Fotovoltaika jako obnovitelný zdroj
Petr Sládek
Významné trendy z hlediska energetiky
Ekonomický růst je ovlivňován především populací, hrubým domácím produktem,
energetickou náročností hospodářských odvětví, účinností při výrobě a spotřebě energie,
rozvojem urbanistických oblastí, elektrifikací, dopravní obslužností. Ukazuje se, že trvale
udržitelný rozvoj je možné zajistit jen harmonickým vyvážením tří pilířů 3E, které zásadním
způsobem ovlivňují a jsou ovlivňovány lidskou činností: Ekonomika (a z ní vyplývající
potřeba energie), Energetika (dostupnost zdrojů) a Ekologie (vliv těžby surovin, a výroby a
spotřeby energie na životní prostředí). Je jednoznačně prokázáno, že ekonomický růst je
doprovázen růstem spotřeby primární a především elektrické energie (i přes úsporná
energetická opatření), a uspokojování rostoucích energetických potřeb přináší nevratné zásahy
do životního prostředí. Je zřejmé, že díky omezeným zásobám fosilních paliv (uhlí, ropa,
plyn) lidstvo musí hledat nové zdroje energie. Produkce elektřiny a tepla bývá často
diskutována jenom z technologického hlediska, ale přitom je potřeba brát v úvahu i otázky
ekonomické, politické, sociální a vše musí být vnímáno jako jeden komplex.
Dnes lidstvo spotřebuje za rok víc než 11,5 Gtoe = 5 140 EJ1
energie, z toho elektrická
energie 16 661 TWh = 65,6 EJ (údaje za rok 2005). Primární energetický sektor ve světě dnes
využívá fosilní paliva (uhlí 25,3%, ropa 35%, zemní plyn 20,7%), uran (6,3%) a obnovitelné
zdroje (velké vodní elektrárny 2,2%, biomasa 10%, ostatní 0,5%). Tyto zdroje jsou pak
spotřebovávány v elektroenergetice, teplárenství, dopravě, průmyslu, domácnostech a
službách. Světová výroba elektrické energie je zajišťována z elektráren uhelných (40,3%),
plynových (19,7%), jaderných (15,2%), vodních (16%), olejových(mazut) (6,6%) a ostatních
(2,2%).V Bílé knize je uvedeno: „Z doby, během níž jsou ještě dostupné pohodlné a levné
fosilní zdroje energie a během níž je nutno vyvinout nové technologie a zařízení a zajistit tak
trvalý a uspořádaný přerod celosvětové energetiky do definitivně nové podoby, zbývá již
málo: období ekonomické příhodnosti je daleko kratší, než doba fyzické dostupnosti
„konvenčních“ zdrojů energie.“ Urychlené zavedení obnovitelných zdrojů (dnes mají podíl
kolem 12% z celkové spotřeby energie) energie vyžaduje vytváření k tomu příznivých
podmínek či na motivaci souvisejících nutných změn - a to s dostatečným předstihem.
S velkým znepokojením je očekáváno, že světové emise CO2 ze spalování fosilních paliv
vzrostou z 27,135 miliard tun CO2/rok v r. 2005 na 45 miliard tun CO2/rok v r. 2030.
Současná jaderná energetika "šetří" životní prostředí eliminací asi 2,4 miliard tun CO2/rok.
