Fotovoltaické elektrárny

Je solární energie budoucností lidstva v celosvětovém měřítku? Vědci tvrdí, že přeměna slunečního záření na elektrickou energii pomocí fotovoltaických slunečních článků bude v 21. století nejrychleji rostoucí výrobou čisté elektrické a tepelné energie. Mezinárodní energetické agentury předpovídají, že se Slunce stane největším zdrojem elektrické energie nejpozději do roku 2050.

Základní informace

Solární panely jsou plochá pasivní zařízení vyrobená z fotovoltaických PV článků. Ty svým povrchem zachycují kvanta elektromagnetického slunečního záření (fotony) a pomocí fotovoltaického jevu pracujícího s polovodičovými materiály, jako je vhodně upravený křemík (potažmo křemíkové polovodičové destičky na panelu), transformují sluneční záření na stejnosměrnou elektřinu. Tu pak měnič elektrárny přemění na střídavé napětí (např. 220 V).

Fotocitlivý křemík (monokrystalický či polykrystalický) je po kyslíku druhý nejrozšířenější prvek zemské kůry a jedná se o dominantní prvek využívaný k výrobě fotovoltaických článků. Panely lze však také vyrobit z různých jiných materiálů (amorfní křemík, mikrokrystalický křemík, síra, organické látky atp.) a pak se jedná o panely tenkovrstevné.

Investice do solárních panelů je doposud stále nemalá, ale nutno říci, že cena neustále klesá a návratnost je maximálně 10 let (bez jednorázové dotace, která v ČR v případě volby hybridního systému s připojením k veřejné distribuční soustavě může činit až 100.000 Kč). Životnost systému je minimálně 25-35 let, avšak s nutností pravidelné mechanické údržby každý rok.

Díky podpoře státní politiky jsou navíc fotovoltaické systémy s výkonem do 10 kWp osvobozeny od daně z příjmu. Lze tedy prodávat přebytky elektřiny z fotovoltaické elektrárny do distribuční sítě, aniž by to bylo považováno za příjmy z podnikání. K legálnímu provozu zařízení není nutno žádat ani o licenci od Energetického regulačního úřadu.

Inteligentní měnič využívaný v hybridních fotovoltaických elektrárnách se stará o přepínání toků energie mezi různými prvky soustavy (akumulátor, distribuční síť, okamžitá spotřeba v domácnosti...)

Druhy fotovoltaických elektráren

Existují tři typy fotovoltaických soustav určených k výrobě elektrické energie:

1. Standardní fotovoltaická elektrárna (FVE)

Význam slovního spojení „standardní FV elektrárna“ označuje způsob výroby elektrické energie prostřednictvím solárního systému s připojením k veřejné distribuční síti (mezinárodní označení on-grid/v síti). Produkovaná energie není kumulována v bateriích a systém nelze v případě potřeby přenést na jiné místo. Energie je spotřebována buď okamžitě, nebo jsou přebytky zasílány do veřejné sítě. Prodej přebytků a následný odběr ze sítě mimo období slunečního svitu je však ekonomicky nevýhodný. Provozovatel FV elektrárny prodává elektřinu do sítě za cenu silové elektřiny, která je oproti ceně elektřiny nakupované zpět ze sítě velmi nízká.

Fotovoltaické panely lze zabudovat jako efektní součást střešní krytiny

Výhodou této klasické solární elektrárny je léty otestovaná technologie a téměř nulová nutnost údržby. Jedná se o technicky jednoduché řešení (zahrnující pouze FV panely, střídač a ochranu) a životnost panelů je asi 25 let, měničů 5 - 8 let.

Negativem je nezbytné schválení parametrů elektrárny veřejným distributorem elektrického proudu a následná závislost na síti. Zařízení k ní musí být nutně připojeno a při jejím výpadku pak nelze využívat ani fotovoltaickou elektrárnu. Pokud navíc investor využije ke snížení pořizovacích nákladů státní dotaci, nesmí do provozu FV později znovu zasahovat (došlo by ke ztrátě nároku na dotaci) a nelze ji tedy přestavět na nezávislejší systém např. typu ostrovní elektrárny.

Solární panely by měly být v ideálním případě umístěny na střeše se sklonem 35°. Není však vyloučeno ani jejich situování na vodorovných střechách, na fasádách nebo balkonech bytových domů.

2. Ostrovní elektrárna

Elektrická energie vyrobená v rámci takzvané ostrovní elektrárny je kumulována do baterií a přináší tak uživateli energetickou nezávislost. Tento typ solárního napájení je velmi praktickým především v objektech, které nedisponují klasickým elektrickým připojením a nebo by jeho pořízení v místě bylo příliš nákladné. Proto je ostrovní systém v mezinárodním slovníku nazýván termínem off-grid (odpojeno od sítě). Není již však výjimkou ani pořízení ostrovní elektrárny tam, kde elektrická přípojka existuje, ale elektrárna do ní není připojena. Není proto nutné žádné schvalování distributorem standardního elektrického proudu, jako je tomu v případě předchozího typu FV systému.

Vyprodukované napětí je nižší než u síťových instalací, hrozí tedy mnohem menší riziko úrazu. Ostrovní systém pracuje se stejnosměrným proudem, jeden solární panel obvykle vyprodukuje 12 V s tím, že v rodinných domech je většinou využíváno sériové zapojení s celkovým výstupním napětím 48 - 60 V. Dnes je navíc běžnou nadstavbou ostrovních systémů střídač neboli měnič. Ten uživateli umožní využívat i ty spotřebiče, které pracují s proudem o napětí 230 V. Tato soustava je tedy řešením nejen pro ty, kteří ji využijí jako záložní zdroj, ale také pro kapacitně náročnější spotřebitele.

Určitou nevýhodou je nutná investice do akumulačních baterií. Využívá se trakční baterie, která plní v podstatě jediný účel. Odčerpává nahromaděnou energii pomalu, obvykle do úplného vybití. Je navržena tak, aby negativním důsledkům opakovaného hlubokého vybíjení odolávala. Zpravidla jsou voleny olověné akumulátory s články o napětí od 2 do 12 V. Mezi novinky jsou řazeny olověné – uhlíkové baterie kombinující výhody kyselinové olověné baterie s velkou kapacitou, které disponují prodlouženou designovou životností při 25° přes 20 let. V poslední době se využívají i baterie na bázi lithia-železa-fosfátu (LiFePO4, LiFeYPO4) či lithia-ionu, které jsou technologicky vyspělejším produktem, jsou lehčí, snáší vyšší nabíjecí/vybíjecí proudy, přežijí i hlubší vybití a netrpí na kolísání teplot. Jsou provozuschopné až 20 let.

Ostrovní systém je prozatím dražší variantou jak využít solární záření k produkci energie, není ale pochyb, že se investice rychle vrací.

Nejmenší ostrovní systémy bývají k vidění na dopravních značkách, ale jsou známy i celé vesnice v odlehlých oblastech, které využívají výhradně napájení elektrikou vyprodukovanou nezávislou ostrovní elektrárnou.

V oblasti solární energie probíhá soustavný technologický vývoj a čeká se další vylepšování vlastností fotovoltaických soustav. Klesají ceny panelů, ale i měničů a baterií a systémy tohoto typu jsou tak každým rokem víc a víc dostupnější.

3. Hybridní fotovoltaická elektrárna (grid interactive)

Hybridní FV systémy jsou instalovány v místech, kde je k dispozici klasická elektrická přípojka.

Ač je většina vyrobené solární elektřiny použita pro vlastní spotřebu (až 100 %, ať už ve formě elektřiny či přitápění tepelným čerpadlem), je elektrárna připojená i k distribuční soustavě a lze tak do ní dodávat vyrobené přebytky.

