ČVUT v Praze Fakulta stavební Thákurova 7, 166 29 Praha 6 email:
[email protected] http://fotovoltaika.fsv.cvut.cz
FOTOVOLTAIKA PRO FOTOVOLTAIKA PRO BUDOVY PŘEHLED TECHNOLOGIE
Palivo: Sluneční záření 150 miliónů kilometrů vzdálené Slunce je naše nejbližší hvězda. Je to koule žhavých plynů o hmotnosti 1,989 × 1030 kg s výkonem 3,845 × 1026 W. Teplota na povrchu Slunce je 5777 K, čemuž odpovídá i spektrum slunečního záření. Na zemskou atmosféru dopadá jen asi 45 miliardtin slunečního výkonu. Tato malá část přepočtena na plochu 1 m2 se nazývá solární konstanta a má velikost 1367 W/m2.
spektrální intenzita vyzzařování (W/m 2.μm)
2500
2000
1500
1000
nad zemskou atmosférou, AM 0 na zemském povrchu, AM 1.5 500
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
vlnová délka (nm)
‐ spektrum slunečního záření před (černá linka) a po (modrá linka) průchodu zemskou atmosférou ‐
Část záření je pohlcena při průchodu zemskou , p , atmosférou ozónem, vodní parou, částicemi CO2, aerosoly a dalšími prvky. Zbývající část záření dopadající na zemský povrch je využitelná, např. fotovoltaickými technologiemi.
Sluneční záření v ČR Množství dostupného slunečního záření je nejdůležitějším p j j j vstupním parametrem pro výpočet produkce elektrické energie.
‐ množství slunečního záření dopadajícího na vodorovnou plochu v kWh/m2 za rok (ČR) ‐
‐ množství slunečního záření dopadajícího na povrchy různých sklonů a orientací v kWh/m2 za rok (pro ČR) ‐
Co je to fotovoltaika? j Fotovoltaika (zkráceně FV) je souhrnné označení pro Fotovoltaika (zkráceně FV) je souhrnné označení pro technologii, která umožňuje přímou přeměnu slunečního záření na elektrickou energii. Jedná se o obnovitelný zdroj elektrické energie s bezhlučným ý j g ý provozem a nulovou produkcí škodlivin. Již sám název, který je složeninou slov „foto“ a „volt“ odkazuje na vazbu mezi světlem a elektřinou. Fotovoltaická zařízení dnes nacházejí uplatnění v řadě odvětví lidské činnosti – od napájení orbitálních družic po napájení parkovacích automatů.
Jak funguje fotovoltaika? g j Více než 90 % fotovoltaických systémů je dnes založeno na ý y j krystalickém křemíku, ze kterého je vytvořen základní skladebný prvek – fotovoltaický článek.
struktura FV článku s PN přechodem detailní schéma PN přechodu
Fotovoltaické články využívají k produkci Fotovoltaické články využívají k produkci elektrické energie tzv. fotovoltaického jevu. Speciální struktura článku s PN přechodem umožňuje vstupujícím fotonům v jeho atomové mřížce generovat páry elektron‐díra, mřížce generovat páry elektron díra, které jsou které jsou díky zabudovanému elektrickému poli mezi P a N vrstvou rozděleny a usměrněny. Tím jsou k dispozici volné nosiče náboje a po zapojení článku do elektrického obvodu jím protéká elektrický proud přímo úměrný intenzitě dopadajícího záření (tedy počtu absorbovaných fotonů). Velikost napětí odpovídá napětí zabudovaného elektrického pole.
Fotovoltaický článek ý Běžná velikost fotovoltaických článků na bázi krystalického ý y křemíku je 10 x 10 cm (4”) až 15 x 15 cm (6”). Obvyklá tloušťka nepřesahuje 0,3 mm. Základní destička s PN přechodem je opatřena Základní destička s PN přechodem je opatřena antireflexní vrstvou pro snížení optických ztrát.
Přední a zadní strana článku je j opatřena kontakty.
FV články na bázi krystalického křemíku pracují s účinností 14 až 16 %. Výstupní napětí článku je obvykle 0,6 V a generovaný stejnosměrný proud je úměrný intenzitě dopadajícího slunečního záření (cca 3 A pro 4” článek při intenzitě 1000 W/m2). Typickou vlastností křemíkových solárních článků je teplotní závislost výkonu, který klesá o 0,5 % při nárůstu provozní teploty o 1 °C.
