4. FOTOVOLTAICKÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY. Čas ke studiu: 2 hodiny. Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět. Výklad. Historie solárního článku

4.

FOTOVOLTAICKÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY Čas ke studiu: 2 hodiny Cíl

Po prostudování tohoto odstavce budete umět

 se orientovat v historii technologií spojených s fotovoltaickým jevem a vyuţíváním energie slunečního záření a přeměně na elektrickou energii

 

popsat typy solárních fotovoltaických článků a technologii fotovoltaických solárních panelů orientovat se v problematice generátorů elektrické energie se solárními fotovoltaickými články a jejich infrastruktury

Výklad Fotovoltaika je obor, který se zabývá přeměnou energie slunečního záření na energii elektrickou. Na povrch Země dopadá sluneční záření s výkonem 1000 [W/m2]. Solární fotovoltaické články jsou schopny z tohoto záření vyrábět s účinností typicky 15 [%] stejnosměrný elektrický proud, který se pouţívá pro nabíjení akumulátorů nebo přímou spotřebu. Tato výrazně ekologická přeměna energie je k dispozici téměř v neomezeném mnoţství, neboť zdrojem energie je sluneční světlo. Fotovoltaické systémy jsou alternativním zdrojem, který nabízí ekologicky nezávadné, spolehlivé a jednoduché řešení dodávky elektrické energie v místech, kde není dostupná elektrická sít. Vzhledem k nízkým provozním nákladům a minimálním nárokům na údrţbu jsou velmi vhodné pro elektrifikaci chat, rekreačních objektů, jachet, karavanů, nabíjení akumulátorů či čerpání vody. Z průmyslových aplikací lze uvést například napájení měřících, řídících, komunikačních nebo zabezpečovacích systémů stabilních i mobilních. Pokud se jedná o výkony v rozsahu jednotek aţ stovek wattů, jsou náklady, zvláště při větších vzdálenostech od elektrizační sítě, mnohem niţší, neţ budování nové síťové přípojky. Při činnosti fotovoltaického systému nevznikají ţádné emise, odpady a hluk, které by zatěţovaly ţivotní prostředí. Jeho provoz nevyţaduje téměř ţádnou obsluhu a údrţbu.

Historie solárního článku Historie solárního článku se začala datovat rokem 1839, kdy francouzský experimentální fyzik Edmund Becquerel při pokusech s 2 kovovými elektrodami umístěnými v elektrovodivém roztoku zjistil, ţe při osvícení zařízení vzrostlo na elektrodách napětí: fotovoltaický efekt byl na světě. V roce 1877 byl objeven fotovoltaický efekt na selenu (W. G. Adams a R. E. Day) a vyroben první článek.

1 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

Důleţitým krokem v historii byl objev způsobu růstu monokrystalu křemíku polským vědcem Czochralským v roce 1918. Přestoţe byl fotovoltaický efekt postupně objeven i u jiných prvků (sirník kadmia, oxid mědi), křemík se ukázal jako nejvýhodnější. Za vynálezce křemíkového solárního článku bývá označován američan Russel Ohl (1941). Patent na “převaděč solární energie” dostali však 5. března 1954 D. M. Chapin, C. S. Fuller a G. L. Pearson, kteří o měsíc později předvedli křemíkové solární články s účinností 4,5 [%] a později 6 [%]. Další vývoj solárních článků urychlilo rozhodnutí pouţít je jako zdroj energie pro druţice Země. Účinnost článků postupně stoupá, v roce 1958 dosáhla 9 %. To uţ je postačující na to, aby první umělá druţice Spojených Států (Vanguard I), vypuštěná 17. března téhoţ roku, mohla být takovýmito články napájena (0,1 [W], rozměry cca 100 [cm2], druţice pracovala 8 let). Explorer VI,vypuštěný o rok později, měl uţ solárních článků 9 600 (1 x 2 [cm]). V roce 1960 se účinnost článků vyhoupla na “neuvěřitelných” 14 %. A tak první telekomunikační druţice, legendární Telstar, mohla být zásobena zdrojem o 15 (!) [W]. I kdyţ se v této době solární články jiţ vyrábějí komerčně, vzhledem k jejich závratné ceně se pouţívají jen výjimečně. Příkladem můţe být instalace 242 [W] panelu pro napájení majáku v Japonsku, v té době (1963) největšího na světě. K výraznému zlevnění solárních článků nepřispěla ani naftová krize v 70. letech, ačkoliv ostatním alternativním zdrojům energie (vyuţití větru, ohřev vody) pomohla. Také účinnost běţných článků zůstala na 12 - 15 [%]. V Japonsku sice byly vyvinuty články s účinností přesahující 30 [%], jejich výrobní cena je však příliš vysoká

Nabídka energie ze Slunce Slunce je obrovský termojaderný. reaktor. V nitru Slunce dochází při velmi vysokých teplotách k jaderné fúzi. Jádra atomu vodíku se slučují na jádra atomu hélia. Slunce ze vzdálenosti asi 150 miliónů kilometrů od Země jiţ více neţ 4,5 miliardy let dodává Zemi spolehlivě a zdarma energii. Celkový příjem sluneční energie Zemí představuje polovinu miliardtiny celkové vyzářené energie Slunce, z čehoţ je:     

