AJ ZAJTRA BUDE HRIAŤ ZADARMO !!!

ÚVOD
KOLEKTORY
FOTOVOLTAIKA
REALIZÁCIE
DOTAZNÍK
NÁVRATNOSŤ
CENY
DOTÁCIE
KONTAKT

Výroba elektriky zo slnka

Ako to bolo, ako to je s využitím fotovoltaiky vo svete?

Ako to bolo...  Pôvodne sa elektrina zo slnka na svetových trhoch zdala byť neschopná konkurencie pre svoju vysokú cenu. Vo svojich začiatkoch sa používala predovšetkým v kozmickom výskume a priemysle. To bolo 
v 70.-tych rokoch, jej použitie "na Zemi" bolo umožnené pokračujúcim technickým pokrokom a tým pádom aj znižovaním jej ceny.


... a ako to je?  Fotovoltaika sa v súčasnej dobe veľmi rýchlo rozvíja nielen po technickej stránke, veľký pokrok zaznamenáva aj na svetových trhoch. Percento ktorým sa podieľa na výrobe energie zatial nie je veľké, ale príklady z krajín kde je tento perspektívny druh energie podporovaný ukazujú, že tento stav sa môže veľmi rýchlo zmeniť, o to viac že technický pokrok nás čoraz v kratších intervaloch prekvapuje svojimi podivuhodnými výsledkami.



Fotovoltaické systémy

Fotovoltaické systémy rozoznávame tri typy, z ktorých každý je vhodný na iné použitie, do iných podmienok:
autonómne - je nutné ich vybaviť akumulátormi, používajú sa tam kde nie je prístup ku elektrickej sieti, často však aj v prípadoch keď sa prevádzkovateľ chce vyhnúť komplikáciám spojeným z pripojením na sieť
hybridné - obsahuje nielen samotnú fotovoltaickú jednotku ale aj jeden alebo viac pomocných generátorov (napríklad veternú elektráreň alebo dieselagregát), obsahuje taktiež jednu alebo viac batérií, vyžaduje zložitejšie regulačné a riadiace prvky
pripojené na sieť - zvyčajne nepotrebuje akumulátor, najjednoduchšie systémy potrebujú okrem fotovoltaickej jednotky len menič, ktorý musí pracovať v celom rozsahu napätí ktoré môžu panely produkovať. Pri zložitejších vysokonapäťových systémoch je nutné použitie transformátorov, ochranných prvkov a aj výkonových spínačov,
v mnohých prípadoch je potrebná aj harmonická filtrácia a korekcia fázy. Všetky tieto prvky je nutné použiť 
z dôvodu pripojenia na sieť. Prevádzkovateľov rozvodnej siete by asi veľmi nepotešil nepravidelný výkon, ktorý fotovoltaické zariadenie produkuje. Pri týchto zariadeniach sa často vytvorí zmluva, ktorá umožňuje odoberanie prúdu zo siete v čase nedostatočného výkonu panelov a naopak jej dodoávanie do siete v prípadoch kedy vznikajú prebytky.

Z čoho sa solárne panely vyrábajú?

Určite ste už niekedy počuli o polovodičových materiáloch. Tieto sa používajú v diódach, tranzistoroch a tak ďalej. Polovodiče sú taktiež životne dôležité pre slnečný priemysel. O ich vhodnosti na výrobu fotovoltaických článkov rozhoduje predovšetkým šírka zakázaného pásma energií, ktorá by sa mala pohybovať v rozmedzí od 1,1 eV do 1,7 eV. Ďalšími dôležitými vlastnosťami sú vysoká pohyblivosť a dlhá životnosť minoritných nosičov náboja.
Tieto požiadavky spĺňa mnoho polovodičov, vo fotovoltaike sa uplatnili predovšetkým kremík, arzenid gália, telurid kadebnatý, sírnik kadebnatý.

Kremík |Si|
Je to najdlhšie používaný a tiež najrozšírenejší materiál na výrobu fotovoltaických článkov. Narozdiel od iných materiálov sa netreba obávať jeho vyčerpania pretože sa nachádza takmer všade. Je to štvrtá najpoužívanejšia surovina na svete, na výrobu solárnych panelov sa však využíva približne iba 1 % z tohto množstva. Používa sa v niekoľkých podobách.

Monokryštalický kremík
Bol prvý materiál ktorý sa začal využívať v praxi. Jeho účinnosť premeny sa zo začiatku pohybovala okolo 6 %, čo v dnešnej dobe vyznieva už takmer komicky. Od roku 1954 do roku 1975 sa v tomto smere nedosiahlo takmer žiadneho pokroku, pretože výskum sa orientoval predovšetkým na vesmírne použitie, od roku 1975 až do roku 1980 sa túto hodnotu podarilo posunúť len o pár percent a hodnota 17 % bola považovaná za neprekonateľnú. Celkový pokrok v týchto rokoch brzdil tiež fakt, že vedci sa sústredili skôr na znižovanie cien ako na zvyšovanie účinnosti. V osemdesiatych rokoch sa stav výrazne zmenil a výsledkom bola účinnosť 35,2 % dosiahnutá v roku 1992 Pekingskou akadémiou vied. Dnes sa v bežnej výrobe v priemere dosahuje účinnosti 12 %. Monokryštalický kremík sa je však stále príliš drahým materiálom a tak sa výskumníci orientujú na výrobu materiálu z nižšou čistotou. Dosiahlo by sa tým menšej energetickej náročnosťi výroby a teda aj výrazného zníženia ceny. Monokryštál sa používa tam kde nie je možné aby mali panely príliš veľké rozmery, 
v kozmických aplikáciách alebo aj v prípadoch kedy budúceho majiteľa neodrádza značne vyššia cena.

Polykryštalický kremík
Používa sa predovšetkým v praktickej fotovoltaike. Je tvorený väčším množstvom kryštálov. Jednoduchšia výroba ho síce značne zvýhodňuje v cene, ale tiež spôsobuje nižšiu účinnosť premeny - okolo 10 %. Jeho nižšia účinnosť vyplýva zo strát vznikajúcich na rozhraní jednotlivých zŕn - kryštálov.

Multikryštalický kremík
Je to vlastne odroda polykryštalického kremíka. Je podstatne lacnejší ako monokryštalický a dosahuje 
v praxi celkom dobrej účinnosti od 12 do 14 %
. Aby nevznikali straty pri prechode elektrónov rozhraním medzi kryštálmi vznikajú snahy vyrábať multikryštalický kremík s čo najväčšími kryštálmi, účinnosť tohto materiálu je taktiež možné zvýšiť chemickou úpravou vodíkom.

Hydrogenizovaný amorfný kremík
Ide o materiál, ktorý nemá kryštalickú štruktúru ani príliš veľkú čistotu, je chemicky upravený vodíkom čo zlepšuje jeho vlastnosti. Tento druh kremíku sa využíva v tenkovrstvých solárnych článkoch, jeho výhodou je že je to lacný materiál a že sa ho výrobe môže použiť podstatne menšie množstvo, pretože značná časť energie slnečného žiarenia sa absorbuje už vo vrstve tenšej ako 1µm. Hydrogenizovaný amorfný kremík sa tiež veľmi ľahko kombinuje z inými materiálmi ako napríklad uhlík, dusík, cín, germánium a tým sa vytvárajú zliatiny 
z rôznymi šírkami zakázaného pásu energií. Materiál sa zvykne nanášať na lacné podklady ako sklo, plast, ocel. Jeho účinnosť je bohužiaľ dosť nízka - v praxi okolo 5 - 8 %. To ho predurčuje na použitie 
v zariadeniach s malou spotrebou energie
ako sú kalkulačky a hodinky. Je dobré si uvedomiť že práve pri takýchto zariadeniach by však použitie drahých materiálov predražilo výrobky natolko že by sa ich výroba vôbec nevyplatila.

Arzenid gália |GaAs|
Obsadil druhé miesto vo využití pre výrobu fotovoltaických článkov. Výskum a vývoj tohto materiálu prebiehajú už dlhé roky, znevýhodňuje ho však vyššia cena a aj niektoré ďalšie vlastnosti medzi ktorými dominuje predovšetkým značne väčšia krehkosť. V priemere dosahuje účinnosti okolo 18 %.

Arzenid gália má ale aj svoje nezanedbateľné prednosti. Za zvýšenej teploty (napr.100 OC) vykazuje len veľmi malé zníženie účinnosti, na rozdiel od kremíka kde je pokles týchto hodnôt už pri takýchto relatívne nízkych teplotách veľmi výrazný. To znamená že jeho použitie bude velmi výhodné pri vysokoefektívnych koncentračných článkoch. Pri takomto postupe bude potrebné oveľa menej drahého GaAs. Nie je totiž nutné inštalovať velkoplošné solárne jednotky, ale len pomocou odrazu sústrediť viac slnečného žiarenia na menšiu plochu, pritom ani pri takto zvýšenej koncentrácii nestráca GaAs svoju účinnosť. Spomínaný kremík je pri takejto koncentrácii slnečného žiarenia naprosto nevyhovujúci. Ďalšia výhoda vyplýva z väčšej hustoty GaAs, tá umožňuje výrobu oveľa tenších článkov (cca o 60 %) bez zníženia ich pohltivosti. Ďalší vývoj v oblasti umožní pravdepodobne použitie tohto materiálu v kombinácii z hliníkom, takéto články sľubujú zvýšenie účinnosti nad 25 %.

Z popisu výhod a nevýhod arzenidu gália a kremíka vyplýva že ideálne by pravdepodobne bolo ich spojenie. To je však zatiaľ otázkou pre vedcov v ich laboratóriách. Takéto články by pravdepodobne pozostávali zo základnej kremíkovej vrstvy a tenšej vrstvy GaAs, tieto články by mohli dosahovať účinnosti cez 30 %.

Telurid kadebnatý |CdTe|
Tento materiál je považovaný za veľmi nádejný, keďže však jeho výskum prebieha relatívne krátko významné miesto v solárnej energetike zatiaľ neobsadil. Má veľkú šírku zakázaného pásu a taktiež velmi dobrú schopnosť absorbcie. Bohužial je ho v zemskej kôre nedostatočné množstvo a tak sa s ním dá počítať predovšetkým 
v spotrebnej elektronike, telekomunikačných a navigačných zariadeniach. Pri týchto je dôležitá ekonomická otázka a z tohto hľadiska je CdTe veľmi vhodným materiálom, vďaka svojim vynikajúcim absorbčným vlastnostiam je totiž možné CdTe používať vo veľmi tenkých vrstvách (1,2 až 1,5 µm).

Sírnik kedebnatý |CdS|
Tento materiál sa v kombinácii s Cu2S uplatnil predovšetkým v kozmických aplikáciách a to vďaka svojej nízkej hmotnosti. Účinnosti cez 10 % bolo dosiahnuté pomerne jednoduchými a lacnými postupmi napriek tomu sa však tento materiál nepovažuje za perspektívny, kvôli svojej malej stabilite. Nádejná sa však javí kombinácia 
s teluridom kadebnatým
. V USA už boli vyrobené takéto články s účinnosťou presahujúcou 10 %.


Ako sa solárne panely vyrábajú?

Fotovoltaické články sa takmer vždy usporadúvajú do panelov. V takejto podobe ich potom môžeme vidieť aj 
v obchodoch, v praxi sa len veľmi zriedka volí alternatíva kúpy jednotlivých článkov a ich následovné spájanie do panelu, na takúto akciu sa môže podujať len profesionál so príslušným vzdelaním a vybavením. Polovodiče sú totiž veľmi citlivé na teplo a tak by pri pájkovaní spojov jednotlivých článkov mohlo dôjsť k ich vážnemu poškodeniu. Pri inštalácii je tiež nutné dať pozor aby nedošlo ku prílišnému mechanickému namáhaniu panelov.

Pri konštruovaní solárnych panelov sa berie ohľad predovšetkým na dve veci, aby sa ušporilo čo najviac materiálu a tiež aby sa minimalizovali straty a teda aby sa dosiahla čo najväčšia účinnosť. |obr.|

Straty rozlišujeme na optické a elektrické. Optické straty sú spôsobené tým že sa veľká časť slnečného žiarenia po dopade na povrch polovodičov odráža späť do priestoru. Preto sa zvykne ich povrch rôzne upravovať tak aby sa čo najviac znížila jeho odrazivosť. Na povrch sa môžu nanášať rôzne antireflexné vrstvy alebo je možné vytvorenie texturovaného povrchu leptaním, ktoré naruší hladký a teda lesklý povrch a zníži tak jeho odrazivosť. Tieto postupy sú schopné znížiť mieru odrazivosti až pod 10 %.

Keďže osvetlovaná časť článku plní aj funkciu kontaktu a odvádza vyprodukovaný prúd, je dôležité aby kládla čo najmenší odpor a teda aby odvádzala získanú energiu s čo najmenšími stratami. Polovodičová vrstva sa opatruje kovovou mriežkou alebo vodivou priehľadnou elektródou ktoré od nej "preberú" vyrobený elektrický náboj a "odnesú ho preč". Keďže celý tento proces sa odohráva vo svete veľmi malých rozmerov, výroba takýchto článkov vyžaduje veľkú presnosť a precíznosť. Veľmi zaujímavý sa javí ďalší vývoj kremíkových technológií nazývaných PESC a PERC, oba tieto postupy pracujú na zefektívňovaní prenosu energie z kremíka do vodivých kontaktov. Základným problémom je že čím väčšiu plochu kontakt pokrýva tým viac elektrónov je síce schopný pohltiť ale zároveň zatieňuje samotný kremík a tak bráni prístupu slnečnej energie 
k nemu. Preto sa vedci snažia nájsť najvhodnejší pomer a vzájomné usporiadanie kontaktov a kremíka. Tieto technológie presahujú svojou účinnosťou v praxi veľmi ťažko prekonateľnú hranicu 20 %. Ďalšia technológia ktorá je takpovediac malou revolúciou v riešení tejto problematiky, je založená na úplne novom postupe. Medzi polovodič a vrstvu v ktorej sú uložené kontakty sa zabuduje defektná vrstva, cez ktorú je prechod elektrónov náročnejší ako prechod čistým materiálom, priamo pod vodivými kontaktami sú však vytvorené medzery, ktoré by sme mohli prirovnať ku malým kanálikom. Elektróny si prirodzene vyberú ľahšiu cestu práve cez tieto kanáliky a tie ich dovedú priamo ku kontaktom. Dá sa povedať že sa tým vlastne zabráni zbytočnému "blúdeniu" elektrónov na svojej ceste ku kontaktom a tiež riziku že poceste rekombinujú čo vlastne znamená že ich energia nebude využitá. Táto nová technológia zvyšuje účinnosť premeny slnečného žiarenia na úctyhodných 35 %.




Vyplňte dotazník  a s poskytnutím podpory Vám pomôžeme.