FOTOVOLTAIKA Fotovoltaické panely převádějí zářivou energii slunce na stejnosměrný elektrický proud. Výkon fotovoltaických aplikací se pohybuje v rozmezí 0,01 W v hodinkách až po veliké 100 MW elektrárny – tedy v rozmezí 10ti řádů. Existují dva základní způsoby užití fotovoltaiky v praxi. Za prvé jako připojenou k síti (on grid) nebo k síti nepřipojenou (off grid), vytvářející oddělený decentralizovaný systém energetického zásobování „stand alone“. Pro menší aplikace, zajištění lokálních zdrojů elektřiny a pro rozvojové země má smysl především uspořádání „off grid“ - tedy ostrovní zásobování elektrickou energií. Základní komponenty fotovoltaického systému: 1. Fotovoltaické panely – jsou k dispozici v nejrůznějších velikostech, výkonech a provedeních, především krystalické a tenkovrstvé. 2. Měniče (invertory) – zařízení měnící stejnosměrný proud z fotovoltaických panelů na běžné síťové napětí (230V, 50 Hz). 3. Regulátory dobíjení (integrované s měniči či oddělené) – přístroje využitelné pro „stand alone“ aplikace, kdy jsou v systému využité baterie pro akumulaci energie. 4. Baterie – musí se jednat o baterie určené pro solární systémy (autobaterie jsou nepoužitelné!), existuje široká paleta typů, lze doporučit bezúdržbové „gelové“ baterie olověné nebo nejnovější lithium-polymerové, které mají výhodu vysoké účinnosti a mnohem delší životnost a již začínají být dostupné pro větší výkony. 5. Konstrukce pro instalaci panelů. 6. Rozvody elektřiny. 7. Elektrické přístroje a zařízení.
1. Off grid – ostrovní systémy Jaké zvolit napětí? Systémy lze instalovat v širokém rozmezí výkonů od jednotlivých domků, až po ostrovní systém pro celou vesnici, a mohou být koncipovány na 12 nebo 24 voltů stejnosměrného napětí nebo na 230 V střídavého napětí. Pro uvedená stejnosměrná napětí se již v minulosti dělalo množství spotřebičů (např. pro karavany a chaty) a jejich počet poroste. Jedná se o žárovky, mini ledničky pro chlazení sér a vakcín, nabíječky pro mobily a malé nářadí, přenosné svítilny a další zařízení. Možností jsou také regulátory stejnosměrného napětí, které lze koupit pro různá vstupní a výstupní napětí a výkon a tak zajistit s malou ztrátou výkonu jiné potřebné stejnosměrné napětí.
|1
fotovoltaika
Milan Smrž
Pomocí měniče napětí lze rovněž s malou ztrátou zajistit dodávku 230 V, což umožňuje využití běžných zařízení. Kvalita měničů se velmi různí, stejně jako cena, především v závislosti na kvalitě sinusoidy střídavého proudu (na plynulosti střídání směrů proudu). Obecně se ukazuje, že pro malé domácí systémy (small home systems - SHS) je lepší zatím využívat systémy se stejnosměrným proudem, pro větší implementace s rozsáhlejšími rozvody pak spíše proud střídavý.