50,0 [%] reflektováno zpět mraky, 15,0 [%] reflektováno zpět povrchem, 5,3 [%] absorbováno půdou, 1,7 [%] spotřebováno mořskou flórou, 0,2 [%] zemskou vegetací,

ze zbytku se největší část spotřebuje na výpar vody. Mimo zemskou atmosféru je ozáření Sluncem nezávislé na směru a jeho intenzita je dána pouze vzdáleností od Slunce. Intenzita slunečního světla na Zemi se mění od místa k místu a podle roční doby, sluneční energie však můţe být pouţita všude na světě. V důsledku proměnného filtračního působení atmosféry vyvolané mraky, vodními, prachovými a jinými částicemi a také v důsledku proměnných drah paprsků závisející na poloze Země vůči Slunci je proto povrch Země ozařován různou intenzitou. Rozlišuje se přímé a nepřímé ozáření. Při bezmračné obloze převládá podíl přímého záření, kdeţto záření, které je před dopadem na zemský povrch ovlivňováno např.mraky, je označováno jako nepřímé. Součet přímého a nepřímého ozáření dává globální (celkové) 2 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

ozáření. Za kolísání nabídky energie v závislosti na ročním období je zodpovědný hlavně sklon zemské osy rotace o velikosti 23,5 stupně. Mnoţství sluneční záření dopadajícího na severní a jiţní polokouli se mění v závislosti na tom, kde se právě nachází na své roční oběţné dráze. Vedle rozdílů ozáření podmíněných ročními obdobími má pro vyuţívání sluneční energie význam také úhel ozáření. Pokud sluneční paprsky nedopadají kolmo, je k získání téhoţ mnoţství sluneční energie zapotřebí větší plochy, neţ je plocha kolmo ozařovaná.

Obr. : Průměrná intenzita slunečního záření za den - Čechy a Morava do 600 m.n.m. (převzáno od firmy Solartec).

Solární článek Prostřednictvím solárních článků se zářivá energie Slunce přeměňuje na elektrický proud pomocí fotoelektrického jevu. K účelu získávání elektrické energie se hodí pouze tzv. vnitřní fotoefekt, zejména fotoefekt na hradlové vrstvě. Při fotoefektu na hradlové vrstvě elektrony vybuzené zářením neopouštějí látku, nýbrţ: fungují jako volné nosiče náboje.

Princip solárního článku Ať je typ článku jakýkoliv, vţdy se jedná o velkoplošnou polovodičovou součástku s jedním nebo i více PN přechody. Rozměry komerčně vyráběných solárních článků nejsou větší neţ 200 [mm] a tloušťka nepřesahuje přes 400 [μm]. Jedná se tedy o velice tenké destičky. Přední strana solárního článku je uzpůsobena k pohlcování slunečního záření. Solární články jsou ve většině případů opatřeny ze přední i zadní strany kovovými kontakty pro připojení sběrných vodičů. Kaţdá strana destičky je obohacena atomy vhodných prvků tak, aby jedna byla kladná a druhá záporná. V ozářeném solárním článku jsou vybuzeny elektricky nabité částice (pár elektron díra). Elektrony a díry jsou poté separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi předním (-) a zadním (+) kontaktem článku. Zátěţí připojenou mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, jenţ je přímo úměrný ploše solárních článků a intenzitě dopadajícího slunečního záření. Typickými parametry solárních článků je napětí naprázdno Uoc,

proud nakrátko Isc, faktor zaplnění FF a účinnost EFF. Elektrické parametry jsou měřeny za standardních podmínek tj. intenzita záření 1000 [Wm-2] při AM 1,5 a teplotě 25 [°C]. 3 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

Obr. : Schéma solárního článku.

Vlastnosti fotovoltaické přeměny Fotovoltaická přeměna světelné energie na elektrickou probíhá bez mechanických pohyblivých dílů, takţe na rozdíl od motorů a generátorů odpadá opotřebení a ztráty třením a také mazání a údrţba. Ve srovnání s jinými technologiemi přeměny energie má výroba elektřiny pomocí solárních článků rozhodující přednosti:     

solární články nepotřebují ţádnou pohonnou látku, solární články nemají ţádné opotřebení, solární články je moţno sestavovat do solárních fotovoltaických modulů libovolné velikosti, solární články nevytvářejí ţádné znečištění, ţádný hluk, ţádné zplodiny a ţádný zápach, solární články neuvolňují při výrobě elektřiny ţádný CO2.

Z těchto důvodů je fotovoltaika pokládána za metodu výroby elektřiny, která je nejpříznivější pro ţivotní prostředí.    

Má také svoje nevýhody: nezajištění pravidelnosti dodávek energie potřeba relativně velké plochy v zástavbě k získání stejného výkonu jako klasické zdroje (elektrárny) velká energetická náročnost výroby solámích článků především jejich velká výrobní cena

Druhy solárních článků Od prvního komerčního uvedení fotovoltaického křemíkového článku v roce 1954 bylo vyvinuto veliké mnoţství rozličných technologií výroby solárních článků vyuţívajících vlastností různých polovodičových materiálů. Nicméně pouze několik z nich má nárok na uplatnění v hromadné výrobě. Mezi rozhodující parametry kaţdé technologie patří nesporně cena solárního článku za jeden W. V současné době se cena solárních článků podílí přibliţně ze 68% na celkové ceně fotovoltaického modulu, jak je patrné z Obr.2. Zcela samozřejmě se potom jeví úsilí o dosaţení niţší výrobní ceny solárních článků na jeden Watt. Výzkumná a vývojová pracoviště po celém světě se pokouší sníţení ceny dosáhnout vyuţitím nových základních materiálů, zvýšením účinnosti, levnějšími technologickými postupy. Kromě ceny jsou důleţitými vlastnostmi ještě účinnost a stabilita elektrických parametrů. Při porovnávání jednotlivých technologií je potřeba přihlédnout i k těmto vlastnostech. 4 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

Aby bylo dosaţeno konečného cíle solární technologie, jsou zkoušeny různé cesty, které vedou k různorodosti koncepce článků. Většina solárních článků dnes stejně jako dříve jsou zaloţené na křemíku. Důvody k tomu jsou následující:  křemík je druhým nejčastěji se vyskytujícím prvkem na Zemi se zastoupením 30 %  křemík vykazuje výhodné fyzikální a technologické vlastnosti