Jde tedy o ostrovní systém schopný pracovat současně v on-grid i off-grid režimu. Využívá takzvaný hybridní inteligentní měnič napětí, jenž se stará o přepínání toků energie mezi různými prvky dané soustavy (akumulátor, distribuční síť) a přesměrování přebytečné energie v reálném čase či s řízeným zpožděním do předem určených energeticky náročných spotřebičů (klimatizace, bojler atd.).

Jedná se o velmi účinný kompromis mezi klasickou FV elektrárnou a takzvaným ostrovním systémem. Je schopen maximálního využití energie z obnovitelných zdrojů. Hybridní systém je považován za nejekonomičtější řešení umožňující nezávislost uživatele na zvyšování cen elektřiny či na výpadcích elektrizační soustavy.

Ideální umístění

Fotovoltaické panely lze umístit prakticky kamkoliv, střechou počínaje, fasádami a balkóny konče. V případě instalace panelů na fasádě je ovšem nutno počítat s přibližně 25% ztrátou energetické výnosnosti. Co se upevnění na balkonech týče, výhodou může být zastínění získané jakousi markýzou vytvořenou z panelů.

Avšak nejdůležitější při rozhodování kam solární panel umístit je světová strana a sklon střechy. Ideálním směrem je natočení panelu na jih až jihozápad a je samozřejmě nutno počítat s variabilitou svitu – jiný je výkon v případě svitu slunce ze strany v porovnání s přímým svitem kolem poledne. Střecha by měla být nejlépe se sklonem 35°, panely je však možné také přizvednout pomocí speciální kovové konstrukce. Samozřejmě je také nutné dát pozor na zastínění střechy například okolními budovami či stromy.

Perfektním nosičem panelů je takzvaná střecha pultová. Není však vyloučena ani instalace panelů na plochých střechách. Vodorovné umístění ale omezuje samočisticí schopnost panelů, je proto nutné zajistit jejich pravidelnou údržbu.

Česká republika disponuje nestálými klimatickými podmínkami, v létě jsou předpoklady pro funkčnost solárních panelů obvykle vynikající, v jarních či podzimních měsících ucházející a v zimě je slunce velmi málo. Avšak pro zajímavost nutno zmínit, že ani například pouštní oblasti Sahary nejsou nejdokonalejším místem pro výstavbu solárních elektráren. Extrémní hodnoty slunečního záření totiž nemusí nutně znamenat extrémní výnos energie. Těmi nejlepšími regiony jsou spíše vnitrozemské oblasti s vysokou intenzitou slunečního záření a současně nízkou teplotou, jako je Mongolsko, Tibet či náhorní plošiny Čile.

Česká stopa v oblasti solární energetiky

Co se světového vedení v oblasti produkce fotovoltaických článků týče, řadíme do něj mezinárodní konglomeráty jako BP Solar, Shell Renewables, Siemens SolarCanon, Kaneka, Sharp. Leč výzkum, vývoj a pilotní produkce probíhá především na univerzitách, v národních laboratořích a malých spin-off společnostech.

Na českém trhu působí jen několik firem, které se snaží prozatím úspěšně bojovat s velmi silnou, uživateli cenově přístupnější čínskou konkurencí. Společnost Solartec z Rožnova pod Radhoštěm se zabývá výrobou zakázkových solárních panelů. Firma VacuSol, s. r. o. vyrábí v Dolní Rožínce vlastní certifikované solární panely s velmi kvalitním zpracováním. V Brně je umístěna největší česká výrobna širokého portfolia fotovoltaických panelů pod záštitou firmy AU Optronics, která vstoupila na trh zelené energetiky v roce 2008.

Likvidace panelů je ve většině případů předplacena v recyklačním systému mezinárodní organizace PV Cycle, v České republice dále napomáhá recyklaci fotovoltaických soustav RE Solar. Nutno zmínit, že v současnosti lze ze solárních panelů úspěšně recyklovat a znovu využít až 97 % materiálu.

Za zmínku stojí i české výzkumné tendence v oboru solární energetiky. Vývoj související s ukládáním přebytků vyrobené solární energie do vodíku (pomocí elektrolýzy vody) provádějí výzkumníci ÚJV Řež. Vodík je nejjednodušší a nejlehčí prvek, který lze použít jako skladovatelný nosič energie. Oxidací, čili hořením vodíku vzniká teplo, a pokud se tak děje řízeně v palivových článcích, vzniká stejnosměrná elektřina. Navržený systém se skládá konkrétně z fotovoltaické elektrárny, elektrolyzéru PEM, zásobníku na stlačený vodík, palivového článku PEM a elektrického střídače. Výhodou akumulace energie do vodíku je především „čistota“ - spalovaný vodík zanechává za sebou jen vodní páru, žádné jiné emise, a jeho využitím uživatel podstatně přispívá ke zlepšení kvality ovzduší. Energii uloženou ve vodíku lze navíc dlouhodobě skladovat.

Budoucnost a dostupnost solární energie

Výhody solárních systémů jsou očividné, minimální ekologickou zátěží a tím snižováním emisí CO2 počínaje, energetickou soběstačností investora, konče.

Nezbytnou podmínkou přeměny slunečního záření v dobře využitelnou elektřinu je výroba levných a účinnějších slunečních článků z běžně dostupných materiálů. Uvádí se, že při snížení jejich dnešní ceny na pětinu budou ekonomicky zcela konkurenceschopné. Očekává se, že podíl elektrické energie vyrobené ze slunečního záření dosáhne 10 – 30 % nejdříve za následujících 20 - 50 let za přispění rozsáhlých technologických inovací a správných politických rozhodnutí. Vývoj fotovoltaiky je ale tak rychlý, že uvedená čísla a terminy nemusí už za pár let pro specifické sektory společnosti vůbec platit. Zejména venkovské a příměstské obyvatelstvo může být už brzy energeticky soběstačné na základě energie slunce a biomasy.

V České Republice a dalších vysoce rozvinutých zemích jako je Německo, Nizozemí, USA či Japonsko, se projekty domů se slunečními střechami neustále rozšiřují. Nejlepší předpoklady pro rozvoj výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů, tedy i solární energie, má však nejchudší a nejméně elektrifikovaný světadíl, Afrika.

V Maroku byla dokončena první fáze výstavby solárně-tepelné elektrárny využívající zrcadla k nasměrování slunečních paprsků a roztáčení parních turbín.
Nigérie, usilující o posílení své pozice v oblasti výroby solární energie, oznámila výstavbu prvního projektu tohoto typu - solární elektrárny s výkonem 1,2 MW.
Senegal se ve svém boji proti lokálnímu energetickému deficitu zavázal k využití solární energie, jež by měla uspokojit alespoň 30 % energetických potřeb obyvatel na venkově.
Mozambik investoval více než 15 mil. USD do rozvoje solárních technologií.
Rwanda podporuje minisolární projekty, které umožňují dostatečný přístup k elektrické energii místním školám a zemědělcům.

Subsaharská Afrika všeobecně posiluje právní předpisy ve prospěch solární energetiky. Africká rozvojová banka (AfDB) ve spolupráci s OSN zveřejnila v roce 2015 priority, na jejímž vrcholu stojí právě úsilí o rozvoj elektrifikace kontinentu (na venkově je to méně než 20 %). Fotovoltaická energetika je jedním z těch efektivních prostředků, které učiní tento cíl dosažitelnějším.

Závěr

Energie, kterou k naší Zemi září Slunce je obrovská. Nejrůznější analýzy opírající se o nákladové kalkulace a rychlý technologický vývoj solárních systémů dokazují, že energie ze slunce (která kdysi dávno stála u vzniku jak uhlí, tak zemního plynu), je už dnes jejich významnou alternativou a dříve či později je nahradí. Aukce dlouhodobých kontraktů na produkt solární energie v zemích jako Jižní Afrika, Spojené Arabské Emiráty, Peru či Mexiko, to jen potvrzují.

Související články

Autor: Bc. Helena Široká
Foto: Archiv firmy