Jak se z paprsku stane elektřina?

Když se řekne solární energie, jistě se vám vybaví solární panely na střeše, pojem čistá energie, úspora energie a ekologické řešení. Ovšem čistá energie a finanční úspora by neexistovaly bez solárních panelů, solární panely by neexistovaly bez solární technologie a technologie by neexistovala bez myšlenky získávat energii ze slunečních paprsků.

Sluneční záření

Vše začíná u Slunce, u zdroje nekonečné energie. Na naši planetu dopadá pouze nepatrný zlomek energie vyprodukované Sluncem. Přesto množství sluneční energie mnohonásobně převyšuje ostatní zdroje energii – uhlí, zemní plyn, ropa, jaderná elektřina – také přírodně vygenerovanou elektřinu z větru, vody, biomasy a z vodních toků. Sluneční záření můžeme měnit v energii chemickou, tepelnou, elektrickou a mechanickou. Sluneční paprsky dopadající na Zemi se označují jako globální záření. Značná část se rozptýlí v atmosféře. Zbytková intenzita záření se dělí na dvě základní složky – přímé a rozptýlené. Rozptýlené neboli difúzní záření je na Zemi přítomno, pokud je přes den zatažená obloha. Na Zemi dopadá téměř po celý rok.

Intenzita přímého záření je nejvyšší v letních měsících. Intenzita slunečního záření je přímo závislá na atmosféře – vzdušném obalu Země. Při průchodu atmosférou se intenzita snižuje. Zaleží ale také na dalších faktorech, jako například na výšce slunce nad obzorem, na nadmořské výšce, na znečištění atmosféry, na zmiňované oblačnosti a samozřejmě na ročním období a denní době.

Sluneční paprsky

Intenzita slunečního záření je metrikou, která se při instalaci solárních panelů musí vypočítat (určující pro sklon solárních panelů). Tato metrika závisí na tom, jakou vzdálenost musí sluneční paprsky urazit, než dopadnou na zemský povrch. Pro lepší představu: v poledne je intenzita slunečního záření nejvyšší, protože je vzdálenost nejkratší. Pokud je Slunce skloněno pod úhlem 30° (odborně označováno elevace), paprsky musí urazit vzdálenost dvojnásobnou. Tzv. elevační úhel se snižuje během zimních měsíců.

Sluneční paprsky můžeme transformovat na elektřinu různými způsoby – přímo a nepřímo. Nepřímo se teplo ze slunce získává pomocí slunečních sběračů. Fotovoltaika ale využívá přímé získávání sluneční energie.

Přímá transformace slunečních paprsků působením fotovoltaického jevu

Než se ze slunečních paprsků stane teplo domova a zdroj pro vaše domácí spotřebiče, musí zasáhnout věda a technologie. Přímá přeměna se týká tzv. fotovoltaického jevu. Pro pochopení fotovoltaického jevu si musíme rozpomenout na výuku fyziky. Jde o uvolňování elektronů z fotonů. V momentě, kdy dopadá světlo na rozhraní dvou polovodičů, souběžně vzniká elektrické napětí. Polovodiče jsou vyrobeny nejčastěji z křemíku, ale také z germania, sirníku, kadmia atd. Polovodič, jinak také fotovoltaický článek, je polovodičovou destičkou umístěnou na solárním panelu vyrábějícím elektřinu.

Nařezaná destička je nejčastěji tvořena monokrystalem křemíku. Nicméně získání monokrystalu je nákladné, a tak se k výrobě může použít také polykrystalický materiál. Když na destičku dopadnou fotony (drobné částečky nesoucí energii), uvolní se elektrony se záporným nábojem, které po sobě nechají kladně nabitá místa.

Při dopadů fotonů na solární článek se na n-vrstvě začnou uvolňovat elektrony a následně se přesouvají k p-vrstvě polovodiče. Při připojení elektrod na obě strany destičky spojených drátem, začne mezi nimi protékat elektrický proud.

Fotovoltaický článek slouží k přímé přeměně energie získané ze světelného záření a stává se zdrojem elektrické energie.

Pojďme si to ukázat na jednoduchém příkladu - při ideálních podmínkách, kdy je jasná obloha a polední sluneční svit, může jeden m2 slunečních článků vyprodukovat až 250 W stejnosměrného proudu.

Nyní už si umíte lépe představit, jak sluneční záření působí na solární články. Víme, že díky fyzikálnímu fotovoltaickému jevu vzniká stejnosměrný elektrický proud. V dalším díle našeho povídání o solární energii se dozvíte, co se s elektrickým proudem děje a jakými cestami putuje po vašem domě.