MASARYKOVA UNIVERZITA Pedagogická fakulta

Transkript

1 MASARYKOVA UNIVERZITA Pedagogická fakulta Katedra fyziky Možnosti optimalizace fotovoltaických elektráren Diplomová práce Brno 2012 Vedoucí diplomové práce: doc. RNDr. Petr Sládek, CSc. Vypracovala: Bc. Lucie Ondrušková

2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma Možnosti optimalizace fotovoltaických elektráren vypracovala samostatně a použila jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém soupisu literatury. Souhlasím, aby práce byla uložena v knihovně Masarykovy univerzity a zpřístupněna ke studijním účelům. V Brně Podpis studenta

3 Mé velké díky patří panu doc. RNDr. Petru Sládkovi, CSc. za jeho vstřícnost a odborné rady i nápady při zpracování mé diplomové práce. Dále bych své poděkování chtěla věnovat panu prof. Ing. Oldřichu Zmeškalovi, CSc. za vypůjčení a obsluhu termokamery a Mgr. Lukáši Pawerovi za pomoc při měřeních a získávání dat.

4 Anotace Cílem diplomové práce Možnosti optimalizace fotovoltaických elektráren je prozkoumání vlivu vybraných faktorů na provoz fotovoltaických elektráren. Teoretická část se věnuje sluneční energii a jejímu využití a fotovoltaice z pohledu podmínek, vývoje, výhod i nevýhod, technologií a také z pohledu zastoupení mezi ostatními zdroji elektrické energie. Tato práce také nastiňuje legislativní podmínky v České republice a poukazuje na vybrané problémy instalovaných fotovoltaických elektráren. V praktické části se je vyhodnocen vliv znečištění na provoz fotovoltaické elektrárny v Zaječí a dále jsou také shrnuty výsledky měření provedeného na fotovoltaické elektrárně na Pedagogické fakultě Masarykovy univerzity. Při těchto měřeních byly simulovány situace, při kterých dochází k zastínění fotovoltaického panelu znečištěním. Dále bylo provedeno monitorování termokamerou a srovnávání výkonů dvou typů fotovoltaických panelů v závislosti na teplotě a intenzitě ozáření. Annotation The aim of the thesis "Possibilities of optimization of photovoltaic power plants" is to explore the influence of selected factors on the operation of photovoltaic power plants. A theoretical part deals with solar energy and its exploration and photovoltaics from in terms of conditions, development, advantages and disadvantages, technologies and also in terms of its share within other renewables. This paper also captures legislative environment in the Czech Republic and points at selected issues of the installed photovoltaic power plants. In a practical part there is an assessment of the effects of pollution on function of the photovoltaic power plant Zaječí and there are also results of the measurement conducted in photovoltaic power plant at the Pedagogical Faculty of the Masaryk University. During these measurements situations simulating shading of the photovoltaic panel by pollution took place. Further there was a thermal imager monitoring and comparison of the power of two types of photovoltaic panels depending on temperature and irradiation intensity. Klíčová slova fotovoltaický panel; znečištění; výkon; ztráty; intenzita ozáření; teplota Key terms photovoltaic panel; pollution; power; losses; irradiation intensity; temperature

5 Obsah 1. ÚVOD SLUNEČNÍ ENERGIE NA ZEMI SLOŽKY SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ INTENZITA SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE FOTOVOLTAIKA FOTOVOLTAICKÝ POTENCIÁL A PODMÍNKY PRO FOTOVOLTAIKU VÝVOJ FOTOVOLTAIKY VÝHODY FOTOVOLTAIKY Fotovoltaika a zaměstnanost Recyklace fotovoltaických panelů Propojení fotovoltaiky a stavebnictví Využití v nedostupných oblastech (grid - off systém) Fotovoltaika a CO Budoucnost aplikací NEVÝHODY FOTOVOLTAIKY A MOŽNOSTI JEJICH KOMPENZACÍ PODÍL SPOTŘEBOVÁVANÝCH ZDROJŮ ENERGIE Zastoupení fotovoltaiky mezi obnovitelnými zdroji energie v ČR TECHNOLOGIE VE FOTOVOLTAICE Fotovoltaické panely Další komponenty fotovoltaických systémů ROZVOJ FOTOVOLTAIKY A LEGISLATIVNÍ PODMÍNKY V ČR LEGISLATIVNÍ PODMÍNKY V ČR ZPŮSOB PŘIPOJENÍ FOTOVOLTAICKÝCH ELEKTRÁREN VÝVOJ VÝKUPNÍCH CEN V ČR VYBRANÉ PROBLÉMY INSTALOVANÝCH FVE KONKRÉTNÍ APLIKACE... 50

6 6.1. VYHODNOCENÍ PROBLÉMU FVE ZAJEČÍ SE ZNEČIŠTĚNÍM MĚŘENÍ REÁLNÝCH PARAMETRŮ NA FVE PdF MU Měření vlivu hrubých nečistot Monitorování termokamerou Srovnání výkonů dvou typů fotovoltaických panelů v závislosti na teplotě a intenzitě ozáření ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA SEZNAM OBRÁZKŮ, GRAFŮ A TABULEK A JEJICH ZDROJE... 80

7 1. ÚVOD Fotovoltaika je dynamicky rozvíjejícím se oborem a rozšiřuje stále své uplatnění do nových odvětví. Proto se tomuto tématu věnuji i ve své diplomové práci. Práce se zabývá možnostmi optimalizace provozu fotovoltaických elektráren (FVE) z hlediska vlivu znečištění, teploty a intenzity ozáření. Struktura práce je rozdělena na dvě části na teoretickou a praktickou část. Teoretická část vyjde z poznatků čerpaných z odborné literatury, internetových zdrojů i z mé bakalářské práce. V praktické části bude rozebrán konkrétní problém FVE Zaječí a dále zde budou vyhodnocována měření prováděná na FVE Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity (PdF MU). Na téže elektrárně bude provedeno monitorování fotovoltaických panelů pomocí termokamery a získané poznatky budou v praktické části shrnuty. Kapitola o sluneční energii na Zemi stručně shrne obecné poznatky o slunečním záření. V následující kapitole na problematiku fotovoltaiky nahlédnu z několika úhlů pohledu. Přiblížím, jak je možné využívat sluneční energii a jaký je princip fotovoltaické přeměny, jaký je fotovoltaický potenciál a jak je proměnný v závislosti na zeměpisné šířce a klimatických podmínkách. Připojím také vývoj fotovoltaiky, rozeberu její hlavní výhody a zmíním se také o nevýhodách fotovoltaiky, ke kterým přiložím návrhy kompenzací. V této kapitole se dále budu zabývat podílem spotřebovávaných zdrojů energie a pro Českou republiku také zastoupením fotovoltaiky mezi ostatními obnovitelnými zdroji energie. Můj poslední úhel pohledu na fotovoltaiku bude ze strany technologií. V další kapitole zmíním legislativní podmínky pro fotovoltaiku v naší republice, způsoby, jakými je možné FVE připojit a také se zde objeví přehledný vývoj výkupních cen. Poslední teoretickou kapitolu naplní vybrané problémy instalovaných FVE. V praktické části bude rozebrán problém FVE Zaječí se snížením výkonu některých fotovoltaických panelů z důvodu znečištění. Pro ověření vlivu znečištění na výkon fotovoltaických panelů se zde vyskytne simulování problému na FVE PdF MU a data získaná z měření budou následně vyhodnocována. Dále bude následovat monitorování fotovoltaických panelů termokamerou a poté získané výsledky budou srovnány. Na závěr porovnávám výkony dvou typů fotovoltaických panelů v závislosti na teplotě a intenzitě ozáření na základě uložených dat z této elektrárny. 1

8 2. SLUNEČNÍ ENERGIE NA ZEMI 1 Slunce vysílá sluneční záření do všech směrů. Na planetu Zemi dopadá jen nepatrný zlomek této energie, pouze 2 miliardtiny veškeré energie Sluncem vyprodukované. Právě pod tak malým prostorovým úhlem se jeví od Slunce naše Země. Přesto i toto nepatrné množství, které na Zemi dopadá, představuje ročně 180 tisíc terawattů. [1] Roční spotřeba energie celé naší civilizace je pouze asi 10 terawattů. [2] Obr. 1: Energetická krychle [I] 1 kapitola 2. Sluneční energie na zemi vychází z mé bakalářské práce [21] 2

9 2.1. SLOŽKY SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ Část energie, jež dopadá na povrch Země, je při průchodu atmosférou pohlcena či odražena. Po průchodu atmosférou je spektrum slunečního záření pozměněno a ochuzeno o některá pásma, protože dochází i absorpci a rozptylu na molekulách plynů tvořících atmosféru a na částicích prachu nebo aerosolů v atmosféře přítomných. Veškeré sluneční záření dopadající na zemský povrch označujeme jako globální záření. Globální záření obsahuje záření všech vlnových délek přicházejících ze všech směrů. Při praktickém měření intenzity slunečního záření rozlišujeme záření přímé a difuzní (rozptýlené). Při zatažené obloze je přítomna pouze difuzní složka záření. [2] Obr. 2: Přímé a difuzní záření [II] Spektrální rozsah slunečního světla je 30 až nm. Většina sluneční energie přichází v oblasti viditelného záření, energetické maximum je okolo 500 nm. Vlnové délky nižší než cca 300 nm připadají na UV záření, které oko neregistruje. Vlnové délky okolo nm odpovídají fotosynteticky aktivnímu světelnému záření a vlnové délky nad 800 nm se počítají k infračervenému (tepelnému) záření. [2] UV záření o vlnových délkách nižších než cca 300 nm je díky ozonové vrstvě silně pohlcováno v horních vrstvách atmosféry. UV záření je velmi významné z hlediska zdravotního, ale z hlediska energetického je zanedbatelné, protože tvoří pouze pár procent z celkové sumy solární energie dopadající na povrch Země. [2] Přibližně třetina slunečního záření se odráží v atmosféře zpět do vesmíru. Zhruba jedna pětina slunečního záření je pohlcena v atmosféře a polovina je absorbována povrchem Země. [1] 3

10 2.2. INTENZITA SLUNEČNÍHO ZÁŘENÍ Při průchodu slunečního záření atmosférou dochází k částečné změně spektra záření (zastoupení jednotlivých vlnových délek) a ke snížení intenzity záření. Výsledný vliv atmosféry závisí např. na výšce slunce nad obzorem, na nadmořské výšce, na míře znečištění atmosféry, na oblačnosti. [2] Intenzita slunečního záření v daném čase na daném místě souvisí taktéž s pohybem slunce po obloze. Závisí také na denní a roční době a na orientaci a sklonu fotovoltaických panelů. Denní i roční pohyb slunce po obloze lze vypočítat. V určitou dobu na konkrétním místě závisí objem získané energie na výškovém (elevačním) úhlu (α) a na azimutálním úhlu (ф) slunce. [3] Obr. 3: Elevační a azimutální úhel [III] Intenzita slunečního záření na zemském povrchu závisí na tom, jaká je vzdálenost, kterou musí paprsky urazit zemskou atmosférou. Pokud je slunce v nadhlavníku v poledne, je tato vzdálenost nejkratší, zatímco když je slunce skloněno pod úhlem 30 (elevace), musí urazit dvojnásobnou vzdálenost. Čím dále k pólům Země, tím nižší je elevační úhel a to obzvláště během zimních měsíců. [3] 4

11 3. VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE FOTOVOLTAIKA Sluneční energii je v podstatě možné využít ve třech hlavních směrech: jako pasivní tepelnou, které můžeme využít třeba při konstrukci budov (aby nebylo nutné tolik využívat přídavná topení), jako aktivní tepelnou, kde využíváme solární energii pro ohřev vody, anebo jako fotovoltaickou energii pro výrobu elektrického proudu. V případě fotovoltaiky k fungování postačí denní světlo, avšak s intenzitou osvětlení se mění účinnost fotovoltaického systému. [4] Princip fotovoltaiky spočívá v přeměně energie dopadajících fotonů na polovodičové fotovoltaické články na energii elektrickou. Jedná se o velkoplošnou diodu alespoň s jedním přechodem PN. PN přechod je orientován kolmo k čelní ploše mezi přední a zadní stranou. Pokud na fotovoltaický článek dopadají fotony s větší energií, než jaká odpovídá šířce zakázaného pásu, tyto fotony generují páry elektron-díra. Tímto způsobem odevzdávají svou energii a pohlcují se. Případný přebytek energie většinou předají kmitům mřížky a tak ho přemění v teplo, což vede k ohřevu materiálu polovodiče. Páry elektron-díra generované v oblasti přechodu PN jsou od sebe odděleny elektrickým polem E v mezi vázanými prostorovými náboji, díry jsou urychleny ve směru pole, elektrony opačně. Mezi opačnými póly fotovoltaického článku se objeví elektrické napětí a po zapojení do elektrického obvodu (připojením kladného pólu zdroje napětí na P stranu a záporného pólu zdroje na N stranu) teče obvodem stejnosměrný elektrický proud. Fotovoltaický článek se tak stává zdrojem elektrické energie. [5]2 Obr. 4: Fotovoltaický článek [IV] 2 převzato z mé bakalářské práce [21] 5

12 3.1. FOTOVOLTAICKÝ POTENCIÁL A PODMÍNKY PRO FOTOVOLTAIKU 3 Celkové množství sluneční energie, které dopadne na zemský povrch, by mohlo krát uspokojit globální energetickou potřebu. V průměru každý metr čtvereční země na Zemi je vystaven slunečnímu záření, které je schopno za pomocí současně dostupných technologií ročně vyprodukovat kwh. [6] Zeměpisná šířka a klimatické podmínky určují počet dní v roce, kdy slunce svítí a roční úhrn záření (měří se v kwh/m 2 ). Roční úhrn záření dopadající na vodorovný povrch se snižuje se zeměpisnou šířkou. [3] Obr. 5: Mapa fotovoltaického potenciálu pro svět (roční sumy energie dopadající na optimálně orientované fotovoltaické moduly) [V] 3 některé odstavce z kapitoly 3.1. Fotovoltaický potenciál a podmínky pro fotovoltaiku již byly použity při vypracování mé bakalářské práce [21] 6

13 Obr. 6: Mapa fotovoltaického potenciálu pro Evropu (roční sumy dopadající na optimálně orientované fotovoltaické moduly) [VI] V České republice dopadne na 1m 2 za rok vodorovné plochy zhruba kwh energie. Přirozeně platí, že čím vyšší je průměrný úhrn globálního záření, tím větší je množství vyrobené energie za rok. [7] Z hlediska praktického využití platí, že z jedné instalované kilowaty běžného systému lze za rok získat průměrně kwh elektrické energie. [7] 7

14 Obr. 7: Průměrný roční úhrn energie v ČR [VII] International energy agency (IEA), Mezinárodní agentura pro energii, uvádí, že v případě, že by se využilo instalací fotovoltaických systémů v pouštních oblastech, které pokrývají 4 % světa, byla by uspokojena celosvětová poptávka po primární energii. [6] EPIA odhaduje, že celková spotřeba elektrické energie v Evropě by mohla být naplněna, pokud by byl povrch Evropy pokryt fotovoltaickými panely už ze 0,34% (to je plocha odpovídající rozloze Nizozemska). [6] K dispozici je obrovský nevyužitý potenciál. Na podporu solární energie by mohly být využity střechy, povrchy budov, neobdělávaná půda, atd. Např. v roce 2020 by 40% poptávky po elektřině v Evropské unii mohlo být uspokojeno, pokud by byly všechny vhodné střechy a fasády budov pokryty fotovoltaickými panely. [6] 8

15 3.2. VÝVOJ FOTOVOLTAIKY V oblasti fotovoltaiky byl v předešlých letech zaznamenán obrovský boom. Předpokládá se, že tento trend bude pokračovat i v následujících letech. Graf 1: Nově připojené výkony v Evropě v roce 2010 (v MW) [VIII] Pozn. ke grafu 1: Low High = rozpětí dat Množství nově připojených fotovoltaických kapacit na celém světě vzrostl ze 16,6 GW v roce 2010 na 27,7 GW v roce Z toho téměř 21 GW připadá na Evropu. [8] Počet států, které přesáhly nárůst 1 GW instalovaného výkonu v roce 2011, vzrostl ze 3 států (Německo, Itálie, ČR) na 6 (Itálie, Německo, Čína, USA, Francie, Japonsko). [8] Česká republika po 2 hektických letech, kdy zaznamenala instalace FV zařízení ve výši 2 GW, s méně než 10 MW nových instalací zmizela z fotovoltaické mapy v důsledku silného odporu z různých stran. [8] 9

16 Tab. 1: Tabulka prvních 15 zemí na celém světě z hlediska nově připojené kapacity během roku 2011 a z hlediska kumulativního instalovaného výkonu na konci roku [IX] Pozn. k Tab.1: Evropské země jsou označeny červenou barvou [MW] Itálie Německo Čína USA Francie Japonsko Austrálie Velká Británie Belgie Španělsko Řecko Slovensko Kanada Indie Ukrajina Zbytek světa Nově instalovaný výkon v roce 2011 [MW] Kumulativní instalovaný výkon v roce 2011 [MW] Graf 2: Graf prvních 15 zemí na celém světě, jak z hlediska nově připojené kapacity během roku 2011, tak z hlediska kumulativního instalovaného výkonu na konci roku [X] 10

17 Graf 3: Tržní podíl 10 největších producentů v roce 2011 [XI] Pozn. ke Grafu 3: Těchto 10 států dá dohromady přes 90% celosvětového růstu fotovoltaiky Největší podíl ze všech nově připojených kapacit v roce 2011 (75%) připadlo na Evropu. Na dva největší trhy, Itálii a Německo, připadá 60% loňského celosvětového růstu. [8] Největším úspěchem celosvětového rozvoje fotovoltaiky bylo zapojení nových růstových trhů. Ale stále, mnoho uvedených zemí, zvláště Čína, USA a Japonsko, ale také Austrálie a Indie, využilo jen velmi malou část jejich ohromného potenciálu. Některé země z širokého slunečného pásu oblastí, jako Afrika, Blízký východ, Asie a Jižní Amerika jsou teprve na počátku rozvoje. [8] Celkový instalovaný výkon ve fotovoltaice na celém světě přesáhl 67,4 GW na konci roku Fotovoltaika je nyní po vodní a větrné energii třetí nejdůležitější energií z obnovitelných zdrojů co do celosvětově instalované kapacity. Celková výroba energie z těchto kapacit za celý kalendářní rok dosahuje přibližně 80 miliard kwh. Toto množství energie je dostačující k pokrytí ročních potřeb více než 20 milionů domácností na světě. [8] V Evropě bylo provedeno více než 50 GW instalací fotovoltaických systémů. Se zapojením zdrojů v jihoevropských zemích se průměrná výroba zvýší a bude produkováno asi 60 miliard kwh ročně, a to je množství energie, které postačí pro zásobení 15 milionů evropských domácností. [8] 11

18 Graf 4: Historický vývoj kumulativních výkonů FV instalací podle oblastí od roku 1998 do roku 2008 [XII] 3.3. VÝHODY FOTOVOLTAIKY Fotovoltaika je rozvíjející se obor přinášející nové možnosti. Jedná se o bezpečný a spolehlivý, nehlučný primární zdroj energie. Neprodukuje znečišťující látky zatěžující životní prostředí. Systémy se vyznačují snadnou instalací a téměř nepotřebují údržbu. Fotovoltaika je vhodným řešením pro zásobení odlehlých oblastí elektrickou energií (horské oblasti, rozvojové země, oblasti s řídkým osídlením, atd.) Fotovoltaika a zaměstnanost Fotovoltaické odvětví je velice slibné, co se týče zaměstnání a místního rozvoje. V tomto sektoru se investují značné finanční prostředky do výzkumu a technologických inovací a vytváří se nová pracovní místa. Navíc má obecně sektor fotovoltaiky a obnovitelných zdrojů decentralizovanou strukturu, což vede k zaměstnání v méně vyspělých oblastech. Fotovoltaický průmysl vytvořil více než 75 tisíc pracovních míst v Evropě 12

19 v posledních několika letech. EPIA odhaduje, že v roce 2008 bylo ve fotovoltaickém průmyslu v Evropě zaměstnáno přes 130 tisíc lidí přímo a dalších 60 tisíc nepřímo. Do roku 2020 prognózuje, že by počet pracovních míst v tomto sektoru mohl vzrůst na 1,4 milionů pracovních míst a v roce 2030 na 2,2 milionů. [4] Německo je největším producentem fotovoltaické energie, produkuje téměř polovinu elektřiny, která se ze slunce vyrobí na celém světě. Od roku 2001 byl vybudován 1 milion solárních zařízení a s tím vytvořen velký počet pracovních míst a sektor sluneční energie se tak stal významným zaměstnavatelem. [9] Recyklace fotovoltaických panelů Recyklace není jen přínosem pro životní prostředí, ale napomáhá při snižování energetické náročnosti i celkových nákladů na výrobu. Pro recyklaci panelů založených na křemíkové bázi a panelů nekřemíkových jsou odlišné postupy. Recyklace fotovoltaických panelů na bázi křemíku probíhá na linkách pro recyklaci skla, neboť složením se velice podobají. Nejdříve se odstraní rámy a zbývající části se poté na recyklačních linkách drtí. Po recyklaci lze využít přibližně 80% surovin. [10] Obr. 8: Recyklace fotovoltaického panelu [XIII] Recyklací nekřemíkových panelů se zabývají specializované firmy a další využití surovin udávají asi z 95%. [10] 13

20 Propojení fotovoltaiky a stavebnictví Fotovoltaické panely mohou představovat nejen zdroj energie, ale také alternativní stavební materiál (střešní krytina, povrchy fasád, protihlukové bariéry, atd.) Obr. 9: Příklad využití fotovoltaických panelů ve stavebnictví [XIV] Obr. 10: Fotovoltaické panely místo střešní krytiny [XV] 14

21 Využití v nedostupných oblastech (grid - off systém) Grid-off systémy jsou takové, které nejsou spojeny s elektrickou sítí. Pokud se nespotřebuje vyrobená fotovoltaická energie hned, uchovává se v akumulátorech pro pozdější užití (v noci, v delších oblačných obdobích, atd.) (Obr. 11). Tyto systémy se využívají v odlehlých oblastech, které nejsou z nějakého důvodu možné nebo výhodné elektrifikovat. Jedná se o malé systémy instalované na domech či větší systémy, které jsou schopny zásobit více domácností, obec nebo například továrny. Grid-off systémy jsou již využívány. Fotovoltaický článek můžeme najít třeba v kalkulačkách, na telefonních budkách u dálnic, na dopravních značeních, na osvětleních. Nové způsoby využití jsou předmětem výzkumu. Obr. 11: Sestava fotovoltaického grid off systému [XVI] 15

22 Obr. 12: Možnost aplikace grid off systému v odlehlých oblastech [XVII] Obr. 13: Příklad elektrifikace afrického venkova [XVIII] Obr. 14: Příklad možné grid-off aplikace [XIX] 16

23 Fotovoltaika a CO 2 Fotovoltaika může být účinným nástrojem při snižování produkce CO 2 při výrobě elektrické energie. Touto cestou se může omezit změny klimatu škodlivým vlivem CO 2. Podle různých zdrojů je fotovoltaika při výrobě elektrické energie jedním z nejmenších producentů CO 2. Obecně vzato nejvíce emisí CO 2 vzniká při spalování hnědého uhlí v tepelných elektrárnách. O něco menší, ale stále velké, emise vykazuje spalování černého uhlí. Na třetí místo se řadí spalování ropných produktů (např. lehkých topných olejů). Dále menší emise má spalování zemního plynu, následuje využití jaderného paliva, nejnižší emise vykazují obnovitelné zdroje. Nejvíce emisí při výrobě z obnovitelných zdrojů pochází z vodních elektráren, následuje koncentrovaná solární energie, dále fotovoltaika a vůbec nejméně emisí produkují větrné elektrárny. Odhady množství emisí CO 2 z různých primárních energetických zdrojů se liší, ale pořadí zůstává v zásadě stejné. Graf 5: Produkce CO 2 z různých zdrojů (g/kwh) [XX] 17

24 Primární energetický zdroj g CO2 / kwh hnědé uhlí 1175 černé uhlí ropa 893 zemní plyn 599 geotermální jádro vodní 15 koncentrovaná solární 40 fotovoltaická 106 větrná 21 Tab. 2: Produkce CO 2 z různých primárních energetických zdrojů [XXI] skutečnost pro rok 2010 úvaha vyrobená elektřina v roce 2010 [GWh] produkce CO 2 [tun CO 2 /GWh] vyprodukované množství CO 2 z vyrobené elektřiny v roce 2010 [tun] množství CO 2 vyprodukovaného při výrobě ,4 GWh - zaokrouhleno [tun] možná úspora CO 2 - zaokrouhleno [tun] hnědé uhlí fotovoltaika ,40 615, Tab. 3: Roční produkce CO 2 v ČR skutečnost (dle dat ERÚ pro rok 2010) a úvaha [XXII] Ve své úvaze jsem srovnala dva zdroje elektrické energie z pohledu produkce CO 2 - fotovoltaiku a spalování hnědého uhlí. Spalování hnědého uhlí přináší nejen největší podíl, ale pokud by bylo nahrazeno spalování hnědého uhlí fotovoltaikou, došlo by v roce 2010 k úspoře téměř 44 milionů tun oxidu uhličitého. 18

25 Budoucnost aplikací Fotovoltaika je velice dynamický obor, bádá se nad technologiemi a možnostmi využití a stále se nachází nová uplatnění v různých oblastech. Již teď má velké uplatnění. Fotovoltaické systémy se stávají multifunkčním zdrojem nejen že vyrábí elektrickou energii, současně také plní další role (funkční i estetické např. protihlukové bariéry, využití ve stavebnictví atd.). Solární energie může napomoci snížení spotřeby a cen neobnovitelných zdrojů, protože se na trhu objevují vozidla s pohonem na elektřinu. Hlavním nedostatkem těchto modelů je malá dojezdová vzdálenost (okolo 160 km), ale zato provozní náklady na ujetý kilometr jsou třetinové až poloviční v závislosti na aktuálních cenách. Nabízí se použtí fotovoltaiky pro výstavbu parkovišť, kde elektromobily mohou být nabíjeny elektrickou energií z instalovaných fotovolaických panelů. Obr. 15: Elektromobil na nabíjecím stojanu [XXIII] 19

26 Obr. 16: Protihlukové bariéry z fotovoltaických panelů podél dopravních komunikací [XXIV] Výroba fotovoltaických panelů a příslušenství se postupně přesouvá z vyspělých zemí do rozvíjejících se zemí a s tím souvisí snižování pořizovacích cen NEVÝHODY FOTOVOLTAIKY A MOŽNOSTI JEJICH KOMPENZACÍ Spoustu odpůrců fotovoltaika získala kvůli velkým instalacím zabírajících ornou půdu. Nevýhodou těchto elektráren je nejen zabírání jinak využitelného prostoru a odpírání malebnosti krajině, a někdy malá možnost spotřeby vyprodukované elektřiny v místě výroby (ale vzdálenost ke klasické elektrárně je mnohonásobně větší). Při větších instalacích je potřeba počítat s potřebou záložního zdroje. Fotovoltaické systémy je daleko vhodnější aplikovat na střechy či fasády budov, například na zemědělská družstva, továrny, budovy úřadů, školy, obchodní centra atd., kde je pravděpodobnost využití vlastní energie vyšší. Navíc denní doba, kdy z fotovoltaiky získáváme nejvíce energie (Graf 6), se poměrně dobře překrývá s potřebami společnosti z pohledu energie (Obr. 17). 20

27 Obr. 17: Denní diagram zatížení elektrické soustavy ČR dne [XXV] Denní průběh výkonu fovoltaické elektrárny Výkon [kw] :00 8:24 10:48 13:12 15:36 18:00 Čas Výkon [kw] Graf 6: Skutečný denní průběh 2MW fotovoltaické elektrárny v Zaječí v zimě ( ) za slunného počasí [XXVI] 21

