Úvodem

Fotovoltaika

Pod názvem fotovoltaika se rozumí přímá přeměna energie záření, tedy převážně sluneční energie na energii elektrickou. Od roku 1958 se poprvé použilo fotovoltaických článků v kosmických programech. Od té doby se jí využívá na celém světě k výrobě proudu a své místo nachází na plochách střech, u parkovacích automatů, protihlukových stěn, nebo na volných prostranstvích. Název se skládá ze slova Photos – řecké slovo, které znamená světlo – a Volta – podle Alessandra Volty, průkopníka elektrotechniky. Fotovoltaika je dílčím oborem obsáhlé solární techniky, která zahrnuje také další technická využití sluneční energie.

Filozofie použití

Solární energie patří mezi nevyčerpatelné zdroje energie. Její využití nemá žádné negativní dopady na životní prostředí. Množství využitelné energie závisí na klimatických podmínkách jednotlivých částí zemského povrchu. Lze ji dobře využívat nejen v oblastech s dlouhým slunečním svitem, ale i s vyšší nadmořskou výškou.

V České republice jsou poměrně dobré podmínky pro využití energie slunečního záření, přestože množství sluneční energie v průběhu roku kolísá a největší množství sluneční energie dopadá v období, kdy spotřeba tepla je nejnižší.

Ročně dopadá kolmo na 1 m2 plochy 800 – 1250 kWh solární energie. Od dubna do října 75% energie a 25% energie v období od října do dubna. Celková doba slunečního svitu v našich podmínkách se pohybuje v rozmezí 1400 – 1800 hodin za rok. V horských oblastech dosahuje doba 1 600 hodin za rok, v nížinných oblastech jižní Moravy pak 2000 hodin.

Celkové záření se skládá z přímo dopadajícího a difúzního záření. Difúzní záření vzniká odrazem slunečního světla od pevných i kapalných částic rozptýlených v atmosféře (např. na mracích, prachu, atd.) a tvoří až 50% z celkového množství slunečního záření – přibližně 30 % slunečního záření je odraženo atmosférou dříve, než vůbec dopadne na zem a 20 % je pohlceno.

Průmyslové země jako je Kanada, Japonsko a USA čítají dohromady pouze 12.5 % světové populace, ale spotřebují 60% světové produkce energie. Většina energie pochází z fosilních paliv - uhlí, ropy a zemního plynu. Jenže, ikdyž se fosilní paliva řadí mezi obnovitelné zdroje, obnova trvá přinejmenším několik tisíc let. Vědci vypočítali, že stávající zásoby vystačí pouze na několik desítek let, takže se rozpoutal boj s časem. Naučí se lidstvo využívat obnovitelnější zdroje dříve, než dojdou fosilní paliva? Díky postupnému mizení fosilních paliv se hledají další využitelné zdroje. Jako dobrá alternativa třetího tisíciletí se počítalo s jadernou energií, ale právě ta se jevila po výbuchu Černobylu jako neúměrně riskantní řešení a mezi hlavní zdroje, se kterými se bude ve 21. století počítat, je jistě energie vydávaná slunečním zářením.

Výroba "elektřiny ze Slunce" je bezpečná a spolehlivá, žádný nebezpečný odpad, je to ekologicky čistá energie. Pokrytí 1% plochy pouští slunečními články s 15% účinností vyrobí více elektrické energie než všechny současné elektrárny světa. Energie vložená do výroby slunečních článků se vrátí za několik let, "palivo je zdarma" a předpokládaná životnost delší než 30 let.

Solární články

Solární články jsou elektrotechnická zařízení, která využívají galvanického efektu, aby přeměnily sluneční světlo v elektrické napětí. Každý článek nám dává pouze malé množství napětí, proto je jich potřeba často i několik desítek. Články jsou vyrobeny z plátků polovodivého materiálu, obvykle křemíku, ale jinde se využívá arsenid gália. Tyto články jsou sice méně výkonné, ale mohou se používat i v extrémních teplotách.

První fotovoltaické sluneční články byly připraveny v Bellových laboratořích v USA v roce 1954. Byly logickým vyústěním výzkumu polovodičů, zvládnutím přípravy čistého křemíku a jeho dopování. Jejich hlavní využití bylo jako zdroj energie pro družice.

V 80-tých letech byly vybudovány první zkušební sluneční elektrárny. V roce 1999 dosáhl instalovaný celosvětový špičkový výkon slunečních článků hranici 1 Gigawattu (tj. jako jeden blok Temelínské elektrárny), roční tempo růstu je již po několik let 20-40%. Cena slunečních článků klesla již na 1/200 původní ceny, pro hromadné rozšíření je nutný další pokles současné ceny zhruba na 1/4.

Sluneční elektrárna

Elektrárna měnící energii slunečního záření na energii elektrickou. Přeměnu lze uskutečnit dvojím způsobem:

a) fotoelektrickou přeměnou, kdy účinnost přeměny je teoreticky asi 30 % (běžně dostupné fotoelektrické články však mají účinnost kolem 20 %). Pro získání většího výkonu je nutno sérioparalelně propojit více článků v tzv. solární panel (vyrábějí se v několika výkonových řadách od 10 do 300 W). Jsou zdrojem stejnosměrného elektrického proudu o napětí obvykle 16 V. Elektrický výkon, dodávaný panelem, je závislý na atmosférických podmínkách, aproto musí být instalován akumulátor energie, aby sluneční elektrárna mohla dodávat elektrickou energii i v období bez slunečního svitu. Další součástí systému sluneční elektrárny je střídač, který přeměňuje stejnosměrný proud na proud střídavý, a transformátor, který zvyšuje střídavé napětí na úroveň vyžadovanou spotřebiči . Celková účinnost sluneční elektrárny tohoto typu je v současné době asi 9 %. Budují se sluneční elektrárny střešní o výkonu 3 kW s možností připojení k síti nebo sluneční elektrárny o výkonu 100 – 500 kW, které dodávají elektrickou energii do sítě.

b) solárně termickou přeměnou.

Podmínky v České republice

V podstatě platí, že sluneční energii se vyplatí využívat ve všech zeměpisných šířkách mimo polární oblasti. Chceme-li získat přesnější představu o tom, „kolik nám toho slunce nasvítí“ v naší domovině, musíme vycházet z následujících parametrů.

Doba slunečního záření představuje počet hodin souvislého slunečního svitu za měsíc nebo za rok. V České republice je to asi 1500 hodin za rok. Chceme-li získat informace o době slunečního záření přímo v místě našeho bydliště, můžeme se obrátit na Český hydrometeorologický ústav, kde nám tuto informaci poskytnou.

Intenzita slunečního záření je veličina, která vyjadřuje souhrn globálního záření na jednotku vodorovné plochy, opět za měsíc nebo za rok. V České republice se tato hodnota pohybuje v rozmezí 950 - 1250 kWh/m2 za rok. Následující mapka, kterou na svých webových stránkách publikoval Český hydrometeorologický ústav, znázorňuje roční úhrn globálního záření v ČR:

roční úhrn globálního záření v ČR

Sluneční záření, sluneční svit a oblačnost. Průměrný roční úhrn globálního záření v MJ/m2.