Věda a technika v pozadí
Solární pohon
Historie
První fotovoltanické sluneční články byly vyrobeny v Bellových laboratořích v USA roku 1954 jejich účinnost byla tehdy jen 6 %. Skutečný rozvoj fotovoltaiky však nastal až s nástupem kosmického výzkumu, kde byly solární články použity jako zdroj elektrické energie pro první družice.
Teorie
Přímá přeměna slunečního záření na elektřinu využívá fotovoltaického jevu, který nastává v některých polovodičích (např. křemíku, germaniu aj.). Nejpoužívanější je krystalický křemík buď jako jeden krystal (monokrystal), nebo jako mnoho malých krystalů (polykrystal). Monokrystal je účinnější, ale jeho získávání je pracné a nákladné. V zemské kůře je křemík zastoupen z 30 %, což zaručuje dostatek materiálu. K výrobě solárních článků se používá i galium arsenid. Jedná se o slitinový polovodičový materiál GaAs s vysokou účinností. Využívá se zejména v kosmických aplikacích, protože je mnohonásobně dražší, ale také i účinnější. Ta dosahuje více jak 25 %.
Tenké destičky nařezané z krystalu se pokryjí z jedné strany pětimocným prvkem (např. fosforem) a z druhé strany trojmocným prvkem (např. arzenem). Takto pokrytá destička se nazývá sluneční článek. Jestliže na sluneční článek dopadá sluneční záření, oddělí se od sebe kladné a záporné náboje.
Schéma polovodičového fotovoltaického článku.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Vnějším okruhem spojujícím obě strany destičky pak teče proud. Jeden cm2 dává proud asi 12 mW. Jeden m2 může na zemi v letní poledne dát až 150 wattů. V kosmickém prostoru je to až 250 wattů. Sluneční články se zapojují za sebou, abychom dosáhli potřebné napětí (na jednom článku je 0,5 V) a vedle sebe, abychom dosáhli potřebný proud. Spojením mnoha článků za sebou a vedle sebe vznikne sluneční panel.
Od roku 1954, kdy byl na trh uveden první křemíkový článek, vzniklo několik technologií výroby, využívající vlastnosti polovodičových materiálů. Klíčové kritérium, pro uvedení dané technologie do výroby je cena solárního článku na jeden watt. Výzkum a vývoj solárních článků se snaží snižovat cenu pomocí využití nových materiálů, zlepšení účinnosti, popřípadě zavedením levnějších technologických postupů.
Zdroj: Techmania Science Center. Under Creative Commons.
Maximální účinnosti dosahují solární články a solární panely pouze v případě, svítí-li slunce kolmo na ně. Aby tato podmínka mohla být dodržena, musí být solární panely vůči slunci natočeny pod určitým úhlem. Tím, že budeme solárním panelem otáčet podle pohybu Slunce, dále zvýšíme jeho účinnost.
Běžně se nejvíce využívá levný solární článek na bázi amorfního křemíku s účinností asi 5 %, který napájí např. kalkulačku.
| Výhody - nevýhody | |
|---|---|
| + nepotřebují pohonnou látku | - vysoká výrobní cena |
| + dají se spojovat v solární panely různých velikostí | - nepravidelné dodávky elektrické energie |
| + při provozu nevzniká hluk ani znečištení | - při výrobě je potřeba velké množství energie |
| + při výrobě elektřiny nevznikají emise | - zabrání poměrně velké plochy pro stavbu solární elektrárny |
Sluneční záření může poskytovat energii i pro automobily. Panely slunečních článků jsou umístěny na střeše automobilu. Nevýhodou je potřeba velké plochy střechy. Získaný proud je slabý a auto jede, jen když svítí slunce. Daleko výhodnější je nabíjení automobilových akumulátorů pomocí slunečních článků.
Solární automobil od Toyoty.
Zdroj: www.techplanet.cz.
Největší solární lodí je plavidlo Tûranor PlanetSolar. 27. září 2010 opustil Tûranor přístav v Monaku a zpět se do něj navrátil po 584 dnech, 4. května 2012. Plavidlo stálo cca 12,5 mil. eur a může plout rychlostí až 12 uzlů (cca 22 km/h). Na lodi je instalováno 825 solárních panelů, z nichž některé jsou umístěny na křídlech, která generují až 93,5 kW. V noci je plavidlo poháněno lithiovými bateriemi, se kterými vystačí i tři dny bez slunečního svitu. V červnu 2013 byla loď přeměněna na vědeckou platformu jako součást expedice PlanetSolar Deepwater, jejímž úkolem byla analýza procesů v oceánu, atmosférickém rozhraní Golfského proudu.
Tûranor PlanetSolar v Hamburku.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Autor: Karl-Heinz Hochhaus. Under Creative Commons.
Dalším dopravním prostředkem, který by do budoucna mohl využívat solární energii je letadlo. Projekt Solar Impulse s prototypem letadla HB-SIA má délku 21,85 metru, rozpětí křídel 63,4 metru a výšku 6,4 metru. Je pokryt celkem 200 m² fotovoltaických článků a energii na noční nebo bezsluneční let si uchovává v sadě lithuim-polymerových akumulátorů. První přízemní let v délce zhruba 350 metrů se uskutečnil 3. prosince 2009 ve švýcarském Dübendorfu. Po dalších úspěšných letech následoval 13. května 2011 první mezinárodní let ze švýcarského Dübendorfu do Bruselu. Průměrná letová rychlost byla 50 km/h a letová hladina cca 1800 m. Dne 2. června 2014 byl představen další prototyp s ozačním HB-SIB.
Prototyp solárního letounu HB-SIA.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
