Fotovoltaický článek a panel
Přímá přeměna sluneční energie na energii elektrickou. Úžasný vynález známý po celém světě, který najdeme na střeše nejmodernější stavby světa i v zapadlé domorodé vesnici uprostřed džungle. Jak se v nich vyznat?
Co je fotovoltaický článek
Polovodičová součástka, která dopadem slunečního záření na plochu článku mění část slunečního spektra na elektrickou energii. Jde o přímou přeměnu energie Slunce na energii elektrickou. Celé ultrafialové spektrum, celé viditelné spektrum a část ultrafialového slunečního spektra se podílí na přeměně v elektrickou energii. Pro podrobné informace doporučuji navštívit například: přeměna sluneční energie v energii elektrickou
Účinnost prvních článků byla 6% a tato účinnost rok od roku roste až k teoretické hranici mírně nad 30 procent, kterou dnešní jednovrstvé články již dosahují. Teoretická účinnost je 34%. Zbylá energie ze Slunce se z větší části přemění na teplo zahřívající článek. Vysoké teploty článkům neprospívají. Toto platí pro články a panely s křemíkovým základem.
S přelomem tisíciletí se vyrojilo mnoho nových experimentálních fotovoltaických článků a další stále přibývají. Opět nastupují cestu od drahých laboratorních prototypů k praktickým aplikacím. Pomalu zlevňují, nebo zanikají pro nezájem, příliš nákladnou výrobu, nedostatek primárních surovin… Můžeme se tak dočíst o perovskitových článcích, hybridních, plastikových, bifaciálních…
sluneční článek, fotovoltaický kolektor
Rozdíl mezi článkem a panelem
Fotovoltaický článek je základní polovodičová součástka (fotovoltaická dioda) a připojením více článků do jednoho obvodu vzniká fotovoltaický panel.
Více na odkazu: fotovoltaika – co je fotovoltaický panel
Nerad bych zabřednul do výčtu možných technologií, proto se krátce zaměřím na skupinu dobře dostupných, levných a prakticky použitelných článků a panelů.
Monokrystalické, polykrystalické a amorfní panely
Do praxe jsou nejvíce nasazované tři typy křemíkových panelů. Jejich velkou výhodou je dostupnost základních surovin, historicky zvládnutá výroba, nízká a neustále klesající cena.
typ panelu | monokrystalický | polykrystalický | amorfní |
|---|---|---|---|
výroba | tažením monokrystalu křemíku z taveniny | lisováním drceného křemíku | napařováním amorfního křemíku na tabuli skla, plastu... |
jak poznat | černá, nebo modrá souvislá plocha | modrá s nepravidelnými vzory | černá barva |
účinnost | 16 až 24% | 13 až 18% | 7 až 11% |
pracovní teplota | do 25°C, při větších teplotách klesá účinnost | pracuje lépe při vyšších teplotách | méně citlivé na stín, odolné vysokým teplotám |
ideální prostředí | pro slunné a teplejší oblasti | oblasti s velkým kolísáním teplot, méně slunné | |
plusy | největší účinnost = nejefektivnější využití plochy | levnější, pracuje lépe při vyšších teplotách | nejlevnější, pružné, lehčí, pracuje i při zastínění, oblačnosti, difuzním světle |
mínusy | klesající účinnost při teplotách přesahujících 25°C | zaberou větší plochu, než monokrystalické pro stejný výkon | nejméně výkonné, kratší životnost |
Dvěma nejpoužívanějšími typy jsou stále monokrystalické a polykrystalické.
Dnes platí, že cena monokrystalických a polykrystalických se téměř vyrovnala, pokud přepočteme cenu za 1Wp. Polykrystalické zaberou o cca 15 – 20% větší plochu oproti monokrystalickým při stejném výkonu.
Proto se v současnosti doporučuje vybírat typ panelu z hlediska teplotních podmínek v místě instalace. Zda mám dům na horách, v Polabské nížině, nebo na žhavější Moravě.
A podle převládajícího období využití energie. Pro převážně zimní provoz, použiju monokrystalický (rodinný dům), pro letní provoz volím polykrystalické (chata?).
Co je 1 Wp?
Watt-peak se udává u každého panelu a pokud se hovoří o instalovaném výkonu jako např. 320Wp na jeden panel, jde o tuto hodnotu. Watt-peak je doslova bod maximálního výkonu v ideálních laboratorních podmínkách.
Jedná se tak o teoreticky dosažitelnou hodnotu. Skutečný výkon, který panel předvede, bude nižší a postupem času bude klesat v rámci opotřebení panelu.
Jak jsme na tom se Sluncem v ČR
Na území ČR dopadne na 1 m2 zhruba 950 až 1340 kWh sluneční energie za rok, přičemž zhruba 75 procent dopadne v letním období. Tyto hodnoty znamenají, kolik energie dopadá na 1m2 zemského povrchu, nikoli na plochu nakloněného panelu.
Tabulka dopadající sluneční energie za den.
roční období | sluneční energie |
|---|---|
léto | 8 kWh/ m2/ den |
jaro a podzim | 5 kWh/ m2/ den |
zima | 3 kWh/ m2/ den |
Jak je to s ideálním umístěním panelů?
Ideální naklonění panelů pro území ČR, tedy pro 50° rovnoběžku severní délky je od 34° do 45°. Přičemž 34° platí pro letní měsíce a 45°pro zimu.
Pokud je možnost zvolit, používá se nejčastěji úhel 35°C. Panely musí často respektovat sklon podkladu, střechy, stěny. Jak se výkon změní dobře ukazuje následující graf a orientace v prostoru.
Pokud máme dobrý přístup k panelům, například jsou-li přístupné na ploché střeše, nebo dostupné na pozemku, je často výhodné během roku přenastavit úhel panelů. Je možné vyrobit nosnou konstrukci s měnitelným úhlem naklonění vůči Slunci.
Potom zhruba platí, že pro letní provoz nastavíme 35°a pro zimní provoz 45°. Případně můžeme ručně měnit nastavení postupně během roku o potřebný úhel.
Příklady výkonu ploch:
- vodorovná plocha 1045 kWh/m2 za rok
- šikmá plocha natočená na jih 40° 1203 kWh/m2 za rok
- kolmá plocha orientovaná na jih 900 kWh/m2 za rok
(zdroj: Obnovitelné zdroje energie, Kára, Adamovský, 1993)
Putování za Sluncem - trackery
Nejideálnější je rozhodně stabilně kolmé nastavení plochy panelu vůči aktuální pozici Slunce. Toho sice lze dosáhnout takzvanými trackery, avšak u rozměrnějších ploch panelů cena pořízení trackeru neodpovídá ceně vyrobené elektrické energie. Pro menší plochy panelů je poměrně jednoduché vyrobit si vlastní tracker.
Instructables – jak vyrobit tracker pro fotovoltaické panely (english)
Na následujícím odkazu je interaktivní Geografický informační systém pro fotovoltaiky (anglicky). Po zadání lokality orientaci, sklonu, výkonu a typu uvažovaných panelů vám prozradí, jaký bude výkon fotovoltaiky a jaký užitek přinese. Dále zde najdete typický vývoj počasí během roku v lokalitě: PHOTOVOLTAIC GEOGRAPHICAL INFORMATION SYSTEM (english)
Chlazení panelu
Problémem panelů bývá zahřívání povrchu, které jim neprospívá. Proto se objevují nápady na chlazení plochy článku. Příkladem budiž vodní chlazení cirkulující vodou, která tvoří na povrchu fotovoltaického panelu vodní filtr odebírající část tepelné energie z plochy panelu.