Nejpoužívanější pojmy ve fotovoltaice

Datum: 29.9.2014 | Autor: Ing. Bronislav Bechník, Ph.D. | Recenzent: Ing. Jiří Hladík, Ph.D.

Přehled základních pojmů ve fotovoltaice, od struktury fotovoltaického článku až po základní komponenty fotovoltaické elektrárny.
Základní pojmy

Fotovoltaika – technologie pro přímou přeměnu slunečního záření na elektřinu bez pohyblivých částí; jeden z obnovitelných zdrojů, který v provozu neprodukuje žádné emise znečišťujících látek nebo oxidu uhličitého.

Fotovoltaický článek je základní funkční prvek fotovoltaického panelu. Články nohou být krystalické nebo tenkovrstvé. Fotovoltaický článek je v principu velkoplošná fotodioda, která přeměňuje sluneční záření na stejnosměrný proud. Napětí jednoho článku se pohybuje od zhruba 0,5 V u článků z krystalického křemíku až po jednotky voltů u tenkovrstvých článků s více přechody (vícevrstvých). Proud je úměrný ploše článku, jeho účinnosti a intenzitě slunečního záření, u konkrétního článku závisí částečně na spektru dopadajícího slunečního záření, které se v průběhu dne a roku mění.

Fotovoltaický panel (modul) – je obvykle složen z většího počtu článků zapojených v sérii. Napětí jednoho panelu se obvykle pohybuje v rozmezí 12 až 100 V. Fotovoltaické panely běžně dostupné na trhu lze rozdělit do dvou kategorií – krystalické a tenkovrstvé.

Krystalický panel (fotovoltaický panel s krystalickými články) – sestává obvykle z 60 nebo 72 článků z krystalického křemíku. Napětí v bodě maximálního výkonu se u těchto panelů pohybuje kolem 30 V resp. 36 V. Tyto panely jsou v současnosti nejrozšířenější.

Tenkovrstvý panel – jednotlivé články jsou naneseny přímo na nosné sklo; články tvoří proužky o šířce řádově 1 cm a délce odpovídající výšce panelu.

Fotovoltaická elektrárna – zařízení pro přeměnu slunečního záření na elektřinu. Sestává z panelů, nosné konstrukce, propojovacích kabelů, řídicí jednotky a akumulátoru a/nebo střídače, pro menší zařízení se používá i pojem fotovoltaický systém.

Jmenovitý výkon panelu – výkon fotovoltaického panelu za standardních testovacích podmínek (STC). Udává se ve wattech špičkového výkonu (Wp – wattpeak). Skutečný výkon, který lze z panelu odebrat, závisí především na úrovni slunečního záření a úhlu dopadu paprsků, ale rovněž na přizpůsobení zátěže (viz níže MPPT).

Jmenovitý výkon fotovoltaické elektrárny – součet jmenovitých výkonů všech panelů. Skutečný výkon fotovoltaické elektrárny je vždy nižší, než součet výkonů panelů za daných podmínek. Rozdíl je dán ztrátami ve střídači, vodičích a případně transformátoru.

Často používané zkratky

FV – fotovoltaika, fotovoltaický

FVE – fotovoltaická elektrárna.

FVS – fotovoltaický systém.

MPP – bod maximálního výkonu (Maximum Power Point) – pracovní bod, ve kterém dodává fotovoltaický panel maximální výkon. MPP se mění v závislosti na intenzitě dopadajícího slunečního záření a na teplotě panelu.

MPPT (MPP tracker) – sledovač bodu maximálního výkonu (Maximum Power Point Tracker) – zařízení (v podstatě počítač s příslušným softwarem), které zvyšuje výnos energie tím, že zajišťuje, aby fotovoltaický panel pracoval stále v blízkosti bodu maximálního výkonu (MPP). MPP tracker je obvykle součástí střídače nebo regulátoru nabíjení, může však být i samostatně.

NOCT – teplota článků za nominálních provozních podmínek (Nominal Operating Cell Temperature), tj. intenzita záření 1000 W/m2, teplota okolí 20 °C, rychlost větru 1 m/s, volný přístup vzduchu k zadní straně panelu.

STC – standardní testovací podmínky (Standard Test Condition) – podmínky, za nichž jsou měřeny charakteristiky fotovoltaických panelů a článků, tj. intenzita záření 1000 W/m2, spektrum AM1,5 Global a teplota panelu 25 °C.

TCO – transparentní vodivý oxid

Wp (kWp, MWp…) – watt špičkového výkonu (wattpeak) – jednotka používaná pro označení jmenovitého výkonu fotovoltaických panelů a elektráren.

Struktura fotovoltaického článku

Obrázek: Schéma struktury fotovoltaického článku z krystalického křemíku



Polovodič typu N – polovodičový materiál s převahou elektronů (N – negative)

Polovodič typu P – polovodičový materiál s převahou děr (P – positive)

PN přechod – oblast na rozhraní mezi polovodiči typu N a P

Přední kontakt – slouží k odvedení nosičů náboje z fotovoltaického článku. U krystalických panelů je tvořen sběrnicí nanesenou sítotiskem, u tenkovrstvých panelů je tvořen transparentním vodivým oxidem (TCO).

Zadní kontakt – slouží k odvedení nosičů náboje z fotovoltaického článku. Je tvořen kovovou vrstvou.

Součásti fotovoltaického panelu

Fotovotlaický článek – viz výše.

