Fotovoltika (FV) je v súčasnosti spolu s vodnou a veternou výrobou elektrickej energie najčastejšie využívaným obnoviteľným zdrojom energie. Slnko je nevyčerpateľný zdroj energie, čo z neho robí najefektívnejší obnoviteľný zdroj energie pre domácnosti aj priemysel. Keď slnečné svetlo zasiahne fotovoltický (FV) článok, známy aj ako solárny článok, môže sa odraziť, absorbovať alebo prejsť cez článok. Solárny článok je polovodičová súčiastka, ktorá využíva energiu svetla (foto) a premieňa ju na elektrinu (voltic) - proces známy ako fotovoltický efekt. Využitie slnečnej energie na pokrytie našich neustále rastúcich energetických potrieb zvyšuje význam pochopenia fungovania solárnych článkov.
Princíp fungovania fotovoltických článkov
Keď svetlo dopadne na kov alebo polovodič, svojou energiou uvoľňuje elektróny a vzniká elektrické napätie, kde pri uzatvorení obvodu vzniká aj jednosmerný elektrický prúd. Solárne články najskôr absorbujú fotóny zo slnečného svetla, ktoré následne dodávajú energiu elektrónom v atóme. Následne sa nabité elektróny presúvajú zo stavu nízkej energie do stavu vysokej energie, pričom za sebou zanechávajú „diery“. Fotovoltické články sú strategicky skonštruované s elektrickým poľom, ktoré núti tieto voľné elektróny pohybovať sa v určitom smere, čím vytvárajú elektrický prúd. Toto elektrické pole zodpovedá napätiu a súčin tohto napätia a prúdu dáva výkon (alebo wattáž), ktorý solárny článok môže vyrobiť. Účinnosť FV článku je v podstate elektrická energia vyrobená článkom v porovnaní s energiou z dopadajúceho svetla. Táto metrika udáva účinnosť bunky pri premene energie z jednej formy na druhú.
Rozhodujúcou charakteristikou FV polovodičov je bandgap, ktorý určuje vlnové dĺžky svetla, ktoré môže materiál absorbovať a premeniť na elektrickú energiu. Bandgap je vzdialenosť medzi valenčným pásom elektrónov a pásom vodivosti. Predstavuje minimálnu energiu potrebnú na vybudenie elektrónu až do stavu vo vodivom pásme, kde sa môže podieľať na vedení.
Materiály používané vo fotovoltických článkoch
Fotovoltický panel tvoria fotovoltické články. Solárne články sú vyrobené zo špeciálne pripravených materiálov nazývaných polovodiče. Samotná má iba veľmi malé využitie, pretože výstupné napätie a elektrický výkon je pre väčšinu aplikácií nedostatočný.
Kremík - najčastejší polovodič
Kremík je najčastejšie používaný materiál pri výrobe fotovoltických článkov. Kremík, vďaka svojim jedinečným chemickým vlastnostiam, zohráva základnú úlohu vo fungovaní solárnych článkov. Štruktúrne má atóm kremíka 14 elektrónov usporiadaných v troch rôznych obaloch a na stabilizáciu sa musí podeliť o 4 elektróny s inými atómami. V pokročilejšom kontexte je kremík v solárnych článkoch zvyčajne „dopovaný“ alebo spracovaný nečistotami, aby sa zmenila jeho vodivosť. Napríklad kremík môže byť dopovaný fosforom (kremík typu N), ktorý vytvára prebytok voľných elektrónov, alebo bórom (kremík typu P), ktorý vytvára prebytok „dier“. Nakoľko tvorí asi štvrtinu zemskej kôry, jeho zásoby sú dostatočné na pokrytie výroby aj v budúcnosti. Kryštalický kremík je najbežnejšie používaným materiálom pre komerčné solárne články. Kombinuje nízku cenu, vysokú účinnosť až do 26 % - 27 %, dlhodobú stabilitu a trvanlivosť a solídne priemyselné technické znalosti. Solárne články vyrobené zo kremíka sú najobľúbenejšou voľbou pre dnešné solárne panely.
