4. FOTOVOLTAICKÉ SOLÁRNÍ SYSTÉMY Vzhledem ke stanoveným cílům tohoto učebního materiálu charakterizujícího fotovoltaické systémy (dále jen FV systémy) je text rozdělen do dvou základních koncepčních celků. Hlavním posláním učebního textu první části je představit FV systémy žákům základních škol a přístupným způsobem jim blíže vysvětlit základní principy a vlastností, které hrají při přeměně sluneční energii na energii elektrickou rozhodující roli. V této části tedy nenalezneme žádnou složitější teorii polovodičů, fyzikální modely, grafy nebo podrobnější popis procesů v PN přechodů složité Podrobnější výklad vyžadující hlubší znalosti problematiky je určen studentům středních škol a nachází se v kapitole Rozšiřující učivo pro střední a průmyslové školy. 4.1 Charakteristika a princip činnosti Tato kapitola obsahuje obecné vysvětlení základních principů a vlastností, které při přeměně sluneční energii na energii elektrickou hrají rozhodující roli. FV systémy umožňují přímou přeměnu sluneční energie na energii elektrickou. Základním prvkem umožňujícím přímou přeměnu světelné energie na elektrickou je solární článek. Tento prvek lze charakterizovat jako plochou elektronickou součástku, na které vzniká při dopadu světla elektrické napětí. Toto napětí se nazývá fotovoltaické, protože příčinou jeho vzniku je právě sluneční záření dopadající na plochu solárního článku. Toto fotovoltaické napětí může být zdrojem elektrického proudu, jsou-li svorky solárního článku připojeny k nějakému spotřebiči nebo spojeny nakrátko. Solární článek lze do jisté míry přirovnat k baterii, na kterou však musí svítit světlo. Zásadním a velmi důležitým rozdílem mezi způsobem výroby elektrické energie získané pomocí solárního článku v porovnání s klasickou výrobou energie je skutečnost, že v případě solárního článku není nutné používat žádných mechanických pohyblivých dílů například motorů. Tím zcela odpadají problémy týkající se jejich opotřebení, ztráty třením, jejich mazání a údržba. V porovnání s jinými technologiemi výroby elektřiny nepotřebují solární články žádnou pohonnou látku, nevytvářejí při provozu žádné znečištění, zplodiny, zápach ani nežádoucí hluk. Další velkou předností solárních článků je možnost jejich snadného propojení a sestavení do větších celků nazývaných solární moduly. Tyto moduly pak lze dle potřeby následně dále propojovat do tzv.solárních generátorů. Získáváme tak velké solární plochy, které jsou schopny vyrábět již značné množství elektrické energie, která je již využitelná v praktických aplikacích. Některé z typických příkladů užití FV systémů jsou uvedeny v kapitole 4.6. Přihlédneme-li kromě výše uvedených skutečností také k faktu , že slunce představuje na miliony a miliony let obrovský zdroj energie, která je rozhodující pro zajištění chodu veškerých životních cyklů na Zemi, je nutné považovat FV systémy za mimořádně perspektivní zdroj elektrické energie pro budoucnost. Hlavní úsilí současnosti je tedy nalézt co nejefektivnější technická a technologická řešení FV systémů, která by v porovnání s klasickými způsoby elektrické energie vyznívala co nejpříznivěji. 4.2 Solární článek jako základní aktivní komponent Jak je v učebních textech základních škol uvedeno, elektrický proud si lze představit jako tok volných nosičů elektrického náboje (elektronů) usměrněný elektrickým polem. Vodiče mají ve své atomové struktuře tyto volné nosiče běžně k dispozici, zatímco izolanty nikoliv. Základním prvkem pro výrobu solárních článků je současné době krystalický křemík. Tento prvek vzhledem ke svým vlastnostem nelze zařadit mezi elektrické vodiče a ani mezi izolanty. Patří mezi látky označované jako polovodiče, které jsou za určitých okolností stejně jako izolanty elektrický nevodivé a naopak za jiných podmínek se mohou stát elektrickými
vodiči. V souvislosti se solárním článkem je touto okolností velikost sluneční energie, která na polovodič dopadá. Čím je sluneční záření intenzivnější, tím se v polovodiči vytvoří více volných nosičů elektrického náboje a tím je křemíkový solární článek schopen vyrobit větší elektrický proud a naopak. Jak již bylo uvedeno, při dopadu slunečního záření na plochu solárního článku vzniká na jeho svorkách elektrické napětí. Elektrické vlastnosti solárního článku jsou graficky popsány křivkou vyjadřující závislost velikosti elektrického proudu dodávaného solárním článkem do spotřebiče na napětí na jeho svorkách. Zde postačí uvést, že výstupní napětí jednoho solárního článku má velikost přibližně 0,5 V. Při jeho typické velikosti o rozměrech 10 x 10 cm je schopen vytvořit elektrický proud až 3 A, čímž dosahuje elektrického výkonu 3W. Je-li použit článek o velikosti 15 x 15 cm dosahuje se elektrického proudu až 6 A a výkonu 3 W. Je třeba zdůraznit, že skutečný výkon vyrobený solárním článkem nezávisí pouze na intenzitě dopadajícího slunečního záření. Mezi další důležité vlivy na patří také teplota článku a spektrální složení světla. Zatímco s rostoucí intenzitou dopadajícího světla elektrický výkon solárního článku roste, tak s jeho rostoucí teplotou naopak klesá. Pro přiblížení této závislosti lze říci, že při zvýšení teploty o 10ºC dojde k poklesu vyráběného výkonu o 4%, pří zvýšení o 25ºC klesá výkon až o 10%. Podrobnější informace o technologii výroby solárních článků, rozbor jeho napěťové-proudové křivky a dodávaného výkonu jsou uvedeny v kapitolách určené pro středoškolské studenty. 4.3 Typy FV systémů Nejjednodušší FV systém sestává z fotovoltaického modulu přímo spojeného se spotřebičem, jak je schématicky znázorněno na obr.4.3.1. Pokud je dostatečně velká intenzita slunečního záření - spotřebič pracuje, pokud intenzita záření klesne – spotřebič nepracuje. Takové systémy se používají často např. při čerpání vody.
V
M
A
Obr. 4.3.1. Fotovoltaický systém vyrábí elektrickou energii pokud na fotovoltaické pole dopadá sluneční záření a výkon je úměrný intenzitě dopadajícího záření. Fotovoltaické systémy proto nevyrábějí energii v noci a při velké oblačnosti. Je proto nutné vyrobenou energii akumulovat („skladovat“), aby ji bylo možno využít v době, kdy systém energii nevyrábí. Prostředky k akumulaci energie jsou následující: a) Mechanické ukládání energie do stlačených plynů nebo setrvačníků poháněných elektromotory. Toto řešení je relativně komplikované a používá se jen ve specifických případech.
b) Přečerpávání vody do vyšších poloh v době energetického přebytku a následného použití pro roztáčení turbín v době energetického nedostatku. Tato metoda však vyžaduje navíc čerpadlo, turbínu a vhodné úložiště vody. c) Rozklad vody elektrickým proudem je označován za pohon budoucnosti. Elektrolýzou vody se dá získat vodík, který lze v době nedostatku energie spalovat. Největším problémem je doposud špatná skladovatelnost vodíku a malá dostupnost vodíkových motorů s větší účinností. Perspektivní je využití v kombinaci s palivovými články. d) Použití elektrochemických akumulátorů je dnes nejběžnější řešení pro autonomní systémy. Jako ostatní má i tento způsob svá úskalí, zejména jde o životnost akumulátorových baterií a omezený počet nabíjecích cyklů. Jsou proto vyvinuty speciální typy akumulátorů pro použití ve fotovoltaických systémech. Fotovoltaické systémy rozdělujeme jednak na systémy autonomní, které jsou zdrojem elektrické energie nezávislým na rozvodné elektrické síti, nebo mohou být fotovoltaické systémy přímo spojené s rozvodnou sítí. 4.4 Autonomní FV systémy Autonomní (grid-off) FV systémy sestávají z pole fotovoltaických modulů a akumulátoru energie. Jedná se zdroje elektrické energie nezávislé na rozvodné síti. Tyto systémy se také označují jako izolované solární systémy. Blokové schéma jednoduchého autonomního systému se solárním generátorem, akumulátorem a stejnosměrným spotřebičem se nachází na obr.4.4.1.
SOLÁRNÍ GENERÁTOR
REGULÁTOR
SPOTŘEBIČ
AKUMULÁTOR
Obr. 4.4.1. Jak již bylo dříve popsáno, solární generátor je zdrojem elektrické energie, která se ukládá do akumulátoru, kde je uchována pro využití v obdobích bez slunečního záření. Regulační prvek zajišťuje správnost nabíjecího a vybíjecího procesu akumulátoru. Je důležité, aby u akumulátoru nedošlo k přebíjení nebo naopak j hlubokému vybíjení. Oba tyto krajní stavy vedou k jeho trvalému poškození. Jako příklady spotřebičů mohou být uvedeny například světla, lampy, radiopřijímače nebo motory. Všechny tyto spotřebiče musí být určeny pro napájení stejnosměrným napětím z akumulátoru. Výhodou autonomních FV systémů je především jejich nezávislost na přítomnosti elektrické rozvodné sítě. Jejich využití nachází uplatnění především v místech bez veřejné rozvodné sítě, kde by nebylo využití různých elektrických spotřebičů za normálních okolností možné. Mezi nevýhody patří především závislost dostupnosti elektrické energie na pravidelném a dostatečném dobíjení akumulátoru, který navíc vyžaduje odpovídající údržbu.
Dále je třeba udržovat dostatečnou čistotu plochy solárního generátoru a používat vodičů silných průřezů, aby nedocházelo ke zbytečným elektrickým ztrátám na vedení FV systému. 4.5 FV systémy spojené se sítí FV systémy spojené se sítí (grid-on) dodávající vyrobenou elektrickou energii přímo do rozvodné elektrické sítě střídavého napětí. V těchto systémech není nutné vyrobenou energii akumulovat pro využití v době nedostatku slunečního záření. Blokové schéma jednoduchého systému spojeného se sítí se nachází na obr.4.5.1.
SOLÁRNÍ GENERÁTOR
STŘÍDAČ DC/AC
ROZVODNÁ SÍŤ 230V/50Hz
Obr. 4.5.1. I zde je zdrojem elektrického napětí solární generátor. Vyrobené stejnosměrné napětí je za pomocí síťového měniče (střídače) transformováno na střídavé napětí 230 V / 50 Hz a dodáváno do veřejné rozvodné sítě. Je samozřejmostí, že použité střídače musí splňovat všechny potřebné ochranné a bezpečnostní funkce, mezi které patří především odolnost proti zkratu, odolnost proti přetížení, schopnost nastavit se na frekvenci a napětí rozvodné sítě a synchronně do ní poslat vyrobený solární výkon. Mezi nejvíce používané charakteristické vlastnosti střídačů patří jejich jmenovité vstupní stejnosměrné napětí (12V, 24V nebo 48V) a účinnost (dosahuje se až 90%) Výhodou těchto FV systémů je skutečnost, že elektrický spotřebič má vždy k dispozici elektrickou energii a může fungovat nezávisle na přítomnosti slunečního záření. V případě dostatku slunečního záření je energie dodávána do rozvodné sítě (případně spotřebována uživatelem), v době nedostatku slunečního záření systém energii nedodává a uživatel odebírá elektrickou energii z rozvodné sítě. Při využití je však vždy nutné dodržovat veškerá bezpečnostní pravidla související s používáním rozvodné napěťové sítě. 4.6 Praktické příklady využití V současné době je nabídka využití solárních FV systémů v různých aplikacích velmi široká. Při uvedení příkladů zařízení, která jsou nezávislá na veřejné rozvodné síti, můžeme začít již od jednoduchých solárních hraček, dále pokračovat kapesními kalkulačkami, solárními hodinkami, solárním osvětlením zahrad a komunikací a přes větší aplikace, jako jsou autonomní telekomunikační zařízení, elektromobily, lodě, rekreační a horské chaty, obytné budovy, se dostáváme až k využití solárních FV systémů v kosmických technologií. Na svém významu nabývají také aplikace spojené s rozvodnou elektrickou sítí. Dynamicky se rozšiřuje počet instalací těchto systémů v obytných budovách, školách, veřejných institucích a firmách. Spotřeba elektrické energie je zde kryta nejen standardně z rozvodné sítě, ale současně i ze solárních modulů a generátorů instalovaných na střechách a fasádách budov.
Rozšiřující učivo 4.7 Solární článek Fotovoltaické systémy umožňují přímou přeměnu sluneční energie na energii elektrickou a to bez mechanických pohyblivých dílů. Základním prvkem umožňujícím přímou přeměnu světelné energie na elektrickou je solární článek, tj. velkoplošný polovodičový prvek, na kterém vzniká při dopadu slunečního záření fotovoltaické napětí. Funkci solárního článku je možno popsat následujícím způsobem. V polovodičovém krystalu vazbu mezi atomy zprostředkovávají elektrony z obalu atomu, které vytvářejí spolu s elektrony sousedních atomů pevnou vazbu. K uvolnění elektronu z vazby je potřeba určité, relativně velké energie. Dopadající fotony mohou mít však energii větší, než je tato vazební energie. Pokud je absorbován foton s takovou velkou energií, může uvolnit elektron z této vazby tak, že tento elektron se pohybuje volně v krystalu.
Obr. 4.7.1. Na místě uvolněného elektronu zůstává neobsazený stav – díra, do kterého mohou přeskakovat sousední elektrony, které jsou vázány v kovalentní vazbě. Tímto způsobem se může tento neobsazený stav pohybovat krystalem jako kladný náboj. Mluvíme proto o vytvoření páru elektron-díra interakcí s fotonem. Elektron se může vrátit zpátky do neobsazeného stavu ve vazbě, v takovém případě mluvíme o rekombinaci elektronu a díry. Pokud v krystalu existuje nehomogenita, se kterou je spojeno vnitřní elektrické pole – takovou nehomogenitou může být třeba přechod PN, jsou tímto elektrickým polem rozděleny páry elektron – díra a to tak, že elektrony jsou urychleny do oblasti N a díry do oblasti typu P, jak je schématicky znázorněno na obrázku. Tímto způsobem se oblast typu N nabíjí záporně a oblast typu P nabíjí kladně tak, že na osvětleném polovodiči s přechodem PN vzniká fotovoltaické napětí. Připojí-li se mezi tyto + elektrický proud, který může vykonávat užitečnou práci. oblasti spotřebič, protéká jím Velikost proudu procházejícího elektrickým obvodem závisí jednak na ozáření článku a dále pak na ploše článku a na účinnosti článku Hloubka vniku světla (tj. vzdálenost od povrchu ve které klesne intenzita světla v polovodiči vlivem absorpce na zhruba jednu třetinu) závisí na energii fotonu (s rostoucí energií fotonu hloubka vniku klesá) a na typu polovodiče. Aby článek byl účinný, musí být páry elektron – díra generovány v blízkosti přechodu PN. To znamená, že přechod PN musí být realizován velmi blízko povrchu, na které dopadá světlo (několik desetin mikrometru pod
povrchem). Nosiče, generované mimo místa přechodu PN musí k oblasti se silným elektrickým polem difundovat. Pokud zrekombinují dříve, než dosáhnou oblasti přechodu PN, neuplatní se při generaci fotovoltaického napětí. Je proto třeba volit technologii tak, aby ztráty rekombinací byly minimální. Kromě toho je třeba zabránit ztrátám spojeným s odrazem dopadajícího záření od povrchu. Proto se na povrchu vytváří jednak zdrsnění povrchu (textura) a povrch se pokrývá antireflexní vrstvou, která zabraňuje odrazu světla (články proto mají nejčastěji tmavomodrou barvu).
Obr. 4.7.2. Fotovoltaický proud roste přímo úměrně s intenzitou dopadajícího záření. Při intenzitě dopadajícího světla 1 kW na m2, proud generovaný v jednom centimetru čtverečním článku dosahuje hodnot 10 – 40 mA v závislosti na typu použitého polovodiče a konstrukci článku. Proud je přímo úměrný ploše článku tak, že na standardním křemíkovém článku o velikosti 10 x 10 cm vzniká proud okolo 3 A a na křemíkovém článku 15 x 15 cm může vzniknout proud okolo 6 A. Příklad charakteristiky fotovoltaického článku je znázorněn na následujícím obrázku.
A
Obr. 4.7.3
Pracovní bod solárního článku je bod na charakteristice, ve kterém článek právě pracuje. Poloha pracovního bodu na charakteristice napětí proud závisí na připojeném spotřebiči (jako příklad je na obr. označen bod A). Nejvyšší možnou hodnotou proudu je maximální proud tzv. zkratový proud ISC, který může solární článek při dané intenzitě ozáření dodávat. Dalším charakteristickým bodem je napětí naprázdno UOC, které udává maximální napětí na článku, kterého je možno dosáhnout, když ke článku není připojen žádný spotřebič. Výkon solárního článku se určuje jako součin proudu a napětí. Pro každý článek existuje pracovní bod na charakteristice, ve kterém je výkon největší. Tento bod je označován jako bod maximálního výkonu (MPP) o napětí Ump a proudu Imp. Výkon určitého solárního článku závisí na ozáření, na spektru světla a na teplotě článku. Maximální proud roste přímo úměrně s rostoucí intenzitou dopadajícího záření a tím roste i výkon článku. S rostoucí teplotou výkon článku klesá.
Obr. 4.7.4. V současné době je nejběžnějším materiálem pro výrobu slunečních článků křemík a více jak 80 % článků je vyráběno z krystalického křemíku. Struktura běžného křemíkového článku je naznačena na následujícím obrázku.
Obr. 4.7.5..
Ztráty na fotovoltaickém článku vznikají jednak tím, že část povrchu je zastíněna mřížkou sběrnice katodového kontaktu, dále pak na odporu jednotlivých vrstev struktury a odporu sběrnic (tak zvaném sériovém odporu) při průchodu proudu. K dosažení co největší účinnosti článku je konstrukce článku optimalizovaná z hlediska minimalizace celkových ztrát (tloušťka a rezistivita jednotlivých vrstev, vzdálenost kontaktů sběrnice, způsob metalizace apod.).
Obr.4.7.6.
Obr.4.7.7.
Výrobní technologie článků z krystalického (monokrystalického obr.4.7.6 i polykrystalického obr.4.7.7.) je následující: křemíkový ingot, monokrystalický nebo polykrystalický, se rozčlení na destičky o tloušťce cca 300 mikrometrů, povrchová vrstva je oleptána a strukturována.
Obr. 4.7.8.
Jednostranně je realizována vrstva typu N difúzí fosforu (optimální tloušťka této vrstvy je okolo 0,2 µm), poté je povrch pokryt antireflexní vrstvou. Na povrchu typu N je vytvořena síť kovových kontaktů (mřížka sběrnic) a opačná strana článku je pokryta celoplošným kontaktem. Příklady vzhledu přední strany článků s mřížkou sběrnic a antireflexní vrstvou (tmavá barva ukazuje, že povrch neodráží světlo) jsou na obrázcích 4.7.6. a 4.7.7. U článku z polykrystalického křemíku jsou vidět hranice zrn jednotlivých dílčích krystalů. Účinnost takových standardních článků se pohybuje v současné době okolo 14 až 16 %. Vyšší účinnost je možno dosáhnout u speciálně konstruovaných článků s komplikovanou technologií. Příklad struktury takového článku (dosahující účinnosti až 25%.) je znázorněn na obrázku 4.7.8. 4.8 Fotovoltaické moduly Napětí na jednom solárním článku je v pracovním bodě okolo 0,5 V. Je tudíž nízké pro praktické aplikace a je třeba několik článků zapojovat do série. Pro snazší manipulaci se solárními články, pro ochranu před vlivy okolního prostředí a za účelem získání vyššího napětí se zpravidla několik solárních článků spojuje do série dohromady do fotovoltaického modulu (někdy se používají také termíny solární modul nebo solární panel). Obvykle je spojeno do série 36 článků pro 12 V aplikace nebo 72 článků pro aplikace 24 V. Při sériovém zapojení článků teče všemi články stejný proud. Je tedy žádoucí, aby všechny články byly přibližně stejně osvíceny, aby nebyl žádný zastíněn, protože v takovém případě by se výkon výrazně snížil. Aby bylo dosaženo vysoké životnosti, musí se články chránit před nepříznivými vlivy okolního prostředí. Solární články se zpravidla vkládají do vysoce průhledné fólie EVA a přední strana se často chrání před deštěm, krupobitím a jinými vlivy vysoce průhledným speciálně tvrzeným sklem. Zadní strana se uzavře vícevrstvou, vysoce pevnou fólií z plastu, nebo skleněnou destičkou a prostor mezi skly se utěsní. Mechanická konstrukce modulů musí být řešena tak, aby články v modulu byly zabezpečeny proti povětrnostním podmínkám a aby bylo zajištěno jejich optimální chlazení. Nejčastější je standardní chlazení vzduchem. Udávaná životnost solárních modulů z krystalického křemíku je zpravidla 20 až 30 let. Výkon modulu se udává jako maximální dosažitelný výkon při osvětlení 1000 W na m2.
Obr. 4.8.1.
Vyrábějí se moduly o výkonu v rozsahu od jednotek wattů do zhruba 200 W. Je-li potřeba větší výkon, než je možné dosáhnout s jedním modulem, je možno propojit mezi sebou několik solárních modulů umístěných na konstrukci zajišťující vhodnou orientaci modulů vůči Slunci a vytvořit tak tzv. fotovoltaické pole (někdy se mluví také o sluneční baterii, nebo také o tzv. solárním generátoru).
Obr. 4.8.2. Moduly je přitom možno zapojovat jak sériově – pro zvýšení napětí systému, tak paralelně – pro zvýšení výstupního proudu, nebo použít kombinaci obou zapojení, aby se zvýšil proud i napětí. Pro konstrukci fotovoltaického pole sestávajícího z několika solárních modulů, by se měly používat jen moduly téhož typu od stejného výrobce. Vysoce čistý křemík, potřebný k výrobě slunečních článků, je relativně velmi drahý materiál (jiné polovodičové materiály, jako je např. arsenid galitý, jsou ještě dražší). Proto je cena elektřiny vyráběná těmito články vyšší, než cena elektřiny vyráběné v elektrárnách. Pro další rozvoj fotovoltaiky je třeba snížit cenu slunečních článků na zhruba třetinu současné ceny. V současné době proto probíhá intenzívní vývoj tenkovrstvých slunečních článků (například z amorfního křemíku), při jejichž výrobě je potřeba podstatně méně drahého polovodičového materiálu a mohou tudíž být podstatně levnější (i když při nižší účinnosti). Porovnání článku z krystalického křemíku (tloušťka článku okolo 300 µm) s tenkovrstvým článkem (tloušťka článku okolo 1 µm) je schématicky znázorněno na obr.4.14. Účinnost tenkovrstvých článků je poněkud nižší (necelých 10 %), než článků z krystalického materiálu.
kontakt
antireflexní vrstva typ N typ P
Obr. 4.8.3. Tenkovrstvé články mohou být realizovány rovněž na ohebných fóliích, což by mohlo zjednodušit některé aplikace. Pro tenkovrstvé články je nutný výchozí materiál s velkým absorpčním koeficientem a technologie výroby, umožňující realizovat reprodukovatelně vysoce stabilní tenké vrstvy o vysoké účinnosti fotovoltaické přeměny energie a vysoké stabilitě. Nejčastěji se využívá amorfní křemík, někdy v kombinaci s mikrokrystalickým křemíkem. Tenkovrstvé články se vyrábějí rovněž z CdTe nebo CuInSe2. V současné době je životnost tenkovrstvých článků zhruba 10 let a stále jsou ještě problémy s dosažením dlouhodobé stability. Ve stádiu výzkumu jsou fotovoltaické články z organických polovodičů, u kterých se očekává další zlevnění technologie. Jinou cestou snížení nákladů na jednotku výkonů je použití modulů s koncentrátory sluneční energie. Princip modulů s koncentrátory spočívá v nahrazení větší části nákladných fotovoltaických článků v modulech optickými prostředky – zrcadly nebo čočkami, které dopadající sluneční záření nasměrují na zbylé fotovoltaické články. Tyto články by měly být dobré kvality a schopné pracovat při vysokých intenzitách dopadajícího záření. S rostoucí koncentrací se sice zpočátku zvyšuje účinnost vlivem rostoucího IPV a UOC, při rostoucích proudech se však čím dál více projevují ztráty způsobené sériovým odporem. Navíc silné dopadající záření FV články mnohem více ohřívá a při nedostatečném chlazení se jejich účinnost snižuje). Uvažuje se o využívání vodního chlazení, kdy systém může zároveň sloužit k výrobě elektrické energie i ohřevu vody. Prostředky pro koncentraci slunečního záření jsou: a) Rovinná zrcadla umístěná mezi solární moduly zvyšují výkon až o padesát procent, používá se i u konstrukcí bez sledování dráhy Slunce. b) Optické čočky jsou značně masivní, proto se ve větších koncentrátorech používají Fresnelovy čočky. Jejich princip vyžaduje dvouosý natáčecí systém konstrukce pro sledování dráhy Slunce. c) Lineární parabolická zrcadla dosahují mnohem vyšší koncentrace záření než rovinná zrcadla, vyžadují alespoň jednoosé sledování dráhy Slunce. d) Složené parabolické koncentrátory známé též jako Winstonovy jsou obdobou lineárních parabolických zrcadel, které ale nejsou tak citlivé na správné nasměrování, proto se dají s výhodou použít v systémech bez sledování dráhy Slunce.
4.9 Fotovoltaický systém Na fotovoltaickém poli (modulu) vzniká při dopadu slunečního záření stejnosměrné napětí. Výstupní charakteristika má podobný tvar jako charakteristika článku (znázorněná na obr..), tj. pro každou intenzitu opadajícího záření existuje bod maximálního výkonu. Pro praktické aplikace je třeba ještě připojit měniče, umožňující optimální využití generované elektrické energie. Kombinací fotovoltaického pole a měničů vzniká fotovoltaický systém. 4.9.1 Autonomní fotovoltaické systémy Autonomní (grid-off) FV systémy sestávají z pole fotovoltaických modulů a akumulátoru energie a jsou zdroji elektrické energie nezávisle na rozvodné síti. Zjednodušená schémata základních typů autonomních FV systémů s elektrochemickými akumulátory jsou znázorněny na obr.4.9.1.
a) bez regulace nabíjení REGULÁTOR
b) s regulátorem nabíjení
DC DC
c) s měničem napětí
DC DC
d) s měničem napětí a střídačem
Obr. 4.9.1.
DC AC
Pro použití v FV systémech jsou vyráběny speciální akumulátorové baterie (blízké staničnímu a trakčnímu typu). Nejvíce rozšířené jsou baterie olověné, pro speciální aplikace jsou vhodné akumulátory NiCd a NiFe, v některých případech aplikací s malým výkonem bývají používány i alkalické nabíjecí články nebo lithiové články. Nejjednodušší je FV systém, znázorněný na obr. 4.9.1a. U tohoto jednoduchého systému bez regulace nabíjení je však nebezpečí přebíjení akumulátorů v letních měsících. Z hlediska provozu akumulátorové baterie je výhodnější FV systém znázorněný na obr. 4.9.1b, u kterého se používá regulátor napětí, zabraňující přebíjení baterie. V obou těchto případech je pracovní bod FV modulu dán napětím akumulátoru, což nemusí být z hlediska účinnosti systému optimální (systém nemusí pracovat v bodě maximálního výkonu fotovoltaického pole). Zlepšené účinnosti je možno dosáhnout při použití DC-DC měniče (měniče stejnosměrného napětí) znázorněného na obr.4.9.1c. Měnič pracuje jako sledovač bodu maximálního výkonu zajišťující, aby fotovoltaické pole (solární generátor), pracoval vždy v bodu maximálního výkonu nezávisle na okamžitém napětí akumulátoru. Příklad zapojení DC-DC měniče je znázorněn na obr. 4.9.2.
i +
-
u
uL
u2
-
+
Obr. 4.9.2. Nevýhodu systémů znázorněných na obr. je obvykle nižší napětí dané typem použitého akumulátoru (12 V nebo 24 V) s požadavkem speciálních typů spotřebičů a velkého průřezu vodičů. Další možností, umožňující používat běžné síťové spotřebiče, je doplnění systému střídačem, jak je znázorněno na obr. 4.9.1d. Vzhledem k tomu, že systém není připojený na rozvodnou síť, průběh výstupního střídavého napětí u jednodušších měničů bývá lichoběžníkový (u střídačů s PWM sinusový). Autonomní FV systémy jsou používány ve velmi široké oblasti aplikací., kde je třeba nezávislý zdroj elektrické energie nebo v místech příliš vzdálených od elektrické sítě. Mezi aplikace patří dobíjení akumulátorů, parkovací automaty, dopravní signalizace, zdroje elektřiny v místech bez elektrické přípojky (usedlosti, chaty, zahrady, obytné automobily a jachty), čerpání vody, navigační osvětlení, retranslační stanice, telekomunikace, apod. Výkon jednotlivých systémů se pohybuje od desítek Wp (měření a signalizace) až do stovek kWp, plánují se elektrárny o výkonu až několika MWp (např. v odlehlých oblastech Egypta). Autonomní fotovoltaické systémy s akumulátory mají nezastupitelnou úlohu v kosmu, kde slouží jako zdroj energie na umělých družicích a kosmických lodích. Z pozemních aplikací jsou využívány pro napájení zabezpečovacích a telekomunikačních systémů, zásobování elektrickou energií plachetnic, obytných přívěsů a řady mobilních zařízení a také k zásobování elektrickou energií objektů vzdálených od rozvodné sítě jakými jsou např. horské chaty, chaty v některých rekreačních oblastech apod. U autonomních systémů je kladen důraz na minimální ztráty energie a na používání energeticky úsporných spotřebičů.
Podmínky pro provozování autonomních fotovoltaických systémů v zimních měsících jsou relativně nepříznivé (nižší množství energie získané během jednoho dne, vyšší spotřeba). Proto je v některých případech vhodné realizovat hybridní FV systémy, které jsou rozšířeny o další doplňkový zdroj elektrické energie (větrný generátor, elektrocentrála nebo malá vodní elektrárna). V takovém případě se mluví o hybridním autonomním systému. Pomocí hybridního autonomního systému mohou být eliminovány nepříznivé podmínky provozu fotovoltaických systémů v zimních měsících, tj. nižší množství energie získané během jednoho dne a vyšší spotřeba energie. Velikost pole fotovoltaických modulů závisí na průměrném množství elektrické energie, která je potřeba za den (týden) a to po část roku, kdy má být systém využíván (využití systému může být sezónní, nebo celoroční). Informace o sezónnosti provozu je důležitá s ohledem na nerovnoměrnost dávek dopadajícího slunečního záření v průběhu roku. Dávky slunečního záření závisejí na lokalitě a stupni znečištění ovzduší. Průměrné hodnoty intenzity slunečního záření v Praze jsou uvedeny na obr. 4.9.3. Jako orientační hodnoty je možno v podmínkách České republiky uvažovat na 1 instalovaný Wp výtěžek FV systému v létě 4 Wh/den, v zimě 0,8 Wh/den.
