1 Slnečné žiarenie Slnko je hviezda, ktorá tvorí stred našej heliocentrickej sústavy. Predstavuje obrovský reaktor, ktorý sa ako celok skladá zo 74 % vodíka, 23 % hélia a 3 % tvoria ostatné prvky. Jeho zdrojom energie je termonukleárna reakcia pri veľmi vysokej teplote, kedy sa mení vodík na hélium. Teplota na jeho povrchu dosahuje približne 6000 stupňov Kelvina. Z dlhodobého hľadiska predstavuje prakticky nevyčerpateľný zdroj energie. Celková vyprodukovaná energia (vo forme elektromagnetického žiarenia) sa šíri vesmírom a so zväčšujúcou sa vzdialenosťou jej intenzita klesá. Každoročne dopadne na Zem len jej nepatrné množstvo. To predstavuje niekoľko tisíc krát viac slnečnej energie ako je celosvetová spotreba. Na hranicu zemskej atmosféry pri kolmom dopade lúčov dopadne žiarenie s intenzitou 1367 W/m2 [1] (slnečná konštanta). V závislosti od zemepisnej šírky, ročného obdobia a počasia sa na povrch zeme dostane len malá časť slnečného žiarenia (približne 1000 W/m2) vo forme priameho a difúzneho žiarenia. Difúzna zložka žiarenia vzniká rozptylom priameho svetla v oblakoch, na drobných nečistotách v atmosfére, odrazom od povrchu zeme. Priama zložka žiarenia je nerozptýlená a spolu s difúznou zložkou tvoria globálne žiarenie. Slnečné žiarenie má malú energetickú hustotu a tiež sa vyznačuje veľkou časovou nerovnomernosťou. Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia na horizontálny povrch sa pre oblasť Slovenska pohybuje v rozmedzí 1000 – 1205 kWh/m2 za rok. Približne 800 kWh/m2 sa získa v letnom polroku v období od apríla do septembra, kedy dopadne na zem 75 % z celoročného globálneho žiarenia. Rozdiely v rámci Slovenskej republiky sú dané geografickými polohami. Najviac slnečného žiarenia počas celého roka zaznamenávame na juhu Slovenska (Komárno), naopak najmenej na Orave a Kysuciach (Kysucké Nové Mesto). Napriek tomu rozdiel množstva dopadajúceho žiarenia v týchto oblastiach nie je veľký, tvorí len 13 %. Preto je vhodné sa pri návrhu FV systému, vzhľadom na jeho celkovú produkciu výkonu viac sústrediť na to, aby bol umiestnený na vhodnom nezatienenom južne orientovanom mieste s ideálnym sklonom panelov, ako na to v ktorej oblasti je plánovaná jeho výstavba. Rozloženie slnečnej energie v rámci Slovenskej republiky je zobrazené na tzv. mapkách slnečného osvitu.
Obr. 1.1. Priemerný ročný úhrn slnečného žiarenia dopadajúceho na územie SR [12]
2 Využitie slnečnej energie V súčasnosti využívame slnečnú energiu pomocou solárnych systémov aktívne alebo pasívne. Vďaka nim dokážeme premeniť slnečné žiarenie na tepelnú, alebo elektrickú energiu. Bloková schéma na Obr. 2.1. zobrazuje základné možnosti využitia slnečnej energie.
