Fotovoltaika a fotovoltaické elektrárne

Fotovoltaika ako technológia výrábajúca elektrickú energiu zo slnečného žiarenia sa začala vyvíjať od 50. rokov s nástupom polovodičov, a neskôr potrebou zabezpečiť satelity energiou. Výrazné zníženie cien polovodičov umožnilo komerčné nasadenie v pozemných aplikáciách, pričom od roku 1995 boli postupne naštartované programy na ich masové uvedenie na trh niektorých krajín (Nemecko, Japonsko, USA, Holandsko, Taliansko, Španielsko, Dánsko), najmä ako systémy inštalované na budovách a pripojené do elektrickej siete.

Fotovoltaické systémy nevyžadujú priame slnečné žiarenie k tomu, aby fungovali. Sú schopné vyrábať elektrickú energiu aj pri oblačnom počasí. Na rozdiel od konvenčných systémov, efektivita fotovoltaiky nezávisí od veľkosti systému a teda systémy môžu byť škálované – od malých domácich až po rozsiahle centrálne elektrárne. Veľký potenciál fotovoltaických aplikácií bežiacich v samostatnom režime (nepripojených na sieť, s vlastnou batériou ako záložným zdrojom) je v odľahlých oblastiach a vo vidieckych oblastiach tretieho sveta.

Priama premena slnečného žiarenia na elektrickú energiu je možná vďaka využitiu polovodičových materiálov, z ktorých je v súčasnosti najbežnejšie požívaný kremík. Hoci kremík je široko dostupný, jeho spracovanie je technologicky náročné a venuje sa mu vo svete len niekoľko špecializovaných firiem.

Základnou jednotkou FV solárnych systémov sú články (solar cells), z ktorých sa budujú základné stavebné prvky – fotovoltické moduly, teda súbory väčšieho počtu FV článkov. V minulosti boli najčastejšie z kryštalického kremíka (až 84% systémov v r. 2001), v súčasnosti sa rozširujú výrobné kapacity technológie tenkých kremíkových vrstiev, ktoré majú veľkú perspektívu z hľadiska lepších možností integrácie do stavebných prvkov budov (fasády, zatieňovanie, sklenné komponenty). Sú ľahšie, odolnejšie a majú lepšie vizuálne vlastnosti. FV moduly sú schopné pracovať bez poruchy dlhé roky. Výrobcovia zaručujú ich životnosť na 20-25 rokov.

Technológie FV modulov

1. tradičný kryštalický kremík. Jeho prednosťou je vyššia účinnosť systémov (v súčasnosti už takmer 30%), problémom je stále rastúca cena základnej suroviny, prípadne jej nedostatok. Priestor na znižovanie cien týchto modulov v budúcnosti je obmedzený, vzhľadom k spomínanej cene kremíka a technológii výroby (montovanie modulov z jednotlivých článkov).
2. tenké vrstvy – amorfný kremík (účinnosť systémov viac ako 10%). Technológia sa využívala už v 80-tych rokoch v kalkulačkách alebo digitálnych hodinkách.
3. tenké vrstvy kadmium – telúr (CdTe)´- veľmi vhodné na hromadnú výrobu, majú účinnosť okolo 15-16,5%. Toxické účinky CdTe článkov sa nepreukázali, aj napriek prítomnosti kadmia, ktoré je samostatne toxické. Kadmium sa na výrobu článkov získava ako bočný produkt z ťažby zinku.
4. tenké vrstvy meď-indium-gálium-selén (CIGS). Indium pre FV sektor sa získava ako vedľajší produkt pri ťažbe a spracovaní iných kovov, a to v rôznych častiach sveta. Jeho zásoby a dostupnosť pre FV sektor sú z ekonomického, geografického aj politického pohľadu perspektívne. Podobne je to s gáliom, ktorý sa získava pri spracovaní bauxitu.Posledným objavom v FV sektore sú organické FV systémy (OFV), využívajúce schopnosť niektorých polymérov správať sa za prítomnosti ďalšej látky ako polovodič. Ich jednoznačnou prednosťou by mala byť nízka cena, hlavnou prekážkou je stále veľmi nízka účinnosť.

Typy FV systémov

Systémy pripojené na sieť – používajú sa najmä v krajinách s plne rozvinutou elektrickou rozvodnou sieťou. Sú priamo prepojené na miestnu elektrickú sieť, čo im umožňuje podľa vyrobenú elektrinu dodávať do siete alebo v prípade potreby ju z nej odoberať. Tieto systémy obsahujú menič napätia.

Systémy nepripojené na sieť (samostatné systémy) – súčasťou väčšiny z nich je batéria na uskladnenie energie pre použitie keď nesvieti slnko a kontrolný mechanizmus, chrániaci pred nadmerným nabíjaním a vybitím batérie, prípadne tiež menič napätia.

Hybridné systémy – kombinujú solárne systémy s inými zdrojmi energie, ako je biomasa, veterné turbíny, dieselové generátory. Môžu byť pripojené na sieť alebo samostatné.

Prioritou pri inštalácii malých FV systémov (inštalovaných na súkromných domoch, verejných budovách, obchodoch a pod.) je okrem funkčnosti, estetická hodnota a rozumná cena.

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.

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 rieši túto problematiku je založená na úplne inom 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 technológia zvyšuje účinnosť premeny slnečného žiarenia na úctyhodných 35 %.