W/m2
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 měsíc v roce
Obr. 4.9.3. Velikost akumulátoru energie je spojena s předpokládaným počtem dnů bez slunečního svitu (obvykle 3 až 7 dnů, u speciálních aplikací s vysokými nároky na spolehlivost až 30 dnů), nebo s občasným špičkovým odběrem. 4.9.2 Fotovoltaické systémy připojené na rozvodnou síť (grid-on) Elektrickou energii vyrobenou fotovoltaickými články je možno dodávat i do rozvodné sítě. V takovém případě není třeba energii akumulovat a systémy se relativně zjednoduší. Základní schéma je znázorněno na obr. 4.9.4. Síťové měniče mohou být jednofázové nebo třífázové (podle typu střídače). Síťové měniče musí plnit všechny potřebné ochranné a bezpečnostní funkce (odpojení měniče při poklesu napětí v síti, zkratová ochrana) a musí splňovat normy ohledně kvality dodávané energie. Používají se proto střídače pracující v režimu PWM synchronizované rozvodnou sítí.
DC
DC
DC
AC
~ 230 V/ 50 Hz
Obr. 4.9.4. V případě dostatku slunečního záření je energie dodávána do rozvodné sítě (případně spotřebována uživatelem), v době nedostatku slunečního záření systém energii nedodává a uživatel odebírá elektrickou energii z rozvodné sítě. Činnost měničů je obvykle zajištěna výkonovým polovodičovým systémem s digitálním řídicím systémem. Nejrozšířenější aplikací jsou systémy realizované na budovách (malé systémy 1 až 10 kWp u rodinných domů, desítky až stovky kWp na budovách institucí ), nebo na jiných stavbách, např. na protihlukových stěnách v okolí komunikací. Na budovách jsou systémy umístěny buď na střešních konstrukcích, nebo na fasádách. Fotovoltaické systémy připojené na rozvodnou síť jsou obvykle sestavovány ze standardních bloků, kde na určitou velikost pole FV modulů (100 Wp až 10 kWp) připadá jeden měnič, u FV systémů o větším výkonu jsou tyto bloky spojovány paralelně. Fotovoltaické systémy obsahují řadu konstrukčních a prvků, které jsou pro provoz nezbytné a je jim nutno věnovat pozornost z hlediska provozní spolehlivosti a životnosti systému. Mezi ně patří: Nosné konstrukce Fotovoltaické moduly se montují na nosné konstrukce, které zajišťují jejich polohu. Tyto konstrukce musí odolávat různým klimatickým vlivům a mohou být vystaveny značné zátěži (například větru o rychlosti až 120 km/hod), proto se zhotovují z korozivně odolných materiálů s dostatečnou pevností, přiměřenou hmotností a zpracovatelností. Zvláště výhodné jsou proto slitiny hliníku nebo oceli s příslušnou povrchovou úpravou. Konstrukce lze rozdělit na dva základní druhy: Statické konstrukce jsou velice časté u velkoplošných instalací. Tyto konstrukce neumožňují sledování dráhy Slunce, jejich úhel naklonění je nastaven vzhledem k maximální výtěžnosti systému a vzhledem k možnostem pokrývané plochy. Systémy s kolmým umístěním (např. fasádách domů) jsou v našich podmínkách výhodné pro zimní provoz, systémy s náklonem 30°-50° (např. střešní instalace) pro letní. Pro celoroční provoz se doporučuje úhel sklonu od horizontály odpovídající zeměpisné šířce. Některé statické konstrukce umožňují úhel naklonění během ročních období změnit a dosahují tak větší účinnosti systému. Pohyblivé konstrukce jsou časté u systémů s koncentrátory a mají velkou přednost možnost sledování dráhy Slunce. Je u nich použit jeden či více akčních členů, které natáčejí s moduly či koncentrátory. Sledování dráhy Slunce se pak děje buď jednoosým (vertikálním) nebo dvouosým (vertikálně-horizontálním) natáčením modulů. Ke správné funkci jsou nutná čidla optimální polohy a řídící mechanizmus akčních členů (většinou elektromotorů). Náročné
bývá mechanické zajištění pohyblivých os či kloubů. Tyto konstrukce jsou proto mnohem nákladnější než statické a jejich použití je tím omezeno. Ochrana před bleskem Ochrana před bleskem je důležitá zvláště v polohách s častými bouřkami a na vyvýšených objektech, v zásadě se jedná o dva druhy ochrany: Vnější ochranu představují hlavně bleskosvody umístěné na vrcholu střechy a uzemněné svody. Ty tvoří kolem budovy Faradayovu klec svádějící elektrický výboj blesku na zem a zamezující tak škodám uvnitř objektu. Nosnou konstrukci FV systému pak stačí propojit s uzemňovacím vodičem. Tam, kde se neuvažuje o instalaci bleskosvodů, je třeba uzemnit alespoň regulátor nabíjení či střídač pomocí dostatečně dimenzovaného vodiče. Vnitřní ochrana má zamezit poškození elektrických zařízení, například střídače, vlivem přepětí. Toto přepětí vzniká nejen přímým zásahem bleskem, ale také indukcí ve vodivých smyčkách vznikajících propojením modulů. Tyto indukované napěťové špičky jsou přepěťovými ochranami na kladném i záporném vstupu střídače odváděny zemnicím vedení do země. Jako přepěťových ochran se užívají různé druhy jiskřišť nebo bleskojistek, moderní