Přední krycí vrstva – obvykle se používá sklo s nízkým obsahem železa, může však být i plast, musí především propouštět využitelnou část slunečního spektra, obvykle slouží zároveň jako nosný podklad.

Zadní krycí vrstva – nejčastěji plast (obchodní název Tedlar), méně často sklo, které je však považováno za trvanlivější a kromě toho lépe chrání články před degradací.

Laminační fólie – obvykle EVA (ethylen-vinyl-acetát); vodivě pospojované krystalické články jsou při kompletaci panelu vloženy mezi dvě vrstvy laminační fólie a působením tepla zataveny a připojeny k přední a zadní krycí vrstvě. U tenkovrstvých panelů, kde jsou články přímo naneseny na nosnou vrstvu, je použita pouze jedna vrstva EVA fólie.

Rám – obvykle hliníkový, zvyšuje tuhost panelu a jeho odolnost proti mechanickému namáhání nebo poškození. Jsou však vyráběny i panely bez rámu, používané například pro fasádní systémy nebo fotovoltaické střechy (BIPV), kde zpevňující funkci rámu přebírá nosná konstrukce.

String – řetězec sériově propojených článků. Sériovým propojením se dosáhne potřebného napětí. Označení string se používá i pro řetězec sériově propojených panelů ve fotovoltaické elektrárně (viz níže).

Připojovací box (junction box) – je obvykle umístěn na zadní straně panelu, slouží k vyvedení elektrické energie z panelu a k jeho připojení do obvodu. Někdy bývá nahrazen výkonovým optimizérem nebo mikrostřídačem.

Bypassová dioda – slouží k ochraně fotovoltaických článků v panelu při jejich částečném zastínění, zároveň omezuje ztrátu výkonu při částečném zastínění. Bypassové diody jsou v panelu obvykle tři, každá přemosťuje třetinu článků v panelu, bývají umístěny v připojovacím boxu.
Součásti fotovoltaické elektrárny

Fotovoltaický panel – viz výše

Fotovoltaický systém – fotovoltaická elektrárna malého výkonu, řádově jednotky kWp, obvykle instalovaná na střeše rodinného domu.

Střídač (měnič) – převádí stejnosměrné napětí z panelů nebo akumulátoru na střídavé napětí vhodné pro běžné síťové spotřebiče, tj. 230 V.

Mikrostřídač – střídač malého výkonu připojený přímo k jednomu nebo několika málo fotovoltaickým panelům, často nahrazuje připojovací box.

String – řetězec sériově propojených panelů. Sériovým propojením se dosáhne potřebného napětí pro optimální provoz střídače. Označení string se používá i pro řetězec sériově propojených článků na jednom panelu (viz výše).

Výkonový optimizér – DC/DC měnič s MPPT, připojuje se ke každému panelu v řetězci (stringu), umožňuje zapojit do série panely různých výkonů, s různým sklonem a orientací, případně i různě zastíněných, přičemž každý z panelů pracuje v optimálním pracovním bodě.

Regulátor nabíjení – používá se ve stejnosměrných systémech s akumulátory.
Výkonové charakteristiky článků a panelů

Na štítku fotovoltaického panelu jsou obvykle uvedeny následující údaje:

PMPP – jmenovitý výkon panelu, uvádí se hodnota změřená v bodě maximálního výkonu
PMPP = UMPP × IMPP
UMPP – napětí při jmenovitém výkonu
IMPP – proud při jmenovitém výkonu
UOC – napětí naprázdno – napětí na fotovoltaickém panelu bez připojené zátěže
ISC – proud nakrátko – největší proud, který je panel schopen dodat
Max. System Voltage – nejvyšší systémové napětí, omezuje počet panelů, které lze zapojit v sérii, obvyklá hodnota je 1000 V.

Všechny hodnoty uvedené na štítku panelu jsou jmenovité hodnoty měřené při standardních testovacích podmínkách, viz též obrázek nahoře. Stejně se však označují i hodnoty naměřené při jiné úrovni slunečního záření nebo při jiné teplotě.

FV panel VA charakteristika


Účinnost FV článku – je podíl mezi elektrickým výkonem z jednotky plochy FV článku a intenzitou slunečního záření. Typická účinnost kvalitních krystalických křemíkových článků je v současnosti 17,5–18,0 % při STC, při intenzitě dopadajícího záření pod 200 W/m2 účinnost krystalických článků klesá. Účinnost tenkovrstvých článků při STC je obvykle nižší, na rozdíl od krystalických článků však při nízké intenzitě dopadajícího záření účinnost tenkovrstvých článků vzrůstá.

Účinnost FV panelu – je podíl mezi elektrickým výkonem z jednotky plochy FV panelu a intenzitou slunečního záření. Účinnost panelu je o 1 až 2 procentní body nižší než účinnosti použitých článků. Hlavním důvodem snížení účinnosti jsou optické ztráty odrazem na krycím skle.

Teplotní koeficient výkonu – udává, o kolik se výkon panelu změní při zvýšení teploty o 1 °C. Pokles výkonu krystalických panelů je kolem 0,4 %/°C, u tenkovrstvých zhruba poloviční.

Intenzita slunečního záření – udává se ve wattech na metr čtvereční (W/m2), nejvyšší intenzita slunečního záření se v České republice za ideálních povětrnostních podmínek při kolmém dopadu slunečních paprsků pohybuje kolem 1100 W/m2.

Zdroj: http://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/11772-nejpouzivanejsi-pojmy-ve-fotovoltaice