Využívání obnovitelných zdrojů energie je na vzestupu. Spolu s tímto vývojem přicházejí i zásadní pokroky ve schopnosti tyto zdroje účelně "vytěžit". Nejperspektivnějším čistým zdrojem energie je bezesporu slunce, jednou z možností, jak jeho energii zpracovat, je přeměnit ji v energii elektrickou. Fotovoltaické panely jsou dnes dostupné prakticky každému, běžně nabízené typy a jejich výhody představí následující text.
Fotovoltaický jev
Přímá přeměna slunečního záření v elektrickou energii je umožněna tzv. fotovoltaickým jevem. Zařízení, v němž k přeměně dochází, se nazývá solární (fotovoltaický, sluneční) článek. Jeho základem je tenká křemíková destička s vodivostí typu P. Na ní se při výrobě vytvoří tenká vrstva polovodiče typu N, obě vrstvy jsou odděleny tzv. přechodem P-N. Osvětlením článku vznikne v polovodiči vnitřní fotoelektrický jev a v polovodiči se z krystalové mřížky začnou uvolňovat záporné elektrony. Na přechodu P-N se vytvoří elektrické napětí, které dosahuje u křemíkových článků velikosti zhruba 0,5 V. Energie dopadajícího světla se v článku mění na elektrickou energii. Tyto elektrony vytváří v elektrickém obvodu stejnosměrný elektrický proud, který je pomocí měniče přeměněn na proud střídavý, tak aby vyhovoval parametrům distribuční sítě. Ačkoliv připadají v úvahu i jiné materiály, články se dnes vyrábějí především z křemíku, různým zpracováním křemíku lze vyrobit monokrystalické, polykrystalické a amorfní fotovoltaické články. Jednotlivé články rozměru cca 12 × 12 cm se dále spojují ve fotovoltaické panely, jejich velikost záleží na dalším použití a bezpečné manipulaci.
Nominální výkon
Nominální výkon fotovoltaických panelů je udáván v jednotkách Watt peak (Wp). Je to výkon vyrobený solárním panelem při výkonnostním testu. Panel je testován při energetické hustotě záření 1000 W/m2 při 25 °C a světelném spektru odpovídajícím slunečnímu záření po průchodu bezoblačnou atmosférou Země. Watt peak je v podstatě jednotkou špičkového výkonu panelu za ideálního letního dne.
Umístění panelů
Zvláště v oblastech, kde doba a úhel přímého slunečního záření není optimální, což je případ ČR, je třeba věnovat velkou pozornost správnému umístění panelů. Základní tři možnosti, které se nabízejí, je instalace panelů na plochou střechu, na sedlovou střechu a na speciální otočné stojany na volné ploše - "trackery". Klimatické podmínky a orientace plochy, kterou chceme solárními panely osadit, budou hrát klíčovou roli při výběru optimálního typu panelu.
Typy panelů
Nejrozšířenější jsou dnes panely monokrystalické a polykrystalické (technologie tlustých vrstev), které mají nejlepší výkon na jednotku plochy, ten ale prudce klesá při zatažené obloze. Naproti tomu panely s amorfním křemíkem (technologie tenkých vrstev) si udržují stálý výkon i v rozptýleném světle, pro získání stejného množství energie však potřebují dvojnásobnou plochu než panely s krystalickým křemíkem. Novinkou jsou amorfní trubicové systémy, které se snaží kompilovat výhody všech předcházejících typů.
Monokrystalické panely (technologie tlustých vrstev)
Výroba
Monokrystalický křemík má jednotnou strukturu, která je dosažena tím, že se monokrystal nechá vyrůst ve speciálních tancích za přesně řízených podmínek. Výsledkem je křemíkový ingot, který připomíná obrovskou nábojnici. Monokrystalický křemík je zdrojem pro výrobu solárních článků, ale také mikroprocesorů. Ingoty se rozřežou na tenké destičky (maximálně 0,3 mm), na kterých se pak leptáním vytvoří textura (destička zmatní a lépe pohlcuje světlo). Destička se poté dopuje fosforem, čímž se vytvoří polovodivý P-N přechod, vybaví se antireflexní vrstvou nitridu (článek získá tmavě modrou barvu) a vodivou pastou se sítotiskem vyrobí metalizace na zadní i přední straně. Poté se článek vypálí (sintruje) - vytvoří se vodivé propojení metalizace s křemíkem.
Použití
Vzhledem k nejvyššímu instalovanému výkonu na m2 je tento typ ideální na šikmé střechy orientované k jihu a pro instalaci na trackery, které se v průběhu dne otáčí a udržují si optimální úhel k slunečním paprskům. Nevýhodou je jejich požadavek na maximum přímého záření a citlivost na správnou orientaci. Současný výkon se pohybuje mezi 180-250 W. Životnost je udávána 30 let (odvozeno jen z laboratorních testů), po uplynutí 10 let je garantován 90% výkon, po 25 letech dávají výrobci garanci 80% výkonu.
