Elektřina ze Slunce

Ve fosilních palivech se po miliony let akumulovala energie slunečního záření. Z tohoto akumulátoru lze energii odebírat, ale nelze ho znovu nabíjet. Až se vyčerpá – stejně jako suroviny pro jadernou energetiku – budeme se muset vrátit ke každodenním přídělům, které nám, podobně jako rostlinám a zvířatům, poskytuje Slunce.

Problémy s energií

V souvislosti s rostoucím počtem obyvatelstva vzniká otázka, jak vyřešit zásobování energií a zároveň se vyvarovat negativního vlivu na životní prostředí. Nároky na energii se každoročně zvyšují o 3 % a spotřeba energie se tak každých 24 let zdvojnásobuje. Při tomto trendu hrozí v některých lokalitách brzké vyčerpání zásob energetických zdrojů. Navíc tento růst doprovázejí nežádoucí efekty, např. zvyšování koncentrace CO2 v ovzduší vznikající spalováním fosilních paliv (viz glosu, Vesmír 79, 669, 2000/12). V důsledku skleníkového efektu se pak bude atmosféra oteplovat, což povede k dalším problémům. Je proto nutné se vážně zabývat obnovitelnými (po dobu existence Slunce nevyčerpatelnými) zdroji energie, mezi nimiž zaujímá přední místo přímá přeměna energie záření na energii elektrickou prostřednictvím slunečních článků.

Výhodou slunečního záření je, že ho lze využívat téměř všude na zeměkouli a jeho zdroj – Slunce – je prakticky nevyčerpatelný. Výroba elektrické energie nezanechává zplodiny, nehrozí skleníkový efekt ani tepelné zamoření. Na druhou stranu má sluneční záření své specifické vlastnosti, k nimž patří nízká hustota zářivého toku (maximálně 1 kW/m² na povrchu země), závislost na počasí a možnost využívání pouze v denním období, což vede k potřebě akumulace. Zářivý tok, který Slunce vysílá na celou zeměkouli (175 000 TW), převyšuje o mnoho řádů výkon všech zdrojů zásobujících obyvatelstvo Země (10–12 TW). Využívání sluneční energie se proto jeví jako velice perspektivní.

• Sluneční články, které mění zářivý tok ze Slunce na tok elektrický, jsou vlastně velkoplošné diody z polovodičových materiálů. Samostatné články se používají pouze v drobných aplikacích, jako jsou hodinky a kalkulátory. Ve většině případů se montují do série i paralelně, aby se zvýšilo napětí i proud, a vytvářejí modul. V něm jsou před vnějšími vlivy chráněny zapouzdřením do plastického materiálu a čelním sklem. Zespodu bývá rovněž sklo nebo nějaký polymer. Moduly lze zapojit do větších celků a doplnit ochranou proti blesku a dalšími prvky, čímž vznikne fotovoltaický systém. Například nezávislost na střídání dne a noci i jiném kolísání slunečního svitu lze získat připojením akumulátoru. Při jeho dostatečné kapacitě může fotovoltaický systém poskytovat energii i několik dní, kdy je zataženo. Akumulátor nárazově dodá větší proud, než je fotovoltaický generátor schopen vyrobit, což má význam při startu motorů. Není-li modul osvětlen, nedává žádné napětí a akumulátor by se mohl vybíjet. Tomu zabrání regulátor, který odpojí spotřebiče, jestliže napětí akumulátoru klesne pod určitou mez, a postará se o jeho dobíjení. Pro síťové spotřebiče a pro dodávání energie do veřejné sítě se využívají invertory, které mění stejnosměrný proud z modulů na proud střídavý.

  Fotovoltaické systémy lze rozdělit na autonomní a připojené na elektrorozvodnou síť. Autonomní systémy můžeme dále dělit z hlediska využívání akumulátorů a pomocných zdrojů.

  Samostatný fotovoltaický systém bez baterie se užívá tehdy, jestliže stačí, aby spotřebič pracoval pouze při osvětlení (kalkulátor, větrák nebo vodní čerpadlo).

  Samostatný fotovoltaický systém s baterií je často využívaný typ, vhodný pro veřejné osvětlení, signalizační a telekomunikační zařízení, zdravotnické účely, monitorovací zařízení, elektrifikaci chat apod. Vyplatí se tam, kde je vzdálenost od přípojky elektrozvodné sítě větší než 0,5 km a kde jde o malou spotřebu, tj. menší než 5 kWh za den při celoročním provozu (viz rámeček 1).

  Fotovoltaické systémy pracují spolehlivě i v zimě při velkých mrazech. V Kanadě napájejí např. monitorovací zařízení, která sledují funkci plynových vrtů. Výkon modulu je 165 W_p, 12V baterie má kapacitu 740 Ah a životnost 8–10 roků. Celé zařízení má denní spotřebu 264 Wh a stojí 3500 amerických dolarů. V oblasti, kde neexistuje elektrorozvodná síť, je tento způsob řešení levnější a bezpečnější než provoz elektrocentrály, respektive termoelektrického generátoru.

  Jak již bylo naznačeno, o ekonomičnosti samostatného fotovoltaického systému značnou měrou rozhoduje i vzdálenost od elektrorozvodné sítě. Budování nadzemní přípojky ve státech EU stojí 9 až 13 E na metr při vzdálenostech do 500 m a 8 až 8,5 E na metr, jde-li o delší trasy. U nás se tyto náklady odhadují na 150 až 300 Kč/m.

  Celoročně provozovaný fotovoltaický systém musí být navržen tak, aby v době nejmenšího slunečního svitu (v ČR v prosinci a lednu asi 0,7 kWh /m²/den) dodával dostatek energie. Následkem toho vlastně vzniká v ostatních měsících přebytek energie a systém se jeví jako předimenzovaný, tudíž drahý. Jestliže existuje zdroj, který může energii v kritických obdobích doplnit, lze snížit investice do elektrárny a vytvořit hybridní systém. Doplňkovým zdrojem může být např. elektrárna vodní, větrná nebo nejčastěji elektrocentrála s dieslovým motorem.


• Fotovoltaické elektrárny připojené na síť. V oblastech s hustým osídlením a v dosahu elektrického rozvodu lze využívat pro instalaci fotovoltaických systémů střechy a fasády budov (obr. 8). Sluneční elektrárny, obvykle o výkonu 1–5 kW, mění pomocí invertorů stejnosměrný proud na střídavý. Pokud tento proud není spotřebován v místních spotřebičích, odvádí se do veřejné sítě. Při nedostatku proudí elektrická energie opačným směrem, takže elektrorozvodná síť vlastně nahrazuje akumulátor. K uvedenému účelu lze využít asi 20 % kapacity sítě. V Evropě (ve Finsku, Holandsku, SRN, Rakousku aj.) je již instalováno několik tisíc elektráren tohoto typu a od r. 1997 má Evropská unie a USA v plánu výstavbu asi milionu dalších. Potenciální možnosti výroby elektřiny tímto způsobem jsou značné. Podle EUREC Agency by využitím všech vhodných střech v Evropě bylo možno získat elektrárny o špičkovém výkonu 600 GW_p, které by vyrobily ročně 500 TWh elektrické energie. Tato hodnota je srovnatelná se současnou spotřebou SRN. Kromě těchto malých elektráren jsou v provozu i střední a velké elektrárny s výkonem až do několika MW, které již mají většinou moduly umístěné na samostatných konstrukcích. Pro tento účel se využívají také protihlukové zábrany na dálnicích.

  Značnou roli v ceně vyrobené energie hraje materiál, z nějž jsou články vyráběny, a zvolená technologie (viz rámeček 3). Využití tenkých vrstev v technologii znamená značnou úsporu materiálu. Z výrobní linky nevycházejí jednotlivé články, nýbrž již celé moduly, takže odpadá nutnost spojování jednotlivých elementů a lépe se využije plocha modulu. Nevýhodou je, že nelze do modulu vybírat články tak, aby měly podobnou charakteristiku. Jestliže se má zabránit snížení účinnosti, musí být nanášené vrstvy dostatečně homogenní.

  Snížení ceny článků pod kritickou mez (za niž se považuje hodnota kolem 1 E/W_p a která znamená dosažení konkurenceschopnosti s klasickými zdroji elektřiny) lze dosáhnout i bez technologického rozvoje, a to využitím ekonomických zákonitostí zvýšením výroby. K tomu by bylo potřeba rozšířit objem výroby tenkovrstvých článků alespoň na 60 MW_p a článků z monokrystalického křemíku na 500 MW_p ročně.

  Cena energie z fotovoltaických elektráren nemůže zatím konkurovat elektřině vyráběné klasicky (viz obr. 9 a tab. IV), pokud je odběr v dosahu elektrorozvodné sítě. Její cena však neustále klesá, takže v několika desetiletích se dá předpokládat, že se stane konkurenceschopnou. Již dnes existují případy, kdy využití fotovoltaiky znamená úspory. Důležitá je rovněž spolehlivost fotovoltaických elektráren, jednoduchost obsluhy a nenáročnost na údržbu. Jsou proto velice vhodné pro elektrifikaci v rozvojových zemích, kde dosud dvě miliardy lidí nemohou elektřinu využívat. V Evropské unii se obnovitelné zdroje energie podílejí 10 % na celkové produkci, v roce 2010 to má být již 15 %. Předpokládaný intenzivní rozvoj nových technologií přinese mimo jiné i nové pracovní příležitosti.

  Potenciál fotovoltaiky je značný. Abychom však mohli zcela nahradit klasickou výrobu elektřiny fotovoltaickými zdroji, museli bychom vytvořit síť elektráren po celé zeměkouli a transportem na velké vzdálenosti zásobovat energií ty oblasti, které právě nejsou osvětleny. Tak by bylo možno se vyhnout největšímu problému fotovoltaiky, jímž je akumulace energie.