Splošno o fotovoltaiki

Beseda fotovoltaika izvira iz grške besede "phos", ki pomeni svetlobo in besede "volt", ki je enota za napetost električnega toka. Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo energije svetlobe, natančneje energije fotonov v elektriko. Pod pojmom fotovoltaična pretvorba razumemo direktno pretvarjanje svetlobne energije sončnega sevanja v električno energijo. Pri tem sodelujeta tako direktno, kot tudi difuzno sončno sevanje. Pretvorba se izvrši v sončnih celicah, ki so glede na zgradbo lahko amorfne, polikristalne ali monokristalne. V večini primerov so izdelane iz silicija. Z združevanjem več sončnih celic dobimo fotovoltaične module. Z združevanjem modulov ter z uporabo drugih elementov, kot so akumulatorji, regulatorji polnjenja in razsmerniki lahko zgradimo poljubno močan sistem za oskrbo z električno energijo na katerikoli lokaciji, če je le na razpolago dovolj sončnega sevanja.

Sončne celice

Sončne celice imajo najmanj dve polprevodni plasti, ena je pozitivno, druga pa negativno nabita. Ko sončna svetloba pade na površino sončne celice, material celice absorbira del svetlobnih delcev (fotonov). Vsak foton vsebuje majhno količino energije. Absorbiran foton izzove proces osvobajanja elektronov v materialu sončne celice. Na stikih plasti se torej vzpostavi električni potencial. Sevanje mora imeti dovolj kratko valovno dolžino, da zagotovi dovolj energije, za nastajanje prostih valenčnih elektronov. . Če je ta valovna dolžina večja od mejne (valovanje v področju valovnih dolžin od 0,3 do 3 mikrometrov) potem ni več sposobna izbijati elektronov, ker je ni dovolj za premostitev vezi med elektroni in atomi. Kolikor dolgo so sončne celice izpostavljene svetlobi, tako dolgo traja proces snovanja prostih elektronov in s tem proizvodnje elektrike. Sončne energije, ki doseže zemeljsko površje je povprečno okoli 1 kW na m². Pretvorbena sposobnost celice se je tekom razvoja v preteklih letih izboljšala in je danes okoli 20-30% (max.: 40,7%). To pomeni da še vedno proizvajajo 150 W/m² ob idealnih pogojih (ob upoštevanju notranjih izgub). Učinkovitost komercialno dostopnih modulov je okoli 15%, kar pomeni da lahko proizvedejo približno 150 W moči na m².

Sončne modul

Osnovni element fotonapetostnega sistema je fotonapetostni modul, v katerem prihaja do pretvorbe svetlobne energije v električno. Sestavlja ga večje število sončnih celic, ki so združene v enoto, večinoma pod stekleno ploščo. Glede velikosti so lahko prilagojeni za posamezno lokacijo in se hitro instalirajo. Njihova življenjska doba je okoli 20- 25 let. Glede na vrsto sončnih celic, iz katerih je modul zgrajen, ločimo monokristalne, polikristalne in amorfne module. Večina komercialnih modulov je sestavljena iz 36 do 72 celic. Učinkovitost sončnih modulov, ki so tržno dosegljivi niha med 8 in 20%. To pomeni da bo od 8 do 20% energije sončne svetlobe, ki doseže celico spremenjene v elektriko. Teoretična maksimalna učinkovitost kristalnih silicijevih modulov naj bi bila okoli 23%.
Fotonapetostni pojav je let 1839 odkril fizik Alexandre Edmond Becquerel (F), ko je pri eksperimentu z dvema kovinskima elektrodama potopljenima v elektrolit, odkril, da prevodnost narašča z osvetljenostjo. Teoretično razlago tega pojava je leta 1904 podal Albert Einstein. Prvi fotovoltaični sistemi so z elektriko oskrbovali satelite in kasneje orbitalne postaje v vesolju. Danes jih uporabljamo v najrazličnejših primerih in okoliščinah. Glede na priključena bremena in zasnovo ločimo sledeče vrste sistemov: samostojni PV sistemi, PV sistemi vezani na omrežje, podporni sistemi (omrežje + baterija) , hibridni oz. kombinirani sistemi in koncentrirni sistemi.

Raba

• PV sistemi se dandanes v praksi uporabljajo za mnogo različnih stvari.
• PV sistemi predstavljajo ruralne, urbane, na omrežje vezane ali pa daljinske aplikacije za proizvodnjo električne energije.
• So osnovni gradniki velikih sistemov oz. fotovoltaičnih elektrarn, ki so večinoma priključene na javna električna omrežja, ni pa nujno. Ti večji fotovoltaični sistemi v svetu že dalj časa uspešno obratujejo npr. v Nemčiji, na Japonskem, v ZDA, Španiji, Italiji, Grčiji, na Nizozemskem, itd.
• Fotovoltaični sistemi so lahko integrirani v zgradbah. Vgrajeni so v zgradbo že v fazi gradnje objekta, za kar je potrebno predhodno načrtovanje sistema in sodelovanje strokovnjakov različnih strok (arhitekture, gradbeništva, elektrotehnike,itd.)
• Fotovoltaični moduli so uporabljeni kot sestavni del protihrupnih ovir. Tovrstna tematika pa je postala tudi ena od tem raziskovalnih projektov evropske skupnosti.
• Uporaba fotovoltaičnih sistemov v izjemnih razmerah. Na primer: Manjši fotovoltaični sistemi so zelo dober vir električne energije v primerih najrazličnejših katastrof.
• Letalo, katerega pogon so sončne celice (Ultralahko letalo Helios je zasnovan za potrebe sodobnih komunikacij in lahko poleti v velike višine. V poskusnem poletu je doseglo višino 30 km, dodatni cilj pa je večdnevni polet na višini okrog 15 km.) V primeru uspešnega testiranja, bi letalo lahko delno nadomestilo komunikacijske satelite kar bi bistveno zmanjšalo stroške.
• Napajanje telekomunikacijskih naprav. Veliko telekomunikacijskih sistemov leži na lokacijah, ki so težje dosegljive. Zanesljivost delovanja napajalnega sistema mora biti za večino telekomunikacijskih in signalizacijskih naprav 100% uspešna, kar je še eden od 12 razlogov za uporabo fotovoltaičnih sistemov za napajanje takšnih naprav, tudi če so le te že priključene na električno omrežje.
• Javna razsvetljava: Najpogosteje se javna razsvetljava napaja s sončnimi celicami v odročnih predelih, kjer javnega električnega omrežja ni na razpolago.
• Okoljevarstveni vidik: Negativne vplive polaganja daljnovodov na pokrajino lahko v okoljevarstveno občutljivih področjih preprečimo z uporabo fotovoltaičnih sistemov za oskrbo porabnikov z elektriko, zmanjšanje škodljivih emisij v ozračje, prehod na alternativen vir energije.
• Arhitekti uporabljajo sončne celice kot oblikovni material. Na primer solarni strešniki lahko zamenjajo običajne strešne kritine, polprosojni moduli pa so lahko integrirani v zasteklitvene materiale.
• Drugo: S sončnimi celicami lahko napajamo različne merilne sisteme ter sisteme za zajemanje podatkov; Lahko jih uporabimo za oskrbo naftnih ploščadi. Pogosto se uporabljajo za napajanje parkirnih ur, kalkulatorjev, idr. Zelo primerni so za oskrbo bolnišnic v nerazvitih predelih. Z njihovo pomočjo lahko poskrbimo za napajanje različnih protipožarnih, protivlomnih in drugih alarmih sistemov.