Aplikace solárních fotovoltaických systémů

Obsah kapitoly

6.1 Sluneční záření na zemi
1. 6.1.1 Solární konstanta
2. 6.1.2 Složky slunečního záření
3. 6.1.3 Přímé sluneční záření
  1. 6.1.3.1 Difúzní sluneční záření
  2. 6.1.3.2 Odražené sluneční záření
6.2 Aplikace organických fotovoltaických modulů
Testové otázky

6.1 Sluneční záření na zemi

První věc, kterou potřebujeme znát, chceme-li využívat sluneční záření k výrobě elektřiny, je to, jaký je využitelný potenciál tohoto zdroje, tj. kolik energie můžeme získat z dané plochy za určitou dobu a na čem to záleží. Pokud používáme sluneční energii pro výrobu elektřiny na družicích pohybujících se na oběžné dráze kolem Země, je situace v zásadě jednoduchá a přehledná. Není-li Slunce zrovna zastíněno Zemí nebo jiným tělesem, dopadá na fotovoltaické panely stálý tok energie zhruba ve výši dané solární konstantou, tj. 1,4 kW/m². V kosmickém prostoru také zpravidla nebývá problém nastavit panel tak, aby na ně dopadlo záření téměř kolmo. Pokud ovšem instalujeme fotovoltaické panely na Zemi, pak se problémů objeví hned celá řada. Sluneční záření je totiž výrazně ovlivňováno momentálním počasím, znečištěním atmosféry, měnící se polohou Slunce na obloze v průběhu dne a roku a v neposlední řadě i stínění od jiných staveb nebo stromů.

Zpět na začátek

6.1.1 Solární konstanta

V roce 1884 se Samuel Pierpont Langley pokusil odhadnout velikost sluneční konstanty v Mount Whitney v Kalifornii, pokusil se také eliminovat vliv absorpce energie atmosférou (odečítání hodnot v různých denních dobách). Bohužel dospěl k nesprávné hodnotě 2903 W/m², snad kvůli matematické chybě. Mezi roky 1902 a 1957 měření prováděná Charlesem Greeley Abbotem a dalšími z různých míst ve vysokých nadmořských výškách určila hodnotu mezi 1322 a 1465 W/m ². Její dnes používaná hodnota je zhruba rovna 1367 W/m². Při pokusu určení solární konstanty z pozemských pozorování byla konstanta určena s nepřesností 2 % vhledem k nestabilitě atmosférických podmínek a také proto, že atmosféra nepropouští sluneční záření v celém rozsahu spektra.

Solární konstanta je výchozí údaj pro využití sluneční energie. Udává výkon slunečního záření procházející na hranici zemské atmosféry jednotkou plochy nastavené kolmo ke slunečním paprskům. V podstatě má 99,9 % energie dostupné na zemském povrchu svůj původ ve sluneční energii.

Zbývající část představuje geotermální energie, energie přílivu a odlivu a jaderná energie. Střední hodnota solární konstanty měřená posledních 30 let je 1366 W/m².

Zpět na začátek

6.1.2 Složky slunečního záření

Slunce každým okamžikem uvolňuje velké množství energie, které je formou elektromagnetického záření předáváno do kosmu. Záření po 150 milionech km a 8,3 minutách dochází k planetě Zemi. Při průchodu zemskou atmosférou je část záření pohlcena, rozptýlena, odražena nebo vyzářena. Při jasné obloze dopadá největší část záření na Zemi, aniž by změnilo směr. Toto záření se nazývá přímé. Rozptylem přímého záření v mracích a částečkách v atmosféře vzniká záření difúzní, které na Zemi přichází ze všech směrů. Souhrn přímého a difúzního záření se označuje jako globální záření.

Obr. 19 Závislost přímého a globálního záření na ročním období

V letním období tvoří difúzní záření přibližně polovinu záření globálního. V zimě je díky častému oblačnému počasí tento podíl podstatně vyšší. V celoročním průměru obnáší podíl difúzního záření asi 60 %.

Intenzita záření v poledne je za zamračených dnů 40–200W/m². Za jasných dnů pak 600–1000 W/m². Nabídka záření na zemský povrch kolísá také vlivem otáčení Země kolem Slunce.

V zimě přijímá severní polokoule méně energie než v létě, protože dny jsou kratší a Slunce je níže na nebi. Značně kolísající množství solárního záření je příčinou základního problému v technickém využívání solární energie. Po využití energie v solárních systémech je nutné instalovat zásobníky nebo přídavné systémy. Celosvětově jsou měřeny především hodnoty solárního záření.

Délka slunečního svitu je měřená v hodinách za měsíc nebo rok (h/měsíc, h/rok).