Obr. 2.1. Možnosti využívania slnečnej energie [1] Základné časti tepelných solárnych systémov sa skladajú z kolektora, spojovacieho potrubia a spotrebiča. Momentálne sa najviac využívajú na prípravu teplej úžitkovej vody (TÚV), prikurovanie budov, ohrev vody v bazénoch a na priemyselné teplo. Keďže samotná
dodávka slnečnej energie nie je rovnomerná, súčasťou tepelných solárnych systémov je výmenník tepla, ktorý je pripojený na kotol ústredného kúrenia, alebo na elektrickú odporovú špirálu. Fotovoltické systémy pozostávajú zo slnečných článkov pospájaných do väčších celkov – modulov, ktoré sú pripojené buď na akumulátor cez regulátor nabíjania, alebo cez menič do rozvodnej siete nn. Pasívne solárne systémy sú architektonické riešenia pri stavbe nových budov, ktoré napomáhajú ohrevu vnútorných priestorov. Pasívna slnečná architektúra využíva niekoľko základných prvkov, ako sú, napríklad, umiestnenie budovy, veľmi dôležitá je kvalitná izolácia, orientácia okien, tepelná kapacita, strešné okná a iné. Dodržiavaním potrebných zásad pri umiestňovaní budovy a obytných priestorov dokáže navrhnutá stavba spotrebovať až o 20% menej energie na vykurovanie oproti inak orientovanému domu [1].
3 Výroba elektrickej energie zo slnečného žiarenia Existuje už množstvo princípov premeny slnečnej energie na inú formu energie. Najčastejšie je to premena na elektrickú alebo tepelnú energiu. Pri premene slnečnej energie na elektrickú rozlišujeme dva základné princípy premeny. Je to priama a nepriama premena.
3.1 Princíp nepriamej premeny slnečnej energie Princíp nepriamej premeny slnečnej energie na elektrickú je založený na premene energie Slnka na tepelnú energiu a následnú premenu tepelnej energie pomocou vhodných zariadení na elektrickú energiu. Solárne systémy, ktoré pracujú na tomto princípe premeny slnečného žiarenia majú vyššiu účinnosť ako fotovoltické systémy. V končenom dôsledku môžu dosahovať vyššie výkony na jednotku plochy slnečnej elektrárne. Slnečné elektrárne vo väčšine prípadov pracujú tak, že slnečné lúče koncentrujú zrkadlami na malú plochu do tzv. ohniska, kde sa akumuluje teplo použité na generovanie pary a následnú výrobu elektriny. Tieto elektrárne pracujú s koncentrovaným žiarením, preto sa využije len priama zložka slnečného žiarenia. Podľa použitého optického systému a spôsobu koncentrácie slnečného žiarenia rozlišujeme štyri základné typy solárnych koncentračných termických elektrární [1]:
3.1.1 Elektrárne s lineárnymi parabolickými zrkadlami Koncentrujú slnečné žiarenie do rúrky, ktorá sa nachádza v ohnisku reflektora. V rúrke prúdi kvapalina (olej), ktorý sa zahrieva až na 400 °C. Teplo sa využije na výrobu pary, ktorá poháňa turbínu generátora vyrábajúceho elektrickú energiu. V potrubí prúdi kvapalina, ktorú pomocou zrkadiel Slnko ohrieva na takmer 400 °C. Kvapalina je prečerpávaná cez tepelné výmenníky, takže na konci uniká para s vysokou teplotou poháňajúca generátor. Potrubie v ohnisku parabolických zrkadiel je zo skla a celý systém je natáčaný smerom k slnku. Najväčší takýto systém bol postavený na začiatku 80.tych rokov a jedno z deviatich zariadení malo výkon 13,8 MW. V roku 1990 boli dokončené ostatné s výkonom až 80 MW. Dôsledkom nízkych nákladov na prevádzku a údržbu sa solárne parabolické zrkadlá stali najlacnejšími a najspoľahlivejšími zariadeniami solárnej – termálnej výroby elektriny.
Obr. 3.1. Solárne parabolické zrkadlo 3.1.2 Elektrárne s tanierovými parabolickými zrkadlami Systémy využívajú sústavu parabolických zrkadiel v tvare tanierov (podobných satelitným anténam, Obr. 3.2.), ktoré koncentrujú slnečné žiarenie do absorbéra, umiestneného v ohnisku taniera. Kvapalina v absorbéri sa zohrieva až na 1000 °C. Využíva sa priamo na výrobu elektriny v malej turbíne (napr. v Stirlingovom motore), pripojenej k absorbéru. Výhodou týchto zariadení je ich stavebnicový charakter. Vysoká optická účinnosť a nízke straty energie zabezpečili parabolickým tanierom prívlastok najúčinnejšie solárne zariadenia na výrobu elektriny.
