FOTOVOLTAIKA
Mgr. Jiří Petera Mgr. Jan HEŘMAN
OBSAH 1
HISTORIE ........................................................................................................... 3
1 .1 G E N ER AČ NÍ V ÝVO J FO TO VO L T AI CK Ý CH Č LÁ NK Ů ............................................... 5 1 .1 .1 P RV NÍ G ENE R AC E ................................................................................................................. 5 1 .1 .2 DR UH Á GEN E R ACE ............................................................................................................... 6 1 .1 .3 T ŘET Í GENE R AC E .................................................................................................................. 6
2
FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ČINNOSTI FOTOVOLTAICK ÝCH ČLÁNKŮ .... 8
2 .1 SO LÁ RN Í P A NE L ( K Ř EM Í K O VÉ Č L ÁNK Y) .................................................................... 10 2 .2 FO TO VO L T AI CK É SY S T ÉM Y ................................................................................................ 12 2 .2 .1 DR OB N É AP LI K AC E ............................................................................................................ 12 2 .2 .2 OST R OV NÍ SY ST ÉM Y ( OF F - G RID) .............................................................................. 12 2 .2 .3 SÍ Ť OVÉ S YST ÉM Y ( O N -G RI D) ....................................................................................... 14
3 4 5
EKONOMICKÉ AS PEKTY V YUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝ CH ČLÁNKŮ 16 VYUŽITÍ FOTOVOLTAICK ÝCH ČLÁNKŮ V ZAHRANIČÍ ..................... 17 VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁN KŮ V ČR ...................................... 18
PŘ ÍRO DN Í P O DM ÍN K Y V ČR ................................................................................................. 19 L E G IS L A T IV A V Č R .................................................................................................................... 21 FI NA NČ NÍ N ÁS T RO J E PO DPO RY V ČR ........................................................................... 21 M ECH A NI SM US VÝ K UPN Í CH C E N A ZE L E NÝ CH B O N U SŮ (F E ED - I N TA R I FF) ....................................................................................................................... 22 5 .4 .1 P RI N CI P VÝ KUP NÍ C H CE N .............................................................................................. 22 5 .4 .2 P RI N CI P ZE LE NÝ C H B ON US Ŧ ....................................................................................... 23 5 .5 DA ŇO V Á Ú L E VA ........................................................................................................................... 23 5 .6 DO TA ČN Í T I TU L Y V ČR ........................................................................................................... 24 5 .6 .1 N ÁRO D NÍ P R OG R AM Y ...................................................................................................... 24 5 .6 .2 . OP ER AČ NÍ P R OG R AM Y ..................................................................................................... 25 5 .1 5 .2 5 .3 5 .4
6. 7
EKONOMICKO – TECHNICKÉ ZHODNOCENÍ VYUŽITELNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁN KŮ NA KONKRÉTNÍM DOMĚ ................. 26 SEZNAM POUŽITÉ LITER ATURY A ZDROJŮ ........................................ 30
2
Schéma č. 1: Využití solární energie
Slunc e
Další druhy obnovitelných zdrojŧ
Solární energie
Soukrom é vyuţití Elektrárn a
Fotovoltaické / solární panely
Výroba el. energie Ostrovní systémy (akumulace el.energie)
Drobné aplikace
Síťové systémy Síťový střídač
Regulace nabíjení / vybíjení
SPOTŘEBITEL (kalkukačky, nabíječky, MP3 přehrávače aj.)
Akumulátorová baterie
SPOTŘEBITEL Běžné síťové spotřebiče (TV, ledničky, pračky aj.)
Elektrom ěr Veřejná rozvodná síť Elektrom ěr Vnitřní el. rozvody
3
KLÍČOVÁ SLOVA
fotovoltaika, solární energie, solární panely, fotovoltaické systémy, ostrovní systémy, síťové systémy, účinnost solárních panelŧ, státní dotace, výkupní ceny, zelené bonusy
4
1. HISTORIE Pojem fotovoltaika pochází ze dvou slov, řeckého φώς [phos] = světlo a ze jména italského fyzika Alessandra Volt y. Objev fotovoltaického jevu se pak připisuje Alexandru Edmondu Becquerelovi, který jej jako devate náctilet ý mladík odhalil při experimentech v roce 1839. V roce 1904 jej fyzikálně popsal Albert Einstein a v roce 1921 mu byla za „práce pro rozvoj teoretické fyziky, zejména objev zákona fotoelektrického efektu“ udělena Nobelova cena.
Jiţ
v
roce
1916
pak
další
drţitel
této
ceny
Robert
Millikan
experimentálně potvrdil platnost principu fotovoltaického jevu. Prvotní pokus y s fotočlánky spadají do sedmdesátých let 19. století, kdy byl y poprvé zjištěny změny vodivosti selenu při jeho osvětlení a kolem r. 1883 byl sestrojen první selenový fotočlánek s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts, účinnost pod 1%). První patent na solární článek pak byl podán v roce 1946 Russellem Ohlem, který také stál na počátku rozvoje křemíkových solárních článkŧ (1941). První skuteč ný fotovoltaický článek s 6 % účinností byl vyroben z krystalického křemíku v roce 1954 v Bellových laboratořích (G.L. Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller). Větší rozvoj fotovoltaiky nastává v šedesát ých letech s nástupem kosmického výzkumu, sluneční člán ky slouţí jako zdroj energie pro druţice. Vŧbec první druţicí vyuţívající k zisku energie sluneční paprsky byl ruský Sputnik 3, vypuštěný
15.
května
1957.