Výroba FV článků ý Základní surovinou pro výrobu fotovoltaických článků je křemík, p ý ý j , druhý nejrozšířenější prvek na Zemi. těžba odlučování Si chemické a tepelné čištění tepelné čištění mletí na prášek tavení výroba ingotů ‐ surový křemík (SiO surový křemík (SiO2) ‐ )
‐ válcový ingot ‐ válcový ingot dotování příměsemi (vytvoření PN přechodu)
přesné řezání leštění povrchu
tištění kontaktů nanášení ochranné a antireflexní vrstvy ‐ kruhové destičky ‐
‐ solární článek ‐
Výroba FV článků je energeticky náročná a velká pozornost je dnes věnována cestám vedoucím k jejímu zjednodušení. Výsledek výrobního procesu – monokrystalický, resp. polykrystalický fotovoltaický článek.
Možnosti FV článků Současné výrobní technologie ý g umožňují zajímavá tvarová a barevná řešení FV článků.
tvarová řešení monokrystalických článků y ý barevná řešení polykrystalických článků kontaktové vzory na polykrystalických článcích
Fotovoltaické panely p y FV články z krystalického křemíku jsou velmi křehké. Jejich y y j j mechanická stabilita, elektrická izolace a odolnost proti klimatickým vlivům je zajištěna zapouzdřením do ochranných vrstev. Výsledkem je FV panel typicky obsahující 36 až 96 článků.
‐ skladba běžného FV panelu ‐
Jádro panelu je vytvořeno vakuovou laminací, kdy jsou sérioparalelně pospojované články zapouzdřeny do EVA fólie. Tento laminát je poté ze zadní strany opatřen kompozitní Tedlarovou fólií a z přední strany vysoce transparentním sklem. Pro zvýšení tuhosti je nakonec laminát zasazen do hliníkového rámu. Kontakty jsou vyvedeny ve svorkovnici na zadní straně panelu. Životnost FV panelů na bázi krystalického křemíku je minimálně 25 let (garance výrobců). Panely pracují s účinností 12 až 18 % a jmenovitý výkon se pohybuje dle typu mezi 100 až 300 i více Wp.
‐ kompletní FV panel ‐
Fotovoltaická pole p FV panely jsou sériově pospojovány do větví, které jsou spojeny p yj p p j y , j p j y paralelně. Tímto sérioparalelním zapojením je vytvořeno FV pole, také nazývané FV generátor, tvořící základ FV systémů. Samotný charakter sérioparalelního zapojení je dán požadavkem na velikost výstupního napětí a proudu Pospojováním panelů do série roste napětí výstupního napětí a proudu. Pospojováním panelů do série roste napětí, zatímco paralelním pospojováním je navyšován proud.
Fotovoltaické systémy y y FV systém se skládá z řady vzájemně propojených komponent y y j p p j ý p nezbytných pro zajištění stabilní a bezpečné dodávky produkované elektrické energie. FV pole
nafázování do sítě budovy
DC / AC střídač DC
AC
veřejná el. síť
rozvaděč
spotřeba vyráběné energie v budově + přebytky do veřejné sítě x odběr z veřejné sítě při nedostatečném výkonu FV generátoru
ON‐GRID SYSTÉM ‐ DC/AC střídač ‐
‐ FV pole ‐
zabírají minimum prostoru ‐ podpůrná konstrukce ‐ ‐ kabeláž, ochranné a elektroinstalační prvky ‐
Ostatní FV technologie g Kromě nejpoužívanějšího krystalického křemíku je možné k jp j y j fotovoltaické přeměně použít další materiály. Jsou jimi zejména amorfní křemík (a‐Si) a sloučeniny CdTe, CIS a další, které je možné souhrnně nazývat jako tenkovrstvá fotovoltaika (tloušťka aktivní vrstvy menší než 0,001 mm). Výhodou tenkovrstvé fotovoltaiky je větší variabilita ve výběru podkladních vrstev. Nanesením amorfního křemíku na sklo může být snadno docíleno čá t č é částečné propustnosti pro světlo. t ti ětl Tato tzv. semitransparentní fotovoltaika nachází využití jako náhrada tradičního zasklení ve výplních otvorů.
Tenké vrstvy nanesené na flexibilní podklad mohou sloužit jako podklad mohou sloužit jako střešní hydroizolační pásy produkující elektrickou energii. Účinnost tenkovrstvé fotovoltaiky se pohybuje od 6 do 12 %.
Fotovoltaika pro budovy p y Fotovoltaické aplikace pro budovy lze dle míry stavební provázanosti p p y y p rozdělit do tří hlavních skupin.