Obr. 3.2. Solárny parabolický tanier 3.1.3 Termálne solárne veže Princíp solárnej vežovej elektrárne je znázornený na Obr. 3.3. Táto slnečná elektráreň je tpická svojím výrazným vertikálnym prvkom, ktorým je veža vysoká 100 až 300 metrov a rozsiahlou plochou pokrytou zrkadlami, sledujúcimi pohyb Slnka – heliostatov. Príkladom môže byť elektráreň v Pasadene, USA. Pole heliostatov sa natáča smerom k Slnku a koncentruje lúče do ohniska centrálnej veže. Absorbované teplo sa odovzdáva kvapaline, z ktorej sa v parogenerátore vyrába para poháňajúca turbínu, ktorá vyrába elektrinu. Natáčanie riadi počítač. Dvojosové zariadenie zaisťuje, že zrkadlá neustále smerujú lúče do ohniska veže. V absorbátore cirkuluje kvapalina a získané teplo odovzdáva aj termálnemu zásobníku, z ktorého sa teplo odoberá nielen na výrobu elektriny, ale aj pre potreby iných priemyselných aplikácií. Teploty, ktoré sa dosahujú v absorbátore, sa pohybujú od 540 °C do 1480 °C. Niekoľko elektrární tohto typu do 30 MW pracuje v Kalifornii a v Novom Mexiku, kde je okolo 320 slnečných dní v roku. Niektoré vežové elektrárne používajú naviac štrkový alebo olejový akumulátor tepelnej energie, aby mohli pracovať aj nejaký čas po západe slnka. V súčasnosti sa robí výskum akumulácie tepelnej energie pomocou roztavených solí pri teplotách do 580 °C. Ďalšou možnosťou je skladovať elektrickú energiu pomocou rôznych akumulátorov alebo vodíkového cyklu, prípadne na vzdialenejšom mieste od elektrárne pomocou prečerpávacej vodnej elektrárne. Avšak vežové elektrárne majú ešte veľa slabín, pre ktoré zatiaľ nie sú vo svete veľmi rozšírené. Okrem časovej nestability dodávok elektrickej energie do siete a technologických problémov nastavovania heliostatov s potrebnou presnosťou, musia sa často čistiť zrkadlá, ktoré sa pre ich veľkú plochu často poškodia pri väčšom nápore vetra.
Obr. 3.3. Termálna solárna veža Jednu s prvých komerčných elektrární využívajúcich roztavené soli s výkonom 19 MW vybuduje v španielskej Andalúzii spoločnosť Sener. Na ploche 320 000 m2 slnečnej farmy Solar Tres sa rozmiestnia heliostaty, ktoré budú koncentrovať slnečné lúče do prijímača umiestneného na približne 120 m vysokej veži. Špecifikum tejto elektrárne je použitie roztavenej soli ako prenosového média v primárnom okruhu namiesto bežne používaného oleja. Prijímač presahujúci teplotu 850 °C zohreje roztavenú soľ na približne 565 °C. Zohriata soľ vyrobí vo výmenníku tepla paru, ktorá v druhom okruhu poháňa parnú turbínu s generátorom elektrickej energie. Konkrétne pre túto elektráreň sa použije špeciálne upravená dvojcylindrová parná priemyselná turbína SST – 600 od spoločnosti Siemens s dohrievaním pary na zlepšenie účinnosti turbíny. Keďže teplota prenosového média sa vďaka ročným a denným výkyvom slnečného žiarenia značne mení, použije sa systém chrániaci turbínu pred vychladnutím v noci, čím sa aj skráti čas nábehu turbíny pri štarte.
Obr. 3.4. Principiálna schéma solárnej vežovej elektrárne [3]
3.1.4 Komínová slnečná elektráreň Tiež známa pod názvom Slnečná prúdová veža alebo superkomín. Je jedna z typov elektrární využívajúcich ako zdroj energie slnečné žiarenie. Pracuje na princípe kombinácie troch zložiek:
efektu komína,
skleníkového efektu,
veternej turbíny.
Princíp slnečnej komínovej elektrárne spočíva v ohriatí vzduchu pod skleníkom (Obr. 3.5.). Slnkom zohriaty vzduch vytvára vzduchové prúdenie, ktoré stúpa cez komín smerom hore a poháňa veternú turbínu. Aby elektráreň mohla pracovať aj v noci, časť slnečného žiarenia ohrieva nádrže so slanou vodou, ktoré udržujú ťah vzduchu aj bez dopadu slnečného žiarenia. V súčasnosti je v Austrálii vo výstavbe komínová slnečná elektráreň, ktorá bude mať výkon 200 MW.
Obr. 3.5. Princíp komínovej slnečnej elektrárne [3] Energetická výdatnosť slnečnej veže závisí bezprostredne od dvoch činiteľov: veľkosti kolektora a výšky komína. Pri veľkom kolektore podlieha ohrevu väčší objem vzduchu, čo je príčinou vyššej rýchlosti prúdenia cez komín. Teoretické predpoklady odhadujú optimálny povrch s polomerom 3,5 km. Pri vyššom komíne zase dochádza ku väčšiemu rozdielu tlakov vyvolaného takzvaným komínovým efektom, čo má za následok vyššiu rýchlosť prúdiaceho vzduchu. Podľa odhadov je optimálna výška komína pre veľkú elektráreň okolo 1000 m. Zväčšenie výšky komína alebo povrchu kolektora zvýši prietok vzduchu cez turbíny a tým aj množstvo produkovanej energie.
Teplo môže byť tiež akumulované pod povrchom kolektora a využité na nútenú cirkuláciu vo veži, v prípade, že sa jej nedostáva slnečného žiarenia. Voda, ktorá má všeobecne veľkú tepelnú kapacitu, môže vypĺňať rúry nachádzajúce sa pod kolektorom a v prípade potreby zvyšovať množstvo dodávanej energie. Veterné turbíny môžu byť nainštalované vodorovne v mieste spojenia veže a kolektora (plány veže v Austrálii), alebo horizontálne v osi komína. Nevýhodou slnečných veží je nevyhnutnosť práce v oblastiach so silným slnečným žiarením, ako aj veľká plocha, ktorú zaberá kolektor. Pozemky vhodné na budovu musia mať nízku hodnotu (ideálne by boli napr. púšte). Menšie slnečné veže môžu byť zaujímavou alternatívou na získavanie energie pre rozvojové krajiny, keďže na ich stavbu nie sú potrebné drahé materiály, zariadenia a ani vysoko kvalifikovaní odborníci pri prevádzkovaní. Základným nedostatkom slnečnej veže je nízky stupeň premeny slnečnej energie na energiu elektrickú. Mnoho projektov založených na využití slnečného tepla má v prepočte na meter štvorcový väčšiu výkonnosť. V prípade veže je to kompenzované oveľa menšími nákladmi na jednotku povrchu. Slnečná veža s výkonom 200 MW potrebuje kolektor s priemerom 7 km a výšku komína 1000 m. Taká inštalácia môže vyrábať elektrickú energiu pre 200 000 domácností. V prípade tradičných elektrární by produkcia rovnakého množstva energie mala za následok vypustenie 900 000 ton spalín v priebehu