MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE

Transkript

1 MENDELOVA ZEMĚDĚLSKÁ A LESNICKÁ UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA DIPLOMOVÁ PRÁCE BRNO 2009 JAROMÍR SAPÍK

2 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky Stavba fotovoltaické elektrárny Diplomová práce Vedoucí práce: Dr. Ing. Radovan Kukla Vypracoval: Bc. Jaromír Sapík Brno

3 Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky 2008/2009 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE Řešitel: Studijní program: Obor: Bc. Jaromír Sapík Zemědělská specializace Automobilová doprava Název tématu: Stavba fotovoltaické elektrárny Zásady pro vypracování: 1. Zhodnoťte moderní systémy solárních článků 2. Dle aktuální legislativy a techniky navrhněte technologické schéma fotovoltaické elektrárny 3. Zhodnoťte energetickou náročnost vybrané instalace. 3

4 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana AF MZLU v Brně. dne. podpis... 4

5 Poděkování: Děkuji panu Dr. Ing. Radovanu Kuklovi za metodické vedení a cenné rady, které mi během řešení této práce vždy ochotně poskytoval. 5

6 Abstrakt: Diplomová práce Stavba fotovoltaické elektrárny je zaměřena na popis, funkci a vývoj solárních článků. Vývoj solárních článků je řazen do tří generací. Z pohledu stavebního je zde řešena integrace fotovoltaiky do budov a jsou zde probrány instalace fotovoltaických panelů v otevřené poloze, v těsné blízkosti jiných konstrukcí a panely na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí. Dále je zde popsána teoreticky i konkrétně realizace fotovoltaického systému na rodinném domě. S realizací systému je spojen i legislativní rámec a zhodnocení dostupnosti v podmínkách České republiky. V závěrečné fázi jsou uvedeny a popsány tři fotovoltaické elektrárny umístěné na ČVUT v Praze, na Masarykově univerzitě v Brně a v Dukovanech, z nichž jsou zde uvedena naměřená data z provozu v průběhu několika let. Tato data jsou následně zpracována a vyhodnocena z hlediska výkonu a posloužila ke srovnání tří zmíněných instalací. Klíčová slova: Fotovoltaika, sluneční svit, solární článek Abstract: This publication The construction of photovoltaic power station is focused on description, function and system development of barier-layer photocells. These photocells are classified into three generations. Here are threshed out the questions of an integration of photovoltaic system on buildings and constructions of photovoltaic panel in an outer place, nearly close panels to other stuctures and panels in an interface between inner and outer background, all described from constructional sight. From theoretical and concrete point of view is here described the realization of photovoltaic system on an one-family house. The legislation and evaluation of accessibility under the Czech Republic conditions belongs to the realization of an construction too. Here are preceded and described three photovoltaic power stations which are situated on buldings of ČVUT in Prague, Masaryk university in Brno and station in Dukovany, from that are noted the data here, measured out from an activity during few years before. These data then are worked up and evaluated from view of performance and with them I confronted here three already mentioned constructions. Key words: Photovoltaics, sunshine, photocell 6

7 OBSAH: 1 ÚVOD CÍL PRÁCE GENERAČNÍ VÝVOJ SOLÁRNÍCH PANELŮ První generace Solární článek jako aktivní solární komponent Druhá generace Třetí generace Solární panel křemíkový článek Amorfní křemík Jednotka výkonu Watt peak Typy fotovoltaických systémů Autonomní fotovoltaické systémy Systémy spojené se sítí INTEGRACE SOLÁRNÍHO SYSTÉMU NA BUDOVU FV panely v otevřené poloze FV panely v těsné blízkosti jiných konstrukcí FV panely na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí INTEGROVANÝ FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM PRO PLOCHÉ STŘECHY Výkon Instalace integrovaného fotovoltaického systému Provoz VĚTRANÁ FOTOVOLTAICKÁ FASÁDA Popis instalace Funkce odvětrání fotovoltaického systému FV Fasáda solární vzduchový kolektor ŠIKMÉ KONSTRUKCE PRO SOLÁRNÍ PANELY Podpůrná konstrukce na ČVUT Polohové instalace Polohovací jednotky SunFlex

8 8 DOSTUPNOST SOLÁRNÍ ENERGIE V ČR Přírodní podmínky v ČR Instalovaný výkon fotovoltaiky v ČR Plánování systému FOTOVOLTAICKÁ ELEKTRÁRNA NA RODINNÉM DOMĚ Parametry přípojného místa Velikost a výtěžnost systému Praktický příklad výpočtu Stavební povolení Žádost o předběžné stanovisko Realizace systému Licence Připojení elektrárny Fakturace LEGISLATIVA Legislativní postup Legislativní rámec pro provoz sluneční elektrárny Cenové rozhodnutí Zelený bonus Česká fotovoltaická konference REALIZACE SOLÁRNÍ ELEKTRÁRNY 4,86 kwp VE ZNOJMĚ Technický popis fotovoltaického systému Fotovoltaické panely Hliníková konstrukce Střídač Ochrana proti přepětí a podpětí Kabeláž Měřící prvky Technické předpoklady v místě realizace Lokalita Sklon a orientace panelů

9 Systém PVGIS Zhodnocení technických předpokladů fotovoltaického systému Ekonomická studie Vstupní parametry Vstupní parametry pro ekonomickou studii Zhodnocení ekonomické studie Cenová nabídka MATERIÁL A METODIKA Fotovoltaická elektrárna na ČVUT Komponenty systému Rozmístění systému Skutečná energetická produkce v letech Teoretická roční energetická produkce Normalizovaná roční energetická produkce Energetická produkce životního cyklu fotovoltaické instalace Energetická produkce životního cyklu fotovoltaické instalace Investiční náklady Fotovoltaická elektrárna na MU Naměřené hodnoty Fotovoltaická elektrárna v Dukovanech Parametry elektrárny Produkce elektrárny Fotovoltaické elektrárny ve světě VÝSLEDKY A DISKUSE Vyhodnocení dat z ČVUT 40,9 kwp Vyhodnocení dat z MU 40 kwp Vyhodnocení dat z Dukovan 10 kw Srovnání elektráren ČVUT, MU a Dukovany Srovnání elektráren MU a Dukovany ZÁVĚR POUŽITÁ LITERATURA

10 16 SEZNAM OBRÁZKŮ SEZNAM TABULEK...99 PŘÍLOHY

11 1 ÚVOD Slunce je jedním z nejvýznamnějších zdrojů energie pro naši planetu. Množství energie, která na zemský povrch dopadne, je obrovské. Bylo by tedy bezpředmětné ji dále nevyužít. Způsobu využití slunečního záření je celá řada. Mezi dva nejvýznamnější by se dala zařadit fotovoltaika a fototermika. Fototermikou jsem se zabýval konkrétněji ve své bakalářské práci (Sapík, 2007). Jedná se o přeměnu slunečního záření na tepelnou energii, zejména tedy o ohřev vody. Fotovoltaika (FV), kterou se zabývám nyní ve své diplomové práci, zaznamenala v posledních letech obrovský rozmach. Když se rozhlédneme po svém okolí, plno domů má na střešní konstrukci nainstalovaný fotovoltaický systém. Tento trend se navíc ještě rozrůstá o možnost integrace takového systému přímo na budovu, třeba jako fasáda. Když se podíváme na krajinnou část, uvidíme také pořád větší množství velkoplošných fotovoltaických elektráren, zaměřujících se na výrobu elektrické energie. Tento nárůst a rozmach fotovoltaiky je dán především výhodnými legislativními podmínkami a garantovanou cenou na dvacet let na výkup elektrické energie. Energii nemusíme jen prodávat, je možné ji využívat k vlastní potřebě, a tak čerpat tzv. zelené bonusy. Velkoplošné elektrárny navíc dostávají dotace, stejně tak i projekty realizované na školách. Tyto podmínky jsou dle mého názoru nutné k většímu zastoupení obnovitelných zdrojů na celkovém energetickém podílu. Ve své diplomové práci se snažím tuto problematiku nastínit. Uvádím zde případ instalace fotovoltaického systému na rodinném domě i s náležitostmi, které tento proces obnáší, jak z hlediska legislativního, tak i z technického. Tomu předchází analýza vývoje solárních článků a stavební řešení jednotlivých typů instalací. Nakonec se pokusím zhodnotit a porovnat tři elektrárny, ze kterých mám k dispozici naměřená data z jejich provozu. 11

12 2 CÍL PRÁCE Cílem mé práce je zhodnotit systémy solárních článků, jejichž generační vývoj je uveden v první části diplomové práce. Dále pak mám za úkol dle legislativy a techniky navrhnout fotovoltaickou elektrárnu. Tento úkol mám zpracován ve formě legislativního postupu a rámce při realizaci fotovoltaické elektrárny a popisu typů stavebních instalací i s konkrétními případy. Uvedl jsem i přírodní podmínky, jež jsou pro provoz elektrárny velice důležité. V konečné fázi mám zhodnotit energetickou náročnost vybrané instalace. Ke zhodnocení jsem potřeboval zaznamenaná data z provozu vybrané elektrárny. Nakonec se mi podařila získat data ze tří elektráren, které jednotlivě zhodnotím a na závěr i vzájemně srovnám. 12

13 3 GENERAČNÍ VÝVOJ SOLÁRNÍCH PANELŮ 3.1 První generace Za první generaci se považují fotovoltaické (FV) články, které tvoří základní prvek křemíkové desky. V sériové výrobě jsou schopné dosáhnout celkem vysoké účinnosti přeměny %, v podobě speciálních struktur až 24 %. Sériový, tedy komerční, prodej se začal uskutečňovat v sedmdesátých letech. Nyní mají na trhu největší zastoupení cca 90 %. Krystalický křemík činí jako vstupní materiál z výroby fotovoltaického článku poměrně drahou záležitost. (Czech RE Agency, 2007) Solární článek jako aktivní solární komponent Elektrický proud si lze představit jako tok volných nosičů elektrického náboje (elektronů) usměrněný elektrickým polem. Vodiče mají ve své atomové struktuře tyto volné nosiče běžně k dispozici, zatímco izolanty nikoliv. Základním prvkem pro výrobu solárních článků (Obr.1) je v současné době krystalický křemík. Tento prvek vzhledem ke svým vlastnostem nelze zařadit mezi elektrické vodiče a ani mezi izolanty. Patří mezi látky označované jako polovodiče, které jsou za určitých okolností, stejně jako izolanty, elektricky nevodivé a naopak za jiných podmínek se mohou stát elektrickými Obr.1 Schéma solárního článku (Sapík, 2007) vodiči. V souvislosti se solárním článkem je touto okolností síla sluneční energie, která na polovodič dopadá. Čím je sluneční záření intenzivnější, tím se v polovodiči vytvoří více volných nosičů elektrického náboje, a tím je křemíkový solární článek schopen vyrobit větší elektrický proud a naopak. Při dopadu slunečního záření na plochu solárního článku (Obr.2) vzniká na jeho svorkách elektrické napětí. Výstupní napětí jednoho solárního článku činí přibližně 0,5 V. Při jeho typické velikosti o rozměrech cm je schopen vytvořit elektrický proud až 3 13

14 A, čímž dosahuje elektrického výkonu 1,5 W. Je-li použit článek o velikosti cm, je dosaženo elektrického proudu až 6 A a výkonu 3 W. Je třeba zdůraznit, že skutečný výkon vyrobený solárním článkem nezávisí pouze na intenzitě dopadajícího slunečního záření. Mezi další důležité vlivy patří také teplota článku a spektrální složení světla. Zatímco s rostoucí intenzitou dopadajícího světla elektrický výkon solárního článku roste, s jeho rostoucí teplotou naopak klesá. Pro přiblížení této závislosti lze Obr.2 Fotovoltaické články různých barev (Sapík, 2007) říci, že při zvýšení teploty o 10 ºC dojde k poklesu vyráběného výkonu o 4 %, pří zvýšení o 25 ºC klesá výkon až o 10 %. (Sapík, 2007) 3.2 Druhá generace Drahý základní materiál křemík byl hlavním důvodem pro vývoj článků druhé generace. Aktivní absorbční polovodičová vrstva (thin-film) u článků druhé generace je 100krát až 1000krát tenčí. Hlavními představiteli jsou články z mikrokrystalického a amorfního křemíku. Popřípadě to mohou být i silicon-germania, či silicon-karbid, ale také tzv. směsné polovodiče z materiálů Cu, In, Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury. Při porovnání s články první generace došlo k úspoře materiálu, a tedy i k poklesu výrobních vstupních nákladů, a cena ve velkovýrobě tudíž poklesla. Avšak naproti tomu u velkosériové výroby je účinnost nižší o 10 %. Největší výhoda článků tkví v možnosti deponovat tenkovrstvé struktury na různé substráty. Mohou se použít i flexibilní materiály, organické, kovové a textilní folie, kterými se rozšiřují i aplikační možnosti. Články druhé generace jsou v prodeji od poloviny osmdesátých let. (Czech RE Agency, 2007) 14

