Estrogeny, paměť, bolest a ochrana neuronů Jsou estrogeny zázračné hormony?
FÁZE MENSTRUAČNÍHO CYKLU n proliferační (reparační, folikulární) – trvá14 dní, začíná po skončení menstruace, obnovuje se při něm povrchová vrstva děložní sliznice; časově spadá do období zrání Graafova folikulu n klidová – trvá 2–3 dny, spadá do období ovulace vajíčka n sekreční (premenstruální, luteální) – trvá 6–8 dní, vyznačuje se hypertrofií děložní sliznice a vyvolává ji progesteron, který se vytváří ve žlutém tělísku n menstruační– trvá 3–5 dní, probíhá destrukce děložní sliznice a odlučování povrchové vrstvy P. L.
Metabolický vliv estrogenů
RICHARD ROKYTA
Účinky estrogenů jsou mnohostranné a některé z nich jsou teprve objevovány. Nově popsané funkce estrogenů nejen rozšiřují naše znalosti, ale mohou být využity v léčbě poruch paměti a v prevenci různých neurologických i psychických poruch. Nejdéle je znám vliv estrogenů na rozmnožovací a pohlavní činnost. Estrogeny jako ženské pohlavní hormony Chemicky patří estrogeny k steroidním hormonům, které snadno procházejí buněčnou membránou a působí přímo na genovou expresi v buněčném jádře. V podstatě jde o tři hormony: estron, estriol a estradiol (ten třetí je nejúčinnější). Jsou odpovědné například za vývoj sekundárních pohlavních znaků. Ženské pohlavní estrogeny jsou produkovány vaječníky zejména ve folikulární fázi cyklu (viz rámeček), která trvá do ovulace, tj. prvních 14 dní po menstruaci. Je zajímavé, že ani během menstruačního cyklu estrogeny zcela nemizí, jejich sekrece pokračuje. Tím se liší od progesteronu, který se ve folikulární fázi cyklu téměř nevylučuje. Jeho sekrece začíná až ve fázi luteální. Jestliže progesteron dosahuje v proliferační fázi hodnot dvaceti nanogramů na mililitr krve, pak estradiol dosahuje v druhé fázi hodnot 100 mikrogramů na mililitr. V těhotenství se koncentrace estrogenu a progesteronu zvyšuje, jejich produkce je řízena především folikulostimulačním hormonem z hypofýzy. Ten se nevylučuje jen v těhotenství, ale zejména těsně po skončení menstruace, a poté (spolu s luteinizačním hormonem) v období ovulace. Estrogeny vytváří i placenta. Již od třetího měsíce produkují nadledviny plodu dihydroepiandrosteron (o této látce viz Vesmír 75, 305, 1996/6), který se v placentě mění na estriol. Ten je také ukazatelem hormonálního průběhu těhotenství. Vlevo zdravá kost, vpravo kost pacienta postiženého osteoporózou. Podle Scientific American
n Podílejí se na růstu kostí a jejich kvalitě (viz Vesmír 78, 247, 1999/5). Projevuje se to mimo jiné tím, že ženy po menopauze, jejichž organizmus již estrogeny neprodukuje, trpí výrazně častěji osteoporózou, tedy „řídnutím kostí“.1) n Snižují LDL-cholesterol2) a zvyšují HDL-cholesterol3). Obecně se mělo za to, že oxidační modifikace LDL vede přímo k iniciaci aterogeneze, ale teď se zdá, že estrogeny tento účinek oxidace brzdí. Proto jsou ženy před menopauzou odolnější vůči onemocněním cév a srdce. n Zvyšují intenzitu autoimunitních procesů, a proto ženy trpí daleko častěji revmatizmem nebo roztroušenou sklerózou. n V některých pokusech působí jako slabá neuroleptika, tj. látky schopné potlačit psychotické příznaky (tím se někdy vysvětloval pozdější nástup schizofrenie u žen než u mužů).
