií na recyklaci zařízení po skončení jejich užitečného života.
• Fotovoltaické systémy vyžadují minimální údržbu po jejich nainstalování. Provozní náklady jsou tudíž extrémně nízké ve srovnání s existujícími technologiemi, náklady na vybudování těchto systémů ale nejsou triviální.^[zdroj?]
• Díky vysoké, státem garantované, podpoře je návratnost investice velmi rychlá.
• Pokud je fotovoltaický systém připojen na síť, energie může být spotřebována místně a tudíž snížit celkové ztráty rozvodné soustavy.^[zdroj?]

Nevýhody

• Instalace fotovoltaických systémů je velmi drahá. Proto státy, které chtějí fotovoltaiku podpořit, přenášejí zákonnými úpravami tyto náklady na daňové poplatníky nebo spotřebitele elektřiny. Jedná se o různá daňová zvýhodnění, garantovanou výkupní cenu a jiné.
• Nainstalovaný systém nelze přemístit pokud se majitel objektu odstěhuje. To bylo ve spojených státech vyřešeno patřičnou daňovou legislativou. Nebo nejsou instalováno pomocí zemních vrutů, které je možné převrtat kamkoli.
• Elektrická energie generovaná fotovoltaickými systémy je drahá ve srovnání s cenou energie z jiných zdrojů.
• Solární energie není k dispozici v noci a je velmi nespolehlivá za špatného počasí (mlha, déšť, sníh). Tudíž je nutná instalace systémů, které chybějící energii nahradí.
• Výkon fotovoltaických panelů se výrazně snižuje, pokud jsou pokryty vrstvou sněhu.
• Solární panely produkují stejnosměrný proud, který musí být pomocí střídače převeden na proud střídavý což způsobuje další ztráty ve výši 4-12 %.
• Fotovoltaické články postupem času snižují svou účinnost tedy dodávaný výkon.
• Ekologická likvidace fotovoltaických panelů je nákladná.

Odkazy

Související články

• Fotovoltaický článek
• Sluneční elektrárna
• Seznam největších fotovoltaických elektráren v Česku
• Mezinárodní agentura pro obnovitelnou energii (IRENA)
• Fotovoltaika v Česku

Reference

V tomto článku byly použity překlady textů z článků photovoltaics na anglické Wikipedii a Photovoltaik na německé Wikipedii.

Externí odkazy

• Here Comes the Sun, dokument o rozmachu fotovoltaiky v sektoru solární energetiky (48 minut, anglicky s českými titulky)