První skupinu tvoří instalace, kde jsou První skupinu tvoří instalace kde jsou FV panely v otevřené poloze a nestávají se přímou součástí obvodových konstrukcí budovy.
plná stavební integrace Pro druhou skupinu je typické těsné P d h k i j i ké ě é spojení FV panelů a obvodových konstrukcí, v krajním případě nahrazují FV panely tradiční střešní krytinu či fasádní obklad.
plná stavební g integrace Do třetí skupiny jsou zahrnuty instalace, kde FV panely tvoří rozhraní vnějšího a vnitřní prostředí.
FV pro budovy ‐ p y integrace g Plná integrace fotovoltaiky do budov se neodehrává jen na g y j stavební úrovni. Dobrý návrh vyžaduje systematický přístup a spolupráci architekta, stavebního inženýra a inženýra elektro. Pečlivý návrh by měl respektovat tři základní úrovně, na kterých se odehrává vztah fotovoltaika‐budova: stavební začlenění a architektonický soulad fotovoltaiky s budovou technologické začlenění do energetických soustav budovy energetická návaznost na křivku potřeby elektrické energie v budově
FV pro budovy ‐ p y návrh Při plánování FV systému pro budovu je nutné uvést do souladu p y p j zamýšlené řešení s místně specifickými podmínkami. Základními vstupními informacemi pro návrh FV systému jsou: znalost místních podmínek ‐ množství dostupného slunečního záření, odstupová vzdálenost a výška okolních budov a dalších potenciálních zdrojů stínění, síla větru a množství sněhových srážek pro dimenzování podpůrné konstrukce a kotevních prvků ž t í ěh ý h áž k di á í d ů ék t k k t í h ků
zamýšlená forma instalace FV panelů – velikost prakticky využitelné plochy, umístění na budově (sklon a orientace), geometrie instalace, volba podpůrné konstrukce a způsobu kotvení
charakteristiky jednotlivých prvků systému – h k i ik j d li ý h ků é počet a typ FV panelů, elektrické č lů l k i ké pospojování, nominální výkonové parametry FV panelů a střídačů, životnost způsob využití produkované energie – přímá spotřeba, skladování pomocí akumulátorů, prodej či kombinace těchto způsobů.
Realizace Koberovyy V obci Koberovyy nedaleko Českého ráje, kde probíhá výstavba j , p ý třinácti pasivní rodinných domů, byl na přelomu let 2006/2007 realizován FV systém o výkonu 8,45 kWp integrovaný do šikmé střechy.
Předpokládaná roční produkce elektrické energie systému je 7,85 MWh. Dimenzování systému vycházelo z požadavku na pokrytí ekvivalentního množství potřeby energie na vytápění, provoz domácích elektrospotřebičů a domovních technologií. Výsledkem je energeticky nulový dům v celoroční g ý j g y ý bilanci energetických vstupů a výstupů. Projekt byl realizován ve spolupráci firmy Atrea s.r.o. a Fakulty stavební ČVUT v Praze.
Realizace Koberovyy Konstrukční řešení FV instalace na šikmé střeše vycházelo z y požadavku na plné stavební a architektonické začlenění FV panelů, které nahrazují střešní krytinu v tříplášťové provětrávané střeše. Celkem bylo v ploše 62,9 m2 instalováno 65 ks FV panelů Kyocera KC130GTH panelů Kyocera KC130GTH‐2 2 s černými rámy. Jako s černými rámy Jako podpůrný systém byla použita konstrukce Schletter Plandach 05 s hliníkovými nosnými profily a systémem přítlačných tvarovek v černé barvě.
Realizace Koberovyy Při konstrukčním návrhu bylo důsledně řešeno odvětrávání y střešního pláště mezi FV panely a pojistnou hydroizolací a mezi pojistnou hydroizolací a tepelnou izolací. Motivací bylo jednak zajištění vysoké konverzní účinnosti FV panelů odvodem nadbytečného tepla z jejich zadní strany a jednak důraz na bezpečný odvod srážkové vlhkosti a vodních par ze střešního souvrství.
‐ odvětrání u hřebene ‐
‐ svislý a vodorovný řez střešním pláštěm ‐
Fotovoltaika na ČVUT Výzkum fotovoltaiky na ČVUT v Praze probíhá ve spolupráci ý y p p p Fakulty elektrotechnické a Fakulty stavební. Na Fakultě elektrotechnické je výzkum zaměřen na detailní analýzu chování prvků FV systémů a na elektrotechnologické souvislosti. Na Fakultě stavební je pozornost zaměřena na integraci FV systémů do budov aa na jejich chování v reálných provozních podmínkách. na jejich chování v reálných provozních podmínkách V roce 2006 byl na Fakultě stavební díky podpoře SFŽP uveden do provozu experimentální FV systém o výkonu 40,9 kWp.
