MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BRNO 2011
JAN KRCHŇAVÝ
Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy
Čisté zdroje energie – fotovoltaická energie Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. Ing. Miroslav Havlíček, CSc.
Brno 2011
Vypracoval: Jan Krchňavý
PROHLÁŠENÍ
Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Čisté zdroje energie – fotovoltaická energie vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne………………………..
podpis…………………….
PODĚKOVÁNÍ Na tomto místě bych chtěl poděkovat svému vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Miroslavu Havlíčkovi, CSc. za cenné připomínky, rady a poznatky, kterými mi byl při zpracování bakalářské práce nápomocen.
ABSTRAKT Bakalářská práce na téma Čisté zdroje energie – fotovoltaická energie se nejprve zaměřuje na Slunce, využití slunečního záření na naší planetě a následnou přeměnu tohoto záření na elektrickou energii. Dále popisuje stručně historii, princip činnosti a využití fotovoltaických článků. Největší důraz byl kladen na popis, provedení a na vlastnosti těchto článků. Jsou zde popsány fotovoltaické systémy pro výrobu elektrické energie a krátce i jejich případná recyklace. Dále jsou stručně nastíněny legislativní a ekonomické podmínky plynoucí z aktuální legislativy. Vysvětluje také způsoby kompenzace takto vyprodukované elektrické energie a jejich aktuální stav v ČR.
Klíčová slova: fotovoltaika, solární článek, solární energie, výkupní cena
ABSTRACT This thesis on a topic Clean resources-a photovoltaic energy focuses on the Sun, the use of solar radiation on our planet and the successive conversion of this radiation to electricity. Furthermore it describes briefly the history , the principle of operation and the use of barrier-layer photocells. The main emphasis is put on description, the implementation and the use of these photocells. The photovoltaic systems for production of electricity are also describes here and shortly its eventual recycling. However legistative and economic conditions, which derive from recent mentioned. This thesis also explains the ways of compensation of electricity produced this way and its current state in CZE.
Keywords: photovoltaic, solar photocells, solar energy, purchase price
OBSAH 1 ÚVOD............................................................................................................................ 7 2 CÍL PRÁCE ................................................................................................................... 9 3 SLUNCE...................................................................................................................... 10 3.1 Energie solárního (slunečního) záření .................................................................. 11 3.2 Dostupnost solární energie.................................................................................... 11 3.3 Původ solární energie............................................................................................ 16 3.4 Přeměna slunečního záření na různé formy energie ............................................. 17 4 HISTORIE FOTOVOLTAIKY ................................................................................... 18 4.1 První fotovoltaické články .................................................................................... 19 5 SOLÁRNÍ ČLÁNEK................................................................................................... 20 5.1 Stručný generační vývoj ....................................................................................... 20 5.1.1 První generace................................................................................................ 20 5.1.2 Druhá generace .............................................................................................. 21 5.1.3 Třetí generace ................................................................................................ 21 5.2 Jak fungují fotovoltaické články........................................................................... 22 5.3 Praktické provedení křemíkových fotovoltaických článků .................................. 23 5.3.1 Výroba solárních článků (mono-/poly-krystalického)................................... 24 5.4 Vlastnosti křemíkových článků a modulů ............................................................ 25 5.5 Systémy pro výrobu elektřiny s fotovoltaickými články ...................................... 29 5.5.1 Ostrovní provoz (Off grid)............................................................................. 31 5.5.2 Síťový provoz (On grid) ................................................................................ 33 5.6 Recyklace fotovoltaických panelů ........................................................................ 33 5.6.1 Zpracování fotovoltaického odpadu .............................................................. 35 6 FOTOVOLTAIKA V ČR ............................................................................................ 36 6.1 Legislativa............................................................................................................. 36 6.2 Dotace, výkupní ceny a zelené bonusy................................................................. 37 6.3 Ceny elektřiny 2011.............................................................................................. 38 7 ZÁVĚR ........................................................................................................................ 42 Přehled použité literatury................................................................................................ 44 Seznam obrázků.............................................................................................................. 47 Seznam příloh ................................................................................................................. 49
1 ÚVOD Život lidí je závislý na energii a jejích formách. Zejména dnešní moderní svět je čím dál více závislý na nejušlechtilejší formě energie, a to na elektrické energii. Téměř každá běžná věc je závislá na elektrické energii. Jedná se hlavně o elektrické spotřebiče, které potřebují energii k provozu, ale jsou to i výrobky, které potřebují energii ke své výrobě. Jelikož roste životní úroveň a světová lidská populace silně stoupá, závratným tempem tedy stoupá i celosvětová spotřeba energie. Energii lze získávat různými způsoby, ale zpravidla se dělí na energii získanou z neobnovitelných a z obnovitelných zdrojů. „Za neobnovitelný zdroj energie se považuje takový zdroj energie, jehož vyčerpání je očekáváno v délce trvání maximálně několik stovek let, ale jeho případné obnovení by trvalo mnohonásobně déle“. [6] Typickými příklady neobnovitelných zdrojů jsou fosilní paliva, kam patří zejména uhlí, ropa a zemní plyn. Navíc spalováním fosilních paliv znečišťujeme životní prostředí a vytváříme oxid uhličitý, čímž zvyšujeme skleníkový efekt a přispíváme ke globálnímu oteplování. Vzhledem k postupnému vyčerpávání zdrojů fosilních paliv bude nutné hledat jiné způsoby výroby elektrické energie. Řešením tohoto problému mohou být jaderné elektrárny, které jsou šetrnější k ovzduší, protože nevytváří oxid uhličitý, a tím se nezvyšuje skleníkový efekt. Nevýhodou je však produkce jaderného odpadu a riziko jaderné havárie. Jaderná energie se taktéž řadí k neobnovitelným zdrojům, protože přirozené přírodní zásoby štěpných materiálů jsou také vyčerpatelné. Většina elektrické energie se dnes vyrábí z neobnovitelných zdrojů, zejména spalováním fosilních paliv v elektrárnách tepelných nebo štěpnou jadernou reakcí v elektrárnách jaderných.
Alternativním způsobem získávání elektrické energie jsou také obnovitelné zdroje energie. „Obnovitelný zdroj energie je označení některých vybraných, na Zemi přístupných forem energie, získané primárně především z jaderných přeměn v nitru Slunce“. [7] Dalšími zdroji energie jsou teplo zemského nitra a setrvačnost soustavy Země-Měsíc. Lidstvo je čerpá ve formách slunečního záření, větrné energie, vodní energie, energie přílivu, geotermální energie, biomasy a další. Obnovitelné zdroje energie neznečisťují životní prostředí v takové míře jako neobnovitelné, ale ani ty nejsou zcela čisté. Jedná se hlavně o energii získanou z biomasy, která jako i fosilní paliva při spalování produkuje oxid uhličitý. Většina obnovitelných zdrojů má svůj
7
původ v energii ze slunečního záření, proto má největší potenciál (ve smyslu množství energie, které nám může poskytnout) přímé využití slunečního záření k výrobě tepla nebo elektřiny. „Je to asi jediný obnovitelný zdroj, který v případě nutnosti dokáže pokrýt veškerou současnou potřebu energie“. [8] Pokud se tato energie přeměňuje přímo, mluvíme obvykle o sluneční energii, kterou využívají buď fototermální solární zařízení nebo fotovoltaická solární zařízení, kterými se zabývá tato práce.
8
2 CÍL PRÁCE Cílem této bakalářské práce je charakterizovat samotné sluneční záření, jeho vznik a dostupnost na povrchu Země. Popis principu přímé přeměny solárního záření na elektrickou energii, činnosti fotovoltaických článků a jejich historii. Přehledně zpracovat provedení článků, materiály pro jejich výrobu a jejich systémy. Dále zhodnotit uplatnění a perspektivu těchto systémů v ČR a jejich legislativní podmínky.
9
3 SLUNCE Slunce je obrovská žhavá koule, které vděčí naše planeta za existenci života. Slunce je hvězda nejbližší k Zemi, jejíž povrch nás zásobuje teplem a světlem. Světlo dosáhne povrchu Země za 8 minut a 19 sekund, přičemž z druhé nejbližší hvězdy Alpha Centauri dosáhne světlo zemského povrchu za 4,35 roku. Vzdálenost mezi Zemí a Sluncem se pohybuje v rozmezí 147 097 000 km (perihélium) až do 152 099 000 km (afélium). Tyto změny vzdálenosti nejsou příčinou střídání ročních období na Zemi. Střídání ročních období jsou způsobeny sklonem zemské osy a oběhem Země okolo Slunce. Od zdánlivého pohybu Slunce se současně odvozuje i pravý sluneční čas, jeho upravená hodnota v podobě středního slunečního času je základem měření času v běžném životě.
Slunce je jednoznačně největší nebeské těleso, které se nachází v sluneční soustavě. Má přibližně 109 × větší průměr než Země a 1 300 000 násobně větší objem. Celkově obsahuje okolo 99,8 % hmoty celé sluneční soustavy s průměrnou hustotou jen o málo větší, než je hustota vody. Směrem ke středu se hustota i teplota zvyšuje. V porovnání s ostatními hvězdami v naší Galaxii patří do středně staré skupiny hvězd, je staré zhruba 4,6 miliard let a bude svítit ještě asi 5 až 7 miliard let. Jeho hmotnost a svítivost je však větší než je průměr hvězd nacházejících se v naší Galaxii, který se odhaduje asi na polovičku hodnot Slunce. Slunce rotuje okolo své osy v porovnání s jinými hvězdami docela pomalu. Rychlost rotace není všude na povrchu stejná – na rovníku se Slunce otočí jednou za 25,38 dne, na pólech za 36 dní. Tento jev se nazývá diferenciální rotace. Vnitřek Slunce se otáčí jako tuhé těleso jednotnou rychlostí jednou za 27 dní – toto je synodická doba rotace, která je počítána vzhledem k Zemi. Vůči okolním nehybným objektům se Slunce otočí jednou za 25,38 dne. [9]
Další důležité údaje o Slunci: •
celkový vyzařovaný výkon
•
chemické složení:
4*1026 W
vodík
cca 75 %
helium
cca 25 %
kyslík
0,8 %
10
ostatní prvky
0,5 %
•
tíhové zrychlení
274 m*s-2
•
úniková rychlost (na povrchu)
617,7 km*s-1
•
sklon rovníku k ekliptice
7° 15‘ 00‘‘; [2]
3.1 Energie solárního (slunečního) záření Slunce je naším ústředním dodavatelem energie, v jejímž středu neustále probíhají jaderné fúze. Část slunečního záření nám je k dispozici na Zemi, toto záření umožňuje život na naší planetě. Určuje všechny přírodní pochody, které jsou pro náš život nepostradatelné, jako například vítr, déšť, fotosyntéza, mořské proudy a mnoho jiných. Pokrývání energetických potřeb celého světa bylo odjakživa založeno na slunečním záření. Také fosilní zdroje jako je ropa, zemní plyn a uhlí nejsou ničím jiným než přetransformovaným slunečním zářením. Intenzita záření na povrchu Slunce při teplotě 5 800 °C činí asi 63 000 kW*m-2. Z tohoto množství energie obdrží Země malý, ale přesto velmi významný zlomek. Samotná energie slunečního záření dopadajícího na zemský povrch činí 219 000 000 miliard kWh ročně, což odpovídá 2 000 násobku současných světových energetických potřeb. [4]
3.2 Dostupnost solární energie Pokud využíváme sluneční energii ve vesmíru (např. pro výrobu elektrické energie na družicích), nejsou žádné problémy s její dostupností a spolehlivostí. Pokud není družice ve stínu Země, dopadá zde na panely průměrná intenzita záření 1 367 W*m-2 (tzv. sluneční konstanta), což při obvyklé účinnosti 15 % představuje čistý elektrický výkon 200 W. Jinak to ovšem vypadá s dostupností na povrchu Země. Sluneční energie je na Zemi dostupná všude, existují však značné rozdíly mezi jednotlivými lokalitami. Kolik energie lze ze slunečního záření získat, záleží na následujících faktorech:
11
1. Zeměpisná šířka. Největší množství záření dopadá na Zemi v oblastech okolo rovníku a nejméně u pólů (viz příloha 1). Roční úhrny globálního záření dosahují v nejslunečnějších oblastech Země hodnot přes 2 200 kWh*m-2. 2. Roční doba. Nabídka slunečního záření se mění také v průběhu roku – v zimě je den kratší a slunce je na obloze nízko, což spolu s častějším výskytem oblačnosti výrazně omezuje energetický zisk solárních zařízení. Uvádí se, že v letním období za jasného dne dopadne na 1 m2 plochy orientované na jih 6 až 7 kWh, při oblačném počasí přibližně 2 kWh. V zimě za slunečného počasí jsou to jen 2 kWh a při oblačném počasí pak méně než 0,3 kWh (obr. 1).
Obr. 1 Sluneční záření v České republice a Evropě Zdroj: [10]
3. Místní klima, oblačnost. Při průchodu záření zemskou atmosférou je část záření odražena a část záření pohlcena (obr. 2). Zásadní vliv mají v tomto ohledu mraky – za jasné oblohy dopadá na povrch Země přibližně 75 % záření, tj. asi 1 kW*m-2. Při zatažené obloze je to pod 15 %, tj. méně než 200 W*m-2. Také znečištění atmosféry a některé lokální vlivy, jako je například výskyt přízemní mlhy, ovlivňují množství energie, které lze ze slunečního záření získat. Oblačnost kromě toho způsobuje rozptýlení (difuzi) dopadajícího záření, což dále snižuje jeho využitelnost některými solárními systémy – např. koncentrátorové systémy s Fresnelovými čočkami (příloha 2) rozptýlené záření nevyužijí. 12
Rozptýlené záření přichází z celé oblohy (za jasného počasí hlavně z těsného okolí Slunce) i od osvětleného terénu. Jeho role je tím větší, čím je Slunce níže (tedy čím delší je cesta záření atmosférou), čím je ovzduší prašnější a čím více je na nebi oblačnosti. Vzhledem k tomu, že vliv oblačnosti nelze předpovědět na delší dobu, používají se pro výpočty dostupnosti solárního záření průměrné hodnoty z minulých let. Sečtením záření rozptýleného (difúzního) a přímého (sluneční záření, které rozptýleno nebylo) dostaneme tzv. globální záření.
Obr. 2 Schéma znázorňující prostup slunečního záření atmosférou v poměru k vyzářenému záření ze zemského povrchu Zdroj: [11]
4. Sklon a orientace plochy, na niž sluneční záření dopadá. Je zřejmé, že maximální výkon ze slunečního záření získáme na ploše, která je k dopadajícím paprskům kolmá. Optimální proto je natáčet zařízení za Sluncem (příloha 3) tak, aby paprsky dopadaly stále kolmo. V praxi se to dělá spíše výjimečně – je to drahé a těžkopádné. Zpravidla se solární kolektory nebo fotovoltaické články montují se sklonem přibližně 45° k jihu, což zaručuje dobrý celoroční zisk. Pokud chceme zvýšit zisk v zimním období, je možno zvýšit sklon na 60°, a pro
13
zvýšení zisku v letním období lze použít sklon cca 30°. Bez ohledu na sklon je množství energie získané v letní polovině roku podstatně větší než v polovině zimní (viz Tabulka 1). [3], [4]
Tabulka 1 Závislost slunečního záření na sklon panelů v jednotlivých měsících Višňové Měsíc leden únor březen duben květen červen červenec srpen září říjen listopad prosinec průměr Průměr za zimní období (XIII) Průměr za letní období (IV-IX) roční úhrn
Úhel sklonu ve stupních 0° 15° 30° 45° 60° -2 -1 Suma záření na nakloněnou plochu [kWh*m *měsíc ] 25 33 38 42 44 42 51 58 62 63 80 92 99 102 99 117 126 130 128 119 155 160 159 150 134 155 158 153 143 125 167 172 169 158 140 141 150 152 148 135 93 104 111 112 108 64 78 88 94 95 27 34 38 41 42 18 23 27 29 30
75°
90°
43 61 92 104 113 103 116 116 98 91 41 30
40 55 79 85 86 77 87 92 83 82 38 28
90 0°
98 15°
102 30°
101 45°
95 60°
84 75°
69 90°
256
311
348
370
373
358
322
828
870
874
839
761
650
510
1 084
1 181
1 222
1 209
1 134
1 008
832
Hodnoty v tabulce 1 odpovídají lokalitě Višňové u Znojma (48°58'56" sever, 16°9'17" východ), nadmořská výška 331 m, orientace modulů je -1.0°. Hodnoty byly získány z webového portálu PV-GIS (Photovoltaic Geographical Information System), který je k dispozici on-line zdarma. [12] Jako nejvhodnější úhel pro tuto lokalitu (pevná konstrukce) program vyhodnotil 35°.
14
Obr. 3 Porovnání výsledků solárního záření na sklon panelů v jednotlivých měsících
Střední hodnoty ročních úhrnů globálního záření na horizontální rovinu jsou znázorněny na obrázku 4. Obrázek 4 představuje úhrn globálního záření dopadajícího v průběhu jednoho roku na území různých regionů v Česku. Roční množství slunečního záření kolísá mezi 1 000 a 1 250 kWh*m-2, průměrná doba slunečního svitu činí v Česku cca 2 000 hodin, jednotlivé lokality jsou znázorněny na obrázku 5.
Obr. 4 Střední hodnoty ročních úhrnů globálního záření v ČR ([kWh*m-2], [MJ*m-2]) Zdroj: [13]
15
Obr. 5 Délka trvání slunečního svitu v ČR Zdroj: [14]
3.3 Původ solární energie Solární energii označujeme jako energii dopadající na Zemi ve formě slunečního záření. Energie uvolňovaná termonukleárními reakcemi na Slunci je na Zemi dopravována ve formě elektromagnetického záření. Slunce vyzařuje v širokém rozsahu vlnových délek (obr. 6). Pro nás je nejvýznamnější oblast záření v rozsahu přibližně 400 až 650 nm, záření těchto vlnových délek je totiž pro naše oči viditelné. V této oblasti na Zemi dopadá největší množství energie (asi tři čtvrtiny). Energeticky významné je ještě takzvané blízké infračervené záření v oblasti od 650 nm do 2 000 nm. Naproti tomu je většina ultrafialového záření (hlavně oblast pod 280 nm) pohlcena ozónem ve stratosféře a na povrch Země se už nedostane. Podobně je atmosférou zadržováno dlouhovlnné infračervené záření (nad asi 3 000 nm). [3]
16
Obr. 6 Závislost energie slunečního záření na vlnové délce Zdroj: [15]
AM 1,5 (air mass) je modelové spektrum slunečního záření po průchodu bezoblačnou atmosférou. Energetická hustota tohoto spektra je 1 000 W*m-2, v reálu ale silně závisí na průhlednosti atmosféry. Celkový teoreticky využitelný výkon slunečního záření odpovídá šedé ploše pod křivkou AM 1,5.
3.4 Přeměna slunečního záření na různé formy energie Ze vzájemného působení slunečního záření a zemského povrchu vzniká celá řada přirozených procesů transformace. Velká část slunečního záření jen ohřívá naše prostředí, každodenně zvedá teploty vzduchu, půdy a povrchové vody. Ostatně ohřívání interiérů skrz okna představuje doposud hlavní obnovitelný zdroj energie. Až několik promile záření je prostřednictvím biochemických procesů přeměněno v rostliny (biomasu). To platí také pro fosilní zdroje energie – uhlí, ropu a zemní plyn, které lze pokládat taky za sluneční energii uloženou tímto způsobem. V tomto případě se jedná ale o energii, která před miliony let vystoupila z přírodního koloběhu. Asi jedna čtvrtina slunečního záření se využije k vypařování vody. Znovu se srážející pára spolu s rozdíly teplot pohání vítr a ten potom vlny, zkondenzovaná voda způsobuje vznik vodních toků. Z těchto procesů vycházejí metody pohonu strojů, které byly využívány už dávno, nověji se užívají k pohonu generátorů konajících elektrickou práci. [4]
17
4 HISTORIE FOTOVOLTAIKY Lidstvo pozorovalo po celá tisíciletí sluneční činnost a její vliv na život na Zemi. Některá pozorování využívali stavitelé pyramid, chrámů a měst, jiná pozorování sluneční činnosti vedla k regulaci a režimu obdělávání zemědělské půdy apod. V novověku se úměrně s rozšiřováním experimentální a vědecké činnosti postupně objevovaly další vlastnosti Slunce. Zásadní objev, který využívá slunečního záření fotovoltaika (PV - photovoltaic) pochází z Francouzské rodiny Becquerelů, která dala světu v průběhu 160 let čtyři generace významných fyziků. Zatímco zakladatel této vědecké dynastie Antoine César Becquerel (1788 – 1878) objevil piezoelektrický jev, kdy pod vlivem tlaku, tahu, nebo krutu vzniká na ploše krystalu náboj, jeho mladší syn Alexandre Edmond Becquerel (1820 - 1891), učinil už ve svých 19 letech v roce 1839 objev - fotovoltaiku, který našel svoje praktické uplatnění až po 120 letech. Při laboratorních pokusech vložil do nádoby naplněné elektrolytem, rozdělené průlinčitou stěnou dvě platinové elektrody. K elektrodám připojil Galvanometr a nádobu světlotěsně zakryl. Ručička galvanometru nevykázala žádnou výchylku, potom nádobu odclonil a elektrody osvětlil. Ručička galvanometru se vychýlila a mezi elektrodami vzniklo napětí. Poprvé tak byla pozorována přímá přeměna světlené energie na elektřinu a objevena fotovoltaika. Název tohoto objevu vznikl složením řeckého slova foto = světlo a voltaický, které je odvozeno od jména Italského fyzika Alessandra Volty (1745 - 1827), který zkonstruoval první galvanický článek. V roce 1876 prováděli v návaznosti na objev fotovoltaiky pokusy další fyzici W. Adams a R. Day osvětlením krystalu selenu a zaznamenali stejný výsledek jako Alexander Becquerel. Pozdější výzkumy a pokusy prokázaly jako nejvhodnější polovodič především křemík. Křemík je po kyslíku druhým nejvíce zastoupeným prvkem na Zemi a tvoří asi 26-28 % zemské kůry.
