První kroky - úvod do fotovoltaiky
Fotovoltaika je výroba elektřiny ze slunečního záření. Při výrobě elektřiny ze slunce nevzniká hluk, a proto se fotovoltaika hodí kamkoli. Na opuštěný ostrov i do velmi lidnatých měst. Každé ráno, když začne svítit slunce, se začne s prvními slunečními paprsky vyrábět elektřina. Více slunce znamená více elektřiny. Méně slunce znamená méně elektřiny. Intenzita slunečního záření je však proměnlivá, a proto se používá průměrná hodnota, takzvaná sluneční konstanta. Slunce ale svítí ve slunečních cyklech. Tyto cykly jsou dlouhé 22 let. 11 let intenzita slunce stoupá a 11 let intenzita klesá. To znamená, že slunce může být ve svém maximu, což je ideální, ale to už proběhlo nebo ve svém minimu, a to se k nám blíží. Poslední sluneční maximum mělo být dle vědeckých poznatků kolem roku 2012-2013. Ze záznamů elektrárny 24Kw, kterou provozuji v Praze od roku 2010 je ale patrné, že maximum intenzity slunečního záření bylo v roce 2011. V současné době se intenzita slunečního záření snižuje. A tento trend bude pokračovat až do roku 2022-2023, tedy následujících 8-9 let. Ve vědeckých studiích NASA o slunečních cyklech se ukazuje, že mimo 22 leté cykly jsou i další období dlouhá 70-90 let, ve kterých intenzita slunečního záření klesá významěji ale opět cyklicky. Z toho plyne, že do budoucna bude slunečních dnů ubývat. To přinese více oblačnosti a zřejmě i deště a potřeba vlastní elektřiny pro ohřev teplé vody a topení v jarních i podzimních měsících se ještě zesílí.
Nejdůležitější součástí každého fotovoltaického systému jsou proto fotovoltaické panely. Vzhledem k vývoji slunečních cyklů a vzhledem ke snižování intenzity slunečního záření v následujících 8-9 letech jsou pak nejvhodnější panely tenkovrstvé. Označují se CIGS, CGIS, CIS. Tyto panely umí vyrábět elektřinu z několika různých spekter slunečního záření, tedy i z těch, které oko nevidí. Fotovoltaika z těchto panelů má životnost 30-40 let. Panely CIGS, CIS, CGIS vyrábí elektřinu i v dešti a při oblačnosti, což jiné panely neumí. Pro následujících 10 let jsou tedy nejvodnější technologií.
Fotovoltaické panely se dělí na:
1. křemíkové - polykrystalické, monokrystalické a amorfní.
2. tenkovrstvé - různé druhy technologie tenkovrstvých panelů dosahují různých vlastností a účinností. Nejvhodnější z nich jsou panely CIGS,CIS, CGIS.
2. Panely tenkovrstvé CIGS,CIS, CGIS, vyrábí elektřinu z několika různých slunečních spekter - z několika různých druhů slunečního záření oku viditelného ale i oku neviditelného. Což je obrovská výhoda v deštivém a nebo oblačném počasí. S ubývající intenzitou viditelného slunečního záření v následujících 8-10 letech bude schopnost vyrábět elektřinu v zamračených dnech neocenitelná.
Mračna a déšť jsou pro křemíkové a amorfní panely překážkou, kterou viditelné sluneční záření neprosvítí, a proto se elektřina v této době z křemíkových panelů nevyrábí a nebo je jí velmi málo. Většinou je to 1-5% výkonu z celkové kapacity všech instalovaných panelů.
Tenkovrstvé panely CIGS,CIS, CGIS, v dešti elektřinu a pod mrakem vyrábějí elektřinu s nárůstem 20-25%, ve srovnání s panely křemíkovými.
Pokud tedy křemíkové panely vyrábějí 1% elektřiny z celkové instalované kapacity všech panelů 10Kw, je to 100 W okamžitého výkonu. Tenkovrstvé panely mohou ve stejných podmínkách vyrábět 2100 W-2500W. A to už je významný rozdíl.
Slunce vychází nad obzorem vždy z úhlu 0 st. a v poledne je nejvýš. Čím vyšší je vaše nadmořská výška, tím jste blíž ke slunci a dosáhnete lepších hodnot.
Nejlepších výsledků by se dosáhlo, kdyby byly panely otočené tak, aby na ně slunce vždy dopadalo kolmo. Natáčecí mechanismus je ale velmi nákladný a náročný na obsluhu i údržbu. Proto se panely instaluji na pevno do univerzálního úhlu. U vetší ploché střechy je možné použít jednoosou naklápěcí konstrukci, která se v zimně nastaví do jiného - ostřejšího uhlu než v létě. Zisk z tohoto naklápění je v rozmezí 10-15-20%. Záleží to na tom, kolikrát v roce se úhel naklonění mění. Čím častěji se úhel změní, tím dokonalejšího výsledku se dosáhne. Při 4 změnách úhlu naklopení ročně se získá asi 15% elektřiny každý den navíc. Proto platí, že pro letní období je dobré dát panely více na plocho a pro zimní období je zase více postavit na kolmo.
Fotovoltaika - popis funkce - zjednodušeně
Slunce svítí na fotovoltaické – sluneční – solární - panely. Tyto panely přemění sluneční světlo na elektřinu označenou DC – stejnosměrná. Vyrábí se (viz. předchozí pasáže) různé druhy panelů s různou účinností a různou schopností měnit sluneční záření na elektřinu. Protože je intenzita slunečního svitu nepravidelná vlivem oblačnosti a my potřebujeme pravidelný tok energie pro svoje spotřebiče, používá se sluneční měnič - sluneční regulátor. Ten umí z nepravidelného slunečního záření DC udělat pravidelné DC. Toto pravidelné DC se pak dále zpracovává na AC elektřinu. Regulátor na pravidelný tok energie se používá integrovaný v měniči a nebo samostatný. Každý z obou druhů má pak svoje opodstatnění. Regulátor v měniči se používá převážně pro síťové provedení a regulátor samostatný se převážně používá pro ostrovní provedení.
Další důležité zařízení fotovoltaického systému - elektrárny – je právě měnič- střídač, který pro nás z elektřiny DC -stejnosměrné, připraví elektřinu AC- střídavou - 230V. Ta je využitelná elektrickými spotřebiči o kterých říkáme, že fungují na 220 -230 V.
Když na panely svítí slunce, energie se přemění na elektrickou. Když slunce nesvítí, není co přeměnit. Proto je dobré si elektřinu schovat na noc. Na to se používají akumulátory, tedy baterie. Ale protože baterie patří k nejdražší investici z celé instalace, je možné elektřinu akumulovat i přeměnou na teplo do vody. Takže v průběhu dne se ohřívá zásobník vody například pro podlahové vytápění, které celou noc chladne a tím nám topí. A na svícení pak potřebujeme jen malé a slabé baterie. A pokud je teplo, elektřinu můžeme v průběhu dne použít na klimatizování- ochlazování a v nočních hodinách opět svítit z baterií. Pro ilustraci je dobré uvést, že dva dospělí lidé kteří večer vaří kávu či čaj spotřebují za noc průměrně 2 Kwh elektřiny. 4 lidé pak asi dvojnásobek.
Ideální fotovoltaický systém se tedy skládá:
z panelů a měniče - pokud stavíme v síťové provedení - napojení elektrárny na 230 do sítě
z panelů, měniče siťového a měniče bateriového a baterií v ostrovním provedení - u vyspělých sestav se baterie používají jen jako zásoba elektřiny pro noční provoz a je možné použít i podporu sítě 230v- pokud jsou baterie vyčerpané
z panelů, regulátoru, měniče a baterií v ostrovním provedení u nejlevnějších a nejméně účinných sestav - zde je nižší pořizovací cena vykoupena potřebou dobrých baterií, protože veškerý provoz záleží na bateriích
Rizika a nebezpečí plynoucí s použitím křemíkových panelů.
Křemíkové panely jsou nejrozšířenější panely a nejčastěji vám je nabídnou, s informací, že jsou levné. Má to ale svoje ale.
1.pokud je zamračeno, vyrábí křemík jen do 5% nominálního výkonu celé sestavy.
2. 265 dnů je zamračeno nebo deštivo, a to je 72% z roku. To jsou téměř 3/4 roku, kdy je výkon křemíku špatný. Pokud chcete elektřinu i v zimních měsících, musíte si postavit velmi silný a tedy i drahý systém, aby jste z něho mohly využít v zimním období 5%. V létě pak máte elektřiny nadbytek. Křemík umí vyrábět elektřinu jen při dobrém osvitu viditelným zářením. Takže 3/4 roku vyrábíte málo nebo do 5%. Tedy celkem 265 dnů v roce mají panely špatné výsledky. Jen 100 dnů v roce fungují na 100%.
265 dnů v roce je ve střední evropě oblačno, zataženo a prší. 100 dnů je jasno a slunečno. Tyto uváděné hodnoty o množství slunečných dnů jsou průměrné, převzaté z matematických modelů.
3. v předcházejících letech se letní nadbytečná elektřina vykupovala za peníze, a tak si každý majitel elektrárny mohl za ušetřené peníze elektřinu v zimních měsících koupit. V současnosti, když elektřinu spotřebováváte a potřebujete ji vlastně každý den a ideálně i v zimních měsících, je nevýhoda křemíku velká a je vhodné sáhnout po panelech jiných. Ideální jsou nyní panely tenkovrstvé.
Tenkovrstvé panely CGIS
Nejvhodnější fotovoltaické panely pro současnost pro evropské použití jsou právě panely CGIS. Nepříznivých dnů se špatnými světelnými podmínkami je průměrně 265 za rok, což je 72% z 365 a těch slunečných je pouze 100, což je 28% ročně. CGIS mají v zamračeném a deštivém počasí + 20-30% vyšší výkon ve srovnání s křemíkem v závislosti na umístění a použitých úhlech. Při plném osvitu mají také vyšší výkon +20-30%. Je to dané tím, že elektřinu vyrábí z několika různých spekter slunečního záření a využívají i pro oko neviditelné záření. Protože pracují i s rozptýleným světlem, jsou tím předurčeny k celoročnímu využívání. Pokud chcete systém, který pro vás bude mít elektřinu v průběhu celého roku, pak je tohle nejvhodnější řešení. V následujícím odkaze jsou uvedeny informace o technologii CGIS.
Jeden z nových majitelů panelů CGIS, který si je koupil v dubnu 2013 řekl:
".... Moje 4kw soustava CGIS dává v dešti 1Kw. Můj kamarád, který bydlí 2 km ode mne, má 18Kw křemíkovou elektrárnu a také z ní má v dešti 1Kw. Máme tedy v dešti stejný výkon. Ten jeho křemíkový systém je tedy 5x silnější a byl rozhodně dražší a v dešti nám to dává stejně.
Oblačných dnů je v ČR přibližně 265, což je témeř 3/4 roku. Proto je CGIS technologie nejvhodnější volba pro všechny varianty elektráren, kdy chcete elektřiny co nejvíce v průběhu celého roku! CGIS pracuje s rozptýleným světlem a se zářením, které oko nevidí a mračna ho tedy nezadrží.
Fotovoltaické systémy se pak dělí na:
1. Ostrovní elektrárny
2. Síťové elektrárny
3. Hybridní elektrárny
Síťový systém potřebuje pro svůj provoz AC síť 220-230V, a proto se buduje tam, kde je síť k dispozici. I v roce 2014 je možné připojit elektrárnu k distribuční soustavě. Za vyrobenou elektřinu sice nedostanete zaplaceno, ale máte právo vyrobenou elektřinu spotřebovat v okamžiku, kdy ji vyrábíte. A máte právo do sítě puzštět všechny přebytky, které neumíte spotřebovat. A bez baterií máte vždy nějaké přetoky, přebytky do sítě. Žádné současné zařízení vám bez baterií nezaručí, že do sítě nepůjde žádný přebytek.
Hybridní systém je v současnosti nejdokonalejším způsobem výstavby FVE. Ke svému provozu využívá výhody obou předchozích systémů a k tomu je schopen spolupracovat s dalšími zdroji na výrobu elektřiny. Jsou to motorový generátor - elektrocentrála - a větrná elektrárna. Kombinací fotovoltaické elektrárny s podporou větru v zimních měsících pak můžete získat dokonalý soběstačný elektrický systém, a elektřinu můžete mít k dispozici vždy, když svítí slunce, fouká vítr a nebo jsou nabité baterie. Obecně lze pak říct, že v období, kdy svítí slunce, což je ve střední evropě 100 dnů. V tomto období vítr nefouká a v ostatních dnech fouká.