Fotovoltaika a elektřina – US Energy Information Administration (EIA)

Fotovoltaické články přeměňují sluneční záření na elektřinu

Fotovoltaický (PV) článek, běžně nazývaný solární článek, je nemechanické zařízení, které přeměňuje sluneční světlo přímo na elektřinu. Některé FV články dokážou přeměnit umělé světlo na elektřinu.

Sluneční světlo se skládá z fotonynebo částice sluneční energie. Tyto fotony obsahují různé množství energie, které odpovídá různým vlnovým délkám slunečního spektra.

FV článek je vyroben z polovodičového materiálu. Když fotony narazí na fotovoltaický článek, odrazí se od článku, projdou článkem nebo budou pohlceny polovodičovým materiálem. Pouze fotony, které jsou absorbovány, poskytují energii k výrobě elektřiny. Když polovodičový materiál absorbuje dostatek slunečního světla (sluneční energie), elektrony jsou vytlačeny z atomů materiálu. Speciální úprava povrchu FV článku při výrobě činí přední povrch článku vnímavějším vůči uvolněným, popř. uvolnitelektrony, takže elektrony přirozeně migrují na povrch buňky.

Tok elektřiny v solárním článku

Pohyb elektronů, které všechny nesou záporný náboj, směrem k přednímu povrchu FV článku vytváří nerovnováhu elektrického náboje mezi předním a zadním povrchem článku. Tato nerovnováha zase vytváří napěťový potenciál podobný záporným a kladným vývodům baterie. Elektrické vodiče na FV článku pohlcují elektrony. Když jsou vodiče připojeny v elektrickém obvodu k externí zátěži, jako je baterie, proudí elektřina obvodem.

FV články, panely a pole

FV článek je základním stavebním kamenem FV systému. Jednotlivé buňky se mohou lišit od 0,5 palce do přibližně 4,0 palce v průměru. Jeden FV článek však dokáže vyrobit pouze 1 nebo 2 Watty, což je dostatek elektřiny pouze pro malé použití, jako je napájení kalkulaček nebo náramkových hodinek.

FV články jsou elektricky propojeny v zabalené, povětrnostně odolné PV panel (někdy nazývané a modul). FV panely se liší velikostí a množstvím elektřiny, které mohou vyrobit. Kapacita výroby elektřiny pro FV panely se zvyšuje s počtem článků v panelu nebo na ploše panelu. FV panely lze spojovat do skupin a vytvářet tak FV panel pole. FV panel může být složen od pouhých dvou FV panelů až po stovky FV panelů. Počet FV panelů zapojených do FV pole určuje množství elektřiny, které pole dokáže vyrobit.

FV články vyrábějí stejnosměrný proud (DC). Stejnosměrnou elektřinu lze použít k nabíjení baterií, které napájejí zařízení využívající stejnosměrnou elektřinu. Téměř veškerá elektřina je dodávána jako střídavý proud (AC) v systémech přenosu a distribuce elektřiny. Volaná zařízení střídače se používají na FV panelech nebo ve FV polích k přeměně stejnosměrné elektřiny na střídavou.

FV články a panely produkují nejvíce elektřiny, když jsou přímo proti slunci. FV panely a pole mohou používat sledovací systémy, aby panely držely směrem ke slunci, ale tyto systémy jsou drahé. Většina fotovoltaických systémů má panely v pevné poloze, které jsou obvykle obráceny přímo na jih na severní polokouli – nebo přímo na sever na jižní polokouli – pod úhlem, který optimalizuje fyzický a ekonomický výkon systému.

Účinnost FV systému

Účinnost, kterou fotovoltaické články přeměňují sluneční světlo na elektřinu, se liší podle typu polovodičového materiálu a technologie fotovoltaických článků. Účinnost komerčně dostupných FV panelů byla v polovině 80. let v průměru méně než 10 %, do roku 2015 se zvýšila na přibližně 15 % a nyní se u nejmodernějších modulů blíží 25 %. Experimentální fotovoltaické články a fotovoltaické články pro specializované trhy, jako jsou vesmírné satelity, dosáhly účinnosti téměř 50 %.

Aplikace FV systému

Když svítí slunce, fotovoltaické systémy mohou vyrábět elektřinu pro přímé napájení zařízení, jako jsou vodní čerpadla nebo zásobování elektrickou sítí. FV systémy mohou také nabíjet baterii, aby zajistily elektřinu, když slunce nesvítí pro jednotlivá zařízení, jednotlivé domy nebo elektrické rozvodné sítě.

• FV systémy mohou dodávat elektřinu v místech, kde se nevyskytují elektrické rozvody (elektrické vedení), a také mohou dodávat elektřinu do elektrických sítí.
• FV pole lze rychle instalovat.
• Vlivy na životní prostředí FV systémů umístěných na budovách jsou minimální.

Historie FV systémů

První praktický fotovoltaický článek byl vyvinut v roce 1954 výzkumníky Bell Telephone. Počínaje koncem 50. let byly fotovoltaické články používány k napájení amerických vesmírných satelitů. Do konce 70. let 20. století zajišťovaly FV panely elektřinu ve vzdálených, popř mimo mřížkumísta, kde nebylo elektrické vedení. Od roku 2004 je většina fotovoltaických systémů ve Spojených státech amerických připojeno k síti– jsou připojeny k elektrické síti. Tyto FV systémy se instalují na domy a budovy nebo v jejich blízkosti užitkové měřítko elektrárny, které mají alespoň 1 megawatt kapacity na výrobu elektřiny. Technologický pokrok, nižší náklady na fotovoltaické systémy a různé finanční pobídky a vládní politiky, zejména daňové úlevy a čisté měření, pomohly od poloviny 90. let výrazně rozšířit používání fotovoltaických systémů. Ve Spojených státech jsou nyní instalovány miliony fotovoltaických systémů připojených k síti.

Výroba elektřiny ve fotovoltaických elektrárnách se zvýšil z 6 milionů kilowatthodin (kWh) (nebo 6 000 megawatthodin [MWh]) v roce 2004 na přibližně 162 miliard kWh (nebo 161 651 000 MWh) v roce 2023. Přibližně 74 miliard kWh (nebo 73 619 000 MWh) bylo vyrobeno v malém měřítkuFV systémů připojených k síti v roce 2023, což je nárůst z 11 miliard kWh (nebo 11 233 000 MWh) v roce 2014. Malé FV systémy mají méně než 1000 kilowattů kapacity na výrobu elektřiny. Většina malých FV systémů je umístěna na budovách a někdy se jim říká střešní PV systémy.

Poslední aktualizace: 24. května 2024 s předběžnými údaji pro rok 2023 z měsíčníku Electric Power Monthly, únor 2024.

Souhrn o fotovoltaických článcích

• Fotovoltaické články (FV články) přeměňují sluneční záření na elektřinu.
• Sluneční světlo se skládá z fotonů, které obsahují různá množství energie.
• FV články jsou vyrobeny z polovodičového materiálu, který absorbuje fotony a uvolňuje elektrony.
• Pohyb elektronů vytváří napěťový potenciál, podobně jako baterie.
• FV články vyrábějí pouze 1-2 Watty, jednotlivé články se spojují do PV panelů.
• FV panely se mohou spojovat do větších FV polí pro zvýšení produkce elektřiny.
• FV články vyrábějí stejnosměrný proud, který je nutné převést na střídavý pro použití v domácnostech.
• Účinnost FV článků se postupně zvyšuje, moderní moduly dosahují až 25% účinnosti.
• FV systémy mohou napájet samostatná zařízení nebo dodávat elektřinu do sítě.
• Historie FV systémů sahá do 50. let a v roce 2023 dosáhla výroba elektřiny 162 miliard kWh.