Polykrystalycké panely (technologie tlustých vrstev)
Výroba
Polykrystalický křemík vzniká lisováním odřezků křemíku. Ingoty se lisují většinou do tvaru kvádru, který je mnohem jednodušší na další zpracování. Články polykrystalického křemíku mají sice nižší účinnosti (14 % oproti 16 % u monokrystalického), ale zase mají větší účinnost při osvětlení ze strany, takže jsou vhodnější pro instalace, které jsou nepohyblivé.
Použití
Využití je obdobné jako u monokrystalických panelů, rozdíly v účinnosti jsou v našich zeměpisných podmínkách vzhledem ke skutečné roční výtěžnosti zanedbatelné. Přesné nastavení polohy není tak kritické. Zásadní nevýhoda mizivého výkonu při zastínění platí i zde. Od monokrystalických se vizuálně liší zřetelnou strukturou krystalů křemíku.
Ploché amorfní panely (technologie tenkých vrstev)
Výroba
Moduly z amorfního křemíku jsou vyráběny tak, že je ve vakuové komoře při teplotách kolem 200 °C napařováním nanášena vrstva amorfního křemíku na skleněnou tabuli. Podkladovým materiálem nemusí být nutně sklo, ale i plasty nebo kovové folie. Zatímco krystalické články mají tloušťku cca 0,3 mm, amorfní křemík je nanášen ve vrstvě nepřesahující 0,001 mm, proto tenkovrstvá technologie.
Použití
Účinnost těchto článků je citelně nižší, pohybuje se v rozmezí 8 až 9 %. Pro stejný instalovaný výkon je potřeba přibližně 2× větší plocha, než kolik by jí bylo potřeba při použití monokrystalických nebo polykrystalických modulů. Celoroční výnos je ovšem o 10 % vyšší, protože amorfní články zpracovávají mnohem širší spektrum slunečního svitu. Využívají tudíž v mnohem větší míře difúzní záření. Pořizovací náklady na měrnou jednotku výtěžnosti jsou u tohoto typu panelů nejnižší. Dochází u nich také k minimálnímu ovlivnění vlivem teploty a zastínění, což jim zvláště v našich zeměpisných podmínkách dává velké perspektivy do budoucna. Životnosti a garance výkonu vlivem stárnutí jsou srovnatelné s ostatními typy. Pro někoho může hrát pozitivní roli i lepší vzhled amorfních panelů, které jsou takřka rovnoměrně černo-hnědé.
Amorfní trubicové systémy (technologie tenkých vrstev)
Výroba
Tento systém představuje v současné době největší roční zisk z instalované kilowatthodiny. Patentovaný tenkovrstvý fotovoltaický materiál použitý v solárních modulech SOLYNDRA® je diselenidem směsí mědi, india a gallia (CIGS). Aby zůstal jejich výkon trvale zachován, jsou trubice solárních modulů hermeticky uzavřeny. Těsnění ze skla a kovu na konci každé trubice spolehlivě brání vniknutí vlhkosti, což zaručuje spolehlivost, odolnost a účinnost fotovoltaického systému. Trubice těchto solárních modulů sestávají ze dvou v sobě uložených válců: Vnitřní válec obklopuje solární článek CIGS, jenž je sám chráněn speciální silikonovou tekutinou v meziprostoru a ve vnějším válci. Vnější válec láme dopadající světlo a vede je přímo ke článku – zcela bez ohledu na to, v jakém úhlu světelné paprsky na modul dopadají.
Použití
Oproti předchozím technologiím není tento trubicový systém konstruován jako panel, ale instaluje se pomocí speciální konstrukce na ploché nebo mírně skloněné střechy opatřené reflexním nátěrem nebo podložkou. Ve velké míře dokáže zhodnotit difusní záření a rovněž přijímá přímé záření z různých úhlů. Přirozená cirkulace vzduchu mezi trubicemi snižuje jejich provozní teplotu. Rychlá a snadná instalace systému s nízkou vlastní hmotností bez nutnosti střešních prostupů patří k dalším výhodám.
Co si vybrat?
I přes velké naděje vkládané do tenkovrstvých technologií do budoucna, dominují dnes na světových trzích výrazně monokrystalické a polykrystalické panely, opodstatněné jsou zejména v oblastech s vysokým počtem slunečných dnů. V roce 2008 zaujímaly aplikace panelů s amorfním křemíkem pouze něco přes 4 % fotovoltaického trhu. I přes tento nevelký podíl stojí v podmínkách České republiky tenkovrstvé systémy se schopností využít rozptýlené světlo přinejmenším za důkladné zvážení.