Solární články jsou často označované jako drahá a málo výkonné. Ale například pro napájení kompletně bezdrátových senzorů mohou být velmi zajímavou alternativou k bateriím. Více v následujícím článku...

Dnes již není problém bezdrátově komunikovat a přenášet data mezi senzorem a řídícím systémem (PLC, PC apod.). Navíc nejnověji technologie bezdrátové komunikace ZigBee tento trend umocňuje svojí jednoduchostí a velmi nízkou spotřebou vysílače a přijímače. Hlavní cílová skupina v tomto směru jsou pak senzory. Signálové dráty tedy nejsou nutné, ale co napájení takového vzdáleného bezdrátově komunikujícího senzoru? Pokud vypustíme myšlenku "kabelového" napájení, které tak ničí flexibilitu pohybu a navíc by pak tento kabel mohl sloužit i k signálovému přenosu, přichází obvykle na řadu bateriové napájení. To ale má omezenou životnost a po určité době je prostě nutné baterie vyměnit nebo dobýt akumulátor "drahou" a ne vždy spolehlivou lidskou obsluhou. Je tu ale ještě jedna možnost, která však ne každého konstruktéra hned napadne, a to použití solárních článků nebo kompletního solárního panelu. Tam, kde se předpokládá alespoň částečná přítomnost světla v místě výskytu senzoru po určitou dobu, stojí toto řešení alespoň za zvážení. Výhoda je jasná: dlouhodobé napájení bezdrátově komunikujícího senzoru (zařízení) bez nutnosti přítomnosti obsluhy a s možností případného pohybu.

Výhody a nevýhody použití solárního napájení

Výhody:

• flexibilita a nezávislost senzoru (zařízení) na obsluze
• možnost relativně volného pohybu senzoru
• při zalahování energie malým akumulátorem je nutná jen omezená doba osvětlení
• ekologicky nezatěžuje životní prostředí

Nevýhody:

• relativně velká plocha solárního článku -> omezená miniaturizace
• potřeba osvětlení alespoň po určitou dobu
• nutnost relativně čistého prostředí pro udržení čistého povrchu solárních článků
• bohužel stále ještě dost vysoká cena (prvotní investice, která se však s časem vrací)

Použití

• venkovní čidla na budovách a v přírodě
• snímače zabezpečovacích zařízení a systémů
• bezdrátové senzory (například teploty, tlaku, vlhkosti)
• přenosné a samo se pohybující senzory a zařízení
• senzory na dopravnících, pohybujících se vozících či robotech
• meteorologické stanice
• atd.

Princip a technologie solárních článků

Princip a funkce solárních (fotovoltaických) článků je založen na fotovoltaické technologii, která využívá fotoelektrický jev, také označovaný jako fotovoltaický efekt. Ten byl pokusně zjištěn již v roce 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. V roce 1877 byl objeven fotovoltaický efekt na selenu (W. G. Adams a R. E. Day) a vyroben první článek. Za vynálezce křemíkového solárního článku pak bývá označován američan Russel Ohl (1941). Fotoelektrický jev v polovodičovém materiálu tedy produkuje elektrický proudu působením dopadajícího záření. To se skládá se skládá z fotonů, která se lze vzdáleně představit jako letící balíčky energie. Tyto balíčky pak obsahují různá množství energie v závislosti na vlnové délce spektra záření. Když foton dopadne na fotovoltaický článek, může být odražen, může projít zkrz nebo pohlcen, což způsobí uvolnění elektronu a ve výsledku vznik elektrického proudu (viz. obrázek 1.).

Z pohledu struktury se solární článek podobá fotodiodě, tzn. že se skládá ze dvou vrstev krystalického křemíku (viz. obrázek 3.). Jedna vrstva křemíkového plátku je sycena (dotována) obvykle fosforem (polovodič typu N) a druhá strana je potištěna mřížkou stříbra (Ag) s příměsí hliníku (Al). Hliník v průběhu výrobního procesu pronikne do křemíkového plátku a vytvoří vrstvu P (polovodič typu P). Ve vrstvě N je přebytek elektronů a ve vrstvě P je jich nedostatek (díry). Tento rozdíl je způsoben právě dotací křemíkového krystalu dotujícími látkami. Mezi těmito vrstvami se vytvoří PN přechod, který zabraňuje přenosu elektronů z vrstvy N přímo do vrstvy P, tzv. potenciálová bariéra.

Dopadem světla (fotonů) do oblasti PN přechodu, se vlivem předávání energie světla atomům krystalické mřížky uvolňují elektrony, které díky potenciální bariéře tvořené přechodem PN nemohou přecházet do "kladné" vrstvy s vodivostí P a hromadí se ve vrstvě s vodivostí N. Stejně tak se ve oblasti s P vodivostí hromadí díry. Nahromadění nosičů náboje vytváří elektrický potenciál (napětí) asi 0.6 V na jeden PN přechod, tzn. i solární článek. Po připojení elektrického obvodu na kontaktní plošky, začnou elektrony procházet vodičem ze N vrstvy, kde jich přebytek, do vrstvy P. Vlastností PN přechodu je možnost snadnějšího přechodu volných elektronů z vrstvy P do vrstvy N, než obráceně z vrstvy N do vrstvy P. Celý obvod se tak uzavírá a obvodem teče proud jako z jiného zdroje napětí a proudu. Velikost generovaného proudu zde však závisí na ozáření článku.

Obr. 2. VA charakteristika ozářeného solárního článku velikosti 100 cm2 pro různé intenzity osvětlení (detail)

K dispozici je vždy jen tolik volných elektronů, kolik jich bylo uvolněno dopadajícím světlem (množstvím fotonů). Jednotlivé solární články se pak zapojují stejně jako baterie buď za sebou (sériově), aby bylo dosaženo potřebného napětí (n x 0.6 V), nebo vedle sebe (paralelně), aby se získal větší proud. Kombinací obojího lze vytvořit potřebný zdroj napětí a proudu. Možnost takové kombinace pospojování je někdy označuje jako modularita solárních systémů.

Z pohledu výkonu je důležitá účinnost přeměny světla na elektrickou energii, která se dnes v běžně prodávaných solárních článcích pohybuje kolem 15 %. Zjednodušeně lze říct, že 1 cm2 velikosti solárního článku či panelu dává výkon cca 15 mW (někdy i více) a 1 m2 pak může představovat až 150 W výkonu. Přesněji je však výkon a elektrické vlastnosti solárního článku popsán křivkou závislosti proudu na napětí. Výkon solárního článku se vypočítá jako součin proudu a napětí a závisí na různých vlivech, jako například intenzitě ozáření, teplotě článku a spektru světla. Typicky pak vyráběné solární články o velikosti 10 x 10 cm vytvářejí proud o velikosti 3 - 6 A při napětí 0.5 V a dosahují tak výkonu 1.5 - 3 W. V laboratorních podmínkách a s použitím jiných materiálů však již bylo dosaženo účinnosti i přes 30%. Náročná výroba, nižší praktická odolnost a hlavně vysoká cena takových článků zatím nedovoluje významné komerční nasazení.

Materiály pro solární články

Z pohledu technologie se využívaly nebo dnes využívají nejvíce následující tři typy materiálů:

Křemík (Si) - dnes nejvíce používaný materiál pro výrobu solárních článků. V podstatě se dělí na dva druhy - polykrystalický křemík - vhodný pro menší výkony, hlavní výhodou je poměrně dobrá účinnost i při nižších hladinách osvětlení a monokrastalický křemík - vhodný pro větší výkony, při dostatečném osvětlení vyšší mají články účinnost než při použití polykrystalického křemíku. Článek z monokrystalického křemíku o ploše 100 cm2 je schopen dodávat proud 3 až 4 A. Čistý křemík je však velmi drahý, což právě způsobuje výsledné vysoké ceny článků. Naopak levnější méně čistý křemík má zase nevhodné vlastnosti a hlavně výrazně nižší účinnost přeměny záření na elektrickou energii. V současné době se již objevili postupy, jak i špinavý křemík v solárních článcích využít.

Arsenid galia (GaAs, příp. GaAs/Ge) - Hlavní výhodou je vyšší účinnost - 20%, větší odolnost proti kosmickému (tvrdému) záření a schopnost pracovat bez snížení efektivity i při teplotách nad 100 stupňů Celsia. Mezi nevýhody patří mnohem vyšší cena a větší hustota GaAs oproti krystalickému křemíku. Nyní se vyvíjejí kombinace obou článků, protože oba materiály mají odlišnou spektrální citlivost. Křemíkové články využívají hlavně oblast viditelného světla směrem k modré barvě a články GaAs oblast spektra směrem k červené barvě. Vhodnou kombinací obou typů, případně místo křemíku Si použití Germania (Ge), lze dosáhnou účinnosti 30% a ve spojení s koncentrátory se očekává dosažení ještě vyšší účinnosti (až k 40%).

Sulfid kademnatý (CdS) - články tvořené přechodem Cu2S a CdS - dosahují účinnosti 10%. jejich výhodou je malá hmotnost, díky čemu se používaly při kosmických aplikacích. nevýhodou je malá stabilita těchto článků a dnes se již nepoužívají. Pokročilejší variantou tohoto historicky nejstaršího typu článků jsou kombinace sulfidu kademnatého s teluridem kademnatým (systém CdS - CdTe) - články vyhovují jen pro napájení zařízení s malým příkonem a proto se nevyužívají v energetice.

Mimo uvedené zde uvedené "klasické" struktury a materiály se již objevují zprávy o tzv. Thin-film solárních článcích, využívající nanometrové technologie. Ty by prý měli v budoucnu zastínit všechny dosud používané typy, ale zatím se vědci a technici stále ještě potýkají s nízkou odolností a životností. Též jejich výroba by zatím byla někilikanásobně dražší než u "klasických" solárních článků, což je pro komerční firmy zatím nerentabilní. Uvidíme však v budoucnu.

Parametry solárních článků

Elektrické parametry se měří při intenzitě osvětlení 1000 W/m2, při spektrálním složení světla odpovídající slunečnímu spektru (AM 1.5 Global) a při teplotě 25°C.

Kromě základního parametru I450 měříme na solárním článku další elektrické parametry:

• I450 [A] - proud tekoucí článkem při napětí 450 mV.
• Isc [A] - zkratový proud, tekoucí fotovoltaickým článkem při napětí 0 V.
• Uoc [V] - napětí na solárním článku naprázdno, bez zátěže.
• Pm [W] - maximální výkon, který může článek dodávat. Bod maximálního výkonu solárního článku je na charakteristice (viz. obrázek ) zhruba uprostřed ohybu. Zařízení, odebírající energii ze solárních článků, by mělo zatěžovat fotovoltaický článek takovým způsobem, aby článek pracoval právě v okolí bodu maximálního výkonu. Jen tak může fotovoltaický článek využít sluneční energii optimálně.
• Im [A] - proud, při kterém solární článek dodává maximální výkon.
• Um [V] - napětí, při kterém solární článek dodává maximální výkon.
• FF (Fill Factor) - parametr se zjišťuje výpočtem podle tohoto vzorce: FF = (Im × Um) / (Uoc × Isc)
• EEF - účinnost solárního článku. U fotovoltaických článků vyrobených z monokrystalického křemíku bývá kolem patnácti procent.
• Rso - sériový odpor solárního článku.
• Rsh - paralelní odpor solárního článku.
  

Malé solární články a panely dostupné na českém trhu

Solární články firmy Solartec

Firma Solartec je expertem na výrobu křemíkových solárních článků. Vysoce výkonné fotovoltaické články a jejich řezy jsou vyrobeny moderní polovodičovou technologií z monokrystalického křemíku. Mají na tuto technologii dobrou konverzní účinnost přeměny světelného záření na elektrický proud při dobrých cenách. Monokrystalický křemík a technologie pasivovaného emitoru (PESC) zaručují dlouhodobou stabilitu elektrických parametrů a účinnosti. Téměř čtvercový tvar umožňuje vysoké (99 %) využití osvícené plochy. Články jsou opatřeny účinnou antireflexní vrstvou, která současně přispívá k ochraně povrchu aktivní plochy. Jednoduché propojení článků umožňuje metalizace s velmi dobrou pájitelností. Navíc v je možné zakoupit články ve více barevných variantách.

Nabidka firmy Omnitron

V nabídce firmy Omnitron jsou již kompletní solární panely pro větší výkony a tedy i větších rozměrů. Takovými panely by v případě bezdrátových modulů senzorů bylo možno napájet i WiFi vysílač/přijímač (např. výrobky firmy Sollae, které distribuuje v ČR firmy HW group s.r.o).

Solární panely firmy ELES-SOLAR

Z pohledu malých solárních článků je v nabídce zajímavá výkonová řada ST. Ta je léty používaná a těmi nejdrsnějšími přírodními podmínkami prověřená řada fotovoltaických výkonových panelů. Standardní solární články rozměrech 102,5 x 102,5 mm (úhlopříčka 135 mm) jsou zapouzdřeny mezi dvě skla. Na přední straně je použito solární tvrzené sklo (má snížený obsah železa). Zadní strana je tvořena běžným sklem s nalepenou bezpečnostní fólií, která je opatřena reflexní vrstvou. Ta odráží sluneční paprsky zpět dovnitř panelu.

Nabídky dalších prodejců součástek

• GM Electronics - nabízí solární článek (viz. obrázek vedle) napětí Uo=2 V, proud Imax=40 mA, rozměry 69x26x3 mm
• Conrad - nabízí v zimním katalogu kompletní, pěkně zapouzdřený, modul malého solárního panelu v nabídce označeného jako "solární ochrana autobaterií" dávající napětí 12 V a výkon 2 W. Panel je vhodný pro okamžité připojení na napájecí svorky zařízení (má vyvedený již i kabel).

Závěr

Solární energie se stále dost málo používá, když v tomto směru je to rok od roku lepší. Pomineme-li použití solárních panelů jako velký energetický zdroj, je možné vidět stále větší nasazení v oblasti automatizace a dopravy, jako například napájení inteligentního dopravního značení, vzdálených meteorologických měřících stanic nebo malého veřejného osvětlení. Zřejmou nevýhodou je stále ještě vysoká cena a nízká účinnost solárních článků, ale v aplikacích, kde není z nějakého důvodů možné nebo ekonomicky výhodné natažení napájecího vedení, se stává tato varianta napájení zařízení již zajímavá. Prakticky jediným praktickým konkurentem jsou akumulátory nebo baterie, které je ale nutné vyměňovat nebo dobíjet, což vyžaduje již dnes drahou lidskou obsluhu. Navíc se stále snižuje spotřeba integrovaných obvodů a zařízení, takže případy, kde solární články nestačily nebo byli příliš velké, již postupně mizí. Navíc může pak každého technika "hřát" poznatek, že udělal i něco pro ekologii.

DOWNLOAD & Odkazy

• Odkazy na firmy zabývající se výrobou nebo prodejem solárních článků v ČR: server.solartec.cz, www.eles-solar.cz, www.omnitron.cz, www.jiranek.cz/solarni_panely.htm, www.gme.cz, www.conrad.cz
• Další zajímavé odkazy na české stránky zabývající se solárními články: www.infojet.cz

• Teoretický článek "Fotovoltaika - alternativní technologie výroby elektrické energie " na serveru globalsystems.3web.cz
• Článek o vývoji solárních článků z plastu: "Solární články z plastu" na serveru www.infojet.cz
• Článek o solárních článkách ze špinavého křemíku na serveru techblog.srubar.net
• Ing.Luboš Jakubka, Aleš Klumpler, Jiří Hladík: "Fotovoltaické články jako součást elektronického systému"

• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz