Fotovoltaické systémy a jejich využití v praxi - výňatek z odborné práce (SOČ) Lukáše Daniše z Mendlova gymnázia v Opavě

Solární fotovoltaické systémy můžeme rozdělit na tři aplikační skupiny:

-autonomní

-hybridní

-přímo spojené se sítí

Autonomní systém obecně potřebuje akumulátory a je používán především v místech, kde není dostupná veřejná elektrická síť. Jedná se především o aplikace při čerpání vody zabezpečovací a telekomunikační systémy.

Hybridní systém obsahuje fotovoltaické pole a jeden nebo několik pomocných generátorů, jako jsou např. dieselagregáty a větrné elektrárny, a jednu nebo více baterií. Vyžaduje složitější regulátory, na rozdíl od zbylých systémů, a řídící členy využívající vlastnosti všech zdrojů.

Systém přímo spojený se sítí běžně nepotřebuje akumulátor. Měnič musí být navržen tak, aby pracoval v celém rozsahu napětí, které poskytuje celé fotovoltaické pole. Jednoduchý systém tohoto typu má fotovoltaické pole a měnič na nízkém napětí. Pro vysokonapěťové systémy / nad 400V / je charakteristické použití transformátorů, výkonových spínačů, harmonické filtrace a ochranných prvků.

Konstrukce krystalických solárních článků

Většina solárních článků se skládá z krystalického křemíku. Rozlišují se monokrystalické solární články, které se skládají z jediného krystalu s pravidelnou krystalickou mřížkou a polykrystalické články, skládající se z mnoha různě orientovaných krystalů. Pro praktické použití jsou oba typy článků stejně vhodné.

V tenkých destičkách vysoce čistého křemíku se cíleným znečištěním určitými cizími atomy vyrobí dvě nad sebou ležící vrstvy s různou koncentrací nosičů náboje. Na přechodu mezi záporně a kladně dotovanou vrstvou se v solárním článku vytvoří elektrické pole. Dopadne-li na solární článek světelný paprsek, uvolní světlo některé elektrony z křemíkové mřížky v přechodu PN. Tyto volné elektrony a také vzniklé díry se polem přechodu PN oddělí, takže v horní vrstvě křemíku vznikne přebytek elektronů a ve spodní vrstvě nedostatek elektronů. Propojí-li se horní a spodní strana článku přes nějaký spotřebič, může se přebytek a nedostatek elektronů vyrovnávat: Dochází k pohybu nosičů náboje, tj. teče elektrický proud. Zatímco u atomárního pohledu tečou elektrony od záporného pólu ke kladnému, je technický směr proudu definován právě obráceně, tj. z technického hlediska teče proud od kladného pólu k zápornému.

Aby bylo možné elektrony vyrobené v ploše článku efektivně shromáždit a beze ztrát odvádět, je na přední straně článku umístěna kontaktní mřížka a na zadní straně kontaktní plocha (obr. 1).

Zcela novým prvkem v konstrukci křemíkových solárních článků, vedoucím k podstatnému zvýšení účinnosti přeměny je zabudování lokální defektní vrstvy nad přechodem PN v místě vodiče. Na zvýšení účinnosti se podílí dva vlivy :

a) vlastní přítomnost lokální defektní vrstvy

b) umístění díry v této vrstvě pod vrchní kontakt

   Protože neporušený křemíkový materiál v díře má menší odpor než materiál v oblasti mimo defektní díru, nosiče náboje preferují pohyb přes přechod PN právě touto dírou. Tím se snižují ztráty způsobené rekombinací, což zvyšuje účinnost, která může dosáhnout až 35%

Obr 1.

Pro výrobu solárních článků se také využívá arsenidu galia, který je druhý nejpoužívanější materiál ve výrobě solárních článků.

Solární články ovšem při výrobě potřebují energii, která se vrací po určité době používání, záleží na typu a velikosti panelu, tato energetická návratnost se pohybuje v rozmezí 1 až 5 let.

Výkon solárního článku a výkonnostní vlivy

Na výkon solárního článku má vliv ozáření sluncem respektive intenzita záření, sklon panelu, povrch panelu, krycí médium a antireflexní vrstva.

Z grafu tedy vyplývá, že s rostoucí teplotou se téměř lineárně snižuje výkon panelu a to při zvýšení teploty o 60°C z původních 25°C, se sníží výkon o 39% což je výsledném efektu panelu značná ztráta, neboť největších výkonů panelu lze dosáhnout v létě při ideálním osvětlení a ztráta 40% je ve výsledném efektu citelně znát, podle výrobce je tato ztráta 0,4% / °C.

Vliv krycího materiálu:

Z grafu je patrno, že nejlepší krycí vlastnosti vzhledem k poklesu výkonu má čiré plexisklo. Naopak nejhorší má sklo, nejen 5mm široké. Při změně vzdálenosti od plochy panelu se neprojevovaly výrazné změny ztráty výkonu, pouze u skla byly rozdíly znatelné, ale vlivem tloušťky skla.

Výsledky jsou částečně nepřesné tím, že krycí materiál neměl stejnou tloušťku a že jsem neměl možnost vytvořit podmínky takové, aby fotočlánek bez krytí měl stále stejnou teplotu.

Roční vliv na výkon:

Na obr. 7 je graf podle firmy SOLARTEC, výrobce solárních panelů, měření byla prováděna v letech 1994 – 1999.