Experimentální FV systém p y Experimentální FV systém na Fakultě stavební ČVUT v Praze se p y skládá ze dvou hlavních částí – instalace na ploché střeše a fasádní instalace. Pro celý systém byly jednotně použity FV panely Solartec SI 72‐110/24. Střešní část systému je rozdělena do čtyř nezávislých FV sestav různých sklonů Střešní část systému je rozdělena do čtyř nezávislých FV sestav různých sklonů a orientací o celkovém počtu 210 FV panelů.
Fasádní část systému je rozdělena do třech nezávislých FV sestav jihozápadní orientace s celkovým počtem 176 FV panelů. Každá FV sestava je samostatně napojena na DC/AC střídač Fronius IG60 (30).
Konstrukce FV fasádyy Fasádní FV instalace je provedena jako j p j dvouplášťová konstrukce s otevřenou vzduchovou dutinou mezi FV panely a obvodovou stěnou budovy. Při realizaci byly nejprve v tepelné izolaci obvodové y y jp p stěny vyřezány otvory pro ocelové kotvy nosné konstrukce. Po osazení kotev byla stěna dodatečně zaizolována kontaktní tepelnou izolací, na kterou byla nanesena tenkovrstvá omítka.
Na kotvy byly upevněny svislé a vodorovné profily nosné konstrukce a k nim pomocí přítlačných tvarovek uchyceny FV panely. í řítl č ý h t k h FV l
Měření Experimentální FV systém je vybaven rozsáhlým měřením p y j y ý klíčových fyzikálních veličin, které ovlivňují jeho provozní charakteristiky. Většina měření je soustředěna na FV fasádu.
‐ měření rychlosti proudění vzduchu ve větrané dutině za fasádními FV panely ‐
‐ měření teplot na obvodové stěně, na zadní straně FV panelů a ve větrané dutině ‐
‐ měření osvitu na fasádě a kabeláž od f fasádních čidel ‐
‐ měření intenzity globálního záření a teploty yg p y venkovního vzduchu ‐
‐ připojení čidel k měřící ústředně a řídící počítač pro zálohování dat se vzdáleným přístupem ‐
Vyhodnocování y Měřená data jsou počítačově j p vyhodnocována a výsledkem jsou detailní informace o chování systému v reálných provozních podmínkách.
Vzhledem k negativní teplotní závislosti výkonu FV panelů je jednou z klíčových informací jejich provozní teplota a nerovnoměrnosti v jejím rozložení. l ž í
‐ měřené teploty v systému větrané FV fasády (po interpolaci) ‐
Analýzy ýy Měřená data dále slouží jako vstupy do analýz, jejichž cílem je určit j py ý ,j j j a vyčíslit potenciální faktory negativně ovlivňující provoz FV systémů integrovaných do budov. 94
95
96
96
95
80
95 5
94
96
96
70
93
95 96 6
93
30 93 20
97
94 96
10 95
0 0-S
Roční relativní optická účinnost pro FV FV panely různých sklonů a l ů ý h kl ů orientací (pro ČR). Jsou započteny ztráty odrazem a pohlcením.
94 92 91
97 97 96
sklon (°)
97
95
40
97
97
97
94
50
2 93 9 91
60
94 9 4
90
45 5-S SV
94
95
96
90 - V 135 35 - JJV 180 80 - J 225 5 - JJZ 270 0-Z 3 315 5-S SZ 360 - S
azimut (°) 94 .5
94
95
95
94 .5
92 92 .5
.5 95
93 . 5 94
93.5
94
95
40
95
.5 94
sklon (°)
5 92 . 93
94 .5
50
92
94
60
93 .5
96
70
95 .5
80
93
90
30
.5 94
20 10 0 0-S
95
95
45 - SV
95
90 - V 135 - JV 180 - J 225 - JZ 270 - Z 315 - SZ 360 - S
azimut (°)
Roční relativní konverzní účinnost pro FV panely různých sklonů a orientací (pro ČR). Jsou započteny negativní vlivy teploty a nízkých negativní vlivy teploty a nízkých intenzit slunečního záření.
Zdroje informací j Souhrnné informace o fotovoltaice s řadou dalších odkazů http://www.pvresources.com Všeobecné informace o obnovitelných zdrojích energie, podporách a související legislativě http //www czrea org http://www.czrea.org Vyhodnocení potenciálu pro instalaci FV systému pro kteroukoli evropskou lokalitu (PVGIS) http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis
