Vše, co potřebujete vědět o solárních panelech

Solární energie aneb co jsou solární panely

Slunce je hlavním zdrojem energie pro vše živé i pro naši planetu. Množství energie, které na Zemi přichází za pouhých 40 minut, navíc stačí k uspokojení energetických potřeb všech obyvatel zeměkoule během roku. Vzhledem k obnovitelným a prakticky neomezeným zdrojům tohoto nebeského tělesa jsou vyhlídky na jeho využití velké. Navíc je ze všech alternativních zdrojů energie právě sluneční energie uznávána jako nejbezpečnější a nejšetrnější k životnímu prostředí. Proto je dnes sluneční energie v různých oblastech lidského života stále žádanější.

Využívat tento dar přírody lidem pomáhají speciální zařízení – solární panely (nebo solární baterie) . Ty přeměňují volnou energii Slunce na energii elektrickou a získávají stále větší oblibu po celém světě.

Solární panely – z historie vzniku

Myšlenka přeměny volného slunečního světla na energii, která bude pracovat ve prospěch člověka, vzrušuje lidi již dlouho. Tak se stalo, že historicky prvním řešením byla tzv. solární tepelné elektrárny nebo solární kolektory , které se zásadně liší od solární baterie (princip fungování kolektorů stručně probereme níže). Solární panely se staly v podstatě druhým a poměrně úspěšným pokusem lidstva přeměnit sluneční energii na jiný druh energie, který lze využít k napájení různých typů bytových, nebytových a komerčních zařízení.

A přestože solární energie není stará tolik let, jejímu rozvoji předcházela řada objevů a vývojových prací. Skutečný průlom ve směru využití světelné energie však nastal v polovině 19. století, kdy francouzský vědec Alexandre Edmond Becquerel objevil jev fotoelektrického jevu. V roce 1873 objevil anglický elektrotechnik Willoughby Smith efekt fotovodivosti selenu a o několik let později Američan Charles Fritts zkonstruoval první solární článek, který se skládal z tenké vrstvy selenu umístěné mezi zlatými a měděnými destičkami a měl účinnost pouhé 1 %.

V roce 1987, Heinrich Hertz objevil vnější fotoelektrický jev a v roce 1889 popsal zákonitosti fotoelektrického jevu Rus Alexandr Stoletov, v jehož experimentální sestavě protékal elektrický proud zrozený světelnými paprsky. Později v tom měl „prsty“ Albert Einstein. Na počátku 20. století vysvětlil fotoelektrický jev na základě kvantové teorie, za což později dokonce obdržel Nobelovu cenu. A první prototypy solárních panelů vytvořil italský fotochemik Giacomo Luigi Chamichan. Následně vědecký výzkum v oblasti polovodičů vedl k syntéze křemíkových solárních článků s účinností 4 %. Tato inovace byla provedena v roce 1954 v laboratoři společnosti Bell Telephone Company. Později byla jejich účinnost zvýšena na 15 % a solární panely byly poprvé použity na venkově a v odlehlých městech jako zdroj energie pro telefonní komunikační systém, kde se úspěšně používají již řadu let. O několik let později byly do vesmíru vypuštěny družice využívající solární panely. Následně byly vyvinuty a vytvořeny fotočlánky na bázi jiných polovodičů.

Jaký je rozdíl mezi solárními panely a solárními kolektory

Jak jsme psali výše, lidstvo vynalezlo solární kolektory dříve než solární panely. Jedná se o zcela odlišná zařízení, i když obě přeměňují sluneční energii a mají v názvu slovo „solární“. Na tom snad jejich podobnost končí. Nyní se podívejme na rozdíly.

Stručně řečeno, při použití solárních kolektorů dostává spotřebitel „na výstupu“ tepelnou energii ve formě ohřátého chladiva a solární panely jsou určeny pouze k výrobě elektrického proudu.

Solární panely přímo přeměňují sluneční energii na elektřinu pomocí fotovoltaických článků (PVC – fotovoltaické měniče nebo solární články).

Solární kolektor je solární zařízení, jehož úkolem je shromažďovat a přenášet tepelné záření do chladicí kapaliny, která v kolektoru cirkuluje. Chladicí kapalina následně ohřívá zásobník, ve kterém se nachází voda, a poskytuje tak teplou vodu. To znamená, že na rozdíl od solárních panelů solární kolektor ohřívá teplonosnou látku , a pak se akumulovaná energie využívá k určitým účelům (ohřev vody, provoz topného systému, proplachovací práce). Jednoduše řečeno, solární kolektory vyrábějí teplou vodu.

Jak fungují solární panely

Solární panely jsou určeny k přeměně sluneční energie na energii elektrickou. Nazývají se také solární panely nebo solární moduly. Solární panel je zařízení složené z fotovoltaických článků, které se právě podílejí na přeměně jednoho druhu energie na jiný. Fotovoltaické články jsou polovodičové desky, které přímo přeměňují sluneční záření na elektrický proud. Mezi sebou jsou fotočlánky zapojeny do paralelních nebo sériových elektrických obvodů, které společně fungují jako jediný zdroj elektrického proudu.