Zářivá energie na vodorovnou plochu tj. měsíční sumy globálního záření na vodorovnou plochu je měřena ve watthodinách na m² (Wh/m², resp. kWh/m²).

Pro jednotlivá místa na Zemi jsou k dispozici průměrné hodnoty těchto veličin za několik let.

Obr. 20: Průměrné množství slunečního záření na území Evropy za rok

V České republice se celková doba slunečního svitu pohybuje od 1400–1800 h/rok. V horských a podhorských oblastech 1600 h/rok a v nížinných oblastech jižní Moravy až 2000 h/rok.

V našich klimatických podmínkách dopadá ročně na 1 m² vodorovné plochy 800–1250 kWh zářivé energie.

Z toho přibližně 75 % připadá na období od dubna do října a 25 % na zbývající část roku.

Obr. 21: Průměrné množství slunečního záření na území ČR v kWh/m² za rok

Zpět na začátek

6.1.3 Přímé sluneční záření

Přímé sluneční záření je záření, které se dostává přes atmosféru na zemský povrch bez změny směru a reprezentuje svazek paralelních slunečních paprsků přicházejících přímo od Slunce. Charakteristickým znakem tohoto záření je, že jím osvětlené předměty vytvářejí ostré a ohraničené stíny.

Při výpočtu vycházíme se solární konstanty, jejíž intenzita je průchodem atmosférou zeslabena. Oslabení přímého slunečního záření atmosférou definujeme podle Lambertova zákona ve tvaru:

I_PZ – intenzita přímého slunečního záření
I_S – aktuální hodnota solární konstanty
e – Eulerovo číslo (cca e = 2,718)
a – koeficient Rayleighyho absolutně čisté a suché atmosféry
m – poměrná optická tloušťka atmosféry
T – Linkeho faktor znečištění atmosféry

Sluneční paprsky se při průchodu atmosférou oslabují mimo jiné v závislosti na délce dráhy, kterou musí projít na cestě k zemskému povrchu. Je zřejmé, že k největšímu oslabení slunečního záření dochází při východu a západu Slunce a k nejmenšímu při kulminaci Slunce v zenitu.

Proto měřítkem relativní optické tloušťky atmosféry je zenitní tloušťka, tedy pro výšku Slunce nad obzorem pod úhlem 90° je hodnota m=1.

Extinkční Rayleighyho koeficient a vyjadřuje oslabení slunečního záření molekulami vzduchu ideálně čisté a suché atmosféry.

Linkeho koeficient znečištění atmosféry T vyjadřuje množství Rayleighyho absolutně čistých a suchých atmosfér, které odpovídá danému reálnému stavu vlhkosti a znečištění reálného ovzduší.

Zpět na začátek

6.1.3.1 Difúzní sluneční záření

Pro difúzní složku slunečního záření je charakteristické, že přichází z různých směrů. Dá se říct, že v ní převládá dopředný rozptyl, což znamená, že maximální množství difúzní radiace přichází ze směru Slunce. V konkrétním případě jeho intenzita a rozložení po obloze závisí na momentálních atmosférických podmínkách a distribuci oblaků. Intenzitu difúzního slunečního záření, za bezoblačné oblohy dopadající na horizontálně orientovanou rovinu vypočítáme podle vztahu:

I_DZ - intenzita difúzního záření
T - Linkeho faktor znečištění atmosféry
I_S - aktuální hodnota solární konstanty
I_PZ - intenzita přímého slunečního záření
h₀ - elevační výška Slunce

Pro intenzitu difúzního záření při oblačné obloze pak platí vztah:

Zpět na začátek

6.1.3.2 Odražené sluneční záření

Odražené sluneční záření je část slunečních paprsků, která se odráží od okolního terénu a dopadá na posuzovanou libovolně orientovanou rovinu. Toto záření neuvažujeme pro horizontální rovinu, protože horizontální rovinu tvoří okolní terén.

Pro intenzitu odraženého slunečního záření bezoblačné oblohy platí vztah:

I_O - intenzita odraženého slunečního záření
ρ - koeficient odrazivosti okolního terénu
γ - úhel sklonu posuzované roviny
I_DZ - intenzita difúzního záření při bezoblačné obloze
I_PZ - intenzita přímého záření při bezoblačné obloze

Sečtením intenzity přímého, difúzního a odraženého slunečního záření získáme celkovou intenzitu slunečního záření tzv. globální intenzitu slunečního záření.

Účinnost fotovoltaického panelu

je jednou z jeho nejdůležitějších parametrů. Udává, kolik procent energie ze slunečního záření je článek schopen převést na energii elektrickou. Při této přeměně dochází k určitým energetickým ztrátám, např. částečná absorpce skleněným krytem solárního panelu, ztráta při přenosu elektrické energie vodiči, atd.

Pro tuto účinnost musíme znát celkem tři parametry. Jedná se o celkovou energii E ze střídače, nebo energii z jednotlivých střídačů. Dále pak je potřeba znát celkovou plochu S panelů. Nakonec je nutné znát denní energii I dopadajícího slunečního záření v daný den.

Pro výpočet samotné účinnosti tedy platí vztah

Zpět na začátek

6.2 Aplikace organických fotovoltaických modulů

Představují zajímavou a perspektivní alternativu ke stávajícím fotovoltaickým zařízením. V těchto modulech je pro fotovoltaickou přeměnu využita tenká vrstva směsi aktivního organického materiálu na bázi polymeru, případně nízko molekulárních látek nebo elektrolytu.

Vrstvy jsou deponovány na transparentní fólii opatřenou tenkou transparentní vodivou elektrodou (často z vodivého polymeru), protipól tvoří kovová elektroda na opačné straně sendvičové struktury.

Celá struktura je překryta další polymerní fólií, která spolu se spodní fólií chrání celý systém před vlivy okolní atmosféry a vlhkosti. Tímto způsobem je možno vytvořit solární moduly tvořené plně polymerními materiály a jednou kovovou elektrodou, proto jsou tyto moduly někdy označovány jako plastové solární články.

Obr. 22: Organické solární moduly

Stávající technologie umožňují připravit celou kompletní strukturu na využití metod blízkých tiskovým metodám (rotační tisk, roll to roll depozice a další), rovněž plošný tisk kovové elektrody ze stříbrných koloidních inkoustů je dnes již běžnou technologií. Celý produkční proces je tak výrazně rychlejší a levnější.

Příkladem může být technologie firmy Konarka, která je jedním z lídrů organické fotovoltaiky. Výrobní linky této firmy, které byly dokončené v minulém roce, jsou schopny produkovat organické solární moduly do šíře 2,5 metru rychlostí 30 metrů za minutu a vyrobit tak za rok solární moduly s výkonem 1 GW. K tomuto bude použito pouze 5000 kg aktivního organického materiálu.

Špičkové účinnosti solárních článků dosahované v laboratoři se dnes pohybují od 8 do 12 procent v závislosti na použité technologii, komerčně vyráběné moduly dosahují přibližně poloviční účinnosti. Problémem je i relativně nízká životnost modulů v řádu několika málo let. Díky intenzivnímu výzkumu se však daří jak účinnost, tak životnost výrazně zlepšovat.

Z aplikačního hlediska je velice zajímavá zejména kombinace organické fotovoltaiky s dalšími produkty tištěné elektroniky, které jsou v pokročilém stádiu aplikovaného výzkumu. Příkladem je organický, světlo emitující displej, který je propojený s tištěnou baterii dobíjenou organickým solárním článkem. Vše může být doplněno řídící elektronikou, senzory a RFID systémem pro bezdrátový přenos dat. Všechny tyto komponenty přitom mohou být vyrobeny na jedné výrobní lince tiskovou technologií.

Tento příklad ukazuje jednu z možností aplikací organické fotovoltaiky, kde nemůže být z důvodu technologické kompatibility nahrazena jinými fotovoltaickým zdroji.

Současní světoví investoři, kteří velkoryse financují vývoj a rozvoj organické fotovoltaiky, však předpokládají, že v časovém horizontu pět až deset let se organická fotovoltaika stane plně konkurenceschopnou vůči dalším fotovoltaickým technologiím.

K tomu je potřeba dosáhnout takových parametrů jako je průměrná účinnost komerčních modulů přesahující 10%, životnost větší než deset let a cena menší než 0,5€ za Wattpeak. K zajímavým aplikačním výstupům patří například vývoj textilních solární článků, tedy solárních panelů, jejichž základním substrátem je textil. Smart textiles, tj. textilie obsahují senzory, detektory a další elektronické komponenty pro využití v armádě, bezpečnostních technologiích, automobilovém průmyslu, volnočasových výrobcích a dalších produktech.

Organická fotovoltaika tak výrazně rozšiřuje současné možnosti fotovoltaických technologií.

Obr. 23: Organické solární moduly v architektuře

Díky možnosti využít pro fotovoltaickou přeměnu v organických materiálech i rozptýlené difuzní světlo s nízkou intenzitou a možnosti konstruovat transparentní solární články tak organická fotovoltaika možná brzy pronikne i do interiérů budov, uplatní se v okenních tabulích a fasádních systémech.

Zpět na začátek

Testové otázky

Zpět na začátek