V roce 1904 vysvětlil Albert Einstein fotoelektrický jev jako vznik volného elektronu po absorpci světelného kvanta. V roce 1921 pak obdržel za svoji práci Nobelovu cenu. Současný fotoelektrický článek tvoří polovodičová součástka, která převádí energii fotonu (nejmenší a dále nedělitelné množství světelné energie "atom světla"). Tato malá tělíska – částečky energie, které A. Einstein nazval fotony, nemají elektrický náboj a proto na světlo nepůsobí elektrické nebo magnetické pole. [16]
18
4.1 První fotovoltaické články První funkční solární článek sestrojil v roce 1884 americký vynálezce Charles Fritts celých 45 let po Becquerelově objevu fotovoltaického jevu. Frittsův článek byl vyroben ze seleniového polovodiče, který byl potažen velmi tenkou vrstvou zlata a měl účinnost přeměny světla na elektřinu přibližně jen 1%. Tyto seleniové články neměly vzhledem k nízké účinnosti a vysoké ceně žádnou šanci na uplatnění při výrobě elektřiny, ale začaly se využívat jako světelný senzor pro určování času expozice snímku ve fotoaparátech. Frittsův vynález se takto používal až do roku 1960.
Vynálezcem solárního článku takového, jak ho známe dnes je Russell Ohl (18981987), americký inženýr, který pracoval ve 30. letech 20. století na výzkumu materiálů pro telekomunikační firmu AT&T Bell Labs. V roce 1939 objevil tzv. "P-N přechod", což je oblast na rozhraní příměsového polovodiče typu P a polovodiče typu N (blíže popsáno v kapitole 5.2). P-N přechodů se využívá v polovodičových součástkách jako jsou diody nebo tranzistory, právě při vývoji materiálů pro výrobu tranzistoru vznikl jako vedlejší produkt solární článek, v té době nazvaný jako "světlocitlivé zařízení" s konverzní účinností okolo 5%. Vynález si Russell Ohl nechal patentovat v roce 1946. Na Ohlových objevech jsou založeny například dnešní LED diody a dále také významně přispěl k vývoji tranzistorů.
Křemíkové solární články byly potom v 50. letech 20. století zdokonaleny v Bell Laboratories, kde se náhodou přišlo na skutečnost, že křemíkový polovodič s některými příměsemi výrazně reaguje na světlo. Prvním využitím solárních modulů pro účely dobývání vesmíru bylo na družici Vanguard 1, která byla vypuštěná v březnu 1958. Pro výrobu elektřiny v pozemských podmínkách začaly být solární články využívány přibližně od druhé poloviny 80. let 20. století. Zásadním problémem této tzv. první generace solárních křemíkových článků byla však nízká účinnost a vysoké výrobní náklady, proto se úsilí vědců soustředilo na další (2. a 3.) generace článků, které by měly do budoucna oba tyto problémy vyřešit. [16]
19
5 SOLÁRNÍ ČLÁNEK Fotovoltaika využívá přímé přeměny světelné energie na elektrickou energii v polovodičovém prvku označovaném jako fotovoltaický nebo též solární článek. „Solární článek je velkoplošná dioda alespoň s jedním PN přechodem, který v ozářeném solárním článku generuje elektricky nabité částice“. [17] Vnějším obvodem zapojeným mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud.
Obr. 7 Schéma solárního článku Zdroj: [17]
Napětí jednoho článku s přibližnou hodnotou 0,5 V je příliš nízké pro další běžné využití. Sériovým zapojením více článků získáme napětí, které je již použitelné v různých typech fotovoltaických systémů. Standardně jsou používány sestavy pro jmenovité provozní napětí 12 V nebo 24 V. Takto vytvořené sestavy článků v sériovém nebo i sério-paralelním zapojení jsou hermeticky uzavřeny ve struktuře krycích materiálů výsledného solárního panelu. [17]
5.1 Stručný generační vývoj 5.1.1 První generace První generací se nazývají fotovoltaické články využívající jako základ křemíkové pláty. Články tohoto typu jsou dnes nejrozšířenější technologií na trhu (cca 90 %) a dosahují poměrně vysoké účinnosti (v sériové výrobě 16 až 19 %, speciální struktury až
20
24 %). Komerčně se články začaly prodávat v sedmdesátých letech, přestože je jejich výroba relativně drahá (zejména z důvodu drahého vstupního materiálu – krystalického křemíku), budou ještě v několika dalších letech na trhu dominovat.
5.1.2 Druhá generace Impulsem pro rozvoj článků druhé generace byla především snaha o snížení výrobních nákladů úsporou drahého základního materiálu – krystalického křemíku. Články druhé generace se vyznačují 100 × až 1 000 × tenčí (příloha 4) aktivní absorbující polovodičovou vrstvou (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 materiálů jako Cu, In, Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo v porovnání s články první generace k poklesu výrobních nákladů (za předpokladu velkosériové výroby i k poklesu ceny), nicméně dosahovaná účinnost je obvykle nižší (v sériové výrobě obecně pod 10%). Nespornou výhodou tenkovrstvých článků je možnost volby substrátu (na něž se tenkovrstvé struktury ukládají) a v případě použití flexibilních materiálů (organické, kovové či textilní folie) i značně širší aplikační sféra. Komerčně se začaly články druhé generace prodávat v druhé polovině osmdesátých let.
5.1.3 Třetí generace Pokus o „fotovoltaickou revoluci“ představují fotovoltaické články třetí generace. Zde je hlavním cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonů a následně generovaných párů elektron - díra („proudový“ zisk), ale i maximalizace využití energie dopadajících fotonů („napěťový“ zisk). Existuje řada směrů, kterým je ve výzkumu věnována pozornost: •
vícevrstvé solární články (z tenkých vrstev)
•
články s vícenásobnými pásy
•
články, které by využívaly „horké“ nosiče náboje pro generaci více párů elektronů a děr
21
•
termofotovoltaická přeměna, kde absorbér je současně i radiátorem vyzařujícím selektivně na jedné energii
•
termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí
•
články využívají kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách
•
prostorově strukturované články vznikající samoorganizací při růstu aktivní vrstvy
•
organické články (např. na bázi objemových heteropřechodů)
Zatím jediným komerčním příkladem dobře fungujících článků třetí generace (přímo navazující na články druhé generace) jsou vícevrstvé struktury (dvojvrstvé – tzv. tandemy a trojvrstvé články), z nichž každá sub-struktura (p-i-n) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak energetická využitelnost fotonů. Max. účinnost komerčních článků je cca 30% pro třívrstvé články, avšak jejich výroba je nákladnější než výroba jednovrstvých článků a jsou nejčastěji vyráběny z nákladného křemíku, a jsou proto cca 2x až 3x dražší. Koncentrátové články jsou vyráběny z dostupnějších materiálů, jejich účinnost je zatím max. 42%, avšak články využívají pouze přímé sluneční záření ne difuzní (rozptýlené) záření, které se v ČR vyskytuje nejvíce. Základní podmínkou pro dobrou funkci vícevrstvých článků je, aby každý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší (případně nejhorší) z článků limituje dosažitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou (případně všech) článků.
Ve stádiu výzkumu a vývoje jsou fotovoltaické články organického typu. U těchto článků došlo k výraznému snížení výrobních nákladů, účinnost těchto článků je však zatím pouze 2 až 4% a komerčně jsou zatím nedostupné. Přehled a vývoj účinností různých typů fotovoltaických článků jsou uvedeny v příloze 5. [17], [18]
5.2 Jak fungují fotovoltaické články Pro výrobu fotovoltaických článků je nejpoužívanějším materiálem křemík. Křemík je krystalická pevná látka se strukturou podobnou struktuře diamantu (má čtyři valenční elektrony jako uhlík). Rozdíl je však v tom, že křemík absorbuje část slunečního záření
22
(ve viditelné a blízké infračervené oblasti) a má vlastnosti polovodiče – zahřátím nebo osvětlením dochází k prudkému zvýšení jeho vodivosti.
Při absorpci fotonu ze záření dochází k přenosu jeho energie na elektron ve valenční sféře některého atomu křemíku. Elektron se uvolní a v mřížce zůstane jeden přebytečný kladný náboj (tzv. díra). Do této „díry“ mohou přejít elektrony z jiného atomu křemíku, a tak se díra může ve vrstvě pohybovat, chová se jako volný kladný náboj. Absorpcí fotonů ve struktuře polovodiče se tedy generují nosiče náboje (dvojice elektron – díra). Pokud chceme ovšem donutit uvolněné elektrony a díry, aby prošly nějakým vnějším elektrickým obvodem a konaly práci (např. roztočily motor), musíme je nejdřív od sebe oddělit (jinak po chvíli elektrony zapadnou znovu do děr a vydají získanou energii ve formě tepla). Proto není fotovoltaický článek vyroben z čistého křemíku, ale je složen ze dvou vrstev – jedna obsahuje příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (například bor, který má tři elektrony) a druhá vrstva obsahuje příměs prvku s větším počtem valenčních elektronů (např. fosfor, který má pět elektronů). Vrstvu s nedostatkem elektronů nazýváme polovodič typu P a vrstvu s nadbytkem polovodič typu N. Jejich spojení se nazývá P-N přechod a tvoří základ pro usměrňovací diody, tranzistory a většinu elektronických součástek. Na rozhraní obou vrstev dojde totiž k přechodu části elektronů z vrstvy, kde je jich více, do vrstvy, kde je jich méně. Důsledkem toho se objeví na P-N přechodu elektrické pole, které přesun dalších elektronů pochopitelně zastaví (dojde k ustavení dynamické rovnováhy). Toto elektrické pole, které je přítomné na P-N přechodu dokáže oddělit elektrony a díry vzniklé absorpcí fotonu – elektrony „pošle“ do N-polovodiče a díry do P-polovodiče. Díky tomu na kontaktech vznikne elektrické napětí a do připojené zátěže (spotřebič) začne téct elektrický proud. Fotovoltaický článek může tedy sloužit jako zdroj elektrického proudu díky tomu, že elektrony uvolněné absorpcí fotonů ze slunečního záření musí nejprve projít skrz vnější obvod (zátěž, spotřebič), a teprve potom se mohou spojit s dírami (rekombinovat). [3]
5.3 Praktické provedení křemíkových fotovoltaických článků Fotovoltaické články jsou obecně poměrně tenké. Kromě výše uvedených dvou vrstev křemíku bývá zde zpravidla i antireflexní vrstva, která snižuje odraz slunečních
23
paprsků. Z obou stran je pak dvojice kontaktů, které sbírají a odvádějí elektrický proud, na přední straně ve formě mřížky (aby nebránila průchodu záření) a ve formě souvislého povlaku na zadní straně. Tato vrstva slouží i jako odrazná vrstva, zachycující a odrážející část záření, která nebyla nevyužita při prvním průchodu skrz článek. Křemíkový P-N přechod musí být chráněn před znečištěním a vlhkostí a je také nutné zajistit potřebnou mechanickou odolnost. Často se od fotovoltaických panelů požadují i další vlastnosti, které určují jejich vzhled – například pro montáže na fasádu domu se vyrábějí panely s různými barevnými odstíny (obr. 8) nebo panely částečně průhledné (mezi jednotlivými články jsou ponechány mezery). Některé panely mají například tvar střešních tašek, jiné jsou zase velmi ohebné a tenké, mohou tvořit součást oblečení a nabíjet baterie nebo napájet přenosné přístroje. [3]
Obr. 8 Vzorky různě barevných solárních článků pro architektonické aplikace Zdroj: [19]
5.3.1 Výroba solárních článků (mono-/poly-krystalického) Křemíkové polykrystalické ingoty se vyrábějí se čtvercovým průřezem, který je vhodný pro výrobu solárních článků. Kulaté monokrystalické ingoty se často ořezávají na pseudočtvercový průřez, aby byla lépe využitá plocha solárních panelů. Ingoty se rozřežou na tenké plátky, na kterých se pak leptáním vytvoří textura (destička zmatní a
24
lépe pohlcuje světlo). Destička se dopuje poté fosforem, čímž se vytvoří polovodivý PN přechod, vybaví se antireflexní vrstvou nitridu (článek získá tmavě modrou barvu), a vodivou pastou se sítotiskem se vyrobí metalizace na přední i zadní straně. Potom se článek vypálí (sintruje) - vytvoří se vodivé propojení metalizace s křemíkem. Hotové články se spojují plochými pájenými kovovými pásky a namontují se do fotovoltaických panelů (obr. 9). [20]
Obr. 9 Solární výrobní řetěz Zdroj: [20]
5.4 Vlastnosti křemíkových článků a modulů Fotovoltaický článek se chová přibližně jako zdroj konstantního proudu (nemusíme se bát jej zkratovat). Velikost proudu závisí (v určitých mezích přímo úměrně) na intenzitě slunečního záření, které dopadá na článek a pochopitelně také na ploše článku. Takže vlastně na tom, kolik fotonů na povrch článku dopadne a kolik je zachyceno. Napětí při chodu naprázdno činí přibližně 0,6 V, napětí při maximálním výkonu je přibližně 0,5 V, jak jsem uváděl výše. Účinnost závisí na použitém materiálu a způsobu provedení. Sério-paralelní zapojení jednotlivých článků umožňuje dosažení potřebného napětí a proudu, zapojení článků a jejich charakteristiky jsou uvedeny v příloze 6. Zpravidla se do série zapojuje zhruba 36 článků pro dosažení výstupního napětí kolem 17 V, které je vhodné pro nabíjení 12 V akumulátorů (někdy se používá dvojnásobný počet článků pro 24 V akumulátor). Běžně se při plném slunečním svitu dosahuje výkonu přes 100 W*m-2.
25
Největší světoví výrobci fotovoltaických článků jsou Sharp, BP solar, Kyocera a Shell. V ČR vyrábí křemíkové fotovoltaické panely firma Solartec. V praxi se můžeme setkat s různými druhy fotovoltaických článků. Můžeme je rozdělit podle použitých technologií a materiálů například následovně: •
články z monokrystalického křemíku – krystaly jsou větší než 10 cm, vyrábí se pomalým tažením z roztaveného křemíku ve formě tyčí o průměru až 300 mm, které se rozřežou poté na tenké plátky (waffers). V poslední době jde připravovat monokrystalický křemík přímo ve formě tenkých pásků (ribbon growth);
•
články z polykrystalického křemíku – (krystaly o velikosti 1-100 mm). Za přítomnosti většího množství menších krystalů, resp. většího počtu rozhraní mezi nimi, vede sice k nižší účinnosti, ale výroba je podstatně levnější a rychlejší. V zásadě se jedná o odlévání ingotu z křemíku (může být i méně čistý, protože při kontrolovaném chladnutí odlitku dochází k odseparování nečistot);
•
články z amorfního křemíku – křemík nemá krystalickou, ale sklovitou strukturu. Obsahuje určité procento vodíku a vyrábí se napařováním na vhodný substrát. Jeho nevýhodou je menší stabilita, tzn. postupné zhoršování vlastností;
•
články CIS (CuInSe2) – jedná se o tenkovrstvé články ze selenidu mědi a india. Vyznačují se vysokou absorpcí záření, a proto mohou být velice tenké. Lze u nich dosáhnout vysoké účinnosti (v laboratoři až 18 %), což s ohledem na to, že to jsou tenkovrstvé články, je docela dost;
•
články z teluridu kademnatého (CdTe) – jedná se údajně o další slibný typ tenkovrstvého polykrystalikého článku. Problematickou vlastností je relativně velký elektrický odpor, který vede ke ztrátám;
•
články z galiumarzenidu (GaAs) – jedná se o tenkovrstvé monokrystalické články, které se dají vyrobit s mírně odlišnými vlastnostmi a tak optimálně přizpůsobit potřebám. Mají vysokou absorpci záření, jsou málo citlivé na vyšší teploty a velmi odolné vůči poškození kosmickým nebo radioaktivním zářením. Základní nevýhodou je vysoká cena monokrystalického GaAs. GaAs se používá často ke konstrukci vícepřechodových fotovoltaických článků;
•
vícepřechodové struktury (multijunction) – fotovoltaický článek s jedním P-N přechodem může optimálně využít jen určitou část energie dopadajícího záření. 26
Fotony s energií menší než takzvaný „bandgap“ (rozdíl v energii posledního obsazeného pásu a prvního neobsazeného, vodivostního pásu) nedokáží elektron uvolnit. Fotony s vyšší energií elektron uvolní, ale využije se jen ta část jejich energie, která je právě rovna energii potřebné k vyzdvižení elektronu do vodivostního pásu. Ostatní energie, co je navíc, se promění v teplo. Jednou z možností jak významně zvýšit účinnost fotovoltaických článků, je proto použití více vrstev s různými P-N přechody, uspořádanými tak, aby bylo možné optimálně využít fotony s různou energií. Pokud se použije vícevrstvá struktura, jejíž každá část je optimalizována pro určitou část slunečního spektra (viz příloha 7), potom můžeme dosáhnout podstatně lepšího využití energie dopadajícího záření. Zpravidla se používají tři vrstvy, ale uvažuje se už i o šestivrstvých strukturách. Cílem těchto prací je vytvořit fotovoltaické články, které mohou využít celý rozsah slunečního spektra a dosáhnout tak podstatně vyšších účinností než dnešní běžné typy, jak už bylo řečeno výše. Vzhledem k tomu, že cena těchto článků bude poměrně vysoká, uvažuje se s jejich využitím ve spojení s koncentrátory slunečního záření, které umožní podstatně zmenšit plochu fotovoltaického panelu tím, že se na něj soustředí záření pomocí zrcadla nebo čočky (nejpoužívanější jsou Fresnelovy čočky). Některé typy zrcadlových koncentrátorů jsou uvedeny v příloze 8. •
organické fotovoltaické články – zatímco u vícepřechodových fotovoltaických článků se snažíme maximalizovat účinnost bez ohledu na cenu a další vlastnosti, vývoj organických fotovoltaických článků klade důraz spíše na nízkou cenu, ohebnost a pružnost článků. Vytvořil se celý sbor „Flexible Electronics“, který využívá výhodných vlastností organických polovodičů i k řadě jiných aplikací, než jen k získávání energie. Fotovoltaické články z organických látek jsou sice potenciálně velmi slibné, ale prozatím relativně málo prakticky využívané. Pokud se jedná o komerční aplikace, setkáváme se asi nejčastěji s firmou Konarka. Pro tyto články se nejčastěji používají elektricky vodivé polymery. Ve směsi
vodivých
polymerních
molekul,
z nichž
jeden
druh
má
elektronakceptorové vlastnosti a druhý elektrondonorové vlastnosti, dojde pohlcením fotonu ke vzniku vázaného páru elektron–díra a za určitých podmínek dochází k přenosu náboje na elektronakceptorovou molekulu. Jde o analogii fotovoltaických článků s P-N přechodem. Jako akceptor elektronů
27
slouží např. uhlíkové nanotrubice, jako je (komerčně dostupný) Carbolex. Jedná se o neobyčejně zajímavou formu uhlíku – je to vlastně jedna vrstva grafitu (tj. orto-kondenzovaná benzenová jádra) svinutá do podoby duté trubice. Problémy jsou zatím s účinností, pohyblivost elektronů v organických systémech je horší než v anorganických polovodičích, a je tedy větší šance k rekombinaci nábojů (problémem je třeba přítomnost kyslíku, který ze systému jen těžko vyloučíme). Zkouší se i kombinace organických molekul s nanotyčinkami CdSe. Vývojem komerčních fotovoltaických článků na tomto principu se zabývá např. Nanosys. Vypadá to, že je ohromné množství možností (organická chemie nabízí podstatně více možných struktur než chemie anorganická), ale je to oblast poměrně nepřehledná a praktické využití není zatím příliš velké. [3]
Výše uvedený, ale zdaleka neúplný přehled vzbuzuje možná dojem, že nabídka typů fotovoltaických článků je velmi bohatá, v praxi se však setkáme nejčastěji s články z monokrystalického křemíku a občas s články z křemíku polykrystalického či amorfního. Přes 90% fotovoltaických článků tvoří články z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku (obr. 10) s tím, že se vzájemný poměr postupně posouvá ve prospěch polykrystalických článků. [3]
Obr. 10 Solární panely s monokrystalického a polykrystalického křemíku Zdroj: [21]
28
5.5 Systémy pro výrobu elektřiny s fotovoltaickými články Fotovoltaické panely jsou nepochybně základní součástí každého systému pro výrobu elektřiny ze slunečního záření, ale kromě nich potřebujeme ve většině případů mnoho dalších komponent. Anglicky se tato zařízení označují zkratkou BOS (Balance of Systems). Je jich docela hodně a mají pochopitelně vliv na výslednou energetickou bilanci celého systému pro výrobu elektřiny a samozřejmě také na jeho cenu a dobu návratnosti.
