Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky
Vyuţití solární energie v obytných budovách Bakalářská práce
Vedoucí práce: Dr. Ing. Radovan Kukla
Vypracovala: Stejskalová Michaela 2013
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Vyuţití solární energie v obytných budovách vypracovala samostatně a pouţila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
Brno, dne…………………………….. Podpis………………………………...
PODĚKOVÁNÍ Děkuji panu Dr. Ing. Radovanu Kuklovi za velmi cenné rady a odborné vedení, které mi během zpracování této bakalářské práce vţdy ochotně poskytnul.
ABSTRACT Bakalářská práce na téma Vyuţití solární energie v obytných budovách popisuje vznik slunečního záření, moţnosti jeho vyuţití k výrobě elektrické a tepelné energie a jaké komponenty jsou k tomu zapotřebí. Je zde popisována funkce fotovoltaického i fototermického systému. Dále jsou uvedeny legislativní podmínky týkající se fotovoltaiky. Praktická část je zaměřena na konkrétní rodinný dům s vlastní fotovoltaickou elektrárnou v místě mého bydliště v Syrovicích. Jsou zde popsány náklady na instalaci fotovoltaické elektrárny, kolik vyrobí elektrické energie a její zisk. Klíčová slova Fotovoltaický systém, fototermický systém, elektrická energie, sluneční energie
ABSTRACT Bachelor thesis "The use of solar energy in residential buildings" describes the formation of the solar radiation, the possibility of its use for the production of electrical and thermal energy, and which components are needed for this. There are also described the functions of the photovoltaic and phototermic systems. The legal conditions relating to photovoltaics follow. The practical part is focused on a specific family house with its own photovoltaic power plant in the place I live in Syrovice. There are also specified the costs of installing solar
power
plant,
including
how
much
electricity it
produces
Keywords Photovoltaic system, phototermic system, electrical energy, solar energy
and
profit.
OBSAH 1 ÚVOD ......................................................................................................................................... 8 2 CÍL .............................................................................................................................................. 9 3 SLUNEČNÍ ENERGIE .................................................................................................................. 10 3.1 Slunce a jeho parametry .................................................................................................... 10 3.2 Sluneční záření .................................................................................................................. 11 3.2.1 Spektrum slunečního záření ........................................................................................ 11 3.2.2 Sluneční záření v české republice ................................................................................ 12 4 HISTORIE FOTOVOLTAIKY ......................................................................................................... 14 5 FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY ......................................................................................................... 16 5.1 Princip polovodičového fotovoltaického článku ................................................................. 16 5.2 P-N přechod ...................................................................................................................... 16 5.3 Základní typy fotovoltaických článků ................................................................................. 18 5.3.1 Generace fotovoltaických článků ................................................................................ 18 5.3.2 Typy fotovoltaických článků ........................................................................................ 18 6 SYSTÉMY PRO VÝROBU ELEKTŘINY ........................................................................................... 20 6.1 Systémy připojené k rozvodné síti (grid-on, grid-connected) .............................................. 20 6.1.1 Režim vlastní spotřeby a prodeje přebytků ................................................................. 20 6.2.2 Režim přímého prodeje elektrické energie do sítě....................................................... 21 6.2.3 Systémy bez připojení k rozvodné síti ( autonomní systémy) ....................................... 21 7 INSTALACE FOTOVOLTAICKÉHO SYTÉMU .................................................................................. 23 7.1 Projektování ...................................................................................................................... 23 7.2 Posouzení budovy a stanoviště .......................................................................................... 23 7.3 Zastínění fotovoltaických panelů ....................................................................................... 24 7.3.1 Stín a jeho řešení ........................................................................................................ 24 7.4 Montážní systém ................................................................................................................ 24 7.4.1 Montáž nad střechou .................................................................................................. 25 7.4.2 Montáž ve střeše ........................................................................................................ 25 7.4.3 Montáž na plochých střechách .................................................................................... 25 7.4.4 Montáž na fasádě ....................................................................................................... 25 7.4.5 Další montážní řešení.................................................................................................. 26 8 LEGISLATIVA ............................................................................................................................. 27 9. EKONOMICKÉ ASPEKTY ............................................................................................................ 29 9.1 Podmínky pro provozování FVE ......................................................................................... 29
9.2 Daň z příjmu a odpisy při provozování FVE ......................................................................... 29 9.3 DPH při provozování FVE ................................................................................................... 29 9.4 Zdravotní a sociální pojištění při provozování FVE .............................................................. 30 10 RECYKLACE ............................................................................................................................. 31 10.1 Životnost fotovoltaických panelů ..................................................................................... 31 10.2 Důvody vyřazení panelů................................................................................................... 31 10.3 PV Cycle .......................................................................................................................... 32 10.4 Recyklované materiály..................................................................................................... 32 11 FOTOTERMICKÉ SOLÁRNÍ ČLÁNKY .......................................................................................... 34 11.1 Využití solárního systému ................................................................................................ 34 11.2 Základní komponenty solárního systému ......................................................................... 34 11.3 Ohřev vody v bazénu ....................................................................................................... 37 11.4 Solární systém pro vytápění ............................................................................................. 38 11.4.1 Pasivní solární systémy ............................................................................................ 38 11.4.2 Aktivní solární systémy ............................................................................................. 40 12 FOTOVOLTAICKÁ ELEKTRÁRNA RODINNÉHO DOMU V SYROVICÍCH ........................................ 43 13 ZÁVĚR .................................................................................................................................... 49 14 POUŽITÁ LITERATURA ............................................................................................................ 51 15 SEZNAM OBRÁZKŮ ................................................................................................................. 55
1 ÚVOD Solární energie patří k obnovitelným zdrojům energie. Solární energii můţeme přímo vyuţít k ohřevu vody nebo přitápění pomocí solárních kolektorů nebo pomocí fotovoltaických panelů k výrobě elektřiny (Solární energie, 2008). Solární energie je jediný obnovitelný zdroj, který dokáţe dlouhodobě pokrýt energetické potřeby lidstva bez vedlejších následků a je dostupný všude (na rozdíl např. od vodní energie), (Solární energie, 2008). V praxi se setkáváme s limity omezujícími vyuţitelnost solární energie. Mluvíme především o účinnosti solárních kolektorů pro ohřev vody (zhruba 30-40 %) a fotovoltaických panelů (cca 15 %). Nejvíce solární energie vyuţíváme v létě, zatímco v zimě je jí nedostatečné mnoţství (Solární energie, 2008). V praxi rozdělujeme vyuţíváni solární energie do dvou základních skupin, tj. pasivní vyuţití a aktivní vyuţití solární energie. U pasivního vyuţití pouţíváme principy tzv. solární architektury, jenţ vedou k úsporám energie. Do základních principů solární architektury patří zejména vhodná orientace prosklených ploch a tepelně akumulačních stěn, dosaţení maximálního objemu stavby za minimálního povrchu obvodových, neboli ochlazovaných stěn, důkladná tepelná izolace a vyuţívání obnovitelných zdrojů pro energetické zásobování stavby. U aktivního vyuţití se pouţívá tzv. přídavných technických zařízení slunečních kolektorů. Jsou dvojího typu, termické kolektory, které slouţí zejména k ohřevu vody, přitápění a ohřevu vody v bazénech a fotovoltaické kolektory, pomocí tzv. fotovoltaického jevu přeměňují sluneční záření přímo ne elektrickou energii (Solární energie, 2008). Solární energie je závislá obzvláště na dvou hodnotách, době slunečního záření a intenzitě slunečního záření. Doba slunečního záření je uváděna v hodinách za časové období ( měsíc, rok). Průměrná hodnota pro Českou republiku je cca 1 500 hodin. U intenzity slunečního záření se jedná o mnoţství globálního slunečního záření dopadající na jednotku vodorovné plochy. Roční mnoţství slunečního záření v České republice kolísá mezi 950 a 1 250 kWh/m. Tyto hodnoty jsou sledovány meteorologickými stanicemi (Solární energie, 2008).
8
2 CÍL Hlavní cíl mé bakalářské práce je zhodnocení systému fotovoltaiky. Prostřednictvím studia literárních zdrojů byla zpracována historie, vývoj vyuţití solární energie a popsána aktuální legislativa pro stavbu solárních systémů v obytných objektech. Bylo provedeno měření, díky čemuţ byly zhodnoceny skutečné přínosy fotovoltaického systému pro vybraný objekt.
9
3 SLUNEČNÍ ENERGIE Sluneční energie je základní podmínkou ţivota na Zemi. Energii slunečního záření lze vyuţívat přímo k výrobě tepla, chladu a elektřiny a nepřímo jako energii vodních toků a větru, tepelnou energii prostředí (atmosféra, hydrosféra a litosféra), mořských vln a energie biomasy (ČEZ, 2013).
3.1 Slunce a jeho parametry Od pradávna víme, ţe Slunce je nejbliţší hvězdou v naší Galaxii, jejíţ stáří je odhadováno na přibliţně 4,6 miliardy let a bude svítit minimálně ještě dalších 5 miliard let. Země je 3. planeta vzdálená od Slunce. Na Slunci probíhají termonukleární reakce, při kterých dochází k přeměně vodíku na helium a jsou zdrojem energie. V současnosti tvoří Slunce 70 % vodík, 28 % helium a 2 % ostatních plynů. Výkon Slunce tzv. sluneční zářivost je P = 3,8× 1026 W, avšak na zemský povrch dopadá pouze jedna dvoumiliardtina, tj. 180 000 TW. Další parametry jsou uvedeny níţe v tabulce (ČEZ, 2013). Tab. č.: 1 Parametry Slunce Veličina
Hodnota
Střední vzdálenost Země od Slunce 149,6×10 km Sluneční konstanta
1367 W×m-2
Hmotnost
1,9891×1030 kg
Poloměr
696 000 km
Povrch
6,09×1012 km2
Povrchová teplota
5 780 K
Teplota jádra
13,6×106 K
(Zdroj: Hughes J., 1999)
10
3.2 Sluneční záření Sluneční záření tvoří energetický zdroj téměř u všech procesů v atmosféře a na zemském povrchu. Obzvláště v biosféře má velký význam, kde je základním předpokladem koloběhu a transformace energie (Zemánek R., 2008). Sluneční záření rozdělujeme na 2 části, a to záření přímé a rozptýlené (difúzní). Přímé sluneční záření vzhledem k velké vzdálenosti Země od Slunce tvoří svazek prakticky rovnoběţných paprsků. Rozptýlené sluneční záření vzniká rozptylem přímých slunečních paprsků na molekulách plynných sloţek vzduch, na ledových krystalcích, vodních kapičkách a na nejrůznějších aerosolech částicích, které se vyskytují v zemském ovzduší. Díky rotaci Země, podléhá sluneční záření sezónním změnám (den-noc, diurnální), dále díky oběhu Země kolem Slunce (roční, sezónní, cirkadiánní periodicita) a proměnlivé sluneční aktivity. Dalším faktorem je poloha na zemském povrchu (zeměpisná šířka), která určuje rozhodujícím způsobem dynamiku a mnoţství záření (Kalas, 2011), (Šiňor, 2000). 3.2.1 Spektrum slunečního záření Spektrum slunečního záření obsahuje velké mnoţství absorpčních čar (jejich počet je přibliţně kolem 20 000). Z vnitřní vrstvy Slunce (fotosféry) prochází okrajovou vrstvou (chromosférou), kde je niţší teplota a nastává v ní absorpce záření určitých vlnových délek (Nazeleno, 2008), (Kalas, 2011). Ultrafialové záření (UV) Vlnová délka 290 - 380 nm, podíl z celkového záření je 0-4 % závisí na vzdálenosti od zemského povrchu a směrem k vrchním vrstvám atmosféry jeho intenzita stoupá. Má významné fotodestrukční účinky. Viditelné záření Vlnová délka 380 - 710 nm, podíl z celkového záření je 21-46 %, včetně významného fotosyntetického účinku má významný účinek i v tepelné oblasti.
