1

Výhody slnečného žiarenia:
- je ľahko dostupným obnoviteľným zdrojom energie

(nie je potrebná ťažba, je zadarmo)

- jeho využívanie nezaťažuje životné prostredie

- rovnomernejšie rozloženie v porovnaní so svetovými zásobami tradičných a

vyčerpateľných palív, akými sú ropa, uhlie, zemný plyn.

Nevýhody:
- mnohonásobne nižšia koncentrácia energie, spôsobená pomerne nízkou

účinnosťou premeny energie

(na 1 MW fotovolt. elektrárne je potrebných cca 2-3 ha

pôdy)

. Aj preto nemožno zatiaľ na základe doterajších poznatkov považovať

slnečnú energiu za rovnocennú náhradu fosílnych zdrojov.

- nestála disponibilnosť

5.2 Možnosti využitia slnečného žiarenia na energetické

účely

Výhody a nevýhody využívania slnečného žiarenia

2

Existuje niekoľko princípov premeny

slnečnej energie

na inú formu energie,

najčastejšie je to premena na:

1) elektrickú energiu

a) priamou formou

- princíp spočíva vo využití fotoelektrického javu vo

fotovoltických článkoch

,

ktoré priamo premieňajú slnečnú energiu na energiu elektrickú

b) nepriamou formou

- princíp spočíva v premene energie Slnka na tepelnú energiu a následnú

premenu pomocou vhodných zariadení

(solárno-termických)

na elektrickú

energiu

- účinnosť nepriamej premeny slnečnej energie je vyššia ako pri

fotovoltických systémoch, takže môžeme dosahovať vyššie výkony na

jednotku plochy slnečnej elektrárne.

2) tepelnú energiu

- premena energie Slnka na tepelnú energiu pomocou

kolektorov

(kvapalinové, vzduchové)

Princípy premeny slnečnej energie na inú formu

3

5.2.1 Premena slnečnej energie na elektrickú priamou formou –

fotovoltické elektrárne

Fotovoltický (solárny) článok

je veľkoplošná polovodičová súčiastka, ktorá priamo

premieňa slnečnú energiu na energiu elektrickú pomocou

fotoelektrického javu.

Fotovoltické články majú mnoho uplatnení. Používajú sa na napájanie malých zariadení

(napr. kalkulačky, nabíjačky, svietidlá, ...), v kozmickom priemysle (umelé družice) a

taktiež vo veľkom sa začínajú využívať v energetickom priemysle.

4

Fotoelektrický jav – historický vývin

Prvými experimentami, pri ktorých bol pozorovaný fotoelektrický

jav sa zaoberal francúzský fyzik Becquerel od roku 1839.
Jeho FV článok bol založený na kovových elektródach ponorených

v elektrolyte. Pri ich vystavení slnečnému žiareniu pozoroval

zvýšenie napätia na nich.

- na ďalší vývoj FV technológie malo zásadný vplyv teoretické

objasnenie fotoelektrického javu Albertom Einsteinom v roku 1905

- pre technológiu moderných kremíkových článkov bola významným

objavom metóda výroby čistého monokryštálu kremíka, ktorú

vyvinul Poliak Jan Czochralski v roku 1916

http://www.eia.gov/kids/energy.cfm?page=tl_photovoltaic

- v roku 1877 Adams a Day, vyrobili prvý pevný fotovoltický článok zo selénu
- v roku 1883 Fritts vyrobil článok s účinnosťou 1 %.

5

Fotoelektrický jav – historický vývin

- v polovici 50. rokov 20. storočia sa odštartoval vývoj polovodičov. Hlavný prvok na výrobu

polovodičových materiálov je kremík, ktorý je na zemskom povrchu vo veľkom množstve.

- v roku 1954 vznikol prvý kremíkový (Si) fotovoltický panel s P-N prechodom a s

účinnosťou do 7 %

- prvé skutočné zdroje energie na princípe priamej premeny slnečnej energie na elektrickú

boli vyrobené až v rokoch 1955-58 a použité pre družice Sputnik a Avantgard

- komerčne sa FV články začali prvý krát používať ako zdroje energie pre miniatúrnu

elektroniku (kalkulačky, hodinky).

- silným impulzom pre rozvoj FV energetiky bola ropná kríza v Európe roku 1973 (po

arabsko-izraelskom konflikte), ktorá naštartovala proces efektívnejšej výroby a využitia

energetických zdrojov.

- veľmi intenzívne sa FV systémy rozvíjali v posledných rokoch, a to kvôli dotačným

programom, ktoré spôsobili veľký záujem investorov o túto oblasť výroby elektrickej

energie.

http://www.eia.gov/kids/energy.cfm?page=tl_photovoltaic

6

Princíp fotoelektrického javu

http://web.svf.stuba.sk/kat/FYZ/fyzika_ta_vola/skripta/other/opt_javy_polovodice.pdf

http://elektronika.yweb.sk/ele/text/ucivo/1/d/index.html

http://www.jajo.sk/diplomovka/diplomovka.htm

http://www.fizyka.wip.pcz.pl/docs/labs/elektrycznosc/E-19.pdf

(in Poland str. 5)

http://www.skrea.sk/index.php?id=812

Solárne články (v podstate veľkoplošné

polovodičové diódy) sa skladajú z dvoch

polovodičových (napr. kremíkových) vrstiev:

- horná vrstva kremíka je polovodič typu N

(vrstva záporne dotovaná fosfórom,

vodivosť sprostredkujú elektróny),

- dolná vrstva kremíka je polovodič typu P

(vrstva kladne dotovaná bórom, vodivosť

sprostredkujú tzv. diery).

- dopadom slnečného žiarenia na fotovoltický článok môže energia fotónu uvoľňovať elektróny

z ich väzieb v atómovej mriežke.

- uvoľnené elektróny sú potom voľné pohyblivé a na svojom pôvodnom mieste zanechajú

kladný náboj (dieru)

- vnútorné elektrické pole fotovoltického článku spôsobuje, že elektróny a diery sú priťahované

ku opačného smeru. Elektróny odchádzajú k vrchnému kontaktu a diery k spodnému kontaktu

(oblasť N sa nabíja záporne a oblasť P kladne).

- dôsledkom takto vzniknutej opačnej polarity vzniká medzi vrchnou a spodnou stranou rozdiel

potenciálu, ako elektrické napätie.

- uzavretím elektrického obvodu, začne spotrebičom pretekať elektrický prúd.

7

Volt-Ampérová charakteristika fotovoltického článku

- poskytuje základnú informáciu o činnosti fotovoltaického článku
- hraničné veličiny na volt-ampérovej charakteristike sú napätie naprázdno (

U

0C

) a prúd

nakrátko (

I

SC

)

- napätie naprázdno predstavuje maximálne napätie na článku, ktoré je možné dosiahnuť

v prípade, že k článku nie je pripojený žiadny spotrebič

- prúd nakrátko predstavuje maximálny prúd (skratový prúd), ktorý môže solárny článok

pri danej intenzite slnečného žiarenia dodávať

- FV modul nemá žiaden výkon ak je v stave naprázdno a nakrátko
- pre každý článok existuje na charakteristike pracovný bod (bod maximálneho výkonu

MPP), v ktorom je výkon najväčší, t.j. pri napätí

U

mp

a prúdu

I

mp

Príklad U-I a U-P charakteristiky fotovoltického článku

MPP

MPP

MPP

I

U

P





Výkon určitého fotovoltického článku

závisí na:

- ožiarení,

- teplote článku,

- spektre svetla.

8

Generovaný prúd fotovoltického článku je priamo úmerný od

intenzity slnečného žiarenia

,

čiže od množstva fotónov dopadajúcich na povrch článku.

Príklad U-I charakteristiky fotovoltického článku

pri zmene intenzity žiarenia

Príklad U-P charakteristiky fotovoltického článku

pri zmene intenzity žiarenia

http://www.pvresources.com/Introduction/SolarCells.aspx

9

Generované napätie článku je významne ovplyvňované

teplotou materiálu

.

So zvyšujúcou sa teplotou napätie značne klesá. Tento pokles je daný teplotným

koeficientom špecifickým pre každý materiál.

Príklad U-I charakteristiky fotovoltického článku

pri zmene teploty článku

Príklad U-P charakteristiky fotovoltického článku

pri zmene teploty článku

Pri dlhšie trvajúcej slnečnej intenzite alebo zhoršených podmienkach chladenia článku

(bezvetrie), kedy teplota vzduchu dosahuje 40 °C dochádza k zvýšeniu povrchovej teploty

až na 80 °C. Pri takto vysokých teplotách dochádza k zmene elektrických vlastností článku,

ktoré vedú k zníženiu zaťažovacej charakteristiky smerom k nižšiemu napätiu. Pokles

optimálneho napätia spôsobí zníženie dodávaného výkonu.

Pre FV články z kryštalického kremíku (c-Si) je pokles

U

OC

okolo 0,4 %/K a

pokles účinnosti

článkov je približne 0,5 %/K.

10

http://www.starpakgroup.com/?page_id=1889

http://solarwall.com/en/products/pvthermal/how-pvt-works.php

11

Účinnosť

FV článku je definovaná ako podiel maximálneho výkonu článku

v bode MPP a výkonu dopadajúcího slnečného žiareniu (

P

in

).

in

MPP

MPP

P

I

U







Účinnosti jednotlivých typov fotovoltických článkov

Spektrálne charakteristiky citlivosti FV článkov

http://www.pvpowerway.com/en/knowledge/photovoltaic.html

Nominálny výkon fotovoltických panelov

sa

udáva v jednotkách Watt peak (Wp). Jedná sa o

výkon solárneho panelu pri štandardizovanom

výkonnostnom teste - energetická hustota

žiarenia 1 000 W/m2, teplota 25°C a svetelné

spektrum (Air Mass 1,5) zodpovedajúce

slnečnému žiareniu pri prechode bezoblačnou

atmosférou zeme. Watt peak (Wp) je jednotka

špičkového výkonu solárneho panelu pri

ideálnych podmienkach, tzn. že sa jedná o

približný výkon panelu za bežného bezoblačného

letného dňa.

12

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Best_Research-Cell_Efficiencies.png

Maximal solar cell efficiency - 44.0% with multiple-junction concentrated photovoltaics.

13

http://www.priklady.eu/sk/Fyzika/Kvantova-optika.alej

- žiarenie, ktoré spôsobí uvoľnenie elektrónu v polovodiči však nemôže byť ľubovoľné,

fotóny dopadajúceho žiarenia musia mať potrebnú energiu

- veľkosť potrebnej energie závisí od použitého polovodiča, pre

kremík

je potrebná energia

1,1 eV, čo odpovedá vlnovej dĺžke 1100 nm

- pre generovanie prúdu sa teda využijú iba fotóny s kratšou vlnovou dĺžkou, t.j. s väčšou

energiou

Citlivosť Si článku v porovnaní so spektrom AM 1,5

Využiteľné spektrum žiarenia pre články Si

h

≅ 6,626 . 10

-34

J.s (Plankova konštanta)

14

Problémy sérioparalelnej spolupráce fotovoltaických článkov

- kryštalické fotovoltaické články majú zvyčajne malý výkon, rádovo jednotky wattov

(1 - 2,5 W v závislosti od veľkosti a materiálu). A tiež ich napätie dosahuje veľmi

nízkych hodnôt, zvyčajne okolo 0,5 – 0,6 V.

- aby sme mohli prakticky využívať energiu z fotovoltaických článkov, je vhodné ich

spájať do skupín, do stringov

- jednotlivé články sa zvyknú spájať do série, niekedy aj paralelne, pre zvýšenie

prúdu

- vďaka automatizácii dnes tento proces prebieha priamo na výrobnej linke, bez

zásahu človeka.

Spájanie fotovoltaických článkov do väčších celkov

Pozn.:

- obvykle sú využívané FV panely s

výkonom 160-240 Wp.

- v ideánych podmienkach majú

panely výstupné jednosmerné

napätie cca 40 V a prúd cca 5 A.

http://www.taiwantrade.com.tw/EP/resources/member/11112/productcatalog/bfe467e6-1c9e-4d93-a5e6-be2df84653ec_PV_135_200_220.pdf

15

Vo väčšine dnes vyrábaných panelov sa jednotlivé články spájajú

do série

.

- pri tomto zapojení je výstupné napätie súčtom napätí jednotlivých článkov, a prúd je taký

veľký ako je prúd generovaný v najslabšom článku série.

- je teda zrejmé, že ak nastane zatienenie jedného alebo viacerých článkov (napríklad

opadané lístie), tak celkový generovaný prúd v článku môže poklesnúť až na nulovú

hodnotu.

Sériové spájanie fotovoltických článkov

http://www.solartechnika.sk/solartechnika-32011/pracuje-vase-fotovoltaicka-elektrarna-jak-by-mela.html

- takýmto situáciám sa dá predchádzať pomocou

premosťovacej (obtokovej-bypass) diódy

.

Tá sa pripojí paralelne k niekoľkým do série zapojeným článkom. Ak pri takomto zapojení

nastane zatienenie článku, tak prúd generovaný v nezatienených článkoch začne

pretekať obtokovou diódou.

Premosťovacia (obtoková) dióda pri sériovom zapojení článkov

16

- rovnaké solárne články však môžeme spájať aj paralelne, takže výstupné prúdy sa sčítajú

a výstupné napätie je rovné výstupnému napätiu jedného článku.

- nastáva však problém pri veľkých rozdieloch výstupných napätí jednotlivých článkov,

kedy medzi jednotlivými článkami môžu tiecť vyrovnávacie prúdy

- v prípade zatienenia článkov radených paralelne nachádzajú diódy taktiež uplatnenie,

pretože aj v tomto prípade zatienený článok pôsobí ako spotrebič.

[Hudák, J.: Diplomová práca. 2012. TU v Košiciach]

Paraleln

é spájanie fotovoltických článkov

http://www.pvpowerway.com/en/knowledge/modules.html

Chybné bunky v paneloch

pri termometrickom meraní

17

ELEKTROENERGETIKA, Vol.5, No.2, 2012 , Stanislav Ilenin, Fotovoltické elektrárne

18

Bypass diódy

19

V súčasnosti je najvyužívanejší materiál na výrobu fotovoltaických článkov

kremík

. Používa

sa v niekoľkých podobách, ktoré závisia od použitej výrobnej technológie. Sú to tieto

podoby:

- monokryštalický kremík,
- polykryštalický kremík
- amorfný kremík (tenkovrstvové panely).

Na výrobu fotovoltaických článkov sa tiež používajú iné prvky či zlúčeniny. Patrí medzi ne

napr. arzenid gália (GaAs), telurid kademnatý (CdTe), sulfid kademnatý (CdS) a v

neposlednom rade rýchlo sa rozvíjajúce organické zlúčeniny.

Materiály na výrobu fotovoltických článkov

http://www.solarenvi.sk/s11article10.html

Panely z kryštalického kremíka

- kryštalické články získavame narezaním ingotov kremíka vyrobených vo vysokých

peciach pri teplote cca 1500 °C

- kremíkový ingot

je to valec z monokryštalického alebo (alebo multikryštalického)

kremíku o hmotnosti asi 100 kg, priemeru okolo 14 cm a dĺžke cez 80 cm

- klasické kryštalické články majú hrúbku cca 0,3 mm,

Kremíkový ingot je rozrezaný na tenké doštičky

http://www.solarna-technika.sk/component/content/article/48

20

Monokryštalický a polykryštalický

c-Si článok

Panely z monokryštalického kremíka -

sú najdrahšie, majú však najlepšiu účinnosť.

Nevýhoda - najúčinnejšie sú, keď na nich slnko svieti kolmo - pri difúznom žiarení sa

účinnosť znižuje.

Panely z polykryštalického kremíka -

sú lacnejšie, mierne nižšia účinnosť, sú však oveľa

citlivejšie aj na difúzne svetlo - svetlo nemusí svietiť priamo.

