Moลพnosti vyuลพitia fotovoltickรฝch ฤlรกnkov na vรฝrobu elektrickej energie
Prudkรฝ rozvoj vรฝroby fotovoltickรฝch ฤlรกnkov aย ekologickรฉ problรฉmy spojenรฉ so spaฤพovanรญm fosรญlnych palรญv prinesรบ pravdepodobne nรกrast vyuลพรญvania elektrickej energie zรญskanej premenou slneฤnej energie. Sย cieฤพom experimentรกlnych skรบลกok sa na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty TU vย Koลกiciach inลกtaloval fotovoltickรฝ panel na bรกze amorfnรฉho kremรญka. Cieฤพom bolo overenie moลพnosti vyuลพitia fotovoltiky vย danej lokalite.
Zo sรบฤasnรฉho porovnania cien 1 kWh elektrickej energie vyrobenej vo fotovoltickรฝch ฤlรกnkoch sย cenami elektrickej energie vyrobenej zย inรฝch zdrojov (grafickรฉ zobrazenie je na obr.ย 2) vyplรฝva, ลพe elektrickรก energia vyrobenรก spaฤพovanรญm uhlia vย tepelnรฝch elektrรกrลach je cenovo najniลพลกia, zatiaฤพ ฤo elektrickรก energia vyrobenรก vo fotovoltickรฝch ฤlรกnkoch je cenovo najvyลกลกia.
Ekologickรฉ problรฉmy spojenรฉ so spaฤพovanรญm fosรญlnych palรญv vย spojenรญ sย prudkรฝm rozvojom vรฝroby fotovoltickรฝch ฤlรกnkov vลกak mรดลพu tento pomer vย blรญzkej budรบcnosti zmeniลฅ vย prospech fotovoltiky.
Princรญp fotovoltiky
Fotovoltickรฉ ฤlรกnky sรบ zariadenia, vย ktorรฝch sa na princรญpe vnรบtornรฉho fotoelektrickรฉho javu menรญ energia slneฤnรฉho ลพiarenia priamo na elektrickรบ energiu. Vnรบtornรฝm fotoelektrickรฝm javom sa sรญce zvรฝลกi vodivosลฅ polovodiฤa, ale nikdy sa nevytvorรญ potenciรกlovรฝ rozdiel. Ten vznikne buฤ nerovnomernรฝm osvetlenรญm polovodiฤa, alebo vytvorenรญm ฤlรกnku tak, ลพe spojรญme dva polovodiฤe sย rรดznym typom vodivosti alebo polovodiฤ sย kovom.
Vย praxi sa najฤastejลกie pouลพรญvajรบ fotovoltickรฉ ฤlรกnky sย homoprechodom N/P na bรกze monokryลกtalickรฉho kremรญka. Procesy, ktorรฉ vย takomto ฤlรกnku prebiehajรบ pri jeho osvetlenรญ, sรบ schematicky znรกzornenรฉ na obr. 3.
Obr. 3 Procesy prebiehajรบce pri osvetlenรญ fotovoltickรฉho ฤlรกnku na bรกze monokryลกtalickรฉho kremรญka (2, 3)
Na zรญskanie vyลกลกieho napรคtia alebo prรบdu sย vyลกลกou intenzitou sa fotovoltickรฉ ฤlรกnky spรกjajรบ do tzv. fotovoltickรฝch panelov alebo solรกrnych modulov. Sรฉriovรฝm zapojenรญm fotovoltickรฝch ฤlรกnkov do fotovoltickรฝch panelov sa zvyลกuje napรคtie, priฤom vลกetkรฝmi fotovoltickรฝmi ฤlรกnkami prechรกdza rovnakรฝ prรบd. Ak vลกak slneฤnรฉ ลพiarenie nedopadรก na vลกetky ฤlรกnky rovnomerne, tieto ฤlรกnky produkujรบ prรบdy sย rรดznou intenzitou. To znamenรก, ลพe celรฝ panel bude dodรกvaลฅ len takรฝ prรบd, akรฝ produkuje najhorลกie osvetlenรฝ fotovoltickรฝ ฤlรกnok (2, 3).
Materiรกly na vรฝrobu fotovoltickรฝch ฤlรกnkov
Prehฤพad najpouลพรญvanejลกรญch polovodiฤovรฝch materiรกlov na vรฝrobu fotovoltickรฝch ฤlรกnkov vo svete vย roku 1992 je graficky zobrazenรฝ na obr. 4 (4). Zย tohto prehฤพadu vyplรฝva, ลพe najpouลพรญvanejลกรญm materiรกlom na vรฝrobu fotovoltickรฝch ฤlรกnkov vย tom ฤase boli (aย naฤalej sรบ) monokryลกtรกly kremรญka, ktorรฉ sa vyrรกbajรบ zย vyrafinovanรฉho kremรญka sย ฤistotou 99,999ย % kremรญka (Si). รฤinnosลฅ monokryลกtalickรฝch kremรญkovรฝch ฤlรกnkov dosahuje 16ย % (vย laboratรณrnych podmienkach aลพ 24ย %). Vรฝroba fotovoltickรฝch ฤlรกnkov zย monokryลกtรกlov kremรญka je vลกak drahรก aย energeticky nรกroฤnรก, aย tak sa vรฝvoj zameral na lacnejลกie technolรณgie. Fotovoltickรฉ kremรญkovรฉ ฤlรกnky vyrobenรฉ zย polykryลกtalickรฉho kremรญka majรบ niลพลกiu รบฤinnosลฅ premeny slneฤnej energie na elektrickรบ ako fotovoltickรฉ ฤlรกnky vyrobenรฉ zย monokryลกtalickรฉho kremรญka (oย 12 aลพ 14ย %), ale ich vรฝroba je ekonomicky menej nรกroฤnรก.
Medzi ฤalลกie typy fotovoltickรฝch ฤlรกnkov, ktorรฉ sa vย sรบฤasnosti presadzujรบ na trhu, patria tzv. tenkovrstvovรฉ fotovoltickรฉ ฤlรกnky vyrobenรฉ na bรกze amorfnรฉho kremรญka. ฤistรฝ amorfnรฝ kremรญk je zย hฤพadiska ลกtruktรบry na vรฝrobu fotovoltickรฝch ฤlรกnkov nevhodnรฝ, aย preto sa pouลพรญva hydrogenizovanรฝ amorfnรฝ kremรญk (a-Siย :ย H). Vรฝhody pouลพitia hydrogenizovanรฉho amorfnรฉho kremรญka ako lacnรฉho materiรกlu pre fotovoltickรฉ ฤlรกnky vyplรฝvajรบ zย jeho optoelektronickรฝch vlastnostรญ (obr. 5) (5). ล รญrka zakรกzanรฉho pรกsma je asi 1,7 eV aย hodnoty absorpฤnej optickej konลกtanty vo viditeฤพnej ฤasti spektra sรบ pre hydrogenizovanรฝ amorfnรฝ kremรญk oveฤพa vyลกลกie neลพ pre monokryลกtalickรฝ kremรญk. To znamenรก, ลพe vo fotovoltickom ฤlรกnku vyrobenom na bรกze hydrogenizovanรฉho amorfnรฉho kremรญka sa znaฤnรก ฤasลฅ dopadajรบceho slneฤnรฉho ลพiarenia absorbuje uลพ vo veฤพmi tenkej vrstve polovodiฤa, ktorรก sa nanรกลกa na lacnรฝ podklad, napr. sklo, oceฤพ alebo plast. Vรฝroba takรฝchto fotovoltickรฝch ฤlรกnkov je sรญce lacnejลกia neลพ vรฝroba fotovoltickรฝch ฤlรกnkov zย monokryลกtalickรฉho aย polykryลกtalickรฉho kremรญka, รบฤinnosลฅ premeny slneฤnej energie na elektrickรบ sa vลกak vย tomto prรญpade pohybuje od 3 do 7 %.
Meranie intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia dopadajรบceho na fotovoltickรฝ panel
Na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty TU vย Koลกiciach sa inลกtaloval fotovoltickรฝ panel na bรกze amorfnรฉho kremรญka, ktorรฝ dodรกva jednosmernรฝ prรบd potrebnรฝ na elektrolรฝzu vody. Jeho zรกkladnรฉ technickรฉ parametre danรฉ vรฝrobcom sรบ uvedenรฉ vย tab. 1. Cieฤพom inลกtalรกcie boli experimentรกlne skรบลกky premeny energie slneฤnรฉho ลพiarenia na elektrickรบ energiu, ktorรก je nรกsledne potrebnรก na vรฝrobu vodรญka elektrolรฝzou vody.
Medzi charakteristickรฉ hodnoty fotovoltickรฉho panela patrรญ prรบd nakrรกtko (ISC) aย napรคtie naprรกzdno (UOC). Prรบd nakrรกtko ISC je maximรกlny prรบd, ktorรฝ mรดลพe fotovoltickรฝ panel pri danom oลพiarenรญ dodรกvaลฅ. Napรคtie naprรกzdno UOC je maximรกlne napรคtie, ktorรฉ sa dosahuje, keฤ na fotovoltickรฝ panel nie je pripojenรฝ ลพiadny spotrebiฤ. Zย tab. 1 vyplรฝva, ลพe maximรกlny vรฝkon, ktorรฝ mรดลพe fotovoltickรฝ panel dodรกvaลฅ, je 51 W. Tento dodรกvanรฝ vรฝkon sa vลกak menรญ vย zรกvislosti od intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia dopadajรบceho na fotovoltickรฝ panel poฤas dลa, pretoลพe prรกve svetlom sa uvoฤพลujรบ elektrรณny pre elektrickรฝ prรบd.
Intenzita slneฤnรฉho ลพiarenia dopadajรบceho na fotovoltickรฝ panel na bรกze hydrogenizovanรฉho amorfnรฉho kremรญka inลกtalovanรฝ na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty TU vย Koลกiciach sa kontinuรกlne meria pomocou pyranometra aย nameranรฉ hodnoty sa zaznamenรกvajรบ poฤรญtaฤom pripojenรฝm kย dรกtovej zbernici systรฉmu. Na obr. 6 je znรกzornenรฝ prรญklad nameranรฉho priebehu intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia Gย (W/m2) dopadajรบceho na tento fotovoltickรฝ panel poฤas mesiaca august vย zรกvislosti od ฤasu. Zย obr. 6 vyplรฝva, ลพe intenzita dopadajรบceho slneฤnรฉho ลพiarenia sa vย priebehu mesiaca menรญ vย zรกvislosti od poฤtu slneฤnรฝch dnรญ. Vย mesiaci august 2007 sa namerala maximรกlna hodnota intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia 820 W/m2. Priame slneฤnรฉ ลพiarenie dopadalo na fotovoltickรฝ panel len vย dopoludลajลกรญch hodinรกch, vย popoludลajลกรญch hodinรกch spรดsoboval tieล budovy pokles intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia. Vย zรกvislosti od intenzity slneฤnรฉho ลพiarenia sa menรญ tieลพ vรฝkon, ktorรฝ mรดลพe fotovoltickรฝ panel dodรกvaลฅ.
Zรกver
Aj napriek rรดznym spornรฝm tvrdeniam oย energetickej nรกvratnosti fotovoltickรฝch ฤlรกnkov sa fotovoltika ako spรดsob priamej premeny slneฤnรฉho ลพiarenia na elektrickรบ energiu mรดลพe vย sรบฤasnosti vyuลพรญvaลฅ predovลกetkรฝm ako doplnkovรฝ zdroj elektrickej energie. Jednou zย moลพnostรญ vyuลพitia takto zรญskanej elektrickej energie je vรฝroba vodรญka elektrolรฝzou vody. Technolรณgiu vodรญkovej energetiky moลพno jednoducho aplikovaลฅ napr. vย domoch aย komerฤnรฝch budovรกch sย vyuลพitรญm fotovoltickรฝch streลกnรฝch panelov. Vodรญk sa mรดลพe skladovaลฅ na neskorลกie pouลพitie vย palivovรฝch ฤlรกnkoch alebo sa mรดลพe prepravovaลฅ do podzemnรฝch zรกsobnรญkov pomocou existujรบcej plynovej distribuฤnej siete.
doc.ย RNDr.ย Alexandra Klenovฤanovรก, PhD., Ing.ย Tomรกลก Brestoviฤ
Foto aย obrรกzky: archรญv autorky, Schรผco International KG, Wagner & Co
Autori pรดsobia na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty TU vย Koลกiciach.
Recenzoval: prof.ย Ing.ย Ivan Imriลก, DrSc.
Literatรบra:
1. Walter, G., Meyer, T., Wambach, K.:โRecycling of used PV wafers by thermal Processing. In: Acta Metallurgica Sovaca, 11, 2005, str. 385 โ 388.
2. Klenovฤanovรก, A., Imriลก, I.:โZdroje aย premeny energie. Preลกov: ManaCon, 2006.
3. Kadrnoลพka, J.:โEnergie aย globรกlnรญ oteplovรกnรญ, Zemฤ vย promฤnรกch pลi opatลovรกnรญ energie. VUTIUM, Brno, 2006.
4. Cenek, M. aย kol.:โObnovitelnรฉ zdroje energie.
Praha: FCC PUBLIC ,1994.
5. Fahrenbruch, A. L., Bube, R.:โFundamentals of Solar cells, Photovoltaic Solar Energy Conversion.
New York: Academic Press, 1983.