Fotovoltaika-princip

Téměř veškerá energie, kterou využíváme, pochází ze Slunce (pokud vynecháme jadernou energii). Energie ze Slunce ovlivňuje počasí, tím dochází k přeměně na větrnou a vodní energii, ale také o energii, která je uložená ve dřevu, uhlí, ropě nebo zemním plynu. Není to v podstatě nic jiného než akumulovaná sluneční energie.

V dnešní době všudypřítomně slyšíme o potřebě snižování emisí skleníkových plynů a nutnosti realizace ekologických způsobů získávání tzv. čisté energie. Fotovoltaické systémy pracují na principu přeměny sluneční energie v energii elektrickou a jsou dnes nejčistější formou získávání ekologicky nezávadné energie.

Fotovoltaické systémy jsou také jedinou technologií, která převádí jinou energii přímo na energii elektrickou, bez mezistupně a navíc s možností instalace přímo v místě spotřeby energie, což eliminuje nemalé ztráty vzniklé při přenosu energie.

Skeptikům je třeba zdůraznit, že moderní systémy fotovoltaických elektráren na sebe dokážou rychle vydělat a pokrýt potřeby nejen domácností, ale i firem a výrobních provozoven. Toho lze docílit díky dvou faktorům – relativně vysoké účinnosti panelů a systémem výkupních cen, jenž je efektivní dotační politikou pro investora jakékoliv velikosti.

Doba kdy solární panel nebyl schopen za svou životnost vyprodukovat více energie, než tu která byla do něj vložena při jeho výrobě je dávno pryč. Masově produkované moderní panely dosahuji výkonu až 290W, 19% účinností přeměny světelné energie v energii elektrickou a jsou schopny vyrobit nákladovou energii v prvních letech svého provozu.

Stavba a principy FVE

Princip fotoelektrického jevu

Fotoelektrický jev objevil Alexandre Edmond Becquerel v roce 1839.

Vzájemným působením slunečního záření a hmoty dochází k pohlcování fotonů a uvolňování elektronů, v polovodiči pak vznikají volné elektrické náboje, elektron-díra, které jsou už jako elektrická energie odváděny ze solárního článku přes regulátor dobíjení do akumulátoru nebo ke spotřebiči.

Množství sluneční energie dopadající na Zemi je charakterizováno tzv. „sluneční konstantou“. Nad hranicí zemské atmosféry má hodnotu 1337 W.m^-2. Část záření se odrazí nebo pohltí a to zejména ultrafialová část spektra v ozónosféře, většina (v ČR asi 1040 W.m^{-2 )} pak dopadá na povrch Země. Rozptýlené záření na vodních parách a prachových částicích pak nazýváme jako difůzní a pro podmínky ČR dosahuje hodnot asi 130 W.m^-2, tedy méně než 15% z celkového globálního záření.

Fotovoltaický systém se v praxi používá ve dvou konfiguracích, Ostrovní provoz a systém s připojením do elektrorozvodné sítě, respektive není li dostatečný osvit nebo je noc, energie je odebírána z elektrorozvodné sítě, naopak je-li jí přebytek je dodávána do sítě, na tento režim se vztahují i dotace, více informací nalezneme na stránkách dodavatelů systémů. Ostrovním provozem se rozumí, že fotovoltaický systém není spojen s rozvodnou sítí, proto zde do systému připojujeme navíc akumulátor elektrické energie, který dodává energii v době, kdy fotovoltaický panel nedodává energii.

1. Fotovoltaický článek

Správnou konstrukcí a pospojováním fotovoltaických článků a následným přidáním ochranného skla vznikne fotovoltaický panel o výkonu cca 130 – 160 Wp/m². Wp znamená špičkový výkon při ideálních podmínkách (světlo o intenzitě 1000 W/m² dopadá kolmo na panel při teplotě 25°C). Množství získané energie záleží na těchto faktorech:

• na technologii výroby FV panelů (účinnosti)
• na intenzitě dopadajícího světla (lokalita)
• na ploše, na kterou světlo dopadá (přímo-úměrně)

Monokrystalické panely

• Ideální pro šikmé střechy s  orientací na Jih + 5-10° a dvouosé polohovací jednotky- trackery nejvyšší výkon na m²
• Současný výkon panelu mezi 170-290W
• Musí být orientovány na Jih a nezastíněny
• Životnost 30 let s garancí 90% výkonu po 10 letech a 80% garancí výkonu po 25 letech
• Barva černá

Polykrystalické panely

• Využitý na střešních systémech i na pozemcích
• Je třeba mírně větší plochy než u mono panelů
• Mohou být orientovány i na jinou světovou stranu než jih (JV, V, Z), jelikož dokážou přeměňovat i difuzní záření
• Nejvyšší výkon na panel – až 260W
• Životnost 30 let s garancí 90% výkonu po 10 letech a 80% garancí výkonu po 25 letech
• Barva tmavě modrá

Tenkovrstvé a Si panely

• Ideální pro elektrárny, které nejsou omezeny plochou pozemku
• Nižší pořizovací náklady
• Nejvyšší výkon na instalovaný Watt při dopadu difuzního světla – ideální při špatné orientace střechy a území s častou oblačností
• Nejnižší výkon na m2. U těchto systémů je třeba počítat s plochou řádově 2.5x vyšší než u elektráren vybavených krystalickými panely.
• Životnost 20 let s garancí 90% výkonu po 10 letech a 80% garancí výkonu po 15 letech
• Barva červeno-hnědá

2. Fotovoltaická elektrárna

je soubor menšího či většího počtu solárních panelů montovaných na pevné, či otočné konstrukce napojených na střídač, z něhož prochází střídavý proud do rozvaděče RD přes měřič Zeleného bonusu a dále buď do spotřebičů, nebo do sítě NN. Sluneční elektrárnu můžete postavit na střeše svého rodinného domu, výrobní haly nebo na pozemku. Dle způsobu dodávky energie do elektrorozvodné sítě pak rozlišujeme tyto 3 základní způsoby:

• ostrovní systém (bez připojení na elektrorozvodnou síť)
• připojení na síť samostatnou přípojkou
• připojení na síť za využití tzv. Zeleného bonusu.

Ostrovní systém

Vyžaduje nákladné baterie, které energii uchovávají a jejichž ekonomická návratnost je diskutabilní.

Připojení na síť samostatnou přípojkou

Tato varianta je zvýhodněna vyšší výkupní cenou za jednu dodanou kWh, ale není zde možnost úspory za spotřebovanou energii. Proto se jedná o způsob připojení vhodný u větších instalací všude tam, kde je elektrárna postavena pouze za účelem dodávky do rozvodné sítě bez možnosti odběru.

Připojení na síť za využití tzv. zeleného bonusu

Tento způsob je ekonomicky nejvýhodnějším způsobem zapojení a je ideální všude tam, kde v době výroby elektrické energie dovede výrobce (majitel, nájemce) vyrobenou energii současně alespoň z části spotřebovat. Výhoda je také v úspoře za zřízení nové přípojky – výrobna energie se připojí do stávajícího rozvodu. Zdánlivou nevýhodou je o cca korunu nižší výkupní cena za kWh. Toto je ovšem velmi zajímavě kompenzována faktem, že v okamžiku, kdy výrobna elektřinu vyrábí , máte výkon výrobny k dispozici zcela zdarma – tedy když vyrábíte a současně spotřebováváte, tak spotřebovanou energii neplatíte svým běžným tarifem (např 3,- Kč za kWh), ale máte ji zcela zdarma . Nutno podotknout, že u systému Zelených bonusů těžko docílíte aby jste všechnu vyrobenou energii spotřebovali v případě, že máte malý stálý odběr. Vyrobená energie je vedena u základních systémů na RD pouze do jedné fáze a proto je třeba uzpůsobit připojení k rozvaděči na fázi, která má přes den největší odběr. U elektráren s výkonem nad 10kW je možnost instalace 3-fazového střídače.
Energie, která není spotřebována je vykupována distributorem za nižší sazbu. Měření proto probíhá na dvou elektroměrech – jeden je těsně u zdroje (tedy střídače) a měří Zelený bonus a druhý je elektroměr přípojky, tzv. čtyřkvadrantní měřič, který dovede počítat jak energii odběrným místem dodanou, tak spotřebovanou. U dobře dimenzovaného systému s  jednofázovým střídačem počítáme se zhruba 75% odběrem spotřebované energie. U třífázového střídače je možnost 100% odběru vyrobené elektřiny.

Obr. 3. Dvě možnosti výkupu elektřiny

3. Umístění fotovoltaických panelů a typy FV elektráren

Geografické umístění FVE je nejideálnější v jižních regionech ČR s nejvyšší mírou sluneční radiace (viz mapa osvitu). Výkonnost panelů stoupá s nadmořskou výškou, ale klesá se zvyšující se teplotou (proto v květnových vlahých dnech můžete vyprodukovat více energie než v horkých srpnových). Panely musí být orientovány na Jih s ideálním odklonem 5-10° na Západ a musí být nezastíněny. Správný sklon panelů bývá udáván mezi 30-40° od vodorovné roviny. V případě stavby FVE na rovné střeše nebo pozemku si poradíme s orientací snadno pomocí montážních konstrukcí, pokud ale máte střechu odkloněnou od jihu o více něž 45° na východ či západ, stavbu raději nedoporučujeme. V tomto případě je třeba panely umístnit na pozemek.

Střešní systém

• Ideální FV systém pro soukromou potřebu do 15kW. Pro každou instalovanou 1kW je potřeba cca plochy 8-9m2 (podle typu panelů) u sedlové střechy a 16m2 u rovné střechy.

• Ideální polohou systému je střecha s jižní orientací s odklonem cca 5 stupňů na jihozápad a se sklonem 30-40 stupňů.
• Pro tento systém používáme monokrystalické a polykrystalické panely s výkonem od 180-250W s životností 25 let a garancí výkonu 90% po 10 letech a min. 80% po 25 letech.
• FV systém je instalován na stávající střechu s jakoukoliv povrchovou úpravou pomocí kovových konstrukcí, nebo lze systém včlenit do nově budované střechy místo krytiny.
• FV systémy jsou odhadovány dle reálné situace a vyráběny na míru.
• Legislativně pomůžeme s výplní formulářů a ostatních legislativních úkonů a cena systému zahrnuje veškerou projektovou, inženýrskou činnost včetně východní revize a žádosti o připojení.
• Klient si musí před vypracováním projektu zajistit Územní souhlas a Snímek z katastrální mapy.
• Cena těchto elektráren se pohybuje mezi 75 000-100 000Kč/kW podle velikosti a typu střechy.

Elektrárny na pozemek

• Velikost FV Elektrárny je omezena pouze rozlohou pozemku, výši investice a možností připojení k distribuční soustavě.
• Standardní velikost elektrárny se pohybuje mezi 20kW-3MW a je instalovaná na velko-rozlohové střechy, nebo soukromé pozemky na pevné konstrukce , nebo otočné polohovací systémy (trackery ) jež zvyšují výkon elektrárny o cca 35%.
• Orientačně je možno instalovat 500kW na 1Ha plochy systémem na pevné konstrukci.
• Cena těchto elektráren se pohybuje mezi 80 000 – 120 000 Kč/kW podle velikosti elektrárny a vzdálenosti přípojky.

A) Trackery

• Jedno a dvouosové nosiče panelů se snímačem polohy slunce, jejichž vyšší pořizovací náklady jsou zúročený 35% zvýšením výkonu.
• Jednotlivý tracker unese 3-11 kW monokrystalických panelů podle typu a velikosti trackeru.

B) Systémy na pevných konstrukcích

• Jedná se o pevné kovové konstrukce u kterých je třeba počítat s 2x násobnou instalační plochou než je tomu u střešních systémů (je třeba počítat se zastíněním panelu panelem před ním)

• Pro elektrárnu na pozemek je možno použít všechny druhy FV panelů – jak monokrystalické a polykrystalické , tak amorfní (tenkovrstvé) aSi panely (jejichž nižší cena je vykoupena dva a půl násobně větší plochou potřebnou k instalaci). Typicky používáme 220W poly panely a 75W aSi tenkovrstvé panely.
• Návratnost těchto systémů se pohybuje kolem 8 let.
• FV elektrárny jsou zapojovány do 22kV sítě a nepředpokládá se vlastní spotřeba (toto ovšem není podmínkou – vlastní spotřeba zvyšuje návratnost systému).
• Aby mohla být elektrárna připojena do DS, je nutné, aby splňovala požadavky distributora; nejen proto doporučujeme naši dlouholetou zkušenost s výstavbou sítí a jednání se společností E.ON ČR.

Fototermika

Oproti přímé fotovoltaické přeměně energie slunečního záření na energii elektrickou, kdy je principiálně využitelná jen menší část spektra dopadajícího záření, při fototermické konverzi se využívá všech vlnových délek slunečního záření. Absorbovaná energie slunečního záření se mění v teplo, zvyšuje se teplot povrchu absorbéru, který funguje jako tepelný výměník.