Solární článek

Slunce je základem všeho života na Zemi. Teplo a energie ze Slunce umožnily vznik a vývoj života. Sluneční paprsky dávají 20 000 krát více energie než potřebujeme. Kdybychom tuto energii uměli využít, byly by všechny naše energetické problémy vyřešeny. I když sluneční energie byla lidstvu dostupná už v pravěku, dosud jsme se ji nenaučili efektivně využívat jako jiné zdroje. Vezměme např. solární nebo-li fotovoltaické články sloužící k přímé výrobě elektrické energie ze slunečních paprsků. Jejich účinnost se běžně pohybuje kolem 12 - 15 %. Porovnáme-li tuto účinnost s využitím vodní energie, pak jsme na tom podobně jako Římané a jejich vodní kola před 2 000 lety. . .

Historie solárního článku se začala datovat rokem 1839, kdy francouzský experimentální fyzik Edmund Becquerel při pokusech s 2 kovovými elektrodami umístěnými v elektrovodivém roztoku zjistil, že při osvícení zařízení vzrostlo na elektrodách napětí: fotovoltaický efekt byl na světě. V roce 1877 byl objeven fotovoltaický efekt na selenu (W. G. Adams a R. E. Day) a vyroben první článek.

Důležitým krokem v historii byl objev způsobu růstu monokrystalu křemíku polským vědcem Czochralským v roce 1918. Přestože byl fotovoltaický efekt postupně objeven i u jiných prvků (sirník kadmia, oxid mědi), křemík se ukázal jako nejvýhodnější. Za vynálezce křemíkového solárního článku bývá označován američan Russel Ohl (1941). Patent na “převaděč solární energie” dostali však 5. března 1954 D. M. Chapin, C. S. Fuller a G. L. Pearson, kteří o měsíc později předvedli křemíkové solární články s účinností 4,5 % a později 6 %.

Další vývoj solárních článků urychlilo rozhodnutí použít je jako zdroj energie pro družice Země. Účinnost článků postupně stoupá, v roce 1958 dosáhla 9 %. To už je postačující na to, aby první umělá družice Spojených Států (Vanguard I), vypuštěná 17. března téhož roku, mohla být takovýmito články napájena (0,1 W, rozměry cca 100 cm2, družice pracovala 8 let). Explorer VI,vypuštěný o rok později, měl už solárních článků 9 600 (1 x 2 cm). V roce 1960 se účinnost článků vyhoupla na “neuvěřitelných” 14 %. A tak první telekomunikační družice, legendární Telstar, mohla být zásobena zdrojem o 15 (!) W.

I když se v této době solární články již vyrábějí komerčně, vzhledem k jejich závratné ceně se používají jen výjimečně. Příkladem může být instalace 242 W panelu pro napájení majáku v Japonsku, v té době (1963) největšího na světě.

K výraznému zlevnění solárních článků nepřispěla ani naftová krize v 70. letech, ačkoliv ostatním alternativním zdrojům energie (využití větru, ohřev vody) pomohla. Také účinnost běžných článků zůstala na 12 - 15 %. V Japonsku sice byly vyvinuty články s účinností přesahující 30 %, jejich výrobní cena je však příliš vysoká.

Použití solárních článků se ve větší míře vyplatí pouze v odlehlých usedlostech, kam se nevyplatí vést drahé vedení (farmy). V lepším případě se nechají použít na napájení telefonních budek (Anglie). Běžný smrtelník se (bohužel) ještě v roce 2 000 musí spokojit se solární kalkulačkou. Ale najdou se i výjimky: když byl v Sacramentu (USA) v 80. letech uzavřen jaderný reaktor, bylo na domy a kostely instalováno 420 solárních systémů dávajících celkem 5,7 MW! Tento zdroj energie je tam tak populární, že zákazníci jsou ochotni platit každý měsíc o několik dolarů více (tzv. “zelenou cenu”).

parking.jpg (19613 bytes)
Fotovoltaický systém (390 panelů) na letišti v Sacramentu poskytuje stín pro 75 aut a zásobuje elektřinou 52 domů (130 kW)
(převzato z http://whyfiles.news.wisc.edu/041solar/main2.html)

Jak pracují solární články? Jak už bylo uvedeno, využívají tzv. fotovoutaického jevu. Je to jev, při kterém se v látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento jev může nastat v některých polovodičích. Fotovoltaický článek je nejčastěji tvořen tenkou destičkou (0,5 mm) nařezanou z monokrystalu křemíku (dnes se používá i levnější polykrystalický materiál). Každá strana destičky je obohacena atomy vhodných prvků tak, aby jedna byla kladná a druhá záporná. Když na destičku dopadnou fotony, uvolňují se záporné elektrony a po nich zbývají kladně nabyté “díry”. Přiložíme-li na obě strany elektrody a spojíme je drátem, začne protékat elektrický proud. Jeden cm2 dává proud kolem 12 mW. Jeden m2 tak může dát až 150 W stejnosměrného proudu. Solární články můžeme zapojovat, jako každé jiné, buď za sebou (sériově), abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je asi 0,5 V), nebo vedle sebe (paralelně), abychom získali větší proud.

rit.gif (4995 bytes)
Princip solárního článku
(podle http://www.privat.katedral.se/~nv96chbe/solar.htm#history)

A budoucnost? Pro člověka snad levná a snadno použitelná fotovoltaická fólie, pro lidstvo modernizace myšlenek Nikoly Tesly o bezdrátové přenášení elektrické energie: vždyť nad zemskou atmosférou dopadá na každý čtvereční metr 10 x více energie než na zemi.

 dale.gif (1388 bytes)