These materials have been developed within the ESF project: Innovation and development of study field Nanomaterials at the Technical University of Liberec

Innovation and Development of Study Field Nanomaterials at the Technical University of Liberec

nano.tul.cz

Studijní program: Nanotechnologie

Studijní obor: Nanomateriály (organizuje prof. J. Šedlbauer, FPP TU v Liberci)

Preparation of semiconductor

nanomaterials

2013/2014

(prof. E. Hulicius, FZÚ AV ČR, v.v.i.,)

Fotovoltaika

Přímé využití sluneční energie v České republice

Eduard Hulicius

FZÚ AV ČR, v. v. i.

Upgrade 2014

Fyzikální čtvrtky, FEL- ČVUT, říjen 2009

Většina dat je z let 20072008 – Pačesova energetická komise

Sluneční energie:

Celkový zářivý výkon slunečního záření je 3,9 1026 W a životnost je

dostatečná. Na zemskou atmosféru dopadá 170 1015 W, od atmosféry se

odrazí 50 1015 W, sekundárně se vyzáří 80 1015 W, na zemský povrch

dopadne tedy 40 1015 W, což je asi o čtyři až pět řádů víc než lidstvo

nyní spotřebovává.

Z hlediska spektrálního (rozložení energie fotonů) jde o velmi široké

spektrum – od gama záření přes rentgenové, ultrafialové a viditelné až

po infračervené, včetně „tepelného“.

Na Zemi dopadne za rok v našich podmínkách průměrně 950 kWh/m2 –

1100 kWh/m2 energie (severní Čechy – jižní Morava). V jižněji

položených „pouštních“ oblastech (Sahara) to může být až třikrát víc.

V našich podmínkách by stávající výrobu elektrické energie v ČR (80

TWh/rok) pokrylo pokrytí asi 80 km2 při 100% účinnosti, přes 500 km2

při reálných 15% asi 1 500 km2 při nakloněných kolektorech.

Definice:

Jednotka výkonu Wp (Watt peak):

Nominální výkon fotovoltaických panelů je udáván v

jednotkách Watt peak (Wp), jde o výkon vyrobený solárním

panelem při standardizovaném výkonnostním testu, tedy při

energetické hustotě záření 1000 W/m2, 25°C a světelném

spektru odpovídajícím slunečnímu záření po průchodu

bezoblačnou atmosférou Země (Air Mass 1,5). Watt peak je

jednotkou špičkového výkonu dodávaného solárním zařízením

za ideálních podmínek, jde tedy přibližně o výkon dodávaný

panelem za běžného bezoblačného letního dne.

((na Wh je to asi 10% –15% u nás, jinde až 40%))

Přímými zdroji rozumíme:

A) Solární kolektorové systémy pro přípravu tepelné energie.

B) Solární zrcadlové systémy pro ohřev kapalin či plynů a následnou výrobu elektrické energie.

C) Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie.

Nebudu popisovat:

Pasivní využívání sluneční elektromagnetické energie pro ohřev (i klimatizaci) budov

pomocí speciální architektury.

Termofotovoltaické články (principiálně velmi podobné fotovoltaickým), které však pro

výrobu elektrické energie nevyužívají sluneční záření.

Biologické „fotosyntetické“ konvertory sluneční energie.

Ostatní zdroje též založené na sluneční energii, ale jaksi nepřímo (větrné, biomasa,

fosilní-uhlíkové. ...).

Nepopisuji zde ani „větrné sluneční elektrárny“, využívající proudění stoupajícího

teplého vzduch ohřátého při zemi sluncem pomocí zrcadel. (Jednak je to dost exotické a

také to spíš patří mezi větrné elektrárny.)

Stručné principy činnosti jednotlivých systémů

A Solární kolektorové systémy pro přípravu tepla

1) Standardní ploché kolektory

Sluneční elektromagnetické záření, prakticky všech vlnových délek, je

z velké části absorbováno a tepelná energie je odváděna kapalným

médiem na místo uskladnění či využití.

Ploché kolektory se skládají z dobře tepelně vodivých plechů se

zabudovanými trubkami (absorbér), skleněného pokrytí přední strany a z

tepelné izolace po stranách a za absorbérem. Mohou sloužit jako stavební

části budov a zabudovávají se do lehkého rámu z ocelového plechu,

hliníku nebo ze dřeva. Absorbér se ve většině případů skládá z mědi,

slitiny mědi a hliníku nebo z chromniklové oceli s černou vrstvou.

Tepelně dobře vodivé, časově stabilní a levnější umělé hmoty jsou zatím

hudbou budoucnosti.

Na zadní straně absorbéru jsou zabudovány teplonosné trubky, do

kterých se předává teplo generované absorbovaným zářením. V trubkách

proudí teplonosné médium, které teplo přebírá. Absorbér by měl být

schopen nejen dobře absorbovat dopadající energii, ale také co nejméně

této energie přeměněné na teplo vyzařovat zpět do jeho okolí.

Levné, velmi rozšířené, nevyžadují natáčení za sluncem. Moduly se

vyrábějí ve velikostech od jednoho do desítek m2. Záruka životnosti bývá

20 – 30 let, což je dostatečné z hlediska ekonomického, ale pro fasádní

prvky je to málo. Podstatné zlepšení je však pravděpodobné.

Kolektor Buderus Logasol SKN 3.0-w, má rozměry 2070 x 1145 x 9 mm,

hmotnost je 42 kg a cena celkem po slevě i s DPH 19% je 23 627,45 Kč.

Na trhu jsou ovšem i kolektory podstatně levnější. Někdy se vyrábějí i

podomácku.

2) Vakuové - trubicové i ploché (pro přípravu tepla)

Tyto sluneční kolektory využívají jako tepelnou izolaci ohřátého média

vakuum, vytvořené mezi dvěma skleněnými trubicemi. Proti klasickým

plochým kolektorům mají vyšší účinnost, a to zejména v nepříznivých

klimatických podmínkách. Na vnitřní trubici je nanesena selektivní

absorpční vrstva, na které dochází ke přeměně energie slunečního záření

na tepelnou. Vzniklé teplo se odvádí speciálními hliníkovými lamelami

do měděných trubiček, ve kterých proudí teplonosná kapalina, nebo tato

kapalina proudí přímo vnitřní skleněnou trubicí s absorpční vrstvou.

Existují i ploché vakuové kolektory, které jsou směrově selektivní a hůře

izolují (vyztužovací spojky, inertní plyn). Jsou ale levnější než trubicové.

Velmi účinné i v horších podmínkách, ale dražší, choulostivější a

pravděpodobně s nižší životností. Trubice lze sice měnit, ale může být

problém těsnosti a životnost (pokles výkonu)?

Cena: Tecnotrade: 13 430,- Kč (bez DPH) za panel 2,5 m2 (2007/8)

Deklarovaná životnost: na bázi Al - 20 let;z nerezu – 30 let.

Výkon: 800 kWh/rok/m2 .Zdroj: http://www.itest.cz/solar/vermos.htm.

Největší solární termické systémy v ČR jsou na hotelu DUO v Praze na

Proseku - plocha vakuových trubicových kolektorů je 588 m2 a na

koupališti v Rusavě u Zlína (550 m2). Instalace na hotelu vznikla bez

dotace i úvěru. Viz http://www.solarniliga.cz/primat.html (2007/8)

3) Koncentrační, natáčecí (pro přípravu tepla)

Jejich hlavní výhodou je znásobení energetického toku na co nejmenší

absorbér, který má díky svým rozměrům daleko menší ztráty a rychlejší

ohřev náplně, než by měl běžný plochý absorbér. Tímto je dosaženo

vyšších provozních teplot i v zimním období nebo při značně

proměnlivém počasí. Další nezanedbatelnou výhodou je to, že m2 plochy

odražeče je levnější než m2 běžného kolektoru.

Dají se rozdělit na ty které koncentrují záření využitím lomu světla

(čočky) a na ty, které ke koncentraci využívají odraz (od tzv.

koncentračních zrcadel či odražečů).

Výhody: Vysoká účinnost i při nízkých vnějších teplotách (díky nízkým

tepelným ztrátám a velkému energetickému toku), celoroční provoz

využitelný pro ohřev teplé užitkové vody, účinný provoz od východu do

západu slunce, efektivní provoz i při proměnlivém slunečním svitu.

Nevýhody: Nutnost natáčecího systému pro sledování slunce, větší

nároky na prostor, nezužitkují difusní záření.

4) Teplovzdušné kolektory (pro přípravu tepla)

Teplovzdušný kolektor je solární zařízení, které slouží k přitápění

objektů v přechodném období. Jedná se o solární panel k přímému

ohřevu vzduchu. Sluneční záření se při dopadu na absorbér mění na

teplo a ohřívá vzduch uvnitř kolektoru. Při zahřátí vzduchu nad 33°C

se automaticky uvádí do provozu ventilátor, který ve spodní části

kolektoru nasává chladný vzduch z objektu a vhání do místnosti

vzduch ohřátý.

Jejich cena je přibližně dvojnásobná oproti klasickým plochým

kolektorům, nicméně instalace teplovzdušných kolektorů nevyžaduje

žádné teplovodní rozvody ani akumulaci vyrobeného tepla, takže jejich

použití může být v některých případech výhodnější, současně je ale

ztráta možnosti akumulace velkou nevýhodou. Deklarovaná životnost

teplovzdušných kolektorů je přibližně 20 let.

4) Koncentrační kolektory na bázi lineární Fresnelovy čočky

Jde o koncentrační sluneční kolektory jako víceúčelové zařízení, v němž

jsou skloubeny prvky aktivního i pasivního solárního systému.

Základním konstrukčním prvkem je koncentrátor slunečního záření -

lineární Fresnelova čočka, vyráběná ze skla metodou kontinuálního lití.

Dvojskla s lineární Fresnelovou čočkou osazená do hliníkových nebo

dřevěných zasklívacích rámů jsou pak součástí střešního pláště a

nahrazují střešní krytinu.