Dalším
dŧleţit ým
mezníkem
pro
rozvoj
fotovoltaiky a zejména výzkumu a vývoje v této oblasti byla celo světová ropná krize v roce 1973.
1.1 GENERAČNÍ VÝVOJ FOTO VOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ
1.1.1 PRVNÍ GENERACE
První generací se naz ývají fotovoltaické články vyuţívající jako základ křemíkové desky. Jsou dnes nejrozšířenější technologií na trhu (cca 90 %) a dosahují poměrně vysoké účinnosti pře měny (v sériové výrobě 16 aţ 19 %, speciální struktury aţ 24 %). Komerčně se začal y prodávat v sedmdesát ých 5
letech minulého století. Přestoţe je jejich výroba relativně drahá (a to zejména z dŧvodu drahého vstupního materiálu – krystalického křemíku), budou ještě s největší pravděpodobností v několika dalších letech na trhu dominovat.
1.1.2 DRUHÁ GENERACE
Impulsem pro rozvoj článkŧ druhé generace byla především snaha o sníţení výrobních nákladŧ úsporou drahého základního materiál u – křemíku. Články druhé generace se vyznačují stokrát aţ tisíckrát tenčí aktivní absorbující polovodičovou vrstvou ( tzv. thin-film) a jejími představiteli jsou např. články z amorfního a mikrokrystalického křemíku (případně silicon -germania, či silicon-karbidu, ale také tzv. směsné polovodiče z materiálŧ jako Cu, In, Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo v porovnání s články první generace k poklesu výrobních nákladŧ (a tedy za předpokladu velkosériové výroby i k pok lesu ceny), nicméně dosahovaná účinnost je obvykle niţší (v sériové výrobě obecně pod 10%). Nespornou výhodou tenkovrstvých článkŧ je ale moţnost volby substrátu (na ně jţ se tenkovrstvé struktury deponují) a v případě pouţití flexibilních materiálŧ (organické, kovové či textilní folie) i značně širší aplikační sféra. Komerčně se začal y články druhé generace prodávat v polovině osmdesátých let.
1.1.3 TŘETÍ GENERACE
Pokus o „fotovoltaickou revoluci“ představují solární články třetí generace. Zde je hlavním cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonŧ a následně generovaných párŧ elektron - díra (jedná se o tzv. „proudov ý zisk“),
ale
i
maximalizace
vyuţití
energie
dopadajících
fotonŧ
( tzv.
„napěťový zisk“ fotovoltaických článkŧ). Existuje řada směrŧ, kterým je ve výzkumu věnována pozornost: vícevrstvé solární články (z tenkých vrstev)
6
články s vícenásobnými pásy články, které by vyuţíval y nosiče náboje pro gener ování většího mnoţství párŧ elektron – díra termofotovoltaická přeměna, kde abs orbér je současně i selektivně vyzařujícím radiátorem termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí články
vyuţívají cí
kvantových
jevŧ
v
kvantových
tečkách
nebo
kvantových jamách prostorově strukturované články vznikající samoorgan izací při rŧstu aktivní vrstvy organické články (např. na bázi objemových heteropřechodŧ) Zatím jediným komerčním příkladem dobře fungujících článkŧ třetí generace (přímo navazující ch na fotovoltaické články druhé generace) jsou vícevrstvé struktury (dv ojvrstvé – tzv. tandem y a trojvrstvé články), z nichţ kaţdá substruktura (p -i-n) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak energetická vyuţitelnost fotonŧ. Příkladem tandemového solárního článku je struktura skládající
se z p -i-n přechodu amorfního (hydrogenovaného)
křemíku (a-Si:H) a p-i-n přechodu mikrokrystalického (hydrogenovaného) křemíku (µc-Si:H). Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a ţluté části spektra, mikrokrystal ický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Mikrokrystalický křemík mŧţe být nahrazen i „slitinou“ křemíku s ge rmániem a dle zvoleného poměru o bou materiálŧ se dají upravovat i jejich optické (či elektrické) vlastnosti. Těchto materiálŧ se např. vyuţívá komerčně právě pro trojvrst vé solární články, kde dva spodní články jsou vyrobeny s rŧznou koncentrací Si a Ge. Základní podmínkou pro dobrou funkc i vícevrstvých článkŧ je, aby kaţdý z článkŧ generoval stejný proud. V opačném případě pak ten horší (příp. nejhorší) z článkŧ limituje a celkově sniţuje dosaţitelnou účinnost.
7
2. FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ČINNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ Sluneční záření dopadající na povrch Země (po prŧchodu atmosférou) se skládá z fotonŧ rŧzných vlnových délek a tedy i rŧzných energií. Z celého slunečního spektra je lidským okem viditelná pouze jeho část v oblasti 380 aţ 780 nanometrŧ. Oblast s kratší vlnovou délkou (větší energií) se naz ývá ultrafialová (UV) a oblasti s delší vlnovou délkou se říká infračervená (IČ).
Obr. č. 1: Sluneční spektrum po průchodu vrstvou atmosféry Základním poţadavkem na sluneční články je schopnost pohlcovat co nejširší oblast slunečního spektra a co nej lépe vyuţít energii fotonŧ. Dopadá-li na křemík foton o energii menší neţ 1,1 eV (elektronvoltŧ), projde křemíkem a není absorbován. Kdyţ je jeho energie větší neţ 1,1 eV (tato energie odpovídá šířce tzv. zakázaného pásu EG
Ec
Ev a tedy „absorpční
hraně“ křemíku), pak je tento foton absorbován a v polovodiči vzniknou volné nosiče náboje - záporný elektron a kladná díra.
