Fotovoltaické elektrárny: Princip funkce a využití

Fotovoltaické, resp. solární elektrárny spadají do kategorie obnovitelných zdrojů energie. Využívají nevyčerpatelný zdroj energie - sluneční záření a při výrobě neprodukují žádné emise. Díky těmto vlastnostem se v současné době těší velké oblibě v boji proti změně klimatu.

Fotovoltaické elektrárny nachází své využití jak v malém měřítku - instalace na střechách rodinných domů, obchodů nebo továren pro vlastní spotřebu, tak i v měřítku energetických soustav.

Způsob využití sluneční energie

Sluneční elektrárny lze rozdělit na dva typy z pohledu využívání energie Slunce. Jedná se buď o méně rozšířené termální resp. koncentrační elektrárny a v dnešní době převážně využívané fotovoltaické elektrárny.

Termální elektrárny využívají slunečních kolektorů, které jsou schopny absorbovat sluneční energii a využít ji k ohřevu teplonosného média. Tento typ je vhodný především k ohřevu vody nebo vytápění. Koncentrační elektrárny za pomocí zrcadla nebo soustavy zrcadel, tvořících parabolu, soustředí sluneční záření do ohniskového absorbéru, tímto způsobem je možné dosáhnout výrazně vyšších teplot než u předchozího typu. Díky tomu je tuto energii možné využít k nepřímé přeměně slunečního záření na elektrickou energii.

Druhým typem elektráren jsou tzv. fotovoltaické elektrárny, které využívají fotovoltaického jevu k přímé přeměně světelné energie na energii elektrickou.

Čtěte také: Význam obnovitelné energie

Princip funkce fotovoltaické elektrárny

Jak bylo zmíněno výše, fotovoltaické elektrárny využívají k přeměně slunečního záření na elektřinu fotovoltaický jev.

Fotovoltaický panel se skládá z jednotlivých fotovoltaických článků, jejichž základem je polovodičová dioda. Ta obsahuje dvě vrstvy příměsových polovodičů - polovodiče typu P - anoda a polovodiče typu N - katoda.

Vrstva typu N obsahuje přebytek elektronů, ve vrstvě P je jich naopak nedostatek resp. vrstva obsahuje přebytek kladně nabitých „děr.“ Rozhraní těchto polovodičů se nazývá P-N přechod, který ideálně propouští proud pouze jedním směrem. Díky potenciálové bariéře zabraňuje volnému přechodu elektronů v závěrném směru, tedy z vrstvy N s jejich přebytkem do vrstvy P s nedostatkem elektronů. Není tedy možné, aby došlo ke spojení elektronů s dírami neboli k jejich rekombinaci. Umožňuje ovšem přechod elektronů v opačném - propustném směru.

Dopadem fotonů slunečního záření na fotočlánek vzniká vnitřní fotoelektrický jev, při němž jsou z krystalové mřížky obou vrstev uvolňovány elektrony, které se díky výše zmíněné vlastnosti hromadí ve vrstvě N a mezi oběma vrstvami vzniká elektrické napětí o hodnotě 0,5-0,6 V. Navýšení na požadované napětí se získá sériovým zapojením jednotlivých článků, paralelním kombinací lze dosáhnout vyššího proudu. V praxi se pro dosažení požadovaných hodnot využívá sério-paralelního zapojení.

Aby mohl být elektron z krystalové mřížky uvolněn, musí mít dopadající foton minimální energii potřebnou pro překonání zakázaného pásu, u křemíku je tato hranice 1,12 eV. Energie fotonů závisí na vlnové délce záření, energii 1,12 eV odpovídá infračervenému záření o vlnové délce zhruba 1 105 nm. Záření o kratší vlnové délce mají dostatek energie, dopadající fotony způsobí vznik elektronu a „díry,“ zbylá energie se přemění na nežádoucí teplo. Naopak fotony záření s větší vlnovou délkou křemíkem prochází a nejsou v něm absorbovány. Teoreticky lze využít energie maximálně 50 % dopadajícího světelného záření, prakticky se ovšem dosahuje hodnot polovičních.

Čtěte také: České startupy a energie

Materiál fotovoltaických článků

Nejvíce využívaným materiálem pro výrobu fotovoltaických článků je v současné době křemík. V elektrotechnice má tento prvek rozsáhlé využití, díky čemuž má rozsáhlou technologickou základnu. V přírodě se nachází v čistotě 97-99 %, což není pro využité v elektrotechnice dostatečné. Čistší křemík je nutné vyrobit. V případě fotovoltaických článků se využívá jak polykrystalický, tak i monokrystalický křemík.

Polykrystalický křemík se vyrábí za pomocí chemických metod - např. Siemensovy metody. Oproti monokrystalickému křemíku je výroba méně nákladná a články dosahují vyšší účinnosti při nižší intenzitě záření, účinnost těchto článků se pohybuje okolo 15-17 %.

Monokrystalický křemík se vyrábí za pomocí řízené krystalizace z taveniny tzv. Czochralského metodou. Výhodou monokrystalického křemíku oproti polykrystalickému je vyšší účinnost při vyšších intenzitách záření, nejvyšší účinnost tohoto typu článků přesahuje 20 %.

Druhým nejvyužívanějším materiálem je arsenid galia. Výhodou je vyšší účinnost než u křemíkových článků, prozatím nejvyšší účinnost tohoto typu článku se pohybuje okolo 29 %. Nevýhodou je vyšší cena, větší hustota a křehkost článků. Díky vyšší účinnosti a odolnosti proti kosmickému záření se tyto články využívají především ve vesmírných družicích.

Konstrukce fotovoltaických článků

Při konstrukci fotovoltaických článku je prioritou úspora materiálu a omezení optických a elektrických ztrát. Optické ztráty jsou způsobeny především odrazem záření, které u křemíku přesahuje hodnotu 30 %. K eliminaci tohoto jevu se využívají speciální antireflexní vrstvy, které jsou schopny odrazivost snížit až pod 10 %. Další možností je vytvoření texturovaného povrchu článku za pomocí selektivního leptadla.

Čtěte také: Více o sluneční energii

Součásti fotovoltaické elektrárny

• Fotovoltaické panely
• Regulátor resp. MTTP měnič
• Střídač
• Propojovací vodiče
• Ochranné prvky
• Elektrocentrála - záložní zdroj a baterie (ostrovní provoz)
• Transformátor (připojení do přenosové soustavy)

Fotovoltaické panely

Fotovoltaické články jsou sério-paralelně zapojeny a jako celek tvoří panel. Fotovoltaická elektrárna je poté tvořena sério-paralelní kombinací panelů. Výkon panelů je udáván v jednotkách Watt peak (Wp). Jedná se o maximální (peak) hodnotu výkonu za ideálních podmínek - nestíněné světelné záření směřující kolmo na panel, ideální teplota, panel bez nečistot. Při polojasnu klesá výkon přibližně na 35 %, při zatažené obloze na 10 % udávaného maximálního výkonu. Běžné nominální napětí panelů je 12, nebo 24 V, méně často 48 V.

Panely jsou běžně vybaveny ochranným hliníkovým nebo duralovým rámem a kryty speciálním tvrzeným sklem, které panel chrání před povětrnostními podmínkami. Mezi samotnými články a tvrzeným sklem se dále nachází další vrstva, která chrání články před mechanickým poškozením, může se jednat například světlopropustný gel Ethylen-vinyl acetát (EVA). Ze zadní strany jsou panely chráněny dalším materiálem, například laminátovou deskou. Životnost panelů je u většiny výrobců udávána na 25 let se zárukou, že účinnost po 10 letech neklesne pod 90 % a po 25 letech pod 80 %.

Regulátor resp. MTTP měnič

Jelikož s kolísající výrobou fotovoltaických elektráren kolísá i napětí na výstupu je nutné toto napětí regulovat. K tomu slouží solární regulátor. Klasické regulátory mají účinnost okolo 80 %. Další možností je využití moderních typů regulátorů s vestavěným DC/DC měničem označované jako MTTP měniče. Jejich účinnost se pohybuje mezi 95-98 %. Ve srovnání s klasickými regulátory jsou ovšem několiknásobně dražší.

Střídač

Měnič napětí neboli střídač slouží k přeměně stejnosměrného napětí na střídavé.

Ochranné prvky

Především u větších systému se využívají jističe, které sloužící jako ochrana proti zkratu, a napěťové svodiče pro ochranu elektrárny před přepětím - např. úder blesku.

Výhody a nevýhody fotovoltaických elektráren

Hlavní výhodou fotovoltaických elektráren je bezesporu to, že se jedná o zdroj nepotřebující palivo. Provozní náklady fotovoltaických elektráren jsou proto prakticky zanedbatelné. "Palivem" je totiž sluneční záření, díky čemuž se fotovoltaické elektrárny někdy označují jako nevyčerpatelný zdroj energie. Z toho vyplývá také druhá hlavní výhoda - výroba elektřiny fotovoltaických elektráren je zcela bez emisí a škodlivých látek.

Provozní výhody pak spočívají v tom, že výroba slunečních elektráren neprodukuje žádný zvuk (na rozdíl například od větrných elektráren), nevyžadují prakticky žádnou obsluhu (s výjimkou nutné pravidelné údržby) a mají relativně vysokou provozní spolehlivost.

Oproti některým klasickým zdrojům - například jaderným elektrárnám - je výhodou také doba výstavby. Ta vyplývá primárně z jednoduchosti stavby jako takové, převážnou částí prací jsou totiž jednoduché montážní práce.

Mezi nevýhody fotovoltaických elektráren lze zařadit vysoké investiční náklady. Přestože jsou tyto náklady částečně kompenzovány nulovými palivovými náklady a minimálními provozními náklady, fotovoltaické elektrárny jsou i nadále poměrně bohatě podporovány. V České republice jsou v roce 2023 podporovány pouze formou investiční podpory (provozní podporu Česká republika nenabízí).

Z technického pohledu je pak nevýhodou solárních elektráren jejich relativně nízká účinnost - pohybuje se kolem 20 %. V prostředí České republiky je navíc poměrně nízká intenzita slunečního záření a nízká doba svitu.

Za hlavní nevýhodu je často označována nestabilní výroba. Fotovoltaické elektrárny jsou podstatně závislé na aktuální slunečnosti, a proto je nutné mít - alespoň do doby revoluce ve skladování elektřiny - v záloze flexibilní zdroje elektřiny (typicky paroplynové elektrárny).

V posledních letech je s vysokou výrobou elektřiny ve fotovoltaických elektrárnách spojen také fenomén záporných cen elektřiny.

Fotovoltaické elektrárny v ČR

V České republice bylo podle Energetického regulačního úřadu k 30. září 2016 v provozu 28 341 solárních elektráren s celkovým instalovaným výkonem 2 127,1 MW. Téměř polovina uvedeného instalovaného výkonu je tvořena zdroji s instalovaným výkonem od 1 do 5 MW. České fotovoltaické elektrárny vyrobily v roce 2015 2,26 TWh elektřiny, což představovalo zhruba 2,7 % celkové brutto výroby elektřiny v České republice.

V následující tabulce je uveden seznam 10 největších fotovoltaických elektráren v České republice. Tou vůbec největší je FVE Ralsko, která zahrnuje skupinu fotovoltaických elektráren v lokalitách Ralsko a Mimoň. Soubor pěti elektráren vzdálených od sebe jednotky kilometrů zahrnuje FVE s instalovanými výkony 17,49 MW, 14,27 MW, 12,87 MW, 6,61 MW a 4,52 MW, celkový instalovaný výkon FVE Ralsko tedy činí 55,76 MW. FVE Ralsko byla uvedena do provozu v roce 2010 a jejím provozovatelem je společnost ČEZ Obnovitelné zdroje, s.r.o.

tags: #obnovitelne #zdroje #solar #princip #fungovani

Oblíbené příspěvky:

• Stavebnictví a CO2
• Jak správně třídit komunální odpad?
• Inspirace pro život bez odpadu
• Příroda Litomyšle
• Park Škrlovec v Uherském Brodě