Fotovoltaika

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
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 a dotacím se výroba fotovoltaických panelů a systémů v poslední době značně zdokonalila.[1][2][3]

Celková instalovaná kapacita na světě ke konci roku 2016 činila 305 GW, za rok 2016 se rychle rostoucí kapacita zvýšila o 76 GW,[4] což je o 50 % více, než v předchozím roce 2015, kdy došlo ke zvýšení o 50,6 GW (v roce 2014 došlo k e zvýšení o 40,2 GW). To je umožňuje roční produkci nejméně 275 terawatthodin (TWh) elektřiny.[5]

Podstata[editovat | editovat zdroj]

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[editovat | editovat zdroj]

Fotovoltaický „solární strom“ 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[editovat | editovat zdroj]

Dějiny fotovoltaiky[editovat | editovat zdroj]

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 v této oblasti jsou zejména Německo, USA a Japonsko.

Současnost[editovat | editovat zdroj]

Globální kumulativní kapacita FV systémů
Vývoj ceny křemíkových solárních panelů od roku 1977 v amerických dolarech na watt

Fotovoltaické systémy rychle rostou ze zanedbatelné úrovně na celkovou světovou kapacitu 305 gigawattů (GW), na konci roku 2016. V roce 2016 se rychle rostoucí kapacita zvýšila o 76 GW, což je o 50 % více než v předchozím roce 2015, kdy došlo ke zvýšení o 50,6 GW (v roce 2014 došlo ke zvýšení o 40,2 GW).[4] Celkový výkon všech světových FV článků za kalendářní rok 2015 je asi 275 miliard kWh, neboli 275 TWh elektřiny.[5] To představuje asi jedno procento celosvětové poptávky po elektřině (rok 2014).[6] Nejrychleji rostoucím trhem je Čína a Spojené státy americké. Největším světovým výrobcem elektřiny z fotovoltaických panelů je Čína[5] Fotovoltaika je nyní po vodní a větrné energii, třetí nejdůležitější zdroj energie z obnovitelných zdrojů, pokud jde o celosvětově instalovaného výkon (nepočítaje solární zisky a biomasu). [7]

Zpráva Evropské asociace fotovoltaického průmyslu (EPIA) z roku 2014 předpokládá se, že v roce 2020 bude instalováno až 120 GW panelů a po celém světě se fotovoltaická kapacita během pěti let přibližně zdvojnásobí (nízký scénář na 490 GW) nebo dokonce ztrojnásobil (vysoký scénář 716 GW). EPIA také odhaduje, že fotovoltaika bude uspokojovat 10 až 15 procent poptávky po energii v Evropě v roce 2030.[8]

Scénař EPIA a Greenpeace "Posun paradigmatu solární generace" (dříve zvaný pokrokový scénář) z roku 2010 ukazuje, že do roku 2030 by 1845 GW fotovoltaických systémů mohlo po celém světě generovat přibližně 2 646 TWh elektřiny za rok. V kombinaci s zlepšením účinnosti využívání energie, by to znamenalo uspokojení potřeb po elektřině více než 9 procent světové populace. V roce 2050 by více než 20 procent veškeré elektřiny mohlo pocházet z fotovoltaiky. [9]

Cena fotovoltaiky se díky neustálému vývoji technologií a masivní výrobě neustále snižuje (viz i graf "Vývoj ceny křemíkových solárních panelů").[10] Díky finančním pobídkám, dotacím a výhodným tarifním podmínkám pro energii z fotovoltaiky dochází v mnoha zemích k prudkému nárůstu instalací.

Výhody[editovat | editovat zdroj]

  • 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.[11]. Solární energie má také nejvyšší hustotu výkonu (celosvětový průměr je 170 W/m2) ze všech známých zdrojů obnovitelné energie.[11]
  • 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 elektroodpadu. Také se pracuje na vývoji technologií na recyklaci zařízení po skončení jejich užitečného života.[12]
  • Fotovoltaické systémy vyžadují minimální údržbu po jejich nainstalování a palivo, slunce, je zadarmo. Provozní náklady jsou tudíž extrémně nízké ve srovnání s existujícími technologiemi.[13]
  • Pokud je fotovoltaický systém připojen na síť, energie může být spotřebována místně a tudíž snížit celkové ztráty rozvodné soustavy.[zdroj?]

Nevýhody[editovat | editovat zdroj]

  • Solární energie není k dispozici v noci a je velmi nespolehlivá za špatného počasí (mlha, déšť, sníh). Musí se instalovat systémy na ukládání elektřiny a nebo kombinovat výrobu s dalšími zdroji.
  • Výkon fotovoltaických panelů se výrazně snižuje, pokud jsou pokryty vrstvou sněhu.
  • Území zasažené solárními elektrárnami je pro daný generovaný výkon větší než území, které je pro stejný výkon zasažené energetikou založené na těžbě uhlí.[14]

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Související články[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

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

  1. German PV market
  2. BP Solar to Expand Its Solar Cell Plants in Spain and India
  3. Large-Scale, Cheap Solar Electricity
  4. a b Solar power growth leaps by 50% worldwide thanks to US and China [online]. Guardian, 2017-03-07, [cit. 2017-03-08]. Dostupné online.  
  5. a b c RENEWABLES 2016 GLOBAL STATUS REPORT. Paris : REN21, 2016. 272 s. Dostupné online. ISBN 978-3-9818107-0-7. (anglicky)  
  6. http://www.iea-pvps.org/fileadmin/dam/public/report/technical/PVPS_report_-_A_Snapshot_of_Global_PV_-_1992-2014.pdf
  7. Global Market Outlook for Photovoltaics until 2016 [online]. EPIA, 2012. S. 9, 11, 12, 64. [1]. (anglicky) 
  8. http://www.solarpowereurope.org/fileadmin/user_upload/documents/Events/SolarPower_Webinar_Global_Market_Outlook.pdf
  9. Solar Photovoltaic Electricity Empowering the World (anglicky). Epia.org (22. září 2012). Citováno dne 31. května 2013.
  10. Richard M. Swanson. Photovoltaics Power Up, Science, Vol. 324, 15 May 2009, p. 891.
  11. a b Vaclav Smil - Energy at the Crossroads
  12. Environmental Aspects of PV Power Systems
  13. http://elektro.tzb-info.cz/teorie-elektrotechnika/10697-optimalizace-fotovoltaickeho-systemu-pro-pripravu-teple-vody
  14. http://www.osel.cz/9280-zemsk-r-j-to-na-pohled-ii.html - Zemský ráj to na pohled II

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]