15 3.3 Třetí generace Hlavním cílem, stanoveným u článků třetí generace, je snaha o navýšení počtu absorbovaných fotonů, a následně generovaných párů elektron díra, což znamená proudový zisk. Zároveň existuje i snaha o maximalizaci využití energie dopadajících fotonů, od kterých se odvíjí napěťový zisk. Řada výzkumných směrů, kterým se vývoj věnuje, je uvedena níže: - vícevrstvé solárních články - z tenkých vrstev - články s vícenásobnými pásy - články, které by využívaly tzv. horké nosiče náboje pro generaci více párů elektronů a děr - termofotovoltaická přeměna, kde absorbér je současně i radiátorem vyzařujícím selektivně na jedné energii - termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí - články využívající kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách - prostorově strukturované články vznikající samoorganizací při růstu aktivní vrstvy - organické články založené např. na bázi objemových heteropřechodů Komerčně rozšířené a efektivně fungující články třetí generace, které navazují na fotovoltaické články druhé generace, jsou vícecrstvé struktury. Konkrétně tedy dvojvrstvé, jinak nazývané také jako tandemy, a trojvrstvé články. K maximalizaci fotonů zde dochází tím, že každá sub-struktura p-i-n absorbuje jinou část spektra. Tandemový solární článek se skládá z vrstvy z p-i-n přechodu amorfního křemíku a p-i-n přechodu mikrokrystalického křemíku. Mikrokrystalický křemík vysoce absorbuje červenou a infračervenou oblast. Může se nahradit i slitinou křemíku s germániem, jejichž vzájemným poměrem se mohou upravovat optické i elektrické vlastnosti. Amorfní křemík vykazuje vysokou schopnost absorpce v modré, zelené a žluté části spektra. Z těchto výše zmíněných materiálů se v komerční výrobě využívá u trojvrstvých článků, u nichž jsou dva spodní články vyrobeny s různou koncentrací Si a Ge. Důležitým předpokladem pro efektivní funkci vícevrstvých článků je, aby každý generoval stejný proud. Při generaci různých proudů, je pak celkový 15

16 roven tomu s nejnižší hodnotou a tím omezuje ostatní. Při dobré funkci je pak výsledné napětí dané součtem všech vrstev článků. (Czech RE Agency, 2007) 3.4 Solární panel křemíkový článek Fotovoltaický panel (Obr.3) vznikne zapouzdřením sériově nebo paralelně propojených solárních článků. Články musí být zapouzdřeny v panelu hermeticky, aby byly dostatečně chráněny proti mechanickému a klimatickému poškození vítr, krupobití, mráz apod. Od druhu použití se odvíjí i značná rozmanitost konstrukce solárních panelů. Rám fotovoltaického panelu je ve většině případů opatřen duralovým rámem, který celou Obr.4 Konstrukce fotovoltaického panelu (Czech RE Agency, 2007) Obr.3 Solární panel (Czech RE Agency, 2007) konstrukci zpevňuje a zároveň slouží k uchycení panelu k nosné konstrukci. Horní krycí vrstva je z kaleného skla odolávající přírodním a vnějším vlivům. Z obrázku 4 je patrná konstrukce panelu, a také realizace průběhu procesu výroby, zvaná laminace. Nad povrchem přední strany fotovoltaických článků se nachází EVA folie ethylen vinyl acetát a kalené sklo např. teflon, litá pryskyřice. Při ozáření UV světlem může EVA folie z organického materiálu vykazovat efekt žloutnutí, kterým snižuje optickou transparentnost. Optická transparentnost má nepříznivý vliv na množství generovaného elektrického výkonu 16

17 vyprodukovaného slunečními články. U krycího kaleného skla může dojít ke snížení optické propustnosti jen znečištěním povrchu vlivem vnějších vlivů. Jinak je krycí kalené sklo velmi stabilním materiálem. Oproti konstrukci z krystalických křemíkových článků je struktura panelů z tenkovrstvých článků odlišná, a to z důvodu odlišnosti výrobního procesu. U tenkovrstvých panelů je aktivní struktura deponována plazmou na skleněný velkoplošný substrát po jednotlivých krocích. (Czech RE Agency, 2007) 3.5 Amorfní křemík Amorfní křemík je spíše řazen do alternativní technologie. Je znám zejména z kalkulaček. Amorfní látky nemají pravidelnou krystalickou strukturu i když jsou v pevném skupenství. Částice jsou v těchto látkách uspořádány náhodně, pouze mezi sousedícími atomy existují určité zákonitosti. Krystalický křemík se vyrábí ve vysokých pecích, poté jsou ingoty křemíku upraveny do podoby článku. Výroba modulů z amorfního křemíku probíhá ve vakuové komoře při teplotě 200 C, kde je vrstva amorfního křemíku nanášena na skleněnou tabuli, popřípadě může jako podkladní vrstvu lze použít plast nebo kovové folie. Amorfní křemík je označován jako tenkovrstevná technologie, je nanášen do tloušťky vrstvy 0,001 mm. Pro srovnání tloušťka krystalického článku činí cca 0,3 mm. Výroba amorfních modulů je oproti krystalickým technologiím Obr.5 Amorfní modul Kaneka K-60 za slunečného počasí (SOLARENVI, 2009) méně energeticky i materiálově náročná, a tudíž i levnější. Tyto výhody jsou však nutně vykoupeny i nevýhodami, které představují zejména poloviční účinnost oproti krystalickému křemíku. Účinnost však neudává samotná kvalita technologie, ale je dána i rozlohou panelů, nutnou k dosažení špičkového výkonu 1 kw. Pokud tedy 1 kwp u krystalického křemíku je získán z plochy cca 8 m², pak u 17

18 tenkovrstvené technologie amorfního křemíku je zapotřebí cca 16 m². Amorfní moduly jsou obvykle dodávány ve tvaru čtverce. Za slunečného, nebo běžného počasí mají hnědofialovou barvu (Obr.5). Při změně počasí, zejména pak za deště, anebo při změně úhlu pohledu pozorovatele, mění moduly odstíny (Obr.6). V prvních 60 hodinách provozu produkují moduly z amorfního křemíku o 30 % vyšší výkon, než je výkon nominální. Dále je pak výkon Obr.6 Amorfní modul za deště (SOLARENVI, 2009) cca o 15 % vyšší, ale během následujícího roku klesá až k hodnotě deklarované výrobcem. Amorfní křemík má na rozdíl od krystalického křemíku nižší teplotní součinitel výkonu, jeho účinnost s rostoucí teplotou klesá pomaleji, tudíž není tak náchylný na letní přehřívání. Předností amorfních modulů je taky jejich estetičnost. (SOLARENVI, 2009) Jednotka výkonu Watt peak Watt peak (Wp) je jednotka k vyjádření nominálního výkonu fotovoltaických panelů. Jedná se tedy o výkon, který vyrobí solární panel při standardizovaném výkonnostním testu. Podmínky při testu jsou následující: energetická hustota záření 1000 W/m², 25 C a světelné spektrum odpovídajícím slunečnímu záření po průchodu bezoblačnou atmosférou Země (Air Mass 1,5). Watt peak je tedy jednotkou vyjadřující špičkový výkon dodaný solárním zařízením za ideálních podmínek, lze tedy říci, že se jedná přibližně o výkon dodávaný panelem nebo instalací za běžného bezoblačného letního dne. (SOLARENVI, 2009) 18

19 3.6 Typy fotovoltaických systémů Autonomní fotovoltaické systémy Autonomní (grid-off) fotovoltaické systémy (Obr.7) sestávají z pole fotovoltaických modulů a akumulátoru energie. Jedná se zdroje elektrické energie nezávislé na rozvodné síti. Tyto systémy se také označují jako izolované solární systémy. Blokové schéma jednoduchého autonomního systému se solárním generátorem, akumulátorem a stejnosměrným spotřebičem se nachází na obrázku 8. Solární generátor je zdrojem elektrické energie, která se ukládá do akumulátoru, kde je uchována pro využití v obdobích bez slunečního záření. Regulační prvek zajišťuje správnost nabíjecího a vybíjecího procesu akumulátoru. Je důležité, aby u akumulátoru nedošlo k přebíjení nebo naopak hlubokému vybíjení. Oba tyto krajní stavy vedou k jeho trvalému poškození. Jako příklady spotřebičů mohou být uvedeny například světla, lampy, radiopřijímače nebo motory. Všechny tyto spotřebiče musí být určeny pro napájení Obr.8 Schéma autonomního FV systému (Sapík, 2007) Obr.7 Schéma grid-off systému (Sapík, 2007) stejnosměrným napětím z akumulátoru. Výhodou autonomních FV systémů je především jejich nezávislost na přítomnosti elektrické rozvodné sítě. Jejich využití nachází uplatnění především v místech bez veřejné rozvodné sítě, kde by nebylo využití různých elektrických spotřebičů za normálních okolností možné. Mezi nevýhody patří především závislost dostupnosti elektrické energie na pravidelném a dostatečném dobíjení akumulátoru, který navíc vyžaduje odpovídající údržbu. Dále je třeba udržovat dostatečnou čistotu plochy solárního generátoru a používat vodičů silných průřezů, aby nedocházelo ke zbytečným elektrickým ztrátám na vedení FV systému. (Sapík, 2007) 19

20 3.6.2 Systémy spojené se sítí Fotovoltaické systémy spojené se sítí (grid-on), viz. obrázky 9 a 10, dodávající vyrobenou elektrickou energii přímo do rozvodné elektrické sítě střídavého napětí. V těchto systémech není nutné vyrobenou energii akumulovat pro využití v době nedostatku slunečního záření. I zde je zdrojem elektrického napětí solární generátor. Vyrobené stejnosměrné napětí je za pomocí síťového měniče (střídače) transformováno na střídavé napětí 230 V/50 Hz a dodáváno do veřejné rozvodné sítě. Je samozřejmostí, že použité střídače musí splňovat všechny potřebné ochranné a bezpečnostní funkce, mezi které patří především odolnost proti zkratu, odolnost proti přetížení, schopnost nastavit se na frekvenci a napětí rozvodné sítě a synchronně do ní poslat vyrobený solární výkon. Mezi nejvíce používané charakteristické vlastnosti střídačů patří Obr.10 Grid-on systém (Sapík, 2007) Obr.9 Schéma grid-on systému (Sapík, 2007) jejich jmenovité vstupní stejnosměrné napětí (12 V, 24 V nebo 48 V) a účinnost (dosahuje se až 90 %). Výhodou těchto fotovoltaických systémů je skutečnost, že elektrický spotřebič má vždy k dispozici elektrickou energii a může fungovat nezávisle na přítomnosti slunečního záření. V případě dostatku slunečního záření je energie dodávána do rozvodné sítě, v době nedostatku slunečního záření systém energii nedodává a uživatel odebírá elektrickou energii z rozvodné sítě. Při využití je však vždy nutné dodržovat veškerá bezpečnostní pravidla související s používáním rozvodné napěťové sítě. (Sapík, 2007) 20

21 4 INTEGRACE SOLÁRNÍHO SYSTÉMU NA BUDOVU Využívání fotovoltaických instalací nachází stále ve větší míře nachází své uplatnění. Už se nejedná jen o osazení panelů na střešní konstrukci, ale stále více se panely umisťují i na jiné plochy staveb. Takovéto instalace jsou v podstatě atypické dům od domu a je tedy kladen větší důraz na architektonicko-stavební pohled, ať již z pohledu rázu krajiny, nebo v pravděpodobnějším urbanistickém pohledu. Při výběru osazování prvků staveb, nebo staveb samotných fotovoltaickou instalací, hraje samozřejmě nejdůležitější roli orientace. Nejčastěji se u staveb využívají nevyužité plochy, zejména pak obvodové pláště budov, které jsou vhodným prostředím pro instalaci. Pro tento druh instalace s její integrací na budovu, je převzat anglický název Building Integrated Photovoltaics, zkráceně BIPV (Obr.11). Obr.11 Schématické znázornění způsobů integrace FV systémů do budov: (a) šikmá střecha, (b) plochá střecha, (c) fasáda, (d) tenkovrstvá FV pro velké střešní plochy, (e) průmyslové aplikace, (f) semitransparentní FV pro atria a výplně otvorů, (g) vnější stínící a clonící systémy. Ženka et al. (2007) Jako nejdůležitější parametry zohledňující integraci fotovoltaiky na budovu jsou následující kritéria: - Stavební začlenění a architektonický soulad fotovoltaiky s budovou - Technologická návaznost na ostatní energetické systémy budovy - Energetická návaznost na provoz a křivku potřeby elektrické energie v budově Při pohledu na moderní fotovoltaický systém z jiného než energetického hlediska, jde vidět další jeho důležitá a neopomenutelná funkce plnohodnotného stavebního prvku, zastávající i další funkce spojené se stavbou. V podstatě existují tři základní kategorie 21

22 způsobu fotovoltaické instalace na budovy, které udávají stavebně architektonický funkční vztah mezi fotovoltaikou a budovou: - FV panely v otevřené poloze - FV panely v těsné blízkosti jiných konstrukcí - FV panely na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí Uvedené typy instalací panelů jsou následně popsány níže. Ženka et al. (2007) 4.1 FV panely v otevřené poloze Fotovoltaické panely v otevřené poloze nachází největší uplatnění na objektech s plochými střechami, kde je zamezen přístup nepovolaných osob a celý objekt je méně vizuálně exponován. Samotné panely jsou většinou osazovány na samostatně nesené rámové konstrukce s různým sklonem (Obr.12). Sklon ovšem není podmínkou, konstrukce může se střechou svírat i pravý úhel. Nespornou výhodu tohoto typu Obr.12 FV systém na ploché střeše Fakulty stavební ČVUT v Praze (ABS, 2008) instalace tvoří předpoklad oboustranného obtékání větrem, jehož výsledkem je uniformní teplota panelů v rámci FV generátoru. Jak je patrné z polohy umístění instalace a její integrace na budovu, je tento zmíněný typ nejméně náročný na architektonicko stavební měřítka. Zvláštním, avšak velice málo používaným způsobem použití, jsou předsazené stínící markýzy. Ženka et al. (2007) 22