Principiálně je moţno dnes dostupné solární články rozdělit do čtyř skupin:  první tzv.klasické solámí články: o monokrystalické solární články o polykrystalické solární články o amorfní solární články  druhá skupina: o tenkovrstvé články  třetí skupina: o MIS s inverzní vrstvou  čtvrtá skupina: o z polovodivých sloučenin



Klasické solární články

Krystalický křemík je v současné době nejvíce pouţívaný materiál pro výrobu solárních článku. S dostupností materiálu nejsou potíţe, neboť oxid křemičitý je zastoupen v zemské kůře přibliţně ze 30%. Technologie zpracování křemíku je v polovodičovém průmyslu dobře zvládnutá. Výchozím materiálem je čistý křemičitý písek. Výsledkem sloţitého a energeticky náročného technologického postupu je polykrystalický křemík o vysoké čistotě. V praxi se však pro výrobu solárních článků vyuţívá odpadového křemíku z polovodičového průmyslu. Vzhledem k jeho vysoké ceně, která významně zasahuje do konečné ceny systémů jsou mnohé výzkumné a vývojové práce zaměřeny na sníţení ztrát v průběhu přípravy křemíku, na nalezení a zavedení energeticky úsporných postupů. Monokrystalické solární články se vyrábějí z monokrystalického křemíku (skládají se z jediného krystalu s pravidelnou mříţkou) převáţně taţeného metodou Czochralského 5 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

taţením monokrystalu z taveniny. Na konci procesu je získán monokrystalický křemíkový válec - ingot o průměru 125 aţ 300 mm. Válec je ořezán do tvaru hranolu. Křemíkové destičky o tloušťce 200 aţ 360 µm jsou získány rozřezáním kvádru speciální drátovou pilou. Bohuţel, v procesu dělení ingotu na jednotlivé destičky dochází k velikým ztrátám cenného materiálu. Z předchozího výkladu je patrné, proč se křemíkový materiál podílí na ceně solárního panelu aţ z 50%. - viz. Obr. 2. V současnosti nejpouţívanější a nejpropracovanější. Laboratorně se u nich dá dosáhnout účinnosti přeměny energie aţ 24 [%], v praxi 14 - 17 [%].

Obr. : Solární článek z monokrystalického křemíku charakteristický svými zakulacenými rohy (protože jsou odřezávány z kotouče o Ø 12, 7 [cm]).

Polykrystalické solární články se vyrábějí z polykIystalického křemíku (skládají se z mnoha různě orientovaných krystalů) Siemensovou metodou. Je moţno ho povaţovat za paralelní spojení mnoha monokrystalických solárních článků. Jsou mnohem lacinější, ale tato přednost je vykoupena menší účinností přeměny energie neţ u článků z monokrystalického křemíku (10 aţ 14 [%]). A klesá s dobou pouţití více neţ u článků z monokrystalického křemíku.

Obr. : Solární článek z polykrystalického křemíku (protože je odléván v krychlích má čtvercové rozměry).

přesně


Galium Arsenid (GaAs) je slitinový polovodičový materiál typu A IIIBV, z něhoţ jsou vyráběny solární články s vysokou účinností. Zpravidla jsou tyto články pouţity pro koncentrátorové moduly a pro kosmické aplikace. Důvodem je mnohonásobně vyšší cena a vysoká kvalita článků. Účinnost článků z výzkumných laboratoří je vyšší neţ 25 [%] při intenzitě Slunce. V podmínkách koncentrovaného slunečního záření dosahují GaAs články účinnosti 28 [%]. Pro zvýšení účinnosti na 30 [%] jsou vytvářeny sloţité struktury s několika polovodičovými přechody zaloţené na GaAs a příbuzných materiálech typu AIIIBV.



Tenkovrstvé solární články

Amorfní solární články (a-Si:H) jsou vyrobeny z amorfního křemíku (atomy jsou uspořádány nahodile - na skleněný substrát je napařen křemík). Nekrystalická forma křemíku byla prvně pouţitá ve fotovoltaice v roce 1974. V roce 1996 se amorfní křemík podílel 15 [%] na celosvětové produkci. Jsou značně rozšířené v oblasti malých výkonů (kapesní kalkulátor atd.) a s výhodou se pouţívají v systémech zabudovaných do budov místo prosklených ploch.. Na rozdíl od krystalických materiálů nejsou vyráběny jednotlivé články, ale vytváří se celé moduly najednou. Stupeň účinnosti přeměny energie v laboratořích dosahuje 10 [%] a v praxi asi 2 - 7 [%]. Jejich problémem je nedostačená dlouhodobá stabilita, která je podstatně menší neţ u ostatních druhů článků.

Obr. : Solární článek z amorfního křemíku.

Kadmium Telurid (CdTe) - tenkovrstvý film polykrystalického materiálu - CdTe nanášeného elektrodepozicí, sprejováním a vysokorychlostním napařováním, skýtá v sobě příslib na levnou technologii. Malé laboratorní vzorky dosahují účinnosti 16 [%] a komerční moduly s plochou 7200 [cm-2] mají účinnost 8,4 [%]. Copper Indium Diselenide (CuInSe2, nebo CIS) - tenkovrstvý film polykrystalického materiálu, na kterém je v podmínkách výzkumu dosahováno účinnosti 17,7 [%]. 7 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

Tenkovrstvé články nebývají tlustší neţ několik μm(klasické solámí články z důvodu stability mají tloušťku 0,2 aţ 0,3 [mm]) a spotřebují tedy podstatně méně základního materiálu. Největším problémem je však stabilita parametrů. Podaří-li se tento nedostatek vyřešit, význam tenkovrstvových fotovoltaických článků rychle vzroste.

Obr. : Tenkovrstvý solární článek.. 