řešení pak představuje kombinovaná ochrana firmy Dehn & Sohne, tzv. dehn-ventil. Elektrická vedení Kabely pro stejnosměrný elektrický proud mají jednu či více žil skládajících se z vodičů (obvykle měděných) obklopených umělohmotnou nebo pryžovou izolací. Tyto žíly jsou pak společně obaleny pláštěm, který zamezuje jejich poškození vlivem mechanického namáhání a koroze. Je nezbytné používat kabely s dostatečným průřezem vodiče, neboť sériový odpor vedení má negativní vliv na dodávaný výkon. Tyto vodiče jsou buď drátového nebo lankového typu, drátové vodiče se používají u pevných instalací, lankové vodiče se používají v místech vhodných pro jejich vysokou ohebnost (např. propojení FV modulů). Izolace vodičů má veliký bezpečnostní význam, nejen že zabraňuje osobám a předmětům v kontaktu s vodičem pod napětím, ale zamezuje i zkratům ve vedení, které mohou způsobit vznik elektrického oblouku a následně i požár. Izolace popřípadě ochranný plášť kabelů pro vnější část instalace musí být odolná vůči klimatickým vlivům, zvláště pak proti UV záření. Připojování kabelů se provádí buď pomocí zásuvných konektorů nalisovaných na konce vodivých lanek pomocí speciálních kleští nebo pomocí šroubových ok, která jsou také nalisována. Pájení těchto konektorů či ok je nepřípustné, neboť pájka by se mohla roztavit a způsobit špatný kontakt. Mechanické upevnění kabelů je nejjednodušší pomocí spon a příchytek, nákladnější, ale mechanicky odolnější řešení je umístění do instalačních trubek a kabelových kanálů. Střídače Střídače jsou elektronické přístroje převádějící stejnosměrné napětí na střídavé pomocí řízených polovodivých prvků, toto střídavé napětí může být následně transformováno na požadovanou výstupní hodnotu pomocí transformátorů. Podle konstrukčního provedení existuje celá řada různých typů střídačů. Střídače se také rozlišují podle systému, do kterého se zapojují. Z tohoto hlediska se jedná o tyto dva druhy střídačů: Izolované střídače pracují v autonomní síti oddělené od veřejné rozvodné sítě. Tyto střídače mají omezené možnosti nastavení výstupních veličin, jako je frekvence či velikost napětí a před vstupem mají zapojený akumulátor energie. Průběh výstupního střídavého napětí se často může značně lišit od sinusového průběhu. V izolované síti by měl být jen jeden takový střídač, aby nedocházelo k poškození přístrojů v důsledku rozdílných průběhů proudu a napětí.
Střídače pro paralelní provoz se sítí pracují s systémech napojených na distribuční rozvodnou síť nebo v domácích (oddělených) sítích s více střídači. Jejich výstupní napětí odpovídá napětí sítě a je synchronní se síťovým kmitočtem, vyrábí se v provedení jednofázovém i třífázovém. Z bezpečnostních důvodů musí tyto střídače neustále sledovat napětí v síti a při jeho výpadku musí ihned ukončit napájení sítě. V systémech přímo napojených na distribuční síť se zpravidla nepoužívají další akumulátory energie a veškerý solární proud se mění přímo na střídavý, pro volbu vhodného střídače je rozhodující především jmenovitý výkon připojených FV modulů a velikost výstupního napětí těchto modulů. Každý střídač je charakterizován svými základními vlastnostmi: Výkon střídače udává maximální přenášený výkon, tj. výkon který je schopen transformovat ze vstupní stejnosměrné strany na výstupní bez jeho výrazného omezení. Izolované střídače mají maximální výkon v rozsahu 100 W až 2 kW, střídače spojené s distribuční sítí mají maximální výkon od 100 W do 5 kW. Vstupní napětí je u střídačů v izolovaných sítích dáno velikostí napětí použitého akumulátoru, jedná se zejména o hodnoty 12 V, 24 V a 48 V. U střídačů spojených se sítí jde o napětí až několik set voltů, aby se snížily ztráty způsobené sériovým odporem vedení. Výstupní napětí je u izolovaných střídačů dáno požadovaným napětím spotřebičů a u střídačů spojených se sítí je definováno síťovým napětím. Účinnost střídačů (tj. poměr výstupního výkonu ku vstupnímu) se dnes pohybuje okolo 90-98 % a závisí na tom, ve které části pracovního rozsahu měnič pracuje (obr. 4.9.5). Dobrá účinnost i při malém vytížení má velký význam, neboť solární systémy vlivem proměnlivosti výkonu dopadajícího záření většinu provozní doby pracují v oblasti malého či středního vytížení. Proto se u střídačů v Evropě zjišťuje takzvaná evropská účinnost, která se z účinností při 5, 10, 20 ,30 ,50 a 100 procentech jmenovitého výkonu vypočítává jako vážený průměr odpovídající poměrům slunečního ozáření ve střední Evropě. Tato účinnost pak udává střední účinnost v ročním průměru, kterou střídač dosahuje ve středoevropských fotovoltaických instalacích. 100
Účinnostv %
80 60 40 20 20 0 0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Výstupní výkon v % jmenovitého výkonu střídače
Obr. 4.9.5.