Lineární Fresnelova čočka soustřeďuje přímou složku slunečního záření

do lineárního ohniska, kde se nachází absorbér z hliníkového profilu s

vyvložkovanou měděnou trubkou, na kterém dochází k přeměně

koncentrovaného slunečního záření na teplo. To je z absorbérů odváděno

teplonosnou kapalinou. Se změnou polohy slunce na obloze se musí

měnit i poloha ohniska Fresnelových čoček. Z toho důvodu je rám s

absorbéry pohyblivý a řídící elektronika kolektoru natáčí absorbéry tak,

aby vždy nacházely v místě maximální koncentrace slunečního záření,

tedy v ohnisku čoček.

Osvětlovací funkce kolektoru - střešní plášť nad místností je

transparentní (průsvitný) a do prostoru pod kolektorem tak prochází

sluneční záření. Jeho energeticky významná část - přímá složka je

čočkou zkoncentrována a pohlcena na absorbérech. Interiér je tak

rovnoměrně osvětlen pouze rozptýleným světlem bez kontrastních

stínů a není vystaven světelným "šokům", které způsobuje proměnlivá

oblačnost.

Klimatizační funkce tohoto typu kolektoru - energeticky významná

přímá složka slunečního záření je zkoncentrována Fresnelovou čočkou

na pohyblivé absorbéry a na jejich černém povrchu je přeměněna na

teplo. Ve formě ohřáté teplonosné kapaliny může pak být zhruba 60%

energie přímé složky slunečního záření odvedeno mimo osvětlovaný

prostor, nad kterým jsou nainstalovány kolektory. Tento jev významně

přispívá ke snížení energetické zátěže interiéru pod kolektorem,

zejména v letních měsících.

Příprava teplé užitkové vody - teplo, které vzniká na černém povrchu

absorbérů fototermální přeměnou koncentrovaného slunečního záření je

odváděno protékající teplonosnou kapalinou a prostřednictvím

výměníku tepla je předáváno do akumulační nádrže nebo do bojleru.

V porovnání s výkonovými parametry klasických plochých kolektorů

vychází koncentrační kolektor Solarglas SG1 na přibližně trojnásobek

ceny (vztaženo k metru čtverečnímu plochy). Koncentrační kolektor

však není plnohodnotným kolektorem, jde především o prosvětlovací

stavební prvek, funkce slunečního kolektoru (tedy výroba tepelné

energie) je až sekundární.

Všechny tyto systémy (popsané v části 2.1.) se hodí pro lokální

vytápění či ohřev vody. S výhodou je lze umísťovat na střechy či stěny

budov. Jsou ekonomicky výhodné.

Jejich další rozvoj však též velmi záleží na estetickém vnímání

památkářů, architektů a stavebníků-investorů.

B Solární zrcadlové systémy pro ohřev různých látek a následnou

výrobu elektrické energie

V absorbéru - kotli - vzniká přehřátá pára nebo horký plyn a

prostřednictvím konvenčního parního cyklu nebo vysokoteplotního

teplovzdušného cyklu se vyrábí elektrický proud. Na 100 MWp je

třeba 0,9 km2 zrcadlové plochy, umístěné na 3,8 km2 celkové rozlohy

(na naší rovnoběžce). Účinnost je i ve slunných oblastech pouze 15-

20 %. Zbytek jsou ztráty v přenosu záření od zrcadel na ohřívané

médium a při přeměně na elektřinu a energie potřebná k pohánění

systému otáčivých zrcadel. Zařízení pro výrobu páry a elektrické

energie je stejné jako u klasických elektráren.

1) Pomocí parního cyklu.

Sluneční záření, soustředěné sběrači, se v absorbéru přemění na teplo

a teplonosná kapalina (např. roztavená sůl nebo olej a pod.) se zahřeje

na vysokou teplotu. V tepelném výměníku se předá teplo vodě, která

se přemění na páru pohánějící parní turbínu.

Základním prvkem jsou fokusační sběrače nebo heliostaty:

a) Žlabový sběrač - má tvar žlabu s parabolickým průřezem. V ohnisku

jednotlivých úseků parabolického žlabu je černá trubice s teplonosnou

kapalinou - absorbér. V trubici se kapalina zahřívá na teplotu několika

stovek °C. Pro zvýšení výkonu se kolektory spojují do větších soustav.

Sběrače je nutno natáčet za sluncem.

b) Diskový sběrač – je to obdoba parabolického automobilového

reflektoru. Sluneční paprsky se soustřeďují do plochého ohniska, kde je

umístěný absorbér. Kapalina zahřátá v absorbéru se potrubím odvádí do

místa dalšího využití. Má-li mít parabolické zrcadlo velký průměr,

sestavuje se z většího počtu vhodně sestavených menších zrcadel.

Parabola se opět musí natáčet za sluncem.

c) Heliostaty - skupina vhodně rozmístěných pohyblivých rovinných

zrcadel. Každé zrcadlo se během dne automaticky natáčí tak, aby

paprsky od něho odražené dopadaly na absorbér. Heliostaty se nejčastěji

používají k soustřeďování světla do ohniska tzv. slunečních pecí a

věžových slunečních elektráren.

Největší současné (2008) sluneční elektrárny žlábkového typu jsou

SEGS VIII v Kalifornii, s výkonem 30 MWp, která má celkem 1,5 miliónu

zrcadlových válcových desek s parabolickým ohniskem a Solar One

v Nevadě s výkonem 65 MWp.

Největší sluneční věžová-heliostatová elektrárna Solar One má výkon 10

MWp. Byla postavena v Kalifornii u města Barstow. Elektrárna je

zapojena do veřejné elektrické sítě jako špičková. Sluneční energie je zde

zachycována 1 800 velkými zrcadly o celkové ploše 40 hektarů (asi 70

fotbalových hřišť). Při zdejším velice vysokém ročním slunečním svitu

(2 645 kWhm-2, u nás je to méně než polovina) počítají provozovatelé

s roční výrobou 15 milionů kWh.

2) Pomocí teplovzdušného cyklu

Jde o použití solárního ohřevu pro Stirlingův nebo teplovzdušný motor

vyrábějící elektřinu.

Pracovní plyn je v těchto motorech ohříván ve výměnících teplem ze

solárních koncentrátorů.

Motor je složen ze dvou pístových strojů, opatřených nuceně ovládanými

ventily. První je kompresor, ve kterém je pracovní plyn stlačován na

požadovaný tlak. Po stlačení plyn vstupuje do ohřívače, kde je teplem

přivedeným zvenčí zahřátý na potřebnou teplotu a pak postupuje do

plynového motoru, kde expanduje a koná práci. Plyn po expanzi může

být odveden výfukem do atmosféry (otevřený cyklus) nebo může být

veden přes chladič, kde se ochladí na původní teplotu a vrací se zpět do

kompresoru. Pro podobné motory se vžil název teplovzdušné motory a

používá se dodnes, i když vzduch byl většinou nahrazen jinými plyny s

lepšími termodynamickými vlastnostmi.

Pravděpodobně největší realizace tohoto typu elektrárny je podle zpráv z

tisku připravovaná v USA, kde se bude sluneční elektrárna o celkovém

výkonu 500 MWp a uvažuje se, že výhledově může být její výkon zvýšen

až na 850 MWp. Stavba bude umístěna v pouštních oblastech jižní

Kalifornie a bude založena na jednotce o výkonu 25 kWp. To znamená, že

elektrárnu bude tvořit 20 000 jednotek pro dosažení celkového výkonu

500 MWp, respektive 34 000 jednotek pro dosažení 850 MWp. Výrobní

cena jednotky (Stirlingův motor se zrcadlovým kolektorem a s

příslušenstvím) je v současné době okolo 150 000 USD, ale při sériové

výrobě se předpokládá pokles ceny zhruba na jednu třetinu.

Spojení Strilingova motoru s heliostatem (Dish-Stirling) již bylo

ověřeno na prototypu o výkonu motoru 27 kW s výstupním výkonem

generátoru 12 kW. Donedávna tato kombinace držela světové

prvenství v největší účinnosti konverze sluneční energie na

elektrickou energii (35 %) mezi všemi solárními teplotními systémy.

Koncem dvacátého století byl zkušebně postaven takovýto malý

systém, který měl vyhovět místním potřebám. Schlaich, Bergermann a

Partner (SBP) postavili první Dishovu-Stirlingovu jednotku DISTAL

1 o výkonu 9 kW pro dlouhodobou zkoušku. Ta úspěšně splnila

vytyčené požadavky. Trvalý provoz od roku 1992 skončil po 29 000

hodinách v roce 1997.

V dalším, zlepšeném typu DISTAL 2 (tab. 1) byl Stirlingův motor

umístěn v ohnisku koncentrátoru, jehož průměr byl zvětšen na 8,5 m,

a tak bylo dosaženo výkonu asi 850 W/m2. Na povrchu přijímače

tepla (obr. 3) byla teplota 820 °C, teplota pracovního plynu – helia –

při tlaku 15 MPa byla asi 650 °C.

Okamžitý výkon těchto typů elektráren popsaných v odst. 2.2 lze

odvodit od polohy slunce, plochy zrcadel, ztrát na nich, reflexních

ztrát absorbéru a účinnosti parogenerátorového cyklu. Celkový výkon

záleží, jako u jiných typů solárních elektráren, na délce a síle

slunečního svitu.

Životnost (a pokles výkonu) záleží na prostředí (prašnost, abrazivnost

- zrcadla) a odolnosti materiálu vystavenému velkým tepelným šokům

(absorbéry).

Výhodou jsou standardní parametry vyráběné elektřiny (napětí,

střídavý proud) a staletími ověřený, bohužel však stále málo účinný,

parní cykl.

Hodí se do míst stálého a intenzivního slunečního svitu a s nízkou

hustotou osídlení. Vyžadují několikanásobně větší plochu než je jen

aktivní plocha zrcadel (kvůli natáčení). Hodí se na velké systémy.