Solární články MIS s inverzní vrstvou:

Pouţívají polykrystalický nebo monokrystalický křemík. Zkratka MIS znamená Metal-Insulator-Semiconductor, tj.kov-izolátor-polovodič. Tato struktura nevyţaduje přípravu přechodu p-n dotací, vrstva opačného typu vodivosti, tzv.vrstva inverzní se vytváří díky vlastnostem pouţitých materiálů na rozhraní automaticky. Dosaţená účinnost přeměny energie je u polykrystalických 13 [%] a 15 %] u monokrystalických. Solární článek MIS je citlivý také ze spodní strany. Účinnost u monokrystalického ze zadní strany je 13,8 [%], při oboustranném ozáření (např.montáţ na bílou stěnu) je účinnost asi 22 [%].

Solární modul Pro snazší manipulaci se solárními články, pro ochranu před vlivy okolního prostředí a za účelem získání vyššího napětí, které je většinou poţadováno, se zpravidla několik solárních článků spojuje dohromady do solárního modulu.

Zapojení solárních článků v solárních modulech: Články se zapojují do série, paralelně nebo kombinovaně. Do série se řadí články stejných vlastností, jejich napětí se sčítají a výstupní proud odpovídá proudu jednoho článku. Paralelní spojení má napětí jednoho článku, proudy článků se sčítají. Pro větší výkony se solární moduly zapojují do série nebo paralelně. Při sériovém spojení článků nebo i modulů se můţe stát, ţe jeden z nich je zastíněn, takţe je ostatními napájen v opačném směru. Procházejícím proudem se zahřívá, coţ můţe vést i k jeho zničení. Tomu se dá předejít připojením přemosťovacích diod vţdy přes určitý počet článků (obrázek 3.4.1.1). Je-li modul nebo článek zastíněn, teče proud přemosťovací diodou. Napětí sériového spojení se tím zmenšuje. Pokud jsou všechny články osvětleny stejně, diody nemají ţádný, tedy ani škodlivý vliv. Proto někteří výrobci zabudovávají tyto diody do svých výrobků. Podobně působí ochranné diody i při paralelním zapojení modulů (obrázek 3.4.1.2). Na diodách, ale vznikne úbytek napětí 0,2 aţ 1 [V]. Diody však zabezpečí dodávku proudu i při výpadku článku. Je vhodné uţít Schottkyho diody, které mají malý úbytek napětí. 8 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

Obr. 3.4.1.1: Diodové ochrany u sériově řazených modulů.

Obr. 3.4.1.2: Diodové ochrany u paralelně řazených modulů.

Konstrukce solárních modulů: Mechanická konstrukce v případě solárních panelů je důleţitá především pro ţivotnost solárních článků. Solární články jsou dosti křehké a metalizace kontaktů by na vnějším prostředí podléhala korozi. Konstrukce solárních modulů jsou značně rozmanité. Modul musí zajistit hermetické zapouzdření solárních článků. Přední krycí materiál musí odolávat silnému krupobití. Je-li pouţito sklo musí být kalené a se sníţeným obsahem ţeleza, jehoţ pouţitím docílíme největší moţný průchod světelného záření z maximální části spektra. Solární články se zpravidla vkládají do etylenvinylacetátové (EVA) fólie (relativně měkký umělohmotný materiál, dovoluje teplotní rozpínání článků), která má optické vlastnosti velmi blízké krycímu sklu. Paprsky slunečního záření se od vniknutí do solárního skla aţ k povrchu solárního článku pohybují ve stejnorodém prostředí, proto nedochází k průchodu slunečních paprsků z prostředí hustšího (sklo) do řidšího (vzduchová mezera) a následným výkonovým ztrátám (aţ 25 [%]) ani zbytečnému přehřívání solárního panelu (další úbytek výkonu). Důleţitou vlastností solámích modulů je jejich dostatečná mechanická pevnost a odolnost. Moduly jsou vystaveny mnohdy drsným klimatickým podmínkám. V zimních měsících můţe docházet k rychlým a velikým teplotním změnám, coţ zvyšuje riziko narušení vodivých spojů na solárních článcích. Proto jsou moduly opatřeny kovovými nebo plastovými rámy pro zpevnění konstrukce solárního modulu (obrázek 3.4.2.1).


Obr. 3.4.2.1: Mechanická konstrukce solárního modulu s rámem.

Obr. 3.4.2.2: Jiné složení solárního modulu.

Způsob instalace daný druhem zvoleného fotovoltaického modulu můţe značně ovlivnit konečnou cenu montáţe fotovoltaického systému. Nezanedbatelnou funkcí solárních panelů je jejich estetické řešení. Vhodným začleněním solárních panelů do pláště budovy lze dosáhnout jejího atraktivního vzhledu. Pospojované solární články jsou umístěny mezi dvě skla a zatěsněny. Přidáním dalšího skla vznikne tepelně-izolační solární modul do zavěšené fasády. Časté jsou i konstrukce se sklem z přední strany a nalaminovanou fólií (vysoce pevná fólie z umělé hmoty) případně zalitím do průhledné hmoty ze strany zadní. Zadní strana modulu můţe být tvořena i plechovou či ethernitovou nosnou deskou. Většina modulů se pro zvýšení stability a lepší manipulace jsou vsazeny do pevného hliníkového rámu nebo do rámu z ušlechtilé oceli. Na obrázku 3.4.2.3 jsou ukázány základní druhy solárních modulů: a) s oboustranným zasklením, b) v izolačním dvojskle, c) se zadní stranou zalitou pryskyřicí, d) se zadní stranou laminovanou folií, e) se zadní stranou z netransparentního materiálu (plech, ethernit).


a)

b)

c) d)

e) Obr. 3.4.2.3: Základní druhy solárních modulů.

Od výše popsané konstrukce se neliší většina standardních panelů, které jsou sestaveny z 36 a aţ 40 článků a jejich jmenovité napětí je 12 V. V poslední době se mnoho výrobců panelů zabývá vývojem, výrobou a instalací speciálních solárních modulů pro instalace solárních systémů na budovách. Pozornost je věnována hlavně maximálnímu zjednodušení instalace, sníţení nákladů spojením s jinou stavebně-konstrukční funkcí případně snaze zaujmout netradičním a atraktivním řešením. Například u panelů pro transparentní fasády a skleníky je moţné šířkou mezery mezi články určit míru zastínění vnitřního prostoru. Ţivotnost solárních panelů je minimálně 20 let.

Fotovoltaické systémy Slunečnímu záření vystavené fotovoltaické moduly jsou schopny dodávat do spotřebiče stejnosměrný proud. Pro jeho následné vyuţití je potřeba připojit k modulu kromě elektrických spotřebičů další technické prvky – např. akumulátorovou baterii, regulační zařízení, měnič, sledovač Slunce, indikační a měřící přístroje. Sestava fotovoltaického modulu, spotřebiče a případně dalších prvků se nazývá fotovoltaickým systémem. Mnoţství a skladba prvků fotovoltaického systému závisí na druhu aplikace.

Autonomní systémy - Grid-off Autonomní systémy jsou instalovány na místech, kde není účelné budovat elektrickou přípojku. Realizace fotovoltaického systému se stává výhodnější variantou v případě, ţe stávající nejbliţší přípojné místo k rozvodné síti je dále neţ 500 aţ 1000 m ( záleţí na typu přípojky). Výkony autonomních systémů se pohybují v intervalu 10 - 10 000 wattů špičkového výkonu. V návrhu takto napájeného objektu nelze opomenout zřízení zvláštní 11 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

místnosti pro akumulátory a případně pro spalovací generátor. U autonomních systémů je kladen důraz na minimální ztráty energie a na pouţívání energeticky úsporných spotřebičů. Příklady pouţití: horské chaty, samoty, rekreační objekty, telekomunikační zařízení. Tyto systémy jsou nejvíce pouţívány v Austrálii, Francii, Itálii, Španělsku, Švýcarsku a v USA ( kaţdá z těchto zemí má instalováno více neţ 2 MWp ke konci roku 1995). Veliký potenciál se nachází v odlehlých oblastech rozvojových zemí. 

Grid-off systémy s přímým napájením

Systémy s přímým napájením jsou realizovány všude tam, kde nevadí, ţe připojené elektrické zařízení je funkční jenom v případě dostatečné intenzity slunečního záření. Jedná se pouze o propojení solárního modulu a spotřebiče. Čerpání vody pro závlahu je ukázkou aplikací systému bez akumulace el. energie., napájení oběhového čerpadla solárního systému pro přípravu teplé uţitkové vody, napájení čerpadla okrasné fontánky nebo napájení ventilátoru odvětrání uzavřených prostor.

Obr. :Systém s přímým napájením spotřebiče. 

Grid-off systém s akumulací elektrické energie

Doba, po kterou je k dispozici energie ze solárních panelů většinou není totoţná s dobou, kdy nastává její největší spotřeba. Z toho důvodu jsou nezbytnou součástí autonomních systémů akumulátorové baterie. Ţivotnost akumulátorové baterie silně závisí na způsobu nabíjení a vybíjení, proto optimální chod systému je zajištěn solárním regulátorem. K autonomnímu systému lze připojit spotřebiče na stejnosměrný proud (napětí systému zpravidla 12 nebo 24V), tak běţné síťové spotřebiče 230V/ ~50Hz napájené přes napěťový měnič. 

Hybridní Grid-off systém

V zimních měsících je moţné získat z fotovoltaického zdroje podstatně méně elektrické energie neţ v letních měsících. Proto je nutné systémy s celoročním provozem a s častým uţíváním dimenzovat na zimní provoz. Instalovaný výkon fotovoltaických panelů však v takovém případě neúměrně naroste a s tím i investiční náklady. Navíc v letních měsících je potom systém silně předimenzovaný. Mnohem výhodnější je potom z tohoto hlediska připojit k energetickému systému doplňkový zdroj elektrické energie, který pokryje potřebu elektrické energie v obdobích s nedostatečným slunečním svitem. Takovým zdrojem můţe být větrný generátor, spalovací generátor nejlépe s kogenerací (společná výroba elektrické a tepelné energie) a nebo malá vodní elektrárna.


Obr. : Grid-off systém s možností připojení dalších zdrojů el. Energie – hybridní systém.

3.2

Systémy dodávající elektrickou energii do veřejné rozvodné sítě

Tyto systémy jsou nejvíce uplatňovány v oblastech s hustou sítí elektrických rozvodů. V případě dostatečného slunečního svitu jsou spotřebiče v budově napájeny vlastní „solární“ elektrickou energií a případný přebytek je dodáván do veřejné rozvodné sítě přes elektroměr. Pokud nedostačuje vlastní solární zdroj k pokrytí spotřeby v budově, je elektrická energie odebírána přes druhý elektroměr z rozvodné sítě. Systém funguje zcela automaticky. Připojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodů. Špičkový výkon fotovoltaických systémů připojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek aţ stovek kilowatt. Fotovoltaické panely jsou většinou integrovány do obvodového pláště budov.

Obr. : Grid-on systémy pro připojení k rozvodné síti.

4.

Naváděcí mechanismy solárních panelů

Solární články a sluneční kolektory pracují s maximálním výkonem jen tehdy, svítí-li slunce kolmo na ně. Aby sluneční záření dopadalo kolmo, musí být kolektory vůči slunci postaveny pod určitým úhlem. Účinnost kolektorového zařízení je však moţno dále zlepšit, otáčejí-li se sluneční kolektory stále za sluncem a zůstávají-li tak co nejdéle v poloze nejpříznivějšího úhlu dopadu slunečního záření.