fotovoltaika
Projektování off grid systému označení
Jednotka/y
veličina
E
Wh, (kWh, MWh, J, kJ)
nejvyšší denní energetická spotřeba (energie, práce)
W
W, kW, MW
příkon, výkon
η
bezrozměrná veličina
účinnost (podíl vystupující a vstupující energie, 1=100%)
Wp
W
špičkový výkon fotovoltaického zařízení
G
hodina
průměrný sluneční svit v hodinách v rozhodujícím měsíci
A
den
počet dní pro uskladnění energie
Q
Ah, (mAh)
štítková kapacita akumulátorů či baterií
U
V
napětí systému ve voltech
T
bezrozměrná veličina
maximální přípustné DOD (0,3-0,9), z katalogu výrobce
Projekt samostatně stojícího a k síti nepřipojeného systému je třeba koncipovat podle následujících kroků. Zkušenost ukazuje, že větší projekt je lépe rozdělit do více samostatných systémů, než jej koncipovat jako jeden velký: Při poruchách tak nebude vyřazeno z provozu všechno, opravy budou méně nákladné, lépe se bude hlídat spotřeba jednotlivých složek. a) Určení spotřeby podle požadavků a představ uživatele. Celková spotřeba E ve Wh se vyčíslí jako součet násobků příkonů jednotlivých spotřebičů a průměrné doby jejich denního provozu: E{Wh}/= W1*h1 + W2*h2... kde: W1 je příkon žárovky ve wattech a h1 doba jejího denního provozu v hodinách; W2 je příkon počítače a h2 doba jeho denního provozu, atd. ... b) Výběr stejnosměrného napětí systému (12, 24, případně 48 V). Napětí lze odvodit od velikosti aplikace. Do velikosti měniče se špičkovým odběrem 2 kW bude postačovat 12V systém, pro větší výkony pak 24 V a pro velké systémy 48 V. c) Určení průměrného slunečního výkonu v hodinách v rozhodujícím měsíci, který je definován jak ten, který má největší podíl zátěže a slunečního osvitu. Nejčastěji to bývá měsíc s nejmenším slunečním osvitem, na severní polokouli prosinec nebo leden, je-li systém v provozu celý rok a odběr celkem konstantní G /hod/. Podle specifických podmínek, například čerpání vody v letním období, může být tímto měsícem ale i srpen nebo červenec na severní polok-
2|
ouli. Údaje o průměrném svitu v měsíci pro danou lokalitu lze najít ve státních institucích příslušné země, v databázích solárních firem nebo v softwaru pro projekci solárních elektráren d) určení potřebné velikosti fotovoltaických panelů η=0,6
kde η je účinnost celého systému započítávající, že panel nepracuje vždy s nejvyšší účinností (ztráty 20 %), ztráty ve vodičích od PV k baterii a od baterie ke spotřebičům a ztráty v regulátoru nabíjení (à 2 %) a ztráty v baterii a měniči (à 10 %). e) určení minimální kapacity baterií Pro řádný provoz off grid systému je potřeba určit specifickou potřebu na kolik dní (A) je třeba zajistit zásobu energie (3-20 dní v severní Evropě) a současně aby baterie nebyla vybíjena pod maximální přípustnou hranici DOD - degree of discard – (T), pravidelně 0.3-0.9 Q{Ah} = (E*A)/(U*T* ηinv* ηkabel ) kde dále U je napětí systému ve voltech {V} ηinv účinnost měniče (není-li zapojen, pak se rovná 1) ηkabel účinnost kabelu přenášejícího proud od baterie ke spotřebičům, jsou-li ztráty např. 3% pak je rovno 0.97