jedného roka. Výdajnosť takej elektrárne sa odhaduje na približne 5 W/m² (výdajnosť fotočlánkov je okolo 20 – 40 %, v priemere 50 W/m²). Všetky hodnoty však môžu byť potvrdené až pri spustení plnohodnotnej elektrárne tohto typu. Tiež nie je známe, ako sa bude správať komín pod vplyvom silných vetrov, ktoré budú vyvolávať napätia materiálu použitého na jeho stavbu. Činiteľom, ktorý tiež treba vziať do úvahy, je úroveň naslnenia. Napríklad slnečné komíny pracujúce v Kanade by produkovali okolo 85% energie podobných konštrukcií pracujúcich v rovníkových oblastiach [4]. 3.1.5 Solárne absorbčné nádrže Vyššie opísané solárne koncentračné technológie majú nevýhodu v tom, že bez zariadení na skladovanie energie alebo zálohových systémov na klasické palivá nedokážu vyrábať elektrinu v noci. Skladovanie tepla je však možné aj v prírodných nádržiach, ktoré sa
pre tento účel využívajú na výrobu elektriny. Niektoré prírodné vodné nádrže (napr. Mŕtve more) majú relatívne veľmi vysoký obsah solí, pričom ich koncentrácia rastie smerom od povrchu ku dnu. Charakteristické pre takéto nádrže je, že tu nedochádza k výraznému premiešavaniu a koncentrácia solí zostáva nerovnomerne rozložená. V dôsledku toho dochádza k vyššej absorpcii slnečného žiarenia pri dne nádrže, kde je vysoká koncentrácia solí. Voda s vyššou koncentráciou solí je totiž hustejšia, a preto sa nepremiešava s vyššie položenou vodou. Zohrieva sa natoľko, že dochádza takmer k varu, pričom povrch nádrže je relatívne chladný. Táto horúca spodná voda môže byť využitá ako zásobník, z ktorého sa teplo odvádza cirkulačným potrubím s kvapalinou do turbíny vyrábajúcej elektrickú energiu. Teplotný rozdiel medzi hornou a spodnou vrstvou nádrže je na mnohých miestach dostatočný na výrobu elektrickej energie [3].
3.2 Princíp priamej premeny slnečnej energie Tento princíp sa využíva vo FV článkoch. Fotovoltický článok alebo solárny článok je veľkoplošná polovodičová súčiastka, ktorá priamo premieňa slnečnú energiu na energiu elektrickú pomocou fotoelektrického javu. Fotovoltické články majú mnoho uplatnení. Používajú sa na napájanie malých zariadení (napr. kalkulačky, hodinky, solárne hračky), v kozmickom priemysle a taktiež vo veľkom sa začínajú využívať v energetickom priemysle. V súčasnej dobe existuje mnoho materiálov, z ktorých sú články vyrábané. Okrem iných prvkov a zlúčenín je v súčasnosti najvyužívanejší materiál na výrobu FV článkov kremík. Táto surovina je štvrtá najpoužívanejšia surovina na svete. Na výrobu solárnych panelov sa však využíva približne len 1 % z tohto množstva. Používa sa v niekoľkých podobách, ktoré závisia od použitej výrobnej technológie (viac v [1]). Sú to tieto podoby:
kremík (Si) vo forme: monokryštálu, polykryštálu, amorfný kremík,
arzenid gália (GaAs),
telurid kademnatý (CdTe),
CIS a CIGS (zliatiny CuInSe2 alebo Cu(In,Ga)(S,Se)2),
iné anorganické materiály (GaP, AlSb, InP, InSb),
organické materiály (polovodivé polyméry).