Aktivní naváděcí mechanismy Aktivní naváděcí zařízení potřebují ke své činnosti energii, která se dodává z externích zdrojů.

Natáčecí mechanismus s optoelektrickými čidly Změní-li Slunce polohu, začnou na obou fotoodporech umístěných vůči sobě v tupém úhlu, jak je naznačeno na Obr. 4.1.1.1, převládat jiné poměry ozáření. Rozdílný poměr je zesílen a podle jeho velikosti se uvede do pohybu motor, který natáčí celým mechanismem. Jsou-li intenzity osvětlení na obou fotoodporech stejné motor zůstává v klidu. Pomocí tohoto řídícího obvodu je moţno směřovat kolektory v jedné rovině. Kdo chce slunce sledovat ve všech směrech, potřebuje samozřejmě dva řídící obvod: jeden pro horizontální a jeden pro vertikální pohyb. Výhody:   

moţnost pouţití tohoto zařízení pro dvouosé natáčení přesné sledování při dostatečné intenzitě záření jednoduchá realizace tohoto zařízení

Obr. 4.1.1.1 : Montáž fotoodporů.

Nevýhody  

mnoho obvodových součástí při niţší intenzitě zařízení selhává

Natáčecí mechanismus s časovačem Jedná se o mikrokontrolér s vnitřní pamětí. Mikrokontrolér je řízen krystalem, který určuje přesný čas. V paměti jsou uloţeny údaje o poloze Slunce v jednotlivých dnech v roce. Po spuštění přístroje sleduje sluneční dráhu plně automaticky. Pro provozní činnost jsou potřebné dva parametry: zeměpisné souřadnice (zeměpisná šířka a délka) a čas/datum. Výpočet slunečního času a souřadnice provede mikrokontrolér automaticky a to i s ohledem na přestupné roky. Výhody:  

přesné sledování slunce moţnost stálého sledování dráhy Slunce i za nulových hodnot intenzity záření

Nevýhody:  

vysoká cena nutnost naprogramování


Pasivní naváděcí mechanismy Pasivní naváděcí zařízení vyuţívá ke svému nastavení energii Slunce. Tudíţ ke své činnosti nepotřebují energii z externích zdrojů.

Natáčecí mechanismus využívající slitiny s tvarovou pamětí 

Princip teplotní roztažnosti

Součást vyrobená ze slitiny s tvarovou pamětí, deformovaná při teplotě niţší, neţ je teplota transformační, se vrátí do původního tvaru před deformací při zvýšení teploty slitiny nad transformační teplotu. Součást vyrobená ze slitiny s obousměrnou tvarovou pamětí se po sníţení teploty pod teplotu transformační opět vrátí do deformovaného tvaru. U součástí vyrobených ze slitiny s jednosměrnou tvarovou pamětí musí být pouţit pro návrat do deformovaného tvaru jiný přídavný prvek, např. pruţina. To umoţňuje prvkům ze slitiny s tvarovou pamětí konat mechanickou práci při opakovaném ohřívání 

Popis zařízení pracujícího na teplotní roztažnosti

Zařízení pro orientaci kolektoru slunečního záření je zobrazeno na obrázku. Obsahuje stator s ním otočený rotor, čočku pro soustředění slunečního záření a hnací prvky ze slitiny s tvarovou pamětí ve tvaru zakřiveného konkávního plechu v oblasti ohniska čočky. Spojení jednoho konce hnacího prvku se statorem a druhého konce hnacího prvku s rotorem umoţňuje přímý přenos síly z hnacího prvku na rotor. Čočka na pouzdře je spojena s rotorem a její ohnisko leţí u tohoto konce hnacího prvku, který je spojen s rotorem. Poloha ohniska čočky u konce hnacího prvku umoţňuje automatickou regulaci přísunu sluneční Obr. 4.2.1.1 : Pasivní naváděcí zařízení. energie na hnací prvek. Zrcátko mezi hnacími prvky zabraňuje jejich přehřívání . Vnitřní povrch hnacích prvků je opatřen vrstvou absorbující sluneční záření a metalizovanou plastovou fólii propouštějící sluneční záření a nikoliv tepelné zařízení hnacích prvků. Vnější povrch hnacích prvků je vyleštěn a opatřen tepelnou izolací.


Obr. 4.2.1.2 : Zařízení pro orientaci solárního kolektoru.

Při teplotě niţší neţ transformační jsou hnací prvky deformovány do tvaru zobrazeného na obrázku 4.2.1.2. V ohnisku achromatické čočky, které leţí mezi konci hnacích prvků spojených s rotorem, je lokalizováno zrcátko. Rotor pevně spojený s pouzdrem je opatřen samosvorným převodem pro spojení s nosníky kolektoru

slunečního záření. Před východem slunce jsou oba hnací prvky ve výchozí poloze, jak je zobrazeno na obrázku. Poté achromatická čočka soustřeďuje sluneční záření na jeden z hnacích prvků, jenţ se po překročení transformační teploty deformuje, dokud se ohnisko achromatické čočky nepřemístí na zrcátko umístěné na rotoru. To odráţí sluneční záření zpět ven z pouzdra. Viz obrázek. Kaţdá změna polohy ohniska achromatické čočky vyvolá takovou deformaci hnacích prvků, ţe se rotor automaticky nastaví do polohy, v níţ je zrcátko v ohnisku achromatické čočky. Protoţe je rotor opatřen samosvorným převodem pro spojení s nosníky kolektoru slunečního záření, otáčejí se současně s rotorem. Rozsah automatického natáčení kolektoru slunečního záření je v tomto případě přibliţně 140º. Výhody:  směrování je plně automatické bez externího napájení Nevýhody:  směrování selhává při niţší intenzitě záření  malá účinnost

Natáčecí mechanismus s kapalinou 

Princip teplotní objemové roztažnosti kapalin

V uzavřené nádobě při zahřívání je počet molekul, které opouštějí povrch kapaliny, větší neţ počet molekul, které se ve stejném časovém intervalu vracejí zpět do kapaliny. Objem kapaliny se proto zmenšuje a současně se zvětšuje tlak a hustota páry na kapalinou. Po určité době vznikne rovnováţný stav. Počet molekul, které se vracejí do kapaliny, je roven počtu molekul, které volný povrch kapaliny ze stejnou dobou opouštějí. Objem kapaliny se jiţ nemenší, hustota a tlak páry dosahují při dané teplotě svých maximálních hodnot. Mezi kapalinou a její párou nastala dynamická rovnováha. Pára nacházející se v dynamické rovnováze se svou kapalinou se nazývá „sytá pára“. Jestliţe odebereme soustavě skupenské teplo, kondenzační, „sytá pára“ se zcela přemění v kapalinu – kondenzuje. Princip funkce natáčecího mechanismu s kapalinou

Kapalina zahřívaná v odstíněné plechové nádrţce uvolňuje páru, která potrubím stoupá směrem k zastíněné nádrţce. V zastíněné nádrţce hliníkovým krytem pára kondenzuje a vzniká opět kapalina. Pára se nemůţe dostat ven, jelikoţ systém nádrţek je uzavřen. Tento mechanismus se objevuje pod názvem UTR – Universal Track Rack (v překladu univerzální natáčecí mechanismus). 16 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

Univerzální natáčecí mechanismus začíná den čelní stranou na západ, jak je vidět na obrázku 4.2.2.1. Slunce vycházející na východě, zahřívá odstíněnou západní stranu plechové nádrţe. Pára se dostává skrz potrubí směrem k zastíněné plechové nádrţi na východní straně. Natáčecí mechanismus se otáčí tak, ţe se průčelí solárního panelu dostane směrem k východu.

Obr. 4.2.2.1 : UTR při východu slunce.

Ohřátá pára je ochlazena stínící hliníkovou deskou, která dobře odráţí světelné záření. Kdyţ je jedna plechová nádrţ odstíněna a druhá nádrţ zastíněná, tak se v odstíněné nádrţi tvoří pára, která putuje potrubím směrem k zastíněné nádrţi, kde se pára kondenzuje. Posunování váhy kapaliny je příčinou otáčení zařízení, jak lze pozorovat na obrázku 4.2.2.2.

Obr. 4.2.2.2 : UTR v dopoledních hodinách.


Jak se slunce pohybuje (přibliţně 15º za hodinu), tak se mechanismus neustále snaţí vyrovnat vlivem přelévání kapaliny z jedné strany na druhou. Viz obrázek 4.2.2.3.

Obr. 4.2.2.3 : UTR v odpoledních hodiných.

UTR končí svůj kompletní cyklus čelní stranou na západ, jak je znázorněno na obrázku 4.2.2.4. V tomto směrování zůstává přes noc aţ do následujícího rána, kdy vyjde slunce a vše se opakuje.

Obr. 4.2.2.4 : UTR v době západu slunce. Výhody:  jednoduchá montáţ  zařízení nepotřebuje zdroj napájení Nevýhody:  velká doba zahřívání a kondenzování kapaliny  při niţší intenzitě záření systém selhává

Realizované zařízení pro orientaci FV systému Pro řešení směrování za sluncem je vybráno polohovací zařízení, které sleduje dráhu Slunce ve směru východ-západ. Jde o kombinaci pasivního a aktivního naváděcího mechanismu. Energie pro pohon je obstarávána z pomocných článků. Jedná se o mimořádně jednoduchou konstrukci sledovače, který je na obrázku 4.3.0.1.


Obr. 4.3.0.1 : Popis výrobku pro orientaci kolektoru solární energie.

Obr. 4.3.0.2 : Antiparalelní zapojení sledovacích článků k motoru.

Zařízení pracuje s pomocnými solárními články o výkonu 5 [W] připojenými antiparalelně přímo k pohonnému elektromotoru (6 [V] / 800 [mA]), jak je zřejmé z obrázku 4.3.0.2. Články jsou rovnoběţné a mají přibliţně stejné parametry. Jsou připojeny k reverzibilnému stejnosměrnému motoru, který je umístěn v duté rotační ose a je opatřen samosvorným převodem. Reverzibilní stejnosměrný motor je schopen se otáčet jak ve směru hodinových ručiček, tak i ve směru opačném. Samosvorný převod je šnekový převod, kde samosvornost má význam při jeho pouţití např. u zdvihacích zařízení, kde tíha břemene, působící momentem na hřídel kola, se můţe stát při přerušení hnacího momentu na šneku silou hnací. U samosvorného převodu je zpětný pohyb a samovolné klesání břemene znemoţněno právě samosvorností, která je dána úhlem stoupání šnekového soukolí. Šnekovým soukolím docilujeme velkého převodu, které je u popisovaného zařízení 1:1000.




Funkce zařízení

Před východem slunce je zařízení orientováno k západu podle obrázku 4.3.1.1 a), tedy v poloze, ve které ukončilo odpoledne předchozího dne na obrázku 4.3.1.1 c). Po východu Slunce dopadá sluneční zařízení na sledovací sluneční článek připojený k motoru. Motor napájený sledovacím slunečním článkem otáčí zařízení za Sluncem k východu, dokud se úhel β slunečního záření dopadající na sledovací sluneční článek nezmenší natolik, ţe síla motoru napájeného sledovacím slunečním článkem poklesne pod prahovou sílu potřebnou pro orientaci zařízení. Zařízení vyuţívá záporné zpětné vazby a poté je orientováno přibliţně k východu dle obrázku 4.3.1.1 b). Slunce postoupí na obloze o úhel 2β směrem k západu, jak sledujeme na obrázku 4.3.1.1 b). V tomto úhlu kolektory solární energie následují slunce, neboť síla motoru je menší neţ síla potřebná k jejich orientaci.