Přitom úsporná opatření (především snižování energetické náročnosti při výrobě a spotřebě
energie) v průmyslově vyspělých zemích povedou ke snížení podílu těchto zemí na emisích ze
70% v r. 1990 na 42% v r. 2030. Naopak extrémní absolutní nárůst je očekáván v rozvojových
zemích, především Číně a Indii. Uhelná elektrárna o ekvivalentním výkonu 1000 MWe
spotřebuje ročně 2 až 6 miliónů tun paliva (podle typu uhlí) a vyprodukuje 6,5 miliónu tun
CO2 (960 t CO2/GWh). Analogická plynová elektrárna spotřebuje ročně 2-3 miliardy m3
plynu
a produkuje 480 t CO2/GWh. Olejová (mazut) elektrárna stejného výkonu spotřebuje ročně
1
jednotka 1 toe (tonne of oil equivalent) = 0,447 TJ, 1Gtoe (gigatoe) =109
toe, 1EJ =1018
J
1,5 miliónu tun topného oleje a produkuje 730 t CO2/GWh. Elektrárna na spalování biomasy o
stejném výkonu by představovala zábor půdy pro pěstování biomasy na rozloze 6.000 km2
,
větrná elektrárna by zabrala 100 km2
a sluneční 50 km2
. Naproti tomu bezemisní jaderná
elektrárna o výkonu 1000 MWe spotřebuje ročně jen 35 t paliva a zabírá rozlohu několika
km2
.
Technologie jsou již dnes pokročilé natolik, že umožňují významnější pronikání energie
z obnovitelných zdrojů do hlavního proudu energetiky a společenských infrastruktur. Vládami
zemí EU (u nás 8% do roku 2010) jsou pevně stanovené cíle zvyšování podílu energie
z obnovitelných zdrojů na primárních energetických zdrojích a zdrojích elektrické energie.
Většinou se uvádí následující dělení obnovitelných zdrojů (mimo velkých vodních elektráren,
dále je uveden procentuální podíl na celosvětové výrobě energie z obnovitelných zdrojů):
 Malé vodní elektrárny 16,4%
 Biomasa + spalovny odpadu 79,9%
 Solární - teplo 0,3%
 Solární - fotovoltaické <0,05%
 Větrné 0,2%
 Geotermální 3,2%
 Přílivové <0,05%
Každý druh obnovitelných zdrojů energie má své přednosti, ale také svá omezení a limity.
Např. naše republika nemá pro využití větrné energie tak výhodné podmínky jako přímořské
státy. Příhodné lokality se u nás téměř vždy nacházejí ve vyšších nadmořských výškách,
obvykle nad 600m n. m. Ale máme-li před sebou „větrnou“ mapu ČR s vyznačením izočar
rychlostí větru je vidět, že zcela převažují území, kde rychlost nepřesahuje 4 m/s. Oblasti s
vyšší rychlostí připomínají mapu zvláště chráněných území a rezervací. Možnost výstavby
„větrných farem“ je v těchto územích velmi limitovaná, a bereme-li vážně ochranu přírody a
krajiny, je prakticky nemožná.
Stejně jako disponibilita větru i disponibilita slunce má náhodný charakter, což samo o
sobě přestavuje značný technický problém a ze samotné podstaty plyne, že tzv. koeficient
ročního využití se mění s lokalitou.
Sluneční záření dopadající na povrch České republiky poskytuje ročně asi 90 000 TWh2
energie. Ploch použitelných pro fotovoltaické systémy je 50,2 km2
, což reprezentuje ročně asi
5,5 TWh, dosud však instalované fotovoltaické systémy poskytují jen 0,002 TWh ročně. Mezi
jejich nevýhody patří vyšší vstupní náklady, které jsou však kompenzovány dlouhou,
prakticky bezúdržbovou životností (20 let a více). Výhody lze nalézt v možnostech vykrytí
špiček spotřeby elektrické energie v případech, kdy se odběr realizuje zejména v denních
hodinách.
Jedna z velkých předností nabízená fotovoltaikou je možnost vyrábět elektřinu v
oblastech, které nejsou napojeny na elektrické rozvodné sítě. To je významná skutečnost,
protože v současné době elektrifikace narůstá pomaleji, než je růst lidské populace. Dnes
např. z přes 6,4 mld. obyvatel Země nemají více jak 2 miliardy lidí žádný přístup k elektřině, a
mnohem více lidí nemá možnost připojení na elektrickou síť. Je docela možné, že během
40 let toto číslo může narůst na 5 miliard. Klíčovým momentem ekonomického rozvoje a
2
jednotka 1 TWh (terawatthodina) =109
kWh, 1TWh = 3,6.1012
J
modernizace některých zemí je fakt že převážná většina jejich obyvatelstva je bez elektrických
zdrojů. V současnosti je světový instalovaný výkon k 31.12.2006 odhadován na cca 5,7 GWp.
