Elektřina z fotovoltaických panelů

Téměř ve?kerá energie, kterou na Zemi máme, pochází ze Slunce. Na území ČR dopadne za rok asi milionkrát více energie, ne? je roční spotřeba elektřiny. Sluneční záření lze nejefektivněji přeměňovat na teplo, přeměna na elektřinu je dra??í. Přímo ji lze získávat pomocí fotovoltaických panelů, nepřímo pomocí větrných a vodních elektráren, nebo tepelných elektráren spalujících biomasu či bioplyn. Existují i zařízení, kde je teplo spalovacího procesu nahrazeno teplem ze speciálních slunečních kolektorů.

Fotovoltaické panely

Fotovoltaická zařízení představují jednoduchý a elegantní způsob, jak sluneční paprsky přeměnit na elektřinu. Pracují na principu fotoelektrického jevu: částice světla - fotony - dopadají na článek svou energií z něho "vyrá?í" elektrony. Polovodičová struktura článku pak uspořádává pohyb elektronů na vyu?itelný stejnosměrný elektrický proud. Se stejnými základními stavebními prvky - solárními články - je mo?né realizovat aplikace s nepatrným výkonem (napájení kalkulačky) a? po elektrárny s výkony v MW.

Solární článek je polovodičový velkoplo?ný prvek s alespoň jedním PN přechodem (v podstatě jde o polovodičovou diodu). Na rozhraní materiálů P a N vzniká přechodová vrstva P-N, v ní? existuje elektrické pole vysoké intenzity. Toto pole pak uvádí do pohybu volné nosiče náboje vznikající absorpcí světla. Vzniklý lektrický proud odvádějí z článku elektrody.

V ozářeném solárním článku jsou fotony generovány elektricky nabité částice (pár elektron - díra). Některé elektrony a díry jsou poté separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napě?ový rozdíl mezi "předním" (-) a "zadním" (+) kontaktem solárního článku. Zátě?í (elektrospotřebičem) připojenou mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, je? je přímo úměrný plo?e solárních článků a intenzitě dopadajícího slunečního záření.

Princip činnosti solárního článku.

V současné době jsou nejroz?ířeněj?í solární články vyrobené z krystalického křemíku ve formě monokrystalu (účinnost 14 a? 17 %) nebo polykrystalu s účinností 12 a? 15 %. Levněj?í články na bázi amorfního křemíku (účinnost 5 a? 9 %) jsou na ústupu. V laboratořích byly ji? vyvinuty články s účinností a? 28 %, nejlep?í komerční výrobky mají účinnost 20 %.

Proto?e výkon článků závisí pochopitelně na okam?itém slunečním záření, udává se jejich výkon jako tzv. ?pičkový, tedy při dopadajícím záření s intenzitou 1 000 W/m² při definovaném spektru. Článek s účinností 17 % má při plo?e 1 m² ?pičkový (peak) výkon 170 W_p.

Odhad produkce fotovoltaického panelu.

Energie vlo?ená do výroby fotovoltaických panelů je těmito panely získána zpět v na?ich podmínkách během 2 - 4 let, přitom předpokládaná ?ivotnost je minimálně 20 let.

Fotovoltaické panely integrované do krytiny různým způsobem.

Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich zapouzdření fotovoltaický panel. Články jsou sério-paralelně elektricky spojeny tak, aby bylo dosa?eno potřebného napětí a proudu. Panel musí zajistit hermetické zapouzdření solárních článků, musí zaji??ovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost (např. vůči silnému větru, krupobití, mrazu apod.).

Systémy připojené k síti (grid-on)

Fotovoltaický zdroj elektřiny lze pou?ít pro dodávku do distribuční sítě. U nás zatím pracuje jen několik takových experimentálních zařízení. Častěji se toto zapojení vyu?ívá v budovách, kdy fotovoltaika napájí přednostně spotřebiče v domě. Není-li v domě odběr, jsou přebytky prodávány do sítě. Tyto systémy se obejdou bez poměrně nákladných akumulátorů; jako nekonečně velký akumulátor jim slou?í sí?. Naopak v?dy potřebují střídač, který přemění stejnosměrný proud z panelů na střídavý, na který jsou spotřebiče v domácnosti konstruovány. Takto zapojené systémy má u nás ji? téměř 1 000 ?kol. Byly podpořeny dotací Státního fondu ?ivotního prostředí a slou?í hlavně k výuce; jejich energetický přínos je mizivý, nebo? instalovaná plocha je malá (nejčastěji do 2 m², výkon cca 200 W_p).

Schéma zapojení systému dodávajícího energii do rozvodné sítě.

Systémy grid-on fungují zcela automaticky díky mikroprocesorovému řízení sí?ového střídače. Připojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodů; je nutné dodr?et dané technické parametry. Investiční náklady jsou v rozmezí 23 - 35 000 Kč/m², co? zhruba představuje 200 - 350 Kč/W_p.

Samostatné (ostrovní) systémy - grid off

Ve středoevropských podmínkách se častěji vyu?ívá fotovoltaika v místech, kde není k dispozici elektřina ze sítě. Tedy v případech, kdy jsou náklady na vybudování a provoz přípojky vy??í ne? náklady na fotovoltaický systém (cca od vzdálenosti k rozvodné síti více ne? 500 - 1 000 m, v?dy nutno potvrdit individuálně). Mů?e to být chata, ale třeba i obytný automobilový přívěs, kde je díky slunečnímu záření komfort elektrického osvětlení, chladničky i dal?ích spotřebičů. Fotovoltaika také pohání nouzové telefonní budky u dálnic nebo výstra?nou dopravní signalizaci. Mů?eme narazit i na fotovoltaikou napájené parkovací automaty. Takové zařízení lze kdykoli snadno přemístit, bez nutnosti rozkopávat chodník pro napojení k síti.

U připojených spotřebičů se pak klade důraz na nízkou spotřebu energie - čím men?í spotřeba, tím men?í a levněj?í pak je i fotovoltaický systém. Trh nabízí nejrůzněj?í spotřebiče konstruované na stejnosměrný proud, od zářivek, přes chladničky, televize a? třeba po vodní čerpadla.

Výkony se pohybují v od 100 W_p do 10 kW_p ?pičkového výkonu. Investiční náklady na ostrovní systémy jsou v rozmezí 30 - 45 000 Kč/m², co? zhruba představuje 270 - 400 Kč/W_p.

Systémy s přímým napájením se pou?ívají tam, kde nevadí, ?e připojené elektrické zařízení je funkční jenom po dobu dostatečné intenzity slunečního záření. Jedná se pouze o propojení solárního modulu a spotřebiče. Příklad aplikace: čerpání vody pro závlahu, napájení oběhového čerpadla solárního systému pro přípravu teplé u?itkové vody, pohon protislunečních clon nebo nabíjení akumulátorů malých přístrojů - mobilní telefon, svítilna atd.

Schéma zapojení ostrovního systému.

Systémy s akumulací elektrické energie se pou?ívají tam, kde potřeba elektřiny nastává i v době bez slunečního záření. Z tohoto důvodu mají tyto ostrovní systémy speciální akumulátorové baterie, konstruované pro pomalé nabíjení i vybíjení; automobilové akumulátory se zde příli? nehodí. Optimální nabíjení a vybíjení akumulátorů je zaji?těno regulátorem dobíjení. K ostrovnímu systému lze připojit spotřebiče napájené stejnosměrným proudem (napětí systému bývá zpravidla 12 nebo 24 V) a bě?né sí?ové spotřebiče 230 V/~50 Hz napájené přes napě?ový střídač.

Příklad aplikace: zdroj elektrické energie pro chaty a dal?í objekty, napájení dopravní signalizace, telekomunikačních zařízení nebo monitorovacích přístrojů v terénu, zahradní svítidla, světelné reklamy, camping a jachting.

Hybridní ostrovní systémy se pou?ívají tam, kde je nutný celoroční provoz a kde je občas pou?íváno zařízení s vysokým příkonem. V zimních měsících je mo?né získat z fotovoltaického zdroje podstatně méně elektrické energie ne? v letních měsících. Proto je nutné tyto systémy navrhovat na zimní provoz, co? má za následek zvý?ení instalovaného výkonu systému a podstatné zvý?ení pořizovacích nákladů. Výhodněj?í alternativou proto je roz?íření systému doplňkovým zdrojem elektřiny, který pokryje potřebu elektrické energie v obdobích s nedostatečným slunečním svitem a při provozu zařízení s vysokým příkonem. Takovým zdrojem mů?e být větrná elektrárna, elektrocentrála, kogenerační jednotka apod.

Příklad aplikace: rozsáhlej?í systémy pro napájení budov s celoročním provozem.

Fotovoltaika v architektuře

Solární panely se nejčastěji umis?ují tak, aby byly orientovány na jih, se sklonem 30 a? 60°. Tak získávají nejvíce energie. Zařízení, která panely automaticky naklápí a natáčejí za Sluncem, se příli? nepou?ívají, proto?e jsou nákladné. V posledních letech se začínají stále častěji uplatňovat díky novým technologiím.

