Teplota významně ovlivňuje účinnost fotovoltaické elektrárny

Fotovoltaická přeměna energie má dnes významné místo v energetickém mixu. Po celém světě pracuje řada velkých fotovoltaických elektráren i řada menších fotovoltaických systémů přímo integrovaných do budov. Teplota fotovoltaických panelů se během roku mění v závislosti na teplotě vzduchu - ve střední Evropě může být rozdíl přibližně 60 °C, ale například na Sibiři se může lišit až o 100 °C. Ještě většímu teplotnímu intervalu mohou být panely vystaveny ve vesmíru  během jednoho oběhu kolem Země.

Je známo, že teplota fotovoltaických článků významně ovlivňuje účinnost fotovoltaické přeměny energie. Vyplývá to z fyzikální teorie polovodičů a stručně to můžeme popsat zhruba následujícím způsobem:

Fotovoltaický článek je v podstatě plošnou polovodičovou diodou 

Na Zemi se obyčejně používají fotovoltaické panely s fotovoltaickými články na bázi křemíku, zatímco ve vesmíru jsou běžné články na bázi GaAs. Fotovoltaické napětí vzniká na přechodu PN v důsledku odlišného rozložení významných energetických hladin v oblastech polovodiče typu P a N. Hladina Fermiho energie leží za nízkých teplot v polovodiči typu P blízko dna zakázaného pásu a v polovodiči typu N blízko vrcholu zakázaného pásu. V neosvětleném krystalu je ale hladina Fermiho energie vyrovnaná, což vede k ohybu pásů v oblasti přechodu PN a ke vzniku potenciálové bariery. Navenek je krystal elektricky neutrální, ale uvnitř krystalu v oblasti přechodu PN je silné elektrické pole. Fyzikální děje, jako je generace a rekombinace párů elektron-díra, a proudy oběma směry jsou v rovnováze. 

Po osvětlení krystalu se tato rovnováha poruší 

Lépe řečeno, ustaví se jiná rovnováha. Dopadající fotony s energií vyšší než je šířka zakázaného pásu způsobují zvýšenou generaci párů elektron-díra v oblasti přechodu PN a elektrické pole je od sebe odděluje. Oblast polovodiče typu P se nabíjí kladně a oblast polovodiče typu N se nabíjí záporně. Hladiny Fermiho energie se rozdělí a jejich rozdíl je úměrný fotovoltaickému napětí (konstantou úměrnosti je elementární náboj). Pokud spojíme elektrický obvod, osvětlený fotovoltaický článek se stane zdrojem elektrické energie. 

Když roste teplota 

Rostoucí teplota ale způsobuje posun hladiny Fermiho energie směrem ke středu zakázaného pásu vlivem zvýšené tepelné generace párů elektron-díra přes zakázaný pás a snížením rozdílu koncentrace elektronů a děr. Při konstantní intenzitě záření se tak zmenší fotovoltaické napětí naprázdno. Rostoucí teplota ale také způsobuje zmenšení šířky zakázaného pásu a tím i zvýšení zkratového elektrického proudu. To je dobře vidět na přiloženém obrázku:

(Obrázek autoři) 

Na technické fakultě České zemědělské university v Praze jsme provedli měření v maximálním možném rozsahu teplot fotovoltaických článků, které mohou pracovat i v extrémních klimatických podmínkách, i ve vesmíru (-150 °C až +100 °C). Měření muselo proběhnout ve vakuové komoře, aby se zabránilo kondenzaci vzdušné vlhkosti na fotovoltaickém článku. Ke stabilizaci teploty jsme použili kapalný dusík, Peltierův článek a elektrickou pícku, k osvětlení jsme použili halogenovou žárovku, která vyzařuje emisní spojité spektrum záření černého tělesa. 

Je vidět, že když fotovoltaický systém pracuje v místech s extrémními klimatickými podmínkami, zejména s extrémními změnami teploty během roku, mění se významně elektrické napětí fotovoltaických panelů. V uvedeném rozsahu teplot se tedy může napětí naprázdno více než zdvojnásobit. S tím je třeba počítat při konstrukci fotovoltaického systému včetně připojených zařízení. 

Při navrhování FV panelů je třeba brát v úvahu meteorologické parametry místa 

V některých městech ve vnitrozemí Sibiře jsou extrémní rozdíly v teplotě vzduchu mezi létem a zimou, například v Jakutsku (62° severní šířky, 126 m nadmořské výšky) či  Ojmjakonu (63° severní šířky, 750 m nadmořské výšky). V Ojmjakonu byla naměřena nejnižší teplota -72 °C (26. leden 1926) a nejvyšší teplota +35 °C (28. červenec 2010). V noci je obyčejně teplota fotovoltaických panelů nižší než teplota vzduchu v důsledku vyzařování. V zimě při východu slunce se zde teplota fotovoltaických panelů může blížit k hodnotě -100 °C a v létě na přímém poledním slunci se teplota může blížit 60 °C. Při použití koncentrace záření může teplota i přesáhnout 100 °C. V Antarktidě poblíž jižního pólu klesají teploty ještě níž, ale tam během polární zimy slunce nevychází. V případě použití fotovoltaických panelů ve vesmíru mohou být teploty ještě nižší v zemském stínu a zejména pro tyto aplikace je naše měření velmi významné. Použití koncentrátorů záření může naopak významně zvýšit maximální pracovní teploty i vysoko nad +100 °C. Zde je třeba posoudit, zda zvýšená intenzita záření na fotovoltaické panely se vyplatí v porovnání se sníženou účinností přeměny energie při vyšší teplotě fotovoltaických panelů. 

Vyšší sluneční záření neznamená vyšší energetický výnos 

Uvedený vliv teploty na účinnost fotovoltaické přeměny energie znamená, že extrémní hodnoty slunečního záření nemusí nutně znamenat extrémní výnos fotovoltaické elektrárny. Tropické oblasti vykazují vysokou intenzitu slunečního záření (zejména v Africe, Austrálii a střední Americe). Výnos fotovoltaických elektráren je zde dobrý, ale nikoliv špičkový, protože při vyšší teplotě je nižší účinnost přeměny energie. Nejvyšších výnosů bývá dosaženo v mnohem severnějších a chladných oblastech Tibetu, Mongolska a Sibiře s větší nadmořskou výškou. Výbornou lokalitou jsou také náhorní plošiny v Chile v poušti Atacama. Rovněž i na pobřeží Antarktidy může být dosaženo podobných ročních výnosů jako v subtropických oblastech, jak ukazuje přiložený obrázek:

(Obrázek autoři) 

Měření důležitých charakteristik fotovoltaických článků a panelů ukazuje významnou závislost na teplotě, která je ve shodě s fyzikální teorií polovodičů. Je vidět, že na Zemi v extrémních podmínkách se může během roku až zdvojnásobit účinnost přeměny energie i napětí naprázdno. V kosmických aplikacích se mohou tyto hodnoty až ztrojnásobit během jednoho oběhu satelitu kolem Země. S tím je třeba počítat při konstrukci fotovoltaických systémů. Jednotlivé součásti a hlavně přepěťové ochrany musejí být pečlivě voleny, aby nedošlo k poškození či zničení připojených zařízení. 

Martin Libra, Vladislav Poulek, Pavel Kouřím, Česká zemědělská univerzita v Praze