Estrogeny a paměť V pokusech na laboratorních potkanech se ukázalo, že estrogeny jsou důležité pro fixaci paměťové stopy a její vybavování. Samice laboratorních potkanů mají čtyřdenní hormonální cyklus: estrus (říje), proestrus, metaestrus a diestrus. V těchto fázích se hladiny estrogenů v krvi velmi výrazně mění – od estru k metaestru až o 50 %. V době, kdy je hladina estrogenů nízká, mají zvířata výrazně zhoršenou vštípivost paměti i schopnost vybavování. Naopak když je hladina estrogenů vysoká, všechny parametry učení i paměti se zlepšují. A jestliže se laboratorním potkanům v období, kdy estrus nemají, podá estrogen, jejich paměť se zlepší. Zajímavé je, že určitou hladinu estrogenu nutně potřebují i samci, mají-li mít dobrou paměť (ti s nízkou hladinou estrogenů si pamatují hůře). Je to zajištěno tím, že samčí nadledviny produkují částečně i estrogeny. Z těchto experimentů vyplývá, že estrogeny jsou pro učení a paměť potkanů velmi důležité, ale dosud se přesně neví, jak je tomu u člověka. Zatím se pouze spekuluje o tom, jak vypadá např. učení u žen v jednotlivých fázích menstruačního cyklu. Hladina estrogenů (na rozdíl od progesteronu) v převážné části cyklu nedosahuje nulových hodnot. Že by to bylo právě proto, aby byla zachována schopnost učení? Pouze dva dny těsně před menstruací a při ní se tato 1) Pozn. red.: Hustota kostí je ovšem výsledkem složitějších interakcí mezi osteoklastickými a osteoblastickými buňkami, jejichž aktivita se neřídí jen hormony, ale i cytokiny a růstovými regulačními faktory. 2) LDL – lipoproteiny nízké hustoty. 3) HDL – lipoproteiny vysoké hustoty. 4) NMDA – glutamátový receptor (viz P. Jirounek: O šíření signálů v živých organizmech I.–V., Vesmír 75, s. 65, 150, 191, 255 a 334, 1996).
Prof. MUDr. Richard Rokyta, DrSc., (*1938) viz Vesmír 79, 490, 2000/9
670
VESMÍR 79, prosinec 2000 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
hladina nulovým hodnotám blíží. Na spekulace o menstruaci navazuje i otázka, jak se mění učení a paměť po klimakteriu. Víme, že procesy učení a paměti u člověka jsou mnohem složitější a závisejí na spoustě jiných faktorů, přesto však výzkum vlivu nedostatku či nadbytku estrogenů na lidské učení a paměť může přinést mnoho dobrého. Například se estrogeny začaly používat k léčení žen s Alzheimerovou chorobou a v souvislosti s ní se také studovala kognitivní a preventivní úloha těchto hormonů. Estrogeny patrně působí na mozkové funkce tím, že zamezují účinky apolipoproteinu E a b-amyloidu (viz Vesmír 73, 417, 1994/7). Podávání estrogenů skutečně riziko vývoje Alzheimerovy nemoci snížilo, což svědčí o tom, že estrogeny mají v neurologii velký význam. Zdá se, že u zdravých žen estrogeny zlepšují verbální paměť, navíc mohou chránit před zhoršováním kognitivních procesů v pokročilém věku, popřípadě zlepšit příznaky demence. Podle jedné studie snižuje estrogen užívaný po menopauze riziko Alzheimerovy choroby o třetinu až polovinu. Žádná ze studií však dosud neměla ani dostatečně velký počet sledování, ani nebyla dost dlouhodobá. Z pěti studií v amerických městech čtyři prokázaly, že vysoké dávky estrogenu riziko Alzheimerovy choroby snižují. Podobně to dopadlo se studiemi zlepšení této choroby po podávání estrogenu. Pravděpodobnost, že estrogenová terapie snižuje riziko i vývoj Alzheimerovy choroby, je tedy značná. V USA některé ženy preventivně užívají Premarin, což je konjugovaný koňský estrogen, který obsahuje 20 různých estrogenů. Tyto koňské estrogeny prokazatelně zvyšují růst neuronů v hipokampu i v bazálních prefrontálních korových oblastech a chrání neurony před oxidativním poškozením. Proto se později začaly studovat jednotlivé složky Premarinu a ukázalo se, že některé z nich jsou samostatně účinnější než celek. Např. ekvilin (hlavní estrogenní složka Premarinu) zvyšuje růst neuronů poškozených Alzheimerovou chorobou. Nejúčinnější ze všech byl 8,9-dehydroestron, což je poměrně malá, ale unikátní součást Premarinu. Je pozoruhodné, že k neurotropnímu efektu těchto estrogenních steroidů není třeba aktivace receptoru proestrogeny v jádře, ale účinkuje na plazmatické membráně. Neuronální růst tyto estrogeny vyvolávají interakcí s určitým typem glutamátového NMDA-receptoru, jímž procházejí vápníkové ionty. To je nejdůležitější dráha pro regulaci nervového růstu. Později se ukázalo, že na neuronální růst v hipokampu má vliv i několik cyklooxygenáz, například raloxifen a tamoxifen, v jiných oblastech mozku tento účinek pozorován nebyl. Koňské estrogeny zvyšují vliv na tvorbu paměti v těch mozkových oblastech, které jsou zapojeny do paměťových funkcí. Uvedené poznatky vysvětlují buněčný mechanizmus působící při estrogenové terapii. Data získaná užitím tamoxifenu a raloxifenu naznačují, že jejich molekuly za určitých okolností mohou slabě působit v hipokampu, ale jsou neefektivní v mozkové kůře, resp. v jejím předním mozkovém laloku. Estrogeny a bolest Estrogeny blokují u zvířecích samic receptory NMDA4) v míše. Tyto receptory jsou důležité pro přenos bolestivé informace na míšní úrovni, především pro přenos spinotalamickými dráhami z míchy do talamu. Tyto receptory jsou pravděpodobně odpovědné za zcitlivění a šíření bolestivé informace v míše i ve vyšších oblastech centrálního nervového systému. Je to druh zcitlivění, které by mohlo být bloko-
reguluje pøípravu organizmu pro reprodukci, pomáhá udrovat stabilní teplotu, pravdìpodobnì pomáhá pøi uèení a vybavování pamìti „programuje“ prsní lázy k produkci mléka
podporuje rozvoj rakoviny prsu
pomáhá regulovat produkci cholesterolu v játrech; brání rozvoji aterosklerózy a zmíròuje srdeèní záchvaty pøipravuje dìlohu pro výivu plodu
podporuje rozvoj rakoviny dìlohy
zachovává hustotu kostní tkánì
pozitivní projevy estrogenù
negativní projevy estrogenù
Působení estrogenů Kresba © Robert Čermák; podle Scientific American
váno právě estrogenem. Zdá se tedy, že estrogeny mohou obměňovat přenos bolesti u žen podobně jako endorfiny. Stejně jako hladina endorfinů kolísá během menstruačního cyklu i hladina estrogenů. Endorfiny jsou zvýšeny zejména během vlastní menstruace, zatímco estrogeny se v této době snižují. Krom toho se endorfiny zvyšují před porodem i při něm, kdežto estrogeny těsně před porodem klesají (podobně jako progesteron), což je zřejmě jednou z příčin zahájení porodu. Uvedené výsledky studia bolesti jsou spekulativní, bylo by třeba studovat změny bolestivého vnímání v závislosti na výši hladiny estrogenů v různých fázích menstruačního cyklu, v různých fázích těhotenství i porodu a v menopauze. (O bolesti viz též Vesmír 70, 252, 1991/5; 74, 130, 1995/3; 79, 307, 2000/6; 79, 490, 2000/9.) Estrogeny a jejich ochranný účinek na neurony V poslední době se rovněž zjistilo, že estrogeny mají velmi silný neuroprotektivní efekt, který brání ničení http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 79, prosinec 2000
671
neuronů v mnoha modelech neurodegenerativních onemocnění a při akutních poškozeních neuronů. Tento efekt ovšem není závislý na přímém působení estrogenů na jejich receptory. Zjistilo se, že pro ochranu neuronů jsou důležité látky typu estratrienů, což jsou skupiny steroidů, které obsahují 17 b-estradiol. Nemají účinek na estrogenový receptor, ale mají velkou antioxidativní kapacitu. Když estratrieny působí společně s buněčným antioxidantem glutationem, zvyšuje to potenci estratrienů nejméně tisíckrát. Estratrieny tedy účinkují na neestrogenní receptor, působí velmi rychle na neurony a zvyšují jejich odolnost vůči mnoha typům poškození.5)
Elektřina ze Slunce Fotovoltaické systémy a jejich ekonomika JIŘÍ TOUŠEK
Negativní účinky estrogenů V období, kdy se podávaly estrogeny ženám v těhotenství, měly dcery těchto žen vyšší výskyt adenomatózy pochvy. Obecně se silná dávka estrogenu považuje za faktor zvyšující možnost vzniku karcinomu prsu, i když ve velkých statistikách se toto tvrzení zpochybňuje. Zde je třeba uvést, že může jít spíše o receptory, o formy nádorů závislé na estrogenu než o vlastnost estrogenů jako takových. Ve vyspělých státech velká část ženské populace užívá hormonální antikoncepci, a proto je nutné se touto situací intenzivně zabývat. Estrogeny, které se k nám dostávají ze zevního prostředí, zvyšují riziko vzniku nádorů i u mužů (např. varlat) a vyvolávají poruchy spermatogeneze. To se týká velkých dávek estrogenů. V malých dávkách naopak estrogeny působí jako „odklizovači“ volných kyslíkových radikálů, což má opět pozitivní efekt. Vždy to záleží na dávce, malá dávka je příznivá, vysoká je nepříznivá. ¨ 5) Byl testován neurotropní efekt estrogenu na cholinergní systém v bazálním předním mozku a jeho schopnost ochránit neurony před buněčnou smrtí způsobenou excitotoxickými látkami. Ukázalo se, že estrogen může působit na estrogenní receptor a nebo b a může aktivovat mitogenní proteinkinázovou kaskádu v kulturách primárních korových neuronů a také v buňkách neuroblastomu. Tento efekt je velmi podobný efektu růstového faktoru nebo nervového růstového faktoru. Ochranné působení estrogenů je tlumeno předchozím ovlivněním buněk látkami, které blokují estrogenový receptor nebo snižují fosforylaci různých látek ovlivňujících proteinkinázu. Receptor, který zprostředkuje aktivaci mitogenně aktivované proteinkinázy, je centrálním mechanizmem působení estrogenů na mozkové neurony a může znamenat velmi užitečný terapeutický cíl rozvoje dalších farmaceutických látek.
1. Množství energie, které dopadá za rok na 1 m2 v různých částech Evropy. V okolí Prahy je to 1,2 MWh, takže při 10% účinnosti slunečních článků můžeme získat z 1 m2 celkem 120 kWh. Na 1 m2 vodorovné plochy v prosinci dopadá každý den energie 0,6 kWh, v červnu 5 kWh, celoroční průměrná hodnota je asi 2,6 kWh.
672
VESMÍR 79, prosinec 2000 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
Ve fosilních palivech se po miliony let akumulovala energie slunečního záření. Z tohoto akumulátoru lze energii odebírat, ale nelze ho znovu nabíjet. Až se vyčerpá – stejně jako suroviny pro jadernou energetiku – budeme se muset vrátit ke každodenním přídělům, které nám, podobně jako rostlinám a zvířatům, poskytuje Slunce. Problémy s energií V souvislosti s rostoucím počtem obyvatelstva vzniká otázka, jak vyřešit zásobování energií a zároveň se vyvarovat negativního vlivu na životní prostředí. Nároky na energii se každoročně zvyšují o 3 % a spotřeba energie se tak každých 24 let zdvojnásobuje. Při tomto trendu hrozí v některých lokalitách brzké vyčerpání zásob energetických zdrojů. Navíc tento růst doprovázejí nežádoucí efekty, např. zvyšování koncentrace CO2 v ovzduší vznikající spalováním fosilních paliv (viz glosu na s. 669). V důsledku skleníkového efektu se pak bude atmosféra oteplovat, což povede k dalším problémům. Je proto nutné se vážně zabývat obnovitelnými (po dobu existence Slunce nevyčerpatelnými) zdroji energie, mezi nimiž zaujímá přední místo přímá přeměna energie záření na energii elektrickou prostřednictvím slunečních článků. Výhodou slunečního záření je, že ho lze využívat téměř všude na zeměkouli a jeho zdroj – Slunce – je prakticky nevyčerpatelný. Výroba elektrické energie nezanechává zplodiny, nehrozí skleníkový efekt ani tepelné zamoření. Na druhou stranu má sluneční záření své specifické vlastnosti, k nimž patří nízká hustota zářivého toku (maximálně 1 kW/m2 na povrchu země), závislost na počasí a možnost využívání pouze v denním období, což vede k potřebě akumulace. Zářivý tok, který Slunce vysílá na celou zeměkouli (175 000 TW), převyšuje o mnoho řádů výkon všech zdrojů zásobujících obyvatelstvo Země (10–12 TW). Využívání sluneční energie se proto jeví jako velice perspektivní. n Sluneční články, které mění zářivý tok ze Slunce na tok elektrický, jsou vlastně velkoplošné diody z polovodičových materiálů. Samostatné články se používají pouze v drobných aplikacích, jako jsou hodinky a kalkulátory. Ve většině případů se montují do série Doc. RNDr. Jiří Toušek, CSc., (*1938) vystudoval fyziku pevných látek na Matematicko-fyzikální fakultě UK. Na katedře makromolekulární fyziky téže fakulty se zabývá fotoelektrickými jevy v polovodičích.
