Aktuality

Prvky systému a jejich praktická využitelnost: Fotovoltaické články a panely

8. 8. 2013

Články a panely

Z komerčně dostupných nekoncentračních technologií vykazují nejvyšší účinnost křemíkové články (o-Si), které se dále dělí na monokrystalické a polykrystalické. Panely mají zpravidla účinnost mezi 13 a 15 %. Články z amorfního křemíku (a-Si) jsou historicky nejstarší a nejlevnější, nicméně účinnost komerčních panelů se pohybuje okolo 6 %. Výhodou je pružnosta ohebnost článků v tenkovrstvém provedení, nízká citlivost na zastínění a malý vliv teploty na výkon. Zvýšení účinnosti se dociluje kombinací až tří vrstev dotovaných různými prvky pro maximální využití spektra slunečního záření. Tenkovrstvé články kromě technologie amorfního křemíku využívají i polykrystalických článků na bázi teluridu kadmia (CdTe) s účinností okolo 10 % nebo složité struktury CIS nebo CI GS s účinností okolo 11 %. Výhodou tenkovrstvé technologie je malá spotřeba materiálu a vynikající poměr cena/výkon při účinnosti do 10 %. Problematický je u těchto článků obsah nebezpečných či vzácných kovů.

 

HIT články jsou solární hybridní články kombinující krystalický a amorfní křemík. Jsou vyrobeny z tenké monokrystalické křemíkové desky obklopené ultratenkou vrstvou amorfního křemíku. Solární HIT panely dosahují účinnosti více než 18 %. V současné době připadá přibližně 90 % celosvětově instalovaného výkonu na technologii krystalického křemíku s téměř rovnocenným zastoupením mono- a polykrystalických křemíkových článků. Pro lepší orientaci a vymezení typických parametrů panelů jednotlivých technologií bylo provedeno vyhodnocení souboru běžně komerčně dostupných panelů (stav 2011) k produkci elektrické energie pouze část energie spektra slunečního záření, zejména ve viditelné oblasti s přesahem do cca 1,2 um, Zatímco amorfní články využívají především viditelnou část spektra, krystalické mají citlivost na širší rozsah. Zbylá část se zcela bez užitku mění na teplo, které zahřívá článek.

O volbě panelů může rozhodovat několik faktorů. Protože měrná cena za jednotku instalovaného výkonu (tj. Kč/kW_p) je u všech srovnatelná, jsou jimi zejména poloha a velikost dostupné plochy. V polohách blízko celoročního optima (jih, sklon 35°) dopadá polovina sluneční energie v hladinách ozáření vyšších než 600 W/m2. Zde nejčastěji volíme c-Si panely, které jsou nejúčinnější právě při vysokém ozáření, ale při nízkém jejich účinnost rychleji klesá. Naproti tomu u fasádní instalace či západní šikmé střechy roste podíl energie přijaté při nízkých hladinách ozáření. Proto zde mohou být výhodnější tenkovrstvé panely, které si i při nízkém ozáření udržují relativně vysokou účinnost. U článků typu CdTe či třívrstvých amorfních článků lze dokonce zaznamenat maximum účinnosti při nízkých úrovních slunečního záření okolo 100 až 200 W/m2 (difuzní záření zatažené oblohy).

Při použití fotovoltaických panelů na budovách s omezenou plochou pláště je potom výhodné použití vysoce účinných technologií, které požadovaný výkon či roční produkci energie poskytnou při menší ploše. Na druhé straně články z tenkovrstvých technologií lze dnes výhodně a levně integrovat do řady stavebních výrobků, např. do hydroizolačních fólií, střešních tašek apod.

Zapojení a střídače

FV zdroj je nejčastěji soustavou FV pole - střídač. FV pole je skupina sériově (sérioparalelně) pospojovaných panelů, které generují stejnosměrný (DC) výkon. Střídač pak slouží k jeho konverzi na střídavý (AC) výkon, který je dodáván do budovy či veřejné sítě. Účinnost střídačů se běžně pohybuje mezi 94 a 98 %. U menších aplikací, např. na rekreačních objektech, se FV zdroje někdy provozují bez střídače, kdy je pole přes akumulátor s regulátorem dobíjení napojeno na stejnosměrné spotřebiče. Propojování panelů s sebou nese určité riziko neefektivní produkce, kdy různé panely podle své aktuální situace (zastínění, teplota, odchylky v orientaci a sklonu, zanesení prachem či přímo poškození) mohou produkovat různý výkon. Tento nesoulad vede ke snížení celkového výkonu pole a v důsledku vzájemné závislosti modulů vlivem protékajícího proudu je energetická ztráta vyšší než prostá suma úbytků na jednotlivých panelech. Propojovat by se proto měly jen identické panely provozované ve stejných podmínkách. Systém musí být samozřejmě doplněn o ochranné prvky (ochrana před bleskem, přepěťová ochrana a jističe na DC i AC straně). Často se můžeme setkat s tím, že provozovatel distribuční soustavy stanovuje omezení na velikost jednofázových FV zdrojů. Obvykle je limitem výstupní AC proud ve výši 20 A. To představuje výstupní AC výkon střídačů 0,020 x 230 = 4,6 kW a instalovaný DC výkon zhruba 5 kW_p' Důvodem je snaha omezit nerovnováhu mezi jednotlivými fázemi v síti. Při vyšších výkonech FV zdroje je nutné instalovat dvoufázové či třífázové střídače, jejichž nejnižší výkonová řada začíná právě na hranici cca 5 kW.

