Fotovoltaické elektrárny

Historie

Fotovoltaické systémy se v ČR začaly ojediněle využívat až koncem 20. století. Jednalo se o malé ostrovní systémy v lokalitách bez připojení k rozvodné síti jako jsou rekreační chaty a drobné elektrické spotřebiče (napájení měřících, registračních a komunikačních zařízení, parkovací automaty, zkušební a experimentální systémy a pod.). V této době se tedy nejednalo o fotovoltaické elektrárny (FVE) připojené na rozvodnou síť.

Prvním větším systémem byla volně stojící elektrárna na vrcholu hory Mravenečník s výkonem 10 kW (rok 1998 – ČEZ a.s.). Později byla přestěhována k informačnímu centru u jaderné elektrárny Dukovany. V roce 2001 byl spuštěn do provozu demonstrační fotovoltaický systém na budově Pražské energetiky a.s. v Praze ve Vršovicích o výkonu 2,55 kW.

Nová fáze využití fotovoltaiky je datována rokem 2000. Státní fond životního prostředí vyhlásil program „Slunce do škol“ a byly postupně instalovány fotovoltaické systémy na některých vysokých, odborných, základních a středních školách o celkovém součtovém výkonu cca 80 až 100 kW_p. Ani tyto instalace není možno označit jako fotovoltaické elektrárny o významnějším instalovaném el. výkonu, sloužily spíše k demonstraci pro studenty.

Zájem o výstavbu fotovoltaických elektráren v zásadě byl zahájen až v letech 2005 a 2006. Byl vydán zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny o obnovitelných zdrojů energie a v rámci „Operačního programu průmyslu a podnikání“ (strukturální fondy EU) bylo možno získat investiční dotace. Tato možnost však byla později zrušena. Avšak cenovým rozhodnutím Energetického regulačního úřadu (ERÚ) od roku 2006 byla zvýšena výkupní cena elektřiny do elektrovodných sítí distribučních společností nejdříve až na 13,20 Kč/kWh, nyní pro rok 2010 platí výkupní cena ve výši 12,25 Kč/kWh.

V letech 2006 až 2007 byla zahájena příprava a výstavba fotovoltaických elektráren na vhodných plochách (samostatných pozemcích) a zatím výjimečně i na střechách objektů o jednotkových výkonech 60 až 500 kWp dodávajících vyrobenou elektřinu do distribučních elektrovodních sítí.

V této době souběžně na náš trh vstoupily tuzemské i zahraniční firmy nabízející dodávku a montáž fotovoltaických elektráren. Současně u nás jsou na trhu i dodávky fotovoltaických článků a panelů od významných zahraničních výrobců. Firmy zajišťují projektovou dokumentaci, dodávku fotovoltaických článků a panelů, dodávku střídačů a dalších zařízení elektrárny vč. montáže a uvedení do provozu. V letech 2007 až 2010 pak byla soukromými investory zahájena příprava a výstavba FVE o instalovaných výkonech až v řádu několika MW_p. Ke konci roku 2008 instalovaný výkon FVE v ČR dosáhl cca 40 MW_p.

V souvislosti s poklesem pořizovacích nákladů, dále se zvýšením energetické účinnosti fotovoltaických článků a s výhodnou výkupní cenou vyrobené el. energie se postupně v letech 2008 až 2009 snížila i doba návratnosti vložených investic na výstavbu FVE výrazněji pod 10 let. Na druhé straně však lze předpokládat další větší snížení výkupních cen elektřiny z nových fotovoltaických elektráren tak, aby ekonomická výhodnost všech druhů OZE byla přibližně stejná.

Kriteria výběru lokality

Průměrné roční množství dopadající solární energie na vodorovný povrch země v ČR je 1 050 kWh/m² (t.j. cca 3 780 MJ/m²). Fotovoltaický systém však musí být navržen pro skutečné místní podmínky. Pro výběr lokality je tedy nutno zjistit:

• množství dopadajícího globálního slunečního záření na vodorovný povrch v dané lokalitě – lze zjistit z Atlasu podnebí ČHMÚ,
• počet hodin slunečního svitu (bez oblačnosti) – poskytne ČHMÚ,
• orientaci lokality (uvažované elektrárny) a sklon fotovoltaických panelů,
• množství stínících překážek,
• zda vyhovuje výměra ploch pro uvažovanou velikost elektrárny,
• ostatní podmínky.

Nejdůležitější je hodnota globálního slunečního záření v lokalitě. Lze ji zjistit (pro vodorovnou plochu) z MAPY PODNEBÍ ČESKA, která je přístupná na stránkách Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ).

Pozn.:
Údaje jsou uváděny v MJ/m² za rok.
Pro přepočet platí: údaj v MJ/m² dělíme 3,6 a dostáváme kWh/m².
h - hodina

Průměrný počet hodin slunečního svitu bez oblačnosti se v ČR pohybuje kolem 1 460 h/rok (od 1 400 do 1 700 h/rok). Nejmenší počet hodin má severozápad území, směrem na jihovýchod počet hodin narůstá. Pro danou lokalitu tuto hodnotu poskytuje ČHMÚ (doporučujeme požadovat hodnoty po měsících a celkem za rok).

Nejvýhodnější orientace lokality je na jih, jiná orientace pak zhoršuje nebo přímo znemožňuje využití sluneční energie k výrobě elektřiny.

Sklon fotovoltaických panelů má být kolmo ke směru slunečního záření, pro celoroční provoz je optimální cca 35° vzhledem k vodorovné rovině. Tato podmínka je zvláště důležitá při instalacích na střechách budov. Na volné ploše (pozemku) lze tuto podmínku jednoduše dodržet. Významného zvýšení dopadající sluneční energie lze pak docílit různými druhy pohyblivých stojanů s automatickým natáčením za sluncem.