U vět?ích systémů jsou solární panely z estetických důvodů často integrovány do fasády domu, i kdy? to z energetického hlediska není nejvýhodněj?í. Architekt mů?e při návrhu vyu?ít i to, ?e křemíkové články lze různě zabarvit.

Budova s fotovoltaickou fasádou (Wels, Rakousko).

Fotovoltaika v kostele (Německo).

Při návrhu vět?ích prosklených ploch lze vyu?ít fotovoltaické články integrované do skla, tak?e fungují jako ?aluzie. Důvody pro jejich pou?ití v?ak mohou být pouze architektonické, z energetického hlediska jde o nesmysl.

Kapesní nabíječka tu?kových akumulátorů.

Fotovoltaikou napájená roleta stře?ního okna.

Kapesní aplikace

Asi nejčastěji se s fotovoltaikou mů?eme setkat v kalkulačkách, budících, rádiích a podobné elektronice, která nemá příli? vysokou spotřebu. Pro vět?inu mobilních telefonů lze pořídit fotovoltaickou dobíječku, která přijde vhod zejména na del?ích výpravách mimo civilizaci. Fotovoltaické články mohou být naneseny i na pru?né podlo?ce. To vyu?ívá "elektrická" bunda, která díky na?ité fotovoltaice na ramenou a zádech mů?e napájet walkman nebo dobíjet mobil tomu, kdo ji má na sobě. I kdy? se zdá, ?e jde jen o hračky, fotovoltaika zde zajímavým způsobem sni?uje mno?ství problematického odpadu, který jinak představují alkalické tu?kové i jiné baterie.

Dotace, výkupní ceny

Na instalaci solárního systému lze získat dotaci od Státního fondu ?ivotního prostředí (www.sfzp.cz). Podmínky jsou různé pro různé ?adatele a mění se i v čase. Fyzické osoby mohly v roce 2005 získat a? 40 % investičních nákladů.

Je-li systém připojen k eletrorozvodné síti a dodává do ní proud, lze elektřinu prodávat za státem regulovanou cenu. V roce 2005 to bylo 6,04 Kč/kWh, od 1. 1. 2006 dokonce 13,20 Kč/kWh.

Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování

Fotovoltaický systém pracuje nejlépe, pokud je navr?en pro skutečné místní podmínky (dimenzování, umístění solárních článků a způsob vyu?ití).

Pro dimenzování je důle?ité znát účel, uva?ovanou spotřebu (výrobu) elektřiny, typ a provozní hodiny připojených spotřebičů, zda bude systém připojen do sítě, či nikoliv, způsob napojení na doplňkový zdroj energie a dal?í vstupní údaje:

• počet hodin slunečního svitu a intenzita slunečního záření, která se mění podle zneči?tění atmosféry (město, venkov, hory);
• orientace - ideální je na jih (případně s automatickým natáčením panelů za Sluncem);
• sklon panelů - pro celoroční provoz je optimální 45° vzhledem k vodorovné rovině;
• mno?ství stínících překá?ek - je nutný celodenní osvit Sluncem.

Z vý?e uvedených parametrů je mo?né stanovit mno?ství vyrobené energie z celého systému za rok. Pro podrobněj?í výpočty existují ji? počítačové programy, např. firemní programy výrobců.

Přírodní podmínky

Průměrný počet hodin solárního svitu (bez oblačnosti) se v ČR pohybuje kolem 1 460 h/rok (od 1 400 do 1 700 hodin za rok). Nejmen?í počet hodin má severo-západ území. Směrem na jihovýchod počet hodin narůstá. Lokality se od sebe bě?ně li?í v průměru o ą10 %. V některých ojedinělých případech je odchylka vy??í.

Technický potenciál výroby elektřiny je omezen na plochy, kde lze fotoelektrické systémy instalovat s ohledem na stav sítě, mo?nosti připojení atd. Pro odhady se pou?ívá hodnota roční sumy globálního záření (průměr pro celou Českou republiku je kolem 1 081 kWh/m²).

Jeden m² fotovoltaického panelu s monokrystalickými články má ?pičkový výkon 110 - 120 W_p. Během roku z něho lze získat 80 a? 120 kWh elektrické energie.

Průměrné hodnoty elektrické energie [Wh/den], kterou lze získat během jednoho dne ze solárního panelu s výkonem 110 W_p (cca 1 m²) dle měsíců.

Fotovoltaické články různých barev.

Fotovoltaický systém s instalovaným výkonem 1 kW_p je schopen v podmínkách ČR dodat ročně 800 - 1 000 kWh elektrické energie.

Obrázek 34: Fotovoltaický systém ve ?kole