11
Infračervené záření (IR) vlnová délka 710 - 4 000 nm, podíl z celkového záření 50 - 79 % je významné zejména v tepelné oblasti, kdy vyzařování tepla hraje určitou roli v energetické bilanci ţivočichů, především teplokrevných. Jeho mnoţství je dáno přímým vstupem do atmosféry se slunečním zářením a tepelným vyzařováním objektů, jeţ přijaly energii jiných vlnových délek. Dlouhovlnné záření vlnová délka 4 000 - 100 000 nm, podíl z celkového záření 50 - 79 % je významné především v tepelné oblasti (Kalas, 2011), (Flexon, 2009), (Zemánek,2008).
3.2.2 Sluneční záření v české republice Mnoţství slunečního záření dopadající na naše území je ovlivněno roční dobou, oblačností, zeměpisnou šířkou a dobou svitu. Česká republika má rozlohu 78 864 km2. Nadmořská výška ČR z 67 %
jejího celkového povrchu nepřesahuje 500 m n.m. V oblastech
s největším znečištěním atmosféry je nutné počítat s poklesem globálního záření o 5 - 10 % v krajních mezích i o 20 %. Naopak pro oblasti s nadmořskou výškou od 700 - 2 000 m n.m. lze počítat s nárůstem globálního záření o 5 %. Podle studií Ministerstva pro místní rozvoj byl stanoven teoretický potenciál pro výrobu elektrické energie ze slunečního záření cca 80 000 TWh (Limberk, 2013). Plocha vyuţitelná pro stavbu fotovoltaických systému se odhaduje na 50 200 000 m2. Mnoţství dopadajícího sluneční záření na vodorovnou plochu o velikosti 1 m2/ rok ukazuje následující obrázek (Solpool).
12
Obr. č. 1 Roční průměrný úhrn slunečního záření (CHMÚ, 2012)
Dopad slunečního záření dopad na vodorovnou plochu v ČR – kWh/m²
Většina údajů o době svitu, průměrného mnoţství dopadajícího záření na naše území a jeho intenzitě se můţe u různých zdrojů lišit. Ze zjištěných zdojů můţeme uvést přibliţné hodnoty: Celkový objem potencionálního mnoţství vyuţitelné energie v ČR je 80 000TWh, v ČR dopadne na 1m² vodorovné plochy zhruba 950 – 1100 kWh energie, roční mnoţství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 – 1792 hod (Limberk, 2013).
13
4 HISTORIE FOTOVOLTAIKY V roce 1839 to všechno začalo náhodným objevem 19letého francouzského fyzika Alexandra Edmonda Becquerela. Tento fyzik experimentoval s kovovými elektrodami ponořenými v elektrolytu a zjistil, ţe pokud dojde k jejich osvětlení, začne mezi nimi procházet malý proud. Adams a Day v roce 1877 vytvořili první skutečný fotovoltaický článek s pouţitím selénu. V roce 1883 učinil další významný krok Fritts, jehoţ první články uţ tvořily plochu 30 cm2, bylo moţné je vyrábět hromadně a jejich účinnost dosahovala kolem 1 %. Nakonec ke komerční výrobě a k praktickému vyuţití nedošlo, protoţe účinnost nebyla dostatečně vysoká. Dále byl pro fotovoltaické články vyuţit oxid měďný, jenţ byl vytvořený v tenké vrstvě na měďném plechu. Dříve se proud odváděl spirálou z olověného drátu, později kovovou mříţkou vytvořenou napařením. Toto uspořádání se podobalo dnešním fotovoltaickým článkům. Na tuto technologii se vyuţívalo výhodně levného a dostupného materiálu, avšak účinnost byla stále velice nízká (Murtinger a spol., 2008), (Haselhuln, 2011). Významný krok pro vytvoření moderního fotovoltaického článku byla příprava monokrystalů křemíku, kterou vyvinul Jan Czochralski (Murtinger a spol., 2008). V roce 1946 v USA patentoval křemíkový fotovoltaický článek Russel S. Ohl. V Bellových laboratořích v roce 1954 fotovoltaické články z křemíku dopovaného jiným prvkem (tedy články s p-n přechodem) a dosahovaly účinnosti kolem 6 %. Tato účinnost byla relativně velká pro vyuţití v praxi. Cena byla ale velmi vysoká díky pouţití čistého křemíku (Murtinger a spol., 2008), Jiţ v roce 1958 startovala do vesmíru druţice Vanguard 4, první satelit osazený solárními články. Na Zemi se uplatnily solární fotovoltaické články aţ v sedmdesátých letech, kdy jejich cena velmi klesla. Jejich pouţití bylo omezeno na napájení navigačních světel nebo různých zabezpečovacích zařízení v místech bez elektrické sítě (Murtinger a spol., 2008), (Haselhuhn, 2011). Větší vyuţití fotovoltaických článků na Zemi bylo aţ po ropné krizi v sedmdesátých letech. Díky masivnímu rozšíření křemíkových polovodičových součástek, byla tedy i levnější výroba čistého křemíku (Murtinger a spol., 2008). Světový trh s fotovoltaikou vzrostl z roku 2004 do roku 2005 o 42 %, největší podíl na tom mělo Německo a Japonsko (dohromady tvořily 85 %). Výrazně převaţují zařízení, která jsou připojená do sítě (v roce 2005 tvořila 95 %). Pro výrobu fotovoltaických článků bylo v roce 2005 prodáno 11 tisíc tun křemíku. 14
Celkový nominální výkon prodaných fotovoltaických článků v roce 2005 byl 1 500 MW. 94 % všech fotovoltaických článků je z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku. V roce 2005 byla cena fotovoltaických modulů 5,50 aţ 6,50 dolarů na watt výkonu (pro systémy připojené do sítě). Pro podporu fotovoltaiky jsou nejuţívanější finanční nástroje přímé dotace na zařízení a výhodné výkupní ceny elektřiny; jde o sumu v řádu miliard dolarů (Murtinger a spol., 2008). Historie fotovoltaiky je poměrně dlouhá a většina významných věcí týkající se této oblasti se dějí aţ v posledních 10 letech, ale na opravdu historické události tohoto směru si budeme muset ještě počkat (Murtinger a spol., 2008).
15
5 FOTOVOLTAICKÉ ČLÁNKY K výrobě elektřiny nám slouţí technologické zařízení, které nám přemění z různých forem energie na energii elektrickou. Proud elektronů pohybující se od záporného pólu zdroje přes nějakou zátěţ (spotřebič) zpět do kladného pólu zdroje tvoří elektrický proud.
5.1 Princip polovodičového fotovoltaického článku K přeměně energie proudu fotonů ( sluneční záření) v energii pohybujících se elektronů je zapotřebí dvou hlavních věcí: •
volné elektrony;
•
elektrický potenciál (pole), jenţ uvede volné elektrony do pohybu směřující ze zdroje do spotřebiče
Volné elektrony jsou dostupné v kaţdém kovu a našim cílem je dodat jim potřebnou energii a nasměrovat jejich tok potřebným směrem. Za určitých podmínek se záření jeví tak, jako by bylo tvořeno proudem částic. Albert Einstein tyto částice nazval fotony. Foton slunečního záření je schopen předat svou energii elektronu vyskytující se v kovu nebo v polovodiči. Solární články vyuţívají fotovoltaického jevu, jehoţ podstatou je skutečnost, ţe na rozhraní dvou materiálů, na něţ dopadají fotony slunečního, vzniká elektrické napětí a uzavřením obvodu je moţno získat elektrický proud (Murtinger a spol., 2008), (Česká solární, 2013). Atomy krystalů jsou uspořádány v krystalové mříţce. Všechny vyuţívané polovodiče mají tuto krystalickou strukturu a krystalizují v hexagonální mříţce. V současné době se pro výrobu polovodičových součástek nejčastěji pouţívá křemík a různé slitiny galia (VŠB, 2009).
5.2 P-N přechod Přechod P-N má v elektronice největší vyuţití. Solární
článek
je
v
podstatě
velkoplošná
polovodičová dioda, na jejíţ přechod PN můţe dopadat sluneční záření (obr. č. 2). Základ tvoří plátek krystalického křemíku typu P (s příměsí bóru), na spodní straně je vodivá stříbrná mříţka. Na horní ploše se difuzí fosforu vznikne asi 16
Obr. č. 2 Řez fotovoltaickým článkem (ČEZ 2008)
500 nm silná vrstvička polovodiče typu N. Na této vrstvě jsou sítotiskem vytvořeny úzké vodivé kontakty. U přechodu PN se stýkají dva typy polovodiče s opačným typem vodivosti. Přechod P-N umoţňuje, ţe v jednom směru
jím proud procházet můţe
a v druhém směru nikoli. Vše je zapříčiněno tím, ţe polovodič typu N obsahuje v krystalové mříţce volně pohyblivé záporné elektrony a polovodič typu P má v krystalové mříţce kladné "díry". (Murtinger a spol., 2008), (ČEZ, 2013). Moţnosti způsobu připojení: a) k přechodu PN není připojen zdroj napětí V oblasti, kde se stýkají oba polovodiče se část elektronů z oblasti N přejde do oblasti P a část "děr" z oblasti P dostane do oblasti N (obr. č. 3). Dochází k rekombinaci elektronů s "děrami" a díky tomu se kolem přechodu PN vytváří Obr. č. 3 Připojení bez zdroje nevodivá oblast bez volných nábojů (vyznačena šedou
napětí (ČEZ, 2013)
barvou). b) zdroj napětí je připojen v závěrném směru Jestliţe připojíme k polovodiči P záporný pól a k polovodiči N zase kladný pól zdroje, dochází působením elektrických sil ke vzdalování volných nábojů od přechodu PN (obr. č. 4). Oblast, která je bez volných nábojů se postupně rozšíří, její odpor vzroste a elektrický proud nemůţe přechodem PN procházet. Obr. č. 4 Připojení v závěrném směru (ČEZ, 2013) Nevodivé oblasti bez volných nábojů nazýváme hradlová vrstva. c) zdroj napětí je připojen v propustném směru Pokud změníme polaritu připojeného zdroje, působením elektrických sil přecházejí elektrony přes přechod PN ke kladnému pólu a "díry" jsou zase přitahovány k zápornému pólu. Poté tedy dochází k zúţení hradlové vrstvy a zmenšení jejího odporu (obr. č. 5). Pokud je takto zapojený PN přechod, Obr. č. 5 Připojení v závěrném směru (ČEZ, 2013)
prochází jím proud (ČEZ, 2013).
17
5.3 Základní typy fotovoltaických článků Fotovoltaické články se vyvíjejí poměrně dlouhou dobu, téměř 50 let. V současnosti máme mnoho typů solárních článků lišící se tvarem, barvou a také svými vlastnostmi a výkonnostními parametry (Murtinger a spol., 2011). 5.3.1 Generace fotovoltaických článků Pro přehlednost rozlišujeme 4 generace fotovoltaických článků: První generace - v této generaci jsou fotovoltaické články vyráběné z destiček monokrystalického křemíku, v nichţ je vytvořen p-n přechod. V současnosti je to nejpouţívanější typ fotovoltaických článků a vyznačuje se dobrou účinností a dlouhodobou stabilitou výkonu. Nevýhoda tohoto typu je relativně velká spotřeba čistého křemíku (Murtinger a spol., 2008). Druhá generace - snahou je sníţit mnoţství potřebného křemíku a zlevnit výrobu za pouţití tenkovrstvých článků. Nejběţnější články jsou z polykrystalického, mikrokrystalického nebo amorfního křemíku. Nevýhoda těchto článků je znatelně niţší účinnost a menší stabilita. Díky zájmu armády se rozvíjejí i fotovoltaické články, které jsou součástí oblečení nebo batohu a umoţňují tím napájet různá přenosná zařízení ( mobilní telefon, nabíječka). Třetí generace - zde jsou systémy, které pouţívají k separaci nábojů jiné metody neţ p-n přechod a vyuţívají i jiné materiály neţ polovodiče, jsou to např. fotolektrochemické, nebo-li fotogalvanické články, polymerní články, nebo monostruktury ve formě nanotrubiček. Výhodou těchto struktur je moţnost ovlivňovat elektrické vlastnosti, díky tomu nejsme vázáni jen na struktury, které nám poskytla příroda. Čtvrtá generace - tvoří fotovoltaické články sloţené z jednotlivých vrstev, schopné vyuţívat širokou část slunečního spektra. Jednotlivá vrstva dokáţe vyuţít světlo v určitém rozsahu vlnových délek a to záření, které není schopna vyuţít propustí do hlubších vrstev, kde je vyuţito (Murtinger a spol., 2008).
