Fotovoltaika v roce 2005
| Fotovoltaika v roce 2005 doc. Ing. Martin Libra, CSc., Úvod Na stránkách časopisu Světlo jsme již vícekrát psali o fotovoltaické (PV) přeměně energie, naposledy v loňském roce byla podrobně popsána fyzikální podstata této přeměny [1]. Prudce roste význam solární energie a rok od roku se exponenciálně zvětšuje celkový objem světové výroby PV panelů. Některé evropské státy dotují stavbu PV solárních systémů a vyrobenou energii vykupují za dotované ceny. Cílem uvedené podpory je splnit požadavky nových zákonů vycházejících ze směrnice Evropského parlamentu a Evropské rady 2001/77/EC. Podle nich musí být v každém státě Evropské unie do roku 2010 vyráběno 8 % energie z obnovitelných zdrojů. Nejdále v tomto směru postoupilo Německo, které tuto dotační politiku provozuje již několik let. Proto také odebírá čtvrtinu světové výroby PV panelů; jejich světová produkce je vyprodána na více než rok dopředu. Podobný postup byl schválen i ve Španělsku a připravuje se ve Francii a v Itálii. Pro nás je potěšitelné, že se k tomuto programu připojila i Česká republika. Při splnění určitých podmínek lze získat dotaci na stavbu PV systému až ve výši 30 % pořizovací ceny. Existují i větší projekty, např. projekt ministerstva životního prostředí nazvaný Slunce do škol, v jehož rámci mohou školy obdržet dotaci ve výši 90 % pořizovací ceny PV zařízení. Od 1. ledna 2006 se u nás rovněž vykupuje dotovaná PV solární energie za cenu 13,20 Kč/kW·h. Aktuální je, že i v Číně se připravuje podpora využívání PV solární energie. Tato skutečnost může mít dopad na vývoz PV techniky do Evropy. V Číně je totiž soustředěna značná část světové výroby PV panelů a ta po realizaci plánu získávat zde energii s použitím uvedených panelů nemusí být určena k vývozu.  Obr. 1. Tažení monokrystalického křemíkového ingotu v Jiaxingu V několika posledních letech jsme se zúčastnili mnoha evropských či světových konferencí a výstav o fotovoltaické přeměně solární energie [2]. Loni to byly dvě akce, ve dnech 6. až 10. června 2005 20th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition v kongresovém centru v Barceloně (Španělsko) a ve dnech 10. až 15. října 2005 15th International Photovoltaic Science and Engineering Conference a Exhibition v kongresovém centru v Šanghaji (Čína). Zde bylo k dispozici množství informací, z nichž lze do tohoto článku z důvodu omezeného prostoru vybrat jen několik nejdůležitějších z nich. Kromě zmíněných konferencí a výstav jsme měli možnost navštívit i dvě čínské firmy v okolí Šanghaje a prohlédnout si výrobu monokrystalických křemíkových ingotů tažených Czochralského metodou, výrobu PV panelů v Jiaxingu a výrobu křemíkových PV článků v Nanjingu. Budou zde tedy uvedeny i některé obrázky z výroby. Základem je výroba křemíku Světová produkce PV panelů letos překročila hodnotu jednoho gigawattu jejich celkového nominálního výkonu. V souvislosti s prudkým nárůstem světové výroby a instalace PV panelů je nedostatek čistého křemíku. Přestože křemík (Si) patří k nejhojnějším prvkům v zemské kůře, obvykle se v přírodě vyskytuje ve formě křemene (SiO2) a výroba čistého křemíku nestačí pokrýt rostoucí poptávku po něm. Výrobní kapacity čistého křemíku tedy limitují světovou výrobu PV panelů. Proto firmy hledají další výrobní kapacity a know-how. Výroba křemíku je totiž na celé této výrobě investičně i energeticky nejnáročnější, výroba PV článků je podstatně méně náročná a výroba PV panelů je nejméně náročná. K výrobě PV článků není potřebný křemík tak vysoké čistoty jako k výrobě jiných polovodičových součástek (integrovaných obvodů, mikroprocesorů, tranzistorů apod.). Materiál, který již nesplňuje parametry k výrobě jiných polovodičových součástek, tedy lze ještě využít k výrobě PV článků. Na obr. 1 je tažení monokrystalického křemíkového ingotu v Jiaxingu a na obr. 2 je monokrystalický křemíkový ingot jako polotovar před řezáním na destičky na výstavě v Šanghaji roku 2005. Obr. 2. Monokrystalický křemíkový ingot jako polotovar před řezáním na destičky na výstavě v Šanghaji 2005
Využití jiných polovodičů než křemíku (např. GaAs, InP apod.) je v celkovém objemu světové výroby téměř bezvýznamné. Takové PV panely jsou obvykle mnohem dražší a využívají se pouze ve speciálních aplikacích, např. ve vesmíru. Zde cena nerozhoduje, neboť se dobře uplatňuje větší účinnost PV přeměny energie, menší pokles účinnosti s rostoucí teplotou a větší odolnost GaAs proti kosmickému záření. PV panely V několika posledních letech se více vyráběly PV panely na bázi polykrystalického křemíku než panely na bázi monokrystalického křemíku. Jejich výhodou byla nižší cena, což převážilo nad nevýhodou menší účinnosti. Po zdokonalení technologie výroby polykrystalických PV článků rozdíl v účinnosti již nebyl velký; běžná výroba polykrystalických křemíkových PV článků dosahuje účinnosti asi 17 %, běžná výroba monokrystalických PV článků dosahuje účinnosti okolo 20 %. Účinnost laboratorních vzorků na bázi monokrystalického křemíku přesahuje 30 %, ale použité technologie by při porovnání účinnosti a ceny zatím v hromadné výrobě nebyly efektivní. V loňském roce byla zejména v Číně oživena výroba monokrystalického křemíku. Výroba polykrystalických ingotů je o něco snazší. Materiál se roztaví a nalije do formy, kde se nechá chladnout. Chladnutí musí být pomalé a postupovat stanovenou rychlostí, aby se vytvořila monokrystalická zrna co největší velikosti a aby bylo v materiálu minimum dislokací, pnutí atd. Monokrystalické ingoty se vyrábějí tzv. Czochralského metodou. Do taveniny se ponoří malý monokrystal jako „zárodek„. Ten se z taveniny velmi pomalu vytahuje svisle vzhůru, přičemž se otáčí okolo podélné osy. Je pravděpodobné, že po zdokonalení tohoto postupu a po zvýšení výrobní kapacity bude jen malý rozdíl v ceně a převáží větší účinnost monokrystalických PV článků.  Obr. 5. Flexibilní PV panel na bázi tenkých vrstev amorfního křemíku na výstavě v Šanghaji 2005 Co se týče kvality řezání ingotu na destičky, v posledních letech rovněž významně vzrostla, zejména drátové řezačky byly podstatně vylepšeny. Zatímco ještě před několika lety technologie umožňovala řezat destičky o minimální tloušťce d = 300, dnes je jejich minimální tlouštka d = 100 mm. Ve stejném poměru byl omezen i prořez. Úspora křemíku, energie potřebné k jeho výrobě i zefektivnění výroby jsou tudíž zřejmé. Na obr. 3 jsou difuzní pece české výroby v Nanjingu využívané pro difuzi dopantů do křemíku a na obr. 4 je montáž PV panelů v Jiaxingu. Použití PV panelů na bázi tenkých vrstev stále není příliš rozšířeno především pro nedostatečnou stabilitu jejich parametrů. Po relativně krátké době je účinnost malá, systém by vyžadoval velkou plochu, a místo bývá v civilizovaném světě drahé. Přesto se na výstavách takové panely v menší míře rovněž objevují a vykazují určité přednosti při nižších intenzitách osvětlení. Na obr. 5 je flexibilní panel firmy Fuji Electric vyrobený na bázi tenkých vrstev amorfního křemíku, který byl předveden na výstavě v Šanghaji roku 2005; malá účinnost je patrná z uvedených parametrů Pmax = 96 W při ploše téměř S = 2 m2. Stále více se používají oboustranné panely, které mohou využít i odražené záření dopadající na jejich zadní stranu. Jelikož jsou transparentní pro infračervené záření, méně se zahřívají; to se pozitivně projevuje na větší účinnosti přeměny energie. (Energie fotonů infračerveného záření je menší než šířka zakázaného pásu křemíku, proto procházejí solárními články a nepohlcují se ani na zadní stěně oboustranného PV panelu.) V kombinaci s automatickým pohyblivým stojanem [3], [4], který po celý den panely natáčí kolmo ke směru slunečního záření, může navýšení množství vyrobené energie u takového solárního systému činit až 20 % oproti stejnému systému se standardními panely. Oboustranné PV solární panely dnes běžně dodávají různí výrobci. Rozdíl v ceně oproti standardním panelům je přitom malý. Konstrukce je rozdílná v tom, že zadní kontakt nemůže být plošný, ale má tvar hřebínku či mřížky, podobně jako vpředu, a zadní strana panelů musí být transparentní.  Nová konstrukce PV panelů s úsporou křemíku Jako pozoruhodnou novinku lze uvést panely na bázi propojených monokrystalických křemíkových kuliček se sférickým přechodem PN a s koncentrátorky záření ve tvaru šestibokých misek. Tyto panely jsme poprvé zaznamenali v roce 2004. Mezitím byla jejich technologie dále zdokonalena a byly zaktualizovány naměřené hodnoty jednotlivých parametrů. Kuličky křemíku o průměru asi 0,6 mm jsou uvnitř typu P a na povrchu typu N, mají tedy pod povrchem sférický přechod PN. Vyrábějí se odkapáváním taveniny dopované akceptory (typ P) z kapiláry, která ztuhne během volného pádu. Poté probíhá difuze a předopování povrchové vrstvy donory (typ N). Kuličky jsou umístěny na hliníkové fólii v otvorech o menším průměru, kterými nemohou projít, v prohlubních tvořících malý parabolický koncentrátor záření. Hliníková kostra tvoří jednu elektrodu (zápornou), dole je v každé kuličce část oblasti typu N odleptána a do oblasti typu P je zaveden kontakt, který tvoří druhou elektrodu (kladnou). Toto uspořádání je schematicky znázorněno na obr. 6. Celý článek je zapouzdřen. Z těchto článků jsou vyráběny PV panely různých rozměrů. Mohou být tuhé se skleněnou čelní stranou nebo pružné, zapouzdřené v plastu obvykle s teflonovou čelní stranou. Pružné panely je možné srolovat a vzít do terénu. Jejich výhodou je skladnost, pružnost a menší hmotnost, největší předností je však přibližně sedmkrát menší spotřeba křemíku na jejich výrobu v porovnání se standardními panely. Bez podrobné znalosti výrobní technologie si však netroufáme posoudit, zda její náročnost uvedené výhody nepřeváží. Navíc při šikmém osvětlení s velkým úhlem dopadu je potlačen efekt soustředění záření koncentrátorky na kuličky; to vede ke snížení účinnosti panelu. U zmíněných panelů by se proto zvláště dobře uplatnil automatický pohyblivý stojan se sledovačem slunce. Účinnost PV přeměny energie těchto panelů je zatím menší, pohybuje se okolo 14 %. Konstruktéři ale předpokládají, že se dostanou na hodnoty účinnosti okolo 18 %, které jsou běžné u standardních panelů. Detail tuhého článku firmy Fuji prezentovaného roku 2005 na výstavě v Šanghaji je na obr. 7 a křemíkové kuličky s koncentrátory jsou zde dobře zřetelné. Obr. 7. Detail PV panelu na bázi kuliček monokrystalického křemíku prezentovaný na výstavě v Šanghaji 2005