Typy fotovoltických článkov a ich zloženie
Na trhu sú dostupné tri druhy fotovoltických panelov - monokryštalické, polykryštalické a tenkovrstvové. V domácnostiach sa využívajú najmä kryštalické panely, pretože pracujú účinnejšie a umožňujú vyrobiť viac elektriny pri obmedzenom priestore na inštaláciu. Technologický vývoj v tejto oblasti rýchlo napreduje. Zásadné zlepšenie parametrov kryštalických panelov priniesla nová technológia s polovičnými článkami, známa ako „half cut“ alebo „half cell“.
- Monokryštalický kremík (c-Si): Tieto solárne články sú vyrobené z jedného kremíkového kryštálu a ponúkajú najvyššiu úroveň účinnosti spomedzi všetkých fotovoltických technológií. Jedná sa o vysoko účinný typ solárnych článkov používaných v prémiových solárnych paneloch. Spravidla ponúkajú viac výkonu ako konkurenčné výrobky, ale sú oveľa drahšie. Solárne panely s použitím monokryštalických kremíkových buniek majú výrazný vzorec malých bielych diamantov.
- Polykryštalický kremík (mc-Si): Polykryštalické články sú odlievané z väčšieho počtu menších polykryštálov kremíka. Tieto solárne články sa skladajú z viacerých malých kremíkových kryštálov. V porovnaní s monokryštalickými článkami majú nižšiu účinnosť, ale sú vo všeobecnosti cenovo dostupnejšie, čo z nich robí obľúbenú voľbu pre rezidenčné a komerčné aplikácie.
- Tenkovrstvové (TFPV): Pri tenkovrstvových článkoch sa nanáša mikroskopická vrstva polovodičového materiálu na dosku zo skla alebo plastu. Solárne články s tenkou vrstvou sa vyrábajú nanesením/uložením veľmi tenkej vrstvy polovodičového materiálu na sklenený, plastový alebo kovový substrát. Medzi bežné typy tenkovrstvových solárnych článkov patria telurid kadmia (CdTe), amorfný kremík (a-Si) a seleničitan medi, india a galia (CIGS). Prevádzkové princípy tenkých - filmové solárne články sú prakticky identické s konvenčnými bunkami založenými na kremíku. Hoci majú tendenciu byť lacnejšie, ich výkon nie je taký dobrý ako C-Si technológia SI.
- Viacvrstvové (MJ): Viacvrstvové solárne články sa skladajú z viacerých vrstiev polovodičových materiálov, pričom každá vrstva je navrhnutá tak, aby zachytávala špecifickú vlnovú dĺžku svetla. To výrazne zvyšuje ich účinnosť, vďaka čomu sú ideálne pre vysokovýkonné aplikácie, ako je kozmický a letecký priemysel.
- Perovskitové solárne články: Perovskitové solárne články, podtyp tenkovrstvových článkov, odvodzujú svoj názov od svojej charakteristickej kryštálovej štruktúry. Tieto bunky obsahujú vrstvy materiálov nanesených na substrát. Perovskitové články sa relatívne ľahko montujú a vykazujú účinnosť porovnateľnú s kryštalickým kremíkom. Vedci zo švédskej Univerzity v Linköpingu vyvinuli spôsob, ako opakovane recyklovať všetky časti solárnych článkov bez použitia rozpúšťadiel, ktoré sú škodlivé pre životné prostredie. Nové články vyrobené z recyklovaného perovskitu sú navyše rovnako účinné ako pôvodné články a recyklačný proces je založený na netoxickom rozpúšťadle na báze vody.
- Solárne články s kvantovými bodmi: Tieto články využívajú na vedenie elektrickej energie malé polovodičové častice s veľkosťou len niekoľko nanometrov. Aj keď ponúkajú nové metódy spracovania polovodičov, zostávajú výzvy pri vytváraní efektívnych elektrických spojení.
- Organické FV (OFV) články: Obsahujú zlúčeniny bohaté na uhlík a ponúkajú možnosť prispôsobenia pre špecifické funkcie FV článkov. Napriek tomu, že sú asi o polovicu účinnejšie ako kryštalické kremíkové články s kratšou životnosťou, OFV články predstavujú príležitosti pre nákladovo efektívnu hromadnú výrobu.
- Koncentrovaná FV (CFV): Koncentruje slnečné svetlo na solárny článok pomocou zrkadiel alebo šošoviek, čo vyžaduje menej FV materiálu.
Ako fungujú solárne panely? - Richard Komp
Základné materiály pre montáž fotovoltických modulov
Medzi základné materiály na montáž fotovoltických modulov patrí temperované sklo, film EVA, solárne články, zadný list, rámce hliníkovej zliatiny a spojovacie skrinky.
- Temperované sklo: Sklo slúži ako ochranná vrstva pre solárne panely, pričom bráni environmentálnym faktorom, ako sú výpary, voda a nečistoty, poškodzovať fotovoltaické bunky. Temperované sklo ponúka až štyrikrát viac pevnosti ako štandardné sklo. Táto sila je kritická, pretože predný list solárneho panela vyžaduje trvalú ochranu pred prvkami.
- Etylén vinylacetát (EVA): EVA je termoplastický polymér, ktorý má dobrý prenos žiarenia a nízku degradbilitu na slnečné svetlo. Používa sa ako enkapsulačný materiál pre kryštalické kremíkové solárne články. Pri zahrievaní sa transformuje na priehľadný ochranný film, ktorý utesňuje a izoluje solárne články. Pomáha bunkám vznášať sa medzi sklom a zadným listom.
- Zadný list (Backsheet): Zadná strana fotovoltaického modulu používa filmový film. Je to viacvrstvový laminát vyrobený z rôznych polymérnych materiálov a anorganických modifikátorov. Poskytuje odolnosť proti poveternostným vplyvom, mechanickú pevnosť a adhéziu.
- Rámy hliníkovej zliatiny: Tieto rámce zabezpečujú komponenty solárneho panela a tesnenia, vrátane solárneho hárku a krycieho skla. Hliníkový rám účinne chráni slnečné moduly pred vlhkosťou, prachovými časticami, dažďom a inými škodlivými prvkami a zároveň vypúšťa vodu.
- Spojovacie skrinky: Spojka pôsobí ako konektor a preklenuje medzeru medzi solárnymi modulmi a riadiacimi zariadeniami, ako sú invertory. Vo vnútri spojovacej skrinky je prúd generovaný solárnymi modulmi nasmerovaný cez terminály a konektory a potom nasmerovaný na spotrebiteľa.
Podiel materiálov v štandardnom fotovoltickom paneli
Štandardné fotovoltické panely z kryštalického kremíka obsahujú približne:
| Materiál | Percentuálny podiel |
|---|---|
| Sklo (povrch panelov) | 76 % |
| Polymér | 10 % |
| Hliník (rám) | 8 % |
| Kremík (slnečné články) | 5 % |
| Meď | 1 % |
| Ďalšie kovy (striebro, cín a olovo) | menej než 0,1 % |
Systémy fotovoltiky a ich využitie
Fotovoltický solárny panel je súbor solárnych článkov, ktoré sú elektricky prepojené a namontované v ráme. Keď slnečné svetlo dopadne na fotovoltaický solárny panel, energia je absorbovaná solárnymi článkami a použitá na uvoľnenie elektrónov z atómov kremíka, čo spôsobuje ich pohyb a generovanie elektrického prúdu. Elektrická energia vyrobená solárnym panelom je jednosmerný prúd (DC). Väčšina moderných domácností však vyžaduje striedavý prúd (AC). Preto musí energia vyrobená solárnym panelom najprv prejsť cez menič, ktorý ju premení z jednosmerného prúdu na striedavý prúd pre každodenné použitie.
Základom fotovoltického systému sú fotovoltické panely umiestnené na streche. Panely vyrábajúce jednosmerný prúd sú prepojené vodičmi jednosmerného prúdu so striedačom. Zo striedača je výkon fotovoltického systému rozvedený do inštalácie, najčastejšie do rozvádzača. Väčšina spotrebičov je napájaná cez rozvádzač a elektrické rozvody, len niektoré možno napájať priamo z fotovoltického systému. Spotrebu a dodávku do distribučnej sústavy meria elektromer.
Typy fotovoltických systémov
Dostupné fotovoltické technológie dnes ponúkajú celý rad príležitostí, ako využívať bezplatnú energiu zo slnka. Žiadna z možností sa však nezaobíde bez vstupných investícií. Rozhodnutiu, či investovať do vlastného zariadenia na výrobu elektriny, by malo v prvom rade predchádzať posúdenie doterajšej aj plánovanej spotreby energie v priebehu dňa a roka, ale aj dôsledné zváženie všetkých okolností, ktoré sa týkajú financií a možností umiestnenia technológie.
- Ostrovné fotovoltické systémy (Off-grid): Sú oddelené od distribučnej sústavy elektriny. Jednosmerný prúd vyrábaný fotovoltickými panelmi môže byť využitý priamo, napríklad na prípravu teplej vody alebo na napájanie inštalácie určenej pre jednosmerný prúd. Ostrovné fotovoltické systémy sa aj v strednej Európe využívajú najmä na odľahlých miestach, kde nie je k dispozícii elektrina z verejnej distribučnej sústavy. Často je to lacnejšie riešenie v porovnaní s vybudovaním a prevádzkovaním pripojenia do distribučnej sústavy, napríklad pre rekreačné chaty mimo obývaných území alebo mobilné domy. Ak je fotovoltický systém inštalovaný v rodinnom dome, ktorý je pripojený do distribučnej sústavy, môžeme hovoriť o ostrovnom systéme len vtedy, keď nie je prepojený s ostatnými rozvodmi elektriny v dome, t. j. musí byť galvanicky oddelený.
- Fotovoltické systémy s priamym pripojením (On-grid): Dodávajú elektrinu získanú z panelov do distribučnej sústavy. Jednosmerný prúd vyrábaný v paneloch je v striedači premieňaný na prúd striedavý. Striedač potrebuje pre správne fungovanie trvalé pripojenie do distribučnej sústavy. Dodaná energia je meraná pomocou štvorkvadrantného elektromera. Elektrina vyrobená v systémoch s priamym pripojením sa primárne využíva v elektrických rozvodoch v domácnosti, nespotrebovaná časť môže byť odovzdaná do distribučnej sústavy. Inštalácia on grid systému nie je vhodná pre každého. Ekonomický význam má vtedy, ak je domácnosť schopná spotrebovať väčšiu časť vlastnej elektriny práve v čase výroby.
- Hybridné fotovoltické systémy: Kombinujú vlastnosti ostrovného systému a systému priamo pripojeného do distribučnej sústavy. V priebehu dňa, keď je dostatočná výroba elektriny na pokrytie prevádzky elektrospotrebičov, je energia priamo spotrebovaná. Ak je výroba menšia ako práve požadovaná spotreba elektriny v domácnosti, je potrebné požadované množstvo elektriny dopĺňať z distribučnej sústavy. Ak je výroba elektrickej energie väčšia ako spotreba v domácnosti, môže hybridný systém dodávať energiu do distribučnej sústavy. Najvhodnejším riešením pre domácnosti je hybridný systém, ktorého základ tvorí on grid systém doplnený o batériové úložisko.
Akumulácia energie v batériovom úložisku
Fotovoltické systémy s akumuláciou energie v batériovom úložisku umožňujú využiť väčšiu časť vyrobenej elektriny. Množstvo uloženej elektriny v batériovom úložisku je vždy limitované, zvyčajne pokryje potrebu domácnosti na jeden či dva dni. Tak ste schopní spotrebovať väčší podiel elektriny z fotovoltického systému, čo znamená nižšie faktúry za odber elektriny z distribučnej sústavy. Treba však rátať s vyššou obstarávacou cenou. Aj pri systémoch s priamym pripojením umožní batériové úložisko využiť väčšiu časť vyrobenej elektriny podobne ako pri ostrovných systémoch. Najväčšie výhody prináša akumulácia elektriny pri použití v hybridných systémoch. Nevyhnutným komponentom systémov s akumuláciou energie je regulátor nabíjania batérií. Vo väčšine hybridných striedačov je súčasťou striedača, ktorý riadi nabíjanie aj prepína spotrebu medzi vhodnými zdrojmi.
Biosolárna strecha
Biosolárna strecha je riešenie, pri ktorom sa na jednej streche spája zeleň a fotovoltika. Zelená strecha pomáha ochladzovať budovu a zadržiavať dažďovú vodu, solárne panely zas vyrábajú elektrinu. Hoci solárne panely pracujú so slnečnou energiou, vysoké teploty im paradoxne neprospievajú. Na klasických strechách pritom v lete dosahuje povrchová teplota hydroizolácie 60 až 80 °C. Práve tu zohráva zelená strecha dôležitú úlohu. Vegetácia a substrát zadržiavajú vodu, ktorá sa postupne vyparuje a prirodzene ochladzuje svoje okolie.
Recyklácia fotovoltických panelov
Kremíkové solárne panely prvej generácie sa postupne ocitajú na konci svojho životného cyklu, čím vznikajú a perspektívne budú vznikať obrovské objemy odpadu. Vzhľadom na to, že fotovoltické zariadenia sa považujú podľa zákona o odpadoch za elektrozariadenia, ich likvidácia musí prebiehať v súlade s legislatívnymi pravidlami. Každý podnikateľ, ktorý uvádza fotovoltické panely na slovenský trh (vyrába alebo dováža) sa automaticky stáva tzv. výrobcom. Recyklácia fotovoltiky umožňuje získať späť predovšetkým materiály ako sklo, plast alebo kov.
Cieľom smernice o odpade z elektrických a elektronických zariadení z roku 2012 bola prevencia vzniku odpadu z elektrických a elektronických zariadení a jeho opätovné použitie, respektíve recyklácia. Táto smernica definuje fotovoltické panely ako elektronické zariadenia a vyžaduje pre nich 85-percentnú účinnosť pri získavaní druhotných surovín.
Proces recyklácie
Proces recyklácie začína demontážou rámu panelu, ktorý je obvykle vyrobený z hliníku. Súčasne sú odstránené elektrické a elektronické súčiastky, ako napríklad káble alebo zásuvky. Zostávajúce časti panelu sa potom rozdrtia. Zhruba 80 % materiálu tvorí sklo, ale v paneli sa nachádza taktiež kremíka plastová fólia. Kovové materiály sú znovu využité vo výrobnom procese. Sklo má široké možnosti využitia, ako je výroba stavebných materiálov alebo jeho použitie v hutníckom a sklárskom priemysle. Medzi nejcennejšie kovy získané z fotovoltických panelov patrí hliník. Súčasná technológia umožňuje získať späť asi 90 % týchto surovín.
Náklady na recykláciu
Kto hradí náklady na recykláciu fotovoltických panelov? Záleží na dátume výroby. Pred rokom 2012 bola finančná zodpovednosť za recykláciu na prevádzkovateli fotovoltických panelov, zatiaľčo po roku 2012 je táto povinnosť na výrobcoch alebo dovozcoch. Obidva subjekty sú povinné finančne prispieť do tzv. kolektívnych systémov, ktoré slúžia k financovaniu zberu a recyklácie panelov. Na Slovensku má na starosti financovanie zberu a zhodnotenia elektroodpadu Organizácia zodpovednosti výrobcov (OZV). Určiť presnú cenu recyklácie jedného fotovoltického panelu je obtiažne. Avšak, náklady sa pohybujú v rade desatinných jednotiek eur za kilogram panelu. Cena sa obvykle drží v rozmedzí medzi 0,080 eur až 0,40 eur za kilogram. Záleží taktiež na tom, či panel má alebo nemá rám, či je založený na kremíku prípadne iných materiáloch a či obsahuje nebezpečné látky ako kadmium alebo selén.
tags: #cim #su #plnene #fotovoltaicke #clanky