Fotovoltaické články se vyrábějí z různých prvků, ale nejběžnější jsou solární články na bázi křemíku. Vyrábějí se v průmyslovém měřítku. Méně často se používají kadmium, tellur, selenidy mědi a amorfní křemík. Ještě menší procento – asi 10 % – tvoří tenkovrstvé solární články (například CdTe).

Pokud hovoříme o křemíkových solárních článcích, pak každý z článků je tenká destička složená ze dvou vrstev křemíku s vlastními fyzikálními vlastnostmi, které jsou vzájemně propojeny. Protože hovoříme o polovodičích, musí mít vrstvy různou propustnost, aby volné elektrony mohly volně přecházet z jedné vrstvy do druhé. Koneckonců polovodič je materiál, jehož atomy buď postrádají elektrony (typ p), nebo mají elektrony navíc (typ n). Obvykle je horní vrstva záporná (n-vrstva) jako katoda a spodní vrstva kladná (p-vrstva) jako anoda. Přebytečné elektrony z n-vrstvy mohou opustit své atomy, zatímco p-vrstva tyto elektrony zachycuje. To jsou právě sluneční paprsky a působí jako katalyzátor takové reakce – „vyrazí“ elektrony z atomů n-vrstvy a ty pak letí obsadit prázdná místa v p-vrstvě. To znamená, že když částice světla (fotony) dopadnou na fotočlánek, díky nehomogenitě krystalu se mezi vrstvami polovodiče vytvoří ventil fotoelektromotorické síly.

Výsledkem je rozdíl potenciálů a proud elektronů, které se pohybují v bludném kruhu, opouštějí p-vrstvu, procházejí vnější zátěží (v tomto případě baterií) a vracejí se do n-vrstvy. Princip fungování solárního panelu tak připomíná jakési kolo, po kterém „běhají“ elektrony místo bílkovin. V tomto případě se baterie postupně nabíjí.

Vrchní vrstva desky fotočlánku, která směřuje ke Slunci, je vyrobena z křemíku, ale s přídavkem fosforu. Ten se stává zdrojem přebytečných elektronů v systému pn-přechod.

Typy desek fotočlánků

Podle technologie výroby jsou křemíkové destičky FEP dvou typů: monokrystalické a polykrystalické. Monokrystalické se vyrábějí ve tvaru čtverce se zkosenými rohy, polykrystalické – rovných čtverců. Forma však není jejich hlavním rozdílem.

Monokrystalické solární články jsou vyrobeny z uměle vypěstovaného pevného krystalu křemíku. A polykrystalické se získávají poměrně jednoduchou a levnou metodou postupného ochlazování roztaveného křemíku.

Proto mají monokrystalické fotočlánky homogenní strukturu a vyšší koeficient účinnosti (COP). Náklady na jejich výrobu jsou však vyšší, jsou dražší než polykrystalické desky.

Nevýhodou polykrystalických desek je jejich nízká produktivita – maximálně 15 %. To je způsobeno jejich nedostatečnou čistotou a vnitřní strukturou. Účinnost monokrystalického fotočlánku již dosahuje 20-25 %.

Účinnost solárních panelů

Standardní křemíkové fotočlánky jsou jednopřechodové, to znamená, že tok elektronů probíhá pouze přes jeden pn přechod, jehož zóna je omezena energií fotonů. To znamená, že každý jednotlivý solární článek může vyrábět elektřinu pouze z paprsků určitého úzkého spektra. Zbytek světelné energie je promarněn. To je hlavní důvod nepříliš vysoké účinnosti fotočlánků.

Účinnost solárních panelů se dnes snažíme zvyšovat různými způsoby. Jedním z řešení jsou například kaskádové (vícepřechodové) křemíkové prvky. Každý z těchto solárních článků má několik přechodů a je určen pro určité spektrum slunečního záření. V souhrnu se tak zvyšuje účinnost přeměny světelných paprsků na elektrický proud a s ní i výkon panelu jako celku. Cena těchto článků je však vyšší než cena jednopřechodových. Proto musí spotřebitel v každém konkrétním případě řešit dilema, co je pro něj důležitější – cena, nebo energetická účinnost.

Obvykle je počet fotovoltaických článků v jednom solárním panelu násobkem 12 a jmenovitý výkon jednoho takového zařízení je od 30 do 350 wattů. Nejnižší účinnost, od 5 do 10 %, mají amorfní, organické a fotochemické solární články. Takový panel o ploše 1 m ² vyrobí 25 až 50 W/h elektrické energie. Účinnost dnes nejběžnějších křemíkových solárních článků je 17-25 %. To znamená, že na 1 m2 se vyrobí až 125 Wh ^. plocha panelu. Obecně lze říci, že vývojáři po celém světě nyní pracují na zvýšení účinnosti až o 30 % a taková řešení již existují. Například solární panely na bázi arsenidu galia. Právě ty jsou schopny konkurovat křemíkovým panelům, a to s plochou 1m ² takový panel bude dodávat elektřinu v množství 150 W/h.

Co ovlivňuje energetickou účinnost solárních panelů?

Energetická účinnost je důležitým ukazatelem solárních panelů. Například jeden fotočlánek (jedna deska) je schopen za slunečného počasí vyrobit energii, která postačí pouze na nabití baterky. Proto, pokud jde o vážnější měřítka výroby elektřiny, se solární články obvykle kombinují do obvodů (paralelní zapojení – pro zvýšení napětí, sériové – pro zvýšení síly proudu). Jejich počet a struktura do značné míry určují energetickou účinnost panelů. Kromě toho je energetická účinnost solárních panelů ovlivněna následujícími faktory:

• výkon světelného toku;
• úhel dopadu slunečních paprsků;
• správná volba zátěžového odporu;
• teplota okolního vzduchu a samotného panelu;
• nepřítomnost nebo přítomnost antireflexní vrstvy prvků.

Například solární článek a samotný panel se během provozu postupně zahřívají. Ta část energie, která nešla na výrobu elektrického proudu, se přemění na teplo. Proto může teplota na povrchu panelu často dosahovat hodnot vyšších než 50Cº. Čím vyšší je však povrchová teplota, tím hůře fotočlánek pracuje. To znamená, že stejný panel pracuje za různého počasí různě: méně účinně za horkého počasí, účinněji za chladného počasí a maximální účinnost vykazuje za slunečného mrazivého dne.

Výhody a nevýhody solárních panelů

Jako každé zařízení mají i solární panely své výhody a nevýhody.

Výhody solárních panelů

• Nevyčerpatelnost, obnovitelnost a univerzální dostupnost zdroje energie, což je důležité zejména v podmínkách vyčerpání ostatních druhů přírodních paliv (ropa, plyn, uhlí).
• Šetrnost k životnímu prostředí. Solární elektrárny skutečně patří mezi ekologicky nejšetrnější typy výroby elektřiny. Během provozu nevypouštějí do ovzduší škodlivé nečistoty, ve srovnání s větrnými mlýny pracují tiše. Jediné, co jim lze vytknout, stejně jako elektromobilům, je skutečnost, že samotné panely, baterie, elektrárny a různé vodiče používají toxické látky, které znečišťují životní prostředí.
• Ekonomická výhodnost – Solární panely poskytují příležitost k úspoře elektrické energie, a tedy i peněz. Vždyť sluneční paprsky jsou využívány k výrobě elektřiny, která je zcela zdarma.
• Odolnost proti opotřebení a dlouhá životnost. Záruční doba je obvykle 25-30 let, ale fotovoltaická elektrárna po uplynutí této doby nepřestane fungovat. Opotřebení je velmi pomalé, zvláště pokud se v zařízení nenacházejí žádné pohyblivé části.
• Současné zpracování sluneční energie na energii elektrickou.
• Výroba energie nejen za slunečného, ale i za oblačného počasí.
• Možnost autonomizace systému napájení objektu a nezávislost na centralizovaném napájení.
• Jednoduchost, stabilita, spolehlivost konstrukce a její instalace.
• Konstrukci je možné sestavit, pokud je potřeba zvýšit výkon systému, je to snadné díky modularitě solárních panelů.

Nevýhody solárních panelů

• Vysoké náklady a dlouhá doba návratnosti (až 10 let).
• Nízká účinnost.
• Nízká energetická účinnost při zataženém počasí a v noci.
• Nerovnoměrná výroba elektřiny, která závisí na světle a počasí. To lze kompenzovat připojením systému k síti – přes den pak bude možné prodávat přebytečnou elektřinu elektrárenské společnosti a v noci využívat centralizovaný zdroj.
• Velké rozměry. Panely zabírají hodně místa – jejich instalace vyžaduje značný prostor. Mohou zabírat například celou střechu a stěny budovy.
• Obtížné použití v oblastech s velkým množstvím srážek, zejména sněhu.
• Nutnost instalace dalších zařízení pro výrobu střídavého proudu (solární panely vyrábějí pouze stejnosměrný proud) a pro skladování energie (protože elektřina se vyrábí pouze během denního světla).

Kde se solární panely používají?

S rozvojem technologií se vyvíjí i solární energie. Solární panely jsou stále levnější a účinnější, vyvíjejí se nová technická řešení a rozšiřuje se jejich působnost. Ze solárních panelů se vytvářejí celé solární elektrárny (SPS) , které mohou vyrábět elektřinu ve velkém měřítku. Proto se dnes solární panely používají nejen v každodenním životě, ale také v průmyslu, zemědělství, kosmickém průmyslu a při stavbě silnic. Solární energie se využívá pro pouliční osvětlení, elektromobily, elektrické lodě a další dopravní prostředky, v domácnostech, chytrých telefonech a různých gadgetech, v dětských hračkách a dokonce i v zařízeních na grilování. Tím však zřejmě zdaleka nekončíme a pole působnosti solárních panelů se bude ještě aktivněji rozvíjet a stávat se stále větší součástí našeho života.