8
Obr. č. 2: Princip fotovoltaického článku Sluneční článek se skládá z části mající elektr onovou vodivost (materiál t ypu N, např. křemík s příměsí fosforu) a z části mající děrovou vodivost (materiál typu P , např. křemík s příměsí boru). Na přechodu P-N dojde k oddělení elektronŧ a děr a na kontaktech vznikne napětí (v případě křemíku t ypicky 0,5-0,6 V). Připojíme-li ke kontaktŧm spotřebič (zátěţ), protéká tímto elektrický proud.
Obr. č. 3: Schéma fotovoltaického článku Fotovoltaika vyuţívá přímé přeměny světelné e nergie na elektrickou energii v polovodičovém prvku označovaném jako fotovoltaický nebo také solární článek. Solární článek je v principu velkoplošná dioda s alespoň jedním PN přechodem. V ozářeném solárním článku jsou generovány elektricky nabité částice (páry elektron – díra). Elektrony a díry jsou separovány vnitřním
9
elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťov ý rozdíl mezi „předním“ ( -) a „zadním“ (+) kont aktem solárního článku. Vnějším obvodem zapojeným mezi oba kontakt y potom protéká stejnosměrný elektrický proud, který je přímo úměrný ploše solárního článku a intenzitě dopadajícího slunečního záření. Napětí jednoho článku s hodnotou přibliţně 0,5 V je příliš nízké pro další běţné vyuţití. Sériovým propojením více článkŧ však získáme napětí, které jiţ pouţitelné je v rŧzných t ypech fotovoltaických systémŧ. Standardně jsou pouţívány sestavy pro jmenovité provozní napětí 12 V nebo 24 V. Takto vytvořené sestavy článkŧ v sériovém nebo i sériovo -paralelním řazení jsou hermeticky uzavřeny ve struktuře krycích materiálŧ výsledného solárního panelu.
Obr. č. 2: Voltampérová charakteristika fotovoltaického článku
2.1 SOLÁRNÍ PANEL (KŘEMÍ KOVÉ ČLÁNKY) Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článkŧ vzniká po jejich zapouzdření fotovoltaický panel (FV panel). Panel musí zajistit hermetické
zapouzdření
solárních
článkŧ,
musí
zajišťovat
dostatečnou
mechanickou a klimatickou odolnost (např. vŧči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panelŧ jsou značně rozmanité podle druhu pouţití. Obvykle jsou po obvodu FV panel y opatřeny duralovými rám y pro zpevnění celé konstrukce fotovoltaického panelu a zároveň k usnadnění
10
realizace uchycení panelŧ ke konstrukci FV systému. Přední krycí materiál je speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití. Schéma fotovoltaick ého panelu a částí jeho konstrukce je znázorněno na obrázku č.5. Jde o poměrně sloţit ý proces konstrukce panelu realizovan ý v prŧběhu výroby většiny panelŧ – tzv. laminace.
Obr. č. 3: Konstrukce fotovoltaického panelu Z
aplikačního
hlediska
jsou
pro
nás
nejdŧleţitější
části
konstrukce
nacházející se nad povrchem přední strany FV článkŧ, tedy tzv. EVA folie (ethylen vinyl acetát) a kalené sk lo (popř. teflon, litá pryskyřice). EVA folie je organickým materiálem, který mŧţe vykazovat při silném ozáření UV světlem efekt „ţloutnutí“ a tedy sníţení optické transparentnosti panelu s nepříznivým
vlivem
na
mnoţství
generovaného
elektrické
výkonu
slunečními články. Krycí kalené sklo je z hlediska degradace optických vlastností velmi stabilním materiálem a ke sníţení optické propustnosti mŧţe dojít jedině znečištěním povrchu vlivem okolního prostředí. Struktura panelŧ tenkovrstvých solárních článkŧ je p oněkud odlišná od konstrukce modulŧ z krystalických křemíkových článkŧ. Je to dáno zejména zcela odlišnou technologií výroby, kdy celá aktivní struktura je deponována plazmaticky v jednotlivých krocích na skleněný velkoplošný substrát.
11
2.2 FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY
Podle účelu pouţití lze fotovoltaické systém y rozdělit do 3 skupin. Jsou to takzvané -
drobné aplikace
-
ostrovní systém y (off-grid)
-
síťové systém y (on -grid)
Nejvýznamnější skupinou jsou jednoznačně síťové systém y, které například v Německu tvoří ví ce neţ 90% veškerých instalací.
2.2.1 DROBNÉ APLIKACE Tvoří nejmenší, avšak nezanedbatelný podíl na FV trhu. Kaţdý jistě zná fotovoltaické články v kalkulačkách nebo také solární nabíječky akumulátorŧ. Trh drobných aplikací nabývá na významu, protoţe s e mnoţí poptávka po nabíjecích zařízeních pro okamţité dobíjení akumulátorŧ (mobilní telefony, notebooky, fotoaparát y, MP3 přehrávače apod.) na dovolených, v kempech, popř. ve volné přírodě.
2.2.2 OSTROVNÍ SYSTÉMY (OF F-GR ID) Pouţívají se všude tam, kd e není k dispozici rozvodná síť a kde je potřeba střídavého napětí 230 V. Obvykle jsou ostrovní systém y instalovány na místech, kde není účelné anebo vŧbec není moţné vybudovat elektrickou přípojku. Dŧvody jsou zejména ekonomické, tzn. náklady na vybudován í přípojky jsou srovnatelné (nebo vyšší) s náklady na fotovoltaický systém (vzdálenost k rozvodné síti je obvykle více neţ 500 - 1000 m). Jedná se zejména o odlehlé objekt y, jakými jsou např. chat y, karavany, jacht y, napájení dopravní signalizace a telekom unikačních zařízení, zahradní svítidla, světelné reklam y apod. Off-grid s ystém y se dále dělí na systém y -
s přím ým napájením
12
-
hybridní systém y
-
s ystém y s akumulací elektrické energie
U s ystémŧ s přím ým napájením se jedná o prosté propojení sol árního panelu a spotřebiče, kdy spotřebič funguje pouze v době dostatečné intenzit y slunečního záření (nabíjení akumulátorŧ mal ých přístrojŧ, čerpání vody pro závlahu, napájení ventilátorŧ k odvětrání uzavřených prostor atd.).
Spotřebič
Obr. č. 4: Schéma systémů s přímým napájením Hybridní ostrovní systém y se pouţívají tam, kde je nutný celoroční provoz se značným vytíţením. V zimních měsí cích je moţné získat z fotovoltaického zdroje podstatně méně elektrické energie neţ v letních měsících. Proto je nutné t yto systém y navrhovat i na zimní provoz, coţ má za následek zvýšení instalovaného výkonu systému a podstatné zvýšení pořizovacích náklad ŧ. Z těchto
dŧvodŧ
jsou
fotovoltaické
systém y
doplňovány
alternativním
zdrojem energie, kterým mŧţe být např. větrná elektrárna, malá vodní elektrárna, elektrocentrála, kogenerační jednotka atd. Typickými představiteli systémŧ nezávislých na síti jsou sy stémy s akumulací elektrické energie. Oproti síťové verzi (viz níţe) vyţaduje tento systém navíc solární baterie, které uchovají vyrobenou energii na dobu, kdy není dostatek slunečního svitu (noc, „temné“ dny v zimním období, atd.). Optimální dobíjení
a
vybíjení
akumulátorové
baterie
regulátorem. Takový ostrovní systém potom obsahuje: fotovoltaick é panel y regulátor dobíjení akumulátorŧ
13
je
zajištěno
elektronickým
akumulátor (v 95% bývá olověný) střídač = měnič (pro připojení běţných síťových spotřebičŧ 230V / ~50Hz) případně další sloţky - sledovače slunce, indikačních a měřících přístrojŧ
Svítidlo TV Chladnička Vítr….….. Voda....… Plyn....…. Benzín.…
Střídač xxVss/230Vst Akumulátorová baterie
Pro hybridní systém
Běžné síťové spotřebiče
Obr. č. 5: Schéma systémů s akumulací elektrické energie
2.2.3 SÍŤOVÉ SYSTÉMY (ON-GR ID) Síťové s ystém y (on-grid) jsou nejvíce uplatňovány v oblastech s hustou sítí elektrických
rozvodŧ.
V
případě
dostatečného
slunečního
svitu
jsou
spotřebiče v budově napájeny vlastn í „solární“ elektrickou energií a případný přebytek je dodáván do veřejné rozvodné sítě. Při nedostatku vlastní energie je elektrická energie z rozvodné sítě odebírána. S ystém funguje zcela automaticky díky mikroprocesorovému řízení síťového střídače. Přip ojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodŧ. Špičkový výkon fotovoltaických systémŧ připojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek kilowatt aţ jednotek megawatt. V současnosti se tento t yp systémŧ jeví (za předpokladu dotace) jako zajímavá investiční příleţitost, kdy je veškerá produkce FV elektrárny prodávána do sítě za tzv. výkupní tarify. V ČR je výkupní cena pro rok 2007 stanovena na 13,46 Kč / kWh, jakoţto cena minimální s garancí této částky po dobu minimálně 15 let.
14
Moţnosti aplikace těchto systémŧ jsou rovněţ široké – jedná se zejména o střechy rodinných domŧ, fasády a střechy administrativních budov, protihlukové bariéry okolo dálnice, fotovoltaické elektrárny na volné ploše atd. FV panel y pak lze rozmístit i ve velkém m noţství. Základními prvky on -grid FV systémŧ jsou: fotovoltaické panel y měnič napětí (střídač), který ze stejnosměrného napětí vyrábí střídavé (230V / ~50Hz) kabeláţ přístroj k měření vyrobené elektrické energie (elektroměr) popř. sledovač s lunce, další indikační a měřící přístroje
Síťový střídač Pro solární systémy
Elektroměr Veřejná rozvodná síť
Vnitřní elektrické rozvody
Elektroměr
Obr. č. 6: Schéma systému on-grid
15
3. EKONOMICKÉ ASPEKTY VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ Fotovoltaický systém o nominálním výkonu 1 kWp je v našich podmínkách schopen vyrobit okolo 900kWh elektrické energie za rok. Tato hodnota je závislá na nadmořské výšce (kaţdých 600 m n.m. znamená nárŧst výkonu o cca 5%), na klimatických a povětrnostních podmínkách v místě instalace, kdy mŧţe být výnos sn iţován inverzemi nebo čast ými mlhami , a dále na geografickém umístění. Platí pravidlo, ţe čím více na jih, tím větší výnos z fotovoltaického systému. Panel y musí být optimálně orientovány – volí se jiţní směr ve sklonu 32° - 49° dle charakteru a zpŧsobu pr ovozování systému. Výnos je moţné za cenu větších vstupních investičních nákladŧ a větších nárokŧ na údrţbu zvýšit pomocí rozličných naváděcích zařízení, která panel y natáčejí v horizontálním a vertikálním směru podle polohy slunce během dne. Běţná v ýkupní cena je většinou garantována na 20 let od data uvedení do provozu a dnes činí 13,46 Kč / kWh bez DPH za kaţdou vyrobenou 1kWh energie. Elektřinu je moţné dodávat na základě smlouvy s konečným zákazníkŧm za trţní cenu a k tomu inkasovat tzv. zelený bonus, který je stejně jako výkupní cena garantován na 20 let a činí 12,65 Kč / kWh bez DPH za kaţdou vyrobenou 1 kWh. Zařízení o nominálním výkonu 1 kWp (Wp je jednotka špičkového výkonu při ideálních podmínkách) by mělo ročně generovat minimální výnos cca 12100 Kč bez DPH, přičemţ cena 1kWp nainstalovaného výkonu je na úrovni přibliţně 130 000 Kč aţ 160000 Kč. Z uvedeného je zřejmé, ţe návratnost investice je bez dotace na úrovni přibliţně 12 let. Vhodně vybraná státní dotace mŧţe dobu návratnosti zkrátit na 5 aţ 8 let, při prŧměrném diskontovaném výnosu z investice 12% ročně, navíc se státní garancí výkupních ce n.
16
4. VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ZAHRANIČÍ Ve všech evropských zemích je dostatek slunečního záření přijímaného fotovoltaickými systém y, aby bylo moţné vyrábět většinu, nebo dokonce téměř veškerou energii spotřebovanou rodinami v domácnostech. A t o i ve skandinávských zemích, kam slunečního světla dopadá mnohem méně . Ve skutečnosti je v mnoha skandinávských zemích pouţívání fotovoltaické energie mnohem rozvinutější neţ v zemích jiţní Evropy. V Holandsku, Německu a v dalších zemích je vyuţití fotov oltaické energie rozšířené a dík y politické vŧli stále roste. Hnutí proti vyuţívání atomové energie, problém y zpŧsobené industrializací a vyšší hustota zalidnění jsou v těchto zemích příčinami velmi silného povědomí o ţivotním prostředí . Zde lidé jiţ dlouho poţadují vyuţívání obnovitelných zdrojŧ energie. Tlak od občanŧ má siln ý politický dopad a v jist ých společnostech je nyní politická poptávka vyšší neţ poptávka od občanŧ. Například Francie má k dispozici mnoho slunečního záření, rozhodně dostatek pro v ýrobu energie pomocí fotovoltaických systémŧ, a to jak v malém měřítku (domácnosti), tak i ve velkém (elektrárny). Aţ do dnešní doby bylo nákladné, aby si jednotlivec nainstaloval fotovoltaické systém y a v dŧsledku toho nebylo pouţívání tohoto druhu energi e ve Francii příliš rozvinuté. Ale v roce 2006 byl y navrţeny nové sazby za odkup elektrické energie vyráběné jednotlivci a její export do rozvodné sítě, a to 0,30 c€ / kWh pro klasické fotovoltaické systémy a 0,55 c€ / kWh v případě panelŧ integrovaných do budov. Návratnost investice nyní bude mnohem vyšší, coţ bude dŧvodem pro další rozvoj instalací fotovoltaických systémŧ ve Francii. Podobné krok y se chystají v dalších evropských zemích.
17
5. VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ČR V současné době je zazname náván zvýšený zájem o instalaci fotovoltaických s ystémŧ
ze
strany
českých
zákazníkŧ.
Vyuţití
fotovoltaických
článkŧ
determinují zejména tyto 3 faktory: přírodní podmínk y legislativa finančními nástroj e podpory Vŧdčí společností na trhu v oblasti výroby a instalaci fotovoltaických článkŧ u nás je společnost Solartec, s.r.o. z Roţnova pod Radhoštěm (obr. č. 9), ale počet firem zabývající se touto problematikou stále roste.
Obr. č. 9: Přehled větších fotovoltaických systémů nainstalovaných na území ČR do roku 2007
18
5.1 PŘÍRODNÍ PODMÍNKY V ČR
Jak jiţ bylo uvedeno, d ostupnost solární energie v České republice je samozřejmě ovlivněna rŧznými faktory, mezi které především patří zeměpisná šířka, roční doba, oblačnost a lokální p odmínky, sklon plochy na níţ sluneční záření dopadá a další. Zajímavým fakt em nicméně zŧstává, ţe se údaje o slunečním záření v ČR z jednotlivých zdrojŧ v mnohém liší. Shrneme -li dosud publikované informace, dojdeme k následujícím výsledkŧm: -
v
České
republice
dopadne
na
1
m²
vodorovné
plochy zhruba
950 – 1340 kWh energie -
roční mnoţství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 – 1844 h (ČHMÚ), odborná literatura uvádí jako p rŧměrné rozmezí 1600 – 2100 h
Z hlediska praktického vyuţití pak platí, ţe z j edné instalované kWp běţného s ystému (FV články z monokrystalického, popř. multikrystalického křemíku, běţná účinnost střídačŧ apod.) lze za rok získat v prŧměru 800 – 1100 kWh elektrické energie.
19
Obr. č. 10: Sluneční záření v ČR – MWh / kWh / m² (dopad na vodorovnou plochu)
20
5.2 LEGISLATIVA V ČR
Velmi dŧleţitou roli v oblasti fotovoltaiky v ČR hraje zákon číslo 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných z drojŧ energie a o změně některých zákonŧ (zákon o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojŧ), jehoţ hlavním přínosem by měla být stabilizace podnikatelského prostředí v oblasti obnovitelných
zdrojŧ
energie,
zvýšení
atraktivnosti
těchto
zdrojŧ
pro
investory a vytvoření podmínek pro vyváţený rozvoj OZE v ČR. Mezi další významné právní normy mŧţeme zařadit zejména t yto dokument y: Bílá kniha o obnovitelných zdrojích energie (1997), Směrnice 2001/77/EC . Evropského parlamentu a Rady EU ze dne 27. září 2001 „o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojŧ energie na vnitřním trhu“, Vyhláška č. 475/2005 Sb. ( novelizovaná vyhláškou č. 364/2007 Sb. ), kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojŧ, Vyhláška č. 150/ 2007 Sb. a Cenové rozhodnutí ERÚ č. 7/2007. Zákon číslo 180/2005 Sb. Novelizace vyhlášky č. 475/2005 Sb. a její novel izace vyhláškou č. 364/2007 Sb.
přináší
změnu
indikativních
hodnot
technických
a
ekonomických
parametrŧ, především ve sm yslu předpokládané ţivotnosti fotovoltaické elektrárny, která se z pŧvodn ích 15 let zvyšuje na 20 let.
5.3 FINANČNÍ NÁSTROJE PO DPORY V ČR
Česká
republika
se
zavázala
splnit
cíl
8%
hrubé
výroby
elektřiny
z obnovitelných zdrojŧ na tuzemské hrubé spotřebě elektřiny k roku 2010 a společně s tím vytvořit takové legislativní a trţ ní podmínky, aby zachovala dŧvěru investorŧ do technologií na bázi OZE. Tak je to definováno ve Směrnici 2001/77/ES, kterou ČR implementovala do svého právního řádu prostřednictvím Zákona č. 180/2005 Sb. Směrnice jiţ ovšem nedefinuje
21
konkrétní nástroje k d osaţení tohoto cíle a ponechává jejich volbu na rozhodnutí členských státŧ. Česká republika se rozhodla zavést mechanismus výkupních cen (tzv. feed -in tariff) v kombinaci se systémem „zelených bonusŧ“. Ze získaných zkušeností po celém světě dnes mŧţeme tvr dit, ţe z pohledu fotovoltaiky a jejího rozvoje se tento systém osvědčil asi nejlépe. Také proto dnes tento systém v Evropě (a nejen tam) dominuje a mnohé další země jej zavádějí, popř. upravují (Francie, Řecko). Existují však i jiné zpŧsoby podpory fotovo ltaiky a trhu s těmito produkt y, které často feed -in tariff doplňují.
5.4 MECHANISMUS
VÝKUPNÍC H
CEN
A
ZELENÝCH
BON USŮ
(FEED-IN TARIFF)
5.4.1 PRINC IP VÝKUPNÍCH CE N Ze zákona č. 180/05 Sb. vypl ývá povinnost pro provozovatele přenosové soustavy
nebo
distribuční
soustavy
připojit
fotovoltaický
systém
do
přenosové soustavy a veškerou vyrobenou elektřinu (na kterou se vztahuje podpora)
vykoupit.
Výkup
probíhá
za
cenu
určenou
pro
daný
rok
Energetickým regulačním úřadem ( ERÚ, viz Cenové rozhodnutí č.8/2006) a tato cena bude vyplácena jako minimální (navyšuje se o index PPI) po dobu následujících patnáct let (investor je povinen podávat hlášení o naměřené výrobě v pŧlročních intervalech). Př. - investor se rozhodne uvést do provozu systém v roce 2007 a rozhodne se pro s ystém výkupních cen. Pro daný rok uvedení systému do provozu je platná cena 13,46 Kč / kWh a tudíţ v následujících patnácti letech bude investor svoji elektřinu prodávat minimálně za tuto cenu. Tato cena nemŧţe klesnout, naopak, bude navyšována o index P PI (Cenový index prŧm yslové výroby, čili „prŧm yslová inflace“).
22
5.4.2 PRINC IP ZELENÝCH BON USŦ Investor si ovšem mŧţe vybrat i jiné schéma podpory - tzv. zelený bonus (zeleným bonusem se rozumí finanční částka navyšující trţní cenu elektřiny, která
zohl edňuje
sníţené
poškozování
ţivotního
prostředí
vyuţitím
obnovitelného zdroje). Tento systém je více ve shodě s liberalizovaným trhem. Výrobce si na trhu musí najít obchodníka, kterému elektřinu prodá za trţní cenu. Cena je niţší neţ u konvenční elektřiny, protoţe v sobě obsahuje nestabilitu výroby, a je rŧzná pro rŧzné typy OZE. V momentu prodeje získá výrobce od provozovatele distribuční soustavy tzv. zelený bonus neboli prémii. Regulační úřad stanoví výši prémií tak, aby výrobce získal za jednotku prodané elektřiny o něco vyšší částku neţ v systému pevných výkupních cen. Př. takovýto systém je povinný pro investory, kteří budou vyrobenou elektřinu vyuţívat pro vlastní spotřebu.
5.5 DAŇOVÁ ÚLEVA
Z hlediska investice do fotovoltaiky je dŧleţ it ý také zákon č. 586/1992 Sb., o daních z příjmŧ, který říká, ţe příjmy z provozu obnovitelných zdrojŧ energie jsou osvobozeny od daně ze zisku, a to v roce uvedení do provozu a následujících 5 let (§ 4 písmeno e). Osvobozeny od daně tedy jsou: „příjm y z provozu mal ýc h vodních elektráren do výkonu 1 MW, větrných elektráren, tepelných čerpadel, solárních zařízení, zařízení na výrobu a energetické vyuţití biopl ynu a dřevopl ynu, jiné zpŧsoby výroby elektřiny nebo tepla z biomas y, zařízení na výrobu biologicky degradovatel ných látek stanovených zvláštním předpisem, zařízení na vyuţití geotermální energie (dále jen "zařízení"), a to v kalendářním roce, v němţ byl y poprvé uvedeny do provozu, a v bezprostředně následujících pěti letech. Za první uvedení do provozu se povaţuje i uvedení zařízení do zkušebního provozu, na základě něhoţ pl ynul y nebo pl ynou poplatníkovi příjm y, a dále případy, kdy malá vodní elektrárna do výkonu 1 MW byla rekonstruována, pokud příjm y z této malé vodní elektrárny do výkonu 1 MW nebyl y jiţ osvobozeny . Za první uvedení do provozu se povaţují i případy, kdy zařízení byla rekonstruována, pokud
23
příjm y z provozu těchto zařízení nebyl y jiţ osvobozeny. Doba osvobození se nepřerušuje ani v případě odstávky v dŧsledku technického zhodnocení nebo oprav a udrţov ání“.
5.6 DOTAČNÍ TITULY V ČR
Státní energetická koncepce ČR předpokládá podporu vyuţívání všech zdrojŧ energie, které lze dlouhodobě reprodukovat a jejichţ pouţívání přispěje k posilování nezávislosti státu na cizích zdrojích energie a k ochraně ţivotního prostředí. Preferovat se budou všechny t ypy obnovitelných zdrojŧ –
zdroje
vyuţívající
sluneční
energii,
energii
větru
a
vodních
tokŧ,
geotermální energii i biomasu jako zdroje pro výrobu elektřiny a tepelné energie. Výjimkou není ani fotovoltaika a na i nvestici do fotovoltaického zařízení lze získat finanční příspěvek (dotaci). A to jednak z prostředkŧ státního rozpočtu v rámci národních programŧ a také v rámci Operačních programŧ (prostředky Strukturálních fondŧ ).
5.6.1 NÁRODNÍ PROGRAMY Státní program na podporu úspor energie a vyuţití OZE pro rok 2007 – tento program je rozdělen na dvě části spadající p od MPO (část A) a MŢP (část B). Jedná se o program roční, s omezeným rozpočte m a na případnou dotaci není právní nárok. Nevýhodou je také ten fakt, ţe o dotaci mŧţe investor zaţádat aţ poté, co celou investici profinancuje a uvede systém do provozu. V roce 2007 lze získat dotaci na FV systém jen v programové části B administrované Státním fondem ţivotního prostředí. Jsou podporovány systém y do 5 kWp a dotace mŧţe obdrţet fyzická osoba.
24
5.6.2. OPERAČNÍ PROGRAMY Operační program y jsou programové do kument y Evropské unie, kterými jsou redistribuovány prostředky unijního rozpočtu zpět do rozpočtŧ členských státŧ. Pro financování investic v oblasti fotovoltaiky jsou dŧleţité zejména Operační program y OPPI (Operační program Podnikání a inovace) a OPŢP (Operační program Ţivotní prostředí). V rámci OPPI (program Eko -energie) by měla podpora směřovat zejména podnikatelským subjektŧm, které by při investici do fotovoltaiky mohl y získat aţ 30 % dotaci. MŢP resp. SFŢP by pak měl zastřešovat podporu v rámci prior ity č. 3 OP Ţivotní prostředí, o výši subvence bude rozhodovat finanční a ekonomická anal ýza.
25
6. EKONOMICKO – TECHNICKÉ ZHODNOCENÍ VYUŽITELNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ NA KONKRÉTNÍM DOMĚ Ekonomická efektivnost projektŧ vyuţívající fotovoltaické články (resp. jednotlivé
druhy obnovitelných
zdrojŧ)
je
determinována
následujícími
ekonomickými veličinami: investiční výdaje (veškeré jednorázové výdaje + reinvestice) doba ţivotnosti zařízení provozní výdaje velikost roční produkce energie a energetických úsp or zpŧsob financování daňové úlevy, státní či jiné podpory (dotace apod.) Pro zhodnocení ekonomické efektivnosti uţití fotovoltaického systému jako zdroj elektrické energie na konkrétním domě předpokládejme nainstalovaný fotovoltaický systém na šikmé stře še rodinného domu v okrese Hradec Králové, kdy tento dŧm má ideální polohu pro instalaci systému na šikmé střeše se sklonem 35°, který je ideální vzhledem k poloze České republiky. Střecha je orientována přímo na jih. Fotovoltaický systém se skládá z 24 kusŧ FV panelŧ Kyocera, typ KC200GHT -2. Maximální nominální výkon jednoho panelu je 200 W p , celkový výkon je tedy 4,4 kW p . Celková plocha fotovoltaické elektrárny je cca 34 m 2 . Předpokládaná účinnost panelŧ je přibliţně 14%. Součástí systému je síťový měnič Fronius IG40, pro který je uváděna účinnost 93,5%.
26
FOTOVOLTAICKÝ PANEL KYOCERA, typ KC200GHT -2 Vertikální úhel nastavení panelŧ
-
35°
Odchylka od jiţního směru
-
0°
Celkový počet panelŧ
ks
24
Celková plocha PVE
m2
34
Max. výkon panelu
Wp
200
Účinnost panelŧ
%
14,00
Účinnost síťového měniče
%
93,50
Celkem instalovaný výkon
kW p
4,5
Tab. č. 1: Základní parametry fotovoltaického systému Pro výrobu elektřiny je dŧleţit ým parametrem doba slunečního svitu. Podle měření ČHMÚ je v posledních letech tato doba delší neţ je dlouhodobý prŧměr. Odchylky mohou být významné i v jednotlivých měsících kaţdého roku, ale v součtu je doba slunečního svitu o několik procent delší, neţ je dlouhodobý prŧměr. Pro odhad byl y pouţit y údaje z meteorologické stanice v Hradci Králové. Doba slunečního svitu Dlouhodobý průměr 1961 – 1990 (h)
Hradec Králové Průměr let 1998 – 2006 (h)
Leden
48,6
100%
62,5
129%
Únor
71,0
100%
85,6
120%
Březen
118,1
100%
128,0
108%
Duben
164,9
100%
188,6
114%
Květen
210,9
100%
268,3
127%
Červen
214,0
100%
255,5
119%
Červenec
216,9
100%
231,2
107%
Srpen
209,5
100%
244,1
117%
Září
153,9
100%
169,3
110%
Říjen
123,3
100%
110,1
89%
Listopad
48,4
100%
56,3
116%
Prosinec
42,5
100%
50,1
118%
Celkem
1622,0
100%
1849,3
114%
Tab. č. 2: Měsíční bilance doby slunečního svitu
27
Po započítání úči nnosti instalovaných panelŧ (14 %) a účinnosti DC/AC konvertoru (93,5 %) získáme výsledky, které shrnuje tabulka č. 3.
Kyocera KC200GHT-2 sklon 35°(kWh)
Produkce elektrické energie Leden
134,3
Únor
207,5
Březen
376,8
Duben
521,6
Květen
683,1
Červen
692,2
Červenec
697,1
Srpen
624,4
Září
445,4
Říjen
304,3
Listopad
131,8
Prosinec
104,0
Vyrobená energie celkem
4922,3
Tab. č. 3: Měsíční bilance produkce lektrické energie fotovoltaického systému Instalovan ý FV systém tedy vyrobí přibliţně 5 MWh elektřiny ročně. Investiční náklady ukazuje tabulka č. 4. Celkové investiční náklady Dodávka a montáţ měniče elektrického napětí FRONIMUS (IG 40) Dodávka a montáţ solárních panelŧ Kyocera (24x KC-200GHT-2) Celkem
Cena bez DPH (Kč)
19% DPH (Kč)
Cena s DPH (Kč)
58300,-
11077,-
69377,-
516523,-
98139,-
614662,-
574823,-
109216,-
684039,-
Tab. č. 4: Celkové investiční náklady podle faktury od dodavatele Při výpočtu kritérií ekonomické efektivnosti je zapotřebí započítat reinvestice do měničŧ elektrického napětí jednou za 10 let. To znamená, ţe zhruba jednou za 10 let bude třeba vyměnit všechny měniče za nové. Při výpočtu ekonomik y
28
provozu FV systému je třeba mít rovněţ na paměti zpŧsob provozu zařízení. Pro
připojení
pomocí
stávajícího
el ektrického
vedení
je
nutné
pouţít
vícekvadrantový elektroměr , který umí rozlišit odběr z FV systému a ze sítě. Z toho vypl ývá, ţe v případě nepřítomnosti osob v domě mŧţe docházet k dodávce z fotovoltaiky do veřejné sítě elektrických rozvodŧ a naopak v případě zvýšeného odběru bude docházet k nákupu elektrické energie z veřejné sítě. Vzhledem k tomu, ţe v modelovaném př ípadě předpokládáme, ţe v objektu trvale ţijí 4 osoby a roční spotřeba elektrické energie činí v prŧměru 15 MWh, je výroba systému mnohem niţší v porovnání s celkovou spotřebou. Lze tedy předpokládat, ţe bude z velké části docházet k odběru elektrické energie
z veřejné
sítě.
Investor
v tomto
případě
spotřebuje
vyrobenou
elektřinu většinou sám, bude proto přihlášen k odběru zeleného bonusu, cena tedy bude tvořena výší zeleného bonusu 12,75 Kč / kWh plus současnou prŧměrnou cenu elektřiny neodebranou ze sítě, coţ je v domácnostech přibliţně 4 Kč / kWh. V kaţdém případě provozovatel získá ročně za kaţdou kWh 13,46 Kč v případě, ţe vyrobenou elektřinu odebere rozvodný podnik. Většina
rozvodných
podnikŧ
odebírá
přebytečnou
elektřinu
za
cenu
dorovnávající rozdíl m ezi výkupní cenou a zeleným bonusem. Výkupní cena
Zelený bonus
Předpokládaná roční výroba elektrické energie
kWh / rok
4922,-
4922,-
Výkupní cena 1 kWh
Kč / kWh
13,46
16,75
Výnos z realizované investice
Kč / rok
66254,-
82449,-
Tab. č. 5: Ekonomika provozu FV systému
29
7
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ
[ 1 ] Libra, M., Poulek, V.: Solární energie Fotovoltaika – perspektivní trend současnosti, ČZU, Praha 2006 [ 2 ] Nelson, J.: The Physics of Solar Cells, ICP, 2003 [ 3 ] Kittler, R., Mikler, J.: Základy vyuţívania slnečného ţiarenia, VEDA, Bratislava 1986 [ 4 ] http://andrea.feld.cvut.cz/fvs/solar_about.php [ 5 ] http://ec.europa.eu/energy/res/sectors/photovoltaic_en.htm [ 6 ] http://www.chmu.cz/meteo/ok/okdat61.html [ 7 ] http://www.enf.cn/database/panels.html [ 8 ] http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_ti meline.pdf [ 9 ] http://www1.eere.energy.gov/solar/photovoltaics.html [10] http://www1.eere.energy.gov/solar/pv_basics.html
30
