Ako funguje fotovoltika? Z fotónov zo Slnka vzniká elektrina bez jediného pohyblivého dielu

Na strechu dopadne slnečné svetlo.

O niekoľko okamihov neskôr už môže elektrina zo solárnych panelov napájať chladničku, počítač, klimatizáciu alebo nabíjať elektromobil.

Bez turbíny.

Bez motora.

Bez spaľovania.

A prakticky bez pohyblivých častí.

Fotovoltický panel dokáže meniť energiu svetla priamo na elektrickú energiu. Celý proces pritom stojí na kvantovej fyzike, polovodičoch a jednom z najzaujímavejších javov modernej fyziky – fotovoltickom efekte.

Slnko na Zem neustále posiela obrovské množstvo energie

Slnko je gigantický termonukleárny reaktor.

V jeho jadre prebieha jadrová fúzia, pri ktorej sa vodík premieňa na hélium a uvoľňuje obrovské množstvo energie.

Tá sa šíri vesmírom vo forme elektromagnetického žiarenia.

Malá časť dorazí až k Zemi.

Slnečné svetlo nie je iba „svetlo“ v bežnom zmysle slova. Energia elektromagnetického žiarenia prichádza v kvantách, ktoré nazývame fotóny.

A práve fotóny sú prvým krokom pri výrobe elektriny vo fotovoltickom paneli.

Základom panelu je polovodič

Najbežnejším materiálom používaným vo fotovoltických článkoch je kremík.

Kremík patrí medzi polovodiče.

To znamená, že jeho elektrické vlastnosti sa nachádzajú niekde medzi vodičmi, ako je meď, a izolantmi, ako je sklo.

Samotný čistý kremík by však nebol pre fotovoltiku ideálny.

Preto sa jeho vlastnosti cielene upravujú pridávaním veľmi malého množstva iných prvkov.

Tomuto procesu sa hovorí dopovanie polovodiča.

Výsledkom sú dve vrstvy kremíka s odlišnými elektrickými vlastnosťami.

Jedna sa označuje ako typ N.

Druhá ako typ P.

Keď sa tieto dve vrstvy spoja, vznikne takzvaný PN prechod.

A práve tam sa začína diať tá zaujímavá fyzika.

Fotón môže uvoľniť elektrón

Keď na fotovoltický článok dopadne svetlo, fotóny odovzdávajú svoju energiu elektrónom v polovodiči.

Ak má fotón dostatok energie, môže elektrón uvoľniť z jeho pôvodnej väzby.

Vznikne voľný elektrón a takzvaná diera.

Vnútorné elektrické pole PN prechodu potom pomáha tieto nosiče náboja od seba oddeliť.

Elektróny sa začnú pohybovať jedným smerom.

Ak článok pripojíme do elektrického obvodu, vznikne elektrický prúd.

V podstate teda platí:

svetlo → pohyb elektrónov → elektrický prúd

Bez generátora.

Bez mechanického trenia.

Bez rotora.

Prečo jeden článok nestačí?

Jeden kremíkový fotovoltický článok vytvára iba relatívne malé elektrické napätie.

Preto sa veľké množstvo článkov elektricky prepája a vytvára fotovoltický modul – teda panel.

Panely sa následne môžu prepájať do väčších celkov.

Na streche rodinného domu môže byť napríklad desať či dvadsať panelov.

Vo veľkej solárnej elektrárni ich môžu byť desaťtisíce.

Elektrické vlastnosti systému závisia od spôsobu ich zapojenia.

Sériové zapojenie zvyšuje napätie.

Paralelné zapojenie zvyšuje dostupný prúd.

Panel vyrába jednosmerný prúd

Fotovoltické články prirodzene produkujú jednosmerný elektrický prúd – DC.

Domáce elektrické rozvody však používajú striedavý prúd – AC.

Preto fotovoltický systém potrebuje ďalšie zariadenie.

Menič, teda inverter.

Jeho úlohou je premeniť jednosmernú elektrinu z panelov na striedavú elektrinu vhodnú pre domácnosť a elektrickú sieť.

Moderný menič však robí oveľa viac.

Sleduje napätie.

Riadi výkon.

Vyhodnocuje podmienky na paneloch.

Komunikuje s batériou.

A často dokáže cez aplikáciu ukázať, koľko elektriny systém práve vyrába.

Čo je MPPT?

Výkon solárneho panelu nie je stále rovnaký.

Mení sa podľa:

• intenzity slnečného žiarenia,
• teploty,
• zatienenia,
• napätia,
• orientácie panelu.

Existuje určitá kombinácia napätia a prúdu, pri ktorej panel v daných podmienkach vyrába maximálny výkon.

Meniče preto používajú systém nazývaný MPPT – Maximum Power Point Tracking.

Elektronika prakticky neustále hľadá bod, v ktorom dokáže z panelov dostať čo najvyšší dostupný výkon.

Zaujímavý paradox: panely nemajú radi veľké teplo

Mohlo by sa zdať, že čím je väčšie teplo, tým lepšie fotovoltika funguje.

Nie je to tak.

Fotovoltické články milujú svetlo.

Nie nevyhnutne vysokú teplotu.

Pri stúpajúcej teplote článku obvykle klesá jeho elektrické napätie a tým aj maximálny výkon.

Preto môže mať panel počas chladného, ale veľmi slnečného jarného dňa výborné podmienky.

Naopak počas horúceho letného popoludnia môže byť samotný panel rozohriaty na desiatky stupňov nad teplotu okolitého vzduchu a jeho účinnosť mierne klesne.

Funguje fotovoltika aj keď je zamračené?

Áno.

Len vyrába menej elektriny.

Mraky časť slnečného žiarenia odrazia alebo pohltia, ale časť svetla stále dopadá na Zem.

Fotovoltické články preto produkujú energiu aj počas zamračenej oblohy.

Výkon však môže byť výrazne nižší než počas jasného slnečného dňa.

Pre ročný výnos elektrárne preto nie je dôležitá iba maximálna intenzita slnka, ale množstvo slnečného žiarenia počas celého roka.

Panel nepotrebuje priame slnko

Fotovoltika využíva aj rozptýlené svetlo.

Preto panel nemusí byť neustále osvetlený priamym slnečným lúčom.

Pri zamračenej oblohe sa svetlo v atmosfére rozptyľuje a na panel prichádza z viacerých smerov.

Samozrejme, najvyšší výkon dosiahne systém pri vhodnej orientácii a silnom priamom slnečnom žiarení.

Prečo je tieň taký problém?

Aj relatívne malé zatienenie môže výkon systému výrazne ovplyvniť.

Predstavte si sériu článkov zapojených za sebou.

Elektrický prúd musí prechádzať všetkými článkami v reťazci.

Ak je jeden článok silno zatienený, môže obmedzovať prúd celej série.

Preto majú panely zabudované takzvané bypass diódy.

Pomáhajú obísť zatienenú časť panelu a znižujú straty výkonu.

Pri komplikovaných strechách sa používajú aj výkonové optimizéry alebo mikroinvertory.

Tie umožňujú jednotlivým panelom pracovať nezávislejšie.

Prečo panel nepremení všetko svetlo na elektrinu?

Keby solárny panel dokázal premeniť 100 % dopadajúcej slnečnej energie na elektrinu, energetika by vyzerala úplne inak.

V praxi to však nejde.

Časť svetla sa odrazí.

Časť sa premení na teplo.

Niektoré fotóny majú príliš malú energiu na uvoľnenie elektrónu.

Iné majú energie viac, než dokáže kremíkový článok efektívne využiť, a prebytok sa stratí najmä vo forme tepla.

Existujú aj fundamentálne fyzikálne limity toho, akú účinnosť môže jednoduchý polovodičový článok dosiahnuť.

Preto sa vedci snažia vyvíjať viacvrstvové články, nové polovodiče a ďalšie technológie.

Monokryštalické verzus polykryštalické panely

Na strechách dnes dominujú najmä monokryštalické kremíkové panely.

Spoznáte ich často podľa tmavého až čierneho vzhľadu.

Vyrábajú sa z veľmi kvalitnej kryštalickej štruktúry kremíka a bežne dosahujú vysokú účinnosť.

Polykryštalické panely boli v minulosti veľmi rozšírené.

Ich články tvorí viacero kryštalických oblastí a často mali typický modrastý vzhľad.

S rozvojom výroby však monokryštalická technológia postupne získala výraznú prevahu.

Čo znamená účinnosť panelu?

Ak má panel účinnosť napríklad 22 %, znamená to, že za štandardizovaných podmienok dokáže približne 22 % energie dopadajúceho žiarenia premeniť na elektrickú energiu.

Vyššia účinnosť neznamená automaticky, že panel bude za rok vyrábať dvojnásobok elektriny.

Výhodou účinnejšieho panelu je najmä to, že dokáže z rovnakej plochy strechy dostať vyšší výkon.

To je veľmi dôležité tam, kde je plocha obmedzená.

Čo sa deje s elektrinou, ktorú nespotrebujeme?

Systém môže fungovať niekoľkými spôsobmi.

Ak domácnosť práve vyrába viac elektriny, než spotrebúva, prebytok môže:

ísť do batérie,

byť odovzdaný do distribučnej siete,

napájať ohrev vody,

nabíjať elektromobil,

alebo sa výroba môže podľa konfigurácie systému obmedziť.

Najefektívnejšie je vo všeobecnosti spotrebovať čo najväčšiu časť vyrobenej energie priamo v čase jej výroby.

Tomu sa hovorí vlastná spotreba.

Batéria nerobí elektráreň výkonnejšou

Toto je časté nedorozumenie.

Batéria nevyrába elektrinu.

Iba ju skladuje.

Počas dňa môže uložiť prebytok zo solárnych panelov.

Večer alebo v noci sa uložená energia použije na napájanie domácnosti.

Batéria teda zvyšuje schopnosť domácnosti využívať vlastnú elektrinu.

Nezvyšuje však množstvo slnečnej energie, ktoré dopadne na panely.

Čo sa stane v zime?

V zime je problémom predovšetkým kratší deň a nižšia poloha Slnka nad horizontom.

Výroba preto môže byť podstatne nižšia než v lete.

Samotný chlad panelom neprekáža.

Práve naopak – z elektrického hľadiska im nízka teplota môže pomôcť.

Ak je však panel pokrytý hrubou vrstvou snehu, svetlo sa k článkom nedostane a výroba môže dočasne klesnúť prakticky na nulu.

Solárne panely postupne degradujú

Fotovoltický panel nevyrába po tridsiatich rokoch presne rovnaký výkon ako v prvý deň.

Materiály postupne starnú.

UV žiarenie, teplotné cykly, vlhkosť a mechanické namáhanie spôsobujú pomalú degradáciu.

Moderné panely sú však navrhnuté na veľmi dlhú prevádzku.

Výkon neklesne zo 100 % na nulu.

Degradácia prebieha postupne.

Aj po desiatkach rokov môže panel stále produkovať významnú časť pôvodného výkonu.

A čo energetická návratnosť?

Pri výrobe panelu sa samozrejme spotrebuje energia.

Treba vyťažiť suroviny.

Vyrobiť kremík.

Vyrobiť sklo.

Hliníkový rám.

Elektroniku.

Panel potom dopraviť a nainštalovať.

Fotovoltická elektráreň však počas svojej prevádzky vyrába elektrinu celé desaťročia.

Energia potrebná na jej výrobu sa preto počas životnosti systému vykompenzuje a panel následne vyrába mnohonásobne viac energie, než bolo potrebné na jeho výrobu.

Je fotovoltika úplne ekologická?

Nie.

Žiadny energetický zdroj nemá nulový environmentálny dopad.

Fotovoltické panely potrebujú:

suroviny,

energiu na výrobu,

dopravu,

infraštruktúru,

recykláciu.

Ich hlavná výhoda však spočíva v tom, že počas samotnej výroby elektriny nepotrebujú spaľovať palivo.

Nevznikajú teda lokálne spaliny ako pri uhoľnej alebo plynovej elektrárni.

Budúcnosť môže patriť tandemovým článkom

Vedci sa snažia prekonať obmedzenia klasických kremíkových článkov.

Jedným z najsľubnejších smerov sú tandemové články.

Namiesto jedného polovodiča používajú viac vrstiev schopných efektívnejšie využívať rôzne časti slnečného spektra.

Často sa spomína kombinácia kremíka a perovskitových materiálov.

Myšlienka je jednoduchá.

Jedna vrstva využije jednu časť energie slnečného svetla.

Druhá zachytí inú.

Výsledkom môže byť vyššia účinnosť bez nutnosti zväčšovať plochu panelu.

Fotovoltika je vlastne kvantová elektráreň na streche

Keď sa pozrieme na solárny panel, vyzerá veľmi jednoducho.

Sklo.

Tmavé články.

Hliníkový rám.

Káble.

Pod povrchom však prebieha neuveriteľne elegantný fyzikálny proces.

Zo Slnka dorazí fotón.

Ten odovzdá energiu elektrónu.

Vnútorné elektrické pole polovodiča nasmeruje jeho pohyb.

Vznikne elektrický prúd.

Menič ho upraví na elektrinu použiteľnú v domácnosti.

A to všetko bez spaľovania jediného gramu paliva.

Fotovoltický panel tak patrí medzi najzaujímavejšie príklady toho, ako sa fyzika, ktorá bola kedysi predmetom vedeckých laboratórií, dostala priamo na strechy našich domov.