Pružné fotovoltaické moduly ano či ne?

Prvá generace fotovoltaických modulů je tvořena monokrystalickými, polykrystalickými a amorfními moduly. Tyto moduly se vyrábějí většinou z křemíku a mají různé vlastnosti, které předurčují jejich použití. Jednu vlastnost však mají společnou: jsou vestavěny do montážních rámů, které se montují na podklad pomocí dalších konstrukčních dílů.

Monokrystal

Monokrystalické (výchozí) články dosahují vysokou konverzní účinnost (v laboratořích až 25 % běžně 14-15%), ale fotopanely z nich vyrobené jsou drahé - viz obr. 1. (oblast I) /1/. Podle provedení dosahují ceny 300 až 500 $/m². Nedostatek výchozího křemíkového materiálu vede ke snahám výrobců po úsporách ztenčováním výchozích Si desek nebo zaváděním nových technologií, které zmenšují ztráty způsobené technologickým odpadem při výrobě fotovoltaických článků. Fotovoltaické panely jsou tvořeny většinou "sendvičem" skládajícího se ze specielního bezpečnostního skla, fólií (EVA), křemíkovými články pospojovanými do vhodného obvodu, opět fólií (EVA) a podkladního materiálu (TEDLAR, nebo TEFZEL). Tento celek je pomocí technologie tepelné laminace "zataven" do "sendviče" a dále většinou zarámován do vhodného rámu. Vývodní kabely jsou buď ve vhodné krabici upevněné na zadní straně panelu nebo volně s ukončením specielními montážními rychlokonektory. Fotopanely se montují na vhodné konstrukce uchycené do střechy domů nebo do terénu. Je také snaha integrovat tyto deskové panely přímo do střech domů.

Obr. 1 - Generace FV modulů

Polykrystal

Polykrystalické (výchozí) články dosahují o něco nižší konverzní účinnost (běžně 11-12%). Výsledný rozměr FV panelu je proto o něco větší pro dosažení stejného výkonu proti monokrystalickým panelům. Technologie výroby panelů se shoduje s technologií výroby monokrystalických panelů.

Amorfní panely mají o poznání nižší konverzní účinnost proti oběma předešlým typům panelům (6-8%). I technologii výroby FV panelů mají značně odlišnou, zato levnější. Jedná se většinou o vakuové napařovací depoziční technologie na skleněné substráty. Způsob montáže FV panelů na podklad je však shodný s výše uvedenými. Pro zlepšení vlastností amorfních panelů byly nalezeny různé technologie, které vytvářejí druhou generaci FV článků.

Amorfní křemík

Druhá generace fotovoltaických článků je tvořena tenkovrstvými články na bázi amorfního křemíku (a-Si), amorfních slitin Si-Ge (a-SiGe), mikrokrystalického Si (/uc-Si) nebo polykrystalického tenkovrstvého Si (poly-Si). Jejich výhodou je podstaně menší potřeba výchozího materiálu - většinou křemíku. Nevýhodou je stále menší účinnost přeměny. Tím se náklady na výkon získaný z jednotky plochy příliš neliší od deskových krystalických fotopanelů. Existuje však celá řada postupů jak zlepšit vlastnosti fotovoltaických tenkovrstvých článků. O jedné z možností zlepšení - vícepřechodových fotovoltaických a-Si fotočláncích - se seznámíme v další části článku.

Výše zmíněné fotovoltaické články 2. generace na bázi amorfního a-Si jsou pružné, ohebné a podstatně tenčí a lehčí než krystalické články. Je proto možné je již ve výrobě přímo integrovat na horní povrch pružného ocelového substrátu povrchově upraveného a běžných polymerních hydroizolačních fólií na bázi etylen-vinyl-acetátu (EVA fólie) a tudíž nepotřebují žádnou vlastní nosnou nebo podpěrnou konstrukci jako krystalické systémy. Pro zlepšení vlastností a-Si článků se využívá technologie tzv. a-Si Triple Junction (trojitý přechod), která u článků firmy UNI-SOLAR /2/ umožňuje proti krystalickým článkům vyšší využití oboru spektra slunečního záření. Základ článku o rozměrech 240 x 340 mm tvoří tři buňky amorfního křemíku vakuově nanesené ve třech P-I-N přechodech nad sebou na podkladní vrstvu z ušlechtilé oceli - obr. 2.

Obr. 1 - Princip a-Si roll-to-roll tři přechodového FV článku

Spodní (-) pól článku tvoří základní fólie z ušlechtilé ocelové fólie vhodně upravená plastickými potahy, na kterou jsou jednotlivé P-I-N přechod kontinuelně nanášeny, horní (+) pól je vytvořen z průhledné mřížky z vláken z ušlechtilé oceli. Materiál, který tvoří jednotlivé P-I-N přechody je různý. Prvý přechod je tvořen a-Si, druhý přechod je tvořen slitinou a-Si-Ge, třetí také touto slitinou, ale s vyšším obsahem Ge. Tím se docílí využití celého spektra slunečního záření. Každý z P-I-N přechodů absorbuje totiž jinou vlnovou délku spektra slunečního záření. FV systémy na bázi a-Si-třívrstvé technologie proti krystalické technologii mohou využívat vedle červené složky i složku zelenožlutou a modrou dopadajícího světla a zůstávají proto funkční i při difúzním světle při zastínění a při zatažené obloze. Mohou tedy pracovat i na plochách odvrácených od Slunce. Z dlouhodobého měření vychází pro klimatickou oblast střední Evropy s danou průměrnou oblačností vyšší celková účinnost těchto systémů o 20 až 35 % než u krystalických systémů - viz obr. 2, ve kterém jsou porovnány relativní účinnosti přeměny a-Si-třívrstvých modulů s krystalickými moduly známých firem (UNI-SOLAR = a-Si tenkovrstvý modul) /2/. Klasické krystalické Si moduly absorbují převážně viditelnou část spektra a začátek infračervené složky.

Obr. 2 - Účinnosti přeměny různých FV článků

Celý článek je zapouzdřen v průsvitném polymerním ochranném obalu, který je vysoce odolný proti mechanickému poškození a oděru, má samočisticí schopnost a zabraňuje tvorbě usazenin na horním povrchu, které by snižovaly účinnost přeměny. Materiál obalu je opět na bázi EVA a na bázi teflonu - TEFZEL.

Jednotlivé články se spojují do modulů. Jeden modul se skládá z 22 nebo 11 článků pro délku 6m nebo 3,36 m. Šířka článku a tedy i základního modulu je 394 mm - viz obr. 3.

Obr. 3 - Rozměry a-Si modulu

Podoba modulu je patrná z Obr. 4.

Obr. 4 - Tenkovrstvý FV modul

Základní elektrické charakteristiky tohoto modulu jsou v následující tabulce tab. 1. Každý modul obsahuje tzv. přemosťovací (Bypass) diodu, která přemostí panel při jeho lokálním zastínění a tím zabrání jeho poškození.

Tab. 1 - Elektrické parametry a-Si modulu

Tyto moduly kompletuje firma ALWITRA /1/ do střešní krytiny EVALON V-Solar ve čtyřech velikostech: délky 6 m a 3,36 m, šířky 1,55 m (3 panely vedle sebe) a 1,05 m (2 panely vedle sebe).

Základní elektrické parametry těchto panelů jsou v následující tabulce 2 (STC podmínky).

Tab. 2 - Základní elektrické parametry EVALON V-Solar /1/

Pásy EVALON V-Solar se montují přímo jako krytina na zákryt střechy pokrytý minerální izolací. Do této izolace jsou zapuštěny vývodní kabely panelů a vývodní krabice - obr. 5 /1/.

Obr. 5 - Montáž kabelů a krabic

Obr. 6 - Kotvení FV panelů

Obr. 7 - Hermetizace FV panelů svářením

Panely se kotví přes izolaci do podkladního bednění pomocí vrutů - obr. 6. Po ukotvení panelů se provádí hermetizace spojů přeplátováním a svařením horkým vzduchem - Obr. 7. Okraje střechy, prostupy vzduchotechniky, komíny, lávky, sněholamy apod. se řeší speciálními tvarovkami, které se hermetizují také přeplátováním a zavařením. Jsou pokryté plasty pro snadné spojení s fólií EVALON V-Solar.

Budoucnost střech? Vydělají si na sebe.

Vzniká tak fotovoltaická střecha - hermetická, oděru odolná, odolná vůči perforaci, snášenlivá s asfalty. Další nespornou výhodou je ten fakt, že fotovoltaické moduly tohoto typu mají asi poloviční teplotní koeficient fotoelektrického napětí a fungují tedy mnohem lépe na rozpálených střechách domů než krystalické panely. Životnost střechy je přes 25 let. Panely EVALON V-Solar je možné montovat i na stávající plechové střechy. Montují se převážně ve svislém směru (viz obr. 8).

Fotopanely vydělají za dobu své životnosti nejen na sebe, ale na celou střechu.

Použitá technologie výroby - zvaná roll-to-roll - umožňuje kontinuelní výrobu těchto panelů. Výrobní zařízení v délce přibližně 100 m (!) obsahuje vakuové nanášecí zařízení slitin polovodičů, propojovacích vrstev sítotiskem, vytváření přemosťovacích diod, členění laserem. Do zařízení vstupuje na jedné straně nekonečný ocelový pás, na straně druhé vystupuje hotový pás s fotovoltaickými moduly. Zařízení je na obr. 9 /3/.

Obr. 8 - FV systém s a-Si moduly na domě

Obr. 9 - Výrobní linka na a-Si roll-to-roll

Tento kontinuelní způsob výroby je vysoce produktivní a dává záruky velmi dobré ekonomie výroby v blízké budoucnosti. Současná roční kapacita popisované výrobní linky je 60 MW_p, cílová v roce 2010 je 300 MW_p /2/. Splněním těchto očekávaných předpokladů v blízké budoucnosti lze očekávat, že cena celého fotovoltaického systému bude ovlivněna převážně montáží a konstrukcí připevnění na střechu. Cena montáže a konstrukce je zanedbatelná pro fotovoltaické krystalické deskové moduly, ale je rozhodující pro fotovoltaické tenkovrstvé moduly druhé generace. O to důležitější je jednoduchá montáž těchto modulů přímo místo střešní krytiny.

Současná cena této krytiny v ČR včetně montáže a všech komponent pro připojení k elektrické síti se pohybuje na úrovni cca 8 tisíc korun (bez DPH) za 1 m² instalované plochy. Cena je o něco vyšší oproti FV systémům s klasickými FV krystalickými Si panely - ale znovu zdůrazňuji, že plastové fotopanely tvoří přímo střešní krytinu a nepotřebují žádné nosné konstrukce!

Závěrem: Plastové fotopanely a-Si Triple Junction - ANO!

Doporučuji zejména pro nové konstrukce střech a pro asanaci opotřebených střech.

Literatura:

/1/ Alwitra Flachdach-systeme, firemní materiál, 2006
/2/ UNI-SOLAR - United Solar Ovonic Technical Report, 2006
/3/ Iowa Thin Film Technologies, firemní materiály 2006

O autorovi: Ing. Milan Tomeš, CSc. je majitelem společnosti TETOM, která se dlouhodobě zabývá aplikacemi různých obnovitelných zdrojů energie, především však fotovoltaiky, autor je soudním znalcem v oboru Energetika se specializací na obnovitelné zdroje energie.