Vydal : Fond pre alternativne energie - SZOPK
Autor textu : RNDr. Emil Bedi
Fotografie : PV ENERGY , USA
Bratislava, August 1995

O B S A H

1. UVOD
2. ENERGIA JE ZAKLADOM ZIVOTA
3. OHROZENIE ZIVOTNEHO PROSTREDIA
4. ENERGIA PRE NARASTAJUCU POPULACIU ZEME
5. SLNECNA ENERGIA
6. ELEKTRINA ZO SLNKA
7. FOTOVOLTAICKE CLANKY
8. POUZITIE FOTOVOLTAICKYCH CLANKOV
9. SPOTREBNE VYROBKY
10. PROFESIONALNE APLIKACIE
11. SAMOSTATNE PRACUJUCE FOTOVOLTAICKE SYSTEMY
12. FOTOVOLTAICKE SYSTEMY PRIPOJENE NA VEREJNU ELEKTRICKU SIET
13. NAVRH FOTOVOLTAICKEHO SYSTEMU
14. PODPORNE KONSTRUKCIE
15. BEZPECNOST, UZEMNENIE A OCHRANA PRED BLESKOM
16. SMEROVACIE ZARIADENIA
17. BATERIE
18. REGULATOR NABIJANIA BATERIE
19. MENIC
20. PERSPEKTIVY FOTOVOLTAICKEJ ENERGIE - CENY
21. OBMEDZENIA
22. AKUMULACIA SLNECNEJ ENERGIE-VODIKOVE HOSPODARSTVO
23. ENERGETICKA NAVRATNOST CLANKOV
24. SU FOTOVOLTAICKE SYSTEMY PRE OBYCAJNYCH LUDI ?
25. PRILOHA - CHARAKTERISTIKY NIEKTORYCH KOMERCNYCH FOTOVOLTAICKYCH MODULOV
26. ADRESY VYROBCOV

Kazdy z nas si uvedomuje, ze k svojmu zivotu potrebuje energiu-ci uz vo forme tepla, svetla, pohonnych hmot resp. inych jej foriem. Bez energie Slnka by bola nasa Zem chladna a bez zivota. Malokto z nas je vsak ochotny uznat, ze sucasny sposob vyuzivania fosilnych paliv - uhlia, ropy, plynu a uranu je casovo ohraniceny, a ze zijeme na ukor prirody. Pocas 150 milionov rokov priroda pomocou slnecnej energie vyprodukovala energeticke zdroje vo forme uhlia , ropy a plynu. Toto vzacne dedicstvo je dnes neuveritelnym tempom spalovane casto s minimalnym uzitkom.

Ludstvo spotrebuje za jeden rok take mnozstvo fosilnych paliv ake priroda vyprodukovala za 1 milion rokov.

Za poslednych 200 rokov ludstvo postupne opusta cestu vyuzivania obnovitelnych zdrojov energie a stava sa stale viac zavislym na fosilnych palivach. Tieto zdroje sa vsak z hladiska existencie cloveka na Zemi vycerpaju za relativne velmi kratku dobu. Ropa a zemny plyn za niekolko desatroci, uhlie nam vydrzi o nieco dlhsie. Odhad svetovych rezerv a zasob fosilnych plaiv spracovany podla World Watch Institute USA je v nasledujucej tabulke. Rezervy su mnozstva, ktore su ekonomicky tazitelne sucasnymi technologiami. Zasoby su celkove odhadovane mnozstva.

            SUCASNY TREND SPOTREBY              TREND ROKU 2030

                  Rezervy     Zasoby      Rezervy     Zasoby

UHLIE               206        3226          29           457

ROPA                35          83           3             7

PLYN                24          57           2             5

URAN                50           -           5             -

Pozn. : Trend roku 2030 predpoklada 10 miliard obyvatelov spotrebovavajucich energeticke zdroje na urovni sucasneho obcana USA.

Len malo ludskych cinnosti ovplyvnuje zivotne prostredie v takej zavaznej miere ako nas sucasny sposob vyuzivania energie. Prejavuje sa to narastajucou hrozbou globalnych klimatickych zmien, nehodami jadrovych elektrarni alebo kyslymi dazdami a smogom v nasich mestach. Su to prave klasicke energeticke zdroje a sposob akym ich vyuzivame, ktore okrem toho, ze sposobuju nenapravitelne skody na prirode a zdravi ludi, vedu k vojnovym konfliktom (vojna v Perzskom zalive bola hlavne vojnou o bezpecnost ropnych zdrojov) a napatiami medzi krajinami. Zmensovanie svetovych zasob fosilnych paliv povedie neodvratne k vyostrovaniu tychto konfliktov. Aj to je dovod, pre ktory je treba hladat bezpecne a hlavne nevycerpatelne zdroje energie.

Pocet obyvatelov nasej planety sa zvysuje kazdy den o 250 000 co je 90 milionov ludi kazdy rok. 90% tohto prirastku pripada na rozvojove krajiny. Spotreba energie sa stava kritickym clankom rozvoja spolocnosti. Priemerna spotreba energie pripadajuca na jedneho obyvatela Zeme je 1,65 ton ropneho ekvivalentu (r.e.). Z dovodu narastu svetovej populacie by bolo potrebne zabezpecit 150 milionov ton r.e. navyse kazdy rok. Hoci priemerna spotreba v rozvojovych krajinach je len 0,71 ton r.e. minimalny rast spotreby energie predstavuje 65 milionov ton r.e. rocne. Aj z tohoto dovodu je nevyhnutne, aby ludstvo nastupilo cestu vyuzivania neobmedzenych a prakticky bezplatnych zdrojov energie.

Mnoho odbornikov vo svete veri , ze nahradenie fosilnych paliv obnovitelnymi zdrojmi je nielen technologicky mozne, ale hlavne absolutne nevyhnutne z hladiska ochrany prirody. Sme na krizovatke dejin. Ekosystemy su narusene, zdroje su stale mensie, vzduch je znecisteny a nase zdravie je stale viac ohrozovane. Ignorovat tieto skutocnosti je urcite vacsim rizikom ako vydat sa na cestu vyuzivania obnovitelnych zdrojov energii (biomasy, vodnej, veternej alebo slnecnej energie). Energia Slnka je zakladom vsetkych obnovitelnych zdrojov na Zemi.

Mnozstvo slnecneho ziarenia dopadajuce na nasu Zem v priebehu jedneho roka je 20 krat vacsie ako su vsetky zasoby fosilnych paliv , ktore Zem v sebe uchovava.

Slnecne oziarenie dopadajuce na vonkajsiu vrstvu zemskej atmosfery dosahuje vykon 1,72x1017 Watt. V dosledku spatneho odrazu do vesmiru sa tento vykon znizuje na 1,03x1017 Watt (103 Petawatt) , co je desattisickrat viac ako sucasna celosvetova spotreba energie. Ked zoberieme do uvahy, ze zivotnost nasho Slnka by mala byt este desat trilionov rokov - v dohladnej buducnosti neexistuje ziadne riziko vycerpania tychto zasob energie. Ak z tohto pohladu ludstvo nedokazalo do dnesnej doby vyuzivat v znacnom mnozstve tento potencial je to hlavne preto, ze sa na rozdiel od fosilnych paliv s vysokou koncentraciou energie , jedna o zdroj tzv. difuznej povahy t.j. s nizkou koncentraciou. Na jeden meter stvorcovy povrchu v Sahelskej pusti pripada slnecne oziarenie s vykonom1 kilowatt (1 kW=1000 Watt), v skutocnosti v dosledku rozptylu ziarenia a atmosferickych podmienok vyuzitelna energia predstavuje len niekolko sto Watt.

Tato vlastnost vedie k tomu, ze z hladiska velkych energetickych podnikov nie je o slnecnu energiu zaujem, nakolko na jej zaklade nie je ekonomicky vyhodne budovat obrovske centralizovane zdroje (niekolko sto az tisic kW) ako su napr. jadrove alebo ine elektrarne. Slnecna energia vsak ponuka moznost tzv. decentralizovanej vyroby energie, ktora by poskytla dostatok energie takmer na kazdom mieste resp. v kazdom dome. Vyjadrene v reci penazi to znamena, ze nie velke elektrarenske koncerny, ale kazdy z nas by mohol zarobit jej vyuzivanim. Touto cestou by sme vsak tiez vyrazne prispeli k ozdraveniu zivotneho prostredia a vybudovaniu zakladov pre trvalo urzatelny rozvoj spolocnosti. Bohuzial v dnesnej dobe nie jednotlivci , ale velke monopoly a miera ich zisku urcuju smer vyvoja spolocnosti a tu je potrebne hladat priciny, preco sme skor ochotni nelutostne vykoristovat a nicit prirodu, I zdravie nas vsetkych.

Slnko a jeho energia sa na rozdiel od ropnych poli a inych zdrojov fosilnych paliv neda privatizovat a preto je iluzorne domnievat sa ze trhove mechanizmy zarucia sirsie vyuzivanie tohto zdroja v buducnosti.

Politicka a financna podpora zo strany statu je, podobne ako sa jej dostalo v pripade jadrovej alebo uholnej energetiky, v tomto obdobi nevyhnutna. Aj ked vyuzivanie slnecnej energie na pripravu teplej uzitkovej vody sa u nas slubne rozvija a postupne stava zaujimavym aj z financneho hladiska , vyroba elektrickej energie pre ine ucely ako napr. napajanie kalkulaciek je prakticky neznama.

Slnecne ziarenie nam neposkytuje len teplo, ale je ho mozne vyuzit aj na vyrobu elektrickej energie. Fyzikalny proces, ktory to umoznuje sa nazyva fotovoltaicky jav a zariadenia vyuzivajuce tento jav sa nazyvaju fotovoltaicke clanky - tie priamo premienaju slnecne ziarenie na elektricku energiu. Z hladiska ochrany zivotneho prostredia sa jedna o mimoriadne cisty - bezodpadovy zdroj energie, pri vyuzivani ktoreho nevznikaju ziadne skodlive emisie, hluk a ktory nesprevadzaju ziadne rizika vyplyvajuce z ich prevadzky. A predovsetkym zdroj ktoreho - Slnko je z pohladu ludskych potrieb nevycerpatelny.

Fotovoltaicky jav bol objaveny v roku 1839 Edmundom Bequerelom, ktory si vsimol ze posobenim slnecneho ziarenia je pri urcitych elektrochemickych konfiguraciach mozne vyrabat elektricku energiu. Samotny fotovoltaicky jav je z fyzikalneho hladiska charakterizovany priamym vyrazenim elektronu zo svojej obeznej drahy fotonom slnecneho ziarenia. Trvalo vsak viac ako 100 rokov dokial bol vyrobeny prvy fotovoltaicky clanok. V roku 1954 vyvinula firma Bell Telephone Labs.(USA) prvy kremikovy clanok a tym otvorila dvere tejto fascinujucej technologii.

Fotovoltaicky clanok velkosti 100 cm2 s 10 % ucinnostou dokaze za jasneho dna vyrobit 1 Watt elektrickej energie. Po prvykrat bol tento proces vyuzity vo vesmirnych druziciach ako zdroj energie pre instalovane pristroje. Cena takto vyrobenej energie bola vysoka. Za poslednych dvadsat rokov sa situacia vyrazne zmenila a cena jednej kilowatthodiny (kWh) v USA klesla z 30 dolarov na 30 centov. Masove vyuzivanie tohto zdroja by mohlo znamenat znizenie ceny az na 10 centov/kWh - a to je cena porovnatelna s cenou elektriny z jadrovych alebo uholnych elektrarni.

Technologicky vyvoj fotovoltaickych clankov zaznamenal v poslednych desatrociach znacny pokrok. Ucinnost sa zvysila zo 6% u prvych kremikovych clankov na dnesnu uroven 12,5 % pre seriovo vyrabane zariadenia a viac ako 30 % pre laboratorne vyrobene clanky.

V sucasnosti sa na trhu presadzuju tzv. amorfne kremikove clanky nanesene na podklad vo forme tenkeho filmu o hrubke jednej tisiciny milimetra. Tym, ze sa vyzaduje len tak malo aktivneho materialu, je jeden gram kremika schopny, pocas svojej zivotnosti vyrobit porovnatelne mnozstvo elektriny ako jeden gram uranu v atomovej elektrarni ! Navyse kremik sa v zemskej kore vyskytuje 5000 krat castejsie ako uran a pri jeho vyuziti sa neprodukuje radioaktivny odpad , nehovoriac o bezpecnosti jeho vyuzivania. Kremika je na Zemi viac ako dost - predstavuje napriklad az polovicu hmotnosti piesku.

ATOM vs. SLNKO

Jeden gram uranu je schopny, pocas svojho stiepenia v jadrovom reaktore uvolnit energiu, z ktorej sa pri 33 percentnej ucinnosti da ziskat 3800 kWh elektrickej energie - t.j. asi tolko elektriny, kolko jej spotrebuje jedna americka domacnost rocne.

Tento potencial je tak velky , ze viedol k tazbe uranu, ktoreho zastupenie v zemskej kore je len 1 : 20 000.

Mnozstvo energie, ktore je vsak mozne ziskat v atomovej elektrarni z jednej tony uranovej rudy, sa rovna spaleniu 70 ton uhlia.

Ako moze kremik vo fotovoltaickom clanku konkurovat tejto technologii ?

Obzvlast ked energia uvolnena pri jednom stiepeni jadra uranu je 100 milionkrat vacsia ako energia uvolnena fotonom slnecneho ziarenia v slnecnom clanku.

Odpoved je jednoducha : jadro uranu sa moze stiepit len raz, kym fotovoltaicky clanok moze absorbovat fotony a premienat ich na elektrinu az 30 rokov.

15-percentna ucinnost premeny znamena, ze napr. v Kalifornii, kde zo slnecneho ziarenia sa da ziskat az 250 W na meter stvorcovy, moze jeden gram kremika pocas svojej zivotnosti vyrobit asi 3300 kWh, co je priblizne tolko, kolko ho vyrobi jeden gram uranu.

Vyhodou slnecnych fotovoltaickych clankov je, ze pracuju bezpecne, ticho, nepotrebuju ziadne palivo, neprodukuju odpad, nemaju ziadne pohyblive casti a preto nepotrebuju ani udrzbu. Hoci v sucasnosti tieto clanky generuju elektrinu drahsie ako ine zdroje, su konkurencieschopne v aplikaciach kde je zavedenie elektrickej energie obmedzene, nemozne alebo kde by naklady na elektricke siete a vybudovanie elektrarne boli vysoke (odlahle osady, telekomunikacne zariadenia, vysokohorske budovy, cerpanie vody na pustach a i.).

Vdaka instalacii fotovoltaickeho systemu bolo nedavno elektrifikovanych stovky domov v odlahlych oblastiach Talianska a Spanielska. Len zariadeni na cerpanie vody je vo svete instalovanych niekolko tisic .

Obr. 1. Spektrum slnecneho ziarenia. Slnecne ziarenie dopada na Zem vo forme elektromagnetickeho ziarenia , v ktorom fotony su nositelmi energie. Frekvencia ziarenia mimo zemskej atmosfery (prerusovana ciara) je rozdielna od tej, ktora dopada na zemsky povrch (hruba ciara). Dolna cast slnecneho spektra tzv. infracervena ( IR - INFRA RED = neviditelna oblast) sa vyznacuje nizkymi frekvenciami . Na infracervenu oblast pripada takmer polovica energie dopadajucej na Zem. V dalsej casti spektra slnecneho ziarenia - viditelnej oblasti (VISIBLE) je skoncentrovana znacna cast slnecnej energie . Na poslednu cast spektra - ultrafialovu oblast (UV = ULTRA VIOLET) pripada len 5-7 % slnecnej energie dopadajucej na Zem. Ultrafialove ziarenie sa absorbuje v atmosfere. Fotovoltaicky clanok je navrhnuty tak, aby vyuzil co najsirsiu cast slnecneho spektra.

Obr. 2. Ucinok zemskej atmosfery na slnecne ziarenie. Mnozstvo slnecnej energie pripadajuce na vlnovu dåzku (frekvenciu) ziarenia sa vyznamne meni pri prechode atmosferou. Mimo atmosfery ma ziarenie vykon 1500 Watt na meter stvorcovy. Na Zemi vsak pocas slnecneho dna v juni je tento vykon asi 1000 Watt. Je to v dosledku rozptylu (DIFFUSE), odrazu (REFLECTION) a pohlcovania (ABSORPTION) ziarenia v oblakoch. Ozon, vodne pary a kyslicnik uhlicity pohlcuju 10-15% ziarenia. Napriek variaciam intenzity slnecneho ziarenia je oziarenie mnohych uzemi zname s velkou presnostou. Tato znalost umoznuje optimalne navrhnut fotovoltaicky system.

Obr. 3. Model atomu. Zakladom fotovoltaickeho clanku je kremik, ktory ma jadro skladajuce sa zo 14 neutronov a 14 protonov. Okolo jadra sa pohybuje 14 elektronov. Kremik ma rovnaky pocet kladnych protonov a zapornych elektronov hovorime, ze je elektricky neutralny. Elektrony sa okolo jadra pohybuju na troch roznych orbitalnych drahach . Elektrony nachadzajuce sa od jadra na najvzdialenej drahe su aktivovane 'vyrazane' z tejto drahy slnecnym ziarenim . Tok tychto 'vyrazenych' elektronov sa nazyva elektricky prud.