Nízkonapěťové stejnosměrné systémy výhody: • úspora za nákup měničů, jejich údržbu a výměnu • eliminace ztrát v měničích • vyšší bezpečnost • v případě přímého použití (nabíječky, laptop...) eliminace ztrát v malých síťových transformátorech, které dosahují pro malé výkony 5-70 W až 25-15 % nevýhody: • ztráty ve vodičích (viz dále) • vyšší náklady na vodiče • menší sortiment spotřebičů pracujících na nízkém stejnosměrném napětí Ztráty v nízkonapěťových systémech Ztráty ve vodičích jsou dány velikostí odporu vodiče a velikostí tekoucího proudu. Čím je odpor menší a proud menší, tím klesají ztráty napětí a celkového přeneseného výkonu. Při výpočtu nelze zapomenout na to, že v rozvodu je nutno počítat s dvojnásobnou délkou vodičů, než odpovídá vzdálenosti zdroje a spotřebiče (proud teče tam a zpět). Kalkulace ztrát a jejich eliminace by měly být součástí dobře provedeného projektu, nicméně pro orientaci uvádíme následující tabulku:
|3
fotovoltaika
Wp = E*η/G
fotovoltaika
průřez Cu vodiče {mm2}
odpor na metr {Ω/m}
odpor na 100 metrů vodiče {Ω}
pokles napětí při proudu 15A {V}
snížení výkonu (12 V, 100 m, 15A) {%}
4
0,0046
0,46
6,9
57,5
10
0,0018
0,18
2,7
22,5
25
0,00073
0,073
1,1
9,1
35
0,00049
0,049
0,735
6,1
Pro ztráty v DC rozvodech je určující protékající proud a nikoliv napětí. Je tedy výhodnější koncipovat systém na vyšší napětí, aby alikvotně poklesl proud - je možné použít zapojení nejenom 12 V, ale i 24 či 48 V. V případě nejvyššího uvedeného napětí bude proud 4 krát nižší než v případě 12V. Vyšší stejnosměrné napětí lze dosáhnout vhodným uspořádáním běžných panelů (12-24 V), jejich sériovým nebo paralelně sériovým spojením. AC provedení Pro více aplikací lze využít přeměny stejnosměrného napětí v měničích, jež se vyrábějí v různých výstupních výkonech a cenových relacích. měniče se často vyrábějí integrované s regulátory napětí pro baterie. Většinou se uvádí, že životnost měniče je nižší než panelů a je potřeba jej vyměnit jednou za 7-8 let. Na to je možné průběžně spořit z poplatků za provoz vybíraných od uživatelů. Kombinovaná zapojení Určitou výhodu mohou poskytnout zapojení, kdy se využije jak stejnosměrný proud o nízkém napětí pro nízkonapěťové aplikace (světla 24 V, přímé napájení notebooků...) a současně měnič se standardním výstupem 230 V AC. Jejich předností je především vyšší adaptabilita a menší pravděpodobnost výpadku celého systému. V tomto případě lze s výhodou využít převodníky DC/DC, které umožňují přeměnu stávajícího stejnosměrného napětí na požadované. Jako příklad takového převodníku lze uvést Steca Solsum VC, který při vstupním napětí 1.5 V až 30 V může poskytovat stabilní výstupní napětí 3 V; 6 V; 7,5 V; 9 V; 12 V.
!
OR! P OZ
4|
Pozor ! Ekologická spotřeba – součástí udržitelného obnovitelného energetického systému musí být udržitelná spotřeba. Proto je nutné s budoucími uživateli také diskutovat otázky racionálního využívání elektrické energie a zamezení jejího plýtvání. Vysvětlování může narazit na problém, že implementátoři z rozvinutých zemí spotřebovávají o několik řádu více energie a s úsporami mají mnohem větší problémy...
2. Akumulátory a práce s nimi
Zapojení baterií Baterie lze zapojit pro provoz ve fotovoltaickém zařízení i pro externí nabíjení různým způsobem. Pakliže jsou baterie zapojeny do série, tj. spojují se + a – póly, sčítá se jejich napětí a kapacita (Ah) zůstává stejná. Pakliže se baterie spojují paralelně, tj. spojují se vždy + a + resp. – a –, zůstává napětí stejné a sčítá se kapacita (Ah). V obou případech zůstává samozřejmě množství energie stejné. Obrázek různého zapojení baterií – paralelně, sériově a kombinovaně Sériové zapojení baterií +
12 V 200 Ah
12 V 200 Ah -
+
+
Paralelní zapojení baterií
+ +
+
12 V 200 Ah -
12 V 200 Ah -
+ -
12 V 400 Ah ≈ 4,800 Wh
+
12 V 200 Ah
12 V 200 Ah
-
-
+
+
12 V 200 Ah -
-
24 V 200 Ah ≈ 4,800 Wh
Sériovo paralelní zapojení baterií
12 V 200 Ah
+ -
24 V 400 Ah ≈ 9,600 Wh
Běžné baterie (údržbové) Tento typ baterií je v současné době nejběžnější a vyžaduje kontrolu hladiny elektrolytu a jeho dolévání destilovanou vodou. Výhodné jsou automatické doplňovací systémy pro velké baterie, které hladinu kyseliny samy udržují na stejné výši. Bezúdržbové baterie Jedná se o baterie, které jsou bezúdržbové a hermeticky uzavřené (až na pojistný ventil). Regulátor dobíjení baterií nesmí být (má-li tuto funkci) nastaven na EQUALIZACI / EQULIZATION, protože v případě uzavřených baterií by v průběhu tohoto děje došlo k vývinu plynů a následně k proražení či explozi. Bezpečnostní instrukce Kyselina sírová z olověných baterií (tradičních nebo gelových/bezúdržbových) je mimořádně nebezpečná silně žíravá kapalina, která může poškodit lidskou kůži a velmi těžce zrak. Při potřísnění kůže je nutno smýt kyselinu velkým množstvím vody, případně s přídavkem jedlé sody (ba-
|5
fotovoltaika
Ostrovní systémy vyžadují akumulaci energie na noc a na období s nízkou intenzitou osvitu. I když lze do budoucna očekávat rozmach akumulačních technik (díky elektromobilům) jsou v současné době nejrozšířenější olověné baterie s kyselinou sírovou jako elektrolytem.
king soda – natrium bicarbonicum). V případě vniknutí kyseliny do oka musí být okamžitě oko vypláchnuto velkým množství čisté chladné vody a pak co nejrychleji ošetřeno lékařem. Plochy polité kyselinou lze neutralizovat obyčejnou sodou či uhličitanem vápenatým (mletým vápencem).
!
Pozor! Čištění baterií - povrch baterií by měl být udržován v čistotě, tak aby nebyl znečištěn prachem, vlhkostí nebo kyselinou. Zacházení s bateriemi, které dosloužily - je nezbytné mít systém sběru a dočasného uskladnění s následnou recyklací starých baterií. Tento krok je třeba zajistit především z hlediska bezpečnosti osob i životního prostředí, nejlépe ve spolupráci s místní komunitou. Staré baterie jsou nejenom zdrojem surovin pro recyklaci, ale mohou být i zdrojem finančního příjmu. Dobíjení bezúdržbových baterií - regulátor dobíjení baterií nesmí být (má-li tuto funkci) nastaven na EQUALIZACI / EQULIZATION, protože v případě uzavřených baterií by v průběhu tohoto děje došlo k vývinu plynů a následně k proražení či explozi.
!
POZOR!! (mimořádně důležité) Nikdy nesmí dojít ke spojení pólů baterie žádným vodivým materiálem! To platí jak pro samostatnou baterii, tak i pro společné zapojení více baterií. V blízkosti baterií nelze pracovat s žádným vodivým materiálem, všechny nástroje a nářadí (především klíče na utahování přívodů baterií) musí být izolovány tak, aby se vyloučila možnost krátkého spojení pólů baterie. Nic se na baterie nesmí pokládat. Kontakty baterií musí být kryty plastovými čepičkami, tak aby nebyl možný nahodilý vodivý kontakt. V případě spojení kontaktů baterií dojde k okamžitému přivaření vodivého spoje velkým proudem (i stovky A). To znemožní rychlé odstranění vodivé spojky. V tomto nešťastném případě by došlo velmi rychle k prudkému ohřátí baterie, k její destrukci, jež by mohla mít za následek rozstříknutí kyseliny sírové do okolí. Toto varování musí být vyvěšeno ve srozumitelném jazyce a doplněno piktogramy v bezprostřední blízkosti akumulátorů. Z obdobného důvodu musí být bateriový okruh opatřen ochranou proti krátkému spojení. To je třeba provést pojistkou (nejlépe takovou, kterou lze ručně vypínat), která bude mít parametry pro DC okruh a potřebnou velikost, jež by umožnila nerušený odběr z baterie i rychle vypnula okruh v případě krátkého spojení. Pojistka musí být umístěna co nejblíže kladnému (+) pólu baterie.
fotovoltaika
OR! P OZ
OR! P OZ
3. Malý systém se záložní větrnou elektrárnou Bývá pravidlem, že k snížené sluneční aktivitě dochází při současném zvýšeném pohybu větru. To platí i pro deštivé počasí, v noci, případně okolo východu a západu slunce. Na místech, kde je silnější vítr (jako hranice se uvádí průměrná dlouhodobá hodnota 5 m/s), je vhodné kombinovat solární sys-
6|
tém s větrnou elektrárnou. Obecně lze předpokládat větrná místa na břehu moře nebo velikých jezer, na hřebenech hor nebo v horských sedlech, ale někdy i na otevřených planinách. Místa s pravidelným větrem určité orientace lze detekovat například na základě deformovaných větví stromů. Na výstupu větrných generátorů bývá většinou střídavý proud, který nemůže být přímo propojen s bateriemi jako v případě fotovoltaických panelů, a výstupní proud je nutno usměrnit. Někdy je však usměrňovač součástí elektrárny. Zde jsou podstatná data výrobce větrné elektrárny. Uzpůsobení je možné a lze jej realizovat usměrněním střídavého proudu a připojením do systému za regulátor. fotovoltaika
Zapojení by mělo být realizováno projektantem elektrických zařízení a zapojeno osobou mající oprávnění, v afrických poměrech alespoň osobou poučenou a znalou.
4. Ochrana a údržba fotovoltaických systémů Bezpečnost práce Obecně: Elektrická energie je v mnoha místech zcela novým prvkem, který vyžaduje nové zásady bezpečnosti, protože nepoučeným a neznalým osobám hrozí nebezpečí úrazu nebo i smrti. Pro pravidla provozu elektrických zařízení platí následující zásady: • Jakékoli úkony údržby či běžných oprav může provádět jen k tomu vyškolený personál. To platí i o čištění panelů nebo výměně žárovek. • Uživatelům je zapovězena jakákoliv manipulace s rozvodem elektřiny, především rozvodnou skříní. • Je třeba dbát na to, aby použité spotřebiče byly v pořádku, aby na nich nebyla poškozena izolace na přívodních kabelech, a aby nebyly neodborně otevírány a opravovány. • Vzhledem k tomu, že kabeláž bude ve většině případů vedena venkovně, je třeba ji pravidelně kontrolovat, zda někde nedošlo k poškození. • Nečistoty v zásuvkách a špatně upevněné či povolené kontakty mohou způsobit poškození, v extrémních případech i požár. Důležité pokyny jak předejít poškození fotovoltaických off grid systémů. • Jsou-li zapojeny panely k měniči, nelze odpojovat baterie, protože tak se může měnič zničit vyšším napětím otevřeného obvodu fotovoltaiky (open circuit voltage). Před odpojením baterií je třeba vypnout fotovoltaický zdroj. Shodné platí při instalaci fotovoltaiky, musí se připojit jako poslední. • Měniče jsou jen málo kdy chráněny proti přepólování. Jejich špatné zapojení může mít za následek jejich závažné poškození. • Pojistky nelze vypínat pod napětím – může vzniknout oblouk a nebezpečí požáru. Ochrana před bleskem Při propojení fotovoltaických panelů do celého systému – pole – je nutno dodržovat některé zásady, které radikálně omezí nebezpečí ohrožení systému bleskem nebo vysokým napětím. K poškození panelů nebo elektroniky může dojít i v případě nepřímého zásahu – uvádí se i 500 metrů.
|7
•
•
S možností zásahu bleskem je třeba počítat již při správné lokalizaci zařízení. Snaha o ochrana před krádeží může vést k tomu, že se zařízení postaví na vysoké konstrukci, což zvyšuje možnost přímého zásahu. S ohledem na možnou indukci vysokého napětí se nesmí vytvářet z vodičů smyčky, ale propojovací kabely musí být uspořádány podle následujících obrázků:
fotovoltaika
Obr.: el.magnetické pole mezi dráty
Zastínění Specifickým problémem fotovoltaiky je zastínění. Musíme si uvědomit, že každý fotovoltaický článek je vlastně odpor, jehož hodnota klesá s osvitem. Při zastínění jednoho elementu (především za podmínek optimálního osvitu) může při souhře nepříznivých okolností dojít k poklesu výkonu prakticky celého panelu a dokonce i k jeho zničení, poteče-li celkový proud pouze jedním místem. Při návrhu a především montáži je nutno takovou možnost vyloučit. Ohřívání panelů Účinnost panelů s rostoucí teplotou klesá. Pokles činí asi 0,15-0,2 % z maximálního výkonu na jeden stupeň. Pokud možno je proto potřeba mít mezi panely a plochou k níž jsou připevněny mezeru, kterou bude teplý vzduch pasivně nebo aktivně odváděn. Čištění panelů Každé znečištění panelů vede ke zbytečnému snížení jejich účinnosti. V místech, kde je vysoká prašnost a malé srážky, může být tento efekt velice významný. Na základě vizuální kontroly je třeba panely udržovat čisté. Lze je například omýt vodou a setřít gumovou stěrkou. Je nutné dávat pozor, aby nedošlo k poškození panelů. Kam s přístroji, které nejsou funkční? Velmi často se objevuje otázka:“Dovedou si obyvatelé rozvojových zemí a příjemci naší pomoci sami přístroje opravit?“ Odpověď zní: „Ne – stejně jako my v Evropě!“ Proto je nutné pečlivě uskladnit poškozené přístroje, nepouštět se do jejich opravy a zamezit jejich rozebírání a dalšímu poškozování. V nejbližší vhodné době je třeba tyto přístroje zaslat výrobci k opravě do země
8|
původu. V případě, že se jedná o opravy garanční, je třeba opravu zajistit co nejrychleji, aby garance nevypršela.
5. Zásady první pomoci při poranění elektrickým proudem
Prohlédněte situaci. Nedotýkejte se ničeho. Osoba může být v kontaktu s elektrickým zdrojem a kontaktem s osobou můžete přijít k úrazu sami. Vypněte zdroj elektrického proudu, je-li to možné. Pakliže to možné není, odpojte zdroj elektrického proudu od postižené osoby tak, že použijete nevodivý a suchý materiál, což může být kartón, plast nebo suché dřevo. Ověřte známky života (dýchání, kašlání nebo pohyb). Nejsou-li přítomny započněte okamžitě s kardiopulmonální resuscitací. Ta se dělá následovně: • Provádí se nejlépe za pomoci dvou osob. • Podložte krk tak, aby hlava byl lehce zakloněna směrem dozadu. • Jeden poskytuje dýchání z úst do úst (v rytmu asi 2 vdechů na 30 stlačení hrudníku při frekvenci cca 100/minutu). • Druhý dělá srdeční masáž tak, že položí spojené obě ruce na hrudní kost a tuto silně stlačuje.. Předcházejte šoku. Položte osobu na zem a je-li to možné umístěte hlavu o něco níže než trup a zvedněte nohy.
!
OR! P OZ
Pozor ! • Nedotýkejte se osoby, která je v kontaktu s elektrickým proudem holýma rukama. • Nepřibližujte se vysokonapěťovým vodičům, není-li elektřina vypnuta. Zůstaňte přinejmenším 20 stop (6 metrů) daleko resp. mnohem dále, když dráty jiskří a pohybují se. • Nehýbejte s osobou s poraněním elektrickým proudem, pakliže osoba není v bezprostředním nebezpečí.
|9
fotovoltaika
Vyčkejte na lékaře, je-li na blízku. Není-li, jednejte sami!