Koncentrace záření Koncentrace záření se stále více využívá; např. v pracích [3], [4] jsme popsali nízkou koncentraci záření s využitím hřebenového koncentrátoru. U vyšší koncentrace je třeba filtrovat informace. Několik principů může dobře fungovat v laboratoři, ale v reálném provozu selže. Například systémy v USA (Carrisa Plains) či ve Španělsku (Sevilla) nevydržely koncentraci záření tzv. V-žlabového koncentrátoru, rozložila se v nich a zhnědla EVA fólie a panely brzy byly pro nízkou účinnost PV přeměny energie nepoužitelné (EVA – etylvinylacetát se teplem rozkládá a hnědne). Podobně koncentrátory s vysokou koncentrací záření s parabolickým zrcadlem či s Fresnelovými čočkami vyžadují vysokou přesnost nastavení, precizní chlazení PV článku a jeho zvýšenou odolnost proti vyšší teplotě i schopnost vést vysoké proudové hustoty. U Fresnelových čoček může docházet k degradaci plastu a ke kondenzaci vody uvnitř panelu. Koncentrátory s vysokou koncentrací soustřeďují pouze přímé záření, hřebenový koncentrátor s nízkou koncentrací koncentruje i difuzní záření. Budou-li uvedené problémy vyřešeny, výhodou vysoké koncentrace záření může být nižší cena panelů v přepočtu na jeden watt výkonu. Na obr. 8 je PV panel s Fresnelovými čočkami představený roku 2005 na výstavě v Šanghaji a na obr. 9 je detail PV článku určeného pro vysokou koncentraci záření na chladicí měděné desce.
Obr. 10. Větší PV systém pohyblivý ve dvou osách předvedený na výstavě v Barceloně 2005 Použití PV panelů Běžné použití PV systémů je všeobecně známé. Snad všichni již viděli střechy pokryté solárními panely či jiné prvky solární architektury, konstrukce přímo spojené se sítí, parkovací hodiny, stanice tísňového volání s PV panelem či dobíjení akumulátorů na chatách bez elektřiny s využitím právě PV panelu. Na obr. 10 je větší PV systém pohyblivý ve dvou osách, jenž byl představen na výstavě v Barceloně roku 2005 a na obr. 11 je sloup osvětlení v Šanghaji s úspornými zářivkami, PV panel dobíjí akumulátor během dne. Na konferencích bývají i sekce věnované aplikaci PV panelů v architektuře a výstavy navštěvují architekti jako vystavovatelé i jako návštěvníci. Na obr. 12 je expozice firmy Sanyo s PV panely určenými k opláštění budov. Mezerami mezi PV články může procházet světlo.  Nejvhodnější území pro PV systémy Mongolsko a Tibet jsou oblasti, kde má solární energie zvláště velký význam. Nejsou zde velké elektrárny a na obrovském území neexistují ani rozvodné sítě. Takzvané ostrovní PV systémy se tu velmi dobře uplatňují. Sluneční podmínky jsou v těchto místech výborné, je zde vysoká nadmořská výška a srážkový stín za horami ve vnitrozemí. I na mnoha dalších místech, např. v Africe, je rovněž minimum velkých energetických zdrojů a rozsáhlá území nejsou elektrifikována. V Ugandě je jediný větší energetický zdroj – přehrada na horním Nilu, která poskytuje výkon přibližně 114 MW. Tato elektrárna zásobuje elektrickou energií jen malou oblast a pouze 3 % obyvatel jsou připojeny k rozvodu elektřiny. Dostatek slunečního záření a nedostatek jiných energetických zdrojů jsou ideální podmínky pro ostrovní solární systémy. Ty se skutečně budují, ale malá kupní síla afrických států je v tomto ohledu největší překážkou. Práce probíhá v rámci výzkumného záměru MSM 6046070905. Literatura: | |||||||||