intenzita sluneèního záøení [kWh/m 2/den]
i paralelně, aby se zvýšilo napětí i proud, a vytvářejí modul. V něm jsou před vnějšími vlivy chráněny zapouzdřením do plastického materiálu a čelním sklem. Zespodu bývá rovněž sklo nebo nějaký polymer. Moduly lze zapojit do větších celků a doplnit ochranou proti blesku a dalšími prvky, čímž vznikne fotovoltaický systém. Například nezávislost na střídání dne a noci i jiném kolísání slunečního svitu lze získat připojením akumulátoru. Při jeho dostatečné kapacitě může fotovoltaický systém poskytovat energii i několik dní, kdy je zataženo. Akumulátor nárazově dodá větší proud, než je fotovoltaický generátor schopen vyrobit, což má význam při startu motorů. Není-li modul osvětlen, nedává žádné napětí a akumulátor by se mohl vybíjet. Tomu zabrání regulátor, který odpojí spotřebiče, jestliže napětí akumulátoru klesne pod určitou mez, a postará se o jeho dobíjení. Pro síťové spotřebiče a pro dodávání energie 7 6
severní Evropa
jiní vertikální jiní, úhel 30° horizontální
5 4 3 2 1 0
1 2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12
Tab. I – cena fotovoltaických systémù 8–12 [ /Wp ] 8–16 [ /Wp ]
elektrárny na støechách a fasádách centrální elektrárny
témy můžeme dále dělit z hlediska využívání akumulátorů a pomocných zdrojů. Samostatný fotovoltaický systém bez baterie se užívá tehdy, jestliže stačí, aby spotřebič pracoval pouze při osvětlení (kalkulátor, větrák nebo vodní čerpadlo). Samostatný fotovoltaický systém s baterií je často využívaný typ, vhodný pro veřejné osvětlení, signalizační a telekomunikační zařízení, zdravotnické účely, monitorovací zařízení, elektrifikaci chat apod. Vyplatí se tam, kde je vzdálenost od přípojky elektrozvodné sítě větší než 0,5 km a kde jde o malou spotřebu, tj. menší než 5 kWh za den při celoročním provozu (viz rámeček 1). Fotovoltaické systémy pracují spolehlivě i v zimě při velkých mrazech. V Kanadě napájejí např. monitorovací zařízení, která sledují funkci plynových vrtů. Výkon modulu je 165 Wp, 12V baterie má kapacitu 740 Ah a životnost 8–10 roků. Celé zařízení má denní spotřebu 264 Wh a stojí 3500 amerických dolarů. V oblasti, kde neexistuje elektrorozvodná síť, je tento způsob řešení levnější a bezpečnější než provoz elektrocentrály, respektive termoelektrického generátoru. Jak již bylo naznačeno, o ekonomičnosti samostatného fotovoltaického systému značnou měrou rozhoduje i vzdálenost od elektrorozvodné sítě. Budování nadzemní přípojky ve státech EU stojí 9 až 13 E
rok
mìsíc 2. Intenzita slunečního záření v severní Evropě dopadající v jednotlivých měsících na plochy s různou orientací. Platí pro oblasti s ročním průměrem přibližně 2,7 kWh/m2/rok na vodorovnou plochu (30° je úhel s vodorovnou rovinou). Tyto hodnoty zhruba platí i pro ČR.
Elektøina ze Slunce
Slunce pøímé sluneèní záøení
odvozená sluneèní energie
do veřejné sítě se využívají invertory, které mění stejnosměrný proud z modulů na proud střídavý. Fotovoltaické systémy lze rozdělit na autonomní a připojené na elektrorozvodnou síť. Autonomní sys-
obnovitelný zdroj energie vítr
tepelný kolektor
oceán
solární èlánky
zaøízení na výrobu tepla
© VESMÍR
1. ZDROJE PRO MALOU SPOTŘEBU Jako příklad uvedeme podrobnější údaje o energetické bilanci zdroje, který zajišťuje osvětlení autobusové čekárny v Götenburgu ve Švédsku: fotovoltaický generátor o výkonu 50 W doplněný akumulátorem 12 V, 50 Ah napájí 11W zářivku. Tento zdroj, který je zcela autonomní, kryje denní spotřebu 20 Wh. Cena zařízení je 1300 amerických dolarů. Na chatě často stačí příkon 100 W pro zářivkové osvětlení a televizor při denní spotřebě 200 Wh. Pro tento účel potřebujeme fotovoltaický systém s moduly o ploše 1 m2 (cena v tuzemsku 22 000 Kč), solární regulátor (2500 Kč) nebo invertor (3500 Kč). Dva 12V akumulátory o kapacitě 100 Ah (celkem 7200 Kč) dokážou zálohovat 3 dny bez slunečního svitu. Životnost systému (kromě baterií) je 20 let. Systém lze provozovat denně v letních měsících nebo od dubna do září 2 dny v týdnu, popřípadě v zimě 1krát měsíčně. V posledních dvou případech postačí 1 akumulátor a 0,5 m2 modulů. V Kanadě a ve Skandinávii se chaty využívají hlavně v létě a tento způsob elektrifikace je tam populární; např. v Norsku mají 60 000 chat s fotovoltaickými generátory. J. T.
Obr. 4
pøímá pøemìna
elektøina
pøímá pøemìna
3. Vpravo: Celkový pohled na fotovoltaickou elektrárnu v Toledu o výkonu 1 MWp. Zabírá plochu 8000 m2, stála 32 130 USD, v provozu je od r. 1994. Ročně vyprodukuje 1160 MWh elektrické energie. Její fotovoltaické moduly pocházejí od tří různých výrobců, a proto se náklady na vyrobenou energii v každé části liší. Elektřina z nejlepších modulů stojí 0,37 USD/kWh, z nejhorších 0,65 USD/kWh.
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 79, prosinec 2000
673
Cu2S
30 25
Si
GaAs CdTe
a–Si:H
20 CdS
15
5. Teoretická závislost účinnosti slunečního článku na šířce zakázaného pásu s uvedením hodnot pro jednotlivé materiály
teplota 300 K
Ge
10 5 0,5
1
1,5
2
2,5
šíøka zakázaného pásu [eV]
na metr při vzdálenostech do 500 m a 8 až 8,5 E na metr, jde-li o delší trasy. U nás se tyto náklady odhadují na 150 až 300 Kč/m. Celoročně provozovaný fotovoltaický systém musí být navržen tak, aby v době nejmenšího slunečního svitu (v ČR v prosinci a lednu asi 0,7 kWh /m2/den) dodával dostatek energie. Následkem toho vlastně vzniká v ostatních měsících přebytek energie a systém se jeví jako předimenzovaný, tudíž drahý. Jestliže existuje zdroj, který může energii v kritických obdobích doplnit, lze snížit investice do elektrárny a vytvořit hybridní systém. Doplňkovým zdrojem může být např. elektrárna vodní, větrná nebo nejčastěji elektrocentrála s dieslovým motorem. n Fotovoltaické elektrárny připojené na síť. V oblastech s hustým osídlením a v dosahu elektrického rozvodu lze využívat pro instalaci fotovoltaických systémů střechy a fasády budov (obr. 8). Sluneční elek2. VÝKON A ÚČINNOST Každý polovodič je charakterizován tzv. šířkou zakázaného pásu Eg. Můžeme ji zde chápat jako minimální energii potřebnou pro vytvoření páru volných nábojů. Při absorpci fotonů s energií větší nebo rovnou Eg vznikají záporné elektrony a kladně nabité díry. Tyto náboje jsou potom oddělovány elektrickým polem přechodu P–N (nebo usměrňujícího kontaktu kov–polovodič), takže na kovových elektrodách diody vzniká napětí a je-li zapojen vnější obvod, protéká jím proud (viz obr. 7). Čím je Eg menší, tím více fotonů ze slunečního spektra se absorbuje, a tudíž se ge6. Vlevo: Sluneční spektrum: AM 0 – měřeno mimo zemskou atmosféru, AM 1,5 – po průchodu 1,5násobkem tloušťky zemské atmosféry (při šikmém dopadu). Vyšrafovaná plocha vyznačuje tu část spektra, kterou využije sluneční článek z monokrystalického křemíku. Ten absorbuje fotony s energií větší než 1,1 eV, tj. s vlnovou délkou kratší než asi 1,1 µm. Čárkovaná křivka je spektrum vyzařování černého tělesa o teplotě 6000 K (teplota povrchu Slunce).
2,5 E [kW/m 2 /µm]
úèinnost sluneèního èlánku [%]
35
èerné tìleso 6000 K
2,0
AM 0
1,5
AM 1,5 1,0 0,5 0
0
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 vlnová délka [µm]
674
Eg
VESMÍR 79, prosinec 2000 l http://www.cts.cuni.cz/vesmir
trárny, obvykle o výkonu 1–5 kW, mění pomocí invertorů stejnosměrný proud na střídavý. Pokud tento proud není spotřebován v místních spotřebičích, odvádí se do veřejné sítě. Při nedostatku proudí elektrická energie opačným směrem, takže elektrorozvodná síť vlastně nahrazuje akumulátor. K uvedenému účelu lze využít asi 20 % kapacity sítě. V Evropě (ve Finsku, Holandsku, SRN, Rakousku aj.) je již instalováno několik tisíc elektráren tohoto typu a od r. 1997 má Evropská unie a USA v plánu výstavbu asi milionu dalších. Potenciální možnosti výroby elektřiny tímto způsobem jsou značné. Podle EUREC Agency by využitím všech vhodných střech v Evropě bylo možno získat elektrárny o špičkovém výkonu 600 GWp, které by vyrobily ročně 500 TWh elektrické energie. Tato hodnota je srovnatelná se současnou spotřebou SRN. Kromě těchto malých elektráren jsou v provozu i střední a velké elektrárny s výkonem až do několika MW, které již mají většinou moduly umístěné na samostatných konstrukcích. Pro tento účel se využívají také protihlukové zábrany na dálnicích. Značnou roli v ceně vyrobené energie hraje materiál, z nějž jsou články vyráběny, a zvolená technologie (viz rámeček 3). Využití tenkých vrstev v technologii znamená značnou úsporu materiálu. Z výrobní linky nevycházejí jednotlivé články, nýbrž již celé moduly, takže odpadá nutnost spojování jednotlivých elementů a lépe se využije plocha modulu. Nevýhodou je, že nelze do modulu vybírat články tak, aby měly podobnou charakteTab. II – cena modulù [USD/Wp ] ristiku. Jestliže se má za4,4–11,8 Si krystalický bránit snížení účinnosti, 4,9 musí být nanášené vrstvy Si:H amorfní 1,3–2,0 CdTe dostatečně homogenní. Snížení ceny článků pod kritickou mez (za niž se považuje hodnota kolem 1 E/Wp a která znamená dosažení konkurenceschopnosti s klasickými zdroji elektřiny) lze dosáhnout i bez 7. Klasická konstrukce slunečního článku s mřížkovou elektrodou
fotony kovový kontakt
elektron
N
zátì
el. pole díra
P
kovový kontakt
neruje větší proud. Na druhé straně s klesajícím Eg klesá i napětí, které vzniká na elektrodách (toto napětí nemůže překročit velikost Eg). Z toho vyplývá, že existuje určitá optimální velikost šířky zakázaného pásu, pro kterou dostáváme největší součin napětí a proudu, tedy nejvyšší výkon a také účinnost. Teoretická závislost účinnosti na šířce zakázaného pásu je znázorněna na obr. 5. Proud obvodem závisí na velikosti zátěže. Součin napětí a proudu (odevzdávaný výkon) dosahuje v určitém bodě maximální hodnoty. Je důležité, aby tento bod byl zároveň pracovním bodem článku. Protože se zatěžovací křivky mění s teplotou i osvětlením, zařazuje se do zátěže elektronický obvod zajišťující tuto podmínku. Výkon, který článek produkuje, jestliže na něj dopadá zářivý tok o hustotě 1 kW/m2, je špičkový výkon (Wp). Tohoto výkonu se dosahuje pouze kolem poledne, v době maximálního slunečního svitu. Různé články se porovnávají podle ceny připadající na jednotku 1 Wp (viz tab. I a II). Například pro běžné články z monokrystalického křemíku se uvádí cena 4 USD/Wp. J. T.
Tab. III – úèinnost sluneèních èlánkù a modulù
technologického rozvoje, a to využitím ekonomických zákonitostí – zvýšením výroby. K tomu by bylo potřeba rozšířit objem výroby tenkovrstvých článků alespoň na 60 MWp a článků z monokrystalického křemíku na 500 MWp ročně. Cena energie z fotovoltaických elektráren nemůže zatím konkurovat elektřině vyráběné klasicky (viz obr. 9 a tab. IV), pokud je odběr v dosahu elektrorozvodné sítě. Její cena však neustále klesá, takže v několika 3. MATERIÁLY NA SLUNEČNÍ ČLÁNKY Nejčastěji používaným materiálem je krystalický (monokrystalický a polykrystalický) křemík. V zemské kůře se vyskytuje v dostatečném množství a jeho technologie je dobře zvládnuta, protože se využívá ješte v elektronice a v metalurgii. Není toxický, články se vyznačují vysokou účinností, stabilitou a životností 20–30 let. Nevýhodou je nízká absorpce slunečního záření, kvůli které se pro přípravu článku musí používat poměrně tlusté destičky (kolem 300 µm). Zvětšuje se tak spotřeba materiálu, a tím i cena. V laboratorních podmínkách byly již vyrobeny cely s účinností 24 % (maximální teoreticky dosažitelná hodnota pro křemík je 26 %), běžná účinnost komerčních cel je 15–17 %. Cena modulu z monokrystalického křemíku je přibližně 4 USD/Wp. Dosažení ceny 1,7 USD/Wp by umožnilo ekonomickou výrobu elektřiny v malých (1–5kWp) fotovoltaických elektrárnách připojených na síť. Snížení ceny by mohlo přinést používání tenčích křemíkových destiček (170–200 µm) a zlevňování technologického procesu přípravy článku. Hydrogenizovaný amorfní křemík (a-Si:H) vzniká rozkladem silanu (SiH4) v doutnavém výboji. Na podložce se při tom usazují vrstvy o tloušťce jen několika µm. Mají však velký optický absorpční koeficient, takže k výrobě článku to stačí. Nevýhodou je složitost přípravy, vyžadující vakuové zařízení a vysokou čistotu výchozích látek. Je nutno pracovat s toxickými materiály. Amorfní křemík vystavený slunečnímu záření degraduje. Teprve asi po roce se účinnost článku stabilizuje a dosahuje hodnoty 5–6 %. Tenké vrstvy CdTe se využívají pro přípravu heterogenních přechodů CdTe/CdS. Oproti článkům z amorfního křemíku se články CdTe/CdS vyznačují vysokou stabilitou a účinností přes 15 %. Spotřeba materiálu je rovněž malá (tloušťka článku je asi 2 µm) a článek lze připravit i velmi jednoduchou technologií, nenáročnou na drahé aparatury. Pokud jsou články zapouzdřené, nevadí jedovatost kadmia, nedostatkem však jsou malé zásoby teluru v zemské kůře. Tenké vrstvy Cu(Ga,In)(S,Se2). Články na bázi těchto vrstev jsou v posledním desetiletí předmětem intenzivního výzkumu. Dosahují účinnosti 15 %, nejvyšší publikovaná účinnost je 17 %. Jde o materiál s nízkou toxicitou. Stejně jako v případě CdTe/CdS jde o články levné, jejichž příprava je energeticky nenáročná. Pro úplnost je třeba se ještě zmínit o monokrystalických článcích GaAs, které se hodí spíše jako sluneční články pro speciální účely (např. v kosmu). Technologie GaAs je dobře zvládnuta vzhledem k tomu, že se využívá pro luminiscenční diody a polovodičové lasery. Protože má šířku zakázaného pásu blízkou optimální hodnotě, dosahuje se s ním vysokých účinností. Je odolnější proti radiačnímu poškození než křemík a lze s ním pracovat v koncentrovaném slunečním světle, protože dobře snáší zvýšenou teplotu. Nevýhodou je však vysoká cena. J. T.
Si monokrystalický Si polykrystalický Si:H amorfní (vrstvy) CdTe (vrstvy) Cu(Ga, In)(S, Se2) (vrstvy) GaAs monokrystalický GaAs monokrystalický pro koncentrovaná záøení
úèinnost modulù [%]
maximální laboratorní
komerèní èlánky
maximální laboratorní
komerèní èlánky
24 18,6 12,7 15,8 16,4 25,5
15–17 12 6–7
22,3 15,3 10,2 9,1 9,7
15 11–14 5 7–8
29
elektrárny
lokalita v Evropì
prùmìrná intenzita sluneèního záøení
cena [ /kWh]
na støechách a fasádách
západní
1,1 MWh/m2/rok
0,35–0,9
na støechách a fasádách centrální
jiní
1,75 MWh/m2/rok
0,25–0,6
jiní
1,75 MWh/m2/rok
0,35
uhelné
EU
0,15–0,19
Tab. IV. Cena energie. Při výpočtu této ceny vycházíme z množství energie, kterou elektrárna vyprodukuje během své existence – asi 20 let, s přihlédnutím k pořizovacím nákladům a nákladům na údržbu.
desetiletích se dá předpokládat, že se stane konkurenceschopnou. Již dnes existují případy, kdy využití fotovoltaiky znamená úspory. Důležitá je rovněž spolehlivost fotovoltaických elektráren, jednoduchost obsluhy a nenáročnost na údržbu. Jsou proto velice vhodné pro elektrifikaci v rozvojových zemích, kde dosud dvě miliardy lidí nemohou elektřinu využívat. V Evropské unii se obnovitelné zdroje energie podílejí 10 % na celkové produkci, v roce 2010 to má být již 15 %. Předpokládaný intenzivní rozvoj nových technologií přinese mimo jiné i nové pracovní příležitosti. Potenciál fotovoltaiky je značný. Abychom však mohli zcela nahradit klasickou výrobu elektřiny fotovoltaickými zdroji, museli bychom vytvořit síť elektráren po celé zeměkouli a transportem na velké vzdálenosti zásobovat energií ty oblasti, které právě nejsou osvětleny. Tak by bylo možno se vyhnout největšímu problému fotovoltaiky, jímž je akumulace energie. ¨ LITERATURA 1. The Future for Renewable Energy, 1996 EUREC Agency, James&James, London 1997 2. Fotovoltaika 98, 1. česká a slovenská konference a výstava o fotovoltaické přeměně slunečního záření, 16.–17. prosince 1998, Valašské Meziříčí 3. A Thermie Program Action: Photovoltaic Technologies and their Future Potential. EAB Energie-Anlagen Berlin GmbH 1993 4. P. A. Basore, J. M. Gee: Crystalline-silicon photovoltaics: necessary and sufficient. First World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion; Dec. 5–9, 1994; Hawaii, s. 2254 5. Photovoltaics in cold climates, M. Ross and J. Royer editors. James&James, London 1999
9. Vývoj ceny elektřiny z klasických a střešních fotovoltaických elektráren v USA a prognóza dalšího vývoje. Z prognózy vyplývá, že při udržení dosavadního vývoje bude dosaženo shodné ceny z obou zdrojů v r. 2010.
cena v roce 1994 [USD/kWh]
8. Použití fotovoltaických modulů místo stavebních prvků – střešních tašek, obkládaček a polopropustného skla – povede k zlevnění elektřiny ze střešních elektráren
úèinnost èlánkù [%]
0,6 støešní elektrárny klasické elektrárny (sí)
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1990
1995
2000
2005
2010 2015 roky
http://www.cts.cuni.cz/vesmir l VESMÍR 79, prosinec 2000
675
2020