5.3.2 Typy fotovoltaických článků Monokrystalické články - Jsou základním a nejstarším typem článků, skládající se z jediného krystalu. Články jsou většinou čtvercové nebo čtvercové se zaoblenými rohy.
18
Čtvercový článek má rozměr hrany 10, 12,5 a 15 cm. Jelikoţ se materiál článku skládá z jediného krystalu, jejich povrch je tmavomodrý aţ černý. Jejich účinnost dosahuje přes 21 %. Průměrná účinnost těchto článků je 15 aţ 17 %. Tvar článků je dán procesem výroby. Při výrobě monokrystalického křemíku se pouţívá tzv. Czokralskiho proces. (Haselhuhn, 2011). Vysoce výkonné solární články - Na výrobu těchto článků na bázi krystalického křemíku jsou potřebné polovodičové materiály s vysokou čistotou. Pomocí metody zonální tavby je moţné vyrobit kvazi-monokrystalický křemík s vyšší čistotou. Účinnost článků s tímto výchozím materiálem se zvýší o 1 aţ 2 %. Metoda zonální tavby je draţší a pracnější. ( Haselhuhn, 2011), (Murtinger a spol., 2008). Polykrystalické články - Je to dnes nejběţnější typ článků. Polykrystalické články mají modře se třpytící krystalickou strukturu. Jsou čtvercové a jejich délka hrany je 4, 5, 6 nebo 8 palců ( asi 10, 12,5, 15, 15,6 nebo 21 cm). Jejich účinnost leţí mezi 13 aţ 16 %. Polykrystalický křemík se vyrábí jednodušším a levnějším způsobem neţ monokrystalický křemík. Vyuţívá se metoda blokového lití. Vyrábějí se odléváním čistého křemíku do vhodných forem. Články vyrobené tímto způsobem mají horší elektrické vlastnosti. Výhodou je, ţe výchozí surovina je levnější a vyrábí se ve větších rozměrech. (Haselhuhn, 2011), (Murtinger a spol., 2008). Křemíkové amorfní články - Princip výroby těchto článků je zaloţen na rozkladu vhodných sloučenin křemíku ve vodíkové atmosféře. Články z amorfního křemíku mají oproti předchozím popsaným typům výhodu v tom, ţe spotřebují podstatně méně materiálu a při velkosériové výrobě jsou levnější. Účinnost tohoto typu článku je 5 aţ 7 % (Haselhuhn, 2011), (Murtinger a spol., 2008).
19
6 SYSTÉMY PRO VÝROBU ELEKTŘINY Fotovoltaické systémy se rozdělují do dvou hlavních skupin: Systémy, které jsou připojené k rozvodné síti (grid-on, grid-connected) Systémy bez připojení k elektrické rozvodné síti (autonomní systém)
6.1 Systémy připojené k rozvodné síti (grid-on, grid-connected) Motivem pro stavbu fotovoltaické elektrárny jsou hlavně úspory a zisk, který můţe z takové investice plynout. Systémy připojené na síť jsou budovány na rodinných domech nebo na průmyslových objektech. Fotovoltaické články produkují pouze stejnosměrný proud o poměrně malém napětí, proto je nutné pouţít měnič, jenţ vyrobí z např. 12 V stejnosměrného proudu 230 V střídavého napětí o frekvenci 50 Hz. Energie vyrobená tímto systémem je buď spotřebována přímo v daném objektu, a nebo jsou přebytky prodány do distribuční sítě. Pokud je elektrická energie vyrobená tímto systémem spotřebována přímo tam, kde je vyrobena, tak investor ušetří cenu energie, kterou by musel jinak nakoupit a za tuto energii navíc inkasuje od distributora tzv. zelený bonus. (Solarenvi, 2013), (České slunce, 2013). 6.1.1 Reţim vlastní spotřeby a prodeje přebytků Systém v této konfiguraci obsahuje fotovoltaické panely, které jsou připojené na napěťový měnič, jehoţ úlohou je přeměnit stejnosměrný proud na střídavý (obr. č. 6). Celý tento okruh je připojen na samotný jistič a přepěťovou ochranu do rozvaděče v daném objektu. Solární systém je připojen za hlavní elektroměr (z pohledu distribuční společnosti). To nám umoţňuje dodávat energii spotřebičům v objektu a šetřit náklady na odebranou elektřinu. Pokud máme přebytek energie, lze ji přes hlavní čtyřkvadrantní elektroměr předat automaticky do sítě. Za vyrobenou elektřinu je v obou případech inkasován tzv. zelený bonus a v případě prodeje přebytků do sítě získá Obr. č. 6 Režim vlastní spotřeby a prodeje přebytků (Solarenvi, výrobce navíc trţní cenu silové
2013)
elektřiny. 20
Fotovoltaické systémy pro vlastní spotřebu s moţností prodeje přebytků jsou nejvýhodnější variantou instalace FVE. Zelený bonus garantuje ERÚ po dobu 20 let od uvedení solárního systému do provozu (Solarenvi, 2013), (České slunce, 2013). 6.2.2 Reţim přímého prodeje elektrické energie do sítě Solární systém, jenţ produkuje elektrickou
energii
výkup,
jsou
panely
připojené
pouze
zde
pro
fotovoltaické na
napěťový
měnič a elektroměr pro odpočet energie
vyrobené
fotovoltaikou
(obr. č. 7). Systém je přes jistič a přepěťovou ochranu připojen ještě na hlavní elektroměr (z pohledu distribuční sítě). Veškerá vyrobená energie
je
tedy
dodávána Obr. č. 7 Režim přímého prodeje el. energie do sítě (Solarenvi,
do distribuční sítě za výkupní cenu
2013)
(Solarenvi, 2013). 6.2.3 Systémy bez připojení k rozvodné síti ( autonomní systémy) Autonomní (ostrovní systémy) označované jako Off-Grid systémy jsou fotovoltaické systémy, jenţ nejsou primárně připojeny k veřejné síti (chaty, výjimečně i některé domy). Veškeré elektrická energie je získávána solárními panely. Pokud je výroba elektrické energie větší neţ její spotřeba, je tato energie ukládána do baterií, popřípadě jiného energetického úloţiště. Jestliţe není dostatek slunečního svitu, je energie pro spotřebiče kryta za baterií. Díky tomu budeme mít energii kdykoliv bez ohledu na přítomnost elektrické sítě (Murtinger a spol., 2008). V poslední době mají oblibu malé fotovoltaické panely, které se vyuţívají při cestování a to např. dobíjení mobilních telefonů, kamer, digitálních fotoaparátů (Sunnywatt, 2010).
6.3 Zelený bonus Zelený bonus je finanční částka, která navyšuje trţní cenu elektrické energie zohledňující ţivotní prostředí a jeho poškozování vyuţitím obnovitelných zdrojů energie. Za vyrobenou elektrickou energii, kterou uţivatel spotřebuje, dostane zelený bonus. Přebytečnou energii můţeme volně prodávat, tato částka je přičtena k zelenému bonusu. Není stanovena 21
hranice, kolik energie musíme sami spotřebovat a kolik ji můţeme prodat distributorovi. (ERU, 2009).
22
7 INSTALACE FOTOVOLTAICKÉHO SYTÉMU 7.1 Projektování Solární panely umístěné na střeše rodinného domu jiţ dávno nejsou výstředností či raritou. Zájem o tento způsob výroby elektřiny pro vlastní spotřebu a s prodejem přebytku do veřejné sítě, rychle narůstá. Fotovoltaický systém lze instalovat na starší stavby a integrovat na novostavby. Většinou jsou fotovoltaická zařízení zřizována na existujících budovách v průběhu sanace nebo modernizace (Haselhuhn, 2011). K dosaţení optimálního výnosu z fotovoltaického zařízení je třeba toto zařízení profesionálně vyprojektovat a technicky zrealizovat. U novostavby by měl odborný projektant fotovoltaického zařízení co nejdříve jednat s architektem. Pokud není projektant zapojen do projektování hned ze začátku, dochází velmi často k nedokonalým řešením, např. příliš nízké energetické výnosy a zbytečné náklady (Haselhuhn, 2011). Do výpočtu vstupuje mnoho faktorů, jenţ je třeba zohlednit a to intenzitu slunečního záření v dané lokalitě, orientaci střechy vůči jihu, sklon a případné zastínění střechy, nosnost střechy, síla větru atd. Sluneční panely je moţno instalovat na všechny plochy, které nejsou nějak výrazně zastíněné. Pro projektování fotovoltaických systémů bylo vyvinuto velké mnoţství výpočetních programů (Štolc I., 2008).
7.2 Posouzení budovy a stanoviště Na začátku se musí zjistit všechny potřebné informace a rámcové podmínky pro umístění fotovoltaických panelů. Projektování usnadňuje situační plán domu pro zjištění orientace, stavební plány domu pro zjištění sklonu střechy, vyuţitelné plochy a délek vedení, statiky střechy, dále fotografie střechy, budovy a místa instalace (Haselhuhn, 2011). U existujících budov je volba stanoviště předem omezena na plochu střechy a fasády domu. Protoţe postavení Slunce se během dne mění, mění se i úhel záření. K posouzení, zda je střešní plocha vhodná k instalaci fotovoltaických panelů, se musí brát v úvahu hodnoty záření během celého roku (GES, 2013), (Ekowatt, 2008). Pro celou ČR je optimální sklon 35° (rozdíl mezi nejsevernějším a nejjiţnějším místem lze zanedbat). Optimální orientace je na jih, přičemţ odchylka k západu je výhodnější neţ k jihovýchodu. To je dáno tím, ţe v dopoledních hodinách je obvykle větší oblačnost, takţe dopadající energie je menší. (GES, 2013), (Ekowatt, 2008).
23
7.3 Zastínění fotovoltaických panelů Předpokladem dobrého energetického výnosu je kromě orientace fotovoltaických panelů i stanoviště, které je co nejméně vystaveno zastínění. Roční poklesy výnosu jsou způsobeny pravě díky zastínění a to o 5 aţ 10 % (Haselhuhn, 2011). Významným faktorem, který můţe ovlivňovat produkci FVE jsou zdroje stínění od lokálního stínění aţ po horizontové. Lokální zdroje stínění jako komíny, vikýře, antény nebo jiné elementy, které vystupují nad střešní krytinu, mohou poměrově sníţit výkon FV modulu, ale mohou i zapříčinit ţe FV modul nebude dodávat ţádný výkon. I mladé stromky, které v budoucnu povyrostou, nám mohou později způsobit zastínění zařízení. Co se týká horizontálního zastínění, zde dopad slunečního záření můţe hlavně v ranních a večerních hodinách omezovat např. blízký les, okolní kopce nebo např. sousední vyšší objekt (Silektro, 2013). K určení ztrát ozáření se provádí analýza zastínění. Zaznamenává se linie horizontu v úhlu 180° od východu přes jih po západ ve vztahu k určitému bodu zařízení, obvykle středu generátoru. Je-li poţadována větší přesnost nebo v případě větších zařízení se provádí analýza zastínění pro více bodů. Určení linie horizontu se provádí pomocí situačního plánu dráhy slunce a diagramu (Haselhuhn, 2011). 7.3.1 Stín a jeho řešení Ve většině standardních modulů je zapojeno více článků do série (větve s 36 nebo 72 články). Pokud je zastíněný pouze jediný článek např. listem, nevyrábí ţádný proud a stane se spotřebičem. Ostatní články větve jsou aktivní a vnutí proud skrze postiţený článek a dochází k velkým ztrátám. Neţádoucím faktorem je zahřívání, které můţe nastat a panel poškodit nebo úplně zničit. Aby se tomu zabránilo, pouţívají se obtokové metody (bypass) diody, které vedou proud mimo neaktivní článek (Hájek T., 2010). V oblastech, které jsou bohaté na sníh nebo při vodorovném zastínění, jenţ nastává např. u řad standardních modulů na plochých střechách, lze vodorovným uspořádáním modulů minimalizovat ztráty aţ na polovinu (Haselhuhn, 2011).
7.4 Montáţní systém Fotovoltaická zařízení lze umístit téměř na jakýkoli typ střechy. Při výběru typu montáţe hrají roli včetně nejvhodnější orientace a sklonu také optické a architektonické aspekty.
24
Montáţ jednoho fotovoltaického zařízení trvá zkušenému odborníkovi dva dny (Haselhuhn, 2011). 7.4.1 Montáţ nad střechou Montáţ nad střechou je nejběţnější varianta u malých fotovoltaických elektráren. Panely jsou připevněny k montáţním prvkům nad stávající střešní krytinou. Pokud se instalují fotovoltaické panely na existující budovu se šikmou střechou, je montáţ na střechu cenově výhodnější neţ montáţ panelů zapuštěných do střechy (Haselhuhn, 2011). 7.4.2 Montáţ ve střeše Při této montáţi je fotovoltaický panel přímo součástí střechy. Tento typ montáţe je vhodný zejména pro šikmé střechy. V současné době nabízejí některé firmy panely zapuštěné do rámů, které lze mechanicky a opticky integrovat do okolní plochy střechy. Nejmodernější stav techniky je fotovoltaická střešní krytina a také systémy Solar-Roof. U těchto zařízení je celá plocha střechy pokryta velkými panely („energetické střechy“). Montáţ do střechy je z optického hlediska většinou nejatraktivnější variantou (Haselhuhn, 2011), (SMA- Solar- technology, 2013). 7.4.3 Montáţ na plochých střechách Střechy, které mají sklon menší neţ 12°, se označují jako ploché střechy. Na tyto střechy lze instalovat solární zařízení většího rozměru. Většinou je moţno orientaci zvolit přesně na jih a nastavit optimální úhel sklonu. U tohoto typu střechy je těsnění na rozdíl od šikmých střech absolutně vodotěsné a to díky pomocí pásů nebo zalitím celé plochy. Je třeba pracovat opatrně, aby se plášť nepoškodil, protoţe to by vedlo ke značným škodám (Haselhuhn, 2011). 7.4.4 Montáţ na fasádě Je vhodná obzvláště pro větší budovy s dostatečně velkou plochou fasády. Začlenění fotovoltaické elektrárny do fasády je vhodné především u velkých administrativních a průmyslových budov a také u bytových domů („energetické fasády“). Rozlišujeme fasády studené a teplé fasády. U studených fasád se panely instalují dodatečně před fasádu a slouţí jak k výrobě energie, tak i k úpravě fasády a jejímu zateplení. U teplých fasád má fotovoltaická elektrárna navíc i funkci pláště budovy. Proto se v oblasti fotovoltaiky
25
nabízejí speciální moduly z izolačního skla, které mají i zvukově izolační vlastnosti (SMASolar- technology, 2013). 7.4.5 Další montáţní řešení Montáţ fotovoltaického panelu na pozemek představuje velmi jednoduchou variantu panel se velmi jednoduše přišroubuje k podstavci a je nutné dbát na dostatečně velkou vzdálenost od země, aby spodní panely nebyly zastíněny rostlinami. Náklady na montáţ jsou nízké, ovšem úhrady za elektrický proud vyrobený ve fotovoltaických elektrárnách instalovaných na volné ploše jsou nejniţší. V České republice nejsou od března 2011 tyto montáţe na volných plochách podporovány. Je moţné dále vyuţívat fotovoltaické zařízení v zimních zahradách. Velký potenciál k integraci fotovoltaického zařízení nabízejí stavební zařízení, jako jsou protihlukové stěny, zastávky, čekárny, hromadné parkovací garáţe. Několik protihlukových stěn existuje. Zastřešení zastávek a nástupišť jsou zatím vyuţívána jen výjimečně, nabízejí však skvělé moţnosti (SMA- Solar- technology, 2013), (Haselhuhn, 2011).
26
8 LEGISLATIVA Základní legislativní rámec provozování fotovoltaických elektráren: (Základní zákonný rámec, který upravuje podmínky podnikání v energetických odvětvích a podporu výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů, řeší zákony č. 458/2000 Sb. a č. 180/2005 Sb. společně s vyhláškami Energetického regulačního úřadu ERÚ). Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů (energetický zákon) Upravuje podmínky podnikání, výkon státní správy a regulaci v energetice. Vyhláška č. 150/2007 Sb., o způsobu regulace cen v energetických odvětvích a postupech pro regulaci cen Vyhláška č. 51/2006 Sb., stanovující podmínky pro připojení zařízení k elektrizační soustavě. Tato vyhláška stanovuje podmínky připojení výroben elektřiny, distribučních soustav a odběrných míst konečných zákazníků k elektrizační soustavě. Vyhláška č. 426/2005 Sb., o podrobnostech udělování licencí pro podnikání v energetických odvětvích Tato vyhláška stanovuje členění licencí pro regulaci, vzory ţádostí k udělení, změně a zrušení licence, náleţitosti prohlášení odpovědného zástupce, způsob určení vymezeného území a provozovny, prokázání vlastnického nebo uţívacího práva k uţívání energetického zařízení, podrobnosti o finančních a technických předpokladech a způsobu jejich prokazování pro jednotlivé druhy licencí, podrobnosti prokazování odborné způsobilosti. Zákon č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Upravuje způsob podpory výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a výkon státní správy a práva a povinnosti fyzických a právnických osob s tím spojené. Vyhláška č. 475/2005 Sb. kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojů. Tato vyhláška stanoví termíny a podrobnosti výběru způsobu podpory elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů, termíny oznámení záměru nabídnout elektřinu vyrobenou z obnovitelných zdrojů k povinnému výkupu a technické a ekonomické parametry. Vyhláška č. 364/2007 Sb. kterou se mění vyhláška č. 475/2005 Sb., kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojů. (ERÚ, 2010), (Isofen energy, 2009)
27
Dalšími důleţitými nařízeními jsou směrnice Evropské Unie a to: • Evropská směrnice 2012/27/EU o energetické účinnosti • Evropská směrnice 2010/31/EU o energetické náročnosti budov • Evropská směrnice 2009/28/ES o podpoře vyuţívání energie z OZ • Evropská směrnice 2006/32/ES o energetické účinnosti u konečného uţivatele • Evropská směrnice 2005/32/ES stanovení rámce pro určení poţadavků na ekodesign energetických spotřebičů • Evropská směrnice 2004/101/ES kterou se mění směrnice 2003/87/ES o vytvoření systému pro obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů ve Společenství • Evropská směrnice 2004/8/ES o podpoře kombinované výroby tepla a elektřiny • Evropská směrnice 2003/87/ES o vytvoření systému pro obchodování s povolenkami na emise skleníkových plynů ve Společenství • Evropská směrnice 2003/30/ES o podpoře biopaliv v dopravě • Evropská směrnice 2002/91/ES o energetické náročnosti budov • Evropská směrnice 2000/55/ES o poţadavcích na energetickou účinnost předřadníků k zářivkám • Evropská směrnice 96/57/ES o poţadavcích na energetickou účinnost elektrických chladniček a mrazniček pro domácnosti
28
9. EKONOMICKÉ ASPEKTY Ekonomickou efektivnost měříme penězi a důleţité veličiny pro její výpočet jsou investiční výdaje, doba ţivotnosti zařízení, provozní výdaje, velikost roční produkce energie a způsob financování ,tj. velikost, doba splácení, úroková sazba poskytnutého úvěru a případné dotace. Výpočet ekonomické efektivnosti se posuzují dosaţenými příjmy a výdaji na realizaci a provoz fotovoltaického zařízení (Murtinger a spol., 2008).
9.1 Podmínky pro provozování FVE Na provozování fotovoltaické elektrárny je nutné mít licenci Energetického regulačního úřadu (zkratka ERÚ). Tato licence je obdobou ţivnostenského listu, která opravňuje provozovat tuto činnost. Jestliţe tuto činnost začne vykonávat osoba, která doposud nebyla podnikatelem, tak jí ERÚ přidělí IČO. Další podmínkou pro provozování fotovoltaické elektrárny jsou obchodní podmínky s firmou, která provozuje distribuční soustavu (ČEZ, E.O.N, PRE). Po vyřízení a získání licence na výrobu elektřiny by se měl podnikatel zaregistrovat u finančního úřadu a to do 30 dnů, u OSSZ do 8 dnů a u zdravotní pojišťovny do 8 dnů (Isofen energy, 2009).
9.2 Daň z příjmu a odpisy při provozování FVE Provozování FVE je podnikání podle zvláštního předpisu a tato činnost je popsána v Zákoně o daních z příjmů popsána v §7. Základem daně jsou příjmy z provozu FVE. Pro právnické osoby činí sazba daně z příjmu 19 % a pro fyzické osoby 15 %. V případě, ţe fyzická osoba dosáhla v roce 2012 po sečtení hrubých příjmů ze závislé činnosti a z podnikání (příjmy z provozu FVE) více neţ 1 206 576 Kč, poté se sazba daně zvyšuje. Tento příjem bude daněn tzv. solidární sazbou 23 %. Osvobození příjmů z provozování fotovoltaické elektrárny bylo novelou Zákona o daních z příjmů zrušeno, naposledy byly osvobozeny naposledy příjmy z kalendářního roku 2010. Veškeré příjmy dosaţené z provozu elektrárny musí být od 1.1. 2011 řádně zdaněny (Isofen energy, 2009).
9.3 DPH při provozování FVE Při pořizování fotovoltaických elektráren instalovaných na objekty určené k bydlení, tedy rodinné a bytové domy, je moţné dodavatelem technologie uplatnit v souladu s §48 a Zákona o dani z přidané hodnoty sníţenou sazbu DPH 15%. Jde o výjimku, která se vztahuje na rodinné domy o celkové podlahové ploše do 350 m2 pro bytové domy, ve kterém jsou jen byty o výměře do 120 m2 (Isofen energy, 2009). 29
9.4 Zdravotní a sociální pojištění při provozování FVE U zdravotního pojištění rozlišujeme, zda je provozování FVE pro OSVČ příjmem hlavním nebo vedlejším. Ve zdaňovacím období 2012 s hlavním příjmem z FVE se zdravotní pojištění platí ve výši minimálně 1.697 Kč měsíčně formou měsíčních záloh splatných vţdy mezi 1. a 20. dnem následujícího kalendářního měsíce. Ve zdaňovacím období 2013 činí měsíční zálohy ve výši minimálně 1.748 Kč. Skutečná výše pojistného se vypočítá podle vzorce: roční pojistné = (příjmy - výdaje) * 0,5 * 0,135 (Solarenvi, 2013), (Isofen energy, 2009).
30
10 RECYKLACE Ţivotnost fotovoltaických panelů je v současné době
odhadována na cca 30 let,
v ideálním případě však můţe být aţ dvojnásobná. Protoţe FV panely nespadají pod působnosti evropské direktivy o odpadech, tak výrobci a dodavatelé vytvořili dobrovolný program PV Cycle.
10.1 Ţivotnost fotovoltaických panelů Ţivotnost fotovoltaického panelů je určena poklesem výkonu o 20 %. Většina výrobců běţně dostupných krystalických a tenkovrstvých panelů zaručuje maximální pokles účinnosti o 10 % za 10 nebo 12 let a 20 % za 25 let. V praxi se na nejstarších instalacích pohybuje pokles účinnosti po 25 letech kolem 6 aţ 8 %. Skutečná ţivotnost tedy bude mnohonásobně delší. V současné době se předpokládá, ţe ţivotnost určena poklesem účinnosti o 20 % bude u kvalitních panelů minimálně 30 aţ 40 let od jejich instalace. Panely mohou být funkční i po této době, jen jejich účinnost bude dále klesat. Investor můţe zváţit, zda je výhodnější vyrábět elektřinu s niţší účinností, nebo investovat do nových panelů. Staré panely mohou být nabídnuty zájemcům, pro něţ je nízká cena panelů důleţitější neţ jejich účinnost (Bechník, 2011).
10.2 Důvody vyřazení panelů Hlavním důvodem pro vyřazení panelu je jeho mechanické poškození při dopravě nebo instalaci. Avšak mechanická odolnost panelů je vysoká. V prvních měsících a letech se mohou ukázat skryté vady materiálu, které nebyly odhaleny výstupní kontrolou ve výrobním závodě. Takové závady jsou u kvalitních panelů velmi nízké. Hlavním problémem je delaminace - sendvičová struktura panelu se vlivem teploty a UV záření "rozlepí". Pokud dojde k takové závadě, týká se obvykle celé výrobní série (Bechník, 2011).
31
10.3 PV Cycle K recyklaci fotovoltaických panelů byl vytvořen systém PV Cycle. Jde o celoevropskou aktivitu výrobců a dodavatelů fotovoltaických panelů, která je zaloţená na dobrovolné zodpovědnosti za výrobek v průběhu jeho celého ţivotního cyklu. V kaţdém sběrném místě systému PV Cycle jsou instalovány dva kontejnery na fotovoltaické panely. Jeden kontejner je určený pro krystalické křemíkové panely a druhý pro panely tenkovrstvé, pro jejichţ recyklaci je vyuţívána jiná technologie. Pokud dojde k naplnění kontejneru, je vyměněn za prázdný a panely jsou odvezeny k recyklaci (Bechník, 2011).
10.4 Recyklované materiály Největší podíl hmotnosti krystalických panelů tvoří sklo (60 - 70 %) a hliníkový rám (kolem 20 %). U tenkovrstvých panelů je podíl skla a hliníku přes 95 %. Tyto materiály jsou běţně recyklovány z téměř 100 %. Zbylé kovové materiály jsou cennými surovinami, které se recyklují. Plasty můţeme recyklovat částečně nebo vůbec. (Bechník, 2011).
Hliník - primární produkce je energeticky náročná - 200 MJ/kg elektřiny. V současné době jsou proto vyráběny i panely bez rámu. Hliník lze snadno recyklovat s velmi nízkou spotřebou - 8 MJ/kg převáţně tepelné energie, výtěţnost se u kusového hliníku, do kterého spadají i rámy fotovoltaických panelů blíţí 100 %. Sklo - základní část všech typů fotovoltaických panelů, pouze v některých případech jsou místo skla pouţívány plastové materiály. Recyklace skla umoţňuje sníţit spotřebu energie na jeho výrobu asi o 40 %. Výhodou skla je, ţe je moţné jej zrecyklovat na původní výrobek. Plastové komponenty - vlivem klimatických podmínek většinou degradují, jen výjimečně je lze recyklovat na původní výrobek. V praxi se vyuţívá energie, kterou lze uvolnit jejich spálením. Fotovoltaické články - Krystalické články mají podíl aţ 80 % na spotřebě energie na výrobu panelu a zhruba 50 % na jeho ceně. Na konci jejich ţivotnosti jsou přitom články v podstatě nezměněny. Těţké kovy - představují zanedbatelný podíl z hlediska hmotnosti, ceny i spotřeby energie na výrobu panelů. Jednotlivé kovy se podílejí na hmotnosti panelů v desetinách promile. Náročnost této recyklace je srovnatelná s výrobou z primárních surovin. Těţké kovy jsou 32
toxické, a proto je nutné je recyklovat a chránit tak ţivotní prostředí. V blízké budoucnosti je očekáváno vyčerpání těţitelných zásob stříbra, tím se zvýší i ceny stříbra a růst nákladů. Pravděpodobně se problém vyřeší nalezením a vyuţitím jiného materiálu (Bechník, 2011). Od 1.1.2013 platí zákon č. 165/2012 o podporovaných zdrojích energie, kam se řadí i zákon o odpadech, který řeší likvidaci solárních panelů (Vonatal, 2011).
33
11 FOTOTERMICKÉ SOLÁRNÍ ČLÁNKY Solární energie se nemusí vyuţívat jen k ekologické výrobě elektřiny. Další moţností je vyuţití energie ze slunce k ohřevu uţitkové, bazénové či topné vody. Solárně termické systémy nalézají nejvhodnější uplatnění k ohřevu vody v letním a přechodném období. Fototermické systémy jsou zaloţeny na pomalém průtoku kapaliny skrze solární kolektor, kde dochází k ohřevu a následnému přenosu této energie do zásobníku teplé vody (EON, 2013).
11.1 Vyuţití solárního systému Systém je poměrně jednoduchý, spolehlivý, vyráběná převáţně s nuceným oběhem teplonosné kapaliny. Dobře navrţený solární systém je schopen ušetřit aţ 75 % ročních nákladů na přípravu teplé uţitkové vody (TUV). Účinnost tohoto systému je aţ 80 %. Výkon solárního systému ovlivňuje výběr vhodného solárního výměníku (EON, 2013).
11.2 Základní komponenty solárního systému Součásti a) solární kolektor b) bivalentní zásobník c) kotel (nebo jiný zdroj tepla) d) výstup teplé vody e) vstup studené vody f) čerpadlová skupina g) regulátor h) expanzivní nádoba
Obr. č. 8 Popis solárního systému (VARIOSOL, 2010)
Kapalina, ohřátá v solárním panelu, se přivádí měděným potrubním rozvodem do zásobníku nebo výměníku tepla. Tam předává teplonosná kapalina teplo přes stěny měděného „hada“, (ve kterém se zahřátá teplonosná kapalina nachází), a tak se ohřívá voda. Součástí systému je také expanzní nádoba, vyrovnávající změny objemu kapaliny 34
při různých teplotách a tak zabraňuje přetlaku. Dále ventily, oběhové čerpadlo, zajištující cirkulaci teplonosné kapaliny v okruhu. Automatická regulace řídí celý solární systém na základě údajů, naměřených čidly v různých částech systému. Solární panely ve spojení se všemi komponenty, které slouţí k tomu, aby samostatně a samoúdrţně fungovaly, se nazývají solární systémy (EON, 2013), (Česká solární, 2013). Solární kolektory- Jsou základním komponentem celé soustavy. Fototermické kolektory můţeme rozdělit podle ohřívaného média na:
kapalinové - teplonosné médium je kapalina, která slouţí k ohřevu vody,
teplovzdušné - teplonosné médium je vzduch, jehoţ podstatou je ohřívání vzduchu v místnosti
kombinované - je kombinace obou případů
Solární kolektor se skládá z ocelové vany, absorbéru, trubkového registru a solárního skla. Sluneční paprsky se přeměňují na tepelnou energii právě na povrchu absorbéru. Solární kapalina proudící v trubkách se velmi rychle zahřívá a vstupuje do výměníku, pomocí kterého se teplá uţitková (resp. topná) voda ohřívá (ZSSeifertova, 2013), (Quantum, 2008). Základní komponenty kolektoru: Solární sklo - kvalitní solární skla jsou bezbarvá, s nízkým obsahem ţeleza a propustná pro sluneční záření aţ z 92 %. Vyrábějí se z důvodu bezpečnosti jako kalená skla. Jejich tloušťka je obvykle 3-4 mm. Solární sklo musí vydrţet tlak vyšší jak 300 kg/m2, který můţe způsobit např. napadaný sníh. Větší nebezpečí mohou způsobit ostré hrany předmětů a to zejména v místech největšího pnutí, které se vyskytuje v rozích kolektoru. V případě jeho destrukce je vyrobeno tak, aby se rozpadl na drobné neostré úlomky (Quantum, 2008). Absorbér - je vyráběn ze speciálních, nejčastěji z měděných či hliníkových lamel. U kvalitních kolektorů je vrstva absorbéru opatřena spektrálně selektivním povrchem. Selektivní vrstva zabezpečuje vyuţití jak přímého, tak difuzního záření. Tento povrch nelze ničím nahradit (ZSSeifertova, 2013), (Quantum, 2008). Trubkový registr - je součástí absorbéru. Cirkuluje a ohřívá se v něm solární kapalina. Registr bývá typu ,,H" a ,,U", a nebo různých meandrů. Většinou je registr vyroben z měděných trubek. Způsoby spojení se řeší přetlačením různými spojkami, nalisováním, přivařením, připájením, popř. opláštěním absorbérem (ZSSeifertova, 2013), (Quantum, 2008).
35
Solární zásobník - je místo, kde se ohřívá teplá uţitková voda. Zásobník můţe být buď stojatý ( stojí na nohách na zemi) nebo závěsný ( zavěšen na stropě či stěně). V letním čase je výkon systému dostatečný a TUV je dostatek. V přechodném období a v zimě je vhodné pouţít další zdroj ohřevu (elektrickou vloţku či plynovou spirálu) , který zajišťuje dohřev vody na poţadovanou teplotu (50°). V letních měsících, kdy je teplé vody dostatek je vhodné pouţít bivalentní či trivalentní zásobník a umístit do něj přebytečnou teplou vodu (Quantum, 2008), (ZSSeifertova, 2013). Solární hnací čerpadlo - zajišťuje oběh teplonosné kapaliny solárním systémem. U menších solárních systémů ( do 20 m2 plochy kolektoru) je moţné vyuţít vibračních čerpadel. Její nevýhodou je nemoţnost regulace. Regulujeme pouze zapínáním a vypínáním čerpadla. Oběhové čerpadlo musí být správně dimenzováno na základě poţadovaného průtoku a tlakové ztráty v potrubí. Chceme-li dosáhnout u větších systémů nejoptimálnějšího průtoku, vyuţíváme čerpadla s frekvenčním měničem, jenţ nám umoţňuje plynule měnit rychlost, vibrace a vyuţívat tak plynulé změny pohybu solární kapaliny. Optimální průtok přes kolektory se nastavuje v rozmezí 1-2 l/min (Quantum, 2008), (ZSSeifertova, 2013). Pojistný ventil - se pouţívají k ochraně proti nadměrnému tlakovému zatíţení v primárních okruzích solárního systému. Pojistný ventil se nastavuje na tlak cca 6 bar a při jeho dosaţení se ventil otevře a dojde k vypuštění média do atmosféry, aby se nepoškodily solární kolektory a další zařízení (Quantum, 2008), (ZSSeifertova, 2013). Odvzdušňovací ventil - se umisťuje na nejvyšší část solárního systému a pouţívají se v primárním uzavřeném okruhu k automatickému uvolňování vzduchu obsaţeného v kapalině. Vlivem odvzdušňování dochází k poklesu tlaku, tudíţ je nutné v pravidelných intervalech tlak kontrolovat, popřípadě
nutnosti okruh dotlakovat (Quantum, 2008),
(ZSSeifertova, 2013). Solární regulace - důleţitý prvek systému, ovládá automatický chod celé soustavy. Vyhodnocuje pomocí teplotních čidel rozdíl teplot v zásobníku TUV a na výstupu kolektoru. V případě, ţe je v solárním kolektoru teplota vyšší o nastavenou hodnotu, sepne oběhové čerpadlo a teplonosné médium je dopravováno do místa, kde předá svoji tepelnou energii (např. výměník). Oběhové čerpadlo se po vyrovnání teplot automaticky zastaví. Expanzní nádoba - vyrovnává tlak, který se mění vlivem změny teploty média v primárním okruhu solárního systému a zabraňuje tak poškození rozvodů či jiných komponentů. Expanzní nádoba bývá nastavena na 3,5 bar (Quantum, 2008), (ZSSeifertova, 2013). 36
Nemrznoucí směs - teplonosné médium, které je určené pro přenos tepelné energie mezi kolektorem a místem uţití ( výměník, bazén). Její bod tuhnutí je -30°C, při této teplotě se vytvoří pouze emulze, která nepoškozuje rozvody a je moţné celoročního provozu (Quantum, 2008), (ZSSeifertova, 2013).