Základní komponenty fotovoltaického systému: •
Fotovoltaické panely – jsou k dispozici v nejrůznějších velikostech, výkonech a provedeních.
•
Měniče (invertory) – zařízení měnící stejnosměrný proud z fotovoltaických článků na běžné síťové napětí (230 V, 50 Hz).
•
Regulátory dobíjení (integrované s měniči nebo oddělené) – přístroje využitelné pro off-grid aplikace, kdy jsou v systému využitelné baterie pro akumulaci energie.
•
Baterie – musí se jednat o baterie určené pro solární systémy (autobaterie jsou nepoužitelné), existuje široká paleta typů, lze doporučit bezúdržbové „gelové“ baterie nebo nejnovější lithium-polymerové, které mají výhodu vysoké účinnosti a delší životnosti a již začínají být dostupné pro větší výkony.
•
Konstrukce pro instalaci panelů.
•
Rozvod elektřiny.
•
Elektrické přístroje a zařízení. [5]
29
Fotovoltaické systémy můžeme rozdělit na tři aplikační typy: autonomní, hybridní a přímo spojené se sítí. Uvedené typy systémů můžeme charakterizovat těmito schématy:
a) Autonomní systém
Obr. 11 Schéma autonomního systému Zdroj: [1]
b) Hybridní systém
Obr. 12 Schéma hybridního systému Zdroj: [1]
c) Systém přímo napojený na síť bez akumulátorů
Obr. 13 Schéma systému přímo napojeného na síť Zdroj: [1]
30
Autonomní systém obecně potřebuje akumulátory a je používán především v místech, kde není dostupná veřejná elektrická síť (viz ostrovní provoz). Hybridní systém obsahuje fotovoltaické pole a jeden nebo několik pomocných generátorů a jednu nebo více baterií. Vyžaduje složitější regulátory a řídící členy, které optimálně využívají vlastnosti všech zdrojů. Systém přímo spojený se sítí se také někdy nazývá spolugenerující systém. Běžně nepotřebuje akumulátor. Měnič musí být navržen tak, aby pracoval v celém rozsahu napětí, které poskytují fotovoltaické panely. Pro tyto systémy je charakteristické použití transformátorů, výkonových spínačů a ochranných prvků (viz síťový provoz). [1]
V zásadě se v praxi setkáme se dvěma základními systémy, respektive způsoby provozu solárních fotovoltaických systémů: •
ostrovní provoz
•
síťový provoz
5.5.1 Ostrovní provoz (Off grid) Jde o autonomní systém zajišťující dodávku elektřiny bez připojení na rozvodnou síť. Takovýto systém musí být vybaven akumulátory, které uloží energii na dobu, kdy slunce nesvítí, a regulačním systémem zajišťujícím správné nabíjení a vybíjení (viz příloha 9). Skoro vždy se vyplácí přidat do systému další zdroj elektrického proudu – nejčastěji motorgenerátor (elektrocentrálu) na benzin nebo kapalný propan. Takový systém se nazývá hybridní, jak už bylo řečeno výše a je znázorněn v příloze 10. Elektrocentrála nám umožní používat spotřebiče, které mají velký příkon (například cirkulárka, automatická pračka apod.) a také sníží potřebnou velikost solárního systému (plochu panelů a kapacitu akumulátorů) na přijatelnou hodnotu. Je to analogický případ jako u systému pro ohřev vody, pokud nechceme, aby zajišťoval 100 % pokrytí i v zimních nepříznivých podmínkách, může být výrazně menší a levnější.
Tento systém se pochopitelně používá tam, kde není k dispozici elektrická síť, nemusí to být však jen africké vesnice nebo ostrůvky v Indonésii. I u nás se občas najde nějaká ta stará myslivna přestavovaná k trvalému bydlení, kde by vybudování elektrické
31
přípojky stálo více peněz než pořízení solárního fotovoltaického systému. Také v obytných přívěsech nebo na jachtách jsou tato zařízení výhodná. Pokud se rozhodneme fotovoltaický systém instalovat, velmi se vyplatí snížení spotřeby elektřiny na minimum a snížení potřebného instalovaného výkonu. Teprve až na takto minimalizovanou
spotřebu
se
pak
dimenzuje
solární
fotovoltaický
systém.
Minimalizace spotřeby se dá dosáhnout následujícími opatřeními: •
Pečlivě si rozmyslet, co doopravdy potřebujeme, taková sušička prádla nebo myčka nádobí jsou v domácnosti sice užitečné, ale určitě nejsou nepostradatelné. Obecně platí, že nejvíce elektřiny spotřebují zařízení přeměňující elektřinu na teplo. Teplo ale můžeme mnohem levněji získat ze solárních kolektorů.
•
Změnit některé postupy a technologie, tj. například přestat vařit na elektrickém sporáku a používat místo něho plynový (na propanbutan), použít automatickou pračku s možností nátoku teplé vody (ta se už bohužel skoro nevyrábí), nechladit pivo v ledničce, ale na „sedmém schodě“ ve sklepě a podobně.
•
Vyměnit elektrospotřebiče za typy s nižší spotřebou, zásadně bychom měli používat spotřebiče, které mají na energetickém štítku „A“. Rozhodně se vyplatí používat LCD displej u televizního přijímače, takový notebook je vůbec lepší řešení než stolní počítač. Nejúspornějším osvětlením jsou dnes lineární zářivky s elektronickým předřadníkem. V největší míře používat malé, lokální zdroje světla, pokud potřebujeme bodové osvětlení, lze s výhodou využít 12 nebo 24 V halogenové
žárovky
s integrovaným
reflektorem,
které
napájíme
z nízkovoltového rozvodu. Někde stačí třeba jen svítivé diody pro orientační osvětlení. •
Je třeba dávat si pozor i na takzvanou klidovou (stand-by) spotřebu. Některá starší zařízení si i po vypnutí ovladačem berou několik wattů.
•
Je dobré udělat vedle střídavého rozvodu 230 V/50 Hz i nízkovoltový stejnosměrný rozvod přímo z akumulátorů a napájet tak z něj elektrické spotřebiče. Je až překvapivé, na co všechno se dá použít, když už jej máme. Kromě výše zmíněných světel či notebooku existuje např. i nářadí na 12 V, oběhové čerpadlo pro kotel ústředního topení, televizor, nabíječky NiCdakumulátorů a podobně. Přímým stejnosměrným napájením se také vyhneme
32
ztrátám při dvojím převodu napětí a nepotřebujeme ani tak výkonný měnič napětí. •
Zajistit, aby nebylo zapínáno více spotřebičů současně, a omezit používání spotřebičů s velkým rozběhovým proudem (motory).
•
Není vhodné navrhovat systém na příliš dlouhou dobu bez slunečního svitu, zpravidla postačí mít kapacitu akumulátorů na tři dny provozu. Ostatní potřebnou elektrickou energii je lepší dodávat z jiného zdroje. [3]
5.5.2 Síťový provoz (On grid) Jedná se o systém připojený na rozvodnou síť (viz příloha 11). Tento systém nepotřebuje akumulátor, protože vyrobený proud je dodáván průběžně do elektrické sítě přes měnič (invertor), který vytvoří ze stejnosměrného napětí 12 nebo 24 V střídavé napětí o frekvenci 50 Hz a napětí 230 V (nemusí tomu tak vždy být, některé velké systémy dodávají proud přímo do sítě vysokého napětí).
Základním důvodem pro pořízení tohoto systému je zisk – jde o podnikání, nepotřebujeme si zajistit elektrickou energii pro svou potřebu, ale jde nám o investici, která poskytuje dlouhodobý výnos. V některých případech může být eventuálně užitečné zkombinovat oba systémy, tj. používat jak elektřinu ze solárního systému, tak i elektřinu ze sítě. Důvodem může být například zajištění maximální bezpečnosti a nezávislosti dodávky (pro velké servery, komunikační zařízení apod.). Když už musíme mít záložní generátory a velké akumulátorové baterie, můžeme k nim připojit fotovoltaické panely jako další zdroj. Takové případy bývají ale poměrně výjimečné. Důvodem, proč vyrábět elektrickou energii pomocí tak nákladné technologie, je snaha o zvyšování podílu obnovitelných zdrojů energie na celkové energetické bilanci ČR, respektive EU (závazky z Kjótského protokolu a dalších smluv, tj. snižování emisí skleníkových plynů). [3]
5.6 Recyklace fotovoltaických panelů Je těžké si představit, že elegantní, moderní technologie fotovoltaických modulů s životností 25 let a více, bude někdy likvidována, ale existence prvních fotovoltaických 33
modulů se datuje už od počátku 90. let a s jejich užitnou hodnotou se počítá ještě nějakých 10 až 15 let. Otázka životního cyklu a konečná likvidace fotovoltaických modulů a materiálů je dlouho významným úkolem pro průmysl. V současné době se to týká cca 3 800 tun, celkové množství fotovoltaického odpadu v Evropě je stále relativně malé. Můžeme však počítat s tím, že toto číslo bude růst na dvojnásobek každé dva až čtyři roky, a předpokládá se, že v roce 2020 dosáhne 35 000 tun.
Většina výrobců fotovoltaických produktů v Evropě je v Německu, kde je také největší světový fotovoltaický trh. Není tedy divu, že Německo bude první zemí v Evropě, kde se velké objemy fotovoltaických modulů blíží ke konci svého života a jeho likvidace a odstranění se stává velkým problémem. V roce 2008 fotovoltaický odpad činil v zemi asi 80 % z veškeré výroby a v roce 2020 to bude pořád ještě více než polovina ze všech evropských odpadů. Logika naznačuje, že Německo bude jednou z prvních zemí, kde se bude rozvíjet specializované zařízení na zpracování druhotného odpadu z fotovoltaických modulů.
Fotovoltaické moduly obsahují některé vysoce hodnotné materiály, které mohou v mnoha případech být ekonomicky využity. Nedostatek materiálů může opravdu hrát významnou roli. Pozoruhodný příklad se týká např. křemíku – v důsledku omezení růstu jeho užití v tomto odvětví a zvýšení cen. Recyklace je tedy jedna z možností, jak je možno omezit dodávky potřebného materiálu. Výzkum v oblasti recyklací modulů byl zahájen na mezinárodní úrovni na počátku roku 1990, se společnostmi jako je AEG, Pilkington Solar International GmbH, BP Solar, Siemens Solar, Soltech, Solar Cells – předchůdce FirstSolar a ústavů jako Aist, Japonsko a BNL, USA.
Na fotovoltaickém trhu je dostatečně široká nabídka produktů, od nichž se vyžadují různé přístupy k recyklaci a k dalšímu využití. V současné době existují dvě hlavní skupiny, krystalický a tenkovrstvý film. Pro moduly z fotovoltaických článků využívající křemík, kovy a hlavně stříbro jsou zvláště důležité. Pro tenkovrstvé, tzv. filmové technologie s vysokou hodnotou jsou používané kovové materiály, především tellur a indium. Přestože mnoho společností zvažuje otázku dalších postupů, First Solar a Deutsche Solar AG, jejichž systémy obsahují krystalický křemík, jsou jedinými výrobci, kteří jsou schopni vyrábět recyklovatelné moduly. [22]
34
5.6.1 Zpracování fotovoltaického odpadu V minulosti se hlavní pozornost recyklace zaměřila na využívání kompletních buněk, které byly pomocí tepelného rozkladu plastového pouzdra odděleny z modulu. Navrácené díly byly potom přepracovány leptáním a byly znovu použity v novém modulu sestavy bez zjevné ztráty výkonu. Technika prokázala, že staré křemíkové desky udržují docela dobrou kvalitu zobrazení a dlouhodobé stability při výpočtu energetické bilance. Původní moduly vykazovaly energii EPBT sedm let, což je doba, která je nižší o dva roky u modulů využívající recyklované buňky (metoda EPBT „Energy pay-back time“ definuje čas návratnosti energie nutné k výrobě fotovoltaického panelu, který potom sám elektrickou energii vyrábí). Nicméně, jak se snižuje tloušťka desek článků, očekává se, že bude stále těžší získat zpět neporušené buňky. Dnes se klade hlavně důraz na obnovu křemíku jako suroviny, na obnovení samostatné čisté frakce různých kovů a skla. Hlavním požadavkem této strategie je, že všechen obnovený křemík musí být dostatečně čistý pro následné použití při výrobě destiček s nízkými náklady.
V současném procesu recyklace se všechny moduly – kompletní nebo drcené – zpracovávají tepelně. Další materiály jsou od sebe odděleny, například podle hustoty a proséváním. Křemíkové buňkové materiály jsou potom leptáním a sérií podobných procesů zpracovány tak, aby se odstranily vrstvy metalizace, antireflexní vrstvy a tak dále. Při odstraňování vrstvy metalizace se stříbro, obvykle se nacházející ve starších modulech, rozpustí v kyselinách a pak se sráží až je konečně separováno elektrolýzou. Modernější metalizace hliníkem má nižší obsah stříbra, ale výzkum naznačuje, že stříbro může být i tady ještě znovu ekonomicky využito. Po rozdrcení a leptání se silikonový materiál taví, čímž se zpevní. Také vrcholy, hrany a dna ingotů se odříznou a recyklují se stejně.
Se zahájením pilotního recyklačního provozu v roce 2003 má nyní společnost Deutsche Solar AG vyvinutou vlastní techniku recyklace fotovoltaických materiálů se zvláštním zaměřením na technologie, které souvisejí s rozbitím buňky. Solární silikonové produkty jsou řezané z krystalů, ingotů nebo cihel. Využity jsou i poškozené díly, protože jsou stále důležitým zdrojem surovin. [22]
35
6 FOTOVOLTAIKA V ČR 6.1 Legislativa K rozvoji instalací fotovoltaických elektráren v ČR přispěl Zákon č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů, dále jen OZE. Mezi další právní normy můžeme pak zařadit tyto dokumenty: •
Směrnice 2001/77/EC Evropského parlamentu a Rady EU ze dne 27.9.2001 o podpoře výroby energie z OZE.
•
Vyhláška č. 475/2005 a její novelizace Vyhláška č. 364/2007 Sb., kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře využívání OZE. Přináší změnu indikativních hodnot technických a ekonomických parametrů, především ve smyslu předpokládané životnosti fotovoltaické elektrárny, která se z původních 15 let zvyšuje na 20 let.
•
Vyhláška 150/2007 Sb. resp. její novela Vyhláška č. 140/2009 Sb. o způsobu regulace cen v energetických odvětvích. Z hlediska fotovoltaiky obsahuje vyhláška zásadní ustanovení: § 2 odst. (9) : „Úřad stanovuje výkupní ceny a zelené bonusy elektřiny z obnovitelných energetických zdrojů podle zvláštních právních předpisů. Výkupní ceny a zelené bonusy jsou uplatňovány po dobu životnosti výroben elektřiny“. Po dobu životnosti výrobny elektřiny, zařazené do příslušné kategorie podle druhu využívaného obnovitelného zdroje a data uvedení do provozu, se výkupní ceny meziročně zvyšují s ohledem na index cen průmyslových výrobců minimálně o 2 % a maximálně o 4 %, s výjimkou výroben spalujících biomasu a bioplyn.
•
Cenová rozhodnutí ERÚ (Energetický regulační úřad), kterým se stanovuje podpora pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Aktuálně pro rok 2011 je to rozhodnutí č. 6/2009. [23]
36
6.2 Dotace, výkupní ceny a zelené bonusy Aby vůbec někdo investoval své peníze a instaloval fotovoltaický systém, je třeba nějakým způsobem kompenzovat podstatně vyšší cenu takto vyprodukované elektřiny (oproti normálním výkupním cenám). Používají se zpravidla dva způsoby (mohou působit i současně): •
dotace na pořízení
•
výkupní cena nebo zelený bonus
Dotace na pořízení:
V našich podmínkách bylo možné získat dotaci od Státního fondu životního prostředí České republiky – program 9.A. Investiční podpora environmentálně šetrné výroby elektrické energie ze sluneční energie. Dotace na pořízení fotovoltaického systému pro soukromé právnické a fyzické osoby bohužel v této chvíli získat z žádného dotačního programu nelze. Dotaci mohou získat pouze veřejnoprávní subjekty, jako jsou obce, města, sdružení obcí, nadace, kraje, příspěvkové organizace atd.
Princip výkupních cen:
Ze zákona č. 180/05 Sb. vyplývá povinnost pro provozovatele přenosové soustavy nebo distribuční soustavy připojit fotovoltaický systém do přenosové soustavy a všechnu vyrobenou elektřinu (na kterou se vztahuje podpora) vykoupit. Výkup probíhá za cenu určenou pro daný rok Energetickým regulačním úřadem a tato cena bude vyplácena jako minimální (navyšuje se o index PPI - cenový index průmyslové výroby = „průmyslová inflace“) po dobu následujících dvaceti let (investor je povinen podávat hlášení o naměřené výrobě v půlročních intervalech).
Princip zelených bonusů:
Investor si může vybrat i jiné schéma podpory - tzv. zelený bonus. Zjednodušeně se dá princip popsat tak, že většinu vyrobené elektrické energie spotřebováváte sami, 37
přebytek vyrobené elektřiny je prodáván distributorovi. Výkupní cena vyrobené kilowat hodiny je sice nižší, ale vy navíc ušetříte na vlastní spotřebě, kterou si dokážete sami pokrýt elektřinou z fotovoltaiky. „Zeleným bonusem (§2, odst.2d) se rozumí finanční částka navyšující tržní cenu elektřiny a hrazená provozovatelem regionální distribuční soustavy nebo přenosové soustavy výrobci elektřiny z obnovitelných zdrojů, zohledňující snížené poškozování životního prostředí využitím obnovitelného zdroje oproti spalování fosilních paliv, druh a velikost výrobního zařízení, kvalitu dodávané elektřiny.“. [24] Výrobce si na trhu musí najít obchodníka, kterému elektřinu prodá za tržní cenu. Cena je nižší než u konvenční elektřiny, protože v sobě obsahuje nestabilitu výroby, a je různá pro různé typy obnovitelných zdrojů energie. 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 než v systému pevných výkupních cen. Tento systém je povinný pro investory, kteří budou vyrobenou elektřinu využívat pro vlastní spotřebu.
Který princip je výhodnější nelze jednoznačně určit – záleží na místě instalace. Pokud je instalace na objektu (rodinný dům), ve kterém se celoročně elektrická energie spotřebovává je výhodnější systém zelených bonusů. V tomto případě odpadá i zřizování odběrného místa. Pokud ovšem bude instalace např. na osamocené hospodářeské budově, nebo vetší fotovoltaické elektrárně instalované na zemi, bude výhodnější systém výkupních cen.
Daňová úleva:
Z hlediska investice do fotovoltaiky je důležitý také zákon č. 586/1992 Sb., o daních z příjmů, který říká, že příjmy z provozu obnovitelných zdrojů energie jsou osvobozeny od daně ze zisku, a to v roce uvedení do provozu a následujících 5 let (od roku 2011 neplatí, viz kapitola 6.3). [23]
6.3 Ceny elektřiny 2011 Solární elektrárny jsou dnes označovány za hlavního viníka zdražení elektřiny. O kolik proud naroste, úzce souvisí i s výší výkupních cen elektřiny v roce 2011 a
38
následujících letech. Velké fotovoltaické elektrárny na polích by v roce 2011 měly o dotace přijít, zatímco malé solární instalace budou podpořeny. Cena elektřiny poroste, poslední čísla a sliby vlády hovoří o zdražení elektřiny o 5,5 %. To je podstatně méně, než se čekalo (odhady ČEZ hovořily o 18% zdražení, ERÚ předpokládal zdražení proudu o 12,7 %).
Česká republika se v oblasti výroby elektřiny z čistých zdrojů řídí směrnicemi Evropské Unie (aktuálním cílem EU je vyrábět v roce 2020 20 % elektřiny z alternativních zdrojů) a výkupní ceny jsou jedním z nástrojů, jak zvýšit výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. Stát je povinen zelenou elektřinu přednostně vykupovat a výši výkupních cen stanovuje každoročně Energetický regulační úřad (ERÚ), ERÚ při tom vychází ze zákona č. 180/2005 Sb., který byl popsán výše. Tento zákon původně říkal, že výkupní ceny elektřiny nesmí meziročně klesnout o více než 5 %, proto nebylo možné včas zareagovat na pokles cen solárních panelů a pružně reagovat na vývoj na fotovoltaickém trhu. Když solární technologie zlevnily (až o 40 %) a investice do slunečních elektráren se stala velmi výhodnou – doba návratnosti se výrazně zkrátila a fotovoltaické elektrárny zažily v ČR opravdový boom – koncem února 2011 jich ERÚ evidoval na 12 898 (viz obr. 14).
Obr. 14 Celkový počet licencovaných provozoven a jejich celkový instalovaný výkon Zdroj: [25]
39
Zákon o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů byl proto novelizován (na jaře roku 2010). Novelu zákona uvítali odborníci, fotovoltaické firmy i ekologové, umožní Energetickému regulačnímu úřadu snížit výkupní ceny elektřiny o více než 5 % za předpokladu, že návratnost investice bude kratší než 11 let. Návratnost investice do fotovoltaiky ovlivňuje nejen použitá technologie (levné panely proti kvalitnějším a dražším panelům) ale také způsob financování. Je-li výstavba elektrárny financována z vlastních zdrojů, pohybuje se návratnost investice kolem 5-7 let, zatímco u zdrojů financovaných prostřednictvím úvěru se doba prodlouží na 8-9 let (u malých domácích elektráren až na 11 let). Dobu návratnosti investice do fotovoltaikého systému může ovlivnit i připravovaná srážková daň, která ji ze současných 11 let může prodloužit až na cca 15 let. [26]
Fotovoltaiku čeká v roce 2011 několik zásadních změn: 1. Snížení výkupních cen elektřiny z fotovoltaiky cca o polovinu. Novinkou je také to, že výše výkupních cen bude výrazněji rozlišována podle velikosti solární elektrárny. Výkupní ceny elektřiny z fotovoltaických elektráren 2011: •
U solárních elektráren s instalovaným výkonem nad 100 kWp, které budou připojeny v roce 2011, klesne výkupní cena elektřiny z 12,15 Kč za kWh na 5,5 Kč za kWh.
•
U solárních elektráren s instalovaným výkonem od 30 do 100 kWp se sníží výkupní cena elektřiny z 12,15 za kWh na 5,9 Kč za kWh.
•
U fotovoltaických zdrojů s instalovaným výkonem do 30 kWp bude výkupní cena nejvyšší, a to 7,5 Kč za kWh. Letos byla kilowatthodina vyrobená v elektrárnách o tomto instalovaném výkonu vykupována za 12,50 Kč.
kWp je jednotka špičkového výkonu fotovoltaické elektrárny (p = peak). Jedná se o výkon fotovoltaické elektrárny při standardních testovacích podmínkách (STC = Standard Test Conditions), které jsou: -
energie dopadá na fotovoltaický panel kolmo a má hodnotu E = 1 kW*m-2
-
průzračnost atmosféry Am = 1,5
-
teplota článků T = 25 °C
40
2. Vyšší podpora pro malé solární instalace (výraznější rozlišování podpory podle velikosti elektrárny). Zvýhodnění slunečních elektráren na střechách nebo na obvodových zdech budov odpovídá dlouhodobé státní strategii, která chce zastavit velké instalace na zemědělské půdě. 3. Konec dotací pro instalace na polích a loukách. V současné době je již připravena novela zákona o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů, která přestane podporovat velké fotovoltaické instalace na polích a loukách. Ta by měla začít platit na jaře roku 2011, plánuje se úplné zastavení dotací pro solární instalace na polích. 4. Zdanění fotovoltaiky 26 % srážkovou daní a konec daňových prázdnin. Srážková daň na fotovoltaické elektrárny ve výši 26 % má být dalším krokem, který zamezí skokovému zdražení elektřiny. Zdaněn by měl být zisk fotovoltaických elektráren o výkonu nad 30 kW uvedených do provozu v roce 2009 a 2010. Daň by měli vybírat distributoři, kteří by peníze odváděli do státního rozpočtu a svým zákazníkům by za elektřinu účtovali méně. Stát by jim pak vybrané peníze posílal zpět jako kompenzaci. Vláda plánuje fotovoltaické elektrárny zdanit mezi léty 2011 – 2013. Kromě samotné srážkové daně, budou ukončeny i šestileté daňové prázdniny, které se dosud na fotovoltaické elektrárny vztahovaly. 5. Zvýšení poplatku za vynětí půdy, na níž budou stát fotovoltaické elektrárny, z půdního fondu. Další krok, který má přispět k omezení výstavby solárních elektráren na zemědělské půdě. [27]
41
7 ZÁVĚR Obnovitelné zdroje energie mají větší potenciál pro budoucnost, ale momentálně mají omezené možnosti, protože energie z nich pocházející je dražší. Kvůli tomu bude muset uplynout ještě nějaký ten čas, dokud nezačne významnější spotřeba a tím i snížení pořizovacích cen těchto zdrojů energie. Do té doby musíme používat ve velké míře neobnovitelné zdroje energie.
Z obnovitelných zdrojů energie má právě přímá přeměna slunečního záření pomocí fotovoltaických článků největší potenciál. V České republice nejsou zdaleka tak vhodné klimatické podmínky jako v zemích blíže k rovníku, ale i přesto má fotovoltaika v České republice své místo. Příkladem by nám mohlo být Německo, kde se nachází celosvětově
největší
trh
s fotovoltaikou,
přestože
jsou
podmínky
z hlediska
dopadajícího slunečního záření srovnatelné jako u nás. Způsob přeměny energie pomocí fotovoltaických článků je ovšem také jeden z nejdražších. Je to hlavně kvůli vysoké ceně fotovoltaických panelů a ostatního potřebného zařízení, kterou se stát snaží kompenzovat vysokými výkupními cenami vyrobené elektrické energie. Vysoké výkupní ceny a postupné zvyšování účinnosti při stále se snižující ceně fotovoltaických článků zapříčinilo obrovský „boom“ investic do fotovoltaických elektráren, jak jsem uváděl výše. Toto mohutné rozšíření fotovoltaických instalací však kromě zvyšování podílu výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů má i své nevýhody. Je to zejména vysoký růst cen energie, kterou pochopitelně musí zaplatit odběratelé, ale také zabírání zemědělské půdy velkými instalacemi. Tato půda bývá často velmi hodnotná a dá se využít podstatně lepším způsobem. Proto musel zákon o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů přijmout novelu, kterou jsem popsal v kapitole 6.3. Dalším problémem je nestabilita distribuční soustavy způsobená nerovnoměrnými dodávkami elektrické energie do sítě. Stabilitu soustavy nejvíce ohrožují právě velké fotovoltaické instalace, a to vedlo později k zmrazení povolování žádostí pro připojení k distribuční síti. Důvodem pořízení velkých fotovoltaických instalací jsou samozřejmě vysoké výnosy, čímž utrpěly zvláště malé střešní instalace, u kterých nešlo především jen o velké zisky, ale také o ekologické bydlení spojené s úsporami energie např. v pasivních či nízkoenergetických domech. Problém nestability distribuční soustavy by vyřešila akumulace velkého množství energie, a poté by mohlo dojít k dalšímu velkému rozvoji. 42
Výroba energie pomocí fotovoltaických článků je sice nejmladší způsob, ale stal se nejrychleji rozvíjejícím se z technologií pro výrobu elektrické energie. Díky rychlému vývoji nových technologií se dle mého názoru budou ceny fotovoltaických panelů a zařízení ještě po dlouhou dobu snižovat a účinnost těchto systémů naopak zvyšovat, čímž bude tato technologie stále více perspektivnější.
43
PŘEHLED POUŽITÉ LITERATURY Tištěné zdroje: [1] CENEK, Miroslav, et al. Obnovitelné zdroje energie. Praha : FCC PUBLIC, 1994. 176 s. [2] ECKERTOVÁ, RNDr. L. Sluneční energie : Východisko z ekologicko-energetické krize. Praha : MAC, s.r.o, 1996. 238 s. ISBN 80-86015-02-5. [3] MURTINGER, Karel; TRUXA, Jan. Solární energie pro váš dům. 1. vydání. Brno : ERA, 2005. 96 s. ISBN 80-7366-029-6. [4] THEMESSL, Armin; WEISS, Werner. Solární systémy : Návrhy a stavba svépomocí. 1. vydání. Praha : Grada Publishing, a.s., 2005. 120 s. ISBN 80-247-0589-3. [5] TOŽIČKA, Tomáš. Udržitelné technologie pro rozvoj : Příručka pro implementaci udržitelných technologií v rozvojové spolupráci. Praha : ADRA, 2009. 124 s. ISBN 978-80-254-6105-1.
Internetové zdroje: [6] Neobnoviteln%C3%BD zdroj energie. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 28. 11. 2004, last modified on 19. 1. 2011 [cit. 2011-04-05]. Dostupné z WWW:
. [7] Obnoviteln%C3%BD zdroj energie. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 5. 10. 2004, last modified on 23. 3. 2011 [cit. 2011-04-05]. Dostupné z WWW: . [8] MURTINGER, Karel. Nalezeno.cz [online]. 12. 11. 2008 [cit. 2011-04-05]. Kdy mají obnovitelné zdroje smysl?. Dostupné z WWW: . [9] Slunce. In Wikipedia : the free encyclopedia [online]. St. Petersburg (Florida) : Wikipedia Foundation, 22. 7. 2003, last modified on 2. 4. 2011 [cit. 2011-04-05]. Dostupné z WWW: . [10] Školská fyzika [online]. 2002 [cit. 2011-04-05]. Obnovitelné a netradiční zdroje energie. Dostupné z WWW: . [11] JELÍNEK, Jan. NAUKA O ZEMI pro technické obory [online]. 2010 [cit. 2011-0405]. Atmosféra. Dostupné z WWW: . [12] PVGIS [online]. 2008 [cit. 2011-04-05]. Photovoltaic Geographical Information System - Interactive Maps. Dostupné z WWW: . [13] JAKOUBI.cz [online]. 2007 [cit. 2011-04-05]. Obnovitelné zdroje energie. Dostupné z WWW: .
44
[14] EnerTec Solutions, s.r.o. [online]. 2008 [cit. 2011-04-05]. Úvod do problematiky. Dostupné z WWW: . [15] Solar-energie [online]. 2010 [cit. 2011-04-05]. Nejčastější dotazy. Dostupné z WWW: . [16] KOSMÁK, František. Elektrika.cz [online]. 29.07. 2009 [cit. 2011-04-05]. Historie fotovoltaiky. Dostupné z WWW: . [17] Czech RE Agency [online]. 2003 [cit. 2011-04-05]. Fotovoltaika pro každého. Dostupné z WWW: . [18] IT serve [online]. 2005 [cit. 2011-04-05]. Základy fotovoltaiky . Dostupné z WWW: . [19] BAŘINKA, Radim; PORUBA, Aleš. Tzbinfo [online]. 4.4. 2011 [cit. 2011-04-05]. Fotovoltaika: barevné články s vysokou účinností pro architektonické aplikace. Dostupné z WWW: . [20] Solární Projekty [online]. 2011 [cit. 2011-04-05]. Technologie. Dostupné z WWW: . [21] CZECH SOLAR [online]. 2009 [cit. 2011-04-05]. Technologie a vývoj PV modulů. Dostupné z WWW: . [22] Nalezeno.cz [online]. 03. 02. 2010 [cit. 2011-04-05]. Fotovoltaické panely: Jsou skutečně ekologické?. Dostupné z WWW: . [23] ENERGOTherm [online]. 2010 [cit. 2011-04-05]. Fotovoltaika v ČR . Dostupné z WWW: . [24] Svaz podnikatelů pro využití energetických zdrojů [online]. 2005 [cit. 2011-04-05]. Zákon č. 180/2005 Sb. Dostupné z WWW: . [25] Energetický regulační úřad [online]. 18. 3. 2011 [cit. 2011-04-05]. Aktuality. Dostupné z WWW: . [26] PONCAROVÁ, Jana. Nalezeno.cz [online]. 03. 11. 2010 [cit. 2011-04-05]. Výkupní ceny elektřiny 2011 klesnou na 6 Kč za kWh!. Dostupné z WWW: . [27] SunPi [online]. 22.12.2010 [cit. 2011-04-05]. ZMĚNY VE FOTOVOLTAICE ROK 2011. Dostupné z WWW: . [28] FRISH, Petr. Věda, politika a energie [online]. 19.6.2007 [cit. 2011-03-01]. Britské listy. Dostupné z WWW: .
45
[29] MATUŠKA, Tomáš. Solární kolektory [online]. 12.10.2009 [cit. 2011-04-05]. Tzbinfo. Dostupné z WWW: . [30] HORČÍK, Jan. Nanotechnologie otevírají cestu k solárním článkům s 65% účinností [online]. 23.7. 2010 [cit. 2011-04-05]. Ekologické bydlení. Dostupné z WWW: . [31] Vývoj účinnosti fotovoltaických panelů [online]. 12.7. 2010 [cit. 2011-04-04]. FYZMATIK.píše. Dostupné z WWW: . [32] LAL, Niraj. Catching Energy From the Sun [online]. 25th Feb 11 [cit. 2011-0405]. Science Articles. Dostupné z WWW: . [33] NUNO, Fernando. Concentrated Solar Power and energy storage [online]. 200802-29 [cit. 2011-04-05]. Leonardo ENERGY. Dostupné z WWW: . [34] POULEK, Vladislav; LIBRA, Martin. Vysoce účinné fotovoltaické systémy s trackery a koncentrátory záření [online]. 21.9.2006 [cit. 2011-04-05]. Tzbinfo. Dostupné z WWW: . [35] Ostrovní solární systémy [online]. 2009 [cit. 2011-04-05]. RDSOLAR. Dostupné z WWW: . [36] EXNEROVÁ, Vlaďka. Solární panely - čistá energie pro váš domov [online]. 04. 01. 2011 [cit. 2011-04-05]. Brána-bydlení.cz. Dostupné z WWW: . [37] ČT24. Kanada spustila největší solární elektrárnu světa [online]. 4. 10. 2010 [cit. 2011-04-11]. ČT24. Dostupné z WWW: . [38] Foto a videogalerie [online]. 2010 [cit. 2011-04-11]. Phono Solar. Dostupné z WWW: . [39] KOVÁŘ , Jan. Sunnysoft uvádí solární nabíječky Powertraveller [online]. 28.05.2009 [cit. 2011-04-11]. HD WORLD. Dostupné z WWW: . [40] BANNERT, Petr. Spojování fotovoltaických článků [online]. 2008 [cit. 2011-0420]. Dostupné z WWW: .
46
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Sluneční záření v České republice a Evropě ....................................................... 12 Obr. 2 Schéma znázorňující prostup slunečního záření atmosférou v poměru k vyzářenému záření ze zemského povrchu..................................................................... 13 Obr. 3 Porovnání výsledků solárního záření na sklon panelů v jednotlivých měsících.. 15 Obr. 4 Střední hodnoty ročních úhrnů globálního záření v ČR ([kWh*m-2], [MJ*m-2]) 15 Obr. 5 Délka trvání slunečního svitu v ČR ..................................................................... 16 Obr. 6 Závislost energie slunečního záření na vlnové délce........................................... 17 Obr. 7 Schéma solárního článku..................................................................................... 20 Obr. 8 Vzorky různě barevných solárních článků pro architektonické aplikace ........... 24 Obr. 9 Solární výrobní řetěz ........................................................................................... 25 Obr. 10 Solární panely s monokrystalického a polykrystalického křemíku .................... 28 Obr. 11 Schéma autonomního systému ........................................................................... 30 Obr. 12 Schéma hybridního systému............................................................................... 30 Obr. 13 Schéma systému přímo napojeného na síť......................................................... 30 Obr. 14 Celkový počet licencovaných provozoven a jejich celkový instalovaný výkon.. 39
47
PŘÍLOHY
48
SEZNAM PŘÍLOH Příloha 1 Sluneční záření, které dopadá na naši planetu (horní mapa je pro průměrný leden a dolní pro duben), barva zde reprezentuje intenzitu záření ................................ 50 Příloha 2 Lineární Fresnelovy (ploché) čočky přizpůsobené šikmému nebo svislému umístění........................................................................................................................... 51 Příloha 3 Sledovač Slunce typ TRAXLETM ...................................................................... 51 Příloha 4 Tenkovrstvý panel druhé generace s technologií Thin-film CIGS .................. 52 Příloha 5 Vývoj účinností fotovoltaických panelů........................................................... 52 Příloha 6 Charakteristiky dvou sériově a paralelně zapojených FV článků................... 53 Příloha 7 Solární záření různých vlnových délek dopadající na třívrstvý fotovoltaický článek .............................................................................................................................. 54 Příloha 8 Zrcadlové koncentrátory: centrálně umístěný absorbér, parabolické žlaby, parabolické disky a hřebenový koncentrátor.................................................................. 54 Příloha 9 Ostrovní systém s akumulací elektrické energie 12 V i 230 V 54 ................... 55 Příloha 10 Hybridní systém s akumulací elektrické energie 12 V i 230 V ..................... 55 Příloha 11 Síťový systém připojený na rozvodnou síť..................................................... 56 Příloha 12 Největší solární elektrárna světa Sarnia v kanadské provincii Ontario (97 MWp) .............................................................................................................................. 56 Příloha 13 Největší fotovoltaická elektrárna v České republice u obce Vepřek na Mělnicku (35 MWp) ........................................................................................................ 57 Příloha 14 Přenosná záložní nabíječka PowerGorilla na cesty pro notebooky a další mobilní zařízení............................................................................................................... 57
49
Příloha 1
Sluneční záření, které dopadá na naši planetu (horní mapa je pro průměrný leden a dolní pro duben), barva zde reprezentuje intenzitu záření Zdroj: [28]
50
Příloha 2
Lineární Fresnelovy (ploché) čočky přizpůsobené šikmému nebo svislému umístění Zdroj: [29]
Příloha 3
Sledovač Slunce typ TRAXLETM Zdroj: [34]
51
Příloha 4
Tenkovrstvý panel druhé generace s technologií Thin-film CIGS Zdroj: [30]
Příloha 5
Vývoj účinností fotovoltaických panelů Zdroj: [31]
52
Příloha 6
VA charakteristiky dvou sériově a paralelně zapojených FV článků Zdroj: [40]
Výkonové charakteristiky dvou sériově a paralelně zapojených FV článků Zdroj: [40]
53
Příloha 7
Solární záření různých vlnových délek dopadající na třívrstvý fotovoltaický článek Zdroj: [32]
Příloha 8
Zrcadlové koncentrátory: centrálně umístěný absorbér, parabolické žlaby, parabolické disky a hřebenový koncentrátor Zdroj: [33], [34]
54
Příloha 9
Ostrovní systém s akumulací elektrické energie 12 V i 230 V Zdroj: [35]
Příloha 10
Hybridní systém s akumulací elektrické energie 12 V i 230 V Zdroj: [35]
55
Příloha 11
Síťový systém připojený na rozvodnou síť Zdroj: [36]
Příloha 12
Největší solární elektrárna světa Sarnia v kanadské provincii Ontario (97MWp) Zdroj: [37]
56
Příloha 13
Největší fotovoltaická elektrárna v České republice u obce Vepřek na Mělnicku (35 MWp) Zdroj: [38]
Příloha 14
Přenosná záložní nabíječka PowerGorilla na cesty pro notebooky a další mobilní zařízení Zdroj: [39]
57
