ČO JE TO
FOTOVOLTAIKA ?
Fotovoltaika je technický obor zaoberajúci sa procesom
priamej premeny svetla na elektrickú energiu. Názov je odvodený od slova foto (svetlo) a volt (jednotka elektrického napätia).
Proces premeny prebieha vo fotovoltaickom článku.
Princíp výroby
energie vo fotovoltaickom článku
Jedná sa o aplikáciu fotoelektrického javu, pri ktorom dopadom
fotónov na polovodičový p-n prechod dochádza k uvolňovaniu a hromadeniu volných
elektrónov. Ak je p-n prechod doplnený o dve
elektródy (anóda a katóda), môžeme už hovoriť o fotovoltaickom
článku, ktorým môže pretekať elektrický prúd. Je nutné si uvedomiť, že fotovoltaika je dynamicky sa rozvýjajúce
odvetvie na svete. V roku 1997 bol medziročný nárast dodávok 38%. Priemerný
ročný nárast od roku 1990 je 15%. Fotovoltaiku
objavil Alexander Edmond Becquerel v roku 1839. V
roku 1958 sa prvý krát použili fotovoltaické články
pre výrobu energie v kozmických programoch a od tej doby sa staly
ich nodmyslitelnou súčasťou.
Princíp činnosti fotovoltaického článku
Technické riešenie
na rodinnom dome
Fotovoltaické panely
Fotovoltaické články, ktoré sú
zoskupené do fotovoltaických panelov rôznych veľkostí
a výkonu sú základom fotovoltaického systému.
Najrozšírenejšie fotovoltaické panely sú v súčastnej dobe kremíkové. Rôznym spracovaním kremíku sa
dajú vyrobiť monokryštalické, polykryštalické
a amorfné fotovoltaické články. Monokryštalická
bunka má tvar čierneho osemuholníka a polykryštalická
bunka je sfarbená modro a má tvar štvorca. V praxi sa používajú prevažne monokryštalické bunky.
Monokryštalické bunky majú väčšiu účinnosť než polykryštalické, ale využitie plochy modulu nie je vzhľadom
k tvaru tak dokonalé – v konečnom dôsledku sú oba typy výkonovo obdobné.
Účinnosť polykryštalických modulov je 12 – 14 %.
Účinnosť monokryštalických modulov je 12 – 16 %. Cena
a životnosť sú rovnaké.
Fotovoltaický panel je schopný
vyrábať elektrickú energiu aj bez priameho osvetlenia na základe difúznefo zariadenia, ktoré je v SR prevládajúce.
Monokryštalický článok
Fotovoltaický panel zložený zo
72ks článkov
Striedač
Vo
fotovoltaických paneloch je vyrobený jednosmerný
prúd, ktorý treba premeniť pre dodávku do distribučnej siete na prúd striedavý,
predpísaných parametrov (230V / 400V, 50Hz) v striedači
(niekedy nazývaný ako menič alebo investor). Toto je riadiace centrum celého
systému, ktoré je schoponé podávať informácie o vyrobenej
energii a prevádzkových stavoch napr. pomocou GSM, alebo internetu.
Striedač musí dodávať čo najvyšší výkon. To je
zabezpečené predovšetkým odstránením transformátoru s následným znížením
tepelných strát a použitím zariadenia pre sledovanie bodu max. výkonu (MPP),
ktoré zmenou vstupného odporu zaisťuje optimálny chod striedača.
Striedače ktoré ponúkame dosahujú max. účinnosť až
96,3%.
Prifázovanie striedača
(pripojenie energie z panelu do siete) je úplne automatizované.
Na dlhú životnosť striedačov má mimo iné vplyv aj
špeciálne konštrukčné riešenie – chladenie prirodzenou cirkuláciou vzduchu bez
použitia ventilátoru. Záruka striedačov sa pohybuje v
rozmedzí 5 – 20 rokov.
Elektromer vlastnej
spotreby
Tento
elektromer meria energiu Vami spotrebovanú, za ktorú nič neplatíte a naviac dostávate odmeny za ekologicky vyrobenú energiu vo
forme zeleného bonusu.
Elektromer energie
predanej do siete
Tento
elektromer meria energiu Vami dodanú do distribučnej siete. Za každú kWh, ktorá prejde týmto elektromerom účtujete
distribútorovi 0,448€ za 1kWh – cena platná pre rok
Typy fotovoltických systémov
Samostatné
(ostrovné) systémy - grid off
V
stredoeurópskych podmienkach sa fotovoltika využíva v
miestach, kde nie je k dispozícii elektrina zo siete. Teda v prípadoch, kde sú
náklady na vybudovanie a prevádzku prípojky vyššie než náklady na fotovoltický systém (cca od vzdialenosti k rozvodnej sieti
viac než 500 -
Výkony sa pohybujú od 100 Wp do 10 kWp špičkového výkonu. Investičné náklady na ostrovné
systémy sú v rozmedzí 40 - 60 000 Sk/m2, čo zhruba predstavuje 350 - 520 Sk/Wp.
Grid off systémy sa ďalej
delia na systémy s priamym napojením, hybridné systémy alebo systémy s
akumuláciou elektrickej energie.
Schéma zapojenia
systému grid-off
Systémy s priamym
napojením
Ide
o jednoduché prepojenie fotovoltického panelu a
spotrebiča, kde spotrebič funguje iba počas doby dostatočnej intenzity
slnečného žiarenia. Využíva sa napríklad na nabíjanie akumulátorov malých
prístrojov, čerpanie vody na zavlažovanie, napájanie ventilátorov.
Hybridné ostrovné
systémy
Používajú
sa tam, kde je nutná celoročná prevádzka a kde je občas používané zariadenie s
vysokým príkonom. V zimných mesiacoch je možné získať z fotovoltického
zdroja podstatne menej elektrickej energie než v letných mesiacoch. Preto je
nutné tieto systémy navrhovať na zimnú prevádzka, čo má za následok zvýšenie
inštalovaného výkonu systému a podstatné zvýšenie prvotných nákladov.
Výhodnejšou alternatívou preto je rozšírenie systému doplnkovým zdrojom
elektriny, ktorý pokryje potrebu elektrickej energie v obdobiach s
nedostatočným slnečným svitom a pri prevoze zariadení s vysokým príkonom. Takým
zdrojom môže byť veterná elektráreň, elektrocentrála, kogeneračná
jednotka a pod.
Systémy s
akumuláciou elektrickej energie
Používajú
sa tam, kde potreba elektriny nastáva i v dobe bez slnečného žiarenia. Z týchto
dôvodov majú tieto ostrovné systémy špeciálne akumulátorové batérie,
konštruované pre pomalé nabíjanie i vybíjanie. Optimálne nabíjanie a vybíjanie
akumulátorov je zaistené regulátorom dobíjania. K ostrovnému systému je možné
pripojiť spotrebiče napájané jednosmerným prúdom (napätie systému býva
spravidla 12 alebo 24 V) a bežné sieťové spotrebiče 230 V/~50 Hz napájané cez striedač napätia.
Grid off
systém nainštalovaný na Téryho chate vo Vysokých
Tatrách
Grid off
systém nainštalovaný v Aquacity Park v Poprade
Systémy pripojené k
energetickej sieti – grid on
Schéma zapojenia
systému grid-on
Systémy
grid-on fungujú celkom automaticky vďaka
mikroprocesorovému riadeniu sieťového striedača,
ktorý premení jednosmerný prúd z panelov na striedavý, na ktorý sú spotrebiče v
domácnosti konštruované. Pripojenie k sieti podlieha schvaľovaciemu riadeniu pri
rozvodných závodoch, pričom je nutné dodržať dané technické parametre.
Investičné náklady sú v rozmedzí 39 - 58 000 Sk/m2, čo zhruba predstavuje 200 -
350 Sk/Wp.
Slnečná elektráreň
Spôsob výroby
elektrickej energie v slnečnej (solárnej) elektrárni
Existujú
dva základné princípy premeny slnečného žiarenia na elektrickú energiu:
·
solárne fotovoltické systémy -
elektrárne
·
solárne koncentračné termické elektrárne
Solárne fotovoltické systémy
Pracujú
na princípe fotoelektrického javu - priamej premeny svetla na elektrickú
energiu. Slnečné žiarenie dopadajúce na polovodičový fotovoltický
článok, vyrobený na báze kremíka produkuje jednosmerný elektrický prúd.
Fotovoltické články sú integrované do tzv. modulov s
napätím 6 - 12 V, elektricky prepojené moduly vytvárajú solárne systémy s
výstupným napätím 230 V a viac.
Na základe inštalovaného výkonu rozoznávame:
·
Pracujú na princípe fotoelektrického javu - priamej premeny
svetla na elektrickú energiu. Slnečné žiarenie dopadajúce na polovodičový fotovoltický článok, vyrobený na báze kremíka produkuje
jednosmerný elektrický prúd. Fotovoltické články sú
integrované do tzv. modulov s napätím 6 - 12 V, elektricky prepojené moduly
vytvárajú solárne systémy s výstupným napätím 230 V a viac. Na základe
inštalovaného výkonu rozoznávame:
·
väčšie strešné solárne systémy s výkonom niekoľko kW, ktoré okrem zásobovania domácností prebytky elektriny
(striedavý prúd) dodávajú do verejnej siete.
Solárne
elektrárne s výkonom niekoľko MW, ktoré dodávajú celú výrobu do verejnej siete.
Solárne koncentračné
termické elektrárne
Pracujú na princípe koncentrácie slnečných lúčov zrkadlami na
malú plochu (ohniska), kde vzniknuté veľké teplo sa využíva na generovanie pary
a výrobu elektriny.
Na koncentráciu slnečného žiarenia sa používajú tri základné typy:
·
Solárne koncentračné termické elektrárne Pracujú na princípe
koncentrácie slnečných lúčov zrkadlami na malú plochu (ohniska), kde vzniknuté
veľké teplo sa využíva na generovanie pary a výrobu elektriny. Na koncentráciu
slnečného žiarenia sa používajú tri základné typy:
·
Tanierové parabolické zrkadlá - koncentrujú slnečné žiarenie do absorbéra umiestneného v ohnisku taniera. Kvapalina (olej)
sa tu zohreje na 650
·
Termálne solárne veže - okolo veže sú do kruhu rozložené zrkadlá
ktoré sú natáčané vždy smerom k Slnku a koncentrujú slnečné lúče do zberača
(kotol) umiestneného na veži. Teplota tu dosiahne vyše 1 000
Fotovoltické technológie
Fotovoltické zariadenia predstavujú jednoduchý a
elegantný spôsob, ako premeniť slnečné žiarenie na elektrinu. Pracujú na princípe
fotoelektrického javu: častice svetla - fotóny - dopadajú na článok svojou
energiou z neho "vyrážajú" elektróny. Polovodičová štruktúra článku
potom usporiada pohyb elektrónov na využiteľný jednosmerný elektrický prúd. S
rovnakými základnými stavebnými prvkami - solárnymi článkami - je možné
realizovať aplikácie s nepatrným výkonom (napájanie kalkulačky) až po
elektrárne s výkonmi MW.
Najčastejšie používaný materiál na výrobu FV článkov je kryštalický kremík
(približne 90 % súčasnej výroby). Hoci je kremík najrozšírenejší prvok na Zemi,
jeho spracovanie do formy polovodiča je technologicky náročné. Základnou
jednotkou fotovoltických systémov na báze
kryštalického kremíka sú články (solar cells), ktoré sa spájajú do modulov (panelov). Pri moduloch
druhej generácie sa fotovolticky aktívne tenké vrstvy
(amorfný kremík, zlúčeniny CdTe, CIS atď.) nanášajú
na rôzne podklady, napr. sklo, oceľ alebo plast. Výhodou tohto postupu je
vysoká materiálová úspornosť, nižšie výrobné náklady a lepšia integrácia do
stavebných prvkov budov.
Solárny článok je polovodičový veľkoplošný prvok s aspoň jedným PN
prechodom (v podstate ide o polovodičovú diódu). Na rozhraní materiálov P a N
vzniká prechodová vrstva P-N, v ktorej existuje elektrické pole vysokej
intenzity. Toto pole potom uvádza do pohybu voľné nosiče náboja vznikajúceho
absorpciou svetla. Vzniknutý elektrický prúd odvádzajú z článku elektródy.
V ožiarenom solárnom článku sú fotóny generované elektricky nabitými časticami
(pár elektrón - diera). Niektoré elektróny a diery sú potom separované
vnútorným elektrickým poľom PN prechodu. Rozdelenie náboja má za následok
napäťový rozdiel medzi "predným" (-) a "zadným" (+)
kontaktom solárneho článku. Záťažou (elektrospotrebičom) pripojenou medzi oboma
kontaktmi potom preteká jednosmerný elektrický prúd, ktorý je priamo úmerný
ploche solárnych článkov a intenzite dopadajúceho slnečného žiarenia.
Procesy prebiehajúce
pri osvetlení fotovoltického článku na báze monokryštalického kremíka
Sériovým alebo i paralelným elektrickým prepojením solárnych
článkov vzniká po ich zapuzdrení fotovoltický
panel. Sériovým zapojením fotovoltických článkov
do fotovoltických panelov sa zvyšuje napätie, pričom
všetkými fotovoltickými článkami prechádza rovnaký
prúd. Ak však slnečné žiarenie nedopadá na všetky články rovnomerne, tieto
články produkujú prúdy s rôznou intenzitou. To znamená, že celý panel bude
dodávať len taký prúd, aký produkuje najhoršie osvetlený fotovoltický
článok.
Panel musí zaistiť hermetické zapuzdrenie solárnych článkov, musí zaisťovať
dostatočnú mechanickú a klimatickú odolnosť (napr. voči silnému vetru,
krupobitiu, mrazu apod.).
Pretože
výkon článkov závisí pochopiteľne na okamžitom slnečnom žiarení, udáva sa ich
výkon ako tzv. špičkový (watt-peak, Wp), teda
pri dopadajúcom žiarení s intenzitou 1 000 W/m2 pri povrchovej teplote
Fotovoltika sa vyznačuje vysokou spoľahlivosťou.
Výrobcovia modulov garantujú ich životnosť 20 rokov, ale na základe skúseností
z prevádzky najstarších modulov sa predpokladá, že dosiahne 25 – 30 rokov.
Nižšiu životnosť majú meniče.
Fotovoltaika a architektúra
Solárne panely sa najčastejšie umiestňujú
tak, aby boli orientované na juh, so sklonom 30 až 60°. Tak získavajú najviac
energie. V súčasnosti rastie na popularite integrovanie fotovoltických
modulov priamo do fasád. Hrúbka a druh skla závisí od statických a tepelnotechnických požiadaviek. Fotovoltické
moduly vyrábané na mieru spĺňajú kritériá kladené na konštrukciu fasády, ako je
ochrana pred poveternostnými vplyvmi, slnečným žiarením, protihluková
a protipožiarna izolácia či ochrana proti vlámaniu. Sklenená plocha modulov
existuje v ľubovolných rozmeroch od 200 × 300 mm až do veľkosti 2 000 ×