Znovuobjevení možnosti využít Stirlingův motor pro generaci

elektřiny však umožňuje použití v menších systémech a dává naději

na další zvýšení účinnosti.

C Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické energie

Fotovoltaické/fotoelektrické systémy přeměňují sluneční energii přímo

na elektrický proud. Sluneční články fotoelektrických zdrojů využívají

jak přímé, tak difúzní, plošné i koncentrované sluneční záření. Stávající

účinnost při přímém osvětlení je 1 až 42 %, teoretická mez pro složité a

drahé vývojové mnohovrstvé články je přes 60%, u současných cenově

dostupných článků je to typicky kolem 15% (fungují i při difúzním

osvětlení, to ale příkon i výkon řádově klesne). Životnost bývá udávána

20 až 30 let (výjimečně i výrazně kratší), záruky výrobců jsou podobné

(možná spoléhají na „morální“ zastarání „čipů“).

Z hlediska poměru cena/výkon je nyní nejvhodnější a nejpoužívanější

materiál na fotovoltaické články pro pozemské účely křemík. Využívá se

v řadě modifikací – monokrystalický, amorfní, poly- i nano-krystalický.

Monokrystalický křemík absorbuje světlo o kratší vlnové délce než

zhruba 1 mikrometr (fotony o větší energii než zhruba 1,1 elektronvoltů),

to jest část infračerveného, celé viditelné a ultrafialové spektrum.

Absorbuje tedy větší část celého slunečního spektra.

Sluneční spektrum po průchodu atmosférou pod úhlem 48° od normály (tzv. spektrum

AM 1,5). Současně je vyznačena absorpční hrana krystalického křemíku.

Převzato od M. Vaněčka, FZÚ AV ČR, v. v. i., Brána pro veřejnost

Dopadá-li na křemík foton o energii menší než 1,1 elektronvoltu (eV

je energie, kterou získá elementární náboj jednoho elektronu

potenciálovým spádem 1 voltu), projde křemíkem a není absorbován.

Když je jeho energie větší než 1,1 elektronvoltů (tato energie

odpovídá šířce zakázaného pásu, a tedy absorpční hraně křemíku) pak

je tento foton absorbován a v polovodiči vznikne jeden volný elektron

a jedna volná díra. Energetický rozdíl mezi energií dopadajícího

fotonu a šířkou zakázaného pásu se přeměňuje na teplo a je hlavním

důvodem, že teoretická účinnost jednoduchého článku v planární

konfiguraci nepřesáhne 30%.

Aby sluneční článek sloužil jako zdroj proudu, musí se v něm nastat

oddělit elektrony a díry. FVČ nemůže být homogenní polovodič, ale

skládá se z části mající elektronovou vodivost (materiál typu n,

například křemík s příměsí fosforu) a části mající děrovou vodivost

(materiál typu p, například křemík s příměsí boru).

Pásové schéma p-n přechodu krystalického křemíku za osvětlení (energie fotonů hν) s

vyznačením hran vodivostního (Ec) a valenčního (Ev) pásu, šířky zakázaného pásu (Eg),

Fermiho hladin v polovodiči typu n i p a oblasti existence vnitřního elektrického pole

(prostorového náboje). Voc je napětí vzniklé následkem osvětlení p-n přechodu.

Na přechodu p-n dojde vlivem přítomného elektrického pole

k oddělení díry a elektronu a na přívodních kontaktech vznikne napětí

Voc (v případě křemíku je to 0,5-0,6 V) a připojíme-li ke kontaktům

spotřebič, protéká jím elektrický proud. Ten je přímo úměrný počtu

absorbovaných fotonů a tedy i ploše celého slunečního článku.

Fotovoltaický sluneční článek (FVČ ) je tedy polovodičová dioda

(přechod p-n) má velkou plochu (decimetry až metry čtvereční) a tenký

spodní celoplošný kovový kontakt (reflektor) a vrchní kovový kontakt

(mřížku, hřeben) zabírající jen 4-8% plochy článku, aby nestínil.

Obrázky i text podle M. Vaněčka

http://www.fzu.cz/texty/brana/fotovoltaika/slunecni_energie.php

Informace ze SOLARTECu říjen 2009: vrchní kontakty - 3%. Pokusy

s jednostrannými kontakty (proleptané a difundované díry) – 1%.

1) Materiály pro různé typy FVČ,

jak podle druhů podložek (rozhodují o ceně) na kterých se připravují,

tak i podle materiálů (rozhodují o účinnosti) v nichž dochází ke

konverzi optické energie na elektrickou.

a) Křemíkové desky

- Řezané Si monokrystalické desky (substráty)

Podložky se připravují rozřezáním monokrystalických Si (c-Si) ingotů

(průměr až 20-30 cm, délka přes metr).

Přechod p-n se přímo v monokrystalickém materiálu připraví difusí

vhodných prvků (obvykle bor a fosfor či arsen) za vysokých teplot

(kolem 1 000°C). Další postup – kontaktování, fotolitografie,

zažíhávání, příprava proudových přívodů, kontaktování a konstrukce

celého modulu využívá standardních postupů polovodičové

mikroelektroniky. Je poměrně drahý a neslibuje možnost příliš

razantních úspor.

Celý tento postup je stále relativně drahý a vyžaduje hodně drahého

základního materiálu (11 g Si/Wp). Ceny v r. 2007 na výrobu Wp byly

mezi 4-5 USD (z toho 1 USD za podložku, 2 USD za výrobu FVČ (i

s marží) a 2 USD za modul (i s marží)). S dalšími 2,5 USD je třeba

počítat na systém. Při nákladech 10 USD/Wp vychází cena za v oblasti se

silným slunečním svitem na 21-33 USC/kWh podle velikosti elektrárny

(500 kWp - 2 kWp), v oblasti se slabým svitem (případ ČR) je to 42-82

USC/kWh. Očekávaný vývoj ceny Wp do roku 2015 je pokles až pod

2 USD/Wp. V případě úspěšného zavedení osmipalcové technologie

(průměr výchozího monokrystalu) až k 1,4 USD/Wp, viz. [2].

Celosvětová kapacita produkce FVČ založených na Si substrátech, které

v posledních letech tvoří asi 80-90% produkce všech FVČ, je asi 4,5

GWp. Víc než polovinu produkce mají čtyři firmy (Sharp – 20%, Q-Cells

– 15%, Suntech – 9% a Sanyo – 7%), další třetinu má osm firem

s produkcí od 3 do 5%. Toto platilo v roce 2007, každý rok se ale podíly

dost mění viz. [2].

- Přímo připravené tenké Si podložky (většinou polykrystalické)

Tyto se připravují tak, že roztaveným Si se protahuje (asi 1 m/hod)

uhlíkový pás na který Si krystalizuje (existuje řada variant – dvojitý

pás, trubka a pod.). Pak se uhlík odstraní a máme k dispozici dva tenké

(pod 200 m), široké (decimetry) a dlouhé pásy (metry), ze kterých se

připravují FVČ podobně jako z monokrystalického Si.

Výhody: poloviční spotřeba Si (6g Si/Wp) oproti monokrystalickým.

Nevýhody: nižší účinnost konverze (15% lab. 12,7% komerční) i horší výrobní

výtěžnost, problémy s kontakty a pravděpodobně i nižší životnost (vše je dáno

polykrystaličností).

Rozhodující producenti (2007): Evergreen Solar, Schott Solar, SolarForce (F),

CGE – Alcatel, Philips, BP Solar and FCUL (Port.).

Pravděpodobné technologické trendy: užití suchého leptání (plazmatické?)

pro větší výtěžnost a nižší náklady.

Investice do továrny na výrobu tenkovrstvých FVČ je asi 2,3 MUSD/MW, což

je o 30% méně než do továrny na výrobu monokrystalických FVČ viz. [2].

Pozor to nejsou celkové náklady na elektrárnu, ale jen jejich zlomek.

b) Monokrystalické podložky z materiálů AIIIBV, převážně GaAs,

InGaAs, nebo GaSb

Sloučeninové polovodiče se označují AIIIBV respektive AIIBVI, kde A a B

představuje typ atomu a II, III, V a VI jsou sloupce v periodické tabulce

prvků.

Princip funkce je podobný jako pro Si. Jen absorpce je různá (dáno

absorpční hranou materiálu, tj. šířkou zakázaného pásu polovodiče) a

lze připravovat heterostruktury a tudíž tandemové články, které

postupně absorbují většinu slunečního záření a dávají různá napětí od

jednotek do desetin voltu a tím lépe využijí energii slunečního záření.

I jednoduché, homogenní sloučeninové materiály však dosahují

vzhledem k dobré kompatibilitě se slunečním spektrem vysokých

účinností (GaAs – 28% a InP – 22%). Ve srovnání s Si FVČ mají tyto

materiály kromě vyšší účinnosti podstatně lepší poměr Wp/kg, aktivní

oblast jen několik mikronů (díky vyšší absorpci), vyšší napětí, nižší

proud, lepší radiační odolnost, menší odpor, menší teplotní koeficient.

Jen jsou podstatně dražší!

Potřebují totiž dražší podložky (GaAs, Ge) a nákladnější výrobní proces

(epitaxní technologii). Možnost a výhodnost využití koncentrátorů tuto

nevýhodu poněkud snižuje. Tyto FVČ totiž lze s výhodou provozovat

s fokusačními koncentrátory (obvykle 1000 „sluncí“). Výrazně se tím

uspoří polovodičový materiál a FVČ při tomto vyšším zatížení, mají

vyšší účinnost. Tím se celý systém zlevní, ale je třeba sledovat pohyb

slunce, což systémy poněkud komplikuje (spolehlivost, životnost,

údržba) a asi 1% získané energie se spotřebuje na natáčení.

Existuje a lze vyrobit velké spektrum materiálů s různou šířkou

zakázaného pásu, lze tedy vytvářet tandemové cely (několik různých

materiálů na sobě) a tak účinně pokrývat velkou část slunečního spektra

bez ztráty fotonů, nebo napětí na článcích.

Tyto materiály vykazují nejvyšší účinnost konverze – laboratorně je

současný rekord 41,3%, komerčně přes 30% a teoretická mez je přes

60%. FVČ z těchto materiálů vyrábějí hlavně firmy Spectrolab

(Boeing) a Emcore.

Komerční výroba je v současnosti jen pro kosmické aplikace, pro

pozemní aplikace jsou FVČ zatím příliš drahé. Vzhledem k odlišnému

slunečnímu spektru ve vakuu a na Zemi se struktury FVČ pro různé

aplikace poněkud liší, ne snad materiály, ale tloušťkami jednotlivých

vrstev.

Sluneční spektrum po průchodu atmosférou pod úhlem 48° od normály (tzv. spektrum

AM 1,5). Současně je vyznačena absorpční hrana krystalického křemíku.

Převzato od M. Vaněčka, FZÚ AV ČR, v. v. i., Brána pro veřejnost

Struktura a materiály tří typů tandemových FVČ – se třemi, pěti a šesti

částmi pro co nejúplnější využití spektra slunečního záření. Podle [2].

Intenzivní výzkum a vývoj probíhá na mnoha pracovištích:

- Spectrolab (Boeing) (space & terrestrial cells) (US), Emcore (space

& terrestrial cells, bypass diodes, bought Tecstar) (US), RWE Space

Solar Power GmbH (GaInP/GaAs/Ge cells, Si cells) (DE), Isofoton

(ES), Saturn JSC (Russia), ARIMA Opto (LED maker, diversification

project) (TW), Japan Energy (JP), Spire (US), Essential Research

(R&D services) (US), NREL (US), IMEC (BE), Fraunhofer ISE (DE),

University of Delaware ($ 53 M DARPA founded project, including

BP Solar, Dupont, Corning and Emcore) (US), Hitachi Research

Center (JP), IOFFE Physico-technical Institute (Russia), EMDL

(Ohio University) (US), Radboud University (thin film III V cells)

(NL), Hahn Meitner Institute (DE), SolFocus (US).

Je otázkou zda i třeba velmi razantní snížení laboratorní ceny čipu

takových to FVČ může vést k levné masové výrobě. Vzhledem

k relativní vzácnosti některých prvku (hlavně In, a to nejen na trhu,

ale i v zemské kůře),by velmi pravděpodobně rychle došlo k podobné

situaci jako s nesrovnatelně hojnějším křemíkem, kde se ještě řadu let

bude řešit „úzké hrdlo“ masové výroby Si-FVČ – výroba

monokrystalů i polykrystalů. V případě Si to bude vyřešeno asi do

roku 2015, ale pro sloučeninové polovodiče, i když koncentrátory

snižují materiálové požadavky ve srovnání s křemíkem o tři řády, by

to mohlo trvat desetiletí.

Freiburg, Germany. At 39.7%

efficiency for a multijunction solar cell,

researchers at the Fraunhofer

Institute for Solar Energy Systems

ISE in Freiburg have exceeded their

own efficiency record of 37.6%, which

they achieved in July of this year. The

result was reached using

multijunction solar cells made out of

III-V semiconductors. III-V

semiconductor multijunction solar

cells are used in concentrating

photovoltaic (PV) technology for solar

power stations.

30. září 2008

Fraunhofer ISE Researchers Achieve 39.7% Solar Cell Efficiency

Photo of the world record solar cell

made of

Ga0.35In0.65P/Ga0.83In0.17As/Ge

with a cell area of 5.09 mm².

Press Release 01/09, 14.01.2009

World Record: 41.2% efficiency reached for multi-junction (3)

solar cells at Fraunhofer ISE, Freiburg, Dr. F. Dimroth 2009

Researchers at the Fraunhofer Institute for Solar Energy

Systems ISE have achieved a record efficiency of 41.1% for

the conversion of sunlight into electricity. Sunlight is

concentrated by a factor of 454 and focused onto a small

5 mm² multi-junction solar cell made out of GaInP/GaInAs/

Ge (gallium indium phosphide, gallium indium arsenide on a

germanium substrate).

2010 – 42,8% USA, A University of Delaware-led consortium has

received Defense Advanced Research Projects Agency funding to

double the efficiency of terrestrial solar cells within 50 months.

The record for multiple junction solar cell is disputed.

Teams led by the University of Delawar, the Fraunhofer

Institut for Solar Energy Systems, and NREL all claim

the world record title at 42.8, 41.1, and 40.8%,

respectively [4][5][6]. Spectrolab also claims commercial

availability of cells at nearly 42% efficiency in a triple

junction design; the cost is breathtaking. NREL claims

that the other implementations have not been put under

standardized tests and, in the case of the University of

Delaware project, represents only hypothetical

efficiencies of a panel that has not been fully assembled

[7] NREL claims it is one of only three laboratories in the

world capable of conducting valid tests, although the

Fraunhofer Institute is among those three facilities.

Metamorphic multi-junction solar cells, which are a special type of solar

cells using III-V semiconductor compounds.

These cells are made out of thin Ga0.35In0.65P and Ga0.83In0.17As

layers on GaAs or Ge substrates.

These materials are especially suitable for converting sunlight

into electricity. They can be combined together, by applying a trick

called metamorphic growth. In contrast to conventional solar cells, the

semiconductors in these cells do not have the same lattice constant.

This makes it difficult to grow the III-V semiconductor layers

with a high crystal quality, since at the interface of materials with

different lattice constants strain is present that results in the creation of

dislocations and other crystal defects. It is necessary to localize the

defects in a region of the solar cell that is not electrically active.

As a result, the active regions of the solar cell remain relatively

free of defects – a prerequisite for achieving the highest efficiencies.

The high efficiency multi-junction solar cells are used in

concentrating photovoltaic systems for solar power stations in

countries with a large fraction of direct solar radiation.

Dr. Andreas Bett, Department Head at Fraunhofer ISE:

“The high efficiencies of our solar cells are the most effective

way to reduce the electricity generation costs for concentrating

PV systems, we want that photovoltaics becomes competitive

with conventional methods of electricity production as soon as

possible. With our new efficiency results, we have moved a

big step further towards achieving this goal!”

c) Tenké vrstvy na skleněných či polymerních podložkách

- Amorfní křemík

Amorfní polovodiče se z hlediska uspořádání na blízkou vzdálenost příliš

neliší od monokrystalických, chybí však dokonalá periodicita na velkou

vzdálenost, také pásová struktura se v mnohém liší. Většina optických i

elektrických parametrů je horší než u monokrystalů. To, že nemají

dokonalou monokrystaličnost však umožňuje jejich přípravu na mnohem

levnější nekrystalické podložky a také jednodušší přípravu tenkých

vrstev. Také lze využít odlišné absopce v a-Si.

Na skleněnou desku (3 mm silné standardní ploché sklo) se

pomocí „tenkovrstvých“ technologií (např. napařením, naprášením,

laserovou ablací, …) nanese průhledný a vodivý kontakt, na něj tenká

struktura z amorfního křemíku (a-Si) s P-I-N přechodem, pak další

průhledný vodivý kontakt, krycí ochranná vrstva a celou strukturu FVČ

z a-Si uzavírá zadní sklo. p-n přechod se v těchto strukturách

nepřipravuje difusí, ale materiál se leguje přímo při růstu.

Účinnost těchto FVČ je velmi nízká (od 3 do 5%) a ani životnost není

dobrá, je také třeba počítat s počátečním rychlým poklesem na 80%

původní účinnosti. Cena je však velmi nízká a lze snadno a rychle

vyrábět relativně velké plochy FVČ.

- Hybridní – tandemové FVČ z amorfního a polykrystalického Si

Mírně komplikovanější a výrobně jen nepatrně dražší jsou hybridní

systémy, když se do struktury FVČ z a-Si přidá vrstva

mikrokrystalického, přesněji až nanokrystalického křemíku (-Si).

Podstatně se tím však zvýší účinnost konverze sluneční energie na

elektrickou. Běžně se dosahuje hodnot přes 10%. Příčinou je to, že se

vykryje větší část slunečního spektra.

Levnější a lehčí polymerní materiály použitelné jako podložka se

ještě zatím vyvíjejí.

Praktické realizace: V roce 2007 firma Sunfilm (DE) zahájila

v Drážďanech stavbu produkční továrny na 60 MWp. Firma Q-Cells

hodlá v r. 2009 realizovat produkci 25 MWp, která má být v r. 2010

rozšířena na 100 MWp [2]. Plány firmy Sharp jsou impozantní z 15

MWp v roce 2007 na 6 GWp(!) v roce 2011 [7].

Vykrytí slunečního spektra a struktura hybridního tandemového FVČ

z amorfního a polykrystalického Si. Podle [2].

- Materiály AIIBVI

V současné době hlavně CdTe/CdS.

Struktura těchto FVČ je principiálně podobná jako je popsáno

u c-Si. Aktivní oblast je však z mnohem více absorbujícího CdTe/CdS,

může být tedy mnohem tenčí. Běžně se dosahuje účinnosti 11-12%.

Způsobů přípravy aktivní vrstvy je řada – plynné depozice,

napařování, sublimace, elektrodepozice – a jsou poměrně levné. Je

možné nanášet strukturu i na polyimidový film (klesne ovšem o 1%

účinnost). CdTe/CdS FVČ mají vyšší účinnost než křemíkové FVČ i

při zatažené obloze.

Tento materiál není příliš používán, neboť se jeho výrobou nezabývá

žádná velká průmyslová firma a také je velká obava z toxicity kadmia,

přestože CdTe i CdS jsou stabilní sloučeniny.

CuInSe (CIS) a Cu(In,Ga)Se, Cu(InGa)(S,Se)2 (oboje se označuje

zkratkou CIGS).

Kombinací různých materiálů se dosáhla vysoká účinnost - 19,3% při

velmi nízké cenně – 1 USD/Wp. Vysoký měrný výkon - 1000 W/kg a

lepší radiační odolnost dokonce i než mají FVČ z AIIIBV, je činí

vhodnými pro aplikace ve vesmíru. Jejich homogenně černá barva a

stálost může být výhodou při použití na povrchových pláštích budov.

Další výhodou je i rychlá návratnost investice. Firma Antec Solar má

roční výrobní kapacitu 10 MWp. Očekává se renesance tohoto

materiálu (zvlášť v USA) a v některých prognózách [2] se v roce 2015

očekává více než dvacetiprocentní podíl tohoto matriálu na celkové

výrobě fotovoltaických materiálů.

Nevýhody: Na trhu není dostatek standardní produkce těchto FVČ

(není velký výrobce). Překážkou mohou být i požadavky na bezpečnost

(zdravotní závadnost kadmia). Vážnou překážkou je i nedostatek zásob

a zdrojů In, tudíž jeho vysoká (a kolísavá) cena.

- Barvivem aktivované (Dye Senzitized) materiály na skle či

polymeru

Princip konverze energie je podobný prvnímu kroku fotosyntézy.

Světlo je absorbováno monoatomární vrstvou barviva , které je na

povrchu polovodiče (obvykle TiO2, použití nanočástic TiO2 podstatně

zvyšuje aktivní objem FVČ). Foton excituje v barvivu (např.

ruthenium-polypyridin) elektron, ten přechází do polovodiče, který je

spojen s jednou elektrodou (průhledný SnO2) a kladný náboj přechází

přes elektrolyt s oxidačně redukčním potenciálem (kapalina – na bázi

iodidů, gel, či pevná látka – vodivý polymer) na druhou elektrodu (Pt

a SnO2).

Tyto materiály byly vyvinuty relativně nedávno (1991, M. Gratzel, B.

O´Regan, EPFL Lausanne), existuje řada prototypů z různých

materiálů a od letošního roku i hromadná výroba – firma G24i

otevřela ve Walesu (UK) výrobní linku s potenciálem roční produkce

30 MWp ročně. Očekávaná velká výhoda je láce, dostupnost všech

materiálů a obejití současného nedostatku Si.

Kompletní struktura FVČ založeného na absorpci v barvivech na

polovodičích. Podle [2].

Velký problém je životnost a stárnutí těchto FVČ, pokud se připravují

na PET fólie. Životnost může zlepšit použití gelu (místo kapaliny) jako

elektrolytu. Také účinnost je stále nižší než u FVČ na bázi Si

(dosahuje jen 6-7%), je zde ale potenciál na její zvýšení přes 10%.

Despite the impressive development of dyes and high efficiencies

achieved for dye sensitised solar cells, it is recognized that new

sensitising concepts and materials can lead to the next cell

generation. The workshop Semiconductor Sensitised Solar

Cells aims at extensive discussion of alternative sensitises like

quantum dots, nano-structures and thin absorbers.

Solar cells based on nanoscale semiconductor sensitisers such as

quantum dots and ultrathin absorber layers, have recently

received considerable attention. This workshop Semiconductor

Sensitized Solar Cells aims at extensive discussion of

alternative, inorganic sanitizers for dye sensitised solar cells.

- Organické a hybridní

Na rozdíl od FVČ z anorganických polovodičů, kde k rozdělení

záporných a kladných nosičů náboje (elektronů a děr) může dojít na p-

n přechodu i v homogenním materiálu (Si) je u organických FVČ třeba

dvou odlišných materiálů (s různou šířkou zakázaného pásu).

Možností je několik: Polymer-polymer; polymer-fulleren;

polymer-anorganická látka.

Světelný foton generuje v organickém polovodiči (polymeru)

polaron (vázaný pár elektron-díra), který se na heterorozhraní

uvedených odlišných materiálů rozpadne na elektron a díru, které jsou

odvedeny na příslušné elektrody – viz obr. č. 8. Tak vznikne napětí a

případně i proud.

Princip činnosti a schéma struktury FVČ založeného na absorpci na

polymerech. Podle [2].

Potenciální výhody těchto FVČ (snadná a velmi levná výroba,

ohebnost a malá váha modulů), však v současné době znehodnocují

zásadní nevýhody – malá účinnost - obvykle je u jednoduchých (a

tedy potenciálně levných) materiálů, kolem 1-2%, jen u složitých

sofistikovaných tandemových cel je to asi 6%. Velkým problémem je

krátká životnost, přesto ale existují aplikace, ale jsou omezené na

produkty krátkodobého použití (např. obaly) nebo vojenské využití.

Je možné, že se objeví nové materiály, nebo převratná úprava

stávajících a tyto problémy odpadnou.

Komerčně tyto systémy vyrábí firma Konarka.

A new material (represented by the dots in [b]) makes it

possible to convert more of this light into electricity. Instead of

reflecting back out of the solar cell, the light is diffracted by one

layer of the material (larger dots). This causes the light to re-

enter the silicon at a low angle, at which point it bounces

around until it is absorbed.

Better solar: In conventional solar cells

(a), light enters an antireflective layer

(yellow) and then a layer of silicon

(green) in which much of the light is

converted into electricity. But some of

the light (solid arrows) reflects off an

aluminium backing, returns through the

silicon, and exits without generating

electricity.

Nejen o účinnosti, ale i různé triky:

Obecné shrnutí

Díky výrazné podpoře fotovoltaiky z veřejných zdrojů rostl trh

s FVČ začátkem tohoto století o 30% ročně, v roce 2004 dokonce o

60%, pak nastal útlum kvůli nedostatku kapacit výroby čistého Si

(který se široce používá i v mnoha jiných oblastech elektroniky,

vyrábí se také méně kvalitní metalurgický křemík – asi 300 milionu

kg). V r. 2006 byla celková produkce křemíku elektronické

(polovodičové) kvality 38 milionu kg, z toho polovina pro FVČ.

V roce 2008 se očekává výroba 75 Mkg, z toho 53 Mkg pro FVČ.

Nové produkční kapacity budou k dispozici v r. 2009 a dá se

očekávat další růst produkce FVČ, ale jistá nerovnováha mezi

nabídkou Si a poptávkou po něm má trvat do r. 2015. V ČR,

v Českých Velenicích má od roku 2008 firma Arsira HIC vyrábět 1,5

Mkg polovodičového křemíku z metalurgického.

Cena prvních panelů z FVČ byla nad úrovní 150 USD/Wp, od 70.

let cena s rostoucím objemem výroby a vývojem technologie klesala

až na dnešní cenu přibližně 3-4 USD/Wp. Což je stále relativně

vysoký investiční náklad. Uvádí se, že cena, která by byla

konkurenceschopná s klasickými zdroji je asi 1 USD/Wp [2].

Vše je ovšem stále také závislé na dotační politice vlád. Japonsko

podle informace z [7], přestává dotovat fotovoltaiku, domácí

instalace stagnují (díky dobíhajícím dotovaným projektům) ale

výroba stále roste a vyváží se převážně do Německa, ale i do Číny a

dalších asijských zemí.

Přehled je uveden na následujících obrázcích.

Objem produkce kapacity FVČ v různých oblastech světa do roku

2006 v MW, podle [7].

Prognóza rozvoje fotovoltaického trhu v Japonsku do roku 2030 podle

jednotlivých aplikačních oborů v MW a v miliardách jenů, podle [7].

Energetická návratnost, materiálová dostupnost, životnost a

recyklovatelnost fotovoltaických panelů

Odhad aktuální energetické náročnosti výroby fotovoltaického panelu

s Si články o nominálním výkonu 100 Wp je včetně konstrukcí a

dalšího příslušenství a zařízení nutných pro jeho provoz na úrovni

přibližně 300 kWh. Takový panel za rok provozu vyrobí přibližně

100 kWh elektrické energie, energetická návratnost fotovoltaického

panelu je tedy okolo 3 let. Jsou ovšem i pesimističtější výpočty

založené na menších, starších již realizovaných systémech, které se

blíží dvaceti letům. Problém je totiž v tom, jak se počítá energetická

návratnost celého systému fotovoltaické elektrárny, např. včetně

nutného záskokového zdroje a stavebních úprav pro uložení

fotovoltaických panelů.

Výrobci poskytují na články 25-letou tzv. výkonnostní

garanci, kdy po 25 letech provozu článku bude jeho výkon na 80%

jeho nominálního výkonu. Články samotné mohou mít životnost delší

než 30 let.

Z hlediska materiálové náročnosti sluneční elektrárna spotřebuje

12krát více oceli než uhelná elektrárna a rovněž podstatně více než

elektrárna s lehkovodním jaderným reaktorem. Betonu spotřebuje

sluneční elektrárna 60krát více než elektrárna s lehkovodními

reaktory stejného výkonu, podle

(http://sf.zcu.cz/rocnik07/cislomm/1-7def.html).

Nezanedbatelná je i relativně velká spotřeba vzácných a málo

dostupných materiálů.

V některých případech jsou materiál vlastních článků (např.:

kadmium,arsen, berylium, fosfor) či látky použité při jejich výrobě

(např.: arsin, fosfin, silan, fullereny) jedovaté nebo rizikové pro

životní prostředí.

Přesto se recyklovatelnost pokládá za možnou, pro klasické

materiály tvořící podstatnou část FVČ systémů (sklo, železo, beton,

dřevo) za bezproblémovou (s jistou výhradou pro beton), u vlastní

polovodičové struktury je to složitější, pokud budou materiály jinak

dostupné, tak z ekonomických důvodů asi ne, ale skladování

nikterak nezatíží životní prostředí.

V práci [8] je velmi kvalifikovaně a důvěryhodně diskutována

materiálová dostupnost různých prvků na zemi pro potřeby

fotovoltaiky za předpokladu potřebnosti výroby 10 – 20 TW, aby se

nahradila produkce elektřiny z konvenčních zdrojů. To by

předpokládalo instalaci FVČ s kapacitou 50 – 100 TWp. Jako cílový

rok byl určen rok 2065. Závěr podrobné rozvahy je, že to je

z materiálového hlediska možné, i když by se muselo v r. 2065 vyrábět

jen na tento účel mnohonásobně víc různých materiálů než je jejich

současná celosvětová produkce (sklo, hliník, měď, plasty) a v případě

vlastních polovodičových struktur dokonce řádově víc než se

produkuje nyní (Si, Ge, Ag, In, Se, Ga, Mo, Te, Cd), přesto je

teoreticky většiny prvků dostatek, jen In a Te ne. To však nevylučuje

náhradu jejich podílu na produkci jinými materiály. Ekonomické

hledisko se nediskutovalo, ale z hlediska materiálové dostupnosti

prvků je i takto grandiózní cíl realizovatelný.

Zastoupení a prognóza pro jednotlivé systémy FVČ podle [2]:

Podíl na celkovém očekávaný jednotkové

objemu v r. 2005 růst výkony

Napojené na rozvodnou síť

Střešní/fasádové solární panely 73% 45-50% kWp

Solární panely integrované s budovami 5% ? kWp

Solární elektrárny 5% 20-25% k-MWp

Odlehlé (“ostrovní”) aplikace

Přímé napájení elektronických přístrojů 2% 15% mWp-Wp

Napájení zařízení mimo rozvodnou síť 8% 15-20% do200Wp

Domy a vesnice v rozvojových zemích 9% 20-25% do3kWp

Vesmírné aplikace od 1958 Pioneer 1 ? - -

Zhodnocení, komentář, prognóza

A) Solární kolektorové systémy pro výrobu tepelné energie

Reálně fungující decentralizované systémy. Výhodné i bez dotací. Vhodné

pro individuální (obytné i rekreační domy, bazény) i firemní (hotely,

koupaliště, nemocnice, úřady, podniky) aplikaci. Nezabírají novou plochu,

využívají se střechy i stěny staveb. Snižují náklady na otop a na ohřev vody.

Je možné i komplexní využití pro klimatizaci – dostatečně ohřáté médium lze

totiž využít i na chlazení – princip známe u sorpčních ledniček. Celý proces

je málo účinný, ale kolektory mohou fungovat i když je nadbytek slunečního

záření a nepotřebujeme teplou vodu.

Nevhodné a zbytečné pro centralizované velmi velké systémy,

protože rozvody tepla jsou drahé.

Nové materiály už příliš nezvýší účinnost, ale prodlouží životnost.

Budoucí sofistikované komplexní systémy s kvalitním a odolným

povrchem mohou zvýšit uživatelsky komfort (klimatizace odvodem tepla

z osluněné strany) a účelné architektonické začlenění může nejen snížit cenu

montáže, ale i fasádních i střešních prvků.

Přiznávám, že neznám přesné důvody proč se dosud nepoužívají

hybridní termálně-fotovoltaické systémy. Obvyklý v současnosti

používaný fotovoltaický článek přímo přemění na elektrickou energii

pouze 10 - 20 % solární zářivé energie, zbytek je nevyužitá tepelná

energie. Tyto hybridní systémy byly studovány již před více než třiceti

lety a o realizaci se dosud nic nepíše. Možná že cena hybridu je o dost

větší než cena dvou oddělených systémů a úspora plochy za to nestojí.

Možná, že fakt, že čím nižší je teplota FVČ, tím mají vyšší účinnost, je

limitující pro lepší účinnost tepelné části hybridních kolektorů.

Dotační a regulační politika: Existuje podpora SFŽP a i komunální.

Státní zásahy: Směrnice pro novou výstavbu budov? Cestou

doporučení, daňových úlev, příkazu na minimální plochu v nové

výstavbě (tam kde je to účelné)?? (Jako katalyzátory u aut?) Možná to

ale samovolně vyřeší růst cen energie. Nevím.

Jsem přesvědčen, že již do roku 2020 bude podstatná část užitkové

teplé vody ohřívána tímto způsobem a u nových staveb se bude

velkou měrou využívat i pro otop.

B) Solární zrcadlové systémy pro ohřev kapalin a následnou

výrobu elektrické energie

- jedna z variant „pouštních“ solárních elektráren.

Mají menší problémy se skladováním energie než fotovoltaické

elektrárny, protože ohřáté médium lze snadněji krátkodobě

„skladovat“ než elektrickou energii. Také se elektrárna neodpojí od

sítě tak rychle jako fotovoltaická, když se zastíní slunce.

Jedna z realizovaných elektráren v jižní Kalifornii se používá,

poněkud překvapivě, jako záložní špičkový zdroj, což eliminuje

nutnost skladování energie. (Denní špička v Kalifornii, patrně

vzhledem k nárokům na klimatizaci, je právě v době kdy svítí slunce.)

Velmi vtipné a dost účinné je využití Stirlingova typu motoru jako

generátoru elektřiny.

Problém s transportem energie na větší vzdálenost je stejný. Výhoda

standardní formy generované energie (střídavá, vyšší napětí) je

znehodnocena malou účinností.

Velkoplošné (už i jednotky km2) centralizované systémy narazí na

opačný problém než fotovoltaické, na významné „lokální“ ochlazení

krajiny, které opět bude provázet mocné proudění vzduchu. Toto však,

částečně a nechtěně, řeší několikanásobně (až čtyřikrát) větší zábor půdy

zrcadly vzhledem k nutnosti sledování slunce, než je aktivní plocha

elektrárny.

Domnívám se že tento typ elektráren je pro naše podmínky dost

nevhodný. Máme nižší celkový sluneční příkon, málo jasných dnů, častou

oblačnost, sněhové srážky, vysokou hustotu osídlení. Také nižší nároky na

klimatizaci u nás zhoršují možnost využití těchto elektráren pro pokrytí

špičkových odběrů.

C) Solární fotovoltaické systémy pro přímou výrobu elektrické

energie

Některé nové možnosti otvírá zavedení nanotechnologií – mikro/nano

křemík, fullereny v polymerech, barviva na nanočásticích TiO2,

nanotechnologie se v podstatě užívá i ve strukturách vysoce účinných

nekřemíkových sloučeninových polovodičů. To vše je fyzikálně

zajímavé a je to i technologická výzva. Reálně však stále celá desetiletí,

převládá křemík. Výzkum materiálů a struktur FVČ probíhá již přes

padesát let a i většina „nových“ nápadů je starší deseti let. Parametry

všech užívaných materiálů i struktur se jistě budou zlepšovat, možná se

objeví i nově podstatně lepší přístupy, ale výrazný průlom („break

through“) není na viditelném horizontu.

Malé i větší „ostrovní“ systémy, které zpravidla slouží k zajištění

elektrické energie pro dobíjení akumulátorů pro napájení světel a

svítidel, signalizačních systémů, televizí, rádií, notebooků, lednic,

čerpadel atd., mimo dosah sítí, jsou už dávno realizovány, úspěšně

slouží a budou se jistě rozvíjet.

O velkých elektrických energetických systémech v našich

podmínkách mám však silné pochybnosti. Obecně

nevylučuji, že stávající subprocentní podíl se zvýší na

procenta, nebo možná i ve vzdálenější budoucnosti

dosáhne deset procent.

Současný stav našich znalostí však neumožňuje přesný

odhad vývoje technologií a tudíž ani cen energie z FVČ.

Je možné odhadnout jisté rozmezí budoucího vývoje

(maximalistický x minimalistický, optimistický x

pesimistický) extrapolací z minulého vývoje a podle

odhadu budoucích potřeb omezeného reálnými či

dostupnými zdroji.

Podle velmi důkladné a prognosticky velmi korektní zprávy pro EU [9]

je rozvoj fotovoltaické energetiky v Evropě do roku 2020 velmi skrovný,

týká se to překvapivě i solárních termálních elektráren, které se již nyní

bouřlivě rozvíjejí v USA. V Evropě pro ně, s výjimkou Španělska a

Portugalska, asi skutečně nejsou podmínky.

Přesto to bude vyžadovat poměrně velké investice – viz. obr. č. 14. Pro

další desetiletí lze ovšem očekávat rychlejší rozvoj, daný nárůstem

investic i očekávanými objevy a inovacemi.

Optimistické závěry v práci [2] se týkají hlavně cen vlastních čipů FVČ,

ale jejich cena je podle stejných autorů pouhý zlomek nákladů (20-30%)

na celý fotovoltaický systém. A to se obvykle nepočítá cena půdy.

Rozbor nákladů na „deskový“ Si FVČ. Zleva: Si substrát; náklady na

čip; modul a systém. Vše v USD/Wp. Podle [2].

Většinou se při ideových projektech velkoplošných (v řádu čtverečních

kilometrů) fotovoltaických elektráren také neuvažuje problém

s ochlazením či přehřátím velkých území, které by mohlo způsobit

lokální klimatické změny, degradaci půdy, silné větrné proudění.

Fotovoltaické články totiž z principu musí být absorbující – černé, tím

se ale podstatně sníží odrazivost zemského povrchu a lokalita se ohřeje,

odvod tepla ve formě elektrické energie jinam, je násobně menší.

Kombinace fotovoltaické elektrárny se solární zrcadlovou je, která by

problém eliminovala je dost futuristická představa. Stejně jako fakt, že

vzestupné proudy vynesou vzhůru vzduch, který i značně „suchý“,

obsahuje vodní páru, která nahoře zkondenzuje a obloha se zatáhne.

Doporučoval bych „předběžnou opatrnost“. Tyto úvahy ale jdou mimo

rozsah tohoto příspěvku.

Předpoklad, že se při dostatečně velkých investicích „něco“ vylepší,

nebo dokonce objeví, je sice reálný, je třeba si ale uvědomit, že dnes

používáme v energetice poznatky objevené před desítkami let.

Velmi optimistické modely rezerv rozvoje decentralizovaných

fotovoltaických zdrojů na nevyužívaných a využitelných plochách

(např. [6]), nepočítají s délkou rozvodů, nutností spousty měničů,

ostrahou, nehodami, kroupami apod. Decentralizace zdrojů elektrické

energie tak může změnit celkové náklady na provoz i k horšímu.

Dotované ceny a dotace na výstavbu sice u nás vyvolávají silný rozvoj

výstavby solárních elektrických zdrojů, ale ve větším měřítku je to

dlouhodobě neudržitelné. Je nutné si uvědomit, že výkupní cena

energie (2007/8 = 13,46, nyní 12,86 (?) Kč/kWh), bude spíš

dvacetkrát než jen desetkrát vyšší, než je skutečná současná „tržní“

výkupní cena takovéto “nestálé” energie. Větší zdroj, který pracuje a

dodává do sítě, jen když svítí slunce nutně vyžaduje záskokové zdroje

stejné kapacity, nebo velmi dlouhé přenosové cesty pro propojení

vysokých výkonů, nebo nákladnou a ztrátovou akumulaci.

Fotovoltaická energie sama je téměř čistá, neuvažujeme-li ekologickou

stopu danou výrobou a likvidací velkého množství různých materiálů,

nebo nezanedbatelné ovlivnění lokálního klimatu (a to může být chyba,

není to zanedbatelné), tudíž se od stávající ceny fotovoltaické elektřiny

může odečíst tento „ekologický faktor“ (nebo selektivně přičíst k ceně

energie z klasických „špinavých“ elektráren). Toto jsou však úvahy

vhodné pro ekonomy, nebo spíše pro politiky.

Jako osobní poznámku bych si dovolil konstatování, že

trvalá neschopnost fyziků a techniků vyřešit tak prosté

problémy jako je účinná akumulace a levný transport

elektrické energie na velké vzdálenosti zvyšuje handicap

fotovoltaické energetiky natolik, že podobná neschopnost ve

věci obejití mizerné účinnosti parogeneračního cyklu

většiny konkurenčních elektráren fotovoltaiku nedokáže

favorizovat.

Literatura a odkazy

[1] Zpráva MPO 2006, Obnovitelné zdroje energie v roce 2006, Výsledky statistického

zjišťování

[2] Report Yole développement 2007

[3] Solartec http://www.itest.cz/solar/solar2007.htm#1

[4] http://www.solarniliga.cz/primat.html

[5] wiki o termofotovolt http://cs.wikipedia.org/wiki/Termofotovoltaika

[6] J. Motlík, O. Neumayer, T. Matuška, M. Šafařík, V. Stupavský, J. Štekl, V. Myslil, Asociace

pro využití obnovitelných zdrojů energie, PODROBNÉ BILANCE OBNOVITELNÝCH

ZDROJŮ ENERGIE, první etapa, prosinec 2007

[7] 4th Workshop on the Future Direct. of Photovoltaics 7th March 2008, Aogaku, Tokyo, Japan

[8] PV FAQs, National Renewable Energy laboratory, for US Dep. Of Energy, DOE/GO-102005-

2113, June 2005

[9] Huber C., T. Faber, R. Haas, G. Resch, J. Green, S. Ölz, S. White, H. Cleijne, W. Ruijgrok,

P.E., Morthorst, K. Skytte, M. Gual, P. Del Rio, F. Hernández, A. Tacsir, M. Ragwitz, J. Schleich,

W., Orasch, M. Bokemann, C. Lins: Final report of the project Green-X – a research project

within the fifth framework programme of the European Commission, supported by DG Research,

Vienna University of Technology, Energy Economics Group (EEG), 2004

Informace z října 2009 stav v ČR:

Už je v provozu 2583 různě velkých fotovoltaických (FV) elektráren.

Podpora výroby elektřiny z těchto elektráren z fondu pro obnovitelné

zdroje je 40% z celkového objemu (přičemž FV vyrábí jen 7%). Je to

víc než 1 GKč. V r. 2010 to budou 3 GKč.

Nyní tedy dáváme 5 haléřů z každé spotřebované kWh na FV, v r.

2010 to bude 15 hal. Je to tedy 10% ceny na 0,5% produkce.

Okolní státy též podporují FV, ale mají stanovený nucený výkup jen 9

Kč/kWh (my 13), což jejich podnikatelům zaručuje (!) státem

garantovaný zisk 7% a návratnost investice za 12 let. (Vypočtěte kolik

je to u nás?)

Kdo za to může? ERÚ, MPO, MŽP, parlament.

L. Niedermayer, Slunce, sviť!, Respekt 43 (2009) 33-35

6. Apendix

6.1 Termofotovoltaika - Předpokládané využití:

Použití sluneční energie a Použití jaderné energie:

6.2 Termoelektročlánky

6.3 Mimo-pozemská fotovoltaika

6.3.1 Fotovoltaické elektrárny na družicích a sondách

6.3.2 Fotovoltaické orbitální elektrárny

6.4 Solární systémy pro výrobu vodíku

6.4.1 Vysokoteplotní elektrolýza; účinnost; materiály; ekonomický potenciál

6.4.2 Fotosyntéza

6.4.3 Fotoelektrochemické cely

6.5. Skladování energie, Skladování tepla

6.6. Vandalismus a krádeže

Děkuji za pozornost

Termofotovoltaika - Je přímá přeměna tepelné energie na elektrickou.

Má překvapivě vysokou účinnost konverze (i přes 50%!). Nejsme zde

totiž striktně vázáni na dané energiové (barevné) spektrum zdroje jako u

slunce, ale můžeme úpravou povrchu zářiče a vhodně zvolenými filtry-

odražeči energie méně výhodné pro konverzi - výrazně zúžit spektrum

vhodné pro daný termofotovoltaický materiál a méně vhodnou část

zářivé energie vrátit zpět na zdroj tepla a tím podstatně zvýšit účinnost

celého procesu.

Baterie těchto článků o výkonu jednotek kW se připravují v Lincoln Lab.

V MIT zkoušejí se v experimentálních automobilech (zdroj tepla je

spalování zemního plynu – Viking 29

http://vri.etec.wwu.edu/viking_29.htm ) a jistě i v ponorkách (zdroj tepla

bude asi nukleární reaktor), kde by měl tento bezotřesový a účinný

způsob výroby elektrické energie nesporné výhody [5].

Další aplikace může být v kosmických sondách vyslaných mimo dosah

solární energie, kde by zdroj tepla byl vhodný radioizotop.

http://gltrs.grc.nasa.gov/reports/2005/TM-2005-213981.pdf

Není vyloučené ani potenciální využiti pro přímou výrobu elektrické

energie ve velkých elektrárnách, čímž by se obešel méně účinný parní

cykl tepelných či jaderných elektráren (který je patrně i méně

spolehlivý a má kratší životnost). Předpokladem je dostatečně vysoká

teplota zdroje a možností je současná výroba elektřiny klasickým

způsobem. Výsledek bude , že se zvýší účinnost celého procesu.

Srdcem generátoru je válec z wolframu, do kterého bylo vyleptáno

velké množství nepatrných otvorů. V něm je při vysoké teplotě

spalováno palivo (např. methan) a emitor se tak zahřívá na teplotu 900

– 1300 °C. Jeho povrch proto vyzařuje infračervené záření, které

prochází speciálním flitrem. Ten propouští jen vybrané vlnové délky,

zatímco zbytek odráží zpět, čímž se zvyšuje teplota válce a roste tak

účinnost celého procesu. Prošlé infračervené záření dále dopadá na

pole fotodiod, které přemění energii dopadajícího

elektromagnetického záření přímo na elektrický proud.

Předpokládané využití - jako s primárním zdrojem elektrické energie se

s termofotovoltaickým generátorem (TFV) zatím uvažuje především pro

menší jednotky, sloužící k zásobování elektřinou např. na odlehlých

místech a menších osadách. Nelze však pochopitelně vyloučit, že by ve

vzdálenější budoucnosti nahradil celé klasické nebo jaderné elektrárny.

V blízké budoucnost se nabízí praktické využití v automobilech.

Zpočátku by takový systém například mohl s výhodou nahradit běžné

alternátory a řešit některé problémy dieselových motorů. Hodí se i jako hlavní

zdroj energie pro hybridní vozy - v dalších etapách vývoje by jim mohl

posloužit jako čistý a úsporný zdroj elektrické energie. Stejně tak se nabízí

možnost využít TFV v klimatizačních jednotkách.

Viking 29 - patrně první komerčně využitelný osobní automobil s TFV

generátorem zkouší americký Institut pro výzkumu motorových vozidel (WTI)

pod názvem Viking 29. Jde o sportovně vyhlížející automobil s 8 TFV

generátory na zemní plyn, každý s výkonem přibližně 10 kW pracující při

teplotě asi 1 430°C a fotočlánky na bázi GaSb.

Vyrobená energie se ukládá do nikl-kadmiového akumulátoru a vlastní

pohonnou jednotkou je elektromotor o výkonu 53 kW.

Použití sluneční energie: Protože klasické solární panely jsou totiž

zatím značně drahé, je TFV generátor zajímavou variantou zlevnění

výroby elektřiny ze sluneční energie. K zahřátí generátoru se použije

sluneční světlo, soustředěné parabolickým zrcadlem do malého prostoru

v ohnisku zrcadla, v němž je umístěn emitor generátoru.

Použití jaderné energie: Zdrojem tepelného záření nemusí být

pouze slunce nebo klasický spalovací emitor. Při ohřevu emitoru teplem

z jaderného reaktoru by bylo možné značně zvýšit účinnost jaderných

reaktorů (pravděpodobně až nad 50%) a současně se taková jaderná

elektrárna obejde bez složitého a ekonomicky náročného sekundárního

okruhu. V mnohem menším měřítku by mohly také pracovat generátory,

využívající tepelnou energii při rozpadu některých radioizotopů a

sloužící pro výrobu elektřiny na kosmických sondách, pracujících ve

velké vzdálenosti od slunce nebo dokonce směřující až za hranici

sluneční soustavy.

Podle mého názoru může mít tento způsob výroby elektrické energie

budoucnost, ale ne jako centralizovaný, velkokapacitní, ale jako

„ostrovní“. Ceny jsou zatím pochopitelně konkurence neschopné.

6.3. Mimo-pozemská fotovoltaika

6.3.1 Fotovoltaické elektrárny na družicích a sondách

Ostrovní energetické fotovoltaické systémy družic a kosmických stanic

jsou již řadu let (od r. 1958 - Pioneer 1) realita o jejíž perspektivě se

nepochybuje. Využívají se materiály s vyšší účinností a odolnější vůči

radiaci proti níž je nechrání atmosféra. Technologické provedení musí též

zaručit odolnost vůči velkým změnám teploty při provozu. Vyšší cena

používaných tenkovrstvých materiálů (převážně typu AIIIBV) je

dostatečně kompenzována menší potřebnou plochou a tudíž i váhou.

6.3.2 Fotovoltaické orbitální elektrárny

Již řadu let se objevují plány na konstrukci fotovoltaických orbitálních

elektráren. FVČ by byly podobné těm na kosmických stanicích.

Výhody tohoto řešení jsou: vyšší účinnost FVČ než na zemi,

trvalý osvit článků, nezabíraly by půdu a malé problémy s vandalismem.

Nevýhody: Náklady na stavbu, problémy s dopravou energie na

Zemi (snad mikrovlnami v neabsorbujícím atmosférickém okně), obtíže

s opravami a problém s likvidací po ukončení provozu.

Zatím je to spíš Sci-fi.

Vandalismus a krádeže - nezanedbatelný problém. Cenné materiály, odlehlé místo,

velká plocha. Krádeže prý byly nejčastější příčina poruch experimentálních fotovoltaických ČEZ

elektráren mimo střežené prostory.

Pojištění, ostraha před vandaly a zloději zpeněžitelných materiálů zvýší náklady.

Jednou za deset dvacet let velké kroupy?

ZABEZPEČENÍ SOLÁRNÍHO PARKU

Kdyby se investor spoléhal jen na ochranu zmíněného svatého z nedalekého poutního místa,

optimismus by mu dlouho nevydržel. Jen hliníku je v konstrukcích použito na deset tun a celková

hodnota namontovaných panelů hravě přesáhla 60 miliónů korun. Proto vlastní instalaci

předcházelo důkladné oplocení pozemku. Vlastní zabezpečení je rozdělené na tři etapy -

dostatečně naddimenzovaný plot, infračervená čidla monitorující nežádoucí pohyb a ve finále i

specifická ochrana, o které iniciátoři zarytě mlčeli. "Pokud některý nenechavý zájemce jeden ze

tří stupňů ochrany poruší, může si být jist, že do pár minut bude mít v zádech ostrahu," shrnuje

Jančík.

I přes tato opatření je solární park samozřejmě pojištěn - proti škodám způsobeným živlem,

vandalismem a krádežemi. Podobně jako u předchozího projektu (60 kWp v Opatově na

Svitavsku), nebylo ani zde vyjednávání smlouvy s pojišťovnou jednoduché. Příprava pojistky,

která by pokryla veškerá rizika za únosných podmínek, trvala měsíce. "Byla to dlouhá cesta ke

kvalitnímu pojištění, ale nakonec se vyplatila. Cenu pojistky jsme upravili tak, aby lépe

korespondovala s ročními výnosy z prodané elektřiny," komentuje anabázi manažer. Dodejme, že

solární park v samotném srdci Slovácka je nakonec pojištěn u České podnikatelské pojišťovny a

související roční výdaje se pohybují na úrovni procent z ročních tržeb za prodanou elektřinu.

Fotovoltaika - jaká je nejlepší dostupná technologie?

Datum: 22.3.2010 | Autor: Milan Vaněček a Antonín Fejfar, Fyzikální ústav

Akademie věd ČR, v.v.i., Praha | Recenzent: prof. Ing. Vítězslav Benda, CSc.

V současném boomu instalací FV elektřiny se stává, že i do

laboratoří Fyzikálního ústavu AV ČR dostaneme otázku, jaký

fotovoltaický panel je nejlepší. Na takovou otázku není

jednoduchá odpověď. Ideální panel by měl mít především co

nejvyšší účinnost, která by nezávisela ani na teplotě, ani na

intenzitě osvětlení. Kromě toho by panel nedegradoval, obešel by

se bez údržby, byl co nejlehčí a přitom pevný a odolný. Takový

panel zatím nikdo nevyrobil (a to bez ohledu na možnou cenu).

Pokud není ideální volba, jaké možnosti se tedy nabízejí?

Dostupné technologie

Kritérií, na jejichž základě lze porovnávat dostupné technologie, je celá řada. Níže je

uveden jen výběr nejpoužívanějších. Předem je nutno říci, že do našich klimatických

podmínek se příliš nehodí fotovoltaické články s nejvyšší účinností (složené

multispektrální články na bázi polovodičů III-V) pro koncentrátorové systémy. Světový

rekord v účinnosti u těchto velmi drahých článků překročil hranici 40 % (viz obrázek).

Koncentrátorové systémy jsou výborné pro oblast bez mraků (například pouště), v

České republice by však využívaly jen asi polovinu dopadajícího slunečního záření.

Nejúčinnější komerčně dostupné panely jsou z monokrystalického křemíku od americké

firmy SunPower. Jedná se o jediný typ panelů, jehož účinnost se blíží 20 % (účinnost

jednotlivých monokrystalických křemíkových článků na tomto panelu je až 22 %).

Jednotlivé články i celý panel jsou celé černé, veškeré kontakty jsou na zadní ploše.

Panel, který by měl účinnost vztaženou na celkovou plochu 22% či více ještě nikdo

nevyrobil.

Nejlepší poměr účinnost/cena mají články z multikrystalického křemíku, které jsou v

současnosti na trhu nejrozšířenější. U těch již účinnost panelů v průmyslové výrobě

překročila 17 %, i když typické hodnoty jsou zatím nižší (okolo 15 %). Máme-li

omezenou plochu, na kterou můžeme tyto panely umístit, pak představují optimální

volbu.

Nejlevnější jsou tenkovrstvé fotovoltaické panely, jejichž výrobní náklady se v

současnosti dostaly pod magickou hranici 1 USD za Watt-peak. Účinnost tenkovrstvých

panelů je však ve srovnání s krystalickými zhruba poloviční, v mnoha případech i

hluboko pod 10 %.

Nejpomalejší degradace je u panelů vyrobených z monokrystalických článků.

Naprostá většina výrobců garantuje průměrný pokles výkonu o 0,8 % ročně (u

všech typů panelů). V praxi se však prokázalo, že pokles výkonu je u

monokrystalických panelů nižší. Nejstarší fotovoltaické elektrárny jsou v provozu již

25 let. Účinnost křemíkových tenkovrstvých panelů rychle klesá v prvním roce

života, následně se pokles účinnosti zpomaluje v podstatě na úroveň poklesu

účinnosti krystalických panelů. Proto se u tenkovrstvých panelů udává tato tzv.

stabilizovaná účinnost.

Nejdelší životnost dosud nemohla být určena. Jak je uvedeno v předchozím

odstavci, nejstarší větší realizace jsou pouze 25 let staré. Na rozhodnutí tohoto

kriteria si proto budeme muset několik desítek let počkat. Do té doby je však nutno

realizovat srovnávací instalace v různých klimatických oblastech. Předpokládá se,

že životnost většiny typů panelů bude podstatně vyšší .

Nejnižší teplotní koeficient výkonu je výhodný pro instalace, u nichž jsou

zhoršeny možnosti chlazení panelů. Jedná se zejména o panely integrované do

stavebních konstrukcí (BIPV - Building Integrated PhotoVoltaic). V tomto parametru

vedou tenkovrstvé technologie (amorfní křemík), u nichž je teplotní koeficient

přibližně poloviční (0,3 %/K) ve srovnání s krystalickým křemíkem (0,5 %/K).

Nejlepší energetická návratnost je u tenkovrstvých panelů, u nichž se v

současnosti v podmínkách České republiky pohybuje kolem 2 let nebo méně, na

jihu Evropy pak méně než 1 rok. Ale i údaj pro krystalické Si panely se neustále

snižuje, ze současných cca 3 let v našich klimatických podmínkách.

Historický vývoj účinnosti

Dosavadní vývoj účinnosti jednotlivých typů fotovoltaických

článků je patrný z následujícího obrázku.

Je však nutno podotknout že to jsou laboratorní články o malé

ploše, typicky 1 cm2 a že je vždy prodleva několika let něž se

dostanou do hromadné výroby.

A jako pravidlo, z důvodů co nejnižší výrobní ceny, se nikdy

nedosáhlo v průmyslové výrobě takové účinnosti jako v

laboratoři.

Poznámka recenzenta: ... je to stav v polovině roku 2009.

Upřesnění některých informací by vyžadovalo podstatně podrobnější rozbor,

... autoři ukazují, že fotovoltaika je velmi specifický obor, v němž na řadu otázek

neexistují jednoznačné odpovědi.

... v případě fotovoltaiky nejsou základní parametry používané u jiných zařízení

– účinnost a cena – pro optimální volbu dostatečné.

Zajímavým pokračováním tématu by mohl být článek, který by porovnal

dostupné technologie na základě uvedených kritérií z pohledu různých

zájmových skupin (výrobci, instalační firmy, investoři).

Stejně tak by mohla být zajímavá multikriteriální volba optimální technologie pro

konkrétní použití (na střechu, na fasádu, na zemi…).

Z hlediska efektivnosti fotovoltaických elektráren by bylo vhodné uvažovat ne

pouze FV moduly (do nedávna nejdražší část systému), ale rovněž BOS

(invertor, nosná konstrukce…), které se v současné době stávají limitujícím

faktorem.

prof. Ing. Vítězslav Benda, CSc.

Já bych byl ještě mnohem kritičtější, EH.

Current record of solar cell efficiency, 44.7%:

http://phys.org/news/2013-09-world-solar-cell-efficiency.html