11.3 Ohřev vody v bazénu Vybrat nejvhodnější solární systém pro bazén není sloţité. Je nutné si stanovit výši investice. Je celá řada způsobů,
jak
bazén
ohřát, s tím také souvisí i
velikost
a mnoţství
bazénu potřebné
energie pro ohřev vody. Nejlevnějším řešením je ohřev vody za pomocí solárních a tento
absorbérů systém
vyuţívá pro sezónní
se pouze
ohřev
v
letním období. Solární absorbéry Obr. č. 9 Popis ohřevu vody v bazénu (M-SOLARTOP, 2009)
jsou
zhotoveny z plastových materiálů
(např.
polypropylen), nebo speciální gumy. Jedná se o přímý ohřev vody v bazénu. Absorbér je tvořen soustavou kanálků, do kterých je přiváděna voda z bazénu pomocí přívodního potrubí. V absorpční ploše se ohřívá voda slunečním zářením a horním potrubím je odváděna zpět do bazénu. Oběh vody přes absorbéry zajišťuje čerpadlo. Čerpadlo je spouštěno solární regulací, která měří pomocí teplotních čidel teplotu absorpční plochy. Díky nastavení správného průtoku dosáhneme maximální účinnosti. Absorbér je nutné umístit a upevnit na vhodnou střechu nebo konstrukci volně do prostoru. Optimální sklon je v rozmezí 15-30°. Výhodou tohoto systému je nízká cena a jednoduchá instalace a nevýhodou je niţší ţivotnost, která se pohybuje většinou do 15 let. Před zimou je nutné důkladné vypuštění systému. Roční úspora se pohybuje nad 70 %. V případě dobře 37
navrhnutého systému se investice vrátí za 5 - 7 let. Průměrná domácnost ušetří aţ 13 000 Kč (Bednář, 2013), (Koníček, 2009).
11.4 Solární systém pro vytápění Solární systémy k vytápění jsou poněkud sloţitější a draţší. Velikost systému závisí na velikosti budovy, která je vytápěna, na její tepelné ztrátě a na typu otopné soustavy. Nejvíce tepla je potřeba v zimě, kombinujeme tedy sluneční energii i s klasickým zdrojem ohřevu, jenţ je schopen vodu v systému ohřát i za předpokladu, kdy intenzita slunečního záření není dostatečná. Ideální podmínkou je mít podlahové vytápění s teplotním spádem 40 °C na 35 °C nebo velkoplošné radiátory se spádem 50 °C na 40 °C a nejvýhodnější sklon kolektorů je směrem k jihu ve sklonu 45° a mít dostatečně rozlehlou sedlovou nebo plochou střechu (Solarenvi, 2013). 11.4.1 Pasivní solární systémy Ohřívání místností za pomocí slunečního záření není nic nového. Jiţ ve Starém Řecku byl vyvinut dům, nazývaný ,,Sokratův dům", jenţ byl navrţený tak, aby v letním období byl dobře chráněn vnitřní prostor před slunečním zářením a v zimním období byl co nejvíce otevřen a umoţnilo tak slunečním paprskům vnikat co nejvíce do prostoru domu. Stavitelé vycházeli ze znalostí geometrie slunečních paprsků (Ševčíková, Klímová a Čuprová, 2003). Akumulační solární stěny Tvoří základní prvek solární architektury. Jiţní strana pracuje jako kolektor, tedy stěny a podlaha jsou tvořeny z těţkého dobře tepelně vodivého materiálu. Vyuţívá se tzv. ,,Trombeho stěna". Povrch stěny je natřený tmavou barvou zevnitř exteriéru a zvenku je zakryta většinou dvojitým zasklením. Mechanismus fungování je jednoduchý, dopadající sluneční záření zahřívá povrch stěny a teplo je vedeno do místnosti. Stěna působí jako zásobník tepla a zároveň jako kolektor. Největší teploty na povrchu vnější stěny dosáhneme v odpoledních hodinách. Díky tepelné kapacitě stěny prostupuje teplo o 5-12 h později. Tato stěna je tedy doplněna systémem ,,okno", jenţ poskytuje okamţitý zisk tepelné energie. V některých případech je stěna opatřena otvory umoţňující vhánět teplo mezi zasklením a stěnou přímo do vnitřního prostoru. Aby nedocházelo ke ztrátám tepelné
38
energie, pouţíváme kvalitních dvojskel nebo trojskel (Ševčíková, Klímová a Čuprová, 2003). Nezasklený solární vzduchový kolektor Vzduchové kolektory se vyuţívají hlavně v nízkoenergetických nebo pasivních domech a jsou vhodné pro zabudování do stávajících větracích systémů. Základem tvoří děrovaný trapézový plech, který se umísťuje na fasádu ve vzdálenosti 2 - 4 cm od zateplené obvodové stěny. Mezi fasádou a plechem vytváří ventilátor podtlak a tím se nasává vzduch do dutiny přes děrování. Dutinou vzduch stoupá vzhůru, ohřívá se a je dále rozváděn větracím zařízením. Tento systém má účinnost 60 - 70 % a sniţuje tepelné ztráty. Teplota vzduchu se můţe zvýšit o 10 - 25 °C. Systém se pouţívá v místě, kde jsou jiţně orientované fasády bez oken a potřebujeme-li dosáhnout výměny vzduchu ve velkém mnoţství (např. průmyslové objekty) (Ševčíková a Klímová, 2003). Energetické fasády Energetické fasády jsou jednoduché vzduchové kolektory, jejichţ transparentní vrstvu tvoří skleněná deska a absorpční povrch normální fasáda. Pomocí těchto kolektorů zásobujeme teplem celou budovu. V zimním období se teplo zachycené fasádou vyuţije pro vytápění a v letním období má energetická fasáda schopnost odvádět větší část tepelné zátěţe, která dopadá na osluněnou stranu budovy. Fasáda pracuje jako větrací šachta s přirozenou cirkulací vzduchu (Ševčíková a Klímová, 2003). Dvojité transparentní fasády Jedná se o vzduchový kolektor jako v předcházejícím případě, který je tvořen skleněnými deskami předsazenými před obvodovou prosklenou konstrukcí. Ve vzniklé dutině jsou umístěny otvory a stínící prvky, které umoţňují regulaci vzduchu ve vnějším plášti. Tyto fasády nabízejí účinnou ochranu proti pouličnímu hluku při vhodné koncepci větrání, zlepšují funkci tepelné izolace a mohou se pouţít k ohřívání čerstvého vzduchu. Konstrukce chrání nejen fasádu, ale i zařízení protisluneční ochrany (Ševčíková a Klímová, 2003). Energetická střecha Energetická střecha je vzduchový kolektor, jenţ je zabudovaný do roviny střešní konstrukce. Tento způsob se kombinuje se stěnovým vzduchovým kolektorem. Nutný je 39
určitý výškový rozdíl mezi vstupem a výstupem vzduchu, aby se při letním provozu s přirozenou cirkulací vzduchu dosáhlo dostatečného účinného vztlaku. Systém je vhodný pro střechy s úhlem minimálně 30°. Vzduch se tak dostává do výměníku tepla (Ševčíková a Klímová, 2003).
Transparentní tepelná izolace Jsou to materiály, které mají tepelně izolační vlastnosti srovnatelné s klasickými tepelně izolačními materiály (minerální vata, polystyren) a má nízkou tepelnou ztrátu. Díky těmto vlastnostem dochází ke sníţení potřeby tepelné energie v budovách. Jsou vyráběny ze skla, a nebo z plastů. Pro větší přínos je moţné tento materiál spojit s Trombeho stěnou. Pro realizaci této tepelné izolace se nejčastěji vyuţívá voštinových struktur, křemičitého aerogelu, akrylátové pěny tepla (Ševčíková a Klímová, 2003). Zimní zahrada Zimní zahrada je vlastně skleník, který je přistavěný k jiţní straně domu. Vyuţívá se slunečního záření, které skleník vyhřívá a teplo prostupuje do prostoru domu. Velmi důleţitý prvek tohoto systému je vzduchotechnika, díky níţ v letním období nedochází k přehřívání domu. Jiţní strana zdi, na které je přiváděno teplo, by měla mít velmi dobrou tepelnou vodivost. V našich klimatických podmínkách můţe v zimním období docházet k tepelným ztrátám (Ševčíková a Klímová, 2003). 11.4.2 Aktivní solární systémy Aktivní solární systém pro vytápění vyuţívá solární energii k ohřevu kapaliny nebo vzduchu. Pokud solární systém dostatečně nevytápí daný prostor, uţívá se pomocný nebo zálohový zdroj tepla, jenţ nám dostatečné teplo poskytne. Nejpouţívanější jsou kapalné systémy, které jsou součástí topného systému pro sálavé vytápění, pro ohřev teplé vody v kotlích a rozvod tepla radiátory, a dokonce i pro tepelná čerpadla (Oplová, 2013). Kapalinové aktivní solární vytápění Kapalinové kolektory jsou nejvhodnější pro ústřední vytápění. Funkci mají stejnou jako u systémů pro ohřev vody. Nejčastější jsou ploché kolektory, další moţností jsou také koncentrované kolektory a vakuové trubice. Kapalina obíhající v kolektoru protéká rychle a její teplota se zvyšuje pouze o 5,6 aţ 11 °C. Ohřev menšího mnoţství kapaliny sniţuje
40
účinnost systému. Kapalina je vedena buď do skladovací nádrţe, nebo přímo do výměníku pro okamţité pouţití (Oplová, 2013). Akumulace tepla v kapalinových systémech Kapalinové solární systémy ukládá sluneční teplo v nádrţích s vodou, nebo ve zdivu sálavého deskového topného systému. Podle celé konstrukce systému se pouţívají nádrţe tlakové nebo beztlaké. Před výběrem akumulačních nádrţí se zvaţují náklady, odolnost, velikost a její umístění. Nádrţe mají určité limity pro tlak a teplotu, které musí budova splňovat. Důleţitá je izolace a jaký druh ochranného povrchu je potřeba proti korozi nebo úniku. Speciální nádrţe jsou obvykle z nerezové oceli, sklolaminátu nebo vysoko tepelného plastu. Nádrţe mohou být také dřevěné nebo betonové. Praktičtější moţností je pouţít několik menších nádrţí, neţ jednu velkou. Nejjednodušší moţností úloţného systému je pouţít domácí ohřívače vody (Oplová, 2013). Distribuce tepla v kapalinových systémech Pro distribuci slunečního tepla se vyuţívá podlahové vytápění, teplovodní podlahové lišty, radiátory, nebo ústřední systém cirkulace vzduchu. V podlahových systémech cirkuluje solárně ohřátá kapalina trubkami umístěné v tenké betonové desce podlahy, která pak vyzařuje teplo v daném prostoru. Pro kapalinové solární systémy je podlahové vytápění ideální, protoţe funguje i při relativně nízkých teplotách. Koberce sniţují účinnost podlahového vytápění. Dobře navrţený systém nepotřebuje samostatný zásobník tepla, i kdyţ je pouţíván pro regulaci. Instalují se konvekční kotle nebo dokonce standardní domácí ohřívače vody jako zálohy tepla. Vysoká účinnost vyţaduje, aby teplovodní podlahové lišty měly teplotu vody mezi 70 a 80 °C. Existuje několik moţností, jak začlenit kapalinové systémy do topného systému cirkulací vzduchu. Záměrem je umístit výměník tepla nebo ohřívač v hlavní místnosti. Vzduch vracející se z obytných prostor je ohříván prouděním ve výměníku tepla. Spirála musí být dostatečně velká, aby přenesla dostatečné mnoţství tepla do vzduchu, při niţší provozní teplotě kolektoru. Další teplo je dle potřeby dodáváno z pece (Oplová, 2013). Vzduchové solární vytápění Solární vzduchové kolektory mají schopnost vytápět jednotlivé místnosti, ohřívat dodaný vzduch do ventilátoru, nebo být zdrojem vzduchu tepelného čerpadla pomocí cívky. Vzduchové kolektory produkují teplo déle neţ jiţ zmíněný kapalinový systém. Během 41
