Fotovoltaika a princip fungování fotovoltaických panelů

Základním stavebním prvkem přeměny sluneční, resp. světelné energie na elektrickou, je samotný fotovoltaický článek (v literatuře označovaný také jako fotovoltaický, solární, resp. sluneční článek). Název fotovoltaika je odvozen od slova foto (světlo) a volt (jednotka elektrického napětí).

Rozdíl mezi fotovoltaickým panelem, článkem a systémem

Při přeměně světelné energie na elektrickou jde v principu o aplikaci fotoelektrického jevu, při kterém dopadem fotonů (základní jednotka světla) na polovodičový p-n přechod dochází k uvolňování a hromadění volných elektronů. Pokud je p-n přechod doplněn o dvě elektrody (anoda a katoda), můžeme již hovořit o fotovoltaickém článku, ve kterém dochází ke generování stejnosměrného elektrického proudu. Zjednodušeně můžeme říci, že dopadem světla na velkoplošnou polovodičovou součástku dochází k přímé přeměně světelné energie na energii elektrickou, a to za pomoci fotoelektrického jevu. Samotný fotovoltaický článek má jen velmi malé využití, protože výstupní napětí a elektrický výkon je pro většinu aplikací nedostatečný. Proto se články podle požadovaného napětí a odebíraného proudu seskupují do větších celků, a tak vytvářejí tzv. fotovoltaické panely (moduly). Spojením několika panelů vznikají fotovoltaické pole (systémy) s požadovaným výstupním elektrickým výkonem a napětím.

Pro lepší představu, pokud je intenzita slunečního záření 1000 W/m2, fotovoltaický (polykrištalický) panel s rozměry 1690 x 990 mm vyrobí přibližně 250Wp (Wp = maximální možný výkon kolektoru), standardně s výstupním elektrickým napětím od 12 V do 24 V. Na výrobu 1 kWp (tedy 1000 Wp) potřebujeme panely o ploše cca 6–8 m2. Pokud budeme mít doma panely s takovou plochou, můžeme pokrýt přibližně 1/3 roční spotřeby elektřiny průměrné domácnosti.

Panely se z důvodu dosažení vysoké životnosti ukládají do hermeticky uzavřených obalů, z vrchní strany uzavřených průhledným tvrzeným sklem. Tato úprava chrání panely před povětrnostními vlivy s udávanou životností 20 až 30 let.

Typy fotovoltaických panelů

V dnešní době jsou nejrozšířenější fotovoltaické panely vyráběny z křemíkového materiálu. Různým zpracováním křemíku lze vyrobit monokrystalické, polykrystalické, ale i amorfní fotovoltaické články.

V současné dobou jsou nejpopulárnějšími panely polykrystalické, které se na rozdíl od monokrystalických vyrábějí z článků vyrobených z několika krystalů křemíku. Ve srovnání s monokrystalickými jsou levnější a z hlediska výroby jednodušší. Dosahují však o něco nižší účinnost, která je maximálně 21 %. V případě monokrystalických článků účinnost dosahuje až 25 %, avšak vysoká efektivita jednoho článku nezaručuje efektivitu celého panelu. Monokrystalické články mají tvar mnohoúhelníku, takže nepokrývají plně povrch panelu, což výrazně snižuje jejich výstupní elektrický výkon. Posledním typem v současné době komerčně vyráběného fotovotaického článku, je článek na bázi amorfního křemíku. Jejich účinnost je nižší než v případě mono – a polykrystalických panelů, v závislosti na druhu se pohybuje v rozmezí 8–14 %. I přes nižší účinnost je hlavní výhodou těchto panelů nižší hmotnost a cena. Proto vzhledem k jejich hmotnosti je možné tento typ panelů použít jednodušším způsobem např. na vnějších zdech budov.

Použití fotovoltaických systémů

Jak již bylo zmíněno, hlavním úkolem fotovoltaických systémů je přímá výroba elektrické energie. Využití fotovoltaických systémů je v současné době velmi široké i z důvodu velkého rozmachu této technologie na celém světě. Fotovoltaické systémy je možné využít různým způsobem, avšak mezi nejrozšířenější patří systémy autonomní (tzv. off-grid), bez nutnosti napojení na veřejnou elektrickou síť a systémy spojené s elektrickou sítí (tzv. on-grid).

Off-grid systémy se využívají např. k napájení pokusných solárních vozidel, zahradních svítidel, elektrických spotřebičů v horských chatách, k napájení měřicích přístrojů v meteorologických stanicích apod. V případě on-grid systémů je výstupní stejnosměrné napětí ve střídači transformováno na střídavé napětí 230 V/50 Hz a připojené na společný rozvod elektrické energie v domě. Výhodou tohoto systému je, že spotřebiče v domácnosti mohou fungovat nezávisle na vnějším osvětlení. Při dostatku slunečního záření jsou napájeny z fotovoltaického modulu, v noci odebírají energii z veřejné elektrické sítě.

I když objev fotovoltaického jevu sahá do roku 1839, až dnešní rozmach fotovoltaiky nám přináší možnost jejího využití v různých odvětvích. Fotovoltaika jako jeden z důležitých obnovitelných zdrojů energie nám dává možnost zvýšit podíl jejího využívání, a tím snížit zatížení planety naší přítomností.