3.2.1 Princíp činnosti FV článku Princíp spočíva v tom, že fotón dopadajúci na polovodič so štruktúrou PN priechodu excituje (prechádza jadrom atómu do vyššej energetickej hladiny) elektrón a tým vytvorí dva nosiče elektrického prúdu, voľný elektrón a dieru. Solárne články sa skladajú s hornej kremíkovej vrstvy, ktorá predstavuje polovodič typu N – vodivosť zabezpečujú elektróny (-) a dolnej kremíkovej vrstvy z polovodiča typu P – vodivosť zabezpečujú diery (+). Na Obr. 3.6. je znázornené, keď do blízkosti PN priechodu prenikne fotón, dôjde k fotoelektrickému javu a uvoľnené elektróny začnú prechádzať do hornej vrstvy polovodiča typu N. Voľné elektróny v spodnej vrstve začnú preskakovať z atómu na atóm, aby zaplnili prázdne miesta. Z hornej vrstvy sa elektróny z článku odvádzajú do elektrického obvodu, v ktorom je solárny článok vsadený. V obvode tak vzniká elektrický prúd za podmienky, že bude na solárny článok dopadať svetlo. Výhodou je, že týmto spôsobom sa elektrická energia vyrába nehlučne a ekologicky. Celý FV systém pracuje automaticky, bez obsluhy a bez väčších nárokov na obsluhu [2].
Obr. 3.6. Fotovoltický článok [2] 3.2.2 Solárne fotovoltické systémy FV systém tvorí skupinu viacerých komponentov, na základe ktorých vznikne jeden funkčný celok (fotovoltická elektráreň). Jeho hlavným prvkom sú FV panely (moduly), menič, riadiace a výkonové prvky (regulátor výstupného P a U), akumulátor energie a podporné zariadenia (pri nedostačujúcej autonómnej prevádzke systému). Ako som už spomenul pracujú na princípe fotoelektrického javu – priamej premeny svetla na elektrickú energiu. Slnečné žiarenie dopadajúce na polovodičový FV článok,
vyrobený na báze kremíka produkuje jednosmerný elektrický prúd. FV články sú integrované do tzv. modulov (Obr. 3.7.) s najbežnejším menovitým výstupným napätím zo solárneho regulátora 12, až 48 V, elektricky prepojené moduly vytvárajú solárne fotovoltické systémy s výstupným napätím rádovo stovky voltov.
Obr. 3.7. Hierarchia FV prvkov [2] Výkon jednotlivého fotovoltického článku pochopiteľne závisí od veľkosti jeho plochy (rádovo jednotky wattov). Spájaním článkov môžeme výkon v podstate ľubovoľne meniť. Podľa okolností používania fotovoltiky môžeme FV zdroje rozdeliť vzhľadom na ich výkon na zdroje s najnižším výkonom (napájanie malých zariadení), zdroje s nízkym výkonom (do niekoľko wattov), autonómne zdroje stredného výkonu (od 50 W do 5 kW), zdroje stredného výkonu napojené na verejnú sieť (s použitým meničom do 5 kW), autonómne zdroje veľkého výkonu (s inštalovaným výkonom do 100 kW s meničmi na striedavý prúd) a zdroje veľkého výkonu napojené na sieť (s inštalovaným výkonom až niekoľko megawattov napojené na verejnú sieť). FV systémy rozdeľujeme hlavne podľa použitých materiálov v moduloch na tri základné druhy:
monokryštalické,
polykryštalické,
amorfné. Tab. 3.1. Účinnosť kremíkových článkov [2] Kremíkové články Monokryštalické Polykryštalické Amorfné
Účinnosť 13 – 17 % 10 – 14 % 5 –9%
Triedenie FV systémov preto možno urobiť na základe rôznych parametrov alebo vlastností. Ďalšia možnosť je triedenie podľa charakteru koordinácie s inými zdrojmi alebo
energetickou sieťou. Z hľadiska aplikácie rozoznávame tri typy FV systémov, z ktorých každý je vhodný na iné použitie, do iných podmienok. Systémy pracujúce v samostatnom režime (grid off) Sú to samostatné (autonómne) systémy, ktoré sa inštalujú na miestach, kde nie je prístup k elektrickej sieti, často aj v prípadoch, keď sa chce prevádzkovateľ vyhnúť komplikáciám spojeným s pripojením na sieť. V období s nízkou intenzitou dopadajúceho slnečného žiarenia v mesiacoch november až február je potrebné značné a pre väčšie odbery nerentabilné predimenzovanie systému. Na trvalú dodávku energie je nutné vybaviť ich akumulátormi. Tieto systémy sa skladajú z FV modulov, batérie, z ochranného obvodu, ktorý chráni batériu pred nadmerným vybitím alebo prebitím. Väčšie a výkonnejšie systémy môžu obsahovať aj menič napätia, ktorý transformuje dodávané jednosmerné napätie na striedavé sieťové napätie. Bloková schéma je na Obr. 3.8. Malé systémy sa používajú priamo na napájanie telefónnych búdok alebo parkovacích automatov, ktoré je možné jednoducho premiestniť bez ohľadu na pripojenie na sieť. Väčšie systémy s meničmi môžu napájať sídla mimo dosahu rozvodnej siete napr. odľahlé dediny, chatové oblasti. Na Slovensku sú takéto lokality zriedkavé vzhľadom na dobrú dostupnosť verejnej elektrickej siete. Za hlavný nedostatok sa považuje problém zásobovania energiou v prípade nepriaznivého počasia. Z tohto dôvodu sú FV systémy zálohované akumulátormi alebo dieselovými agregátmi. Systémy pracujúce v samostatnom režime sa s výhodou využívajú na elektrifikáciu odľahlých vidieckych častí. V Indii, Afrike, Indonézii, kde nie je prístup k elektrifikačnej sieti, sú FV panely najlacnejšou alternatívou na získavanie elektrickej energie [1].
Obr. 3.8. Bloková schéma systému grid off [5] Samostatné systémy sú pripojené na batériu cez regulátor nabíjania, ktorý prerušuje okruh keď je batéria nabitá, a vypína záťaž skôr, ako vy sa batéria úplne vybila. Samotné
batérie musia byť dosť veľké, aby mohli skladovať energiu vyrobenú cez deň a využívať ju v noci alebo počas nepriaznivého počasia. Systémy pripojené do elektrickej siete (grid on) Existujú dva režimy prevádzky systémov grid on. Režim vlastnej spotreby a predaja prebytkov do siete (Obr. 3.9.) a režim pre výhradný predaj elektrickej energie do siete (Obr.3.10.). Majú veľkú výhodu oproti autonómnym systémom, pretože sa všetka vyrobená elektrická energia spracuje. Podobne ako autonómne systémy sa skladajú z viacerých FV modulov, meniča napätia, zariadenia na meranie, reguláciu a sieťovú ochranu. Systém pripojený do siete zvykne mať dva elektromery. Jeden meria dodávanú energiu do siete a druhý odoberanú energiu zo siete. Menič napätia mení jednosmerné napätie na striedavé s technickými parametrami a kvalitou vhodnou pre sieť (napr. jednosmerné napätie 24 V na striedavé 230 V/50 Hz). Výsledné napätie musí byť vo fáze s napätím v distribučnej sieti.
Obr. 3.9. Systém pre vlastnú spotrebu a predaj prebytkov do siete [5] Na strechách domácností sa inštalujú prevažne systémy s výkonom 1 až 5 kWP. Pre investorov sú zaujímavé systémy inštalované na strechách väčších polyfunkčných budov alebo na odľahlých nezastavaných územiach. Napr. z jedného hektára pôdy zastavaného fotovoltickými modulmi môžeme získať výkon približne 1 MW.
Obr. 3.10. Systém pre výhradný predaj elektrickej energie do siete [5] Hybridné ostrovné systémy V prípade, že sa vyžaduje celoročná prevádzka, je vhodné použiť hybridné systémy, ktoré patria tiež medzi autonómne systémy (grid off), keďže nie sú pripojené k distribučnej sieti. Zvyčajne sú to zložitejšie a väčšie systémy, ktoré majú okrem fotovoltických modulov aj iné zdroje energie (napr. veternú elektráreň, kogeneračnú jednotku, dieselagregát), ktoré zabezpečia dodávku energie v málo slnečných obdobiach v roku. Jednotlivé časti systému sú znázornené na Obr. 3.11. Takéto systémy musia mať vyšší inštalovaný výkon pre zimnú prevádzku a sú potrebné aj zložitejšie riadiace a regulačné prvky, dôsledkom čoho sa zvyšujú obstarávacie a prevádzkové náklady. Napríklad pri použití dieselového generátora sa vyžaduje, aby sa zapol pri nastavenej úrovni vybitia batérie a naopak vypol vtedy, keď je batéria dostatočne nabitá. Pri použití hybridných systémov sa môžu využiť menšie FV zariadenia a batérie ako v prípade podobne pracujúcich samostatných systémov [1].
Obr. 3.11. Hybridný ostrovný systém [5]
3.2.3 Termoelektrické články Termoelektrické články (termočlánky) sú zdroje jednosmerného napätia, v ktorých sa premieňa
tepelná energia (tj.
teplo)
na
elektrickú
energiu.
Pracujú
na
princípe
termoelektrického javu (Peltier-Seebeckovho javu [6]), ktorý je daný väčšinou vlastnosťami rozhrania dvoch pevných látok. Tento jav sa používa na generovanie elektriny, na meranie elektriny, alebo na chladenie objektov. Pri pretekaní elektrického prúdu
sa vyvinú
rozdielne teploty na stykových plochách dvoch vodičov (jedna plocha sa schladí a druhá sa zohreje). Keďže riadenie ohrevu a chladenia je určené veľkosťou použitého napätia, zariadenia pracujúce na princípe termoelektrického javu sú vhodné tam, kde je požadovaná kontrola teploty [7].
Obr. 3.12. Termoelektrický článok [7] Termoelektrické moduly sú malé, ľahké a úplne tiché. Sú použité polovodičové technológie a nemajú žiadne pohyblivé časti. Modul slúži buď ako tepelné čerpadlo, alebo ako generátor elektrického prúdu. Ak sa Peltier-Seebeckov jav používa na výrobu elektriny, je modul známy ako termoelektrický generátora (TEG). V priemyselnej oblasti je článok tiež známy ako termoelektrický chladič (TEC). Používajú sa hlavne pre malorozmerné chladenie (nízke chladiace výkony, malé rozmery zariadenia) v počítačovej technike a elektrotechnike. 3.2.4 Teplovzdušný solárny kolektor v kombinácii s FV panelom Vykurovanie teplovzdušnými solárnymi kolektormi využíva niekoľko desiatok konštrukcii a zapojení. Mnoho solárnych zariadení je kombinovaných s ďalšími technológiami teplovzdušného vykurovania a tvorí tak systémy použiteľné na mnohé účely. Teplovzdušné slnečné kolektory majú viacero aplikácií a použití v systémoch na vykurovanie objektov. Medzi najobvyklejšie využitie sa zaraďuje najmä:
temperovanie objektov,
vysúšanie objektov,
vykurovanie objektov,
vyhrievanie chodníkov, parkovacích plôch a striech.
Obr. 3.13. Solárny teplovzdušný kolektor s ventilátorom [8] Konštrukciu teplovzdušného stenového solárneho kolektora možno rozšíriť o ventilátor, ktorý zaistí rýchlejšiu cirkuláciu vzduchu a teda i rýchlejší a rovnomernejší ohrev objektu. Samotný ventilátor potrebuje na svoju prevádzku samozrejme elektrický prúd, ten ale môže byť získavaný rovnako zadarmo zo slnečného žiarenia, ak použijeme na jednom objekte okrem teplovzdušného solárneho kolektora aj FV solárne panely. Niektoré modely solárnych teplovzdušných panelov majú FV panel zabudovaný v časti vlastného telesa kolektoru a nie sú teda potrebné ďalšie zariadenia.
