Fotovoltaický systém, také známý jako FV systém nebo solární elektrický systém, je technologie určená k dodávce využitelné sluneční energie pomocí fotovoltaiky (slouží k přeměně sluneční energie na elektrickou energii pomocí fotovoltaických článků). Skládá se z několika základních součástí – solárních panelů, které pohlcují a přeměňují sluneční světlo na elektřinu, střídače, který převádí stejnosměrný proud na střídavý elektrický proud, a také montážních prvků, kabeláže a dalšího elektrického příslušenství potřebného pro vytvoření funkčního systému. Může také využívat systém na sledování slunce pro zlepšení celkového výkonu systému a obsahovat integrované bateriové řešení pro akumulaci energie.

Fotovoltaické systémy sahají od malých střešních systémů nebo systémů integrovaných do budov s výkonem od několika málo do několika desítek kilowattů až po velké elektrárny o výkonu stovek megawattů. V současné době je většina fotovoltaických systémů připojena k síti (tzv. on-grid), zatímco off-grid nebo autonomní systémy tvoří malou část trhu.

Fotovoltaické systémy pracují bez hluku, bez pohyblivých částí a bez emisí do životního prostředí, a tak se z nich staly vyspělé technologie používané pro běžnou výrobu elektřiny. Fotovoltaický systém má často návratnost kolem 6-8 let a může vydržet fungovat až 30 let (takový je vesměs životnost solárních panelů) a bude vám poskytovat dlouhodobě čistou obnovitelnou energii.

Historie a vývoj fotovoltaických systémů

Fotovoltaický jev, který je základem fungování solárních článků, byl poprvé objeven v roce 1839 francouzským fyzikem Alexandrem Edmondem Becquerelem. Tento jev byl pozorován při experimentování s elektrolytickou buňkou z kovových elektrod. Becquerel zjistil, že určité materiály produkovaly malé množství elektrického proudu, když byly vystaveny světlu. Tento objev byl průlomový, avšak praktické aplikace se začaly vyvíjet až o více než století později.

Počátky a první aplikace

Na počátku 20. století došlo k dalším významným objevům v oblasti fotovoltaiky. V roce 1905 Albert Einstein publikoval svou teorii fotoelektrického jevu, za kterou později získal Nobelovu cenu. Einsteinova práce poskytla teoretický základ pro pochopení, jak světlo může generovat elektrický proud.

První skutečně funkční fotovoltaický článek byl vyvinut v roce 1954 týmem vědců z Bellových laboratoří (Bell Labs) – Daryl Chapin, Calvin Fuller a Gerald Pearson. Tento článek, vyrobený z křemíku, měl účinnost kolem 6 %, což bylo na tehdejší dobu velmi vysoké. Tento objev znamenal začátek moderní fotovoltaiky.

Fotovoltaika v kosmickém průmyslu

V 50. a 60. letech 20. století začala NASA využívat fotovoltaické články k napájení satelitů. V roce 1958 byl Vanguard 1 prvním satelitem napájeným solárními články, a to otevřelo nové možnosti pro využití této technologie ve vesmíru. Fotovoltaické články poskytovaly spolehlivý a dlouhodobý zdroj energie, což bylo klíčové pro kosmické mise.

Fotovoltaika se stala standardním zdrojem energie pro satelity a kosmické lodě, což vedlo k dalšímu vývoji a zdokonalování této technologie. V 70. letech se technologie začala rozšiřovat i mimo kosmický průmysl.

Energetická krize a rozvoj fotovoltaiky

Ropná krize v 70. letech přitáhla pozornost k alternativním zdrojům energie, včetně fotovoltaiky. Ropné embargo a rostoucí ceny ropy zdůraznily potřebu diverzifikace energetických zdrojů a urychlily výzkum a vývoj v oblasti solární energie.

V roce 1973 vznikl v USA program Solar Power Satellite (SPS), který měl za cíl vyvinout obří solární farmy ve vesmíru, jež by přenášely energii na Zemi. Ačkoliv tento program nebyl nikdy realizován v plném rozsahu, poskytl důležitý impulz pro vývoj fotovoltaických technologií.

80. a 90. léta – komercializace a snižování nákladů

V 80. letech začala komercializace fotovoltaických technologií. Společnosti jako ARCO Solar (později součást Siemens Solar) začaly vyrábět solární panely ve větším měřítku. Technologický pokrok vedl k postupnému snižování nákladů a zvyšování účinnosti solárních článků.

V 90. letech se začaly objevovat první významné instalace fotovoltaických systémů na střechách budov a ve veřejných prostorech. Evropské země v čele s Německem a dalšími státy EU začaly poskytovat dotace a pobídky na instalaci solárních panelů, což vedlo k nárůstu poptávky a další expanzi trhu.

21. století – expanze a technologický pokrok

Na přelomu tisíciletí začala fotovoltaika zažívat exponenciální růst. Tento růst byl podpořen jednak technologickými inovacemi, jednak politickými iniciativami zaměřenými na podporu obnovitelných zdrojů energie.

• Politické iniciativy ovlivňující rozvoj fotovoltaických systémů
  • Evropský Green Deal – Evropská unie představila ambiciózní plán známý jako Green Deal, jehož cílem je učinit z Evropy první klimaticky neutrální kontinent do roku 2050. Tento plán zahrnuje významné investice do obnovitelných zdrojů energie, včetně fotovoltaiky, a zavedení politik na podporu energetické účinnosti a snižování emisí skleníkových plynů.
  • Německý program Energiewende – německý program Energiewende (energetický obrat) byl jedním z nejambicióznějších programů na podporu obnovitelných zdrojů energie, včetně fotovoltaiky.
  • Spojené státy zavedly významné dotační programy a legislativní podporu na fotovoltaické systémy – což vedlo k masivnímu nárůstu instalované kapacity solárních panelů. V USA byl například zaveden program Investment Tax Credit (ITC), který poskytuje daňové úlevy na investice do solární energie. Čína se stala největším výrobcem a instalátorem solárních panelů díky politice podpory domácí výroby a rozsáhlým investicím do obnovitelných zdrojů energie.
  • Parížská dohoda – globální klimatická dohoda přijatá v roce 2015 zavazuje signatářské země ke snižování emisí skleníkových plynů. Fotovoltaika hraje klíčovou roli v plnění těchto závazků, protože je jedním z nejdostupnějších a nejefektivnějších způsobů výroby čisté energie.
  • Mezinárodní solární aliance (ISA) – tato organizace, založená v roce 2015, si klade za cíl podporovat růst solární energie na globální úrovni. ISA poskytuje platformu pro spolupráci mezi solárními trhy a sdílení technologických a finančních zdrojů.
  • Iniciativy na podporu skladování energie – vlády po celém světě začaly zavádět pobídky pro rozvoj technologií skladování energie. Efektivní ukládání energie je klíčové pro maximální využití solární energie, zejména v noci a během oblačných dní.
• Zásadní technologické inovace pro rozvoj fotovoltaických systémů
  • Perovskitové solární články – perovskitové solární články jsou jednou z nejvýznamnějších inovací posledních let. Perovskitové materiály nabízejí vysokou účinnost přeměny světla na elektřinu a lze je vyrábět levněji než tradiční křemíkové články. Díky jejich vysoké absorpční schopnosti a nízkým výrobním nákladům mají potenciál výrazně snížit cenu solární energie.
  • Organické fotovoltaické články (OPV) – organické fotovoltaické články používají organické molekuly nebo polymery k přeměně světla na elektřinu. Tyto články jsou flexibilní, lehké a mohou být vyrobeny za nízkých teplot, což snižuje výrobní náklady. I když mají zatím nižší účinnost než křemíkové články, jejich potenciál pro použití v ohebných a průhledných aplikacích je obrovský.
  • Tenkovrstvé solární články – tenkovrstvé solární články jsou již zmíněny, ale stojí za to zdůraznit jejich další výhody. Vyrábějí se nanášením jedné nebo více tenkých vrstev fotovoltaického materiálu na podklad. Typické materiály zahrnují amorfní křemík, kadmium tellurid (CdTe) a měď-indium-galium-selenid (CIGS). Tyto články jsou lehčí a flexibilnější, což umožňuje jejich použití v širší škále aplikací.
  • Tandemové solární články – tandemové solární články kombinují dva nebo více různých fotovoltaických materiálů do jedné vrstvy, čímž využívají širší spektrum slunečního záření. Tato technologie může dosáhnout vyšších účinností než jednotlivé solární články. Kombinace křemíkových a perovskitových článků je jedním z příkladů tandemových systémů, které vykazují velký potenciál pro zvýšení účinnosti.
  • Solární články na bázi kvantových teček – solární články na bázi kvantových teček využívají nanokrystaly (kvantové tečky), které mají jedinečné optické a elektrické vlastnosti. Tyto články mohou být laděny tak, aby absorbovaly různá spektra světla, což může vést k vyšší účinnosti. Kvantové tečky také umožňují flexibilitu ve výrobě a aplikacích, což je činí atraktivními pro budoucí rozvoj.
  • Moderní technologie pro skladování energie a rozvoj v oblasti akumulace energie – rozvoj bateriových úložišť v 21. století měl zásadní vliv na využití a efektivitu fotovoltaických systémů. Tato inovace umožnila lepší integraci solární energie do elektrických sítí, zvýšila energetickou bezpečnost a podpořila růst obnovitelných zdrojů energie. Pokroky v technologii baterií, jako jsou lithium-iontové, solid-state baterie a další nové materiály, zvyšují kapacitu a snižují náklady na skladování energie.  Cena lithium-iontových baterií klesla od roku 2010 do roku 2020 o více než 85 %, z přibližně 1 100 USD za kWh na méně než 150 USD za kWh. Tento pokles byl umožněn technologickým pokrokem, ekonomickými měřítky a rostoucí poptávkou. Nižší ceny baterií umožnily širší využití bateriových úložišť nejen v domácnostech, ale také ve velkých solárních projektech a průmyslových aplikacích. V mnoha zemích byly zavedeny politiky a dotace na podporu instalace bateriových úložišť. Například v Kalifornii byl schválen program Self-Generation Incentive Program (SGIP), který poskytuje finanční pobídky pro domácí a komerční bateriová úložiště. Evropská unie a další regiony zahrnuly bateriová úložiště do svých plánů na dosažení klimatické neutrality. Tyto iniciativy zahrnují finanční podporu a legislativní opatření na podporu rozvoje a instalace bateriových úložišť. Výzkum a vývoj vedly k zavedení nových typů baterií, jako jsou solid-state baterie, které nabízejí vyšší energetickou hustotu a bezpečnost. Další inovace zahrnují baterie na bázi křemíku a lithium-sírové baterie. Pokroky v recyklaci baterií navíc umožňují efektivnější obnovu materiálů a snižují ekologický dopad bateriových úložišť.
  • Smart grid a decentralizované energetické systémy – smart grid technologie a decentralizované energetické systémy umožňují efektivnější integraci obnovitelných zdrojů energie do stávající energetické sítě. Tato technologie zahrnuje pokročilé měření, řízení a automatizaci, které zlepšují stabilitu sítě a umožňují efektivní řízení výroby a spotřeby energie.
  • Biologické a hybridní fotovoltaické systémy – biologické a hybridní fotovoltaické systémy kombinují tradiční solární technologie s biologickými komponenty, jako jsou fotosyntetické proteiny nebo bio-inspirované materiály. Tyto systémy jsou stále ve fázi výzkumu, ale mohou nabídnout nové možnosti pro efektivnější a udržitelnější výrobu energie.

Současný stav a budoucnost fotovoltaických systémů

Dnes je fotovoltaika jedním z nejrychleji rostoucích segmentů energetického trhu. Celosvětová instalovaná kapacita solárních panelů přesáhla v roce 2020 700 GW, a tento trend nadále roste. V roce 2021 bylo připojeno k síti více než 130 GW nové solární kapacity, což představuje meziroční nárůst o téměř 20 %.

Náklady na fotovoltaické systémy dramaticky klesly. V roce 1977 stála výroba jednoho wattu solární energie přibližně 76 USD, zatímco dnes se cena pohybuje kolem 0,20 USD za watt. Tento pokles nákladů je výsledkem zlepšení výrobních technologií, ekonomiky měřítka a pokračujícího výzkumu a vývoje.

Rok 2022 přinesl další nárůst, když bylo instalováno 192 GW nové solární kapacity, což představuje 22% nárůst oproti předchozímu roku. Celková kapacita solárních panelů tak dosáhla přibližně 1 177 GW​ (PV Tech)​. V roce 2023 byla instalována rekordní kapacita 345,5 GW, což představuje další výrazný nárůst, a celková instalovaná kapacita solárních panelů překročila 1,5 TW​ (pv magazine International)​.

Technologie fotovoltaických systémů se jednoduše neustále posouvají kupředu a s vývojem nových technologií postupně dochází u fotovoltaických systémů ke zlepšování jejich efektivity a klesají náklady na pořízení fotovoltaických systémů. S rostoucím důrazem na obnovitelné zdroje energie a snížení emisí skleníkových plynů se očekává, že fotovoltaické systémy budou hrát stále důležitější roli v globální energetice. Inovace, jako jsou pokročilé bateriové systémy, zlepšení účinnosti panelů a integrace s chytrými sítěmi, přispějí k jejich širšímu přijetí a využití.

Budoucí výzvy a příležitosti fotovoltaických systémů

Fotovoltaické technologie čelí několika výzvám, které budou muset být překonány, aby se jejich potenciál plně využil:

• Integrace do stávajících energetických sítí – jak se podíl solární energie na celkové výrobě elektřiny zvyšuje, je nutné řešit problémy spojené s integrací solární energie do stávajících energetických sítí, včetně vyrovnávání nabídky a poptávky a řízení přebytků energie.
• Efektivní ukládání energie – vyvinutí cenově dostupných a účinných technologií pro ukládání energie, jako jsou baterie, je klíčové pro maximální využití solární energie, zejména v noci a během oblačných dní.
• Zvýšení účinnosti – pokračující výzkum a vývoj v oblasti fotovoltaických materiálů a technologií je nezbytný pro další zvyšování účinnosti solárních článků a snižování nákladů.
• Trvalá udržitelnost – vývoj technologií, které minimalizují dopad výroby a likvidace solárních panelů na životní prostředí, je důležitý pro zajištění trvalé udržitelnosti solární energie.

Základní komponenty fotovoltaického systému

Fotovoltaický systém se skládá z několika klíčových komponent:

1. Fotovoltaické panely – skládají se z jednotlivých fotovoltaických článků, které přeměňují sluneční světlo na stejnosměrný (DC) elektrický proud.
2. Střídač (inverter) – přeměňuje stejnosměrný proud z panelů na střídavý (AC) proud, který lze využívat v domácnostech a připojit do veřejné elektrické sítě.
3. Bateriové úložiště (volitelně) – umožňuje ukládat přebytečnou vyrobenou energii pro pozdější použití, například během noci nebo při výpadku sítě.
4. Montážní konstrukce – zajišťuje pevné upevnění fotovoltaických panelů na střeše nebo jiné konstrukci.
5. Řídicí a monitorovací systém – sleduje výkon systému a zajišťuje optimální fungování (kam bude vyrobená energie směřována a kdy).
6. Bezpečnostní mechanismy – bezpečnostní mechanismy jsou klíčové pro ochranu fotovoltaického systému a jeho uživatelů. Tyto mechanismy mohou zahrnovat:
   • Přepěťovou ochranu – chrání systém před poškozením způsobeným přepětím v elektrické síti nebo bleskem.
   • Ochranu proti zpětnému proudu – zabraňuje tomu, aby elektrický proud tekl zpět do solárních panelů, což může způsobit jejich poškození.
   • Odpojovače a jističe – umožňují bezpečné odpojení systému od elektrické sítě v případě údržby nebo nouze.
   • Požární ochranu – speciální zařízení a protokoly, které minimalizují riziko požáru způsobeného elektrickými závadami nebo přehřátím.

Jak fotovoltaický systém funguje?

Fotovoltaický systém funguje na principu fotovoltaického jevu/fotovoltaického efektu. Když sluneční světlo dopadá na fotovoltaické články, fotony z tohoto světla excitují elektrony v materiálu článků, což vytváří elektrický proud. Tento proud je veden do střídače, kde se přemění na střídavý proud. Tento proud může být buď okamžitě spotřebován v budově, nebo dodáván do veřejné elektrické sítě. Pokud je systém vybaven bateriovým úložištěm, přebytečná energie je ukládána pro pozdější použití.

Typy fotovoltaických systémů

Existují tři hlavní typy fotovoltaických systémů:

1. Síťové (on-grid) fotovoltaické systémy – jsou připojeny k veřejné elektrické síti. Přebytečná energie, kterou systém vyrobí, je dodávána do sítě, a když systém nevyrábí dostatek energie, spotřebovává se elektřina ze sítě.
2. Ostrovní (off-grid) fotovoltaické systémy – nejsou připojeny k veřejné síti a obvykle zahrnují bateriové úložiště pro ukládání přebytečné energie. Tyto systémy jsou ideální pro odlehlé oblasti bez přístupu k síti.
3. Hybridní fotovoltaické systémy – kombinují prvky síťových a ostrovních systémů. Jsou připojeny k síti, ale také mají bateriové úložiště pro zajištění energie v případě výpadku sítě.

Výhody fotovoltaických systémů

1. Ekologické přínosy – fotovoltaické systémy vyrábějí čistou energii bez emisí skleníkových plynů, což přispívá k ochraně životního prostředí.
2. Úspora nákladů – po počáteční investici do systému mohou uživatelé ušetřit značné částky na účtech za elektřinu. V mnoha zemích jsou také dostupné dotace a finanční pobídky na podporu instalace fotovoltaických systémů.
3. Energetická nezávislost – uživatelé mohou snížit svou závislost na veřejné elektrické síti a chránit se před výkyvy cen energie.
4. Nízké provozní náklady – fotovoltaické systémy mají nízké náklady na údržbu a dlouhou životnost, obvykle 25–30 let.

Výzvy a nevýhody fotovoltaického systému

1. Počáteční investice – náklady na pořízení a instalaci fotovoltaického systému mohou být vysoké, i když klesají s technologickým pokrokem a podporou dotací.
2. Intermitentní zdroj – výroba energie závisí na slunečním světle, což znamená, že výkon systému kolísá během dne a je nižší během oblačných dní nebo v noci.
3. Potřeba prostoru – pro instalaci fotovoltaických panelů je potřeba dostatečná plocha, což může být limitujícím faktorem v městských oblastech.