Teorie fotovoltaiky

Množství sluneční enegie dopadající na naší planetu dosahuje 180000TW, což je asi jedna dvoumiliardtina celkového výkonu slunce. Tolik energie v jednom okamžiku ani není lidstvo schopno spotřebovat. Sluneční záření nám neposkytuje pouze teplo, ale je jej možné využít i na výrobu elektrické energie. Z hlediska ochrany životního prostředí se jedná o mimořádně čistý způsob, při němž nevznikají žádné škodlivé emise ani hluk a jeho primární energie je prakticky nevyčerpatelná.

Elektrotechnika

Fyzikální proces, který umožňuje přeměnu slunečního záření na elektrickou energii, se nazývá fotovoltaický jev a zařízení využívající tento jev, fotovoltaický článek.

Princip fotovoltaického jevu

Objev fotovoltaického jevu Alexandrem Edmondem Becquerelem v roce 1839 umožnil využít světlo, respektive částic světla, fotonů, k přeměně na elektrickou energii. Dopadající světelné částice uvolňují z N-vrstvy polovodičového materiálu volné elektrony, které se přesouvají k p-vrstvě. N-vrstva je materiál s přebytkem volných elektronů a naopak P-vrstva je materiál s jejich nedostatkem. Přesun volných elektronů v materiálu se nazývá průtok proudu a probíhá vždy od – k +.

Fotovoltaický článek

Fotovoltaický článek je základním prvkem ve fotovoltaice. Jedná se o tenký plátek ať již z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku, který je dopován dalšími prvky. Takový článek je schopen přeměnit dopadající sluneční záření na tok elektronů, tedy elektrický proud, prostřednictvím popsaného fotovoltaického jevu.

Na první pohled lze tyto druhy článků rozeznat podle tvaru. Monokrystalicý článek je vyráběn z kulatých křemíkových ingotů z nihž se nařezávají tenké plátky a ořezávají se na pseudočtvercový průřez, aby byla lépe využita plocha. Naproti tomu polykrystalický článek má přesně čtvervový průřez daný odlišnou technologií výroby, kdy je roztavený křemík ve formě postupně vytahován a ochlazován (dochází k jeho krystalizaci). Obecně platí, že polykrystalický článek má nižší konverzní účinnost (cca 15%) oproti monokrystalickému (cca 17%), nicméně celkovou účinnost „nažene“ právě svým tvarem (větší plochou). Na svorkách článku, při jeho maximálním výkonu, lze naměřit napětí 0,5V a protékající el.proud až 3A.

Jednotlivé články se spojují sérioparalelně aby bylo dosaženo požadovaného výkonu, tedy vyššího napětí a proudu a tvoří tak fotovoltaický panel

Energie slunečního záření

Primární vstupní energií ve fotovoltaice je sluneční záření, jeho intenzita, složení a doba trvání má zásadní vliv na celkovou účinnost fotovoltaického systému.

Využitelnost

Z hlediska využívání solární energie je nejdůležitějším faktorem intenzita záření a počet hodin slunečního svitu v jednotlivých ročních obdobích, případně i součinitel znečištění atmosféry. Solární energie je svojí povahou rozptýlená, tj. málo koncentrovaná a její dostupnost je závislá především na počasí a ročním období, nicméně je dostupná a využitelná prakticky všude.

Přímé a difůzní záření

Při jasné a bezmračné obloze dopadá nejvetší část slunečního záření na Zemi, aniž by změnilo směr. Toto záření se nazývá přímé. Rozptylem přímého záření v mracích a na částečkách v atmosféře vzniká záření difúzní, které na Zemi přichází ze všech směrů. Součet intenzity přímého a intenzity difuzního slunečního záření na horizontálním zemském povrchu se nazývá globální sluneční záření.

Z hlediska fotovoltaiky platí, že fotovoltaické panely složené z monokrystalických nebo polykrystalických fotovoltaických článků potřebují k dosažení maximální výtěžnosti zejména přímé záření, tedy přímé sluneční světlo. Tenkovrstvé fotovoltaické panely vyrobené na bázi amorfního křemíku, umějí dobře zužitkovat i záření difuzní a proto v celoročním úhrnu vyrobí tenkovrstvý panel více energie (asi o 10%) než panel z mono či polykrystalických křemíkových článků.