Obr. 4. Kristalicky kremik je tvoreny skupinou kremikovych atomov pravidelne zoradenych v kristalickej tiez nazyvanej diamantovej mriezke. Jednotlive kristaly kremika su vytahovane z roztaveneho kremika. Kristal moze byt napr. valec s priemerom az 20 cm , dåzkou niekolko metrov a vahou az 100 kg.

Obr. 5. Kristalicky kremik pri teplote absolutnej nuly (-273 st. Celzia) sa vyznacuje tym, ze atomy su rovnomerne rozmiestnene v kristali a vonkajsie elektrony posobia ako 'chemicke lepidlo' a drzia atomy pohromade. Ked teplota okolia narasta atomy zacnu vibrovat z ich rovnovaznej polohy. Elektrony su aktivovane teplom, cim sa trochu uvolnuju od svojich atomov a su ciastocne schopne viest elektrinu (polovodice) . V kovoch su elektrony velmi slabo viazane vlastnymi atomami a mozu velmi lahko viest elektrinu (el. vodice). V nevodicoch su elektrony pevne viazane na svoje atomy a elektrinu nevedu (izolatory).

Obr. 6. Elektron uvolneny fotonom slnecneho ziarenia. Ked foton dopadne na kristal kremika, interaguje s jeho volne viazanymi elektronmi obiehajucimi na vonkajsej drahe okolo jeho jadra. Tieto aktivovane elektrony sa zacnu pohybovat v mriezke a vytvaraju elektricky prud , co znamena ze mozu konat pracu.

Obr. 7. P-N prechod (JUNCTION) v dvoch vrstvach kristalu kremika. Vrchna vrstva kristalu bola chemicky 'dopovana' atomami fosforu, ktory sa vyznacuje nadbytkom volne viazanych elektronov. Tato vrstva sa nazyva 'N' (N-SILICON) pretoze ma nadbytok zapornych (negativnych) nabojov (elektronov). Spodna vrstva kristalu bola 'dopovana' atomami boru , ktory sa vyznacuje nedostatkom elektronov. Tato absencia elektronov sa oznacuje ako 'P' (P-SILICON) typ. Vzhladom na dopovanie materialu atomami majucimi rozne elektricke vlastnosti - vznika elektricky P-N prechod medzi tymito dvoma vrstvami. V kremiku tento prechod ma napatie 0.5 Volta.

Obr. 8. Cinnost fotovoltaickeho clanku. Ked foton slnecneho ziarenia (SUNLIGHT) dopadne na material - fotovoltaicky clanok - pozostavajuci z dvoch vrstiev (P-N prechodu) aktivuje elektrony tak, ze tieto vytvaraju elektricky prud. P-N prechod funguje ako hybna sila , ktora umoznuje toku elektronov opustit clanok a konat pracu - rozsvietit ziarovku, napajat televizor alebo pohanat elektromotor. Elektrony sa potom vracaju do tzv. nizkoenergetickej oblasti a su znovu pripravene na aktivaciu fotonmi slnecneho ziarenia. Tato premena slnecneho ziarenia (energie fotonov) na elektrinu sa nazyva fotovoltaicky jav.

Takmer 99% vsetkych fotovoltaickych clankov, ktore sa vo svete dnes vyrabaju je zhotovenych z kremika. Kristalicky kremik (mono alebo polykristalicky) je zakladnym materialom celej polovodicovej technologie. Ucinnost tychto clankov sa v poslednych rokoch vyrazne zvysila. Firma BP Solar dnes uz ponuka clanky s ucinnostou 17% , co znamena ze z 1 m2 ich povrchu je mozne ziskat spickovy vykon 150 Watt. Tento vysledok odpoveda 50% zvyseniu ucinnosti v porovnani s modulmi, ktore boli na trhu koncom 80-tych rokov.

Rocna celosvetova produkcia fotovoltaickych clankov dnes predstavuje vykon asi 60 MW (1 MW = milion Watt).

V poslednych rokoch sa objavili aj clanky na baze tzv. amorfneho kremika. Vyuzivaju sa hlavne v malych zariadeniach ako su kalkulacky alebo hodinky. V dosledku nizsej ucinnosti a neoverenej dlhodobej stability nehraju tieto clanky vyznamnu ulohu vo vacsich celkoch. Tento trend by sa v blizkej buducnosti mohol zmenit nakolko japonske a americke firmy (Canon, Sony, United Solar System Corp.) vkladaju do tejto technologie velke nadeje a hlavne investicie. Dovodom su hlavne nizke vyrobne naklady.

dalsim materialom v poradi, z ktoreho sa dnes predovsetkym v Japonsku vyrabaju fotovoltaicke clanky je kadmium telurid. Podiel tychto clankov na trhu predstavuje asi 1%. Vzhladom na pouzitie materialov obsahujucich tazke kovy existuju namietky voci ich vyrobe. Producenti tieto namietky vyvracaju tvrdenim o vysokej efektivnosti vyroby, ktora aj pri zdvojnasobeni svetovej vyroby na viac ako 100 MW rocne by predstavovala odpad len 8 ton kadmia. Celosvetova produkcia kadmia predstavuje asi 18000 ton rocne.

Najvyssiu ucinnost - 30% dosiahli tzv. tandemove clanky, avsak len v laboratornych podmienkach. Pozostavaju z dvoch alebo viacerych vrstiev roznych polovodicovych materialov.

Z novych technologii najvacsiu pozornost zaujali tzv. sfericke alebo gulickove clanky s priemerom 0,7 mm, ktore su nanesene na perforovanej hlinikovej folii. Napriek moznosti pouzit menej cisty (lacny) kremik zostavaju problemy s homogenitou guliciek.

Hospodarnost fotovoltaickych clankov zavisi okrem vyrobnych nakladov aj na ich zivotnosti. Aby bola zarucena viac ako 25-rocna prevadzka , musia byt clanky chranene pred vplyvom pocasia (vlhkost), pred mechanickym poskodenim alebo spinou. Clanky sa preto montuju do 'obalov' , ktorych cena predstavuje 40-50% celkovych nakladov.

Kremikove clanky vyrabaju napatie 0,4-0,5 Volta (V). K tomu aby bolo mozne clanky vyuzit v technicky zaujimavych aplikaciach na jednosmerny prud napr. 12 V alebo viac , zapaja sa viac clankov do tzv. modulu. Pritom sa clanky spajaju kontaktnymi spojkami , tak ze horna strana jedneho clanku je spojena s dolnou stranou vedlajsieho clanku. Vrchna strana clankov byva pokryta sklom hrubym 3-5 mm a spodna strana predstavuje umelohmotnu foliu s hlinikovou medzivrstvou. Modul je zakotveny v rame z hlinika resp. ocele.

Obr. 9. Struktura fotovoltaickeho clanku. Sklenene pokrytie chrani clanok pred atmosferickymi vplyvmi a sucasne vedie fotony svetla k clanku, v P-N prechode dochadza k vzniku elektrickeho prudu. Kovove vodice (METALLIC FINGER) na vrchu zbieraju elektrony a vedu ich smerom k elektrickej zatazi , v tomto pripade k ziarovke. Elektrony su schopne uvolnit svoju energiu - rozsvietit ziarovku a vratit sa druhym kovovym vodicom na spodu clanku spat a takto byt opat pripravene konat pracu.

Obr. 10. Zakladnym materialom pre vyrobu slnecnych clankov je piesok (kyslicnik kremicity) - vycisteny do polovodicovej podoby. Povoleny stupen znecistenia - jeden atom na miliardu kremikovych atomov znamena, ze kremikovy polovodic je najcistejsim materialom, ktory clovek v sucasnosti pouziva.

Obr. 11. Technologia vyroby slnecnych clankov je zalozena na taveni kremika. Monokristal kremika sa vytahuje z taveniny do valcovej podoby s priemerom cca 10 cm. Valec sa potom reze na platky 0,3 mm tenke , nozom tej istej hrubky. Pri tomto procese viac ako polovica materialu pripada na odpad. Nakolko fyzikalny proces premeny slnecneho ziarenia prebieha vo vrchnej casti kremikoveho platku hrubej jednu stotinu milimetra existuje tu stale moznost pre technicke zlepsenia.

Obr. 12. Proces odlievania ingotov je alternativnou technologiou vyroby cisteho kremika. Pravouhle ingoty vazia az 200 kg. Polykristalicky kremik je rezany drotovou pilou podobne ako v predchadzajucom procese. Polykristalicky proces znizuje naklady na vyrobu v dosledku vyroby stvrcovych platkov namiesto kruhovych a lacnejsej pripravy ingotov (5% spotreby energie a casu tahania kristalov).

Obr. 13. Inou metodou znizenia nakladov na vyrobu elektrickej energie je koncentracia slnecneho ziarenia do slnecneho clanku. Toto umoznuje vyuzit ovela mensie kremikove clanky a sucasne to nahradza kovove a plasticke casti clanku. Na druhej strane optika koncentratorov musi sledovat Slnko na svojej drahe a to sa nezaobide bez pohyblivych casti. Okrem toho tieto zariadenia vyuzivaju len priame slnecne ziarenie, cim ich pouzitie je obmedzene na oblasti s velkym poctom jasnych slnecnych dni, bez oblakov, hmly alebo prachu.

Obr. 14. Tieto linearne Fresnelove sosovky a koncentrator vyvinuty firmou ENTECH v Dallase (USA) tvoria 300 kW system na streche zavodu 3M v Austine (USA).

Obr. 15. Tento koncentracny system s vykonom 500 kW poskytuje energiu pre dve obce v Saudskej Arabii. Zariadenie sa pouziva simultanne aj na vyrobu tepla. Voda je cerpana elektrickou energiou vyrabanou slnecnymi clankami, pricom prechadza ich spodnou castou a absorbuje ich teplo.

Obr. 16. dalsim sposobom, ako znizit cenu slnecnych clankov je ich vyroba vo forme tenkeho filmu. Amorfny kremik je jediny takyto film v sucasnosti masovo produkovany vo svete. Ucinnost jeho premeny slnecneho ziarenia na elektrinu v roku 1993 dosahovala 6% pri cene o malo nizsej ako v pripade kristalickeho kremika. Tento zavod firmy ENERGY CONVERSION DEVICES rocne produkuje clanky s celkovym vykonom 3 MW (1 MW = 1 milion Wattov).

Obr. 17. Amorfny kremik naneseny na tenkej ocelovej folii firmy SOLAREX (USA) ma ucinnost 5-6% . Clanky s ucinnostou 10% a s cenou 2 dolare za Watt by mali byt dostupne v roku 1995.

Obr. 18. Gulickove clanky firmy TEXAS INSTRUMENTS (TI) maju ucinnost 10% a vzhladom na ich vysoku mechanicku odolnost sa predpoklada ich instalacia na strechach domov.TI pocita s ich vyrobou s celkovym vykonom 15 MW v rokoch 1994/95.

Obr. 19. Ucinnost slnecnych clankov vyvijanych v laboratoriach po celom svete rastie. Napriek tomuto trendu existuju problemy pri velkoobjemovej priemyselnej vyrobe. Ucinnost monokristalov vyrobenych v laboratornych podmienkach dosiahla 25% ale len 15% pri priemyselnej vyrobe. V pripade amorfneho kremika je tento pomer 14% vs. 5-6%.

Obr. 20. Proces vyroby slnecnych clankov . Piesok (SAND) - polikristalicky a monokristalicky kremik - platky (WAFFERS) - clanok (CELL) - modul.

SPOTREBNE VYROBKY

Fotovoltaicke clanky sa stali znamymi vdaka ich pouzitiu v kalkulackach. V sucasnosti existuju dalsie aplikacie , kde sa ich nizka cena a spolahlivost presadila pred inymi zdrojmi energie. Hracky, hodinky, osvetlovacie telesa, klimatizacne zariadenia , nabijacky baterii vo vozidlach alebo clnoch , ktore su dlhu dobu odstavene a nevyuzivane, su len castou spotrebnych vyrobkov napajanych slnecnou energiou. Rozsah tychto aplikacii je velmi siroky a rastie z roka na rok. V tejto suvislosti je potrebne sa zmienit o vozidlach , na streche ktorych boli umiestnene solarne clanky. Vsetky tieto aplikacie maju skor propagacny ciel a v praxi sa vzhladom na velku plochu clankov neosvedcili. Vyznam maju hlavne solarne automobily - elektromobily, ktore cerpaju elektrinu pre svoje baterie z fotovoltaickych elektrarni (cerpacich stanic). Siet takychto stanic nedavno vybudovala aj rakuska spolocnost OMV.

Profesionalne technicke zariadenia nachadzajuce sa v odlahlych miestach ako napr. (meteorologicke stanicky, varovne signalizacne zariadenia, majaky, boje, vodne cerpadla, katodova ochrana potrubi a zariadeni) su velmi casto napajane energiou z fotovoltaickych clankov. Vybudovanie elktrickych sieti do odlahlych miest byva nielen velmi drahe, ale casto aj nemozne. Bezne pouzivane male dieselove generatory alebo vymenitelne baterie su v sucasnosti vymienane za cenovo vyhodnejsie a spolahlivejsie fotovoltaicke systemy. Taketo systemy su mimoriadne vyhodne nakolko si nevyzaduju ziadnu udrzbu, su modularne t.j. daju sa skladat do vacsich celkov a vyznacuju sa dlhou zivotnostou.

Niektore z tychto zdrojov energie pracuju bez problemov uz viac ako 20 rokov. Podobne tieto systemy spolahlivo pracuju aj vo vesmirnych druziciach , kde sa vyuzivaju uz od konca 50-tych rokov. Dolezitym parametrom clankov pouzivanych v druziciach je pomer ich ucinnosti k celkovej hmotnosti. Na rozdiel od pozemskych aplikacii cena nie je dolezita, preto vyroba tychto clankov byva oddelena od vyroby beznych fotovoltaickych clankov.

Pristup k elektrickej energii je jednou z podmienok rozvoja spolocnosti. V dnesnej dobe existuje este mnoho obci, ktore nie su elektrifikovane napr. z dovodu velkej vzdialenosti k najblizsiemu elektrickemu vedeniu, ale ktore sa vyznacuju dostatkom slnecneho svitu. Su to prave taketo obce, ktore su najcastejsie elektrifikovane prave vyuzitim fotovoltaickych clankov. Aj v Europe existuje mnoho odlahlych obci alebo horskych chat , kde osvetlenie, chladnicka a televizny primac byvaju zasobovane energiou zo Slnka. Hlavnym nedostatkom byva problem zasobovania energiou v pripade nepriazniveho pocasia. Z tohoto dovodu byvaju fotovoltaicke systemy zalohovane bateriami alebo dieselovymi agregatmi.

Samostatne pracujuce fotovoltaicke systemy su zavisle len na slnecnych clankoch. Tieto su pripojene na bateriu cez regulator nanabijania, ktory prerusuje okruh, ked je bateria nabita a vypina zataz skor ako by sa bateria uplne vybila. Baterie musia byt dost velke, aby mohli skladovat energiu vyrobenu cez den a vyuzivanu v noci alebo pocas nepriazniveho pocasia.

Samostatne pracujuci fotovoltaicky system - schema zapojenia .

Vysvetl. DC = jednosmerny prud (direct current)

AC = striedavy prud (alternative current)

HYBRIDNE FOTOVOLTAICKE SYSTEMY

Hybridne fotovoltaicke systemy su kombinaciou slnecnych clankov s dodatocnym zdrojom elektrickej energie ako je napr. dieselovy generator, veterny agregat alebo iny zdroj. Z hladiska optimalizacie cinnosti dvoch zdrojov, hybridne systemy spravidla vyzaduju technicky narocnejsie regulacne zariadenia ako samostatne pracujuce systemy. Napriklad pri pouziti dieseloveho generatora sa vyzaduje , aby tento sa zapol pri nastavenej urovni vybitia baterie a opat vypol , ked je bateria dostatocne nabita.

Pri pouziti hybridnych systemov je mozne vyuzit mensie fotovoltaicke zariadenia a baterie ako v pripade podobnych samostatne pracujucich systemov. Z tohoto dovodu naklady na hybridny system mozu byt nizsie ako na samostatne pracujuci system.

Hybridny fotovoltaicky system - schema zapojenia.

Mnoho spolocnosti , vyskumnych stredisk resp. sukromnych majitelov dnes vyraba elektricku energiu fotovoltaickymi clankami, dodava ju do siete elektrickeho vedenia, a takto znizuje zatazenie zivotneho prostredia sposobene spalovanim fosilnych paliv (uhlia, ropy, plynu). Tieto sytemy pripojene na siet dnes este vo vacsine pripadov pri sucasnej urovni cien nie su lacnejsie ako konvencna vyroba elektriny. Ocakava sa vsak , ze cena takto vyrobenej energie bude klesat v dosledku znizovania cien clankov vyrabanych vo velkych mnozstvach. Navyse sucasne ceny elektrickej energie vyrabanej napr. v uholnych alebo jadrovych elektrarnach neodrazaju skutocnu cenu spojenu s ich vyrobou (poskodzovanie zivotneho prostredia, zdravia obyvatelov, vycerpatelnost ich zdrojov, naklady na konecnu likvidaciu odpadov a I.). Uplatnovanim ekologicky orientovanych zakonov a postupnym zahrnanim externych nakladov do ceny energie budu fotovoltaicke systemy stale viac konkurencie schopne a ich pouzitie bude ovela sirsie ako je v sucasnosti.

Nedavna skusenost z SRN , kde v ramci vladneho programu bolo 1000 striech domov vybavenych fotovoltaickymi systemami, svedci o tom , ze obyvatelstvo ma o takuto vyrobu elektrickej energie s pripojenim na verejnu siet velky zaujem. Ukazalo sa, ze na vacsich budovach mozu byt tieto systemy architektonicky velmi efektne integrovane zabudovanim do fasady do alebo strechy, cim sa znizuju naklady na tradicne pokrytie tychto casti budov.

Fotovoltaicke systemy mozu byt pripojene na verejnu elektricku siet a takto sa stat malymi elektrarnami. Tieto systemy su na siet pripojene cez menice a nevyzaduju baterie, pretoze siet moze prijat vsetku energiu vyrabanu fotovoltaickymi clankami.

Fotovoltaicky system pripojeny na siet - schema zapojenia.

FOTOVOLTAICKE ELEKTRARNE

Vyvoj fotovoltaickych systemov zabudovanych do elektrickych sieti prebieha velmi aktivne hlavne v USA. Elektricku energiu tu dodavaju spotrebitelom elektrarne s vykonom 700-5200 kW. Podobne fotovoltaicke elektrarne s vykonom 300-3000 kW sa v sucasnosti stavaju aj v Europe. Od roku 1989 je v cinnosti prva rakuska slnecna fotovoltaicka elektraren v Loseri v stajerskych Alpach (vo vyske 1850 metrov). Vykon tejto elektrarne je 30 kW a za dva roky vyprodukovala 56 984 kWh elektrickej energie. Celkove investicne naklady dosiahli 6 milionov silingov, z toho 2 miliony za fotovoltaicke clanky.

Obr. 21. Prve fotovoltaicke systemy napajali elektrickou energiou americke vesmirne satelity.

Obr. 22. Najrozsirenejsou aplikaciou slnecnych clankov je napajanie hodiniek, kalkulaciek, prenosnych radii a nabijaciek baterii. Na trh s tymito zariadeniami pripada vykon takmer 15 MW rocne. Kazdy rok sa preda viac ako 100 milion kalkulaciek fungujucich na tomto principe. A takmer vsetky vyuzivaju najnovsiu technologiu amorfneho kremika.

Obr. 23. Tento cestny komunikacny system v Juznej Afrike je napajany slnecnymi clankami. Desiatky tisic takto napajanych cestnych telefonov funguju po celom svete.

Obr. 24. Tento varovny signal na zeleznicnom prejazde vyuziva slnecnu energiu. Slnecny clanok je doplneny bateriou a ziarovkou na jednosmerny prud. Takmer vsetky aplikacie pracujuce nezavisle na verejnej elektrickej sieti a vyzadujuce spolahlivu prevadzku pri malych zataziach mozu byt ekonomicky napajane slnecnymi clankami.

Obr. 25. Niekolko milionov zariadeni na cerpanie vody je napajanych slnecnou energiou hlavne v rozvojovych krajinach. Na obrazku je system instalovany v Egypte.

Obr. 26.Prvou dedinou zasobovanou elektrinou zo Slnka bol Schuchuli v state Arizona (USA). Solarny system (3,5 kW) zasobuje 14 domov vodou, svetlom, napaja chladnicky a pracky . Schuchuli sa nachadza 25 km od najblizsieho vedenia elektrickej siete. Nedavno miestna elektrarenska spolocnost natiahla vedenie aj do tejto obce. Tato dedina sa stala dokazom toho, ze slnecny system vychadza lacnejsie ako predåzenie elektrickeho vedenia. Niekolko sto takychto dedin je v sucasnosti zasobovanych slnecnou energiou po celom svete.

Obr. 27. Centralne testovacie fotovoltaicke zariadenie v kalifornskom Davise (USA). Sest 20 kW systemov predstavuje vsetky t.c. dostupne technologie. Dva 200 kW a jeden 400 kW system su instalovane s cielom simulovat prevadzku velkych elektrarenskych systemov.

Obr. 28. Americkemu namornictvu a pobreznym hliadkam sluzi niekolko tisic namornych boji napajanych slnecnymi clankami. Plasticke tycky chrania clanky pred vtakmi a ich 'vedlajsimi produktami'. Vtaky nesadaju na tieto zariadenia nakolko vzdialenost tychto tyciek je mensia ako rozpatie ich kridiel. Vo svete existuje viac ako 50 000 takychto zariadeni.

Obr. 29. Fotovoltaicka meteorologicka stanicka. Taketo stanicky bezne vyuzivaju baterie nabijane slnecnou energiou.

Obr. 30. Navigacny system napajany slnecnymi clankami sluzi na rieke Sv. Vavrinca (Kanada) uz 15 rokov.

Obr. 31. Tento billboard v Jeddahu (Saudska Arabia) je osvetleny tromi 40 W ziarovkami napajany slnecnymi clankami. Niekolko tisic billboardov je takto osvetlenych aj v USA .

Obr. 32. Integrovanie fotovoltaickych clankov do strechy alebo fasady budovy. Tato budova v SRN ma slnecnymi clankami oblozenu juznu stenu a tienenie okien.

Obr. 33. Osvetlenie na zadnej strane zeleznicneho vagona je povinne z bezpecnostnych dovodov. Nakolko elektricka energia vo vlaku je velmi draha, fotovoltaicke napajanie sa javi ako najekonomickejsie riesenie.

Obr. 34. Napajanie elektrickeho plota zo slnecnych clankov je ovela lacnejsie ako tradicnymi bateriami. V USA bolo takychto zariadeni instalovanych 400 000. Na africkom kontinente sa fotovoltaicky napajane elektricke ploty pouzivaju na odradenie slonov od vstupu do dedin alebo na farmy.

Obr. 35. Zvukove bariery na dialniciach. Niekolko sto kilowattov fotovoltaickych clankov bolo takto instalovanych na svajciarskych horskych cestach. Clanky sa montuju priamo na zvukove bariery.

Obr. 36. Po celom uzemi Japonska su instalovane fotovoltaikou osvetlovane mapy a dalsie turisticke informacne tabule. Podobnym sposobom su osvetlovane aj cestovne poriadky na zastavkach autobusov alebo informacie o chramoch . Hodiny na verejnych priestranstvach byvaju v Japonsku tiez napajane slnecnou energiou.

Obr. 37. Tento dom vybaveny dvanastimi 35 W slnecnymi modulmi a bateriami na skladovanie energie je nezavisly na elektrine z verejnej siete.

Obr. 38. Dom nazvany SOLAR 2000 , ktory propaguje americka elektrarenska spolocnost BOSTON EDISON ako dom buducnosti, predstavuje kombinaciu vsetkych dostupnych sposobov vyuzitia slnecnej energie - pasivne vyuzitie (slnecny design), slnecne kolektory na pripravu teplej vody a 7 kW el. vykonu z fotovoltaickych clankov.

Obr.39. Prva tovaren na svete zasobovana elektrinou z fotovoltaickych clankov (200 kW) bola navrhnuta firmou SOLAREX Corp. vo Fredericku , USA.

Obr. 40. 300 kW na streche Medzinarodneho kulturneho centra Georgtownskej univerzity vo Washingtone. Projekt bol financovany ministerstvom energetiky USA.

Obr. 41. Mestska elektrarenska spolocnost v Sacramento,USA vybudovala v roku 1982 prvu solarnu elektraren na svete. 1 MW system bol postaveny v kalifornskom mestecku Hesperia za menej ako 6 mesiacov.

Obr. 42. Najvacsia slnecna elektraren na svete ( 6 MW ) bola postavena v kalifornskom San Luis Obispo za menej ako 10 mesiacov. V roku 1990 majitel , spolocnost Atlantic Richfield, predal elektraren skupine investorov v Novom Mexiku (USA), centralny system bol rozobrany a slnecne moduly boli rozpredane na americkom trhu.

Obr. 43. Carlise House. Majitel domu predava v letnych mesiacoch elektrinu vyrobenu fotovoltaickymi clankami (vykon 7,8 kW) do verejnej elektrickej siete a v zimnych mesiacoch ju z nej odobera . Slnecny design, ohrev teplej vody kolektormi a maximalna izolacia umoznila, ze tento dom nachadzajuci sa v americkom state Maryland , nespotrebuje viac energie ako si jej sam vyrobi.

Obr. 44. Tento nezvycajny dom patri prezidentovi japonskej firmy SANYO, ktora je veducou svetovou firmou vo vyvoji amorfnych kremikovych fotovoltaickych clankov. Vzhladom na nizsiu ucinnost tychto clankov je potrebna ich vacsia plocha.

Obr. 45. Tento dom v state New York bol prvym celorocne obyvanym obydlim nezavislym na vonkajsej elektrickej sieti. 4,5 kW fotovoltaickych clankov zabudovanych do strechy napaja 140 baterii poskytujucich 1470 Amper-hodin elektrickeho prudu.

Obr. 46. Dom Johna Longa vo Phoenixe (USA) vyuziva len slnecnu energiu. 7 kW system v pripade, ked domaca spotreba je nizsia ako vykon clankov, dodava elektrinu do verejnej siete, z ktorej ju potom v nocnych hodinach odobera. Tento dom je prvym zo serie domov , ktore John Long postavil. V roku 1985 vybudoval 190 kW centralny system zasobovania 28 domov elektrickou energiou zo Slnka.

Obr.47. Toto je jeden z piatich domov indianskeho kmena Cuyapaipe, zijuceho na uzemi Kalifornie, elektrifikovanych fotovoltaikou (200 W).

Obr. 48. Jeden zo 40 domov na ostrove Monhegan v americkom state Maine zasobovanych slnecnou energiou dokazuje, ze fotovoltaika ma vyznam aj v severnejsich zemepisnych sirkach chudobnych na slnecne ziarenie.

Obr. 49. Siemens Solar vybudoval 4 kW fotovoltaicky system pre 3 domy v Molokai (Hawaii, USA). V sucasnosti je na havajskom suostrovi instalovanych 2000 fotovoltaickych systemov. Cena takto vyrobej elektriny je 12 centov za kilowatthodinu, co je menej, ako by bola cena elektriny vyrobenej napr. v jadrovej elektrarni .

Obr. 50. Niekolko zo 42 domov s 2 kW fotovoltaickymi systemami instalovanymi spolocnostou Massachusetts Electric v americkom meste Gardner.

Obr. 51. Svajciarsky projekt 300 fotovoltaickych domov, kazdy s vykonom 3 kW, je podporovany vladou. Celkovy vykon 25 MW bude takto instalovany koncom roku 1995.

Fotovoltaicke clanky vyrabaju jednosmerny elektricky prud. Velkost tohto prudu zavisi na velkosti slnecneho oziarenia a moze byt zvacsena paralelnym zapojenim clankov. Napatie clankov nezavisi na slnecnom oziareni a fotovolvotaicke systemy mozu byt navrhnute tak, ze pracuju pri akomkolvek napati, az do niekolko sto Voltov, zapojenim clankov do serie. Pre aplikacie vyzadujuce striedavy elektricky prud je nevyhnutne pouzivat menice jednosmerneho prudu na striedavy. Na trhu existuje dostatok tychto zariadeni a ich ucinnost sa v sucasnosti rychlo vyvija.

Obr. 52. Elektricky okruh. Slnecny clanok s vykonom 1 Watt moze byt pripojeny na elektricku zataz (odpor). Ked slnecne ziarenie dosahuje svoje maximum - prud o velkosti 2 Ampere tecie cez zataz 1 Ohm pri napati 0,5 Voltu. Vykon 1 Watt (W) vsak neznamena prilis vela (aj ked kalkulacky a hodinky potrebuju len jednu tisicinu Wattu). Ak potrebujeme viac energie ako 1 W mozeme spojit vykon viacerych clankov dohromady tak, ze system je schopny zasobovat elektrinou takmer vsetko, vratane celych miest.

Obr. 53. Zapojenie solarnych clankov. Ked spojime viac slnecnych clankov dohromady aby produkovali viac energie, mozeme ich zapojit bud paralelne alebo do serie. V obidvoch pripadoch ziskame dvakrat vacsi vykon (W) z dvoch clankov ako z jedneho. V pripade serioveho zapojenia zvacsuje sa celkove napatie (dva 3 V clanky daju napatie 6 V), ale prud zostava nezmeneny. V pripade paralelneho zapojenia clankov sa pridavanim clankov zvacsuje prud, ale napatie zostava nezmenene. Na obr. vidime seriove zapojenie clankov.

Obr. 54. Pretoze fotovoltaicke systemy vyrabaju len jednosmerny elektricky prud, k tomu aby sme mohli vyuzivat striedavy prud 220 V s frekvenciou 50 Hz. , je nutne vyuzivat menic. Skladovanie energie je potrebne v pripade, ked system nie je napojeny na verejnu elektricku siet , do ktorej elektrinu dodava resp. z ktorej moze cerpat v pripade ked Slnko nesvieti.

Fotovoltaicke clanky zapojene do modulov sa bezne montuju na konstrukcie, ktore musia odolat vetrom, nemali by byt prilis drahe a nemali by tieto moduly tienit v priebehu dna. Tiez je vhodne ked su umiestnene tak, aby v pripade potreby bolo mozne moduly ocistit. Konstrukcia by mala byt dostatocne vysoka, aby nebola zatienovana vegetaciou alebo inymi predmetmi. Fotovoltaicke clanky su drahe, a preto musia byt pevne spojene s konstrukciou tak, aby ich nebolo mozne jednoducho ukradnut. Systemy umiestnene na miestach , kde sa zdrzuju vtaky by mali byt chranene (drotom alebo mriezkou) pred ich 'negativnymi vplyvmi'.

Fotovoltaicke moduly sa z bezpecnostnych dovodov uzemnuju bud umiestnenim kovovej platne do zeme pod zariadenie, alebo sa pouzivaju bezne bleskozvody. Uzemnenie byva casto problematicke na suchych a skalistych miestach. V pripade ked konstrukcia je riadne uzemnena fotovoltaicke clanky nie je nevyhnutne potrebne chranit pred priamym uderom blesku. Avsak ochrana elektronickej regulacie alebo menica byva casto potrebna. Blokovacie diody sa pripevnujum k clankom, aby sa zabranilo toku spatneho elektrickeho prudu do modulov, co by mohlo sposobit ich poskodenie.

Mechanicke smerovacie (naklanacie) zariadenia sa niekedy pouzivaju s cielom zabezpecit maximalny sklon fotovoltaickych clankov k dopadajucemu slnecnemu ziareniu pocas dna. Taketo zariadenia tym, ze obsahuju pohyblive casti, predrazuju cely system a maju skor experimentalny charakter - v beznych systemoch sa nepouzivaju.

Rucne nastavenie sklonu clankov je vsak bezne . Obzvlast v horskych podmienkach je v zimnych mesiacoch potrebne naklonit clanky takmer vertikalne, aby sa zamedzilo ich zapadaniu snehom a lepsie vyuzilo nizke postavenie Slnka nad horizontom. Niektori majitelia pouzivaju jeden uhol naklonenia clankov v zime a iny v lete, ale vacsina systemov pracuje s jednym pevne nastavenym sklonom pocas celeho roka.

Fotovoltaicke systemy pre napajanie napr. domu alebo chaty vyzaduju ine typy baterii ako su tie, ktore su bezne v predaji (napr. automobilove baterie). V porovnani s beznymi bateriami trh s bateriami pre fotovoltaicke systemy je maly. Vacsina pouzivanych baterii su bud olovene (s kyselinou) alebo nikel-kadmiove pre pouzitie v extremnych klimatickych podmienkach, alebo v podmienkach vyzadujucich vysoku spolahlivost.

Pri vybere vhodnej baterie by mali byt brane do uvahy nasledovne parametre:

• rozsah pracovnych teplot -15 az + 50 st. Celzia
• rychlost samovybijania ( % )
• zivotnost pri 80 %-nom vybijani
• ucinnost nabijania
• kapacita (v Amperhodinach)
• pozadovana frekvencia dopånania elektrolytu
• narazuvzdornost (pri transporte)
• chranenie pred prebitim
• cena

Olovene baterie

Najbeznejsimi bateriami, s ktorymi sa mame moznost stretnut na nasom trhu, su olovene baterie pouzivane v automobiloch. Tieto su vsak navrhnute tak, aby poskytovali velke prudy pocas kratkeho casu na nastartovanie motora. Nie su vsak vhodne na hlboke vybijanie spojene s pouzivanim fotovoltaickych systemov. Automobilove baterie sa niekedy pouzivaju pre male fotovoltaicke systemy, pretoze su lacne , avsak ich zivotnost v takychto aplikaciach byva kratka.

Specialne olovene baterie s antimonovymi platnami, vhodne pre taketo systemy sa vyznacuju:

• nizkou rychlostou samovybijania (2% za mesiac pri 25 st. Celzia)
• vysokou zivotnostou (1800 cyklov vybitia na 80% pri 40 st. Celzia)
• rozsahom pracovnych teplot od -15 do + 50 st. Celzia

Taketo kvalitne baterie maju zivotnost 5-7 rokov pri zabezpeceni predpisanej udrzby a pouziti regulatora nabijania. Dlhsia zivotnost sa da dosiahnut ak sa obmedzi uroven maximalneho vybijania baterie . Pouzivaju sa hlavne v samostatne pracujucich systemoch.

Nikel - kadmiove baterie

Tento typ baterii sa vyznacuje hlavne vysokou spolahlivostou. Nevyhodou platnovych nikel - kadmiovych baterii je ich pamatovy efekt , pri ktorom ich kapacita zacne klesat po mnohych cykloch vybitia, alebo pri pomalej rychlosti vybijania. 'Vreckove' nikel - kadmiove baterie su pre pouzitie s fotovoltaickymi clankami vhodnejsie, pretoze obsahuju primesy predlzujuce ich zivotnost a znizujuce pamatovy efekt. Okrem toho su velmi odolne voci extremnym vykyvom teplot a mozu byt vybite az na 90 %. Ich hlavnou nevyhodou v porovnani s olovenymi bateriami je vyssia cena.

Zivotnost baterie zavisi od sposobu regulacie jej vybijania a nabijania, co obzvlast plati pre olovene baterie. Dobry regulator nabijania obmedzuje håbku a rychlost vybijania. Obmedzuje tiez rychlost nabijania a maximalnu uroven nabitia , aby sa zamedzilo 'bublaniu' a odparovaniu elektrolytu.

Nabijacie a vybijacie napatie by mali byt nastavene s ohladom na pracovnu teplotu baterie. Toto nastavenie moze vyznamne ovplyvnit jej zivotnost. Vysoke teploty znizuju zivotnost, pretoze urychluju hrdzavenie a samovybijanie. Tiez mozu zvysit vyparovanie elektrolytu pocas nabijania, co moze byt nebezpecne pri nutenom vetrani baterie. Odolnost olovenych baterii voci zamàzaniu sa znizuje, ked su vybite, a preto by mali byt udrzovane nabite pri nizkych vonkajsich teplotach v zime.

Menic zabezpecuje zmenu jednosmerneho prudu vyrabaneho fotovoltaickymi clankami na striedavy, ktorym su napajane bezne elektrospotrebice. Najdolezitejsou charakteristikou menica pouziteho vo fotovoltaickych systemoch je jeho spolahlivost a ucinnost. Zabezpecenie vysokej spolahlivosti si vyzaduje ochranu menica, na vstupnom aj vystupnom vodici, pred napatovymi spickami sposobenymi blizkym uderom blesku alebo pretazenim uzivatelom.

Pre systemy zapojene na verejnu elektricku siet musia menice spånat poziadavky prenosovej sustavy ako je kvalita napatia a prudu. Musia byt schopne vypnut sa v pripade vypadku v sieti, aby nedoslo k zraneniu pracovnikov opravujucich elektricke vedenie . Taktiez nesmu emitovat elektricky sum , ktory by mohol ovplyvnovat prijem televizneho a rozhlasoveho vysielania.

V roku 1974 ked sa rozsirilo aj pozemske vyuzivanie tejto technologie, clanky vychadzali na 100 az 500 dolarov za 1 Watt ich vykonu (spickovy). Tato cena v sucasnosti klesla na 5 dolarov za Watt. Cena celych systemov dnes vychadza na 6-8 dolarov za Watt v pripade velkych zariadeni (elektrarne) a 12-25 dolarov za Watt pre male systemy izolovane od verejnej siete a vyuzivajuce baterie na skladovanie energie.

Pri cene fotovoltaickeho systemu 5-7 dolarov za Watt je jeho prevadzka konkurencie schopna v porovnani s dieslovymi generatormi prudu a pri cene 3-4 dolare za Watt byva ekonomicke aj pripojenie na verejnu elektricku siet.

Z celkovych nakladov systemu pripada na moduly cca 60% , na menic cca 10% a na montaz asi 30%. V sucasnosti predavane moduly maju zaruku v niektorych pripadoch viac ako 10 rokov, pricom ich zivotnost sa odhaduje az na 30 rokov.

Je zaujimave, ze z kratkodobeho hladiska sa ceny tychto clankov zvysia , pretoze na trhu existuje po nich znacny dopyt . Do konca storocia by vsak mali byt k dispozicii velmi ciste kremikove slnecne moduly s cenou 1,70 USD/W oproti cene 5 USD/W z roku 1991. V nasledujucej tabulke je uvedeny prehlad nakladov a cien vyrobenej elektriny z fotovoltaickych zariadeni pre pripad rodinneho domu (vykon 1 kW), viacposchodoveho domu (3 kW) a priemyselneho podniku (30 kW).

VYKON                         1 kW                  3 kW
                30 kW

Specificke naklady           21.000                18.000
 17.000
(DM/kW)

Inesticne naklady            21.000                54.000
 510.000
(DM)

Kapitalove naklady            1.344                 3.456
 32.640
(DM/rok)

Naklady na udrzbu              105                   270
  2.550
(DM/rok)

Celkove rocne                 1.449                 3.726
 35.190
naklady (DM/rok)

Vyroba energie                1.000                 3.000
 30.000
(kWh/rok)

Cena vyrobenej                1,45                  1,24
  1,17
energie (DM/kWh)

Priklady su zo Spolkovej Republiky Nemecko v roku 1994.Vyuzitelnost sa predpoklada 25 rokov, urokova miera 4%.

Za predpokladu zvysenej vyroby fotovoltaickych clankov by v podmienkach SRN cena takto vyrobenej kWh mala klesnut v roku 2005 na 0,3 - 0,37 DM (pri celosvetovej vyrobe 3.000 MW rocne) a do roku 2015 na 0,24 DM (vyroba 10.000 MW rocne). Takyto odbyt vyroby, ktory by v roku 2015 predstavoval 200-nasobok sucasnej produkcie, nie je mozne zabezpecit posobenim volneho trhu. Dnesna skutocnost ukazuje, ze vyrobcovia skor ako sa rozhodnu investovat obrovske sumy do rozsirenia vyroby a do novych vyrobnych zariadeni pozaduju jasne kriteria zo strany statu resp.Europskej Unie.

Dnes neexistuje ziadne fyzikalne obmedzenie, ktore by limitovalo mnozstvo vyrobenej elektrickej energie fotovoltaickymi clankami. Bezny fotovoltaicky clanok je v nasich podmienkach schopny vyrobit 1000 kWh/1 kW spickoveho vykonu. Teoreticky by takto vsetku v sucasnosti na Slovensku spotrebovavanu elektricku energiu (cca 25 miliard kWh rocne) bolo mozne vyrobit fotovoltaickymi clankami dostupnymi uz dnes, pricom plocha potrebna pre tieto ucely by neprekrocila rozmery 15 krat 15 km. Prakticka realizacia takehoto projektu by vsak v sucasnosti bola znemoznena vysokou cenou a problemami so skladovanim energie resp. prechodom na ine palivo (napr. vodik). Navyse ani snaha pokryt celu spotrebu jedinym obnovitelnym zdrojom by nebola ucelna. Na Slovensku mame obrovsky nevyuzity potencial a medzi dalsimi obnovitelnymi zdrojmi ako je napr. biomasa, vodna alebo veterna energia.

Skutocne obmedzenie vyuzitia fotovoltaickych clankov v dnesnej dobe predstavuje len ich cena a poziadavky na cely system. Otazka ceny clankov uz bola diskutovana a zavisi hlavne na rozsireni ich pouzivania vo svete. Problem skladovania energie je vsak sirsi a suvisel by aj s prechodom na ine typy paliv.

Slnecne ziarenie je v nasich podmienkach v decembri asi 7-krat slabsie ako v juli. Rozdiel den-noc je este markantnejsi - energiu dopadajucu z Mesiaca nie je mozne prakticky nijako vyuzit. Tym sa dostavame k zakladnemu problemu slnecnej energie. Ako akumulovat energiu dopadajucu napriklad na jeden dom, ktora iba v lete je taka velka, ze niekolkokrat prevysuje jeho celorocnu spotrebu? Alebo ako preniest slnecnu energiu do takej kompaktnej formy, aby ju bolo mozne vyuzit ako palivo pre automobily ? Riesenim pre buducnost moze byt tzv. vodikove hospodarstvo.

Jednosmerny elektricky prud vyrobeny fotovoltaickymi clankami sa da pouzit na elektrolyzu vody. Voda sa pri tomto procese rozklada na vodik a kyslik. Vodik sa zachytava a ako palivo sa potom spaluje za pritomnosti kyslika. Pri tomto procese sa uvolnuje uzitocna energia a cely cyklus sa uzatvori za vzniku maleho mnozstva dusika a vody, ktora predstavuje odpad a sucasne surovinu, z ktorej je mozne opatovne ziskavat vodik. Pri tomto procese nedochadza k ziadnej emisii skodlivych latok, alebo kyslicnika uhliciteho sposobujuceho klimaticke zmeny. Pretoze pre tuto vyrobu su potrebne len obnovitelne suroviny voda, slnecne ziarenie a v hojnej miere sa vyskytujuce prvky v zemskej kore, vodik sa moze stat palivom buducnosti s neobmedzenymi zasobami pre cele ludstvo.

Napriek pretrvavajucemu nazoru, ze vodik je velmi nebezpecnym palivom je potrebne sa na problem bezpecnosti pozerat z pohladu v sucasnosti pouzivanych paliv ako su napr. zemny plyn alebo benzin. Skusenosti s pouzivanim vodika hlavne v priemysle ukazuju, ze ziadne z uvedenych paliv nie je jednoznacne bezpecnejsie ako ostatne , ale ze vsetky su technicky bezpecne zvladnutelne, co bolo v praxi dostatocne dokumentovane aj pre vodik ci uz v kvapalnej alebo plynnej podobe.

Vodikovym hospodarstvom a fotovoltaickymi clankami by bolo mozne pokryt energeticku spotrebu v kazdej krajine .

Na Slovensku by do uvahy mohlo pripadat aj skladovanie elektrickej energie cestou vyuzivania precerpavacich vodnych elektrarni. Taketo elektrarne u nas existuju na Ciernom Vahu, v Ruzine alebo v Dobsinej. Elektricka energia vyrabana v mimospickovom obdobi sa vyuziva na precerpanie vody do zasobarne (vyssie polozeneho umeleho jazera) , z ktoreho sa voda v case potreby (spickove zatazenie siete) vypusta cez turbinu vyrabajucu elektricku energiu. Proces cerpania, pri ktorom sa spotrebovava elektricka energia ( u nas v sucasnosti vyrabana v uholnych alebo atomovych elektrarnach) je mozne zabezpecit aj vyuzivanim slnecnej energie generovanej fotovoltaickymi clankami. Spojenie slnecnej a vodnej energie predstavuje idealnu kombinaciu obnovitelnych zdrojov poskytujucich nevycerpatelnu, cistu a hlavne bezpecnu energiu nielen pre nas ale aj pre nasledujuce generacie.

To kolko energie sa spotrebuje na vyrobu slnecneho clanku je dolezite nielen z hladiska jeho konecnej ceny, ale aj z hladiska jeho energetickej hospodarnosti a unosnosti pre zivotne prostredie, co ma v konecnom dosledku vplyv na sirsie pouzivanie tejto technologie vo svete. Pri prvych fotovoltaickych clankoch energeticka navratnost (doba za ktoru clanok vyrobil energiu, ktora sa rovna energii spotrebovanej na jeho vyrobu) predstavovala az 15 rokov. Nakolko tieto clanky sa vyuzivali hlavne v kozmickom priestore (satelity) nebola tato otazka dolezita. Ak vsak chceme hovorit o tejto technologii ako o alternative k inym palivam je nutne sa tymto problemom zaoberat. Gerd Hagerdorn z Mnichovskeho Vyskumneho Ustavu Energetickeho Hospodarstva detailne spocital energeticku bilanciu fotovoltaickych clankov v roku 1989. Zohladnil pri tom nielen energeticku narocnost clankov ale aj ochrannych krytov (modulov) a vsetkych komponentov fotovoltaickeho zariadenia.

Vysledok : energeticka navratnost v pripade dnesnych kristalickych clankov je 7 rokov, pricom pre amorfne kremikove clanky je to menej ako 5 rokov . V blizkej buducnosti by tieto hodnoty mali klesnut na 3 az 4 roky. Tieto udaje platia pre stredoeuropske staty. V pripade pouzitia clankov v oblastiach s vysokym oziarenim energeticka navratnost klesa az na polovicu.Az 50% energie, ktora sa spotrebuje na vyrobu clankov pripada na vyrobu ochranneho krytu modulu, co je mozne tiez dalej znizovat. Energeticka navratnost fotovoltaickych clankov je teda jednoznacne pozitivna. Nezodpovedanou otazkou zostava aka je energeticka navratnost uholnych resp. atomovych elektrarni po zapocitani energie spotrebovanej na tazbu a dopravu paliva, ukladanie odpadov, vyrobu, udrzbu a likvidaciu nevyhnutnych zariadeni.

Najcastejsia otazka bezneho obcana pri rozhodovani o kupe fotovoltaickeho zariadenia napr. na chatu alebo rodinny dom sa tyka ekonomickej navratnosti vlozenych investicii. Na tuto otazku propagatori fotovoltaiky casto odpovedaju protiotazkou - aka je navratnost mnohych predmetov vo vasom byte alebo luxusneho auta, ktore ste si mozno prave kupili? Je zrejme, ze nie na vsetky investicie, ktore v zivote uskutocnujeme, sa pozerame z hladiska ekonomickej navratnosti.

Na vynakladanie financnych prostriedkov na fotovoltaiku sa treba pozerat aj z pohladu obrovskej energetickej spotreby kazdej priemyselne rozvinutej krajiny (vratane Slovenska). Ekonomicke hodnotenie problematiky ziskavania a vyuzivania energie sa nezaobide bez hodnotenia tzv. externych nakladov , ktore casto nie su zahrnute v cene energie, ktoru platime. Poskodzovanie zivotneho prostredia v dosledku spalovania fosilnych paliv (uhlie, ropa, plyn) a zdravia ludi predstavuje rocne miliardove hodnoty. Snaha o zmenu sucasnej energetickej orientacie spolocnosti pri chapani ozdravovania zivotneho prostredia a budovania zakladov trvalo udrazetelneho rozvoja by mala hybnou silou sirsieho uplatnenia tejto technologie v buducnosti.

CHARAKTERISTIKY NIEKTORYCH KOMERCNYCH FOTOVOLTAICKYCH MODULOV

VYROBCA            Vykon         Material       Napatie Rozmer         Zaruka
TYP                 (W)                            (V)  (mm*mm)         (roky)

BP SOLAR

BP 210 SRU           10             mk             15          294*534  10
BP 220 SRU           20             mk             15          504*534  10
BP 140               40             mk            21,6         433*958  10
BP 255               55             mk            21,2         448*1004  10
BP 270               70             mk            21,4         530*1188  10
BP 495               95             mk            36,7         530*1188  10

                               GALLIVARE PHOTOVOLTAIC

GPV 55 ME            55             mk           21,71         440*985  10
GPV PCR 80           80             mk           21,07         532*1200  10
GPV 110 ME          110             mk           43,28         650*1300  10

                                    KONCAR SOLAR

KSMM 106            1,6             a              6
KSMM 112            3,2             a              6
KSMM 136             10             a              6
KSMM 136 B           11             a              12
KSMM 136 A           14             a              12


                                      KYOCERA


LA 321               45             pk            18,9         448*888  12
LA 441               63             pk             26          448*1198  12
LA 721              102             pk            42,5         868*988  12

                                     NUKEM GmbH


PS 94 MP             96             pk            45,9         856*1100  10
PS 126 T            138             pk            66,1         995*1265  -
PS 184 T            200             pk            97,8        1110*1675  10

                                   SIEMENS SOLAR

M 5                  5              mk            19,5         165*330  10
M 10                 10             mk            19,9         321*346  5
M20                  20             mk             18          330*569  5
T 20                 20             a              23          365*1321  5
M 50                 50             mk            21,5         460*980  10
M 110 (24 V)        110             mk            43,5         660*1316  10

a - amorfny kremik , mk - monokristakicky kremik , pk - polykristalicky kremik

BP SOLAR , 36 Bridge Street , KT 22 8 BZ Leatherhead, Surrey, U.K. ph.: +44 372 377 899

BP pro solar, Desenfangstr. 47-51 , 88212 Ravensburg , BRD ph.: 751 3610-0

GALLIVARE PHOTOVOLTAIC, Foretagscentrum B. 840 , 98228 S-Gallivare, Sweden ph.: +46 970-168

KONCAR SOLAR LTD., Tezacki put bb. 58000 Split, Croatia ph: 38 5 58 374 381 , fax: 385 58 374 111

KYOCERA / IBC , Am Hochgericht 15 , 96231 Staffelstein , BRD ph.: 9573 3066

NUKEM , Industriestr. 13 , 63755 Alzenau , BRD ph.: 6023 911 730

SIEMENS SOLAR , 4650 Adohr Lane , CA 93011 Camarillo , USA

SIEMENS SOLAR , Frankfurter Ring 152 , 80915 Munchen , BRD ph.: 89 3500-2618