topné sezony mohou produkovat více pouţitelné energie neţ kapalinové systémy stejné velikosti. Tyto systémy jsou na rozdíl od kapalinových systémů chráněny před mrazem a drobné úniky z přívodního potrubí nebo kolektoru, nezpůsobují váţné problémy. Vzduch přenosné zařízení tepla, které je méně účinné neţ kapalina. Kolektory bývají často zabudovány do stěn nebo střech a bývají skryté. Topné solární systémy jsou ohřívače vzduchu většinou umístěné přímo v místnosti (Oplová, 2013). Ohřívače vzduchu v místnosti Vzduchový kolektor se skládá z izolovaného rámu a černé kovové desky absorbující teplo přes sklo před ní. Deska je ohřívána slunečním zářením a ohřívá se tím vzduch v kolektoru. Z místnosti je vzduch ventilátorem vháněn do kolektoru a poté zase zpět do místnosti. Střešní kolektory vyţadují potrubí, kterým proudí vzduch mezi jednotlivými místnostmi. Nástěnné kolektory se umisťují přímo na jiţní zdi a pro přísun vzduchu do kolektorů a dodávku tepla do místnosti jsou vytvořeny ve stěně otvory (Oplová, 2013). Jednoduché boxy okenních kolektorů mohou být aktivní (pomocí ventilátoru) nebo pasivní. U pasivních kolektorů vzduch vstupuje do spodní části kolektoru, zahříváním stoupá a proudí do místnosti. Zpětné proudění vzduchu z místnosti do kolektorů brání přepáţka nebo klapka, v době, kdy nesvítí slunce. Tyto systémy mají plochu poměrně malou a poskytují pouze malé mnoţství tepla (Oplová, 2013). Absorbující vzduchové kolektory Tyto kolektory vyuţívají jednoduchou technologii, která zachycuje sluneční teplo na vyhřátých budovách. Kolektory se skládají z tmavých, perforovaných plechů, jeţ jsou instalovány v průběhu stavby na jiţní zdi. Vzdušný prostor je vytvořen mezi starou zdí a novou fasádou. Vnější tmavá fasáda absorbuje sluneční záření a ve slunných dnech se velmi rychle ohřívá vzduchový prostor, i kdyţ je venkovní vzduch studený. Čerstvý vzduch je ventilátorem přiváděn do budovy přes malé otvory v kolektorech a ze vzdušných prostorů mezi kolektory na jiţní stěně. Solární energie ohřívá vzduch ve vzduchových kolektorech aţ o 4,5 °C. Absorbující vzduchové kolektory nevyţadují drahé zasklení, jsou nejvhodnější pro velké stavby s velkým počtem větracích zařízení, coţ je skutečnost, ţe pro dobře izolované stavby jsou tyto systémy nevhodné. Malé vzduchové kolektory však mohou slouţit k předehřátí vzduchu, který proudí do ventilátoru, dále mohou zahřát vzduch v cívce, jeţ je zdrojem tepla vzduchového čerpadla, a nebo zlepšit jeho účinnost a komfortní úroveň pro chladné dny (Oplová, 2013). 42
12 FOTOVOLTAICKÁ ELEKTRÁRNA RODINNÉHO DOMU V SYROVICÍCH Technické řešení Technické řešení se skládá z instalace z nejvýkonnějších fotovoltaických panelů Kyocera KC-205GHT-2P o nominálním výkonu 205 W. Montáţ je na sedlové střeše rodinného domu ve sklonu, který kopíruje sklon střechy tohoto rodinného domu, tedy 35°. Fotovoltaické panely jsou instalovány na hliníkové konstrukci. Propojení mezi FV panely se střídači el. proudu je řešeno typizovaným kabelem H07RNF. Veškerá kabeláţ bude instalována ve ţlabech a chráničích k tomu určených. Stejnosměrný proud přicházející z panelů převádí na střídavý měnič řady IG plus od rakouského výrobce Fronius. Měnič je doplněn rozhraním umoţňující propojení s PC. Komunikace probíhá modemem. Software dodávaný s měniči umoţňuje jejich sledování a ovládání z jakéhokoliv počítače na světě připojeného k internetu. Popis fotovoltaických panelů Kyocera Fotovoltaické panely Kyocera jsou vyráběny z polykrystalického křemíku. Základem pro výrobu panelů je křemíková drť, která je následným procesem slisována do křemíkových kvádrů a křemíkové pláty, které jsou implantovány přímo do fotovoltaického panelu. Tyto články mají účinnost 16 %. Mezi křemíkovými pláty vznikají relativně vysoké odpory, které je potřeba účinně eliminovat. Keramické pláty jsou proto rozmístěny tak, aby v kaţdém poli fotovoltaického panelu byly odpory co nejmenší. Co se týče porovnání s fotovoltaickými panely vyráběných z monokrystalického křemíku, mají panely Kyocera srovnatelné parametry. Výrobce Kyocera garantuje technické výstupní parametry fotovoltaických panelů na dobu 20 let. Parametry fotovoltaického systému Celkový instalovaný výkon: 4,92 kWp Typ fotovoltaických panelů: KC-205GHT-2P, (205 W), 24 ks Typ proudového měniče: Fronius IG 50 Plus, 1 ks
43
Tab. č. 2 Cenová kalkulace Označení
Cena za ks (Kč) Mnoţství Cena (Kč)
Solární panel KD-205GH-2P
18 000
24 ks
432 000
Frekvenční měnič Fronius IG 40
48 011
1 ks
48 011
53 Kč/m
100 m
5 300
Propojení elektro - Lappkabel-Solarthem 6x1 Cena celkem bez DPH
485 311
(Zdroj: vlastní tvorba)
Tab. č. 3 Montáţní práce a úchytný materiál Označení
Cena za ks Mnoţství (Kč)
Cena (Kč)
Konstrukce pro PV panely- lišty, úchyty...
1 700
24 ks
40 800
Montáţní materiál
2 400
1 kpl
2 400
600
24 ks
14 400
15 500
1 kpl
15 500
29 500
1 kpl
29 500
4 500
1 kpl
Doprava
4 000
1 kpl
Příprava dokumentů E.O.N. distribuce
1 500
1 kpl
Vyřízení licence
2 300
1 kpl
Montáţní práce (PV panely, úchytné konstrukce, propojení elektro) Projektová dokumentace (projekce PV systému, elektro projekt Elektro příslušenství - přepěťové ochrany, podruţný rozvaděč, prokabelování Nastavení PV systému pro zapojení distribuční sítě
Cena celkem bez DPH
114 900
(Zdroj: vlastní tvorba)
Tab. č. 4 Cenová rekapitulace Označení
Cena za ks (Kč) Mnoţství Cena (Kč)
Dodávka zařízení
1 kpl
485 311
Montáţní práce a úchytný materiál
1 kpl
114 900
Cena celkem bez DPH
600 211
Cena celkem s 9 % DPH
641 176
(Zdroj: vlastní tvorba)
44
Předpokládaná výtěţnost fotovoltaického systému Nominální výkon FV systému: 4,92 kW Sklon modulů: 35° Orientace (azimut) modulů: 40° Odhadované ztráty vlivem teploty: 7,1 % ( s pouţitím databáze teplot) Odhadované ztráty vlivem úhlové odrazivosti: 3 % Ostatní ztráty (kabely, měnič, atd.): 5,5 % Celkové ztráty systému 15,6 % Tab. č. 5 a) Předpokládané výsledné hodnoty: Měsíc
Výroba za měsíc Výroba za den (kWh/měsíčně)
(kWh/den)
Leden
151
4,9
Únor
232
8,3
Březen
396
12,3
Duben
524
17,5
Květen
637
20,5
Červen
609
20,3
Červenec
664
21,4
Srpen
591
19,1
Září
433
14,4
Říjen
345
11,1
Listopad
152
5,1
Prosinec
105
3,4
Průměr
403
13,3
Celková roční
4839
výroba (kWh/rok) (Zdroj: vlastní tvorba)
45
Tab. č. 6 b) Předpokládané výsledné hodnoty Předpokládaná roční výroba elektřiny včetně
4839 kWh
započítaných ztrát Předpokládaný roční výnos: 4839 kWh x 11,91 Kč/kWh=
57 633 Kč bez DPH 9 094 Kč bez DPH
Přebytky + samospotřeba (Kč/rok) = Celkové investiční náklady na realizaci FV elektrárny
Cca 641 176 Kč vč. DPH
Návratnost investic ( bez získání dotace)
9,6 let
(Zdroj: vlastní tvorba)
Tab. č. 7 Výroba elektrické energie v roce 2010, 2011, 2012 po jednotlivých měsících
MĚSÍC
Výroba (kWh/měsíčně) za rok 2010
2011
2012
leden
9
111
213
únor
136
329
324
březen
485
554
552
duben
606
594
588
květen
456
754
695
červen
614
661
633
červenec
662
587
582
srpen
594
639
599
září
434
589
355
říjen
371
363
232
listopad
158
182
138
prosinec
71
116
136
4596
5479
5047
Celková roční výroba (kWh/rok) (Zdroj: vlastní tvorba)
46
Graf č. 1: Výroba el. energie v roce 2010, 2011, 2012 po jednotlivých měsících + předpokládaná výroba
800 700
kWh/měsíc
600 500 400
Předpoklad
300
Rok 2010
200
Rok 2011
100
Rok 2012
0
Měsíc
Na základě naměřených výsledných hodnot z roku 2010, 2011 a 2012 bylo zjištěno, ţe v roce 2010 se vyrobilo nejméně elektrické energie a to 4596 kWh. Nejméně slunečný měsíc v tomto roce byl leden, vyrobilo se pouze 9 kWh a naopak v červenci byla naměřená hodnota 662 kWh. Sluneční svit byl intenzivnější v roce 2011, kdy bylo vyrobeno o necelých 1000 kW více, tedy 5479 kW (o 12 % ). Nejslunnějším měsícem tohoto roku byl květen, kde bylo naměřeno 754 kW, coţ je o 300 kWh více neţ v předcházejícím roku. Rok 2012 byl spíše průměrný, celková roční výroba činila 5047 kWh, tedy jen o 4,2% více neţ je předpoklad.
47
Obr. č. 10 Fotovoltaická elektrárna v Syrovicích
Obr. č. 10 (zdroj: vlastní)
48
13 ZÁVĚR Fotovoltaika se díky stále novým technologiím velmi rychle rozvíjí. Slunce svítí a bude svítit asi ještě 7 miliard let a záleţí jen na nás, jak budeme přistupovat k procesu vyuţívání obnovitelných zdrojů energie. Ze zjištěných měření a výsledných hodnot FVE v Syrovicích bylo zjištěno, ţe nejproduktivnějším rokem, v porovnání minulých tří let, byl rok 2011, kde bylo vyrobeno 5479 kWh. Předpokládaná výroba těchto panelů udává 4839 kWh za rok, coţ je hodnota, která byla v roce 2011 a 2012 překonána. Meteorologie nám udává, ţe nejproduktivnější měsíc během roku by měl být květen, coţ podle naměřených výsledků odpovídá. Ale kromě roku 2010, kde bylo v květnu vyrobeno pouze 456 kWh, téměř o 300 kWh méně. Fotovoltaické zařízení má ve srovnání s jinými zdroji elektrické energie řadu ekologických i provozních výhod. Je to prakticky nevyčerpatelný zdroj energie, při provozu nevznikají ţádné emise, provoz je bezhlučný, instalace panelů je jednoduchá, má snadnou elektrickou regulaci a vysokou provozní spolehlivost. V našich klimatických podmínkách musíme počítat i s nevýhodami, které mohou omezit nebo zcela znemoţnit efektivitu fotovoltaických zařízení. Tvoří ji průměrná roční intenzita slunečního záření, potřeba záloţního zdroje elektrické energie, kolísání intenzity záření v průběhu roku, vysoké investiční náklady na instalaci a v poměru k ceně i krátká ţivotnost (cca 20 let). U nás došlo k nárůstu instalace fotovoltaických elektráren v roce 2009 a 2010, v té době byla výkupní cena zelené energie ještě garantována. V roce 2012 stát garantoval jen malé elektrárny (do 30 kW) a větší elektrárny uţ podporu nedostávali. Od začátku roku 2013 je u elektráren s výkonem 0-5 kW výkupní cena 3,41 Kč/W, zelený bonus 2,86 Kč/W a u elektráren s výkonem 5-30 kW je výkupní cena 2,83 Kč/W a zelený bonus 2,28 Kč/W. V porovnání výkupních cen elektřiny předchozích let došlo k poklesu o 45 – 60 %. Podle asociace sdruţující podnikatele ve fotovoltaice (CZEPHO) klesly náklady a ceny solární techniky maximálně o 10 – 20 %. Díky tomu dochází k narušení závazku vlády, ţe výkupní ceny budou stanovovány tak, aby se návratnost investice pohybovala kolem 15 let. Fotovoltaika není jediný obor, kde došlo ke sníţení podpory na výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů. V tomto roce došlo nebo dojde ke sníţení podpory na výrobu energie z biomasy, poklesne také podpora bioplynových stanic, větrných elektráren a o jedno procento se sníţí i výkupní ceny elektřiny z malých vodních elektráren.
49
Solární elektrárny zabírají v Česku plochu zhruba 4000 hektarů nejkvalitnější zemědělské půdy. V březnu tohoto roku to bylo uvedeno zástupci Agrární komory v tiskové zprávě. Solární elektrárny mohou na zemědělské půdě stát aţ 30 let, čímţ se můţe její kvalita znatelně zhoršit. Předseda komory Jan Veleba uvedl, ţe elektrárny půdu nepoškodí a po ukončení ţivotnosti fotovoltaických elektráren se musí zajistit rekultivace půdy, aby jej bylo moţné nadále vyuţívat. Fotovoltaika je výborný zdroj elektrické energie, která nemůţe fungovat bez kvalitního legislativního rámce. V Česku byla dříve podpora fotovoltaiky snad největší v Evropě, nyní je naopak moţná nejniţší. Fotovoltaické neboli solární elektrárny se stávají čím dál více předmětem diskusí.
50
14 POUŢITÁ LITERATURA 1.
BECHNÍK, B. Recyklace fotovoltaických panelů na konci ţivotnosti. Tzbinfo.cz [online]. 2011 [cit. 2013-03-23]. Dostupné z: http://oze.tzbinfo.cz/fotovoltaika/7868-recyklace-fotovoltaickych-panelu-na-konci-zivotnosti
2.
BEDNÁŘ, J. Solární ohřev bazénu. Jaromir-bednar.webnode.cz [online]. 2008 [cit. 2013-03-23]. Dostupné z: http://jaromir-bednar.webnode.cz/solarni-systemy/ohrevbazenu/
3.
OPLOVÁ, N. Bydlení: Solární vytápění. Ceskenapady.cz [online]. 2013 [cit. 2013-0320]. Dostupné z: http://www.ceskenapady.cz/solarni-vytapeni-cnp-1038-69220qaktivn%C3%AD+sol%C3%A1rn%C3%AD+syst%C3%A9m.html
4.
ČESKÁ SOLÁRNÍ. Popis solárního systému. Ceska-solarni.cz [online]. 2013a [cit. 2013-03-29]. Dostupné z: http://www.ceska-solarni.cz/powertank/popissystemu.php#01
5.
ČESKÁ SOLÁRNÍ. Fotovoltaika princip. Ceska-solarni.cz [online]. 2013b [cit. 201303-29]. Dostupné z: http://www.ceska-solarni.cz/fotovoltaika_princip.php
6.
ČESKÉ SLUNCE. Systémy připojené na síť. Ceskeslunce.cz [online]. 2013 [cit. 201303-13]. Dostupné z: http://www.ceskeslunce.cz/solarni-systemy.html
7.
ČESKÝ HYDROMETEOROLGICKÝ ÚSTAV. Atlas podnebí Česka. Chmi.cz [online]. 2010 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http:/old.chmi.cz/meteo/ok/atlas/uvod.html
8.
ČEZ. Solární energie: O záření - Přeměny energie. Cez.cz [online]. 2013a [cit. 201303-13]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k13.htm
9.
ČEZ. Elektřina: Polovodiče - fyzikální základy. Cez.cz [online]. 2013b [cit. 2013-0313]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/elektrina/fyz9.htm
10. ČEZ. Solární energie: Fotovoltaický jev. Cez.cz [online]. 2013c [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/f8.htm 11. EKOWATT. Vliv sklonu a orientace. Fotovoltaika.ekowatt.cz [online]. 2008 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http://fotovoltaika.ekowatt.cz/vliv-sklonu-orientace.php 12. EON. Fototermika: Slunce ohřívá vodu zdarma. Eon.energieplus.cz [online]. 2013 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: http://eon.energieplus.cz/ekologicka-energie/slunecnienergie/fototermika-slunce-ohriva-vodu-zdarma
51
13. ERU. Elektřina. Eru.cz [online]. 2013 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: http://www.eru.cz/dias-read_article.php?articleId=488 14. FLEXON. Slunce (rozsahy slunečního spektra). Flexoncz.cz [online]. 2009 [cit. 201303-11]. Dostupné z: http://www.flexoncz.cz/cze/zajimavosti/detail/uvod/slunce--rozsahy-slunecniho-spektra-/ 15. GES. Solární elektrárny. Ges.cz [online]. 2013 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: http://www.ges.cz/cz/solarni-elektrarny/ 16. HÁJEK, T. Vliv stínění na I – U charakteristiky fotovoltaických modulů [online]. Brno, 2010 [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=26767. Bakalářská práce. VUT FEKT. Vedoucí práce Petr Křivík. 17. HASELHUHN, R. Fotovoltaika: budovy jako zdroj proudu. Ostrava: HEL, 2011, 176 s. ISBN 978-80-86167-33-6. 18. HUGHES J., Velká obrazová všeobecná encyklopedie. 1. vyd. Praha. 1999. ISBN 807237-256-4. 19. ISOFEN ENERGY. Zákony a předpisy: Legislativa upravující provozování fotovoltaických elektráren.Isofenenergy.cz [online]. 2009a [cit. 2013-03-23]. Dostupné z: http://www.isofenenergy.cz/Zakony-fotovoltaika.aspx 20. ISOFEN ENERGY. Návratnost a výnosy. Isofenenergy.cz [online]. 2009b [cit. 201303-23]. Dostupné z: http://www.isofenenergy.cz/Navratnost-fotovoltaickeelektrarny.aspx 21. KALAS, L. Simulátor slunečního záření [online]. Brno, 2011 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/8350/solarni_final_standard.pdf?seque nce=1. Bakalářská práce. VUT FEKT. Vedoucí práce Jiří Vaněk. 22. KONÍČEK, R. Ohřev vody v bazénu a solární panely. Energiebydleni.cz [online]. 2008 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: http://www.energiebydleni.cz/energie/solarnienergie/51-ohrev-vody-v-bazenu-a-solarni-panely 23. LIMBERK, O. Solární energetika v ČR. Cez.cz [online]. 2013 [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/file/vzdelavani/10-limberk.pdf 24. MURTINGER, K., J. BERANOVSKÝ a M. TOMEŠ. Fotovoltaika: elektřina ze slunce. 2. vyd. Brno: Era, 2008. ISBN 978-80-7366-133-5. 25. NAZELENO. Energie. Nazeleno.cz [online]. 2008 [cit. 2013-02-05]. Dostupné z: http://www.nazeleno.cz/energie/ 52
26. QUANTUM. Solární systémy. Quantumas.cz. Popis fotovoltaického systému [online]. 2010 [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://www.quantumas.cz 27. SOLÁRNÍ ENERGIE - INFO. Vyuţití solární energie. Solarni-energie.info [online]. 2013 [cit. 2013-02-05]. Dostupné z: http://www.solarni-energie.info/vyuziti.php 28. SOLPOOL. Sluneční záření v České Republice. Solpool.info [online]. 2013 [cit. 201302-25]. Dostupné z: http://www.solpool.info/2065.0.html 29. SOLARENVI. Systémy připojené na síť. Solarenvi.cz [online]. 2013a [cit. 2013-0225]. Dostupné z: http://www.solarenvi.cz/slunecni-elektrarny/typy-instalaci/fvepripojene-na-sit 30. SOLARENVI. Zdravotní a sociální pojištění při provozování FVE. Solarenvi.cz [online]. 2013b [cit. 2013-02-25]. Dostupné z: http://www.solarenvi.cz/slunecni-elektrarny/typy-instalaci/fve-pripojene-na-sit 31. SOLARENVI. Solární systémy na ohřev vody a vytápění objektu. Solarenvi.cz [online]. 2013c [cit. 2013-02-25]. Dostupné z: http://www.solarenvi.cz/slunecni-kolektory/typy-instalaci/solarni-vytapeni-a-ohrevvody 32. SUNNYWATT. Ostrovní systémy. Solarnielektrarny.cz [online]. 2010 [cit. 2013-0313]. Dostupné z: http://www.solarnielektrarny.cz/nase_produkty/ostrovni-systemy/ 33. SILEKTRO. Vliv stínění. Zdroje-energie.cz [online]. 2013 [cit. 2013-03-18]. Dostupné z: http://www.zdrojeenergie.cz/index.php?Title=Vliv%20st%C3%ADn%C4%9Bn%C3%AD& 34. SMA SOLAR TECHNOLOGY. Návrh fotovoltaického systému. Solar-isfuture.cz [online]. 2013 [cit. 2013-03-19]. Dostupné z: http://www.solar-isfuture.cz/fv-energie-pro-vas-dum/navrh-vaseho-fv-zarizeni/typy-montaze/index.html 35. SKVĚLÉ BYDLENÍ. Solární vytápění domu. Skvele-bydleni.cz [online]. 2009 [cit. 2013-03-28]. Dostupné z: http://www.skvele-bydleni.cz/vytapeni/solarni-vytapenidomu.html 36. ŠEVČÍKOVÁ, L.a KLÍMOVÁ, S. Pasivní solární systémy. Příspěvek na konferenci. In Juniorstav. Sborník 6. odborné konference doktorského studia [online]. Brno: VUT FAST, 2004 [cit. 2010-03-13]. ISBN 80-214-2560-1. Dostupné z: http://www.fce.vutbr.cz/veda/dk2004texty/pdf/01_Pozemni%20stavitelstvi/1_03_Pros tredi%20v%20budovach/Sevcikova_Lenka.pdf
53
37. ŠEVČÍKOVÁ, L., S. KLÍMOVÁ a D. ČUPROVÁ. Pasivní solární energie - nové trendy. Tzb-info.cz [online]. 2003 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http://www.tzbinfo.cz/1705-pasivni-solarni-energie-nove-trendy 38. ŠIŇOR, M. Sluneční záření. Troja.fjfi.cvut.cz [online]. 2000 [cit. 2013-02-08]. Dostupné z: http://vega.fjfi.cvut.cz/docs/sfbe/opt_jevy/node4.html 39. ŠTOLC, I. Projektování fotovoltaických zařízení na plochy střech. Solartechnika.sk [online]. 2008 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http://www.solartechnika.sk/solartechnika-22010/projektovani-fotovoltaickychzarizeni-na-plochy-strech.html 40. VARIOSOL. Popis solárního systému.Variosol.cz [online] 2010 [cit. 2013-04-03]. Dostupné z: http://www.varisol.cz/cz/popis-solarniho-systemu 41. ZEMÁNEK, R. Fotovoltaika: Elektromagnetické záření. Fotovoltaika.falconis.cz [online]. 2009 [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: http://fotovoltaika.falconis.cz/slunce/elektromagneticke-zareni.php 42. VONATAL. Recyklace. Vonatal.cz [online]. 2011 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http://www.vonatal.cz/recyklace.html 43. VŠB. Základní fyzikální principy a technologie fotovoltaických solárních článků. Rccv.vsb.cz [online]. 2009 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http://rccv.vsb.cz/Island/docs/Fotovoltaika3.pdf 44. ZSSEIFERTOVA. Fototermické solární systémy. Zsseifertova.ji.cz [online]. 2013 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http://www.zsseifertova.ji.cz/sites/default/files/html/slundos/ft.pdf 45. WODAGREEN. Jak na to - Solární ohřev vody + TUV. Wodagreen.com [online]. 2013 [cit. 2013-03-13]. Dostupné z: http://www.wodagreen.com/jaknato/tuv/wdstuv.htm
54
15 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Roční průměrný úhrn slunečního záření (CHMÚ, 2012).........................................13 Obr. 2 Řez fotovoltaickým článkem (ČEZ, 2013).................................................................16 Obr. 3 Připojení bez zdroje napětí (ČEZ,2013)...................................................................17 Obr. 4 Připojení v závěrném směru (ČEZ, 2013)................................................................17 Obr. 5 Připojení v propustném směru (ČEZ, 2013).............................................................17 Obr. 6 Režim vlastní spotřeby a prodeje přebytků (SOLARENVI, 2013)............................20 Obr. 7 Režim přímého prodeje el. energie do sítě (SOLARENVI, 2013).............................21 Obr. 8 Popis solárního systému (VARIOSOL, 2010)...........................................................34 Obr. 9 Popis ohřevu vody v bazénu (M-SOLARTOP, 2009)...............................................37 Obr. 10 Fotovoltaická elektrárna v Syrovicích (2013)........................................................48
55