Fotovoltaická přeměna
Přímá přeměna slunečního záření na elektřinu pomocí fotovoltaické přeměny (FV) má
několik značných výhod: sluneční FV systém představuje nevyčerpatelný zdroj nevyžadující
další náklady a je přístupný kdekoliv na světě, i ve vesmíru. Množství energie dodávané
Sluncem je o 5 řádů vyšší než spotřeba elektrické energie, která je nezbytná k chodu moderní
civilizace. Nemá mechanicky se pohybující části, nepotřebuje mazivo, což vede ke konstrukci
snadno ovladatelné elektrárny, nevyžadující údržbu. Neprodukuje žádné emise.
Mezi současné nevýhody patří zatím poměrně drahé výrobní náklady (…ale snižující se),
potřeba velkých ploch pro články s nižší účinností a degradace, tj. snížení účinnosti zejména u
amorfních FV článků. Navíc je zřejmé, že intenzita slunečního záření kolísá. Pro hodnocení
instalovaného výkonu se používá jednotek tzv. Wp , resp. kWp , čímž se rozumí špičkový
dosažený výkon. Průměrný skutečný výkon je nižší. Navíc plný teoretický fyzikální potenciál
zdrojů energie nemůže být vždy uvažován. Ten je dán jednak počtem slunečných dní, jednak
hodnotou tzv. solární konstanty. Je to výkon dopadajícího slunečního záření na 1m2
plochy.
Na dvoře Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity v Brně (PdF MU) byla za slunného dne
(26. června 2001, 12h) naměřena hodnota solární konstanty 721 W/m2
.
Obr. 1 Sluneční spektrum po průchodu atmosférou pod úhlem 48° od normály (tzv. spektrum AM1,5). Současně
je vyznačena absorpční hrana krystalického křemíku.
Sluneční články
Již v minulém století byla u selenu pozorována změna elektrického odporu při osvětlení a
fotovoltaický jev (vznik elektrického napětí při osvětlení) na kontaktu s kovem. Fotovoltaická
přeměna v solárních článcích je založena na fotoelektrickém kvantovém jevu v polovodičích.
První skutečné fotovoltaické sluneční články (dále jen “sluneční články”) byly připraveny
z monokrystalů křemíku v Bellových laboratořích v USA v roce 1954. Ty již měly účinnost
6%, více než desetinásobnou ve srovnání se selenovými články. Byly logickým vyústěním
výzkumu polovodičů, teoreticky založeny na výsledcích kvantové mechaniky a technologicky
na zvládnutí přípravy velmi čistého křemíku a jeho dopování. Křemík není průhledný, ale
absorbuje celé viditelné a ultrafialové spektrum a část infračerveného spektra až po tzv.
absorpční hranu, tedy větší část celého slunečního spektra. Na obr. 1 je znázorněno spektrum
slunečního záření po průchodu atmosférou spolu s absorpční hranou křemíku.
Aby sluneční článek sloužil jako zdroj proudu, musí v něm nastat oddělení elektronů a
děr. Sluneční článek není homogenní polovodič, ale skládá se z části mající elektronovou
vodivost (materiál typu n, například křemík s příměsí fosforu) a části mající děrovou vodivost
(materiál typu p, například křemík s příměsí boru). Na přechodu p-n dojde k oddělení díry a
elektronu a na přívodních kontaktech vznikne napětí (v případě křemíku 0,5-0,6 V) a
připojíme-li ke kontaktům spotřebič, protéká jím elektrický proud. Ten je přímo úměrný počtu
absorbovaných fotonů a tedy i ploše celého slunečního článku.
Fotovoltaický sluneční článek je tedy polovodičová dioda (přechod p-n) mající velkou
plochu (decimetry čtvereční), spodní celoplošný kovový kontakt (reflektor) a vrchní kovový
kontakt (mřížku, hřeben) zabírající velmi malou plochu (4-8% plochy článku), aby nestínil.
Skutečná struktura je mnohem složitější, jak je vidět na obr. 2, s cílem zmenšení všech
možných ztrát (reflexe světla, rekombinace nosičů proudu) a realizace co největší účinnosti
přeměny sluneční energie v energii elektrickou. Teoretická účinnost v případě článku
z krystalického křemíku je okolo 30%. Vyšší teoretickou účinnosti lze dosáhnout u článků
složených z různých materiálů s různou absorpční hranou nebo koncentrací světla, která
zvyšuje (logaritmicky) získané napětí.
Obr. 2 Schematické znázornění struktury křemíkového solárního článku se zanořenými kontakty na přední straně.
Texturovaný povrch pro snížení reflexe a zvýšení „light trapping" efektu je vytvářen využitím anizotropního
leptání křemíku na rovině <100>. Vrstva oxidu, případně nitridu křemíku je použita pro pasivaci povrchu
křemíku a pro snížení reflexních ztrát. Zadní kontakt (Al) funguje jako zpětný reflektor.
Pro výrobu solárních fotovoltaických panelů (FV) se v současné době využívá buď
krystalických článků, zejména na bázi křemíku, dále amorfních vrstev hydrogenizovaného
křemíku a slitin s germániem a v poslední době pak mikrokrystalických či nanokrystalických
vrstev. Křemíkové krystalické fotovoltaické články na mají sice vyšší účinnost (kolem 16%),
ale je potřeba je deponovat v tlusté vrstvě (desítky mikronů), tím je jejich výroba dražší a
časově náročnější. Většinou je možno je rozeznat podle tmavě modrého zabarvení.
Nafialovělé články na bázi nanokrystalického (amorfního) křemíku jsou deponovány v tenké
vrstvě (desetiny, jednotky mikronu), jejich stabilizovaná účinnost je kolem 6-7%, Přes nižší
účinnost jsou ekonomicky výhodnější, ale vykazují degradační efekt, kdy se jejich účinnost při
expozici světlu snižuje. Tento jev je reverzibilní. V poslední době se výzkumná činnost
zaměřuje na kombinaci mikrokrystalické a nanokrystalické vrstvy.
Pro výkonové využití (střešní systémy, fotovoltaické elektrárny) se tedy převážně využívá
panelů na bázi krystalického křemíku, pro nízkovýkonové aplikace (kalkulačky) pak panelů na
bázi nanokrystalického (=amorfního) křemíku.
Jak je vidět, křemík zůstal dominantním FV materiálem, zahrnujícím asi 98% z celkové
světové produkce. Ploché moduly z krystalického křemíku (monokrystalický a
mikrokrystalický Si) reprezentují zhruba 80% celkové produkce. Pokračující převaha křemíku
odráží skutečnost, že na rozdíl od ostatních materiálů, těží z mohutné průmyslové výroby
integrovaných obvodů. Proto mnoho technologických procesů, které byly již vyvinuty mohlo
být snadno rozšířeno i do výroby křemíkových slunečních článků. Stabilizovaná produkce je
také u FV modulů na bázi amorfního křemíku (a-Si), které těží z možností velkoplošné
depozice v tenké vrstvě. U článků na bázi amorfního křemíku bylo dosaženo v posledních
letech nárůstu účinnosti použitím amorfního karbidu křemíku (a-SiC), který umožňuje
nejenom kontrolu dopování, ale také možnost ovlivnění šířky pohyblivostní mezery. Další
trendy jsou nabízeny použitím depozice dvou (tandemových), popř. až čtyřnásobně vrstvených
přechodů při použití vedle hydrogenovaného amorfního křemíku (a-Si:H) např. slitin amorfní
křemík-germánium (a-SiGe) a mikrokrystalického křemíku (-Si).
Snížení nákladů je přímo spojeno se zvýšením účinnosti článků. Mnoho úsilí bylo
vyvinuto na každém kroku procesu výroby účinného FV systému. Od základního výzkumu
depozice vlastního materiálu, heteropřechodů s vhodnou volbou šířky zakázaného pásu,
studia jejich degradace, po vytvoření neodrážejících povrchových textur u antireflexních
povrchů s dostatečnou odolností proti mechanickému namáhání, např. při použití flexibilních
substrátů.
Obr. 3a) Krystalická struktura b) Nanokrystalická (amorfní) struktura
V devadesátých letech šlo zejména o studium hlavní nevýhody a-Si:H (je to ve
skutečnosti neuspořádaná slitina křemíku s 5-10% vodíku, který pasivuje většinu defektů
v materiálu) tj. tvorby nových defektů v materiálu následkem silného osvětlení, tzv.
Staeblerův-Wronského jev. Základním strukturním rozdílem mezi amorfním a krystalickým
koordinační defekt
křemíkem je jistá deviace v úhlech vazeb (ideálně cca 109°) a délce vazeb (vzdálenosti
sousedních atomů) -viz obr. 3. Tyto deviace mají za následek vznik "chvostových" stavů
v energetickém pásovém spektru. Některé teorie předpokládají, že " chvostové " stavy
valenčního pásu jsou spojeny s odchylkami v úhlech vazeb, naopak chvostové stavy
vodivostního pásu souvisí s odchylkami v délce vazeb. Rozuspořádání mříže vede ke vzniku
koordinačního defektu - nenasycených vazeb křemíku, které mohou být neutrální nebo
záporně či kladně nabité. Nenasycené vazby tvoří energetické stavy v pohyblivostní mezeře,
což nepříznivě ovlivňuje jejich součástkové aplikace. Proto jsou pasivovány atomy vodíku.
Světelné záření a zvýšená teplota vazby Si-H rozrušují, resp. znovuvytváří. Takto vzniklé
změny v hustotě stavů v pohyblivostní mezeře tenkých vrstev amorfních polovodičů jsou na
KF PdF MU studovány pomocí optoelektronických metod.
Dále jsou studovány mechanické vlastnosti tenkých vrstev a struktur jako je mikrotvrdost,
houževnatost, pružnost dynamickou metodou mikrovpichu a jejich vazba na podmínky
depozice a výsledné vlastnosti fotovoltaických článků, pro možnost depozice fotovoltaických
článků na elastické folie.
40kWp Fotovoltaický systém na budově PdF MU
V současnosti je třetím rokem v provozu 40kWp fotovoltaický systém na budově PdF
MU v Brně. Jedná se o panely s instalovaným výkonem 40 kWp , umístěné jednak na ploché
střeše (30+5 kWp), jednak ve vertikálním pásu (5kWp) v horní části fasády budovy Poříčí 31
(obr. 4).
Obr. 4 Fotovoltaický systém na budově PdF MU v Brně, Poříčí 31
Fotovoltaický systém na bázi krystalického křemíku byl dodán v rámci projektu
Ministerstva životního prostředí, které poskytlo na projekt dotaci ve výši 90%. Před instalací
bylo potřeba žádat o souhlas památkáře (budova je v samém okraji památkové zóny), kteří
požadovali snížit o něco sklon střešních panelů, čímž dochází k poklesu výtěžnosti.
Celý fotovoltaický systém je napojen v hlavním rozvaděči na vnitřní silnoproudou síť
fakulty, která zahrnuje tři budovy. Je tak do budoucna umožněno dodávat vyrobenou
elektrickou energii do rozvodné sítě.
FV panely na jedné střeše jednoho čtyřpodlažního školního objektu pokrývají v létě téměř
denní potřebu elektrické energie fakulty. Na obr. 5 je vidět, že dne 18.6.2005 mezi 12-16
hodinou byla potřeba fakulty pokryta plně, v pondělí 19.9.2005 se snížil špičkový odběr
v poledních a odpoledních hodinách. Tento příznivý stav platí za slunného dne, pro dny kdy je
zataženo a slunce je níže na obloze – zimní měsíce, výkon FV panelů klesá na 5-10% jejich
špičkové hodnoty (obr. 6,7).
Je zřejmé, aplikace fotovoltaického systému na školní budovu velmi dobře vykrývá její
spotřebu elektřiny a že navíc odpadá potřeba úschovy vyrobené elektrické energie.
Obr. 5 Odběr elektrické energie ze sítě se současnou dodávkou z 40 kWp FV systému na PdF MU
v Brně – slunečné dny, pro 19.9.2005 je doplněna křivka spotřeby, tj. odběr ze sítě + odběr
z FV systému
Odběr el. energie ze sitě - PdF MU
0
20
40
60
80
100
120
0:00
3:00
6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
čas
činnýodběr[kW]
So 18.6.2005 Po 19.9.2005 Po 19.9.2005 + FV
PdF MU Brno - září 2005
0
50
100
150
200
250
1.9
3.9
5.9
7.9
9.9
11.9
13.9
15.9
17.9
19.9
21.9
23.9
25.9
27.9
29.9
datum
Vyrobenáenergie(kWh)
Obr. 6 Elektrická energie vyprodukovaná v období od 1.9.2005 do 30.9.2005
z 40 kWp FV systému na PdF MU v Brně (transformovaná střídači)
Obr. 7 Elektrická energie vyprodukovaná v jednotlivých měsících v průběhu jednoho roku
z 40 kWp FV systému na PdF MU v Brně (transformovaná střídači)
Fotovoltaické články umístěné na střeše a fasádě budovy pedagogické fakulty mají mimo
výroby elektrické energie ještě další, neméně důležitý cíl. Jsou podpůrným pilířem pro
výchovu mladé generace k udržitelnému rozvoji. Ve vstupních vestibulech je vyhrazeno místo
pro dva informační panely, na nichž bude zobrazován aktuální stav ve výrobě elektrické
energie přímou konverzí z dopadajícího slunečního záření a další sledované parametry jako je
teplota či informace o větru a v neposlední řadě informace o snížení emisí CO2 .
Očekáváme, že jedním z nejvýznamnějších dopadů umístěného fotovoltaického systému
na naší fakultě bude větší rozšíření povědomosti o obnovitelných zdrojích energie přes
budoucí učitele a jejich žáky na značnou část populace.
Autor: Doc. RNDr. Petr Sládek, CSc. Katedra fyziky PdF MU Brno, sladek@ped.muni.cz
Vyrobená energie (MWh)
0
1
2
3
4
5
6
leden
06únor06
březen
06
duben
05/06
květen
05
červen
05
červenec
05
srpen
05září05říjen
05
listopad
05
prosinec
05
vyrobenáenergie(MWh)
Některé údaje použity z http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2007/key_stats_2007.pdf
Úloha pro žáky: Měření solární konstanty
Solární konstanta je příkon sluneční energie dopadající na povrch Země
vztažený na jednotku plochy. V tabulkách je uváděna hodnota S = 1 327 Wm-2
,
což je ale hodnota měřená bez vlivu atmosféry. ČR nepatří ke státům, kam
dopadá sluneční záření nejvíce. I tak má vcelku dobré podmínky jej využívat.
Dopadne tu na 1m2
za rok 3GJ solární energie na vodorovnou plochu, 3,6GJ na
plochu skloněnou pod úhlem 30-60° a 2,5GJ na plochu svislou. (Údaje byly
uvedeny v internetovém časopise “Quick magazín”.) Nejvhodnější sklon pro
celý rok je 45°. Naměřené hodnoty však nezáleží pouze na sklonu absorbující
plochy, ale také na počasí, na kvalitě ovzduší a na ročním období. Většina
solárního záření dopadne v období od března do října. (asi 80%) Naše naměřené
hodnoty se nebudou tedy přibližovat tabulkové hodnotě, ale v létě při
slunečném počasí by se hodnota mohla dostat až na S = 800 Wm-2
.
Pomůcky:
- hliníkový váleček s načerněnou horní plochou
- polystyrén
- digitální teploměr
- stopky
- miska s vodou + černá folie