28 Obr. 18: Příklad vhodného umístění [XXVII] Energetický regulační úřad v roční zprávě o provozu ES ČR za rok 2010 stanovil žebříček největších odběratelů elektřiny u nás. Jsou v něm zastoupeny jak velké výrobní podniky (např. PILSEN STEEL SRO PLZEŇ, SPOLANA a.s., ŠKODA AUTO a.s.), společnosti zajišťující služby (např. ČESKÉ DRÁHY, a.s., Dopravní podnik hl. m. Prahy a.s., ČD CARGO, a.s.) a obchodní řetězce (např. Billa, s.r.o, KAUFLAND Česká republika v.o.s., Tesco Stores Česká republika a.s.). Také objekty těchto a dalších provozů by byly právě vhodným místem pro instalace fotovoltaických systémů. Z mapy instalace klasických elektráren a elektrického vedení (Obr. 19 a Obr. 20) lze usoudit, že pravidelným rozmístěním fotovoltaických elektráren, může dojít k decentralizaci zdrojů elektrické energie a tím docílit menšího zatížení přenosové soustavy. 22

29 Obr. 19: Mapa elektrických vedení v ČR [XXVIII] Obr. 20: Současné rozmístění elektráren v ČR dle typu [XXXV] Vzhledem k tomu, že fotovoltaika není stabilním zdrojem pro dodávky elektřiny, je někdy potřeba tuto nevýhodu řešit záložním zdrojem. Jako řešení se nabízí plynové 23

30 elektrocentrály, které jsou konstruovány tak, aby mohlo dojít k jednoduchému a rychlému startu i za extrémních teplotních podmínek bez toho, aby bylo nutno zajišťovat takzvaný studený start například benzinem. Většina plynových elektrocentrál je schopna pro svůj pohon využívat jak kapalný propan-butan, tak i běžný zemní plyn. Výhodou plynových elektrocentrál je až o 60% nižší spotřeba paliva než u benzinových agregátů. Z toho plyne opravdu veliká ekonomičnost provozu LPG (NG) centrály. [12] 3.5. PODÍL SPOTŘEBOVÁVANÝCH ZDROJŮ ENERGIE Ropa a zemní plyn v roce 2008 představovaly 21% a 16% z celkové primární dodávky energie. V průběhu posledních tří desetiletí podíl ropy v rámci dodavatelské skladby zůstává relativně stabilní, zatímco dominance uhlí se neustále snižuje a to díky vzrůstajícímu podílu energie získávané ze zemního plynu a jaderného paliva. [13] Očekává se, že celková spotřeba energie v následujících desetiletích vzroste pouze mírně, ale palivový mix spotřeby primárních energetických surovin v ČR se změní v důsledku politiky odchodu od uhlí, jako dominantního zdroje energie. Zatím co si ČR udrží pozici čistého vývozce elektřiny, česká vláda se snaží rozložit energetické zdroje snížením podílu uhlí na méně než 1/4 do roku 2030, přičemž tohoto má být dosaženo především zapojením jádra a obnovitelných zdrojů energie. [13] Graf 7: Celková spotřeba primárních energetických surovin v letech 1973 a 2008 v ČR [XXIX] 24

31 Výroba elektřiny v ČR je založena ze 60% na uhlí a takřka z 1/3 na jaderné energetice. Zemní plyn se používá jako zdroj výroby elektřiny z méně než 4%. [13] Graf 8: Výroba elektřiny podle zdroje paliva v letech v ČR [XXX] Ve světě v uplynulém čtvrtstoletí podíl spotřebované ropy klesl ve prospěch převážně jaderné energie a zemního plynu. Výroba elektřiny ve světě i nadále převažuje z ropy, uhlí a zemního plynu. Graf 9: Celková spotřeba primárních energetických surovin v letech 1973 a 2008 ve světě [XXXI] 25

32 Graf 10: Výroba elektřiny podle zdroje paliva v letech ve světě [XXXII] Zajímavý je také poměr spotřebovávaných energetických surovin ve 28 členských zemích IEA (International Energy Agency), jak státy využívají dostupné suroviny (Graf 11). Graf 11: Celková spotřeba primárních energetických surovin členských zemí IEA v roce 2008 [XXXIII] 26

33 Podle Českého statistického úřadu a Energetického regulačního úřadu energetická náročnost poklesla v oblasti průmyslu o cca 28% od roku 2002 do roku 2007, to je průměrně 5% ročně. Bylo to hlavně díky strukturálním změnám v této oblasti. Využilo se zvyšování energetické účinnosti v průmysl a v dopravě. [14] Podle dat International Energy Agency v roce 2009 uhlí představovalo téměř 41,8% zdrojů pro výrobu energie v České republice. Jaderná energie představovala 16,9% a hořlavá biomasa a odpad asi 5,6%. [27] Produkce uhlí strmě klesla mezi roky 1980 a V roce 1991 byla hornická činnost ukončena v několika okresech republiky z důvodu ničení životního prostředí těžbou. Produkce ropy a zemního plynu je minimální, Česká republika většinu poptávky uspokojuje dovozem. Česká republika je čistým vývozcem elektřiny do Slovenské republiky, Rakouska a Německa. A také vyváží významné množství koksovatelného uhlí na Slovensko a do Polska. Graf 12: Výroba energie podle zdroje, vývoj a výhled [XXXIV] 27

34 Zastoupení fotovoltaiky mezi obnovitelnými zdroji energie v ČR Obnovitelné zdroje energie (OZE) tvoří poměrně malý podíl, ze kterých byla v roce 2010 získána elektrická energie (Graf 13). Graf 13: Výroba elektřiny v roce vybraná paliva a zdroje [XXXVI] Česká republika se jako členský stát Evropské unie zavázala ke zvýšení výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Stanovení potenciálu obnovitelných zdrojů energie (OZE), diskuse o reálně dosažitelném podílu, o formách a výši podpory byly v letech 2003 až 2004 významným tématem při projednávání Státní energetické koncepce, novely energetického zákona. Po více než ročním projednávání v Poslanecké sněmovně Parlamentu ČR vyústily v přijetí zákona č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Zákonem byly vytvořeny stabilní podmínky pro podnikatelské rozhodování tím, že zákon definuje systém podpory formou pevných výkupních cen, případně příplatků k tržním cenám elektřiny. Zároveň garantuje výši výnosů z jednotky vyrobené elektřiny po dobu 15 let. Systém podpory OZE, doplněný od roku 2004 o možnost podpory ze strukturálních fondů EU, pomáhá ke splnění 13% podílu obnovitelných zdrojů na hrubé domácí spotřebě energie v roce [15] Členské státy Evropské unie si stanovily indikativní cíle podílu elektřiny získané z OZE (Graf 14). Jde o procentuální podíl výroby elektřiny na hrubé domácí spotřebě elektřiny v každém členském státě. Česká republika se zavázala ke splnění indikativního cíle ve výši 8% podílu elektrické energie z obnovitelných zdrojů na hrubé domácí spotřebě v roce 28

35 2010. Indikativní cíle jsou důležitou součástí balíčku opatření, která jsou potřebná ke snižování emisí skleníkových plynů. [15] Graf 14: Indikativní cíle členský států EU v oblasti výroby elektřiny z OZE v roce 2010 [XXXVII] Mezi členskými státy Evropské unie se Česká republika se stanoveným cílem 8% zařadila až v druhé polovině grafu z hlediska indikativních cílů. Podle informací Energetického regulačního úřadu činila tuzemská spotřeba elektřiny v roce ,7 GWh, přičemž příspěvek z obnovitelných zdrojů elektřiny byl 8,24%. [11] Z pohledu obnovitelných zdrojů elektřiny dodávaly největší podíl (téměř poloviční) vodní elektrárny (myšleno bez přečerpávacích), dále čtvrtinový podíl zastupovaly elektrárny využívající biomasu a z fotovoltaiky šel v roce 2010 příspěvek 10,5% z celkového množství elektřiny z OZE. OZE [GWh] [%] vodní elektrárny (bez přečerpávacích vodních elektráren) 2 789,40 44,7 větrné elekrárny 335,5 5,7 fotovoltaické elektrárny 615,7 10,5 biomasa 1 511,90 25,8 bioplyn 508,9 8,7 skládkový plyn 89,3 1,5 celkem 5 850, Tab. 4: Výroba elektřiny z OZE v ČR za rok 2011 [XXXVIII] 29

36 Výroba elektřiny z OZE za rok 2010 vodní elektrárny (bez přečerpávacích vodních elektráren) větrné elekrárny fotovoltaické elektrárny biomasa bioplyn skládkový plyn Graf 15: Výroba elektřiny z OZE v ČR za rok 2011 [XXXIX] Z pohledu obnovitelných zdrojů energie využívaných u nás v roce 2010 nejvíce dominovala výroba elektřiny z vodních elektráren. Druhým nejvyužívanějším zdrojem se stala biomasa, dále využívání bioplynu a poté fotovoltaické elektrárny, které v tomto roce poprvé vyrobily více elektřiny než větrné elektrárny. U fotovoltaic ckých elektráren byl zaznamenán největší nárůst ze všech OZE (o 692%) mezi roky 2009 a V roce 2009 byla vydána nová směrnice EU o podpoře využívání energie z OZE. Dle této směrnice se ČR zavázala k plněné podílu energie z obnovitelných zdrojů na hrubé konečné spotřebě energie ve výši 13% (a dle Národního akčního plánu pro energii z OZE nakonec dokonce 13,5%) v roce Součástí směrnice je také závazný cíl podílu energie z OZE ve všech druzích dopravy na hrubé konečné spotřebě energie v dopravě v naší republice ve výši 10% v roce [15] 30

37 3.6. TECHNOLOGIE VE FOTOVOLTAICE Fotovoltaické panely 4 Napětí fotovoltaických článků je dáno použitým polovodičem. V případě křemíku je to přibližně 0,6 V a při zatížení ještě trochu klesá. Udává se, že při optimálním proudu, kdy je výkon maximální, je napětí 0,5 V. Vzhledem k tomu je nutné spojovat řadu článků do série, aby se získalo prakticky využitelné napětí. Fotovoltaický článek může využít jen takové fotony, jejichž energie je větší než rozdíl energie mezi valenčním a vodivostním pásem u použitého polovodiče. Např. křemíkový článek může využít fotony s energií větší než asi 1,1 ev, což představuje záření o vlnové délce menší než nm. Pro sluneční záření procházející atmosférou uvažujeme jen fotony s energiemi od 0,5 ev (infračervené záření) po asi 2,9 ev (ultrafialové záření). Do oblasti využitelné křemíkovými články spadá velká část energie slunečního záření. To je také jeden z důvodů, proč se křemík používá. [2] Graf 16: Část spektra slunečního záření využitelná křemíkovým fotovoltaickým článkem [XL] Energie fotonů s kratší vlnovou délkou (větší energií) není využita beze zbytku. Každý foton uvolní jen jeden elektron a přebytek energie se přemění v teplo. V důsledku toho nelze principiálně dosáhnout s takovýmto článkem větší než asi 55% využití energie záření. U reálného fotovoltaického článku jsou ještě další ztráty a v praxi se dosahuje účinnosti jen někde mezi 10 až 20%. [2] 4 kapitola a její podkapitoly jsou převzaty z mé bakalářské práce a aktualizovány [21] 31

38 (Obr. 21). Pro praktické použití je fotovoltaické články potřeba spojovat do série do modulů Obr. 21: Fotovoltaický modul vzniká spojením fotovoltaických článků [XLI] Elektrické vlastnosti fotovoltaických článků Z praktického hlediska jsou pro zdroje energie (tudíž i pro fotovoltaické články) důležitými veličinami proud, napětí a vnitřní odpor. U fotovoltaického článku je proud nakrátko (při nulovém napětí) dán intenzitou dopadajícího záření a napětí naprázdno (napětí při nulovém proudu) je dáno hlavně použitým polovodičem. Fotovoltaický článek se za konstantní intenzity záření chová jako zdroj konstantního proudu a jeho intenzita je limitována počtem fotonů dopadajících na článek za jednotku času. Články zpravidla charakterizujeme tzv. voltampérovou charakteristikou. Proud protékající článkem závisí také na účinnosti (při stejné intenzitě záření článek s větší účinností může dávat vyšší proud). Vnitřní odpor článku je také důležitým faktorem, protože na vnitřním odporu dochází k nežádoucím úbytkům napětí. Teplota článku má na napětí článku a proud protichůdný vliv. Zatímco proud při rostoucí teplotě za jinak stejných podmínek narůstá, napětí a výkon při rostoucí teplotě klesá. Typická je změna výkonu o 0,47 % / C (pokles výkonu). To při teplotě zvýšené o 10 C způsobí pokles o 4, 7%, při zvýšení teploty o 25 C pokles již o 11, 8%. Po praktické stránce nás především zajímá výkon článku, který je dán součinem proudu a napětí. Ze tvaru voltampérové charakteristiky vyplývá, že při daných podmínkách (osvětlení, teplota) existuje právě jedna hodnota proudu a napětí, při níž je hodnota výkonu článku maximální. Hovoříme o pracovním bodě článku. Snahou by mělo být pracovat 32

39 s fotovoltaickými články v tomto optimálním bodě. Dnešní střídače dokážou pracovat tak, že v každém okamžiku zatěžují modul tak, aby byl jeho výkon maximální možný. Graf 17: V-A charakteristika fotovoltaického článku [XLII] Aby bylo možné jednotlivé fotovoltaické články srovnávat, používají se standardizované podmínky udávání výkonu. Výkon se udává při intenzitě slunečního záření W/m 2, solárním referenčním spektru AM 1,5 a teplotě P-N přechodu 25 C. [2] Výkon, který je naměřen za těchto podmínek se nazývá špičkový výkon a měří se v jednotce kilowatt peak [kw p ]. [5] Jeden instalovaný kwp je schopen vyrobit přibližně kwh/rok a zabere mezi 8 10 m 2 plochy. [16] Typy fotovoltaických panelů Během více než padesátiletého vývoje byly vyvinuty fotovoltaické články a moduly z různých druhů materiálů a při výrobě byly použity různé technologie. Nové materiály, jejich technologie i konstrukční principy jsou stále předmětem výzkumu a vývoje. Ve velké míře vyráběny fotovoltaické články a moduly z krystalického křemíku. Fotovoltaické panely, jejichž základ tvoří křemíkové desky, řadíme mezi tzv. panely první generace. Zatím jsou nejrozšířenější technologií a dosahují poměrně vysoké účinnosti přeměny 16-22% u monokrystalických a 14-18% u polykrystalických článků. 33

40 Články druhé generace se vyznačují 100 krát až 1000 krát tenčí aktivní absorbující polovodičovou vrstvou (thin-film) a jejími představiteli jsou např. články z amorfního a mikrokrystalického křemíku (případně silicon-germania, či silicon-karbidu, ale také tzv. směsné polovodiče z materiálů jako Cu, In, Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo v porovnání s články první generace k poklesu výrobních nákladů (a tedy za předpokladu velkosériové výroby i k poklesu ceny), nicméně dosahovaná účinnost je obvykle nižší (v sériové výrobě obecně pod 10%). Nespornou výhodou tenkovrstvých článků je možnost volby substrátu (na něhož se tenkovrstvé struktury deponují) a v případě použití flexibilních materiálů (organické, kovové či textilní folie) i značně širší aplikační sféra. Komerčně se začaly články druhé generace prodávat v polovině osmdesátých let. [7] U článků třetí generace jsou hlavními cíli snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonů a následně generovaných párů elektron - díra ( proudový zisk) a maximalizace využití energie dopadajících fotonů ( napěťový zisk fotovoltaických článků). [7] Pokud nemáme možnost volby optimálního sklonu či orientace, může tento hendikep částečně řešit právě vhodný výběr technologie panelů. Každá technologie má své přednosti a může nevýhody eliminovat. V České republice je optimální sklon asi 35 o s jižní orientací. Jak závisí účinnost fotovoltaických panelů na různém sklonu či orientaci znázorňuje následující grafické vyjádření (Obr. 22). Obr. 22: Vliv sklonu a orientace fotovoltaických panelů [XLIII] 34

41 Podíl současných základních technologií na produkci fotovoltaických článků znázorňuje následující grafické vyjádření (Graf 18). Graf 18: Současný podíl fotovoltaických článků a modulů [XLIV] Tab. 5: Účinnost různých typů panelů a článků [XLV] a) Fotovoltaické články a moduly z krystalického křemíku Křemík je velice vhodným materiálem pro výrobu fotovoltaických článků, neboť u něj lze z hlediska šířky zakázaného pásu dosáhnout velice vysoké účinnosti generace volných nosičů dopadajícího slunečního záření. Také se u křemíku, jakožto základního materiálu pro elektroniku, podařilo velmi dobře zvládnout veškeré operace potřebné k vytváření struktur. [17] 35

42 Výchozím materiálem pro výrobu článků z krystalického křemíku jsou křemíkové destičky čtvercového tvaru, jejichž rozměry činí až 200x200 mm a rezistivita dosahuje řádově jednotky Ωcm. Na počátku výroby byly fotovoltaické články vyráběny z monokrystalického křemíku, který je vyráběn Czochralského metodou. Potřeba snižování cen vedla k začátku výroby polykrystalických článků. Tyto články jsou vyráběny řízenou zonální tavbou. Monokrystalické či polykrystalické ingoty (tyče) musejí být rozřezány na destičky o tloušťce přibližně 0,08-0,3 mm. Z jedné křemíkové destičky je vyroben jeden fotovoltaický článek. Po chemickém opracování článku je jednostranně vytvořen PN přechod difuzí fosforu v hloubce 0,2-0,5 µm pod povrchem. Povrch je dále pokryt antireflexní vrstvou (SiN x nebo TiO 2 ). Poté jsou články opatřeny kontakty-sběrnicemi, které obvykle bývají naneseny pomocí vodivých past na povrch článků sítotiskem. Na stranu s přechodem PN (na vrstvu N + ) je nanesena sběrnice (Ag pasta) a na zadní stranu je nanesen kontakt (Al-Ag pasta). Po vysušení pasty následuje vypálení, při kterém dojde k rozrušení antireflexní nitridové vrstvy a vytvoření ohmických kontaktů. [17] Obr. 23: Schematické znázornění struktury fotovoltaického článku z krystalického křemíku [XLVI] Jednotlivé články z krystalického křemíku mají pracovní napětí okolo 0,5 V a proudovou hustotu několik desítek ma/cm 2 (cca 30 ma/cm 2 ). Je tedy potřeba spojovat jednotlivé články do série do funkčních bloků modulů. Ty se musejí být chráněny před nepříznivými vlivy okolního prostředí (tvrzeným sklem pomocí EVA, zadní vrstva je kryta vícevrstvou fólií z plastu a hliníkovým rámem). Dále jsou moduly na zadní straně opatřeny svorkovnicí s překlenovacími diodami a kabelovými vývody. [17] 36

43 b) Fotovoltaické tenkovrstvé články a moduly U materiálů s vysokým absorpčním koeficientem lze realizovat fotovoltaický článek ve vrstvě o tloušťce několika µm, což představuje výrazné úspory polovodičového materiálu. Nejčastěji se využívá amorfní křemík, někdy v kombinaci s mikrokrystalickým či nanokrystalickým křemíkem. Nebo se také tenkovrstvé moduly vyrábějí z CdTe nebo CuInSe 2. V tenkovrstvé technologii nejsou realizovány jednotlivé články, ale přímo celý modul, přičemž tenké vrstvy jsou deponovány různými technologiemi (napařováním, naprašováním, chemickou depozicí z plynné fáze (CVD), elektrochemicky, apod.). [18] Tenkovrstvé moduly z amorfního křemíku v prvních 60 hodinách provozu produkují o zhruba 30% vyšší výkon než je výkon deklarovaný výrobcem. Potom je výkon ještě asi o 15% vyšší, ale během následujícího roku dále klesá a ustaluje se na hodnotě udávané výrobcem. Tomuto jevu se říká Staebler Wronski efekt. [19] Nespornou výhodou amorfního křemíku oproti krystalickému je to, že v létě netrpí na přehřívání. Má nižší teplotní součinitel výkonu a jeho účinnost tedy s rostoucí teplotou klesá mnohem pomaleji, než je tomu u krystalického křemíku. Výtěžnost z amorfních modulů během letních měsíců je tedy vyšší než u modulů křemíkových. [19] Také v místech, kde není možné splnit požadavek optimální orientace (odchylka od jihu je více než 45 o ), je technologie amorfního křemíku vhodná. [19] Obr. 24: Struktury různých typů tenkovrstvých fotovoltaických článků [XLVII] Pozn. k obr.: TCO (transparent conducting oxide) transparentní vodivý oxid nutný pro dosažení přijatelné hodnoty R s. 37

44 c) Fotovoltaické články třetí generace Fotovoltaické články třetí generace jsou ve výzkumu a pozornost se upíná do několika směrů: na vícevrstvé solární články (z tenkých vrstev) na články s vícenásobnými pásy na články, které by využívaly horké nosiče náboje pro generaci více párů elektronů a děr na termofotovoltaickou přeměnu, kde absorbér je současně i radiátorem vyzařujícím selektivně na jedné energii na termofotonickou přeměnu, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí na články využívající kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách na prostorově strukturované články vznikající samoorganizací při růstu aktivní vrstvy organické články (např. na bázi objemových heteropřechodů) [7] Zatím jediným komerčním příkladem dobře fungujících článků třetí generace (přímo navazující na FV druhé generace) jsou vícevrstvé struktury (dvojvrstvé tzv. tandemy a trojvrstvé články), z nichž každá sub-struktura (p-i-n) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak energetická využitelnost fotonů. Příkladem tandemového solárního článku je struktura skládající se z p-i-n přechodu amorfního (hydrogenovaného) křemíku (a-si:h) a p-i-n přechodu mikrokrystalického (hydrogenovaného) křemíku (µc-si:h). Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a žluté části spektra, mikrokrystalický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Mikrokrystalický křemík může být nahrazen i slitinou křemíku s germániem a dle zvoleného poměru obou materiálů se dají upravovat jejich optické (i elektrické) vlastnosti. Tohoto materiálů se např. využívá komerčně právě pro trojvrstvé solární články, kde dva spodní články jsou vyrobeny s různou koncentrací Si a Ge. Základní podmínkou pro dobrou funkcí vícevrstvých článků je, aby každý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší (příp. nejhorší) z článků limituje dosažitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou (příp. všech) článků. [7] 38

45 Další komponenty fotovoltaických systémů Základním prvkem fotovoltaických systémů je generátor elektrického proudu fotovoltaický článek a potažmo panel. Pro funkci systému jsou potřeba další součásti, o kterých se zmíním v následujících podkapitolách Střídač Střídač je základním elektrickým zařízením každého fotovoltaického systému, který využívá střídavou elektrickou energii. Zajišťuje přeměnu stejnosměrného proudu na střídavý proud s požadovanými parametry a kvalitou. Pokud jsou na vstup napojovány přímo fotovoltaické panely, je potřeba zajistit i jejich optimální provoz (sledovat bod maximálního výkonu). V případě systémů pracujících paralelně se sítí je navíc třeba splnit všechny požadavky na zajištění bezpečnosti provozu (sledování napětí, frekvence, impedance sítě, vypnutí dodávky energie při poruše, bezpečné odpojování, případně galvanické oddělení). Tyto funkce může zastávat buď střídač, nebo mohou být zajištěny pomocí dalších zařízení. Řada střídačů navíc umožňuje připojení datové komunikační linky pro monitorování provozu systému. Na trhu se můžeme setkat se střídači pro využití v systémech pracujících paralelně se sítí (on-grid), nebo v systémech pro autonomní nebo pro kombinovaný provoz. [18] Z hlediska výkonů se dělí na tzv. modulové střídače (střídač je připojen pouze k jednomu modulu), řetězcové (stringové - každý střídač je připojen k několika fotovoltaickým panelům vzájemně propojeným do série, případně i paralelně) a velké centrální střídače (připojené na stovky až tisíce panelů). S modulovými střídači se setkáme velmi zřídka, výlučně u malých systémů. Středně velké elektrárny využívají řetězcových střídačů. V případě velkých elektráren se používá koncept jak velkých centrálních střídačů, tak i velkého množství řetězcových střídačů. Některé střídače mají vestavěný transformátor pro galvanické oddělení výstupu. Ten sice mírně snižuje účinnost, nicméně toto oddělení je potřeba v případě připojení tenkovrstvých FV panelů. [18] Jak se mění účinnost střídače na aktuálním výstupním výkonu fotovoltaických panelů, je zmíněna v kapitole (Graf 36). 39

46 Konstrukce a kabeláž Při instalaci fotovoltaických elektráren je potřeba myslet na životnost nebo možnost snadné obměny všech komponent. Měly by vydržet déle než je životnost generátoru elektřiny panelů. Tím, že je většina komponent vystavena povětrnostním vlivům vnějšího prostředí, jsou na ně kladeny velké nároky (např. musí být odolné vůči velkým výkyvům teplot, vůči působení vody či záření atd.). Musí se brát v úvahu proměnné elektrické parametry a také musí být zachována bezpečnost ve všech situacích. Z nosných konstrukcí v našich podmínkách převládají fixní instalace. Další možností jsou otočné konstrukce, které vyhledávají optimální natočení a sklon fotovoltaických panelů v danou chvíli Akumulátor Akumulátor se využívá většinou u autonomních nebo hybridních systémů. Protože se většinou časově plně nekryje výroba elektrické energie z fotovoltaického panelu s aktuální spotřebou, je třeba využít akumulační prvek Regulátor nabíjení akumulátoru Regulátor nabíjení akumulátoru zajišťuje řízenou akumulaci energie do akumulátoru, chrání jej proti přebíjení a současně zabraňuje vybíjení akumulátoru přes solární moduly v době nízkého slunečního svitu a indikuje pracovní režimy systému. [20] Graf 19: Procentuální podíly komponentů na pořizovací ceně fotovoltaické elektrárny [XLVIII] 40

47 4. ROZVOJ FOTOVOLTAIKY A LEGISLATIVNÍ PODMÍNKY V ČR Instalace fotovoltaických systémů v České republice do roku 2005 byly brány spíše jako zkušební - pro výzkum a vysledování jejich funkčnosti v klimatických podmínkách naší republiky. Testovalo se různé technologie panelů, možnosti uchování energie, její využití atd. Jejich význam z hlediska vyrobené energie byl druhořadý, jako zdroj elektřiny byly brány spíš jen některá autonomní zařízení, která byla vystavena právě za účelem zásobování odlehlých míst. Drobné fotovoltaické systémy tedy vznikaly především při univerzitách a výzkumných ústavech. Překážkou pro širší využití byla pořizovací cena a nedostatečná znalost a zkušenost, ale byla zde pozitiva v podobě úspěchů s tímto zdrojem v zahraničí a velký potenciál. Pro možnost většího rozšíření tohoto obnovitelného zdroje bylo zapotřebí připravit legislativní podmínky a zvýšit informovanost o tomto novém odvětví. K přelomu došlo v roce 2005, kdy byl schválen zákon č. 180/2005 Sb. O podpoře obnovitelných zdrojů ze dne , který se stal základem podpory obnovitelných zdrojů v ČR v souladu se směrnicemi Evropského společenství. [18] 4.1. LEGISLATIVNÍ PODMÍNKY V ČR Zákon č. 180/2005 Sb. O podpoře obnovitelných zdrojů Účelem tohoto zákona bylo: podpořit využití OZE zajistit trvalé zvyšování podílu OZE vytvořit podmínky pro naplnění indikativního cíle podílu elektřiny na hrubé spotřebě v ČR ve výši 8% k roku 2010 a pro další zvyšování tohoto podílu po roce [18] Zákon č. 180/2005 Sb. O podpoře obnovitelných zdrojů dále stanovil, že: provozovatel distribuční soustavy má povinnost přednostně připojit výrobce z OZE a je povinen připojit takovýto zdroj, pokud tím nebude prokazatelně ohrožen nebo omezen provoz distribuční soustavy podpora bude zajištěna formou přímého výkupu či zeleného bonusu a výrobce si může 1x ročně formu podpory změnit 41