100
Koncepce střídačů Modulový střídač je střídač malého výkonu (do 300 W), který se instaluje přímo na solární modul systému. Všechny moduly tedy mají své střídače, jejichž výstupy jsou paralelně spojeny a jsou připojeny k síti. Výhodou je snížení nákladů na stejnosměrné propojení, které má minimální délku. Tento systém je možné snadno rozšiřovat o další moduly a lze tak dosáhnout značných výkonů. Kromě toho, pokud je některý z modulů částečně zastíněn, nedochází k výraznému zvýšení ztrát celého fotovoltaického pole. Centrální střídač převádí celý výkon všech modulů (do 5 kW), které se sériově a paralelně propojí. Výhodou tohoto systému je vyšší pracovní napětí, které je příznivé pro zmenšení ztrát ve vedení a lepší účinnost střídače. Toto řešení však nelze rozšiřovat o další připojené moduly, aniž by se zvětšil nominální výkon střídače, což prakticky znamená jeho výměnu za výkonnější typ. Případné zastínění některého z modulů má za následek výrazné zvýšení ztrát (zastíněný modul nevyrábí energii a stává se spotřebičem) a tedy snížení účinnosti systému. Řetězcový střídač se užívá u kombinací předchozích zapojení, kdy několik modulů je zapojeno sériově a výkon tohoto řetězce (do 2 kW) zpracovává jeden měnič. Těchto řetězců může být v systému několik a lze jej tak rozšiřovat snadněji než v případě jednoho centrálního střídače. Často se používá zapojení, kdy tři různé řetězce dodávají výkon do třech fází síťového rozvodu. Diagnostické prvky Pro vyhodnocování činnosti FV systému se získávají data rozličného charakteru. Jde zejména o hodnoty elektrických veličin (velikost či průběh proudu, napětí a výkonu v různých částech systému), meteorologických veličin (intenzita osvětlení, teplota na různých místech systému, rychlost větru, turbidita vzduchu…) a informací o uspořádání systému (poloha modulů, čistota povrchu modulů, procento zastínění…) a to v přesně daném časovém okamžiku. Tyto údaje se získávají pomocí příslušných čidel a senzorů s analogovým elektrickým výstupním signálem. Ten je dále digitalizován pomocí ČA převodníků a digitální forma dat se ukládá do paměťových dataloggerů spolu s časovým údajem. Z dataloggerů lze data stahovat pomocí digitální sběrnice pro další zpracování, například pro vyhodnocení činnosti pomocí PC. Kombinací různých čidel a senzorů je velké množství a každý systém má své individuální požadavky dané jeho účelem (např. výzkumný, propagační, výukový). 4.10 Rentabilita fotovoltaických systémů Realizace fotovoltaických systémů je relativně nákladná, zejména vzhledem k vysoké ceně fotovoltaických modulů. Pokud je předpokládána životnost systému 20 let, náklady na 1 kWh vyrobenou FV systémem jsou v současné době 8 až 20 Kč v závislosti na lokálních podmínkách. Z tohoto důvodu FV systémy přímo připojené na rozvodnou síť nemohou v současné době cenově konkurovat energii z klasických zdrojů. U autonomních systémů může být provoz FV systémů v řadě případů ekonomicky výhodný. Pokud se do investice započítají náklady na rozšíření sítě (vybudování přípojky je možno odhadnout cenou 300 tisíc Kč na kilometr vedení), cena energie dodané z rozvodné sítě nemusí být nižší, než cena energie vyrobené pomocí FV systému. Malé FV systémy se spotřebou do cca 150 Wh/den jsou efektivní při libovolné vzdálenosti od sítě, u větších systémů je třeba provést detailní analýzu. Porovnání nákladů na elektřinu vyráběnou FV systémy a jinými lokálními zdroji závisí na denní spotřebě energie. Porovnání nákladů s provozem elektrocentrály ukazuje, že fotovoltaika je již v současné době výhodná při potřebě energie menší než 5 kWh za den při celoročním provozu (20kWh za den při provozu jaro-podzim). Přitom nevýhodou
elektrocentrál kromě vysokých provozních nákladů jsou hluk a zplodiny, výhodou jsou relativně nízké pořizovací náklady. V některých aplikacích nelze kalkulovat pouze pořizovací a provozní náklady, ale je třeba uvažovat vliv na životní prostředí (například objekty ve státních parcích nebo u zdrojů pitné vody), nebo požadavek vysoké spolehlivosti (např. informační a zabezpečovací systémy). Fotovoltaika se ukazuje již dnes levnější v následujících případech: a) je-li instalace v odlehlém místě b) je-li počet uživatelů malý c) je-li celková spotřeba v odlehlé lokalitě nízká d) je-li spotřeba kryta z drahého zdroje, např.dieselagregátu Převážná část v současné době realizovaných FV systémů (jedná se přitom o FV systémy o výkonu přesahujícím 300 kWp) je realizována jako demonstrační projekty, na kterých jsou ověřovány různé typy FV modulů (materiálů i konstrukce), akumulace energie a měničů, právě tak jako provoz v reálných podmínkách. Většina realizovaných systémů je přímo napojených na síť. I když cena FV systémů rychle klesá (současná cena je zhruba pouze 20% ceny před deseti lety), v porovnání s konvenčními zdroji dodávajícími elektrickou energii do sítě je energie z fotovoltaických zdrojů v podmínkách České republiky (i celosvětově) stále relativně drahá. V současné době je cena za instalovaný 1 Wp u systémů připojených na rozvodnou síť 3 až 5 EUR a u autonomních systémů 5 až 9 EUR. Výroba energie FV systémy připojenými na rozvodnou síť je v rozvinutých zemích (EU, USA, Japonsko) výrazně dotována. Zároveň probíhá intenzivní vývoj a výzkum s cílem vyvinout levnější FV moduly (jednak tenkovrstvé na bázi amorfního a mikrokrystalického křemíku, existuje však také projekt snížení ceny FV modulů z krystalického křemíku na úroveň 1 Wp za 1 EUR). Pozornost je rovněž věnována systémům s koncentrátory slunečního záření. Z hlediska perspektivy roku 2015 se dá při současných trendech dosáhnout cenové úrovně 0,5 EUR/Wp. u systémů připojených k rozvodné síti. V takovém případě budou ceny energie vyráběné FV systémy spojenými s rozvodnou sítí blízké cenám energie z tradičních zdrojů. V oblasti autonomních FV systémů budou výhody převažovat. Vysoké pořizovací náklady na instalaci FV systémů, které v sobě zahrnují FV články, se promítají do ceny energie získané z těchto systémů. Vývoj ceny za 1Wp instalovaného výkonu křemíkových článků v období let 1970 až 2010 je patrný z obrázků. S poklesem cen článků klesá rovněž cena fotovoltaických systémů. Na obrázku 4.9.6 je znázorněn vývoj ceny 3 kWp systému připojeného k rozvodné síti v Japonsku, kde v období 1994 až 2001 klesla cena o polovinu. 6
cena (mil. JPY)
5 4 3 2 1 0 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 rok
Obr.4.9.6.
cena v USD
100 80 60 40 20 0 1970
1975
1980
1985
roky
cena v USD
10 8 6 4 2 0 1985
1990
1995
2000
2005
2010
roky
Obr.4.9.7. Pokud budou klesat náklady na fotovoltaické články na úroveň pod 1 EUR na 1 Wp, předpokládá prudký nárůst instalovaného výkonu fotovoltaických systémů - obr. 4.9.8. Instalovaný výkon (MWp)
svět Japonsko USA Europa A Obr.4.22.
Obr.4.9.8.