Při sklonu panelů 35° se udává navýšení dopadajícího slunečního záření proti vodorovné ploše o cca 14 až 20% a při natáčení za sluncem (polohovací systém) proti pevné instalaci pak o dalších cca 20%. Celkem tedy maximálně lze dosáhnout navýšení až o cca 40%.

Dále je nutno minimalizovat množství stínících překážek a vyloučit vzájemné zastínění panelů. S tím souvisí i potřebná výměra ploch na instalaci FVE a správné rozmístění fotovoltaických panelů.

V rámci ostatních podmínek pak nutno vyjasnit majetkoprávní vztahy k pozemku, případně i k budovám, kde má být instalován fotovoltaický systém, postoj místních úřadů (územní plán), vzdálenost přípojky k distribučním elektrovodným sítím a kapacitu trafostanice u větších instalací, dohodu s energetickou společností o připojení a výkupu el. energie, která stanoví podmínky připojení elektrárny k regionální distribuční soustavě.

Výpočet výroby elektřiny

Fotovoltaika využívá přímou přeměnu světelné energie na elektrickou v polovodičovém prvku (fotovoltaickém článku). Polovodiče dělíme na vlastní a příměsové. Příměsové jsou typu N (nosiči náboje jsou elektrony) nebo typu P (nosiči jsou díry, které se chovají jako částice s kladným nábojem).

Nejběžnější jsou fotovoltaické (FV) články na bázi krystalického křemíku (monokrystalické, polykrystalické i amorfní z tenkých vrstev). Energetická účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii je u současných hromadně vyráběných křemíkových FV článků 14 až 17%.

Napětí jednoho článku má hodnotu cca 0,5 V. Sériovým propojením více článků získáme napětí, které je již použitelné. Vytvořené sestavy v sériovém nebo sériovo-paralelním řazení jsou hermeticky uzavřeny ve struktuře krycích materiálů FV panelu. Zapouzdření FV článků musí zajišťovat mechanickou a klimatickou odolnost (vůči silnému větru, krupobití, mrazu a pod.). FV panely se sestavují do modulů. Postupná degradace FV panelů snižuje výkon modulů cca na 90% za 12 let a na 80% za 25 let.

Pro využití elektrické energie z FV panelů je potřeba připojit k panelu kromě elektrických spotřebičů další technické prvky, jako jsou napěťové střídače pro přeměnu stejnosměrného el.proudu na střídavý, indikační a měřící přístroje, u větších instalací i mikroprocesorový řídící systém, případně automatické natáčení za sluncem (polohování), dále na př. akumulátorovou baterii, regulátor dobíjení atd. Sestava FV panelů, podpůrných zařízení a dalších prvků pak tvoří fotovoltaický systém.

Fotovoltaické systémy pak dělíme na:

• systémy nezávislé na rozvodné síti (grid-off), jde o ostrovní systémy,
• systémy připojené k síti (grid-on).

FVE dělíme na:

• instalace s pevným stojanem,
• instalace s pohyblivým stojanem.

Obecně se uvádí zcela orientační výpočet výroby dle jednoduchého vzorce pro instalaci s pevným stojanem (sklon FV panelů 35°):

E_v = P_i . e

Pro instalaci s pohyblivým stojanem (s natáčecím zařízením) pak:

E_v = P_i . e . 1,2

kde:

E_v = výroba elektřiny v kWh/rok
P_i = instalovaný (špičkový) výkon v kW
e = 1 000 kWh/kW_inst. a rok, jde ø výrobu v ČR při respektování celk. účinnosti FV systému

Podrobnější výpočet již s konkrétními údaji lokality a navrhované FVE lze provést dle vztahu:

E_v = S_zář. . F_akt. . η_celk.

kde:

E_v = výroba elektřiny v kWh/rok
S_zář. = dopadající globální sluneční záření v kWh/m²/rok. Hodnota se mění v závislosti na sklonu panelu nebo jeho natáčením
F_akt. = aktivní celková plocha FV panelů v m²
η_celk. = součin průměrných účinností FV panelů, střídačů a transformátoru

Účinnost celková se tedy vypočte z následujícího vztahu:

η_celk. = η_panelů . η_střídačů . η_trafa

Jako průměrnou roční účinnost FV panelů se doporučuje použít nižší hodnoty o cca 2% proti údajům výrobce, který udává max. účinnost (např.16%). Účinnost střídačů se používá údajů výrobce (např.94%) a účinnost transformátoru obecně se udává ve výši cca 96%.

Po dosazení do výše uvedeného vztahu dostaneme průměrnou roční výrobu (dodávku) elektrické energie v prvním roce provozu FVE. Je vhodné výpočet provádět po jednotlivých měsících.

Následuje výpočet roční výroby elektřiny v průměru za 15 let¹ při započítání degradace FV panelů (výkon i výroba se snižuje o cca 0,9 až 1,0% ročně). V 15 roce provozu klesne výroba elektřiny v důsledku degradace o cca 12,6% proti prvému roku provozu a pak se vypočte průměrná roční výroba za toto období.

Celková účinnost FV systému se pohybuje na úrovni cca 12 až 13%.

Alternativně se pro zjištění výroby elektřiny z fotovoltaických systémů využívá matematický model Evropské komise PVGIS (není založen na aktuálních měřených údajích ČHMÚ). V každém případě je však vhodné kontrolně ověřit vypočtenou výrobu pomocí tohoto modelu.

¹ Tato doba odpovídá §6, odst.1b zákona č.180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů.