FOTOVOLTAIKA - Tzb-energ
Main menu:
FOTOVOLTAIKA
Co je to fotovoltaický jev a proč při něm vzniká elektřina?
Princip fotovoltaického jevu je důsledkem toho, že fotony slunečního záření dopadající na vrstvený solární panel, tvořený dvěma polovodičovými vrstvami materiálu s rozdílným typem vodivosti ( N a P), vyrazí z krystalické mřížky elektrony. Ty se uvolní z valenční sféry atomových jader, emitují, stávají se volnými a jsou následně součástí toku elektrického proudu. Tak fotovoltaické články převádějí sluneční záření přímo na elektrický proud. Ten lze pomocí elektrod rovnou odvést k jednoduchým spotřebičům nebo případně do akumulátoru. Pro napájení běžných domácích elektrospotřebičů na střídavý proud je včak nutno doplnit střídač, který energii převede na střídavé napětí o velikosti a frekvenci shodné s distribuční soustavou. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 francouzský fyzik Alexandre Edmond Becquerel. První fotovoltaický článek byl však potom sestrojen až v roce 1883 Charlesem Frittsem, který potáhnul polovodivý selen velmi tenkou vrstvou zlata. Jeho zařízení mělo pouze jednoprocentní účinnost. V roce 1946 si nechal patentovat konstrukci solární článku Russel Ohl. Současná podoba solárních článků se zrodila v roce 1954 v Bell Laboratories. Při experimentech s dopovaným křemíkem byla objevena jeho vysoká citlivost na osvětlení.
Co je to fotovoltaický článek?
Fotovoltaický článek je velkoplošná polovodičová součástka ( fotodioda) schopná přeměňovat světlo na elektrickou energii. Využívá při tom fotovoltaický jev. Základem je křemíková destička, zpravidla o velikosti 12×12 cm nebo větší. Nejpoužívanějším materiálem pro výrobu solárních článků se stal totiž křemík, což je pevná krystalická látka se strukturou podobnou struktuře diamantu. Na rozdíl od něj však dokáže absorbovat část slunečního záření a má vlastnosti polovodiče. Osvětlením pak dochází k prudkému zvýšení jeho vodivosti. Jednotlivé diody se pak nazývají fotovoltaické články a jsou obvykle spojovány do větších celkůrůzné velikosti -
Jaké jsou typy fotovoltaických článků?
Dle tvaru buňky se rozlišují na:
a) monokrystalické články,
které se skládají z jednoho krystalu křemíku o velikosti víc jak 10 cm a vyrábí se pomalým tažením roztaveného křemíku.
Monokrystalická buňka je černá ve tvaru osmiúhelníku, a poznáme je podle celoplošné stejnosměrné krystalové struktury siliciových atomů.
Monokrystalické buňky jsou více účinné než polykrystalické, ale využití plochy modulu není vzhledem k tvaru dokonalé a tak v konečném výsledku jsou oba typy modulů výkonově obdobné.
Účinnost monokrystalických modulů je 15-
b) polykrystalické články,
které se skládají z většího množství menších krystalů o velikosti 1 – 100 mm různě orientovaných.
Polykrystalická buňka je modře zbarvená ve tvaru čtverce a poznáme je podle částečné stejnosměrné struktury krystalů, tvoří něco jako ledové květy
Účinnost polykrystalických modulů je 12-
Cena a životnost obou typů je stejná.
Dle výroby jsou články dvojího typu:
a) krystalické technologie
Krystalické články jsou vytvořeny na tenkých deskách polovodičového materiálu. V krystalických technologiích převažuje křemík, a to monokrystalický nebo multikrystalický, jiné materiály jsou používány pouze ve speciálních aplikacích
b) tenkovrstvé technologie
tenkovrstvé články jsou přímo nanášeny na sklo nebo jinou podložku.Tenkovrstvých technologií je celá řada, například amorfní křemík a mikrokrystalický křemík, jejichž kombinace se nazývá tandem, dále telurid kadmia a CIGS sloučeniny.
Nejpoužívanější z tenkovrstých technologii jsou
články amorfní:
Amorfní křemík je v tenké vrstvě nanesen na sklo nebo fólii. Účinnost amorfních članků je 8-
Celoroční výnos je ovšem až o 10% vyšší díky jejich schopnostem zachytit více ambietního ( rozptýleného) světla, které je v ČR převládající. Vyžadují transformátorové měniče.
Jaká je účinnost fotovoltaických systémů dnes? 
Výroba fotovoltaických panelů, nosných komponent a přenosových systémů se v poslední době značně zdokonalila, díky pokroku ve vědě a technologii a zvýšenému zájmu veřejnosti o alternativní a obnovitelné zdroje energie. Každým rokem se účinnost FVP zvyšuje a naopak náklady na výrobu a vstupní objemy surovin i spotřebovaných materiálů stále dále klesají.
Jeden solární článek dokáže při max. výkonu vytvořit napětí asi 0,5 V a elektrický o proud velikosti až 3 A. Solární články se velmi snadno navzájem propojují do větších celků, což je jejich velmi významnou vlastností.. Tyto celky se pak nazývají solární moduly nebo také fotovoltaické moduly a představují základní stavební kameny fotovoltaických systémů. V jednom solárním panelu je běžně 36 článků o výstupním napětí 12 V nebo 72 článků o napětí 24 V. Solární panely mají různé výkony od 150 až po 280 W. Výkonovou jednotkou pro označení panelů je Wattpeak (Wp) neboli špičkový výkon, což je výkon naměřený za určených podmínek (ozáření 1000W/m2, teplota 25°C). Účinnost solárních panelů se dnes pohybuje v rozmezí 8 – 20%, v laboratorních podmínkách již bylo dosaženo 40 %, což jsou hodnoty atakující účinnost některých větrných elektráren. Rozměry solárních panelů jsou různé podle producenta, většinou jsou ale plochy panelů menší než 2 m2, což je dáno požadavkem snadné manipulace s panely.
Co jsou fotovoltaické systémy?
FVE ON-
Většina vlastníků tohoto systému dodává a vyrábi elektrický proud pro vlastní spotřebu, přebytek vyprodukované solární energie pak dodává do veřejné distribuční sítě, čímž získávají úhrady za každou dodanou kWh elektrické energie.
FVE ON-
HFVE je zkonstruovávána tak, aby bylo možné spotřebovat veškerou energii, kterou lze z FV panelů vyrobit. Zjednodušený algoritmus výroby HFVE je následující – primární je potřeba nabití bateriové banky, která je nedílnou součástí HFVE Po plném nabití bateriové banky dochází k přesměrování vyráběné el. energie do prioritních spotřebičů (ve většině případů jde o vytápění a přípravu TUV). V případě že má investor schválené připojení do DS, může samozřejmě inkasovat Zelený bonus a případné přebytky dodávat do DS.
FVE ON-
Většina vlastníků tohoto systému jsou distributioři elektrické energie a zařízením, které do sítě dodává je obvykle FVE většího výkonu, typicky přes 100 kWP.Kompletně vyprodukovaná energie se pak dodává do veřejné distribuční sítě, čímž distributoři získávají úhrady za každou dodanou kWh elektrické energie.
FVE OFF-
Tyto fotovoltaické systémy jsou nejstarší aplikací fotovoltaiky. Jsou energetickým centrem vesmírných satelitů a stanic, napájejíí notebooky a další techniku při výpravách do končin, kde se s jiným energetickým zdrojem nedá počítat. Využívají se také pro zásobování energií v objektech, kde by se přivedení přípojky k distribuční síti nevyplatilo nebo není technicky či stavebně možné. Častou aplikací jsou systémy na čerpání vody. Ostrovní fotovoltaický systém je pro pohon vodních pump s elektrickými motory nejlepším, lehce dostupným, a nevyčerpatelným zdrojem elektrické energie. Jejich slabinou jsou baterie. Jsou stále drahé, dle použité technologie musí být v odvětrávaném prostoru s relativně stabilní teplotou a dále počet jejich nabíjecích cyklů není neomezený. Dle použití takové baterie vydrží cca. 2-
Co je fotovoltaická hybridní elektrárna?
Jedná se o kombinaci solární elektrárny typu ON-
Pokud totiž nedostanete od provozovatele distribuční sítě ( ČEZ nebo EON ) povolení k provozu FVE typu "ON-
a přesto chcete využívat sluneční energii z fotovoltaických panelů, tak můžeteje ještě realizovat a instalovat FVE jako hybridní elektrárnu.
Jaké jsou možnosti a využití takové elektrárny?
Pokud nebudete dodávat elektřinu do distribuční sítě, tak není nutný souhlas distributora (ČEZ, EON, PRE). Energie kterou vyrobí fotovoltaické panely a není okamžitě přímo spotřebována se akumuluje v bateriich, odkud může být spotřebována i v době kdy není dostupný sluneční svit. Moderní řídící jednotky odběru proudu pak zajistí optimální poměr mezi okamžitou spotřebou a nabíjením akumulace. V případě výpadku elektrického napětí je váš hybridní systém okamžitě připraven fungovat jako záložní zdroj. Nabíjet baterie můžete také v nízkém tarifu a vybíjet je pak ve vysokém, čímž opět můžete uspořit. Pokud bude vaše FVE připojena k distribuční síti, můžete pak také plně využít dotací pro zelenou energii se zachováním všech popsaných výhod. Nevýhodou hybridní FVE ale zůstávají stejně jako u ostrovního systému baterie, jejich životnost, omezená kapacita a nutnost jejich bezpečného skladování.
Hybridní fotovoltaické elektrárny jsou už v ČR i na Slovensku instalovány a počet dokončených instalací se vyšplhal již na několik desítek.
Životní cyklus a recyklace fotovoltaiky
Fotovoltaické systémy neprodukují žádné odpady ani emise při výrobě elektřiny. Nejdříve je však třeba je vyrobit a nainstalovat a na konci životnosti opět demontovat a zpracovat. Od roku 1975 do roku 2006 poklesla cena fotovoltaických systémů na 1/20 a roční produkce vzrostla 25 000krát. Na pokles ceny má vliv několik faktorů, nejvýznamnější jsou růst účinnosti článků, pokles ceny křemíku, používání tenčích desek a v neposlední řadě zmiňovaný růst objemu výroby [6]. Energetická návratnost – doba, za kterou systém vyrobí stejné množství energie jako se spotřebovalo na jeho výrobu – se ve stejné době zkrátila na 1/10 [6]. Rovněž tato skutečnost má výrazný vliv na cenu. Dalším pozitivním důsledkem je snižování environmentálních dopadů.
ANALÝZA ŽIVOTNÍHO CYKLU
Analýza životního cyklu produktu (LCA – Life Cycle Assessment) může sloužit například k porovnávání variant výrobního procesu. Moderní metody sledují celou řadu dopadů, jednoduší metody se zaměřují jen na vybrané aspekty.
Životní cyklus výrobku
Životní cyklus výrobku zahrnuje všechny fáze od těžby surovin, výroby polotovarů a konečných výrobků přes dobu užívání až po recyklaci nebo likvidaci na konci životnosti. Ve všech fázích mohou být sledovány vstupní toky surovin, polotovarů, paliv a energií a výstupní toky produktů, odpadů a emisí.
V případě fotovoltaických (PV) panelů z krystalického křemíku můžeme rozlišit následující fáze životního cyklu:
těžba surovin
výroba metalurgického křemíku (mg-
výroba solárního křemíku (sg-
výroba ingotu a desek
výroba článků
kompletace panelů
montáž fotovoltaického systému
provoz – výroba elektřiny
demontáž systému
recyklace komponent
K tomu doprava v různých fázích. Podobný řetězec lze vysledovat pro ostatní komponenty fotovoltaického systému – měnič, nosná konstrukce případně tracker a další.
Environmentální dopady
Fotovoltaika je vnímána jako technologie šetrná k životnímu prostředí, i z obchodního hlediska je vhodné toto pojetí posilovat. V případě obnovitelných zdrojů obecně se jedná o zvlášť důležitý aspekt. Sledování environmentálních dopadů je proto třeba věnovat odpovídající pozornost. Environmentální dopady je možno z hlediska jejich vzniku rozdělit na přímé a nepřímé. Přímé dopady jsou svázány přímo s konkrétním výrobním procesem. Jsou mezi ně počítány například zábor půdy, emise z těžby primárních surovin, spotřeba vody ve výrobě, emise chemických látek a další. Nepřímé dopady souvisí především s emisemi z výroby spotřebované elektřiny a z dopravy. Z hlediska trvalé udržitelnosti je významná rovněž rychlost čerpání surovinových zdrojů pro vyhodnocení jejich dostupnosti v budoucnosti.
Metody hodnocení životního cyklu
Jednou z nejpoužívanějších metod hodnocení životního cyklu z hlediska environmentálních dopadů je metoda CML [1], v současné verzi CML 2 z roku 2000. Metoda sdružuje různé dopady do několika kategorií, viz Obrázek 1. Na potenciálu globálního oteplování humánní toxicity a acidifikace (2., 4. a 6. sloupec) se ze 70 % podílí sekundární dopady – emise z výroby spotřebované energie [6]. Redukce spotřeby energie ve výrobě má tedy výrazně pozitivní environmentální dopady.
ENERGETICKÁ NÁROČNOST VÝROBY
Podíl jednotlivých položek
Z hlediska spotřeby energie jsou některé fáze výroby panelů náročnější:
rafinace na sg-
výroba ingotů a desek
výroba článků
kompletace panelů.
Z hlediska celého životního cyklu může být významná ještě recyklace na konci životnosti. Ostatní položky jsou méně významné:
montáž systému
spotřeba energie v provozu
demontáž systému
doprava
Podíl jednotlivých položek závisí kromě použité metody výroby solárního křemíku a ingotů i na konkrétním výrobci. Výroba monokrystalických článků je ve srovnání s multikrystalickými energeticky náročnější. Novější provozy však mají v obou případech spotřebu až několikanásobně nižší [1].
Jak se bude vyúčtovávat vyrobená energie
, 5kWh vyrobeno fotovoltaickou elektrárnou
4kWh dodáno do sítě
1kWh vlastní spotřeby
Zelený bonus za množství elektřiny dodané a vykázané z obnovitelných zdrojů (naměřené čtyřkvadrantním elektroměrem): 4kWh × 11,91 Kč = 47,64 Kč bez DPH.
Zelený bonus za ostatní vlastní spotřebu 1kWh × 11,91 Kč = 11,91 Kč bez DPH. Tj. investor ušetřil 4,48 Kč (nulový odběr ze sítě) a naopak vydělal 11,91 Kč.
Celkem 47,64 Kč + 11,91 Kč = 59,55 Kč bez DPH.
Výpočet návratnosti investice
Uvažujeme režim výkupu energie Zelený bonus.
Každá domácnost si může nechat postavit fotovoltaickou elektrárnu do výkonu 5kW.
Pokud by instalovaný výkon u domácnosti přesáhl 5kW, změnila by se sazba za domácnost na sazbu podnikatelskou.
Podnikatelské subjekty si mohou postavit fotovoltaickou elektrárnu jakéhokoli výkonu.
Dále uvažujeme sazbu pro domácnost.
Každá domácnost může instalovat fv. elektrárnu do výkonu 5kW, pokud rezervovaný příkon jističe bude mít hodnotu u 1 fázového jističe 25A. Většina domácností má hodnotu jističe 3 × 25A. Kdyby domácnosti nebyly omezeny výkonem 5kW, mohly by si postavit elektrárnu o výkonu až 17kW.
Fotovoltaické elektrárny se skládají z fotovoltaických panelů, měniče napětí, elektroměru, který měří vyrobenou elektrickou energii, svodičů přepětí a jističů, kabelů atd.
5kWp elektrárna se skládá z 24 ks panelů o výkonu 210Wp a účinnosti 16,4 %. Nejdůležitějším faktorem fotovoltaických panelů je účinnost – tuto hodnotu však mnoho dodavatelů neuvádí nebo záměrně tají, protože některé levnější panely dosahují účinnosti od 8 % do 12 %
Nejúčinnější panely od firmy Sanyo dosahují účinnosti 17,8 %, bohužel cena za tyto panely je příliš vysoká.
Pokud se ale podíváte na výpočty níže, zjistíte, že to, co ušetříte při nákupu levnějších panelů, ztratíte v ročním zisku. Elektrárnu však stavíte na několik desítek let a tím, že koupíte panely s nižší účinností, se připravujete o zisk.
Výpočet
výkon panelu je 210Wp, kde W je watt a p je photon – jednotka intenzity světla
plocha panelu je 1500 mm × 990 mm = 1,485 m2
další parametry panelu: tloušťka 36 mm, hmotnost 18,5 kg
počet panelů 24 × 210Wp = 5,04kWp, celková plocha 35,64 m2
intenzita slunečního záření za rok na m2 v oblasti Plzeňska je 1018kWh/m2/rok
Za rok dopadne na panel 1018 kWh × 35,64 m2 = 36281,52 kWh, se započtením účinnosti 16,4 % je elektrárna schopna vyrobit 36281,52kWh × 0,164 = 5950,1kWh. Tato energie putuje z panelů do měniče napětí s účinností 96 %. Pokud budeme počítat maximální ztrátu v kabelech 5 %, bude užitná energie vyrobená elektrárnou rovna 5950,1kWh × 0,96 × 0,95 = 5426kWh.
elektrárna ročně vyrobí 5426kWh
vypočtený roční zisk z elektrárny je 64623 Kč
roční předpoklad vyrobené energie: 5000kWh
roční předpokládaný zisk: 59550 Kč
Skutečná vyrobená energie za rok z několika různých elektráren se mění podle oblačnosti v dané oblasti.
Kasejovice: 5237kWh/rok
Vejprnice: 5307kWh/rok
Plzeň: 5197 kWh/rok
Mikulov: 5458kWh/rok
Praha: 5012kWh/rok
17.06.2012: Celosvětové investice do obnovitelné energetiky rostou
V roce 2011 vzrostly celosvětové investice do OZE o 17 procent na rekordních 257 miliard USD. To představuje šestinásobek investic z roku 2004 a zvýšení o 94 procent ve srovnání rokem 2007, rokem před finanční krizí. Investice rovněž provází strukturální proměna. V roce 2011 vzrostly investice do solární energie oproti větru; mezi roky 2010 a 2011 vzrostly solární celosvětové investice o 36 procent na 136,6 miliard USD, zatímco investice v roce 2011 do větrné energie byly 74,9 miliard USD – oproti roku 2010 pokles o 12 procent. Zostřuje se konkurenční boj a prudce se snižují ceny fotovoltaiky. V průmyslových zemích se více prostředků investuje do fotovoltaiky a v rozvojových do větrné energetiky.
TZB, MĚŘĚNÍ TERMOKAMEROU, TERMOVIZE, DIAGNOSTIKA BUDOV, ENERGETICKÝ AUDIT BUDOV, EA, PRŮKAZ ENERGETICKÉ NÁROČNOSTI BUDOVY, PENB, SBTOOLCZ, USPORY ENERGIE, FOTOVOLTAIKA, OBNOVITELNÉ ZDROJE ENERGIE, ENERGETICKÉ PORADENSTVÍ, ZELENÁ ÚSPORÁM, INTELIGENTNÍ ŘÍZENÍ BUDOV, NÍZKOENERGETICKÉ STAVBY, ARCHITEKTONICKÝ NÁVRH, PROJEKTY STAVEB A ZATEPLENÍ