Investičné náklady monokryštalických a polykryštalických panelov na watt výkonu sú

približne rovnaké, ale polykryštalické panely budú o niečo väčšie, než zodpovedajúce

monokryštalické panely.

V monokryštalickom článku majú všetky kryštály kremíku rovnakú orientáciu (podobne ako

v diamante), v polykryštalickom článku sú viditeľné rôzne orientované kryštály kremíku.

http://www.urbanix.eu/SOLAR.php

https://solarjuice.com/blog/pv-panels/monocrystalline-vs-polycrystalline/

21

Amorfný panel pri peknom počasí a pri daždi

Amorfný článok

Pozn.: Panely z amorfného kremíka menia odtiene, ich farba závisí od aktuálneho počasia a

uhla pohľadu.

Amorfné panely

- amorfné moduly sa vyrábajú vo vákuovej komore pri teplote cca 200 °C, kde naparovaním

nanášame vrstvu amorfného kremíka na sklo, plast či kovovú fóliu

- amorfný kremík sa nanáša vo vrstve 0,001 mm (odtiaľ názov tenkovrstvá technológia).
- výroba amorfných modulov je teda lacnejšia a materiálovo a energeticky menej náročná

oproti kryštalickej technológii.

- majú najnižšiu účinnosť, sú najlacnejšie, najmenej citlivé na smer dopadajúceho svetla

22

Porovnanie materiálových a energetických výdajov na výrobu

tenkovrstvových (vľavo) a kryštalických (vpravo) článkov

23

Výrobný proces fotovoltických článkov a modulov z kryštalického kremíka

1) Kremíkový ingot

je východzím materiálom.

Je to valec z monokryštalického (alebo

multikryštalického) kremíku o hmotnosti asi 100 kg,

priemeru okolo 14 cm a dĺžke cez 80 cm. Kremík s

prímesou bóru (polovodič typu P) musí spĺňať

veľmi prísne kritéria - 1 atóm bóru pripadá

približne na 5 000 000 kremíkových atómov.

2) Rozrezanie ingotu na doštičky

o hrúbke asi 0,3 mm. Tieto doštičky sú základom budúcich

fotovoltických článkov. Rozrezaním ingotu sa získa asi 750 doštičiek o celkovej hmotnosti

okolo 40 kg. Zvyšky ingotu sa vracajú k roztaveniu a opätovnému spracovaniu.

Kremíkový ingot (1) je rozrezaný na tenké doštičky (2).

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

24

3) Leptanie doštičiek

, ktorým sa odstráni poškodenie ich povrchu pri rezaní. Výsledkom je

textúrovaný povrch. Na povrchu sa vytvorí miniatúrnymi kremíkovými pyramídami,

znižujúcimi odraz svetla. Touto operáciou sa výrazne zvyšuje účinnosť budúceho fotočlánku.

Leptaním sa na povrchu tenkých doštičiek vytvára textúrovaný povrch

(1). Na doštičkách sa potom vytvorí veľkoplošný prechod PN (2).

4) Difundovanie fosforu (tým vytvorenie tenučkej vrstvy polovodiča typu N)

.

Nahradíme

niektorý atóm štvormocného kremíka (4 valenčné elektróny) päťmocným atómom fosforu. Pri

jeho zabudovaní do kryštálovej mriežky sa jeho štyri valenčné elektróny zúčastnia kovalentnej

väzby a piaty elektrón, ktorý sa už kovalentnej väzby zúčastniť nemôže, zostane veľmi slabo

viazaný na atóm fosforu, a už pri pomerne nízkej teplote sa od neho odtrhne a stane sa voľným

elektrónom – preto je v kremíku znečistenom fosforom nadbytok voľných elektrónov. Tomuto typu

nevlastného polovodiča hovoríme polovodič s elektrónovou vodivosťou alebo polovodič typu N.

Hrúbka tejto vrstvy je približne 500 nm, t.j. 0,0005 mm. Pri tejto operácii vznikne tesne pod

povrchom kremíkovej doštičky prechod PN, ktorý je základom funkcie fotočlánku. Pôvodný

kruhový tvar doštičiek sa oreže na štvorce so zaoblenými rohmi.

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

25

5)

Po odstránení fosforsilikátového skla vzniknutého pri difúzii je povrch pokrytý

antireflexnou

vrstvou.

Antireflexná vrstva z nevodivého nitridu kremíka alebo oxidu titaničitého (SiN

x

alebo

TiO

2

) má za úlohu znížiť odrazivosť povrchu, podobne ako textúrovanie leptaním. Chráni tiež

povrch pred mechanickým poškodením. Antireflexná vrstva má hrúbku asi 80 nm a je

príčinou modravého sfarbenia povrchu fotočlánkov.

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

6) Vodivé kontakty

pre odber elektriny z fotočlánku sa zhotovujú sieťotlačovou metódou. Na

spodnej neosvetlenej ploche sa vytvorí hustá mriežka, zbernice (kontakty) na osvetlenej časti

povrchu má podobu tenkých vodivých pásikov. Kontakty sa pri vysokej teplote zatavia cez

antireflexnú vrstvu až do kremíkového materiálu.

Povrch doštičky pokrytý antireflexnou vrstvou má modré sfarbenie (1).

Kontakty nanesené sieťotlačou sa zatavia v žíhacej peci (2).

26

7) Meranie a triedenie

je záverečnou fázou výroby.

- touto operáciou prechádza každý článok, pretože

články zapojené do fotovoltických panelov musia mať

približne rovnaké vlastnosti.

- pri meraní sa článok ožaruje svetlom odpovedajúcom

slnečnému žiareniu o intenzite 1000 W/m

2

. Základným

parametrom pre triedenie je prúd, generovaný

fotočlánkom pri napätí 0,45 V. T.j. sú triedené podľa

prúdu v bode maximálneho výkonu

I

mp

.

http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k41.htm

http://www.1sg.sk/www/data/as/projekty/2006_2007/diamonds/zdroje_energie/webd/solarne.htm

8)

Jednotlivé FV články z kryštalického kremíku majú pracovné napätie okolo 0,5 V a prúdovú

hustotu niekoľko desiatok mA/cm

2

(≈35 mA/cm

2

).

Fotovoltický panel

vznikne sériovým a paralelným spojením fotočlánkov podľa požadovaného

napätia a odoberaného prúdu. Panel je zakrytý priehľadnou doskou a vzduchotesne uzavretý

kvôli ochrane pred vonkajšími vplyvmi.

Hotové články sa premeriavajú (1)

a zostavujú sa z nich fotovoltické

panely (2).

27

Mechanická konštrukcia fotovoltických článkov

Aby sa dosiahlo vysokej životnosti, musia sa články chrániť pred ničivými vplyvmi okolitého

prostredia.

- solárne články sa spravidla vkladajú do etylen-vinyl-acetátovej (EVA) fólie

- predná strana sa navyše chráni vysoko priehľadným, špeciálne tvrdeným sklom, aby články

boli chránené pred vetrom, dažďom, krupobitím a inými poveternostnými vplyvmi. Súčasne

má sklo prepúšťať na článok čo najviac slnečného svetla

- zadná strana sa uzavrie viacvrstvovou, vysoko pevnou fóliou z umelej hmoty alebo druhou

sklenenou doštičkou a priestor medzi sklami sa utesní

- väčšina modulov sa pre zvýšenie stability a lepšiu manipuláciu opatrí kovovým rámom

väčšinou z hliníka. V poslednej dobe sa vo väčšej miere začínajú používať bezrámové moduly

(tzv. lamináty), pretože sa dajú racionálne montovať a okrem toho možno vynechaním rámu

ušetriť materiál, a tak ušetriť energiu pri výrobe a tým pádom aj náklady.

Mechanická konštrukcia solárneho

modulu s rámom:

1. hliníkový rám,

2. tesnenie,

3. tvrdené sklo,

4. fólia EVA

5. fotovoltický článok,

6. vodotesná fólia z umelej hmoty

http://www.oze.stuba.sk/oze/slnecna-energia/