Odhad fotovoltaické produkce

Rychlý odhad celoroční produkce FV zdroje s c-Si panely lze udělat pomocí grafu. Stačí odečíst hodnotu pro zvolenou orientaci a sklon panelů a vynásobit ji roční dávkou ozářenína vodorovnou rovinu. Ta se pro ČR v dlouhodobém průměru pohybuje od 990 kWh/m2 v severozápadních Čechách po 1 110 kWh/m2 na jihovýchodní Moravě. Výsledkem je roční produkce na jednotku instalovaného výkonu v kWh/kW_p' Tak například pro níže uvedenou modelovou instalaci (jih, 45°, Praha) obdržíme 0,955 x 1 040 = 993 kWh/kW p' Silnou čarou je dále vyznačen optimální sklon pro maximalizaci roční produkce při dané orientaci. Dalším rychlým a oblíbeným nástrojem pro orientační odhad roční produkce je webová aplikace PVGIS. Umožňuje počítat nejen fixně osazené systémy, ale také systémy s jednoosým a dvouosým natáčením, jejichž produkce je až 025 %, resp. 28 % vyšší.

Při výpočtu produkce je vždy nutné zohlednit místní specifika. Například instalujeme-Ii FV panely na fasádu jako nadokenní markýzu, pak samotná fasáda blokuje část záření. Optimální poloha pro celoroční maximum produkce je v tomto případě opět na jižní orientaci, ale se sklonem 45°. U východní či západní orientace je to 55°.1 tak přicházíme přinejmenším 010 % produkce v porovnání se stejnou polohou, nicméně neovlivněnou fasádou.

Příklad výpočtu pro jednoduchý případ

FV pole je umístěno na jižně orientované šikmé střeše rodinného domu ve sklonu 45° od vodorovné roviny. Je připojeno kjednofázovému střídači a produkce je dodávána do veřejné sítě. Jmenovitý výkon jednoho c-Si panelu je 230 W p' Celkem je použito 20 ks panelů a jme- novitý výkon pole je tedy 4,6 kW p'. Při rozměru panelu 1,62 x 0,98 metru zabere instalace 31,8 m2 střešní plochy. Jmenovitá účinnost panelu je podíl výkonu k příkonu, tedy 230/(1,62·0,98·1 000) x 100 = 14,5 %, kde 1 000 W/m2 je ozáření při standardních testovacích podmínkách. Jestliže průměrnou roční dávku ozáření v rovině FV pole počítáme 1 240 kWh/m2 (Praha), dopadá na ně 1 240 x 31,8 = 39,4 MWh sluneční energie. Roční produkci se započtením celkových ztrát FV zdroje ve výši 20 % (obvyklá hodnota) vypočteme jako 39,4 x 0,145 x 0,8 = 4,57 MWh neboli 993 kWh na 1 kW p in-stalovaného výkonu pole, tedy 144 kWh na m2 plochy pole. Chceme-Ii vypočítat produkci FV zdroje za celou dobu životnosti, musíme zohlednit postupný pokles jmenovitého výkonu panelů vlivem stárnutí. Pohybuje se od 0,5 do 1,0 % ročně. V současnosti dávají výrobci panelů všech technologií standardní záruku na pokles nejvýše 10 % po 10 letech provozu a 20 % po 25 letech provozu. Za 20 let provozu, kdy stát garantuje výkupní ceny, tak modelový systém vyrobí 83 MWh elektrické energie. Samozřejmostí musí být průběžný monitoring, rychlé řešení výpadků a odborný servis. Aktuální ceny malých střešních FV zdrojů se dnes při dodávce "na klíč" pohybují okolo 60 tis. Kč vč. DPH za jeden instalovaný kW_p. To pro modelový systém představuje investici 60 x 4,6 = 276 tis. Kč. Započteme-Ii další náklady během provozu ve výši 34 tis. Kč a 10 tis. Kč na odstranění, pak cena za 1 kWh dodanou do sítě s nulovým ziskem je 3,9 Kč. Životnost samotných panelů však může být vyšší než 30 let. Na druhou stranu, při tak dlouhém provozu bude nutná výměna střídačů (životnost cca 20 let) a dalších drobných prvků (jističe, přepěťové ochrany apod.).

První díl Nízkoenergetické a pasivní budovy naleznete ZDE
Druhý díl Solární tepelné soustavy naleznete ZDE
Třetí díl Fotovoltaické systémy naleznete ZDE

Zdroj: Nízkoenergetické domy 3, nulové, pasivní a další; Vydavatelství Grada


Autor: Jan Tywoniak a kolektiv