Navigace

Univerzální překladač

Překlad (translations)

Czech English French German Italian Polish Russian Spanish

QR kód

Kontaktní informace o CNE.

kontaktní informace pro Vaše mobilní zařízení

klikněte na obrázek pro zvětšení

Zakládající člen ČFA

Jsme členem České fotovoltaické asociace, o. s.

Člen AVTČ

Jsme členem Asociace pro využití tepelných čerpadel

Aktuální počasí

Počasí dnes:

22. 7. 2017

bo

Bude polojasno až oblačno, místy přeháňky nebo bouřky. Denní teploty 27 až 31°C. Noční teploty 18 až 14°C.

Vyhledávání

rozšířené vyhledávání ...

Datum a čas

Dnes je sobota, 22. 7. 2017, 12:41:48
Odeslat stránku e-mailem

Obsah

Fotovoltaické elektrárny

Fotovoltaické systémy pro výrobu elektřiny

Co to je fotovoltaika?

Fotovoltaika umožňuje, přímou přeměnu slunečního světla na elektrický proud. Tato přeměna se uskutečňuje prostřednictvým tzv. fotoelektrického jevu. Ten je v zásadě vzájemným působením mezi dopadajícím slunečním světlem a dotovaným polovodičem (polovodič s příměsí dalších prvků) solárních článků (propojením více článku vzniká modul). Přitom dochází k uvolňování elektrických nosičů nábojů, které jsou prostřednictvým kovových kontaktů odváděny. Takto vyrobenou stejnosměrnou energii je možno používat přímo, nebo je nejčastěji pomocí střídače (invertoru, měniče) transformována pro použití v klasické distribuční síti (0,4kV 50Hz).

 

 Řez solárním článkem

  Řez polovodičem fotovoltaického článku

Historie

Za objevitele fotoelektrického jevu (nesprávně označováno jako fotovoltaický jev) je považován francouzský fyzik Antoine César Becquerel (1788 - 1878).
Fotoelektrický jev v roce 1887 poprvé popsal Heinrich Hertz. Pozoroval, z pohledu tehdejší fyziky, nevysvětlitelné chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu.

První solární článek vytvořil v roce 1883 americký vynálezce Charles Fritts. Jeho fotočlánek byl vyroben ze selenového polovodiče potaženého tenkou vrstvou zlata a jeho účinnost byla pouhé 1%, což vzhledem k vysoké ceně bylo pro výrobu elektřiny nevyhovující.

Fotoelektrický jev fyzikálně popsal v roce 1905 Albert Einstein (1979–1955). Nobelova cena za fyziku mu nebyla udělena za teorerii relativity, jak se většina lidí domnívá, ale právě za popis fotoelektrického jevu.

Solární článek si nechal v roce 1946 patentovat americký inženýr Russell Shoemaker Ohl (1898 - 1987), který pracoval na výzkumu materiálů pro telekomunikační firmu AT&T Bell Laboratories, kde byl také roku 1954 vynálezci G.L. Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller vyroben první solární článek založený na monokryslalickém křemíku s účinností cca 6%.

Impulsem pro rozvoj fotovoltaiky byla kosmonautika, kde solární články začaly sloužit jako zdroj energie pro vesmírné družice. První družicí, jejíž solární články napájely po 7 let jeden z jejích vysílačů, byla v roce 1958 americká družice Vanguard I.

Výroba elektrické energie fotovoltaickými panely je ekologická, nehlučná a z dnešního hlediska i investičně velice výnosná.

Současnost

V současné době se nejčastěji setkáváme s první generací solárních článků. To jsou nám dobře známé monokrystalické a polykrystalické křemíkové články.  Jejich nevýhodou jsou vysoké výrobní náklady a poměrně malá účinnost (12-14%), proto je výzkum a vývoj směřován na druhou a  třetí generaci fotočlánků.

Druhá generace (tenkovrstvé články) se zaměřuje na nevýhody první generace, účinnost komerčně dostupných fotočlánků je zatím nižší než 1. generace, avšak jejich pořízení je za nižší cenu. Články druhé generace se vyznačují 100-1000x tenčí aktivní absorbující polovodičovou vrstvou (thin-film). Používají se zejména články z amorfního nebo mikrokrystalického křemíku. Využívají se také tzv. smíšené polovodiče materiálů jako je Cu, In, Ga, S, Se označované jako CIS struktury.

Budoucnost

Třetí generace solárních článků zahrnuje vícevrstvé a koncentrátorové články. Vícevrstvé články pracují na principu vícevrstvých struktur z nichž každá substruktura absorbuje určitou část spektra slunečního záření a zbytek záření přechází do nižších vrstev. Tím se maximalizuje energetická využitelnost fotonů.

Koncentrátorové články se snaží zvýšit využití klasických drahých fotovoltaických článků a pomocí čoček nebo zrcadel koncentrovat sluneční záření a osvětlovat tak článek mnohem většími intenzitami světla. Jejich účinnost se pohybuje okolo 30% a více.


Novou technologii výroby sluneční energie za pomoci speciální techniky pomocí fotosyntézy vyvinuli izraelští vědci z Telavivské univerzity. Novou technologií by měly být geneticky zkonstruované bílkoviny, které mají využívat fotosyntézu k výrobě elektrické energie. Nové články by měly být přibližně 200x levnější. Větší má být i účinnost, která se má zvýšit z 12-14 % u křemíkových panelů až na 25  %.Nová technologie je umožněna díky poznatkům z genetického inženýrství a  nanotechnologií.

Někteří výrobci se snaží využívat nanotechnologie a další pokročilé technologie, např. nanodrátky nebo polovodičové kvantové tečky.

Přírodní podmínky v ČR

Z hlediska využívání solární energie je nejdůležitějším faktorem intenzita záření a počet hodin slunečního svitu v jednotlivých ročních obdobích, případně i součinitel znečištění atmosféry. Solární energie je svojí povahou rozptýlená, tj. málo koncentrovaná a její dostupnost je závislá především na počasí a ročním období, nicméně je dostupná a využitelná prakticky všude.

Slunce je ústředním dodavatelem energie našeho slunečního systému. Intenzita záření na povrchu slunce je cca 70.000 kW/m2. Na naší planetu se z tohoto výkonu dostane však pouze malý zlomek. Přesto však, samotná zářivá energie, která vstoupí na naše kontinenty představuje ročně energii záření v hodnotě 219.000.000 miliard kWh. To odpovídá 2500 násobku součastné světové spotřeby.

Na vnějším okraji atmosféry činí průměrná intenzita záření 1360 W/m2 (solární konstanta). Při průchodu atmosférou se však část záření „ztratí“. Za jasného dne tedy máme k dispozici pro naši potřebu 800-1100 W/m2 globálního záření.

Doba slunečního svitu a intenzita záření jsou závislé na ročním období, povětrnostních podmínkách a přirozeně na geografické poloze. Roční objem globálního záření v nejslunějších oblastech Země přesahují 2200kWh/m2. V České republice jsou v některých oblastech dosahovány hodnoty přes 1140 kWh/m2.


Jak se mohou průměrné roční sumy globálního záření lišit ukazují následující obrázky:

Roční úhrn slunečního zářeníPrůměrná doba svítivosti slunceSluneční záření

 

 

Globální záření se skládá z přímého a difuzního záření.  Přímé sluneční záření je ta část záření, která dopadá relativně bez omezení ze směru od slunce a vytváří stíny. Difuzní záření je všesměrové a je vyvoláno v důsledku procesů rozptýlení a odrazů v atmosféře. Je podstatně závislé na klimatických a geografických podmínkách. Zatímco v létě je podíl difuzního záření cca 50% globálního záření, v zimě je jeho podíl podstatně větší.

 Podíl přímého a difuzního záření během roku

 Podíl přímého a difuzního záření v průběhu roku

Z hlediska fotovoltaiky platí, že fotovoltaické panely složené z monokrystalických nebo polykrystalických fotovoltaických článků potřebují k dosažení maximální výtěžnosti zejména přímé záření, tedy přímé sluneční světlo. Tenkovrstvé fotovoltaické panely vyrobené na bázi amorfního křemíku, umějí dobře zužitkovat i záření difuzní a proto v celoročním úhrnu vyrobí tenkovrstvý panel více energie (asi o 10%) než panel z mono či polykrystalických křemíkových článků. Největší výhodou tenkovrstvých článků je navýšení výroby elektřiny právě v zimních měsících, což podporuje větší využívání těchto  článků  v energeticky náročném zimním období a tím pro vlastníka větší užitek.

Z hlediska ročních období  připadá na letní polovinu roku přibližně 75% celkového slunečního záření. Naopak v měsících s vysokou potřebou energie (listopad-únor) dopadá do našich zeměpisných šířek pouze asi jedna šestina celkové roční sluneční energie.

Umístění FVE vzhledem k světovým stranám a vlivy okolního prostředí na výnosy

Umístění FV elektrárny a vyvarování se nepříznivým vlivům je rozhodujícím faktorem pro její budoucí výnosy.

Optimálním umístěním fotovoltaického systému rozumíme takovou orientaci a sklon, která nám zajistí maximální výnos ze systému v průběhu celého roku. V podmínkách české republiky se jedná o sklon cca 35st.  a orientaci přímo k jihu. Neznamená to ovšem, že pokud bude střecha orientová např. k západu a sklon bude o  20st. menší, nebude takový systém ekonomický vůbec přínosný. Výnosy z takových systému budou samozřejmě nižší. Nejlépe uvidíme vliv sklonu a  orienatace na možné výnosy z následujícího grafu s modelovým příkladem. (30°sklon/45° jihozápad = výtěžnost 95%) 

Vliv sklonu a orientace FV panelů na výtežek

Diagram vlivu sklonu a orientace fotovoltaických panelů na energetický výnos

Důležitým faktorem pro výnosy z fotovoltaické elektrárny je vliv zastínění. Ten se mnohdy podceňuje a například i zdánlivě banální zastínění od antény nebo bleskosvodu může mít vliv na celkové výnosy v řádu procent až desítek procent. Je tedy třeba brát na zřetel všechny potencionální vlivy zastínění, jako jsou sloupy, stromy, antény nebo i dráty elektrického vedení. Podstatný vliv zastínění na výnosy je dán hlavně fyzikální podstatou funkce FV článku. Pokud dojde k zastínění byť jen jediného článku na fotovoltaickém panelu, začne se tento článek chovat jako odpor a „brzdí“ tok elektrické energie ve všech ostatních článcích, případně panelech spojených v jedné větvi (sérii). Je tedy opravdu důležité vyhnout se případnému zastínění jak jen je to možné.

Zastínění a tím snížení výkonu může vyvolat i nadměrné znečištění panelů např. pylem, prachem, spadaným listím ale i sněhem nebo ptačím trusem. Fotovoltaické panely mají samočistící schopnost, je i  přesto doporučeno provádět průběžnou kontrolu znečištění FV panelů  v průběhu celého roku a případně panely očistit nejlépe proudem vody (nikdy nepoužívat škrabky nebo neznámá chemická čištidla).

Rozdělení podle velikosti a typu instalace

Malé střešní instalace s výkonem zpravidla do pár kWp umístěná na střešní konstrukci budovy, zejména pak na rodinných domech. Rozeznáváme pak ještě instalace integrované do střešní krytiny a instalace v rovině střechy na hliníkové nosné konstrukci.

Velké střešní instalace o výkonech přesahujících 30kWp až po obrovské v řádech MWp. Jsou to převážně instalace na velkých průmyslových objektech, halách či logistických centrech.

Volně stojící instalace o výkonech stovek kWp až po instalace v řádech MWp. Jsou to elektrárny instalované na volných prostranstvích, kde je podpůrná konstrukce pevně  spojená se zemí.

Připojení k síti

Z hlediska připojení elektrárny k distribuční síti je možné rozlišit čtyři způsoby. Každý z nich má svá specifika a je nutné ještě před montáží určit o jaký způsob připojení půjde.

Přímý výkup neboli přímé připojení do sítě a prodej provozovateli distribuční sítě - při tomto způsobu připojení je veškerá vyrobená elektrická energie dodávaná do distribuční sítě a je prodávaná za tzv."Výkupní cenu".

Schéma přímého výkupu

Přímé připojení do sítě a prodej obchodníkovi s  elektrickou energií - tento způsob připojení je méně obvyklý, a pro majitele malého FV systému zbytečně legislativně složitý. V tomto případě je veškerá vyrobená elektrická energie dodávaná obchodníkovi s elektřinou, který vykupuje celkovou produkci takto připojeného FV systému za předem sjednanou cenu.

 

Zelený bonus neboli připojení do stávajících rozvodů el. energie v objektu - tento způsob připojení je vhodný v případě, že podstatnou část produkce je možno spotřebovat přímo v objektu a případné přebytky jsou prodávány distribuční společnosti. Tento způsob připojení je většinou upřednostňován u menších instalací do 10 kWp na RD nebo v případě podnikových elektráren až do výkonu 30kWp. Je to nejjednoduší cesta k připojení FV systému do distribuční soustavy, bez nutnosti zřizování nového odběrného místa a potažmo přípojky elektrické energie, kde se náklady pohybují v desítkách tisíc korun (za zřízení nového přípojného místa).

shéma zapojení fotovoltaické elektrárny formou zelného bonusu

Ostrovní systém" neboli „Off grid" připojení - využívá se v lokalitách kde není možné připojení na elektrickou distribuční síť, například v odlehlých oblastech, horách. V tomto případě je veškerá vyrobená elektrická energie spotřebovávána v objektu a zpravidla je průběžně ukládaná do akumulátorů.

zapojení FV elektrárny formou ostrovního systému

Pokud je výkon elektrárny vyšší než 4,6kWp je nutné provést vždy připojení třífázově, tzn. musí být použit střídač s třífázovým výstupem. Při větších výkonech nad 100kWp se zpravidla elektrárna připojuje přes trafostanici do vysokonapěťového vedení VN 22kV. Instalace nad 100kWp podléhají v současné době autorizaci (povolení MPO).

Hlavní součásti fotovoltaické elektrárny

Fotovoltaický panel

Stavebním prvkem fotovoltaického panelu jsou jak bylo již uvedeno fotovoltaické články, které se pro dosažení potřebného výkonu spojují sérioparalelně. Typy panelů se dělí podle typu výroby článků na:

Monokrystalický - je složen z monokrystalických článků a jeho účinnost se pohybuje v rozmezí 12-16%.

Polykrystalický - je složen z polykrystalických článků a jeho účinnost se pohybuje v rozmezí 12-14%.

Tenkovrstvý - neboli též amorfní (thin film), vyráběný technologií nanášení slabé vrstvy amorfního křemíku na podklad ze skla nebo fólie. Nevýhodou těchto panelů je jejich malá konverzní účinnost (cca 8%) a potřeba dvojnásobné plochy oproti poly, nebo monokrystalickému panelu. 

Na následujícím obrázku jsou dobře vidět rozdíly mezi všemi popsanými články.

Typy fotovoltaických panelů a struktur

Životnost fotovoltaických panelů se pohybuje v rozmezí 25  – 35 let, nejčastěji se udává průměrná hodnota, tzn. 30 let. V průběhu času ztrácí solární panel postupně na účinnosti, ale jedná se pouze o malou ztrátu (cca 0,3% ročně), která nijak výrazně neovlivní výnosy z fotovoltaické elektrárny. Obvykle je garantována účinnost 90 % po 12ti letech provozu, 25 let starý solární panel by měl dosahovat účinnosti nad 80 %.

Aby fotovoltaický panel mohl bezproblémově sloužit po dobu své životnosti je použito na jeho ochranu speciální kalené sklo, kvalitní fotovoltaický panel tak odolá náročným povětrnostním i srážkovým podmínkám, tzn. větru, dešti, sněhu ale i krupobití. Solární panel by neměly poničit ani kroupy do průměru 2 – 2,5 cm. Panely, pokud jsou správně přichyceny na odpovídající nosné konstrukci, odolávají bez úhony i přívalům sněhu v horských oblastech. Na následujícím obrázku jsou dobře vidět použité materiály pro výrobu FV panelů.

 

konstrukce fotovoltaického panelu

Konstrukce FV panelu

Fotovoltaické panely a potažmo celý systém je zařízení bezúdržbové. Je ovšem třeba provádět průběžnou kontrolu znečištění panelů. Takové znečištění potažmo zakrytí plochy panelu ať už sněhem nebo jinými nečistotami výrazně snižuje aktuální výnos celého systému.

Invertor neboli střídač

Jelikož výstupem fotovoltaického panelu je stejnosměrný proud, je nutné jej převést na proud střídavý, o parametrech elektrické sítě (230/400V 50Hz). Tuto přeměnu zajišťuje střídač. U malých elektráren kromě funkce přeměny proudu a napětí, také zajišťuje funkci ochrannou, kdy monitoruje napětí a frekvenci sítě a v případě výpadku, nebo nedodržení kvalitativních požadavků na vyrobenou elektřinu elektrárnu od sítě odpojí. Každý kvalitní střídač dnes obsahuje jeden nebo více MPPT (maximal power point trackers), což je funkce aktivního hledání optimálního pracovního bodu změnou vstupního odporu střídače a tím získání nejlepšího výkonu fotovoltaického panelu při daném ozáření. Čím lepší a propracovanější je algoritmus MPPT, tím vyšší bude výnos z fotovoltaického systému. Maximální účinnost dnešních střídačů se pohybuje kolem 96% (EU účinnost, což je účinnost při částečném zatížení, kolem 93%). Lepší účinnosti dosahují beztransformátorové střídače, které jsou vhodné zejména pro nízkonapěťové systémy složené z tenkovrstvých modulů. Střídače osazené transformátorem sice dosahují nižší účinnosti, ale na druhou stranu dosahují kvalitnějšího výstupu.

 

Nosná konstrukce

Nezanedbatelnou částí fotovoltaické elektrárny je bezesporu nosná konstrukce pro panely. Konstrukční systémy se dají rozdělit podle typu instalace na:

Konstrukce pro sedlové střechy. Vhodná pro malé instalace na rodinné domy se sedlovou střechou se sklonem přibližně 35° a orientací k  jihu nebo jihozápadu. Nosným prvkem zde jsou hliníkové profily přichycené speciálními háky ke konstrukci střechy. K profilům jsou připevněny fotovoltaické panely. Tato konstrukce je snad vůbec nejpoužívanější, zejména pro její jednoduchost, snadnou montáž a nízkou cenu.

Konstrukce pro ploché střechy. Tyto konstrukce jsou většinou tvořeny ocelovými pozinkovanými profily trojúhelníkového tvaru, které jsou vzájemně „zavětrované“ a podélně spojené hliníkovým profilem pro uchycení fotovoltaických panelů. Konstrukce se ke střeše připevňuje buď napevno chemickými kotvami, nebo se zatíží betonovými bloky či dlaždicemi. Toto řešení je pracnější a nákladnější než konstrukce na sedlové střeše. Nejmodernějším řešením pro ploché střechy je využití speciální odlehčených konstrukcí, které se podstatně méně přitěžují, je využíváno podtlakového efektu pro pevnou pozici konstrukce a systém je proto vhodný pro střechy s velmi malým statickým zatížením.

Konstrukce pro volná prostranství. Stejné řešení jako u  plochých střech se používá u větších elektráren postavených na volných prostranstvích, pouze s tím rozdílem, že konstrukce se spojuje pevně se zemí a to buď závrtnými šrouby, pozinkovanými profily zatlačenými do země, nebo betonovými základy. Tyto konstrukce bývají komplikované a nákladné, protože musejí odolávat mnohem tvrdším povětrnostním podmínkám a vlivům, pohybu podzemních vrstev, tlaku podzemní vody a zejména pak silnému větru.

Polohovatelné systémy. Dalším možným, a co do výtěžnosti, nejlepším způsobem pro uchycení fotovoltaických panelů jsou polohovatelné systémy tzv. trackery. Tracker automaticky otáčí a naklání panely ke slunci podle jeho astronomické dráhy a umožňuje tedy maximální výtěžnost z fotovoltaického systému. Zkušenosti hovoří o 30-35% nárůstu výtěžnosti oproti běžným pevným instalacím. Nevýhodou ovšem zůstávají zvýšené počáteční náklady, vlastní spotřeba elektrického proudu a nutná, pravidelná údržba (dozor).

Akumulační systémy elektrické energie

 

Funkce systému je následující: Fotovoltaický systém (1) převádí sluneční záření na stejnosměrný proud (zdroj proudu), který je následně buď přeměněn na střídavý proud střídačem (4) a směřovaný ke spotřebiteli (červená šipka), nebo (pokud je požadavek od spotřebitele malý) ho použít k rozkladu vody na kyslík a vodík = elektrolýza (2).Vodík je pak uložen ve vodíkové nádrže (3). Uložený vodík se převádí zpět na elektřinu (2) pomocí palivových článků, když je to potřeba, tj. když není generován proud z fotovoltaických panelů (modrá šipka).

Společnost Fronius, již započala s výrobou palivového článku (fuel cell), který zahrnuje oboustranný akumulační systém energie. Pro zajímavost v sekci ke stažení, uvádíme technické parametry palivového článku.