FOTOVOLTAIKA. Mgr. Jiří Petera Mgr. Jan HEŘMAN

Transkript

1 FOTOVOLTAIKA Mgr. Jiří Petera Mgr. Jan HEŘMAN

2 OBSAH 1 HISTORIE GENERAČNÍ VÝVOJ FOTO VOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ PRVNÍ GENERACE DRUHÁ GENERACE TŘETÍ GENERACE FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ČINNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ SOLÁRNÍ PANEL (KŘEMÍKOVÉ ČLÁNKY) FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉM Y DROBNÉ APLI KACE OSTROVNÍ SYSTÉMY (OF F-GRID) SÍŤOVÉ SYSTÉMY (ON -GRID) EKONOMICKÉ ASPEKTY VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ 16 4 VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ZAHRANIČÍ VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ČR PŘÍRODNÍ PODMÍNKY V ČR LEGISLATIVA V ČR FINANČNÍ NÁSTROJE PO DPORY V ČR MECHANISMUS VÝKUPNÍCH CEN A ZELE NÝCH BONUSŮ (FEED-IN TARIFF) PRINCIP VÝKUPNÍCH CE N PRINCIP ZELENÝCH BON USŦ DAŇOVÁ ÚLEVA DOTAČNÍ TITULY V ČR NÁRODNÍ PROGRAMY OPERAČNÍ PROGRAMY EKONOMICKO TECHNICKÉ ZHODNOCENÍ VYUŽITELNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ NA KONKRÉTNÍM DOMĚ SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ

3 Schéma č. 1: Využití solární energie Slunc e Solární energie Další druhy obnovitelných zdrojŧ Elektrárn a Fotovoltaické / solární panely Soukrom é vyuţití Výroba el. energie Drobné aplikace Ostrovní systémy (akumulace el.energie) Síťové systémy Síťový střídač SPOTŘEBITEL (kalkukačky, nabíječky, MP3 přehrávače aj.) Regulace nabíjení / vybíjení Elektrom ěr Veřejná rozvodná síť Akumulátorová baterie Elektrom ěr SPOTŘEBITEL Běžné síťové spotřebiče (TV, ledničky, pračky aj.) 3 Vnitřní el. rozvody

4 KLÍČOVÁ SLOVA fotovoltaika, solární energie, solární panely, fotovoltaické systémy, ostrovní systémy, síťové systémy, účinnost solárních panelŧ, státní dotace, výkupní ceny, zelené bonusy 4

5 1. HISTORIE Pojem fotovoltaika pochází ze dvou slov, řeckého φώς [phos] = světlo a ze jména italského fyzika Alessandra Volty. Objev fotovoltaického jevu se pak připisuje Alexandru Edmondu Becquerelovi, který jej jako devate náctiletý mladík odhalil při experimentech v roce V roce 1904 jej fyzikálně popsal Albert Einstein a v roce 1921 mu byla za práce pro rozvoj teoretické fyziky, zejména objev zákona fotoelektrického efektu udělena Nobelova cena. Jiţ v roce 1916 pak další drţitel této ceny Robert Millikan experimentálně potvrdil platnost principu fotovoltaického jevu. Prvotní pokusy s fotočlánky spadají do sedmdesátých let 19. století, kdy byly poprvé zjištěny změny vodivosti selenu při jeho osvětlení a kolem r byl sestrojen první selenový fotočlánek s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts, účinnost pod 1%). První patent na solární článek pak byl podán v roce 1946 Russellem Ohlem, který také stál na počátku rozvoje křemíkových solárních článkŧ (1941). První skutečný fotovoltaický článek s 6% účinností byl vyroben z krystalického křemíku v roce 1954 v Bellových laboratořích (G.L. Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller). Větší rozvoj fotovoltaiky nastává v šedesátých letech s nástupem kosmického výzkumu, sluneční články slouţí jako zdroj energie pro druţice. Vŧbec první druţicí vyuţívající k zisku energie sluneční paprsky byl ruský Sputnik 3, vypuštěný 15. května Dalším dŧleţitým mezníkem pro rozvoj fotovoltaiky a zejména výzkumu a vývoje v této oblasti byla celo světová ropná krize v roce GENERAČNÍ VÝVOJ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ PRVNÍ GENERACE První generací se nazývají fotovoltaické články vyuţívající jako základ křemíkové desky. Jsou dnes nejrozšířenější technologií na trhu (cca 90%) a dosahují poměrně vysoké účinnosti přeměny (v sériové výrobě 16 aţ 19%, speciální struktury aţ 24%). Komerčně se začaly prodávat v sedmdesátých 5

6 letech minulého století. Přestoţe je jejich výroba relativně drahá (a to zejména z dŧvodu drahého vstupního materiálu krystalického křemíku), budou ještě s největší pravděpodobností v několika dalších letech na trhu dominovat DRUHÁ GENERACE Impulsem pro rozvoj článkŧ druhé generace byla především snaha o sníţení výrobních nákladŧ úsporou drahého základního materiál u křemíku. Články druhé generace se vyznačují stokrát aţ tisíckrát tenčí aktivní absorbující polovodičovou vrstvou ( tzv. 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 materiálŧ jako Cu, In, Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo v porovnání s články první generace k poklesu výrobních nákladŧ (a tedy za předpokladu velkosériové výroby i k poklesu ceny), nicméně dosahovaná účinnost je obvykle niţší (v sériové výrobě obecně pod 10%). Nespornou výhodou tenkovrstvých článkŧ je ale moţnost volby substrátu (na nějţ se tenkovrstvé struktury deponují) a v případě pouţití flexibilních materiálŧ (organické, kovové či textilní folie) i značně širší aplikační sféra. Komerčně se začaly články druhé generace prodávat v polovině osmdesátých let TŘETÍ GENERACE Pokus o fotovoltaickou revoluci představují solární články třetí generace. Zde je hlavním cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonŧ a následně generovaných párŧ elektron - díra (jedná se o tzv. proudový zisk ), ale i maximalizace vyuţití energie dopadajících fotonŧ ( tzv. napěťový zisk fotovoltaických článkŧ). Existuje řada směrŧ, kterým je ve výzkumu věnována pozornost: vícevrstvé solární články (z tenkých vrstev) 6

7 články s vícenásobnými pásy články, které by vyuţívaly nosiče náboje pro generování většího mnoţství párŧ elektron díra termofotovoltaická přeměna, kde absorbér je současně i selektivně vyzařujícím radiátorem termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí články vyuţívající kvantových jevŧ v kvantových tečkách nebo kvantových jamách prostorově strukturované články vznikající samoorgan izací při rŧstu aktivní vrstvy organické články (např. na bázi objemových heteropřechodŧ) Zatím jediným komerčním příkladem dobře fungujících článkŧ třetí generace (přímo navazujících na fotovoltaické články druhé generace) jsou vícevrstvé struktury (dvojvrstvé tzv. tandemy a trojvrstvé články), z nichţ kaţdá substruktura (p-i-n) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak energetická vyuţitelnost fotonŧ. 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 ţluté části spektra, mikrokrystal ický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Mikrokrystalický křemík mŧţe být nahrazen i slitinou křemíku s germániem a dle zvoleného poměru o bou materiálŧ se dají upravovat i jejich optické (či elektrické) vlastnosti. Těchto materiálŧ se např. vyuţívá komerčně právě pro trojvrst vé solární články, kde dva spodní články jsou vyrobeny s rŧznou koncentrací Si a Ge. Základní podmínkou pro dobrou funkci vícevrstvých článkŧ je, aby kaţdý z článkŧ generoval stejný proud. V opačném případě pak ten horší (příp. nejhorší) z článkŧ limituje a celkově sniţuje dosaţitelnou účinnost. 7

8 2. FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ČINNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ Sluneční záření dopadající na povrch Země (po prŧchodu atmosférou) se skládá z fotonŧ rŧzných vlnových délek a tedy i rŧzných energií. Z celého slunečního spektra je lidským okem viditelná pouze jeho část v oblasti 380 aţ 780 nanometrŧ. Oblast s kratší vlnovou délkou (větší energií) se nazývá ultrafialová (UV) a oblasti s delší vlnovou délkou se říká infračervená (IČ). Obr. č. 1: Sluneční spektrum po průchodu vrstvou atmosféry Základním poţadavkem na sluneční články je schopnost pohlcovat co nejširší oblast slunečního spektra a co nejlépe vyuţít energii fotonŧ. Dopadá-li na křemík foton o energii menší neţ 1,1 ev (elektronvoltŧ), projde křemíkem a není absorbován. Kdyţ je jeho energie větší neţ 1,1 ev (tato energie odpovídá šířce tzv. zakázaného pásu E E E a tedy absorpční hraně křemíku), pak je tento foton absorbován a v polovodiči vzniknou volné nosiče náboje - záporný elektron a kladná díra. G c v 8

9 Obr. č. 2: Princip fotovoltaického článku Sluneční článek se skládá z části mající elektr onovou vodivost (materiál typu N, např. křemík s příměsí fosforu) a z části mající děrovou vodivost (materiál typu P, např. křemík s příměsí boru). Na přechodu P-N dojde k oddělení elektronŧ a děr a na kontaktech vznikne napětí (v případě křemíku typicky 0,5-0,6 V). Připojíme-li ke kontaktŧm spotřebič (zátěţ), protéká tímto elektrický proud. Obr. č. 3: Schéma fotovoltaického článku Fotovoltaika vyuţívá přímé přeměny světelné energie na elektrickou energii v polovodičovém prvku označovaném jako fotovoltaický nebo také solární článek. Solární článek je v principu velkoplošná dioda s alespoň jedním PN přechodem. V ozářeném solárním článku jsou generovány elektricky nabité částice (páry elektron díra). Elektrony a díry jsou separovány vnitřním 9

10 elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi předním (-) a zadním (+) kontaktem solárního článku. Vnějším obvodem zapojeným mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, který je přímo úměrný ploše solárního článku a intenzitě dopadajícího slunečního záření. Napětí jednoho článku s hodnotou přibliţně 0,5 V je příliš nízké pro další běţné vyuţití. Sériovým propojením více článkŧ však získáme napětí, které jiţ pouţitelné je v rŧzných typech fotovoltaických systémŧ. Standardně jsou pouţívány sestavy pro jmenovité provozní napětí 12 V nebo 24 V. Takto vytvořené sestavy článkŧ v sériovém nebo i sériovo -paralelním řazení jsou hermeticky uzavřeny ve struktuře krycích materiálŧ výsledného solárního panelu. Obr. č. 2: Voltampérová charakteristika fotovoltaického článku 2.1 SOLÁRNÍ PANEL (KŘEMÍKOVÉ ČLÁNKY) Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článkŧ vzniká po jejich zapouzdření fotovoltaický panel (FV panel). Panel musí zajistit hermetické zapouzdření solárních článkŧ, musí zajišťovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost (např. vŧči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panelŧ jsou značně rozmanité podle druhu pouţití. Obvykle jsou po obvodu FV panely opatřeny duralovými rámy pro zpevnění celé konstrukce fotovoltaického panelu a zároveň k usnadnění 10

11 realizace uchycení panelŧ ke konstrukci FV systému. Přední krycí materiál je speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití. Schéma fotovoltaického panelu a částí jeho konstrukce je znázorněno na obrázku č.5. Jde o poměrně sloţitý proces konstrukce panelu realizovan ý v prŧběhu výroby většiny panelŧ tzv. laminace. Obr. č. 3: Konstrukce fotovoltaického panelu Z aplikačního hlediska jsou pro nás nejdŧleţitější části konstrukce nacházející se nad povrchem přední strany FV článkŧ, tedy tzv. EVA folie (ethylen vinyl acetát) a kalené sklo (popř. teflon, litá pryskyřice). EVA folie je organickým materiálem, který mŧţe vykazovat při silném ozáření UV světlem efekt ţloutnutí a tedy sníţení optické transparentnosti panelu s nepříznivým vlivem na mnoţství generovaného elektrické výkonu slunečními články. Krycí kalené sklo je z hlediska degradace optických vlastností velmi stabilním materiálem a ke sníţení optické propustnosti mŧţe dojít jedině znečištěním povrchu vlivem okolního prostředí. Struktura panelŧ tenkovrstvých solárních článkŧ je poněkud odlišná od konstrukce modulŧ z krystalických křemíkových článkŧ. Je to dáno zejména zcela odlišnou technologií výroby, kdy celá aktivní struktura je deponována plazmaticky v jednotlivých krocích na skleněný velkoplošný substrát. 11

12 2.2 FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY Podle účelu pouţití lze fotovoltaické systémy rozdělit do 3 skupin. Jsou to takzvané - drobné aplikace - ostrovní systémy (off-grid) - síťové systémy (on-grid) Nejvýznamnější skupinou jsou jednoznačně síťové systémy, které například v Německu tvoří více neţ 90% veškerých instalací DROBNÉ APLIKACE Tvoří nejmenší, avšak nezanedbatelný podíl na FV trhu. Kaţdý jistě zná fotovoltaické články v kalkulačkách nebo také solární nabíječky akumulátorŧ. Trh drobných aplikací nabývá na významu, protoţe s e mnoţí poptávka po nabíjecích zařízeních pro okamţité dobíjení akumulátorŧ (mobilní telefony, notebooky, fotoaparáty, MP3 přehrávače apod.) na dovolených, v kempech, popř. ve volné přírodě OSTROVNÍ SYSTÉMY (OFF-GRID) Pouţívají se všude tam, kde není k dispozici rozvodná síť a kde je potřeba střídavého napětí 230 V. Obvykle jsou ostrovní systémy instalovány na místech, kde není účelné anebo vŧbec není moţné vybudovat elektrickou přípojku. Dŧvody jsou zejména ekonomické, tzn. náklady na vybudován í přípojky jsou srovnatelné (nebo vyšší) s náklady na fotovoltaický systém (vzdálenost k rozvodné síti je obvykle více neţ m). Jedná se zejména o odlehlé objekty, jakými jsou např. chaty, karavany, jachty, napájení dopravní signalizace a telekom unikačních zařízení, zahradní svítidla, světelné reklamy apod. Off-grid systémy se dále dělí na systémy - s přímým napájením 12

13 - hybridní systémy - systémy s akumulací elektrické energie U systémŧ s přímým napájením se jedná o prosté propojení sol árního panelu a spotřebiče, kdy spotřebič funguje pouze v době dostatečné intenzity slunečního záření (nabíjení akumulátorŧ malých přístrojŧ, čerpání vody pro závlahu, napájení ventilátorŧ k odvětrání uzavřených prostor atd.). Spotřebič Obr. č. 4: Schéma systémů s přímým napájením Hybridní ostrovní systémy se pouţívají tam, kde je nutný celoroční provoz se značným vytíţením. V zimních měsících je moţné získat z fotovoltaického zdroje podstatně méně elektrické energie neţ v letních měsících. Proto je nutné tyto systémy navrhovat i na zimní provoz, coţ má za následek zvýšení instalovaného výkonu systému a podstatné zvýšení pořizovacích náklad ŧ. Z těchto dŧvodŧ jsou fotovoltaické systémy doplňovány alternativním zdrojem energie, kterým mŧţe být např. větrná elektrárna, malá vodní elektrárna, elektrocentrála, kogenerační jednotka atd. Typickými představiteli systémŧ nezávislých na síti jsou systémy s akumulací elektrické energie. Oproti síťové verzi (viz níţe) vyţaduje tento systém navíc solární baterie, které uchovají vyrobenou energii na dobu, kdy není dostatek slunečního svitu (noc, temné dny v zimním období, atd.). Optimální dobíjení a vybíjení akumulátorové baterie je zajištěno elektronickým regulátorem. Takový ostrovní systém potom obsahuje: fotovoltaické panely regulátor dobíjení akumulátorŧ 13

14 akumulátor (v 95% bývá olověný) střídač = měnič (pro připojení běţných síťových spotřebičŧ 230V / ~50Hz) případně další sloţky - sledovače slunce, indikačních a měřících přístrojŧ Svítidlo TV Chladnička Vítr... Voda... Plyn.... Benzín. Pro hybridní systém Akumulátorová baterie Střídač xxv ss /230V st Běžné síťové spotřebiče Obr. č. 5: Schéma systémů s akumulací elektrické energie SÍŤOVÉ SYSTÉMY (ON-GRID) Síťové systémy (on-grid) jsou nejvíce uplatňovány v oblastech s hustou sítí elektrických rozvodŧ. V případě dostatečného slunečního svitu jsou spotřebiče v budově napájeny vlastní solární elektrickou energií a případný přebytek je dodáván do veřejné rozvodné sítě. Při nedostatku vlastní energie je elektrická energie z rozvodné sítě odebírána. Systém funguje zcela automaticky díky mikroprocesorovému řízení síťového střídače. Přip ojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodŧ. Špičkový výkon fotovoltaických systémŧ připojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek kilowatt aţ jednotek megawatt. V současnosti se tento typ systémŧ jeví (za předpokladu dotace) jako zajímavá investiční příleţitost, kdy je veškerá produkce FV elektrárny prodávána do sítě za tzv. výkupní tarify. V ČR je výkupní cena pro rok 2007 stanovena na 13,46 Kč / kwh, jakoţto cena minimální s garancí této částky po dobu minimálně 15 let. 14

15 Moţnosti aplikace těchto systémŧ jsou rovněţ široké jedná se zejména o střechy rodinných domŧ, fasády a střechy administrativních budov, protihlukové bariéry okolo dálnice, fotovoltaické elektrárny na volné ploše atd. FV panely pak lze rozmístit i ve velkém m noţství. Základními prvky on-grid FV systémŧ jsou: fotovoltaické panely měnič napětí (střídač), který ze stejnosměrného napětí vyrábí střídavé (230V / ~50Hz) kabeláţ přístroj k měření vyrobené elektrické energie (elektroměr) popř. sledovač slunce, další indikační a měřící přístroje Síťový střídač Pro solární systémy Vnitřní elektrické rozvody Elektroměr Elektroměr Veřejná rozvodná síť Obr. č. 6: Schéma systému on-grid 15

16 3. EKONOMICKÉ ASPEKTY VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ Fotovoltaický systém o nominálním výkonu 1 kwp je v našich podmínkách schopen vyrobit okolo 900kWh elektrické energie za rok. Tato hodnota je závislá na nadmořské výšce (kaţdých 600 m n.m. znamená nárŧst výkonu o cca 5%), na klimatických a povětrnostních podmínkách v místě instalace, kdy mŧţe být výnos sniţován inverzemi nebo častými mlhami, a dále na geografickém umístění. Platí pravidlo, ţe čím více na jih, tím větší výnos z fotovoltaického systému. Panely musí být optimálně orientovány volí se jiţní směr ve sklonu dle charakteru a zpŧsobu provozování systému. Výnos je moţné za cenu větších vstupních investičních nákladŧ a větších nárokŧ na údrţbu zvýšit pomocí rozličných naváděcích zařízení, která panely natáčejí v horizontálním a vertikálním směru podle polohy slunce během dne. Běţná výkupní cena je většinou garantována na 20 let od data uvedení do provozu a dnes činí 13,46 Kč / kwh bez DPH za kaţdou vyrobenou 1kWh energie. Elektřinu je moţné dodávat na základě smlouvy s konečným zákazníkŧm za trţní cenu a k tomu inkasovat tzv. zelený bonus, který je stejně jako výkupní cena garantován na 20 let a činí 12,65 Kč / kwh bez DPH za kaţdou vyrobenou 1 kwh. Zařízení o nominálním výkonu 1 kwp (Wp je jednotka špičkového výkonu při ideálních podmínkách) by mělo ročně generovat minimální výnos cca Kč bez DPH, přičemţ cena 1kWp nainstalovaného výkonu je na úrovni přibliţně Kč aţ Kč. Z uvedeného je zřejmé, ţe návratnost investice je bez dotace na úrovni přibliţně 12 let. Vhodně vybraná státní dotace mŧţe dobu návratnosti zkrátit na 5 aţ 8 let, při prŧměrném diskontovaném výnosu z investice 12% ročně, navíc se státní garancí výkupních cen. 16

17 4. VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ZAHRANIČÍ Ve všech evropských zemích je dostatek slunečního záření přijímaného fotovoltaickými systémy, aby bylo moţné vyrábět většinu, nebo dokonce téměř veškerou energii spotřebovanou rodinami v domácnostech. A t o i ve skandinávských zemích, kam slunečního světla dopadá mnohem méně. Ve skutečnosti je v mnoha skandinávských zemích pouţívání fotovoltaické energie mnohem rozvinutější neţ v zemích jiţní Evropy. V Holandsku, Německu a v dalších zemích je vyuţití fotov oltaické energie rozšířené a díky politické vŧli stále roste. Hnutí proti vyuţívání atomové energie, problémy zpŧsobené industrializací a vyšší hustota zalidnění jsou v těchto zemích příčinami velmi silného povědomí o ţivotním prostředí. Zde lidé jiţ dlouho poţadují vyuţívání obnovitelných zdrojŧ energie. Tlak od občanŧ má silný politický dopad a v jistých společnostech je nyní politická poptávka vyšší neţ poptávka od občanŧ. Například Francie má k dispozici mnoho slunečního záření, rozhodně dostatek pro výrobu energie pomocí fotovoltaických systémŧ, a to jak v malém měřítku (domácnosti), tak i ve velkém (elektrárny). Aţ do dnešní doby bylo nákladné, aby si jednotlivec nainstaloval fotovoltaické systémy a v dŧsledku toho nebylo pouţívání tohoto druhu energie ve Francii příliš rozvinuté. Ale v roce 2006 byly navrţeny nové sazby za odkup elektrické energie vyráběné jednotlivci a její export do rozvodné sítě, a to 0,30 c / kwh pro klasické fotovoltaické systémy a 0,55 c / kwh v případě panelŧ integrovaných do budov. Návratnost investice nyní bude mnohem vyšší, coţ bude dŧvodem pro další rozvoj instalací fotovoltaických systémŧ ve Francii. Podobné kroky se chystají v dalších evropských zemích. 17

18 5. VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ČR V současné době je zaznamenáván zvýšený zájem o instalaci fotovoltaických systémŧ ze strany českých zákazníkŧ. Vyuţití fotovoltaických článkŧ determinují zejména tyto 3 faktory: přírodní podmínky legislativa finančními nástroje podpory Vŧdčí společností na trhu v oblasti výroby a instalaci fotovoltaických článkŧ u nás je společnost Solartec, s.r.o. z Roţnova pod Radhoštěm (obr. č. 9), ale počet firem zabývající se touto problematikou stále roste. Obr. č. 9: Přehled větších fotovoltaických systémů nainstalovaných na území ČR do roku

19 5.1 PŘÍRODNÍ PODMÍNKY V ČR Jak jiţ bylo uvedeno, dostupnost solární energie v České republice je samozřejmě ovlivněna rŧznými faktory, mezi které především patří zeměpisná šířka, roční doba, oblačnost a lokální podmínky, sklon plochy na níţ sluneční záření dopadá a další. Zajímavým fakt em nicméně zŧstává, ţe se údaje o slunečním záření v ČR z jednotlivých zdrojŧ v mnohém liší. Shrneme -li dosud publikované informace, dojdeme k následujícím výsledkŧm: - v České republice dopadne na 1 m² vodorovné plochy zhruba kwh energie - roční mnoţství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí h (ČHMÚ), odborná literatura uvádí jako prŧměrné rozmezí h Z hlediska praktického vyuţití pak platí, ţe z j edné instalované kwp běţného systému (FV články z monokrystalického, popř. multikrystalického křemíku, běţná účinnost střídačŧ apod.) lze za rok získat v prŧměru kwh elektrické energie. 19

20 Obr. č. 10: Sluneční záření v ČR MWh / kwh / m² (dopad na vodorovnou plochu) 20

21 5.2 LEGISLATIVA V ČR Velmi dŧleţitou roli v oblasti fotovoltaiky v ČR hraje zákon číslo 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných z drojŧ energie a o změně některých zákonŧ (zákon o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojŧ), jehoţ hlavním přínosem by měla být stabilizace podnikatelského prostředí v oblasti obnovitelných zdrojŧ energie, zvýšení atraktivnosti těchto zdrojŧ pro investory a vytvoření podmínek pro vyváţený rozvoj OZE v ČR. Mezi další významné právní normy mŧţeme zařadit zejména tyto dokumenty: Bílá kniha o obnovitelných zdrojích energie (1997), Směrnice 2001/77/EC. Evropského parlamentu a Rady EU ze dne 27. září 2001 o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojŧ energie na vnitřním trhu, Vyhláška č. 475/2005 Sb. ( novelizovaná vyhláškou č. 364/2007 Sb.), kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojŧ, Vyhláška č. 150/2007 Sb. a Cenové rozhodnutí ERÚ č. 7/2007. Zákon číslo 180/2005 Sb. Novelizace vyhlášky č. 475/2005 Sb. a její novelizace vyhláškou č. 364/2007 Sb. přináší změnu indikativních hodnot technických a ekonomických parametrŧ, především ve smyslu předpokládané ţivotnosti fotovoltaické elektrárny, která se z pŧvodních 15 let zvyšuje na 20 let. 5.3 FINANČNÍ NÁSTROJE PODPORY V ČR Česká republika se zavázala splnit cíl 8% hrubé výroby elektřiny z obnovitelných zdrojŧ na tuzemské hrubé spotřebě elektřiny k roku 2010 a společně s tím vytvořit takové legislativní a trţ ní podmínky, aby zachovala dŧvěru investorŧ do technologií na bázi OZE. Tak je to definováno ve Směrnici 2001/77/ES, kterou ČR implementovala do svého právního řádu prostřednictvím Zákona č. 180/2005 Sb. Směrnice jiţ ovšem nedefinuje 21

22 konkrétní nástroje k dosaţení tohoto cíle a ponechává jejich volbu na rozhodnutí členských státŧ. Česká republika se rozhodla zavést mechanismus výkupních cen (tzv. feed-in tariff) v kombinaci se systémem zelených bonusŧ. Ze získaných zkušeností po celém světě dnes mŧţeme tvr dit, ţe z pohledu fotovoltaiky a jejího rozvoje se tento systém osvědčil asi nejlépe. Také proto dnes tento systém v Evropě (a nejen tam) dominuje a mnohé další země jej zavádějí, popř. upravují (Francie, Řecko). Existují však i jiné zpŧsoby podpory fotovoltaiky a trhu s těmito produkty, které často feed -in tariff doplňují. 5.4 MECHANISMUS VÝKUPNÍCH CEN A ZELENÝCH BONUSŮ (FEED-IN TARIFF) PRINCIP VÝKUPNÍCH CEN Ze zákona č. 180/05 Sb. vyplývá povinnost pro provozovatele přenosové soustavy nebo distribuční soustavy připojit fotovoltaický systém do přenosové soustavy a veškerou vyrobenou elektřinu (na kterou se vztahuje podpora) vykoupit. Výkup probíhá za cenu určenou pro daný rok Energetickým regulačním úřadem (ERÚ, viz Cenové rozhodnutí č.8/2006) a tato cena bude vyplácena jako minimální (navyšuje se o index PPI) po dobu následujících patnáct let (investor je povinen podávat hlášení o naměřené výrobě v pŧlročních intervalech). Př. - investor se rozhodne uvést do provozu systém v roce 2007 a rozhodne se pro systém výkupních cen. Pro daný rok uvedení systému do provozu je platná cena 13,46 Kč / kwh a tudíţ v následujících patnácti letech bude investor svoji elektřinu prodávat minimálně za tuto cenu. Tato cena nemŧţe klesnout, naopak, bude navyšována o index PPI (Cenový index prŧmyslové výroby, čili prŧmyslová inflace ). 22

23 5.4.2 PRINCIP ZELENÝCH BONUSŦ Investor si ovšem mŧţe vybrat i jiné schéma podpory - tzv. zelený bonus (zeleným bonusem se rozumí finanční částka navyšující trţní cenu elektřiny, která zohledňuje sníţené poškozování ţivotního prostředí vyuţitím obnovitelného zdroje). Tento systém je více ve shodě s liberalizovaným trhem. Výrobce si na trhu musí najít obchodníka, kterému elektřinu prodá za trţní cenu. Cena je niţší neţ u konvenční elektřiny, protoţe v sobě obsahuje nestabilitu výroby, a je rŧzná pro rŧzné typy OZE. V momentu prodeje získá výrobce od provozovatele distribuční soustavy tzv. zelený bonus neboli prémii. Regulační úřad stanoví výši prémií tak, aby výrobce získal za jednotku prodané elektřiny o něco vyšší částku neţ v systému pevných výkupních cen. Př. takovýto systém je povinný pro investory, kteří budou vyrobenou elektřinu vyuţívat pro vlastní spotřebu. 5.5 DAŇOVÁ ÚLEVA Z hlediska investice do fotovoltaiky je dŧleţ itý také zákon č. 586/1992 Sb., o daních z příjmŧ, který říká, ţe příjmy z provozu obnovitelných zdrojŧ energie jsou osvobozeny od daně ze zisku, a to v roce uvedení do provozu a následujících 5 let ( 4 písmeno e). Osvobozeny od daně tedy jsou: příjmy z provozu malých vodních elektráren do výkonu 1 MW, větrných elektráren, tepelných čerpadel, solárních zařízení, zařízení na výrobu a energetické vyuţití bioplynu a dřevoplynu, jiné zpŧsoby výroby elektřiny nebo tepla z biomasy, zařízení na výrobu biologicky degradovatel ných látek stanovených zvláštním předpisem, zařízení na vyuţití geotermální energie (dále jen "zařízení"), a to v kalendářním roce, v němţ byly poprvé uvedeny do provozu, a v bezprostředně následujících pěti letech. Za první uvedení do provozu se povaţuje i uvedení zařízení do zkušebního provozu, na základě něhoţ plynuly nebo plynou poplatníkovi příjmy, a dále případy, kdy malá vodní elektrárna do výkonu 1 MW byla rekonstruována, pokud příjmy z této malé vodní elektrárny do výkonu 1 MW nebyly jiţ osvobozeny. Za první uvedení do provozu se povaţují i případy, kdy zařízení byla rekonstruována, pokud 23

24 příjmy z provozu těchto zařízení nebyly jiţ osvobozeny. Doba osvobození se nepřerušuje ani v případě odstávky v dŧsledku technického zhodnocení nebo oprav a udrţování. 5.6 DOTAČNÍ TITULY V ČR Státní energetická koncepce ČR předpokládá podporu vyuţívání všech zdrojŧ energie, které lze dlouhodobě reprodukovat a jejichţ pouţívání přispěje k posilování nezávislosti státu na cizích zdrojích energie a k ochraně ţivotního prostředí. Preferovat se budou všechny typy obnovitelných zdrojŧ zdroje vyuţívající sluneční energii, energii větru a vodních tokŧ, geotermální energii i biomasu jako zdroje pro výrobu elektřiny a tepelné energie. Výjimkou není ani fotovoltaika a na i nvestici do fotovoltaického zařízení lze získat finanční příspěvek (dotaci). A to jednak z prostředkŧ státního rozpočtu v rámci národních programŧ a také v rámci Operačních programŧ (prostředky Strukturálních fondŧ) NÁRODNÍ PROGRAMY Státní program na podporu úspor energie a vyuţití OZE pro rok 2007 tento program je rozdělen na dvě části spadající pod MPO (část A) a MŢP (část B). Jedná se o program roční, s omezeným rozpočtem a na případnou dotaci není právní nárok. Nevýhodou je také ten fakt, ţe o dotaci mŧţe investor zaţádat aţ poté, co celou investici profinancuje a uvede systém do provozu. V roce 2007 lze získat dotaci na FV systém jen v programové části B administrované Státním fondem ţivotního prostředí. Jsou podporovány systémy do 5 kwp a dotace mŧţe obdrţet fyzická osoba. 24

25 OPERAČNÍ PROGRAMY Operační programy jsou programové dokumenty Evropské unie, kterými jsou redistribuovány prostředky unijního rozpočtu zpět do rozpočtŧ členských státŧ. Pro financování investic v oblasti fotovoltaiky jsou dŧleţité zejména Operační programy OPPI (Operační program Podnikání a inovace) a OPŢP (Operační program Ţivotní prostředí). V rámci OPPI (program Eko -energie) by měla podpora směřovat zejména podnikatelským subjektŧm, které by při investici do fotovoltaiky mohly získat aţ 30% dotaci. MŢP resp. SFŢP by pak měl zastřešovat podporu v rámci priority č. 3 OP Ţivotní prostředí, o výši subvence bude rozhodovat finanční a ekonomická analýza. 25

26 6. EKONOMICKO TECHNICKÉ ZHODNOCENÍ VYUŽITELNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ NA KONKRÉTNÍM DOMĚ Ekonomická efektivnost projektŧ vyuţívající fotovoltaické články (resp. jednotlivé druhy obnovitelných zdrojŧ) je determinována následujícími ekonomickými veličinami: investiční výdaje (veškeré jednorázové výdaje + reinvestice) doba ţivotnosti zařízení provozní výdaje velikost roční produkce energie a energetických úsp or zpŧsob financování daňové úlevy, státní či jiné podpory (dotace apod.) Pro zhodnocení ekonomické efektivnosti uţití fotovoltaického systému jako zdroj elektrické energie na konkrétním domě předpokládejme nainstalovaný fotovoltaický systém na šikmé střeše rodinného domu v okrese Hradec Králové, kdy tento dŧm má ideální polohu pro instalaci systému na šikmé střeše se sklonem 35, který je ideální vzhledem k poloze České republiky. Střecha je orientována přímo na jih. Fotovoltaický systém se skládá z 24 kusŧ FV panelŧ Kyocera, typ KC200GHT-2. Maximální nominální výkon jednoho panelu je 200 W p, celkový výkon je tedy 4,4 kw p. Celková plocha fotovoltaické elektrárny je cca 34 m 2. Předpokládaná účinnost panelŧ je přibliţně 14%. Součástí systému je síťový měnič Fronius IG40, pro který je uváděna účinnost 93,5%. 26

27 FOTOVOLTAICKÝ PANEL KYOCERA, typ KC200GHT -2 Vertikální úhel nastavení panelŧ - 35 Odchylka od jiţního směru - 0 Celkový počet panelŧ ks 24 Celková plocha PVE m 2 34 Max. výkon panelu W p 200 Účinnost panelŧ % 14,00 Účinnost síťového měniče % 93,50 Celkem instalovaný výkon kw p 4,5 Tab. č. 1: Základní parametry fotovoltaického systému Pro výrobu elektřiny je dŧleţitým parametrem doba slunečního svitu. Podle měření ČHMÚ je v posledních letech tato doba delší neţ je dlouhodobý prŧměr. Odchylky mohou být významné i v jednotlivých měsících kaţdého roku, ale v součtu je doba slunečního svitu o několik procent delší, neţ je dlouhodobý prŧměr. Pro odhad byly pouţity údaje z meteorologické stanice v Hradci Králové. Doba slunečního svitu Dlouhodobý průměr (h) Hradec Králové Průměr let (h) Leden 48,6 100% 62,5 129% Únor 71,0 100% 85,6 120% Březen 118,1 100% 128,0 108% Duben 164,9 100% 188,6 114% Květen 210,9 100% 268,3 127% Červen 214,0 100% 255,5 119% Červenec 216,9 100% 231,2 107% Srpen 209,5 100% 244,1 117% Září 153,9 100% 169,3 110% Říjen 123,3 100% 110,1 89% Listopad 48,4 100% 56,3 116% Prosinec 42,5 100% 50,1 118% Celkem 1622,0 100% 1849,3 114% Tab. č. 2: Měsíční bilance doby slunečního svitu 27

28 Po započítání účinnosti instalovaných panelŧ (14%) a účinnosti DC/AC konvertoru (93,5%) získáme výsledky, které shrnuje tabulka č. 3. Produkce elektrické energie Kyocera KC200GHT-2 sklon 35 (kwh) Leden 134,3 Únor 207,5 Březen 376,8 Duben 521,6 Květen 683,1 Červen 692,2 Červenec 697,1 Srpen 624,4 Září 445,4 Říjen 304,3 Listopad 131,8 Prosinec 104,0 Vyrobená energie celkem 4922,3 Tab. č. 3: Měsíční bilance produkce lektrické energie fotovoltaického systému Instalovaný FV systém tedy vyrobí přibliţně 5 MWh elektřiny ročně. Investiční náklady ukazuje tabulka č. 4. Celkové investiční náklady Cena bez DPH (Kč) 19% DPH (Kč) Cena s DPH (Kč) Dodávka a montáţ měniče elektrického napětí 58300, , ,- FRONIMUS (IG 40) Dodávka a montáţ solárních panelŧ Kyocera , , ,- (24x KC-200GHT-2) Celkem , , ,- Tab. č. 4: Celkové investiční náklady podle faktury od dodavatele Při výpočtu kritérií ekonomické efektivnosti je zapotřebí započítat reinvestice do měničŧ elektrického napětí jednou za 10 let. To znamená, ţe zhruba jednou za 10 let bude třeba vyměnit všechny měniče za nové. Při výpočtu ekonomiky 28

29 provozu FV systému je třeba mít rovněţ na paměti zpŧsob provozu zařízení. Pro připojení pomocí stávajícího el ektrického vedení je nutné pouţít vícekvadrantový elektroměr, který umí rozlišit odběr z FV systému a ze sítě. Z toho vyplývá, ţe v případě nepřítomnosti osob v domě mŧţe docházet k dodávce z fotovoltaiky do veřejné sítě elektrických rozvodŧ a naopak v případě zvýšeného odběru bude docházet k nákupu elektrické energie z veřejné sítě. Vzhledem k tomu, ţe v modelovaném případě předpokládáme, ţe v objektu trvale ţijí 4 osoby a roční spotřeba elektrické energie činí v prŧměru 15 MWh, je výroba systému mnohem niţší v porovnání s celkovou spotřebou. Lze tedy předpokládat, ţe bude z velké části docházet k odběru elektrické energie z veřejné sítě. Investor v tomto případě spotřebuje vyrobenou elektřinu většinou sám, bude proto přihlášen k odběru zeleného bonusu, cena tedy bude tvořena výší zeleného bonusu 12,75 Kč / kwh plus současnou prŧměrnou cenu elektřiny neodebranou ze sítě, coţ je v domácnostech přibliţně 4 Kč / kwh. V kaţdém případě provozovatel získá ročně za kaţdou kwh 13,46 Kč v případě, ţe vyrobenou elektřinu odebere rozvodný podnik. Většina rozvodných podnikŧ odebírá přebytečnou elektřinu za cenu dorovnávající rozdíl mezi výkupní cenou a zeleným bonusem. Výkupní cena Zelený bonus Předpokládaná roční výroba elektrické energie kwh / rok 4922,- 4922,- Výkupní cena 1 kwh Kč / kwh 13,46 16,75 Výnos z realizované investice Kč / rok 66254, ,- Tab. č. 5: Ekonomika provozu FV systému 29

30 7 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ [ 1 ] Libra, M., Poulek, V.: Solární energie Fotovoltaika perspektivní trend současnosti, ČZU, Praha 2006 [ 2 ] Nelson, J.: The Physics of Solar Cells, ICP, 2003 [ 3 ] Kittler, R., Mikler, J.: Základy vyuţívania slnečného ţiarenia, VEDA, Bratislava 1986 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] meline.pdf [ 9 ] [10] 30