Obr. 4.3.1.1 : Funkce sledovacího zařízení: a) sledovač před východem Slunce, b) sledovač po východu Slunce, c) sledovač před západem slunce. Při dalším postupu Slunce směrem k západu dopadá sluneční záření na solární článek připojený k motoru. Motor napájený solárním článkem otáčí zařízení k západu za sluncem, dokud úhel β slunečního záření dopadající na solární článek nezmenší natolik, ţe síla motoru napájeného slunečním článkem poklesne pod prahovou sílu potřebnou pro orientaci kolektoru. Obrázek 4.3.1.1 ukazuje, ţe sluneční články jsou v celém rozsahu sledování a v obou směrech vţdy v dosahu slunečního záření (pro případ, ţe by během dne bylo delší dobu zataţeno). Podstata spočívá v tom, ţe panel se solárními články pro přeměnu solární energie na energii elektrickou je připevněn k rotační ose zařízení, jeho rovina je od roviny kolmé ke kolektorů solární energie a rovnoběţně s rotační osou zařízení odchýlena o určitý úhel (cca 20˚) k východu a je připojen k elektromotoru spojenému s rotační osou zařízení jako na obrázku 4.3.1.1 b) Úhel β by měl být právě takový, aby při dopadu slunečního záření pod menším úhlem byla síla motoru menší neţ síla potřebná pro orientaci zařízení. Avšak při dopadu slunečního záření. Při pohybu slunce po obloze od východu k západu dochází k zvětšování úhlu, pod kterým sluneční záření dopadá na sluneční články. Současně roste výkon slunečních článků připojených k motoru aţ do okamţiku, kdy je síla motoru napájena slunečními články větší 20 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

neţ síla potřebná pro orientaci kolektoru solární energie. V tomto okamţiku začne motor otáčet kolektory solární energie a solární články směrem k východu. Úhel, pod kterým sluneční záření dopadá na solární články, se začne zmenšovat aţ do okamţiku, kdy je síla motoru napájeného solárními články menší neţ prahová síla potřebná pro orientaci kolektoru solární energie. V zařízení působí výkon solárních článků připojených k motoru proti mechanickému odporu v konstrukci zařízení a proti odporu prostředí. Při převaţujícím přímém slunečním záření je přesnost sledování slunce potřebná pro zachycení maximálního mnoţství sluneční energie cca ± 10 [˚]. Při převaţujícím difúzním slunečním záření je přesnost sledování slunce potřebná pro zachycení maximálního mnoţství sluneční energie cca ± 30 [˚]. Vyuţití cirka solární difúzní sloţky slunečního záření pro sledování slunce umoţňuje zachycení maximálního mnoţství sluneční energie při optimální, ale ne maximální přesnosti sledování slunce. Přesnost sledování slunce sledovače cca ± 10 [˚] umoţňuje u plochých kolektorů a kolektorů s malou koncentrací záření zachytit prakticky stejné mnoţství solární energie jako při pouţití podstatně nákladnějších elektronických sledovačů s přesností ± 0,1 [˚], které jsou určeny pro kolektory s vysokou koncentrací záření. Rozsah automatického natáčení kolektoru slunečního záření je cca 150 [˚] - 2β. Rozsah automatického natáčení kolektoru větší neţ ± 60 [˚] se na zisku energie jiţ prakticky neprojeví a nemá tedy téměř ţádný význam. Výhody:      

nová konstrukce zlepšuje funkci při nízkých teplotách aţ do - 30 [˚C] samosvorný převod chrání pohon proti poryvům větru nepotřebuje vnější zdroj energie (jako elektronické sledovače) běţná velikost stojanu do 25 [m2] díky niţší hmotnosti jednodušší manipulace a montáţ (stojan z hliníkové slitiny velikost 2 [m2] váţí pouze 7 [kg]) pouţití sledovacích solárních článků připojených přímo k pohonnému elektromotoru (bez elektroniky) výrazně zvyšuje spolehlivost zařízení

Nevýhody:  

moţnost sledování jen v jednom směru nutnost přesného vyváţení

Otázky 1. Vyloţte historii vývoje technologií FV článků a jejich vyuţití pro výrobu elektrické energie. 2. Specifikujte energetické úhrny vyuţitelné v místních podmínkách pro generování elketrické energie ze slunečního záření. 3. Specifikujte základní typy solárních článků a jejich rozdíly. 4. Popište technologii výroby fotovoltaických panelů. 5. Specifikujte problémy související s propojením jednotlivých solárních článků v paelu a propojením panelů mezi sebou. 6. Specifikujte problémy související s pohybem Slunce po obloze a mechanické systémy natáčení panelů za Sluncem. 21 PODPOŘENO GRANTEM Z ISLANDU, LICHTENŠTEJNSKA A NORSKA V RÁMCI FINANČNÍHO MECHANISMu EHP A NORSKÉHO FINANČNÍHO MECHANISMU.

Další zdroje http://www.veronica.cz/energie/solar/armin/svepomoc_kolekt_AEE.html http://www.geografie.webzdarma.cz/gebz.htm http://sweb.cz/radek.jandora/f25.htm http://re.jrc.cec.eu.int/pvgis/pv/countries/countries.htm


4. FOTOVOLTAICKÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY. Čas ke studiu: 2 hodiny. Cíl Po prostudování tohoto odstavce budete umět. Výklad. Historie solárního článku

Recommend Documents