Jak funguje fotovoltaický panel: od fotonu k elektřině

Když jsem v roce 2019 pouštěl svou první elektrárnu, čekal jsem, že v poledne uvidím na displeji střídače čísla blízko štítkovému výkonu. Byl červenec, jasno, a panely dávaly zhruba osmdesát procent toho, co jsem předpokládal. Vysvětlení bylo prosté a naučilo mě víc než všechny brožury dohromady: panely byly rozpálené na sedmdesát stupňů a s každým stupněm nad pětadvacet ubývalo něco přes tři desetiny procenta výkonu.

Fotovoltaický jev v jedné odrážce

Základem je polovodičový přechod mezi dvěma vrstvami křemíku s odlišnou příměsí. Když do materiálu dopadne foton s dostatečnou energií, vyrazí z vazby elektron a zanechá po sobě díru. Vnitřní elektrické pole na přechodu obě částice rozdělí na opačné strany a připojíme-li na kontakty spotřebič, elektrony proudí obvodem. Vzniká stejnosměrný proud.

Podstatné je, co z toho plyne: panel nevyrábí elektřinu z tepla, ale ze světla. Proto funguje i v mrazu — a v mrazu dokonce lépe, protože křemík má nižší teplotu.

Od článku k panelu

Úroveň	Typické parametry
Článek	napětí naprázdno kolem 0,6–0,75 V, plocha zhruba 16 × 16 cm nebo poloviční
Panel	60–72 celých článků nebo 120–144 půlených, výkon 400–600 Wp
String	několik panelů v sérii, napětí ve stovkách voltů
Pole	jeden nebo více stringů připojených do střídače

Články se v panelu zapojují do série, takže se sčítají napětí. To má důležitý důsledek — série je tak silná jako nejslabší článek, což je celý základ problému se stíněním. Proto se dnes panely dělají z půlených článků se třemi bypassovými diodami: při zastínění spodní řady může horní polovina panelu dál pracovat. Podrobněji to rozebírám v článku o optimizérech a stínění.

Co je v panelu kromě křemíku

1. Kalené sklo tloušťky zhruba 3,2 mm s antireflexní úpravou, u skleněných panelů dvakrát 2 mm.
2. Zapouzdřovací fólie (EVA nebo POE), která články chrání před vlhkostí a mechanickým namáháním.
3. Články s propojkami, dnes často v provedení bez viditelných sběrnic na přední straně.
4. Zadní fólie nebo druhé sklo u oboustranných modulů.
5. Hliníkový rám a připojovací box s bypassovými diodami a konektory.

Selhání panelů po letech obvykle nezpůsobí křemík, ale právě zapouzdření a připojovací box — vniknutí vlhkosti, delaminace, přehřátý spoj. Jak se to projeví na výnosech, popisuju v článku o nejčastějších poruchách a monitoringu.

Proč výkon kolísá

Dva parametry rozhodují prakticky o všem.

• Intenzita osvitu. Proud panelu roste zhruba lineárně s ozářením. Za zataženého dne dopadá na střechu řádově 100 až 200 W/m² místo tisíce, takže elektrárna dává desítky procent svého výkonu nebo méně.
• Teplota článků. S rostoucí teplotou klesá napětí. Teplotní koeficient výkonu se u dnešních panelů pohybuje zhruba mezi −0,26 a −0,35 % na každý stupeň nad 25 °C. V létě mají panely na střeše běžně 55 až 70 °C, což znamená ztrátu kolem deseti až patnácti procent.

Právě proto bývají nejvyšší okamžité výkony na jaře — silné slunce a chladný vzduch. Dubnové poledne dá často víc než červencové.

Podmínky STC a proč se od reality liší

Štítkový výkon se udává pro standardní testovací podmínky: ozáření 1000 W/m², teplota článků 25 °C, spektrum AM 1,5. Tyto podmínky na střeše prakticky nenastanou současně — buď je dost světla a je horko, nebo je chladno a málo světla.

Realističtější je hodnota NMOT (dříve NOCT), měřená při ozáření 800 W/m² a teplotě okolí 20 °C. Bývá o 20 až 25 % nižší než STC a lépe odpovídá běžnému provozu. Které údaje z listu hledat, rozebírám v článku o tom, jak číst datasheet panelu, a co znamená samotný wattpeak, v článku o výkonu ve wattpeacích.

Stejnosměrný proud a co s ním dál

Panel dodává stejnosměrný proud s napětím, které se mění podle osvitu a teploty. Aby se z něj dala napájet domácnost, musí ho střídač převést na střídavé napětí 230/400 V a zároveň udržovat panely v bodě maximálního výkonu — tomu se říká MPPT sledování. Střídač neustále mírně mění pracovní napětí a hledá kombinaci napětí a proudu s nejvyšším součinem. Typy střídačů a jejich rozdíly popisuju v článku o stringových, hybridních a mikroinvertorech.

Kolik z dopadající energie skutečně využijete

Krok	Typická ztráta
Přeměna světla na elektřinu v článku	panel má účinnost zhruba 20–23 %
Teplota článků	5–15 % v létě
Znečištění a odrazy	1–5 %
Kabeláž a nesoulad panelů	1–3 %
Střídač	2–3 %

Souhrnný faktor výkonu (performance ratio) dobře navržené střešní instalace vychází zhruba 0,80 až 0,85. Z tohoto čísla se pak počítá roční výroba, která se v našich podmínkách pohybuje řádově kolem 950 až 1100 kWh na instalovaný kilowattpeak podle orientace a stínění. Jak si to spočítat pro konkrétní střechu, popisuju v článku o orientaci a sklonu panelů.

Praktický důsledek pro každého, kdo si výnosy hlídá: nesrovnávejte okamžitý výkon se štítkovou hodnotou, ale roční výrobu s předpokladem z návrhu. Jeden červencový den s nižším číslem nic neznamená, celý měsíc pod odhadem už ano.