23 4.2 FV panely v těsné blízkosti jiných konstrukcí Dalším typem, na který jsou však již kladeny značné estetické nároky, je umístěn v těsné blízkosti jiných konstrukcí. Proto zde hraje velice důležitou roli architektonickostavební výraz, zabývající se integrací do budovy. Významnou roli zde Obr.13 FV panely nahrazující střešní krytinu větrané dvouplášťové střechy nehraje jen rodinné domy v Koberovech Ženka et al. (2007) struktura, začlenění apod., ale i výběr z velké škály barev. Podobu celku může tedy v konečné fázi ovlivnit i barva rámu, nebo volba bezrámového řešení. Soustavy fotovoltaických panelů se nejčastěji umisťují na obvodové stěny či střechy budov, z čehož plyne, že na rozdíl od konstrukcí v otevřené poloze jsou větrem obtékány pouze z přední strany. Aby se zamezilo hromadění tepla a zajistil se jeho efektivní odvod i ze zadní strany panelů, zřizuje se mezi soustavou fotovoltaickýh panelů a lícem obvodového pláště stěny otevřená vzduchová mezera. Její tloušťka se volí podle velikosti instalace. Vzduchová mezera není vždy nutností, a to v ojedinělejších případech, kdy stavebně integrované fotovoltaické panely tvoří přímo součást staveb v podobě náhrady za fasádu, či střešní krytinu (Obr.13). Esteticky integrovaná instalace působí velice efektivně, tato estetičnost je však vykoupena menší účinností. Principiálně je odvod tepla u panelů instalovaných v těsné blízkosti jiných konstrukcí zajištěn konvekcí a radiací, přičemž dominantní roli zde hraje síla větru, stejně jako u panelů v otevřené poloze. V případě vzduchové mezery, kterou lze chápat jako kanál ohraničený dvěma paralelními rovinnými deskami, spojený s okolním prostředím vstupním a výstupním otvorem, hraje významnou roli proudění. Ženka et al. (2007) 23

24 4.3 FV panely na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí Nejatypičtějším a zřídka kdy vyskytujícím se druhem instalace jsou konstrukce na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí. Tyto instalace jsou nejčastěji součástí lehkých obvodových plášťů, nabízejících povětšinou kombinaci s jiným materiálem, kdy je možno provést i zajímavé mozaikové nebo jiné řešení. Této zvýšené estetičnosti se využívá zejména v atriích větších budov. Tyto instalace lze účelně využívat k ochraně Obr.14 Semitransparentní FV výplně budova STAWAG, Aachen, Německo interiéru před Ženka et al. (2007) nadměrným přehříváním. Semitransparentní FV panely samy o sobě, a v kombinaci s čirými tabulemi skla, nabízejí architektům zajímavé možnosti práce s přirozeným osvětlením (Obr.14). Ač se třeba nezdá, tak tato instalace přímo ovlivňuje vnitřní pohodu v interiéru. Použité články z krystalického křemíku vytváří ostrý přechod světla a stínu, zatímco tenkovrstvé články propouštějí rozptýlené světlo. Na instalace na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí jsou kladeny velké nároky. Musí totiž splňovat všechny požadavky kladené na obvodové konstrukce. Z tohoto důvodu musí být technickému návrhu a provedení systému, včetně detailů a estetickému ztvárnění, věnována velká pozornost. Ženka et al. (2007) 24

25 5 INTEGROVANÝ FOTOVOLTAICKÝ SYSTÉM PRO PLOCHÉ STŘECHY Při úvaze použití solárních panelů na ploché střeše, kde potřebujeme dosáhnout určité estetické úrovně, se naskýtá řešení v podobě integrovaného fotovoltaického systému. Jedna z mnoha firem, která takové instalace provádí se nazývá Alwitra GmbH Trier. Firma německého původu se zabývá výrobou hydroizolačních systémů, přičemž vyrábí i integrovaný fotovoltaický Obr.15 Plochá střecha s integrovaným fotovoltaickým systémem EVALON - Solar (FDT CZ, 2007) systém s označením EVALON Solar (Obr.15). Integrovaný fotovoltaický systém zastává hned tři funkce. Chrání vlastní konstrukci střechy bezpečnou povlakovou hydroizolací dle ČSN Primární je samozřejmě fotovoltaická funkce, přičemž nezanedbatelnou úlohu tvoří i funkce estetická. Instalaci můžeme tedy použít i v městské zastavěné části, na střechách hypermarketu, dále pak na panelácích obytných domů, sportovních, skladových a výrobních hal atd. Avšak objekt by měl být chráněn proti vniku nepovolaných osob, ať již kvůli krádeži nebo mechanickému poškození apod. Flexibilní třívrstvé (Triple - Junction) fotovoltaické amorfní Obr.16 Schéma rozdělení citlivosti jednotlivých vrstev fotovoltaického článku na vlnové délky spektra slunečního záření (FDT CZ, 2007) články jsou naneseny na horní povrch termoplastických hydroizolačních fóliových pásů na 25

26 bázi etylen - vinyl - acetátu (EVA) EVALON V, které tvoří konstrukci samotného systému. Na podkladní fólii z ušlechtilé oceli jsou absorpčně naneseny tři vrstvy amorfního křemíku, které tvoří jádro o rozměrech mm. Oproti krystalickým systémům mohou tyto třívrstvé články, jejíchž hlavní výhoda tkví v tom, že každá z vrstev absorbuje jinou vlnovou délku spektra slunečního záření, využít vedle červené i modrou a zelenožlutou oblast spektra (Obr.16). Užitek z tohoto efektu pak pocítíme zejména při zatažené obloze, kdy články odebírají energii jen z difúzního světla. Celkově je článek zasazen v průsvitném ochranném polymerním pouzdře. Pouzdro tvoří ochrannou funkci vůči mechanickému poškození a otěru, a musí být u integrovaného systému vždy dokonale zajištěno. Aby se nesnižovala účinnost zařízení, zabraňuje pouzdro tvorbě usazenin a zároveň má i samočisticí schopnost. Horní (+) pól vloženého článku tvoří mřížka z ušlechtilé oceli. Spodní (-) pól pak základní fólie z oceli, na kterou jsou Obr.17 Napojení fotovoltaických kabelů na spodní straně pásů EVALON Solar (FDT CZ, 2007) křemíkové vrstvy nanášeny. Rozmístění 66 fotovoltaických článků je uspořádáno do tří sloupců o 22 článcích v sériovém zapojení s bypass - diodami, které tvoří jeden modul. Tento modul, konkrétně u modelu EVALON V Solar 408, o rozměrech 1,55 m na šířku a 6,0 m na délku, vytváří základní pás systému. Systém kabeláže je zde velice dobře vyřešen. Vzájemné propojení článku v modulu je řešeno napojovacími fotovoltaickými kabely, umístěnými na spodní straně pásů (Obr.17). Kabeláž je tedy pod hydroizolací dokonale chráněna vůči povětrnostním vlivům. (FDT CZ, 2007) 26

27 5.1 Výkon Výkon modulu činí 408 Wp při STC napětí v MPP je 99 V. Při započítání 11 cm přesahu pásů je zapotřebí pro instalaci jmenovitého výkonu 1 kwp 21,18 m² střešní plochy. Vedle základního provedení pásů EVALON V - Solar 408 jsou vyráběny i kratší a užší pásy se jmenovitými výkony uvedenými následující tabulce: (FDT CZ, 2007) Tab1. Rozměry pásů (FDT CZ, 2007) 5.2 Instalace integrovaného fotovoltaického systému Před osazením jakéhokoliv systému na střešní konstrukci se musí zohlednit tři zásádní kritéria. V první řadě nosnost střešní konstrukce, dále způsob zakotvení instalace a v neposlední řadě také povětrnostní vlivy v dané lokalitě. Integrovaný fotovoltaický systém je z těchto hledisek hodnocen velice kladně. Oproti klasickým šikmým instalacím osazeným převážně krystalickými články, kde nosnou část tvoří většinou těžká ocelová konstrukce, zatíží integrovaný fotovoltaický Obr.18 Pokládání pásů Evalon V - Solar s integrovanými fotovoltaickými články (FDT CZ, 2007) 27

28 pás střešní konstrukci jen 0,04 kn/m². Takže není nutné ani její zesílení. Zároveň je k ní šetrný i co se týče ukotvovacích prostupů instalace konstrukcí, oproti vlivům způsobeným stojany. Rovněž kabeláž je efektivně chráněna proti povětrnostním nebo jiným vlivům, vlastní konstrukcí hydroizolačního pásu, pod kterým je vedena. Na druhou stranu je to nevýhoda v nutnosti výměny kabeláže. Vhodným podkladem pod pásy se osvědčily tepelně izolační desky z minerální plsti, umožňující snadné vytvoření kanálků pro vedení zapojovacích kabelů ze střechy do interiéru objektu. K podkladu jsou pásy ukotveny mechanicky standardně v přesahu kotvícími prvky z ušlechtilé oceli. Samotná montáž, pokládání a svařování hydroizolačních pásů s integrovanými fotovoltaickými články je stejná jako u běžné termoplastické hydroizolační fólie (Obr.18). Napojovací kabely o standardní délce 5 m a průřezu 2 x 4,0 mm² jsou vedeny po spodní straně každého hydroizolačního pásu. Aby nedocházelo ke konkávním nerovnostem na pásu, pokládá se napojovací kabeláž do předem vytvořených kanálků. Tyto kanálky jsou systémově vedeny ke kabelovým propustem ze střešní plochy do interiéru (Obr.19). Obr.19 Vedení napojovacích kabelů pod hydroizolací k prostupům interiéru (FDT CZ, 2007) V interiéru objektu je řešení následující. Z každých čtyřech pásů s fotovoltaickými moduly osazených na střešní konstrukci je vedení svedeno do jedné napojování skříňky. Množství skříněk a prostorová náročnost se pak logicky odvíjí od velikosti plochy instalace, na které jsou pásy umístěny. Z každé napojovací skříňky pak vede kabeláž do skříňky spínací, jež plní funkci manuálního vypnutí příslušné větve fotovoltaického systému. Odtud pak vede do DC/AC-střídače. Ze střídače je dále kabeláž se střídavým 28

29 proudem 230 svedena do posledního místa, kde je na rozvodné desce objektu umístěno měřící zařízení. (FDT CZ, 2007) 5.3 Provoz Stejně jako kterákoliv jiná fotovoltaická instalace, i tato funguje zcela automatizovaně pomocí kontroly vzdáleným počítačem. Oproti běžné ploché střeše s povlakovou izolací musíme provádět častější kontroly. Zejména kvůli povětrnostním vlivům, usazenin a větších hrubých nečistot nanesené větrem. I když mají fotovoltaické články samočisticí schopnost díky teflonovému povlaku na horním povrchu, neškodí je občas manuálně očistit. Při jakýkoliv operacích prováděných na střeše je dobré se vyvarovat zbytečnému našlapování na fotovoltaické pásy. Systémy EVALON Solar (Obr.20) je možné použít jak pro ostrovní instalace, tak pro instalace napojené na rozvodnou síť. Ve většině případů se jedná o druhou možnost. Pak je na výstupu stejnosměrný elektrický proud, který je střídačem přeměněn na střídavý proud 230 V, 50 Hz, a následně přes rozvodovou desku rozváděn do sítě. Vedle DC/ACstřídače je součástí instalace i výstupní měřič tzv. fakturační zařízení. (FDT CZ, 2007) Obr.20 Integrovaný fotovoltaický systém EVALON Solar (FDT CZ, 2007) 29

30 6 VĚTRANÁ FOTOVOLTAICKÁ FASÁDA Větraná fotovoltaická fasáda je součástí experimentálního FV systému o výkonu 40 kwp, který byl nainstalován roku 2006 byl na Fakultě stavební ČVUT v Praze. Celý systém je rozdělen na 2 části. Větší část systému je umístěna na střeše o celkovém počtu 210 FV panelů, kterou se budu zabývat v kapitole 7.1. Menší část tvoří fasádu na JZ budovy B a obsahuje 176 FV panelů, tuto část popíši níže. Dále se systém dělí do sedmi elektricky samostatných FV sestav - 3 fasádní a 4 střešní. Na celou instalaci byly jednotně použity monokrystalické FV panely o výkonu 106 Wp. Každá ze 7 sestav je vybavena vlastním střídačem pro přeměnu stejnosměrného (DC) proudu produkovaného FV panely na střídavý (AC) proud, který je v rozvaděči nafázován na elektrickou síť budovy. Staněk, Tywoniak (2008) 6.1 Popis instalace Nyní se tedy zaměřím právě na fasádní část budovy, která je svým řešením prostorově velice efektivní. Na budově B ji podélně dělí na dvě části středový prosklený schodišťový trakt. Po celé ploše jsou rozmístěny FV panely ve 22 řadách, dále pak pravá strana čítá 3 sloupce a levá 5 sloupců (Obr.21). Mezi zateplenou obvodovou, nosnou stěnou a FV panely je průběžná provětraná mezera o tloušťce 100 mm. Na nosné železobetonové ztužující stěně na JZ fasádě budovy B Fakulty stavební jsou přes bodové ocelové konzoly kotveny nosné ocelové a hliníkové profily tvořící podpůrnou Obr.21 Geometrie fasádní části FV systému Staněk, Tywoniak (2008) 30

31 konstrukci nesoucí FV panely. Postup usazení konzole i s problematikou tepelné izolace je Obr.22 Otvory pro upevnění konzol vyřezané v původní tepelné izolaci fasády Staněk, Tywoniak (2008) Obr.23 Osazená svařovaná ocelová konzola Staněk, Tywoniak (2008) Obr.24 Konzola obalená dodatečnou tepelnou izolací Staněk, Tywoniak (2008) uveden na obrázcích Ke svislým ocelovým plochým tyčím o průřezu mm jsou horizontálně připevněny fotovoltaické panely. Obr.25 Svislé ocelové tyče a vodorovné hliníkové profily Staněk, Tywoniak (2008) Nerezovými šrouby M8 jsou ke svislým tyčím přišroubovány ve vodorovném směru hliníkové profily (Obr.25) o průřezu mm zastávající funkci zpevnění. Zároveň je hliníkové profily umístěné mezi FV panely i podpírají. Hliníkové profily na krajích 31

32 konstrukce jsou nahrazeny uzavřenými ocelovými profily mm. Na ukotvené ocelové konzole jsou přišroubovány svislé ocelové. Kotvení ocelové nerezové svařované konzoly je zde provedeno přes plastové podložky čtyřmi Hilti kotvami M12. Parametry konzole jsou následující: základová plocha mm, hloubka 220 mm. Nerovnosti fasády vyrovnává různá tloušťka plastových podložek. Tepelná izolace z minerálních vláken o tloušťce 80 mm byla na kontaktní část fasády nanesena až po osazení konzol (Obr.26). Následně byla opatřena tenkovrstvou omítkou. Mezi fotovoltaickými panely jsou dilatační mezery, trvale vyplněné pružným silikonovým tmelem, a ve vodorovném směru činí 5 mm. Samotné fotovoltaické panely jsou pak ke svislým Obr.26 Dodatečná tepelná izolace z minerálních vláken tl. 80 mm Staněk, Tywoniak (2008) plochým ocelovým tyčím připevněny pomocí nerezových přítlačných tvarovek mm se dvěma nerezovými šrouby. Části ocelové konstrukce vystavené nepříznivým vlivům jsou chráněny pomocí žárového pozinkování. Hmotnost fasádní podpůrné konstrukce je kg, z toho kg oceli a kg slitiny hliníku. V přílohách 1 a 2 je pro demonstraci uveden detail a řez konstrukčního řešení, hodící se víceméně pro všechny podobné instalace. Fasádní instalace je po obvodě zarámovaná oplechováním. Standardní oplechování z hliníkového plechu tl. 0,6 mm kotveného do pásu dřevotřískových desek je namontováno na horním okraji fasádní instalace. Zde je nainstalováno 5 zastřešených kruhových otvorů DN 200, konkrétně 3 v levé části a 2 v pravé části, umožňující odvětrání vzduchové dutiny mezi FV panely a obvodovou stěnou. Naproti tomu na spodní části je fasádní instalace opatřena průběžnou přivětrávací štěrbinou na šířku větrané dutiny. Na této štěrbině je nasazená krycí mřížka z perforovaného plechu tl. 1,5 mm. (Staněk, 2007) 32

33 6.2 Funkce odvětrání fotovoltaického systému Teplota je významný faktor ovlivňující výkon solárních článků FV systémů. Při zvýšení provozní teploty o 1 C, můžeme u krystalických článků sledovat pokles účinnosti přeměny slunečního záření na elektrickou energii i o 0,4 %. Z těchto důvodů je patrné, že odvod nadbytečného tepla je nezbytný. U fasádních instalací, na rozdíl od střešních šikmých, kde je odvod nadbytečného tepla zajišťován přirozeně působením větru, se nemůže pokládat fasádní instalace přímo na nosnou konstrukci, ale musí se volit vhodná dutina. Geometrii této větrané dutiny do značné míry ovlivňují prvky nosné konstrukce a uspořádání vstupních a výstupních otvorů. Na tyto parametry pohlížíme jak u přirozeného, tak u nuceného odvětrávání. Volba přirozeného odvětrávání připadá v úvahu, když nebudeme dále využívat teplotu odváděného vzduchu. V opačném případě, tedy u nuceného, se odvod vzduchu řeší odtahem s možností řízení objemového průtoku větracího vzduchu. Při návrhu vertikální vzduchové mezery přirozeného větraní by měla její optimální tloušťka činit 1/20 výšky FV fasády. Takové tloušťky je těžší dosáhnout s rostoucí výškou instalace. Volba šířky větrané dutiny při mechanickém odtahu vzduchu by měla mít hodnotu min. 100 mm. Podle zamýšleného účelu a využití se pak volí rychlost odváděného vzduchu. Avšak i u systému s mechanickým větráním by měla být možnost přirozeného odvětrávání. Toto alternativní odvětrávání může mít např. podobu automatických žaluziových klapek umístěných v horní části. Při vypnutých ventilátorech jsou pak klapky otevřené a dochází k přirozenému odtahu přebytečného vzduchu. Staněk, Tywoniak (2008) 6.3 FV Fasáda solární vzduchový kolektor FV fasáda se může využít i v podobě solárního vzduchového kolektoru, kde FV panely tvoří absorbér. V uvedeném případě pak můžeme odváděný vzduch používat k různým účelům. Stále však musí být zajištěno optimální chlazení FV panelů, jakožto primárního zdroje energie. Systém se tedy navrhuje jako otevřený, nikoliv uzavřený. Volba rychlosti proudění vzduchu je též velice důležitá. Při pomalejším proudění sice dostaneme vyšší výstupní teplotu větraného vzduchu, na straně druhé ale hned 33

34 zaznamenáme menší ochlazení FV panelů, tedy i jejich sníženou efektivitu. Ideální rychlost proudění vzduchu ve větrané dutině by se měla tedy pohybovat v rozmezí 0,3 až 1,2 m/s. Geometrické uspořádání větrané dutiny značným způsobem ovlivňuje přestup tepla z FV panelů. Tento přestup můžeme kladně ovlivňovat osazením ochranného performovaného plechu osazeného na vstupu do větrané dutiny, který zvyšuje turbulentní charakter proudění. Stejně tak v proudícím vzduchu vyvolávají turbulence i vodorovné profily namontované na zadní straně FV panelů. Zmíněné turbulence pak zvyšují konvektivní součinitel přestupu tepla. Využití tepla z větraného vzduchu je plno. Např. předehřev větracího vzduchu, ohřev TUV, sušení, ale i pro využití stavebních prvků, jako je akumulace do stavebních konstrukcí, štěrkových loží nebo železobetonových dutinových stropů. Staněk, Tywoniak (2008) 34

35 7 ŠIKMÉ KONSTRUKCE PRO SOLÁRNÍ PANELY Nejčastěji se fotovoltaickýé panely umisťují do šikmé polohy. K vidění jsou tyto typy konstrukcí především na šikmých střechách, kde je úhel natočení od horizontální osy přímo dán sklonem střechy. V těchto případech již tedy stačí vybrat stranu střechy s větším počtem slunečních hodin a na ni panely umísit. Konstrukční řešení v tomto případě není nějak zvlášť složité, jedná se víceméně jen o prostup skrze střešní konstrukci a uchycení rámu na nosnou část střechy. Dalším typem uchycení fotovoltaických panelů do šikmé polohy, je jejich osazení na speciální šikmou konstrukci. V dnešní době je tento typ uchycení jeden z nejpoužívanějších a to zejména díky velkoplošným fotovoltaickým elektrárnám, které jej využívají v hojné míře na plochách i několik km 2. V uvedeném případě umístění konstrukce na zem nemusíme tolik zohledňovat hmotnost konstrukce. U těchto případů se používají podpůrné konstrukce vyrobené z porobetonu, které jsou však robustnější. Je možno tedy používat i ocelové konstrukce, které působí estetičtěji a mají nižší hmotnost. Šikmé konstrukce je možné umístit též na střechy. Konstrukce umístěné na střechách musí být řádně ukotveny kvůli povětrnostním vlivům, které ve výšce působí více nežli na zemi. Velice důležitým faktorem je však hmotnost konstrukce, která nesmí přesáhnout nosnost střechy. Z těchto důvodů se instalují na střechy konstrukce ocelové. 7.1 Podpůrná konstrukce na ČVUT Na střešní konstrukci stavební fakulty je nainstalováno několik bloků šikmých konstrukcí nesoucí fotovoltaické panely, které zde poslouží pro prezentaci uchycení ke střešní konstrukci. V tomhle případě je však konstrukce uchycena v některých místech nejen horizontálně, ale i vertikálně (Obr.27). Vertikální uchycení je uchyceno na střešní objekty a to zejména na strojovny, nebo výtahové šachty (Obr.28). Konstrukce má trojúhelníkový tvar tvořící ocelové nosné rámy, které jsou smontovány z uzavřených ocelových profilů o rozměrech mm pospojovaných šroubováním přes styčníkové plechy, viz. příloha 3. Pro styk mezi rámem a střešní plochou jsou použity pryžové desky mm. Desky slouží jako podložení pod roznášecí ocelové plotny 35

36 Obr.27 Kotvení nosného rámu (Staněk, 2007) mm, přes které je rám uchycen. Kvůli případným nerovnostem na střešní ploše jsou některé pryžové desky vypodloženy betonovými dlaždicemi, sloužícími pro výškové vyrovnání konstrukce. Do svislých stěn je nosný rám ukotven pomocí ocelových ploten mm. Kotvícími prostředky procházející stěnou byli použity svorníky M12 nebo kotvy Hilti M12, v počtu 4 kusy na jednu plotnu. Příčné zavětrování je zde vyprojektováno z tenkostěnných L profilů mm, respektive mm. Na šířku orientované fotovoltaické panely jsou našroubovány na příčníky do předem předvrtaných děr o průměru 10 mm s oválným kružením. Samotné příčníky jsou pak přichyceny na předem připravené úchytné plochy nosného rámu šroubovými spoji. Ve vodorovném směru jsou odstupy mezi fotovoltaickými panely 100 mm. Jednotlivá pole mezi nosnými rámy, jsou opět zavětrovány L profily o rozměrech mm. Žárově pozinkované jsou všechny prvky konstrukce, které jsou vystaveny napadení korozí. Celková hmotnost střešní podpůrné konstrukce činí 6340 kg. Sklon konstrukce s fotovoltaickými panely je 45. (Staněk, 2007) Obr.28 Montáž podpůrné konstrukce fotovoltaických panelů (Staněk, 2007) 36

37 7.2 Polohové instalace Jak již sám název napovídá, jedná se o polohování fotovoltaických panelů v různých časových intervalech do poloh s nejintenzivnějším slunečním svitem. Polohování značným způsobem ovlivňuje v kladném slova smyslu výstup z modulu. Vyšší produkce je tedy nesporným kladem, avšak jejich nevýhoda spočívá v umístění. Nelze je logicky umístit na střechy nebo je integrovat jako součást budov. Instalaci můžeme rozdělit dle smyslu otáčení. A to jako jednoosé a dvouosé. Jednoosé polohování je většinou modifikace klasických pevných instalací. Nejvýhodnější je tedy pro ně použít polykrystalické moduly. Princip naklánění podél osy je ve většině případů elevačním polohováním, tedy víceméně naklápěním do co nejvýhodnější polohy. Oproti fixní instalaci je tímto způsobem pomocí polohovatelného systému zvýšen výstup z modulů o 5 10 %. Dvouosé polohování je z hlediska optimálního výkonu nejvýhodnější způsob instalace soustavy fotovoltaických modulů. U dvouosého polohování je funkční plocha naklápěna podle osy x elevace a natáčena podle osy y azimut. Tímto způsobem se během dne od ranních do večerních hodin znatelně zvyšuje produkce. Ke zvýšení produkce také přispívají osazené Obr.29 Dvouosé polohovaní v solárním parku (CZelektronika, 2007) monokrystalické moduly, které jsou pro tento typ nejvhodnější. Dvouosé polohovací zařízení zažívá velký rozmach hlavně na poli již zmíněných velkoplošných fotovoltaických elektráren, kde nejsme limitovaní místem (Obr.29). (CZ-elektronika, 2007) Polohovací jednotky SunFlex Z provedených měření v rocích v solárních parcích Passau a Budíškovicích bylo naměřeno, že použitím polohovacích jednotek oproti fixním dochází k nárůstu na výstupech fotovoltaických modulů až o 37 %. V současné době firma produkuje tři typy dvouosých polohovacích jednotek s označením: SF 18, SF 40, SF

38 Číslice v označení jednotlivých názvů udává přibližnou plochu, kterou lze jednotlivé fotovoltaické moduly osadit. Tento parametr tedy víceméně určuje velikost jednotlivých zařízení. Na plochu jednotky SF 18 (Obr.30) se standardně montuje 15 fotovoltaických panelů (2,43 kwp), na jednotky SF 40 (Obr.31) se montuje 32 panelů (5,6 kwp) a na typ SF 80 pojme až 60 panelů o celkovém výkonu 10,5 kwp. Firma standardně osazuje polohovací jednotky panely Sharp. Avšak díky flexibilnímu montážního systému je možno použít panely od jakéhokoliv jiného výrobce. Celkově je montáž systému jednoduchá. Systém lze sestavit bez speciálního nářadí, je totiž dodáván jako stavebnice. Do této procedury ale nemůžeme započítávat montáž sloupu. U této montáže je velikost a nosnost sloupu volena podle velikosti nesené instalace a je k ní zapotřebí těžší mechanizace. Sloup Obr.31 Polohovací jednotka SunFlex SF 40 (CZelektronika, 2007) Obr.30 Polohovací jednotka SunFlex SF 18 (CZ-elektronika, 2007) může být uložen do betonového základu, nebo jako druhá možnost je přichycení pomocí šroubů k zabetonované ocelové konstrukci. Na horní část sloupu se následně montují polohovací jednotky zajišťující natáčení za sluncem. Polohová jednotka se skládá z lineárního motoru a harmonické převodovky, která je řízena přes řídící elektronickou senzorovou hlavu snímající polohu slunce. Do vodorovné polohy se funkční plochy modulů natočí v takových případech, jeli zatažená obloha a je-li zapotřebí absorbovat aspoň co nejvíce rozptýleného světla. Řídící systém SunControl řídí a monitoruje všechny polohovací jednotky ve velkoplošných solárních parcích. Díky tomuto systému je možné on-line sledovat stav všech polohovacích jednotek a střídačů. (CZ-elektronika, 2007) 38

39 8 DOSTUPNOST SOLÁRNÍ ENERGIE V ČR Na metr čtvereční plochy nastavené kolmo ke slunečním paprskům, nacházející se nad hranicí zemské atmosféry, dopadne přibližně zářivý výkon 1,4 kw. Tato hodnota se nazývá solární konstanta. Atmosféra při průchodu slunečního záření na povrch Země část záření odrazí a druhou část pohltí a rozptýlí. Záření se tedy na Zemi dostane v podobě přímé, rozptýlené a odražené od mraků. Orientačně lze říci, že při čisté obloze na zemském povrchu výkon slunečního záření nepřesáhne 1 kwh/m². Sluneční záření klesá se zataženou oblohou, kdy je k dispozici rozptýlené záření, neboli tzv. difůzní. Za těchto podmínek může být intenzita svitu až 10krát nižší. Důležitý údaj z dlouhodobého hlediska je, kolik energie dopadne za určitý časový úsek na určitou plochu. Dobou je myšleno měsíc či rok. Množství získané energie za rok v určitém místě závisí na počtu slunečních dnů v roce, který především závisí na zeměpisné šířce a na místním klimatu. V množství dopadené energie na území České republiky nejsou nějak markantní rozdíly. Lze tedy v našich podmínkách velmi přibližně počítat s 1 MWh na metr čtvereční za rok. (Murtinger, 2008) 8.1 Přírodní podmínky v ČR Jako kdekoliv na světě je dostupnost solární elegie v podmínkách České republiky ovlivněna především zeměpisnou šířkou, roční dobou, oblačností a lokálními podmínky, sklonem plochy, na níž sluneční záření dopadá atd. Celkově lze říci, že České republice dopadne na 1 m² vodorovné plochy zhruba kwh energie, přičemž roční množství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí hod. podle ČHMÚ, odborná literatura uvádí jako průměrné rozmezí čísla vyšší hod. Za těchto podmínek platí, že v našich podmínkách z jedné instalované kilowaty z fotovoltaického systému s monokrystalickými články křemíku lze za rok získat v průměru kwh elektrické energie. V průměrných hodnotách se může doba trvání slunečního záření lišit až o 500 hodin za rok. Stejně tak je na tom i průměrný počet bezoblačných dní, který se může v rámci republiky lišit až o 40 dní za rok. Pro prezentaci podmínek v rámci České republiky slouží přílohy 4 a 5. (Czech RE Agency, 2007) 39

40 8.2 Instalovaný výkon fotovoltaiky v ČR Fotovoltaika obecně zaznamenává stále větší rozmach. Ke konci roku 2008 bylo podle informací ERU uděleno kolem 1200 licencí na výrobu elektrické energie s instalovaným výkonem 54 MWp. Nárůst instalované kapacity roku 2008 oproti roku 2007 je desetinásobný. Výkony jednotlivých instalovaných systémů jsou však zaokrouhlovány na celé kwp, proto se na tuto statistiku musí pohlížet s určitou rezervou. Ve valné většině případů jsou v ČR instalované systémy do 5 kwp, nejčastěji o výkonu 3 kwp. Největší licence byla udělena pro systém o velikosti přes 3,3 Mwp. Podíl instalovaných fotovoltaických systému připojených do sítě dle krajů je patrný z obrázku přílohy 6. Přehled velkých fotovoltaických elektráren s výkonem nad 20 kw je znázorněn v příloze 7. (Czech RE Agency, 2008) 8.3 Plánování systému Při vizi projektu fotovoltaické elektrárny by měl realizátor uvést v soulad zamýšlené řešení s místně specifickými podmínkami. Základní vstupní informace pro návrh fotovoltaické elektrárny zahrnují: - Informace o místních podmínkách Tzn. znalost místních klimatických podmínek. Množství dopadeného slunečního záření, síla větru, množství sněhových a dešťových srážek. Kvůli těmto okolním vlivům je dobré si rovnou nadimenzovat podpůrné konstrukce a kotvící prvky. Důležité je si taky zjistit odstupovou vzdálenost a výšku okolních budov z důvodu nežádoucího stínění. - Druh fotovoltaické instalace Zakomponování fotovoltaické instalace na budovu, její geometrie, sklon a orientace, dále volba podpůrné konstrukce a způsobu kotvení. - Dimenzování prvků v systému Určení počtu a typu fotovoltaických panelů, elektrické rozvody, výkonové parametry celého systému, zejména panelů a střídačů, životnost instalace. - Podnikatelský záměr Rozhodnutí jestli vyrobenou energii budu prodávat do sítě, nebo uchovávat pro svoji potřebu pomocí akumulátorů. 40

41 Velice důležitým údajem pro dosažení co největší produkce ze solárního systému je vybrat v dané lokalitě správný sklon a orientaci panelů. Úhel dopadu slunečního záření ovlivňuje zeměpisná šířka, roční období a denní doba. V zimě se doba slunečního svitu pohybuje kolem 8 hodin, v létě pak až 16 hodin. (ASB, 2008) Když vezmeme v úvahu optické ztráty a negativní vliv teploty, je ideální umístit fotovoltaické panely v ČR na sklon 36 s jižní orientací. U sklonů v rozmezí 20 až 50 při orientaci JJV až JJZ je celoroční pokles energetické produkce oproti optimu menší než 5 %. U nejčastěji používaných a běžně komerčně vyráběných fotovoltaických panelů z krystalického křemíku lze počítat s nominální účinností v rozmezí 12 až 17 %. Uvedené hodnoty nominální účinnosti se však musí pro reálný odhad roční produkce korigovat o provozní ztráty součinitelem 0,8. Z výše uvedeného je tedy patrné, že díky relativně nízkým, ne však zanedbatelným, ztrátám se může instalace vyplatit, když nebudeme schopni zajistit ideální orientaci a sklo fotovoltaických modulů. Naopak při snaze zajištění ideálního sklonu a orientace různým technickým řešením v podobě podpůrných konstrukcí mohou náklady na tyto opatření působit neefektivně. Vliv a orientace a sklonu modulů na celkový energetický výnos je znázorněn v příloze 8. V příloze lze vidět, že pásmo kolem hodnoty 100 % je docela široké, lze tedy dosáhnout uspokojivých hodnot i při orientacích na východ a západ o sklonech 0 až 90. (SOLARENVI, 2009) 41

42 9 FOTOVOLTAICKÁ ELEKTRÁRNA NA RODINNÉM DOMĚ Provozovat fotovoltaický systém je aktuálním cílem nejen velkých investorů, ale i přáním mnoha vlastníků domů. Důvodem může být i současná situace na energetických a finančních trzích. Investice do tohoto obnovitelného zdroje nepřináší taková rizika jako jiné podnikatelské záměry. Obsahem této kapitoly je informace o postupu při instalaci typické domovní instalace solární elektrárny o výkonu 5 kwp na rodinný dům, garáž či přilehlý pozemek. Janoušek, Beránek, (2008) 9.1 Parametry přípojného místa Obecně lze říci, že pro připojení systému do 5 kwp vyhovuje 99 % odběrných míst, ale ne bez jakýchkoliv úprav. Postačí tedy, když výkon systému je menší nebo roven kapacitě našeho přípojného místa (podle hodnoty hlavního jističe). Důležitým údajem je umístění elektroměrového rozvaděče. Podle platných norem musí být přístupný z veřejného prostranství. Pokud je tento rozvaděč za uzamčeným plotem nebo v objektu, je třeba jej přesunout. Pokud ale chceme připojit systém větší jak 5 kwp, je třeba změnit odběrovou sazbu D (občanská) na některou ze sazeb C (podnikatelská). Janoušek, Beránek, (2008) 9.2 Velikost a výtěžnost systému Pro zvážení výhodnosti investice potřebujeme znát některé ekonomické energetické a rozměrové údaje: - Panely pro instalovaný výkon 1 kwp zabírají plochu přibližně 8 m². - Náklady na vybodování systému o výkonu 1 kwp jsou přibližně Kč. - Procentuální zisk energie závisí na sklonu a orientaci fotovoltaického panelu. Při tom platí: Úhel sklonu 0 je vodorovná instalace, úhel sklonu 90 je svislá instalace, elevace -90 je orientace zcela na východ, elevace +90 je orientace zcela na západ. 42

43 - Zelený bonus k ceně pro elektrickou energii vyrobenou ze slunečního záření byl pro rok 2008 stanoven na 12,65 Kč/kWh. Pro rok 2009 je cena zeleného bonusu pro fotovoltaické elektrárny s instalovaným výkonem do 30 kwp 11,91 Kč, pro instalace nad 30 kwp pak 11,81 Kč. Cena za každý další rok je stanovena vždy nejpozději v listopadu předchozího roku Energetickým regulačním úřadem (ERU) a je vyvěšena na oficiálních stránkách úřadu. Janoušek, Beránek, (2008) 9.3 Praktický příklad výpočtu Jako příklad uvedu rodinný dům v okolí Brna se střechou o ploše 24 m², s elevací 30 východně se sklonem 45. Podle výše uvedených údajů se mohou stanovit tyto parametry fotovoltaického systému: - Podíl 24 m² / 8 m² = 3: Systém tedy bude mít výkon nejvýše 3 kwp. - Pro oblast Brna je stanoven maximální zisk ze systému 978 kwh/kwp. Maximální zisk z našeho systému tedy může být 978 kwh/kwp 3 kwp = 2934 kwh (v ideálním případě). - Při elevaci -30 a sklonu 45 je stanoven skutečný zisk energie na 96,5 % oproti zisku při ideálním nastavení. Reálný energetický zisk z našeho systému je tedy: ,5 % = 2831 kwh/rok. - Finanční zisk z fotovoltaického systému: výroba systému 2831 kwh/rok cena 11,91 Kč/kWh = Kč/rok (jde o skutečný zisk, neboť provozní náklady jsou prakticky nulové). Zisk ze systému se dále navyšuje o cenu za silovou elektřinu, kterou můžeme spotřebovat v domácnosti nebo prodávat některému obchodníkovi s elektřinou. Předpokládané náklady na vybudování elektrárny jsou: Náklady na 1 kwp jsou Kč 3 kwp = Kč. Prostá návratnost investice: Kč / Kč = 12 let. Ve výpočtu není zahrnuta nemalá úspora za neodebranou elektrickou energii, protože se liší v závislosti na schopnosti vyrobenou energii využít pro vlastní potřebu. Janoušek, Beránek, (2008) 43

44 9.4 Stavební povolení Pro instalaci malých fotovoltaických systémů zpravidla není zapotřebí stavební povolení, v drtivé většině případů stačí ohlášení stavby (stavební úpravy), je však nutné mít vyjádření stavebního úřadu pro následné vydání licence. Pro jistotu je ale třeba se informovat na příslušném stavebním úřadě. Janoušek, Beránek, (2008) 9.5 Žádost o předběžné stanovisko U příslušného provozovatele distribuční soustavy je nutné podat žádost o předběžné stanovisko, ve kterém bude žadateli sděleno, kam a za jakých podmínek lze systém připojit. Janoušek, Beránek, (2008) 9.6 Realizace systému Realizace na rodinných domech se od sebe liší, jak již je uvedeno, především typem konstrukce: Pro ploché střechy, pro šikmé střechy a pro fasádní systémy. Pevné konstrukce jsou nejčastěji z hliníku. Pro instalace na ploché střechy se nejvíce používají ocelové zinkové konstrukce: jsou jednoduché, stabilní, levné, nepodléhají korozi a nepotřebují údržbu. Lze použít i tzv. tracky neboli polohovací zařízení, které panel automaticky otáčí za slunečním zářením. Tyto konstrukce sice mají o % větší účinnost oproti nepohyblivému systému, ale na druhé straně obsahují velké množství mechanických částí s kratší životností. Tento typ nicméně zatím u nás není příliš rozšířen, neboť instalace je možná pouze na pozemku. Vývoj se ale pravděpodobně bude ubírat tímto směrem nejspíše půjde o kombinaci pevného systému s jednoduchými polohovacími prvky. Při realizaci fotovoltaického systému je třeba postupovat podle projektové dokumentace, která musí být schválena příslušným distributorem. Elektroinstalaci musí provádět odborná firma. Janoušek, Beránek, (2008) 44

45 9.7 Licence Na provozování systému je zapotřebí licence. O licenci je ale možné zažádat až po dokončení instalace a provedení výchozí revize fotovoltaického systému. Dnem udělení licence vzniká nárok na výkupní cenu stanovenou pro daný rok, elektrárna se tímto stává oficiálně zprovozněnou. Nedůležitější dokumenty pro vydání systému jsou: - Souhlas stavebního úřadu s instalací systému - Doklad o legálním získaní technologie - Výchozí revize systému - Výpis rejstříku trestů - Prohlášení o bezdlužnosti vůči ostatním orgánům 9.8 Připojení elektrárny Pro úspěšné připojení fotovoltaického systému je nutné uzavřít tři smlouvy: - Smlouvu o úhradě regulovaných plateb za elektřinu vyrobenou z obnovitelného zdroje. - Smlouvu o připojení k distribuční soustavě - Smlouvu o dodávce elektřiny z obnovitelných zdrojů elektřiny. Veškeré tiskopisy jsou k dispozici na stránkách příslušného distributora (ČEZ, EON, PRE). Elektrickou energii ale můžeme dodávat kterémukoliv distributorovi v ČR. Janoušek, Beránek, (2008) 9.9 Fakturace Posledním bodem chodu solární elektrárny je fakturace za dodávku elektrické energie distributorovi. U malých systémů provádí fakturaci vlastník nebo provozovatel systému zpravidla jednou za tři měsíce. Janoušek, Beránek, (2008) 45

46 10 LEGISLATIVA Fotovoltaická elektrárna vyrábí elektrickou energii, se kterou se dále nakládá. V případě připojení elektrárny na distribuční síť, se její majitel nebo provozovatel stane podnikatelem v oboru energetika na základě licence jemu udělené. Provozovatel, který chce energii prodávat do sítě ze svého fotovoltaického systému (na velikosti instalace nezáleží), se musí stát podnikatelem. Pak může získávat zelené bonusy nebo výkupní ceny a je povinen tyto částky fakturovat provozovateli distribuční sítě. Licenci vydává Energetický regulační úřad. Licence si je velice podobná s živnostenským listem po stránce obsahové i po stránce grafické formy. Jejich rozdíl spočívá v zákoně, podle jehož se jednotlivé činnosti uskutečňují. Živnostenský list opravňuje podnikat dle živnostenského zákona, zatímco udělená licence je oprávnění podnikat v energetice, která se řídí podle energetického zákona. (SOLARENVI, 2009) 10.1 Legislativní postup 1) V prvním kroku je zapotřebí si vybrat jednu z mnoha firem na trhu zabývající se činností projektování a výstavbou fotovoltaických elektráren. S firmou je třeba se dále domluvit na vizi svého projektu a poskytnout potřebné informace, kde bude systém nainstalován, jakou bude mít velikost apod. 2) Zároveň musíme požádat ČEZ nebo EON o vyjádření k možnosti připojení výrobny. Volba distributora s většinou odvíjí od místa, kde bude systém nainstalován. Distribuční společnosti jsou povinny instalaci připojit. Mohou si ovšem klást podmínky. Abychom byli připojeni, musíme vyplnit žádost o připojení. 3) Dále žádáme stavební úřad o územní souhlas. U instalací umístěných na střeše, by nemělo být požadováno ani ohlášení, ani stavební povolení. Záleží však na konkrétním stavebním úřadě. Některý může například požadovat list vlastnictví a snímek katastrální mapy. Dle stavebního zákona v aktuálním znění není nutné tento bod podstupovat na domě, kde bude fotovoltaický systém instalován na šikmé střeše a bude s ní rovnoběžný. 46

47 4) Po absolvování těchto tří kroků dochází k samotné výstavbě elektrárny. 5) Následuje elektrikářská revize části výrobny. Náklady na revizi činí Kč a nebo jsou v ceně na klíč. 6) Shromáždění dokladů pro Energetický regulační úřad, které je nutno přiložit k žádosti o licenci. Jedná se o výpis z rejstříku trestů, dále pak, pokud jsem vlastníkem živnostenského listu, si musíme nechat udělat jeho ověřenou kopii. Náklady za tento krok jsou do 100 Kč. 7) Nyní žádáme o licenci. Po udělení licence se stáváme automaticky podnikajícím subjektem, pokud se již tak nestalo dříve. Pro podání žádosti na Energetický regulační úřad je zapotřebí vyplnit a doložit: a) Žádost o udělení licence pro podnikání v energetických odvětvích pro fyzické osoby b) Formulář s kontaktními údaji c) Správní poplatek ve výši Kč v podobě kolku do výkonu 1 MW d) Úředně ověřený doklad o firmě a identifikačním čísle, ne starším než 3 měsíce. Nebo žádost o zprostředkování přidělení IČ společně s žádostí o přidělení IČ z ČSÚ e) Plná moc oprávněné osoby, pokud není žadatelem f) Výpis z rejstříku trestů žadatele ne starší šesti měsíců, originál nebo ověřená kopie g) Formulář Seznam jednotlivých provozoven pro skupinu 11 výroba elektřiny h) Katastrální mapa ve vhodném měřítku se zakreslením umístění instalace i) Majetkový vztah k výrobě elektřiny technologie, stavební část a nezbytná pomocná zařízení, v případě nájemní smlouvy, souhlas vlastníka s provozováním zařízení, postačí též faktura s dokladem o zaplacení j) Kolaudační rozhodnutí nebo povolení k předčasnému užívání stavby ke zkušebnímu provozu v případě stavebního řízení, nebo i udělení územního souhlasu k) Revizní zpráva elektrického zařízení 47

48 l) Příloha k žádosti o udělení licence na výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů energie m) Prohlášení o bezdlužnosti na daních, sociálních zabezpečení, zdravotním pojištění a pokutách a poplatcích vůči České republice nebo územním samosprávným celkům, do výkonu 1 MWp je prohlášení volné formy, například jako vzor čestného prohlášení. 8) Nyní zbývá uzavřít smlouvu s distribuční elektrárenskou společností na dodávku energie. Smlouva se uzavírá zdarma, podepsaná se vrátí do 30 dnů. 9) A nakonec zbývá zasílat faktury za vyrobenou energii. Distribuční společnosti vyžadují ke každé vystavěné smlouvě také měsíční výkaz o výrobě z obnovitelných zdrojů. Na Energetický regulační úřad je třeba podávat každého čtvrt roku hlášení o vyrobené energii. (Greenenergy, 2008) 10.2 Legislativní rámec pro provoz sluneční elektrárny - Zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o změně některých zákonů Energetický zákon - Zákon č. 180/2005 Sb., o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů - Vyhláška č. 475/2005., kterou se provádějí některá ustanovení zákona podpoře využívání obnovitelných zdrojů - Vyhláška č.364/2007 Sb., kterou se mění vyhláška č. 475/2005 Sb., kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře využívání obnovitelných zdrojů - Vyhláška č. 426/2005 Sb., o podrobnostech udělování licencí pro podnikání v energetických odvětvích - Vyhláška č. 363/2007, kterou se mění vyhláška č. 426/2005 Sb., o podrobnostech udělování licencí pro podnikání v energetických odvětvích - Vyhláška č. 150/2007 Sb., o způsobu regulace cen v energetických odvětvích a postupech pro regulaci cen - Vyhláška č. 51/2006 Sb., o podmínkách připojení k elektrizační soustavě (SOLARENVI, 2009) 48

49 10.3 Cenové rozhodnutí Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 8/2008 ze dne 18. listopadu 2008, stanovuje podporu pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, kombinované výroby elektřiny a tepla a druhotných energetických zdrojů. Pro elektřinu vyrobenou z obnovitelných zdrojů energie platí tyto výkupní ceny, zelené bonusy a určené podmínky: (ERU, 2008) Tab.2 Výkupní ceny a zelené bonusy pro rok 2009 (Solartec, 2009) Datum uvedení do provozu Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu po 1. lednu 2009 včetně Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu od 1. ledna 2008 do 31. prosince 2008 Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu od 1. ledna 2006 do 31. prosince 2007 Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu před 1. lednem 2006 Výkupní ceny elektřiny dodané do sítě v Kč/MWh (<30kWp) / (>30kWp) Zelené bonusy v Kč/MWh / Pro ukázku vývoje cen uvádím i cenové rozhodnutí z let minulých: Tab.3 Výkupní ceny a zelené bonusy pro rok 2008 (Solartec, 2009) Datum uvedení do provozu Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu po 1. lednu 2008 včetně Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu od 1. ledna 2006 do 31. prosince 2007 Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu před 1. lednem 2006 Výkupní ceny elektřiny dodané do sítě v Kč/MWh Zelené bonusy v Kč/MWh 49

50 V roce 2007 se prodej do sítě uskutečňoval za cenu 13,46 Kč/kWh a zelený bonus činil 12,75 Kč. V roce 2006 se prodávalo do sítě za 13,20 Kč/kWh a zelený bonus byl 12,50 Kč. V roce 2005 bylo za prodej do sítě účtováno 6,04 Kč/kWh a zelený bonus ještě nebyl zavedený. (Solartec, 2009) 10.4 Zelený bonus Fotovoltaický systém můžeme mít na výrobu energie výhradně do distribuční sítě. V takovém případě inkasujeme výkupní cenu 12,89 Kč/kWh bez DPH pro nynější rok Pokud část elektrické energie spotřebováváme, inkasujeme za tuto energii zelený bonus, jež je na rok 2009 stanoven na 11,91 Kč/kWh bez DPH s tím, že spotřebovanou energii nemusíme nakupovat, čímž realizujeme úsporu. Zjednodušeně řečeno - vyrobíme energii, kterou si spotřebujeme a vyiinkasujeme za každou kwh zelený bonus, k celkovému ekonomickému efektu je tedy možné připočítat i energetické úspory. Zelený bonus je v podstatě prémie za výrobu elektřiny čistým způsobem, umožňuje díky úsporám dosahovat vyšších zisků než v případě režimu prodeje elektřiny za výkupní cenu. Výkupní cena i zelený bonus jsou garantovány na 20 let od uvedení systému do provozu. (SOLARENVI, 2009) Zelené bonusy však nemůžeme vzájemně kombinovat s výkupními cenami. Vždy jednou za rok si tedy zvolíme jeden ze dvou zmíněných způsobů, jakým budeme podporovat výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. (ERU, 2009) Česká fotovoltaická konference Ve dnech 3. až 5. listopadu 2008 se konala v Brně 3. Česká fotovoltaická konference. Třídenní akci v Kongresovém centru BVV pořádala Česká agentura pro obnovitelné zdroje energie Czech RE Agency. Níže budou probrány nejdůležitější body a předměty diskuzí. První bod diskuze se zaměřil na ceny elektřiny z fotovoltaických systémů. Dominantní postavení technologie krystalického křemíku prochází nyní obdobím prudkého snižování energetické náročnosti výroby. Nové moderní technologie vyvinuté v nedávné době spotřebovávají až čtyřikrát méně energie než současné standardní postupy. 50

51 Energetická návratnost by tedy teoreticky mohla klesnout pod hodnotu 2 roky i v klimatických podmínkách ČR. Očekává se, že by ceny fotovoltaických systémů mohly poklesnout během 5 let až na polovinu současné ceny. Při dnešní situaci neustálého růstu cen energií je dále očekáváno, že cena elektřiny z fotovoltaických systémů může do 10 let klesnout pod úroveň ceny špičkové elektřiny z konvenčních zdrojů a v horizontu 20 až 30 let pod úroveň ceny elektřiny v základním zatížení. Dalším bodem diskuse byly materiály, z nichž jsou fotovoltaické články vyrobeny. V současné době se přesouvá zájem od monokrystalického křemíku k multikrystalickému křemíku, u kterého je dosahováno výrazné snížení energetické náročnosti výroby a v samotném provozu vykazuje lepší účinnost. Můžeme očekávat, že krystalický křemík bude na trhu dominovat ještě nejméně 5 až 10 let. Avšak byl zaznamenán nárůst tenkovrstvých technologií z amorfního křemíku. Do budoucna se slibně jeví organické (polymerní) fotovoltaické materiály zejména díky své dostupnosti surovinových zdrojů, předpokládané flexibilitě a jednoduchosti výroby. Krystalických křemíkových článků se částečně může dotknout v horizontu 20 až 30 let nedostatek ekonomicky těžitelných zásob stříbra. S předstihem jsou proto hledány vhodné alternativy pájecích a kontaktních materiálů, jejichž cena je však prozatím vyšší než cena stříbra. Z důvodů environmentálních dopadů jsou také hledány alternativy k toxickým materiálům jako je olovo v pájecích a kontaktních materiálech křemíkových článků, nebo kadmium v tenkovrstvých článcích. Dalším cílem je snížení emisí skleníkových plynů při technologickém postupu výroby. Z hlediska místních podmínek byl nastíněn i možný problém s připojením nových elektráren do sítě. I když má provozovatel distribuční soustavy ze zákona povinnost přednostně vykoupit elektřinu z obnovitelných zdrojů, nemá však povinnost připojit nový zdroj, pokud to nedovoluje kapacita distribuční soustavy. Obnovitelné zdroje jsou vnímány jako podnikání se zaručenými výnosy, takže počet rezervovaných míst na připojení je veliký. Posledním bodem diskusí se stala integrace fotovoltaických systémů do stavebních konstrukcí. U integrace je zapotřebí vyřešit problém s vyšším teplotním namáháním panelů, které způsobuje pokles účinnosti a zrychlenou degradaci. Z hlediska architektonického je 51

52 využití velice pestré a určitě i dlouhodobě udržitelnější a žádoucí, nežli současná praxe se stavbou velkých elektráren na zelené louce. (Czech RE Agency, 2008) 52

53 11 REALIZACE SOLÁRNÍ ELEKTRÁRNY 4,86 kwp VE ZNOJMĚ Jedná se možnou realizaci fotovoltaické elektrárny v lokalitě Znojmo z roku V této studii je rozepsán technický popis fotovoltaického systému společně s technickými předpoklady v místě realizace. Dále je zde probrána ekonomická studie a legislativní proces potřebný pro založení elektrárny, až po následné připojení do sítě. (Solarhaus, 2008) 11.1 Technický popis fotovoltaického systému Fotovoltaické panely Základem celého fotovoltaického systému jsou fotovoltaické panely, které tvoří zapouzdřené sérioparalelně spojené fotovoltaické články. V současné době nejlepšího poměru mezi cenou a výkonem dosahují monokrystalické křemíkové panely. Tyto panely jsou zároveň svou robustní technologií vysoce odolné vůči přírodním vlivům. (Solarhaus, 2008) Hliníková konstrukce Do nosné konstrukce střechy je přichycena kotvícími háky navržená konstrukce z modulárních hliníkových profilů. Prvky, na nichž jsou připevněny fotovoltaické panely, jsou navrženy z profilu umožňujícího dle potřeby variabilní upevnění panelů pomocí standardních nerezových příchytek šroubovými spoji. Dle výrobce jsou spoje následně utahovány daným kroutícím momentem. (Solarhaus, 2008) Střídač Samotné panely vyrábějí stejnosměrné elektrické napětí, které je nutné převést na střídavé napětí o velikosti 230/400 V, které je již použitelné v domě. K tomuto účelu slouží střídač, někdy též označován jako měnič nebo inventor. Jedná se o vysoce technicky vyspělé zařízení zajišťující správný chod celého systému. Účinnost střídačů je schopna dosáhnout hodnoty až 95,3 %. Dále je schopen střídač po připojení komunikačního zařízení 53

54 předávat data o množství vyrobené energie a jiných provozních ukazatelích prostřednictvím GSM nebo PC. (Solarhaus, 2008) Ochrana proti přepětí a podpětí V celém systému je nutné dodržovat bezpečnostní opatření vložením přepěťové a podpěťové ochrany v podobě jističů instalovaných do zapoudřeného rozvaděče. (Solarhaus, 2008) Kabeláž Ve fotovoltaické instalaci jsou kvůli stejnosměrnému a střídavému napětí dva typy kabelů. Pro rozvod elektrické energie od panelů ke střídači jsou použity stejnosměrné kabely. Stejnosměrné kabely jsou na rozdíl od střídavých umístěny i ve venkovním prostředí a je v nich vedeno elektrické stejnosměrné napětí o hodnotě až 600 V. Z důvodu ochrany proti uzemnění a zkratu jsou kladný a záporný vodič vedeny odděleně samostatnými kabely. Použity jsou jednovodičové kabely s dvojitou izolací, které jsou odolné vůči mechanickému namáhání, UV záření, vlivům počasí a velkým teplotním rozdílům pohybujících se mezi hodnotami - 40 C až + 70 C. Na rozvod elektrické energie od střídače do stávajícího elektrorozvaděče jsou použity běžné střídavé kabely. (Solarhaus, 2008) Měřící prvky Měřícimi prvky jsou myšleny elektroměry pro měření výroby, prodeje a spotřebu elektrické energie. Za pomoci elektroměrů se provádí fakturace na základě odečtených údajů, proto je na ně kladen velký důraz na přesnost a spolehlivost. Musí být ocejchovány a certifikovány dle norem ČSN. (Solarhaus, 2008) 54

55 11.2 Technické předpoklady v místě realizace Jedním z nejdůležitějších technických předpokladů instalace fotovoltaického systému je správné umístění panelů. Rozhodujícimi parametry je ve všech případech lokalita, sklon panelů a orientace vůči jihu. (Solarhaus, 2008) Lokalita Lokalitou je myšlena geografická oblast, ve kterém se objekt osazený instalací nachází. Na této oblasti je přímo závislý výkon fotovoltaického systému produkující určité množství elektrické energie. Pro hrubou orientaci a výběru vhodné Obr.32 Lokalita Znojmo (Solarhaus, 2008) lokality se lze obrátit na obecnou mapu (Obr.32). Lokalita Znojmo je na mapě označena zelenou barvou a jak je z obrázku patrné, nachází se v oblasti s největší hodnotou slunečního svitu kwh/m². Na základě údajů z GPS zařízení lze s velkou přesností odhadnout roční výrobu elektrické energie pomocí systému PVGIS. (Solarhaus, 2008) Sklon a orientace panelů Úhel mezi panelem a vodorovnou plochou lze chápat jako sklon panelů. Ve Znojemských podmínkách je ideální sklon 36. V tomto konkrétním případě je použito sklonu 35. Obecně je možno se od ideálního sklonu odchýlit o , musí se však počítat se snížením výkonu fotovoltaické instalace. Orientací panelů je myšlena odchylka od ideálního směru na jih. V podmínkách na jižní Moravě je ideální orientace 1 na jihozápad. V našem případě se jedná o orientaci 0. Od ideální orientace se lze odchýlit o , opět se snížením výkonu. (Solarhaus, 2008) 55

56 Systém PVGIS Systém PVGIS umožňuje přesný a ověřený odhad na základe vložených parametru (GPS souradnice, sklon panelu, orientace panelu). Přesnost je zaručena statistickým sběrem dat, který probíhal v letech v celé Evropě. Evropa byla rozdělena na plochy o velikosti 1 1 km, ve kterých byly pravidelně odečítány hodnoty intenzity slunečního záření, teploty, apod. (Solarhaus, 2008) Zhodnocení technických předpokladů fotovoltaického systému V uváděném konkrétním případě za pomoci výsledků ze systému PVGIS jsou zváženy všechny technické předpoklady systému uvedené v následujícím výpisu: Lokalita: sever, východ, nadmořská výška: 295 m.n.m. Nejbližší město: Znojmo, Česká republika (1 km vzdálené) Nominální výkon FV systému: 4.9 kw (technologie krystalického křemíku) Sklon modulů: 35.0 Orientace (azimut) modulů: 0.0 Odhadované ztráty vlivem teploty: 6.8 % (s použitím databáze teplot) Odhadované ztráty vlivem úhlové odrazivosti: 2.9 % Jiné ztráty (kabely, měniče, atd.): 10.0 % Celkové ztráty systému: 19.8 % Příloha 9 uvádí odhadované množství elektrické energie vyrobené každý měsíc z fotovoltaického systému na základě definované konfigurace, náklonu a orientace fotovoltaických panelů. (Solarhaus, 2008) 11.3 Ekonomická studie Ekonomická analýza se skládá z analýzy vstupních parametrů, ekonomického principu a výsledných ukazatelů zhodnocení návratnosti atd. Ekonomická studie tedy přináší reálný pohled na fotovoltaický systém z hlediska zhodnocení vložených prostředků. 56

57 Realizování projektu je z roku 2008, od čehož se odvíjí cena a její hodnota do let nastávajících, viz. příloha 10. (Solarhaus, 2008) Vstupní parametry - Množství vyrobené energie číslo označující vyrobenou energii fotovoltaického systému v závislosti na technických předpokladech a velikosti v konkrétním místě. Jednotkou je kilowatthodina (kwh množství elektrické energie spotřebované za jednotku času) - Vlastní spotřeba z fotovoltaického systému procentuelní podíl, který označuje kolik elektrické energie je spotřebováno v domě. Ziskem je zelený bonus (12,65 Kč v roce 2008) a ušetřená cena, která nebude zaplacena dodavateli (např. 4,13 Kč). Závisí na elektrických spotřebičích v rodinném domě a způsobu využívání. - Dodávka do sítě procentuelní podíl, který označuje část energie, která je dodána do sítě pro výkup. Ziskem je výkupní cena. Jedná se o doplněk vlastní spotřeby do 100%. - Roční růst PPI index průmyslové inflace. Kopíruje normální inflaci. Výši stanovuje Energetický regulační úřad. O tento index jsou každým rokem navyšovány výkupní ceny. - Roční úbytek výkonu panelů 0,8 % ročně. Dáno technickými vlastnostmi fotovoltaických panelů. Výrobce garantuje, že výkon panelů neklesne po 12ti letech pod 90 % a po 25ti letech pod 80 %. - Cena elektřiny rok 2008 dle E.ON, ČEZ, PRE stanoveno dodavatelem elektrické energie. Obecně je cena pro domácnosti stanovena na 4,13 Kč/kWh. - Roční růst ceny cena elektrické energie nezpochybnitelně dále poroste. Mnoho parametrů toto tvrzení podkládá např. inflace, statistika minulosti, ceny elektrické energie v zahraničí, vstup do EU, podpora OZE, dostatečná poptávka. Hypotéza vychází ze statistik Energetického regulačního úřadu. - Roční růst spotřeby podle Energetického regulačního úřadu se každým rokem navyšuje spotřeba elektřiny. 57

58 - Zelený bonus jedná se o finanční prémii, kterou obdrží výrobce elektrické energie z obnovitelného zdroje za to, že si sám zajistí spotřebu bez využití distribuční sítě. Pro rok 2008 byl zelený bonus stanoven na 12,65 Kč/kWh. - Výkupní cena dotovaná výkupní cena za energii, kterou fotovoltaický systém dodá do sítě. Pro rok 2008 byla výkupní cena stanovena na 13,46 Kč/kWh. (Solarhaus, 2008) Vstupní parametry pro ekonomickou studii Tato ekonomická studie odhaduje vývoj financí na základě vložených parametrů. Parametry jsou dány technickými předpoklady v místě instalace, statistikami, nebo ceníkem dodavatele elektrické energie. V příloze 11 je zobrazen graf peněžního toku v průběhu 35 let a graf zdroje zisku. Instalovaný výkon: 4,86 kwp Cena projektu: Kč Vyrobeno energie kwh/rok Vlastní spotřeba z fotovoltaického systému: 0 % Dodávka do sítě: 100 % Roční růst PPI: 3 %, garance státem 2 4 % Roční úbytek výkonu panelů: - 0,80 %, garantováno výrobcem Cena elektřiny 2008: 4,13 Kč, dle EON, ČEZ, PRE Roční růst ceny: 7,00 %, podloženo statisticky Roční růst spotřeby: 3,00 %. Podloženo staticky Zelený bonus 2008: 12,65 Kč, vyhláška ERU Výkupní cena 2008: 13,46 Kč, vyhláška ERU (Solarhaus, 2008) Z této ekonomické studie jasně vyplývá, že v roce 2008 bylo výhodnější nainstalovat fotovoltaický systém, než nyní v roce Poněvadž je výkup energie garantován na 20 let dopředu, tak se v roce realizace systému určí fixní ceny na oněch 20 let dopředu. Na nynější rok 2009 má tedy provozovatel této instalace stanovenou výkupní cenu 13,86 Kč a 58

59 cenu zeleného bonusu na 13,03 Kč. Přitom výkupní cena na rok 2009 je 12,89 Kč a zelený bonus činí 11,91 Kč Zhodnocení ekonomické studie Ušetřeno (energie vyrobená zdarma a spotřebovaná): 0 Kč Zelený bonus + prodej do sítě: Kč Celková investice (náklad na pořízení a na provoz, úroky ze splátek): Kč Zisk celkem: Kč 11.4 Cenová nabídka Předmětem cenové nabídky je fotovoltaický systém o výkonu 4,86 kwp (Tab.4) a služby spojené s jeho instalací a uvedením do provozu. Součástí nabídky je i služba, která zavazuje dodavatele k vyřízení všech potřebných náležitostí se zprovozněním systému, pokud není nutné osobní jednání budoucího provozovatele. (Solarhaus, 2008) Tab.4 Cenové položky (Solarhaus, 2008) 59

60 12 MATERIÁL A METODIKA V této kapitole je proveden popis a zhodnocení fotovoltaických systémů. Jsou zde uvedeny tři fotovoltaické elektrárny: na ČVUT v Praze 40,9 kwp, na Masarykově univerzitě v Brně (MU) 40 kwp a v Dukovanech 10 kw. Materiály i s naměřenými daty mi byly poskytnuty po žádostech na zmíněných pracovištích Fotovoltaická elektrárna na ČVUT Nejprve se zaměřím na fotovoltaickou elektrárnu umístěnou na fakultě stavební ČVUT v Praze, jejíž stavební řešení je uvedeno v kapitolách 6 a 7.1. Systém byl zrealizován s podporou Státního fondu životního prostředí v rámci programu Slunce do škol. Systém je v provozu od Komponenty systému - Rámové FV panely na bázi monokrystalického křemíku (c-si) - Fixní rámová ocelo-hliníková podpůrná konstrukce - Síťové DC/AC měniče napětí - Vnější a vnitřní ochranné prvky (uzemnění, přepěťové ochrany) - Hlavní rozvaděč FV systému, kabeláž a další elektroinstalační prvky - Monitorovací systém (měření a odesílání provozních dat) - Širší zabezpečení FV systém pracuje v síťovém provozu a veškerá produkovaná energie je dodávána do elektrické sítě nízkého napětí budovy B Fakulty stavební. Základní výkonné parametry systému jsou uvedeny níže v tabulce: (Staněk, 2007) 60

61 Tab.5 Základní výkonné parametry (Staněk, 2007) Rozmístění systému Celý fotovoltaický systém je rozdělen na 7 elektricky nezávislých fotovoltaických polí E1 až E7. Umístění systému na budově společně s orientací a sklonem je patrné z přílohy 12. (Staněk, 2007) Skutečná energetická produkce v letech Energetická produkce fotovoltaického systému o výkonu 40,9 kwp činí za roky 2006 až ,9 MWh elektrické energie dodané do sítě. Systém byl uveden do provozu a do konce roku se podílel na produkci 29,5 MWh. V roce 2007 činí produkce za leden až říjen 27,4 MWh. 61

62 Tab.6 Zaznamenaná skutečná měsíční a celková produkce systému dodána do sítě v letech v kwh a MWh (Staněk, 2007) Obr.33 Skutečná energetická produkce fotovoltaických polí E1 E7 dodána do sítě v letech v MWh a v % relativně vůči celkové produkci systému (Staněk, 2007) 62

63 Energetický přínos fotovoltaických polí E1 E7 (Obr.33) určuje jejich sklon, orientace a počet fotovoltaických panelů v jednotlivých polích. (Staněk, 2007) Teoretická roční energetická produkce Skutečná energetická produkce fotovoltaického systému z let 2006 až 2007 je dále porovnána s teoretickou roční produkcí vypočtenou za pomocí nástroje PVGIS a je použita ke stanovení normalizované roční produkce. Na základě normalizované roční produkce se stanovuje hypotéza o celkové energetické produkci životního cyklu systému. Výpočet teoretické roční produkce systému je proveden pro každé fotovoltaické pole E1 E7 zvlášť. A to z důvodu, že každé pole má odlišný sklon, orientaci a počet obsazených panelů. K výpočtu teoretické roční produkce pomocí systému PVGIS se musí vzít v potaz následující ztráty v systému (Tab.7): - optické ztráty reflexí na FV panelech pro velké úhly dopadu slunečních paprsků - pokles konverzní účinnosti FV panelů vlivem nárůstu jejich provozní teploty - ztráty na síťových DC/AC měničích napětí - ztráty v DC i AC kabeláži - ostatní ztráty běžné provozní ztráty, vlivy způsobující sníh, neočekávané události, odchylky od jmenovitých hodnot jednotlivých komponent, biologické znečištění Tab.7 Relativní roční ztráty systému pro orientaci a sklony jednotlivých fotovoltaických polí E1 E7 v % (Staněk, 2007) 63

64 Tab.8 Teoretická měsíční a celková roční energetická produkce fotovoltaických polí E1 E7 v kwh a MWh (Staněk, 2007) Jak je patrné z tabulky 8, tak celková teoretická roční energetická produkce byla za pomoci PVGIS vypočtena na hodnotu 28,2 MWh elektrické energie dodané do sítě. (Staněk, 2007) Normalizovaná roční energetická produkce V normalizované energetické produkci se promítá skutečné chování fotovoltaického systému. Umožňuje reálně vyčíslit celkovou energetickou produkci životního cyklu systému, jež se odráží v dlouhodobém průměru energie dopadajícího slunečního záření v dané lokalitě. Je tedy vypočtena na základě naměřených dat z roku 2006, viz. tabulka 6, dále byla dle ČHMÚ určena měsíční energie dopadajícího slunečního záření na vodorovnou plochu pro danou lokalitu. A nakonec byl pomocí PVGIS určen také dlouhodobý průměr energie slunečního záření dopadající na rovnou plochu v dané lokalitě (Tab.9). Jejich srovnání je uvedeno na obrázku 34. (Staněk, 2007) 64

65 Tab.9 Množství slunečního záření dopadajícího na vodorovnou rovinu pro rok 2006 dle ČHMÚ a dlouhodobý průměr dle PVGIS v kw/m² a výsledný normalizační součinitel (Staněk, 2007) Obr.34 Porování množství slunečního záření dopadajícího na vodorovnou rovinu v roce 2006 dle ČHMÚ s dlouhodobým průměrem dle PVGIS (Staněk, 2007) Normalizačním součinitelem z tabulky 9 je vynásobena skutečná měsíční produkce roku Výsledkem je normalizovaná produkce fotovoltaického systému. 65

66 Tab.10 Normalizovaná měsíční a celková energetická produkce fotovoltaických polí E1 E7 v kwh a MWh (Staněk, 2007) Obr.35 Normalizovaná měsíční energetická produkce systému v kwh (Staněk, 2007) Výsledkem roční normalizované energetické produkce (Obr.35) zhodnoceného fotovoltaického systému o výkonu 40,9 kwp je hodnota 26,9 MWh (Tab.10) elektrické energie dodané do sítě. Tato hodnota je srovnatelná s hodnotou z tabulky 8 vyhodnocené pomocí PVGIS, která činí 28,2 MWh. Jejich rozdíl činí jen 4,7 % za období jednoho roku. 66

67 Avšak při porovnání normalizované a teoretické měsíční produkce jednotlivých fotovoltaických polích se objevují znatelné rozdíly v průběhu celého roku (Tab.11). Zejména pak u fasádní části instalace. (Staněk, 2007) Tab.11 Relativní poměr mezi normalizovanou a teoretickou energetickou produkcí systému v % (Staněk, 2007) Lišící se měsíční hodnoty mezi normalizovanou a teoretickou produkcí jednotlivých fotovoltaických byly pravděpodobně zapříčiněny: - Nástroj PVGIS, který dostatečně nezohledňuje specifické a konkrétní vlivy v místě instalovaného fotovoltaického systému. - Odchylky v měření energie dopadajícího slunečního záření, dále odchylky skutečných a jmenovitých parametrů jednotlivých částí systému a rozlišovací schopnost nástroje PVGIS. - Fasádní instalace vykazuje vyšší zahřívání solárních článků než fotovoltaická pole umístěna v otevřené poloze, vlivem horšího odvodu tepla ze zadní strany panelu, což nástroj PVGIS nezohledňuje. - V letních měsících roku 2006 občas vypadly z důvodu extrémních teplot DC/AC měniče kvůli ochraně před přehřátím. - Částečné zastínění fasádní instalace 67

68 - Pouze podle množství dopadajícího slunečního záření byla normalizována skutečná energetická produkce instalace. Pro přesnější určení normalizačních součinitelů by byla zapotřebí i normalizace dle venkovní teploty. (Staněk, 2007) Energetická produkce životního cyklu fotovoltaické instalace Za předpokladu konstantního dopadajícího množství slunečního záření za rok a konstantního poklesu výkonu fotovoltaických panelů o 0,8 % za rok je na základě hodnoty normalizované roční energetické produkce o hodnotě 26,9 MWh stanoven výpočet celkové energetické produkce životního cyklu fotovoltaické instalace uvažován na 25 let. Fotovoltaický systém o výkonu 40,9 kwp tedy za dobu své životnosti vyrobí a do sítě dodá 610,8 MWh elektrické energie. (Staněk, 2007) Energetická produkce životního cyklu fotovoltaické instalace Z měření od až do je v návaznosti na množství energie dodané do sítě stanovena úspora emisí CO 2. Dle vyhlášky č. 425/2004 Sb. je stanoven emisní faktor oxidu uhličitého připadající na jednotku energie pro elektřinu ve výši 1,17 t CO 2 / MWh. Obr.36 Skutečná úspora emisí CO2 provozováním FV systému v letech v tunách. (Staněk, 2007) 68

69 Úspora emisí CO 2 v období tel činí 66,5 tun (Obr. 36). Předpokládaná úspora emisí CO 2 životního cyklu vychází z energetické produkce životního cyklu. Normalizované měsíční úspory emisí CO 2 jsou uvedeny níže (Obr. 37) jsou stanoveny na základě normalizované měsíční energetické produkce systému. Obr.37 Normalizované měsíční úspory emisí CO2 provozováním systému v kg (Staněk, 2007) Konečná normalizovaná roční úspora emisí CO 2 je vyčíslena na 31,4 tun. Celková úspora emisí CO 2 po započítání poklesu výkonu fotovoltaických panelů o 0,8 % ročně za dobu 25 let činí 714,6 tun. (Staněk, 2007) Investiční náklady Investiční náklady (Příloha 13) na výstavbu fotovoltaického systému vystaveného v roce 2005 dosáhly výše Kč s DPH, bez DPH Kč. Z 90 % byly tyto náklady uhrazeny z dotace Státního fondu životního prostředí a ze zbývajících 10 % byl systém uhrazen Fakultou stavební ČVUT v Praze. (Staněk, 2007) 69

70 12.2 Fotovoltaická elektrárna na MU Další dlouhodobější měření provozu fotovoltaické elektrárny o výkonu 40 kwp pochází z Pedagogické fakulty Masarykovy univerzity v Brně, jež byla uvedena do provozu začátkem dubna 2006 (Obr.38). Fotovoltaická instalace je dělena na tři sekce. První sekci tvoří 48 panelů typu RADIX o celkovém výkonu 5 kwp. Tato sekce je umístěna vertikálně v horní části fasády. Druhá sekce se nachází na střeše a skládá se z 288 panelů stejného typu jako v sekci první o výkonu 30kWp. Poslední třetí sekce o výkonu 5 kwp je osazena novějšími panely, tzv. fotovoltaickými Obr.38 Fotovoltaický systém na PdF MU v Brně (Sládek, 2008) dvojskly SBI2G 72-90BR. Panely v této sekci se od ostatních panelů liší svou nahnědlou barvou. Každé z 56 těchto fotovoltaických dvojskel o výkonu 90 Wp je tvořeno 72 kusy primárních solárních článků. Stejnosměrné dodávané napětí vyprodukované z fotovoltaických článků je měněno na střídavé trojfázové síťové napětí 230 V pomocí 5 měničů napětí FRONIUS IG40 a 3 měničů IG 60, po jednom umístěných v první a třetí sekci. Zbývajících šest je pak umístěných v sekci druhé. Celková plocha panelů je 337,2 m². Nainstalováno je tedy 35 kwp v neoptimálním sklonu a to z nedůvodného požadavku památkářů. Zbývajících 5 kwp je instalováno ve svislé poloze na fasádě. Oba bloky jsou směrovány na JJZ. Na vnitřní silnoproudou síť fakulty zahrnující tři budovy je napojen v hlavním rozvaděči celý fotovoltaický systém. Je tak možné se vždy po určitém období rozhodnout 70

71 zda bude celý instalovaný výkon spotřebován, anebo dodán do vnější rozvodné sítě. Dodavatelem systému byla firma Solartec. (Sládek, 2008) Naměřené hodnoty Provoz systému, byl prakticky bez poruch. Povrch panelů nebyl žádným způsobem čištěn. V zimním období nebyl odmetán případný sníh. Od začátku uvedení systému do provozu bylo vyrobeno přes 126,5 MWh elektrické energie. V roce 2006 bylo vyrobeno 36,5 MWh tj. měrný výkon 0,9125 kwh/wp za rok. V roce 2007 tyto hodnoty činí 37,23 MWh tj. 0,93075 kwh/wp za rok. Celkové množství vyrobené energie po jednotlivých měsících za roky 2005 až 2008 je uvedeno v přílohách 14 a 15. Roční období do značné míry ovlivňuje teplotu panelu a teplotu vzduchu. Tyto dvě teploty jsou totiž ve stejnou roční dobu velice odlišné. Zatímco v letních měsících dosahuje venkovní teplota maxima okolo 40 C, teplota panelu v téže době dosahuje maxima okolo 70 C. Tyto rozdíly platí stejně i v zimních měsících. Roční chod maximální teploty okolního vzduchu a teploty panelů je vyobrazen na obrázku 39. (Sládek, 2008) Obr.39 Roční průběh maximální teploty panelu a maximální teploty vzduchu 2007 (Sládek, 2008) 71

72 12.3 Fotovoltaická elektrárna v Dukovanech Jaderná elektrárna Dukovany disponuje čtyřmi energetickými bloky každý se 440MW. Po výstavbě plnorozsahového trenažéru blokové dozorny se začalo tomuto zařízení říkat 5. blok a v brzké budoucnosti se EDU dočká spuštění i šestého výrobního bloku. V červenci roku 2003 byly v prostoru jihozápadně od objektu Informačního centra zahájeny stavební práce pro instalaci a následné zprovoznění fotovoltaické elektrárny. (Infocentrum EDU, 2008) Parametry elektrárny Fotovoltaickou, neboli sluneční elektrárnu (Obr.40), postavila firma ČEZ, a. s. v rámci programu dlouhodobého ověřování provozu a životnosti alternativních zdrojů elektrické energie. Elektrárna slouží k demonstrativním účelům jako ukázka jednoho typu obnovitelných zdrojů. Původně byla FVE umístěna na vrcholu kopce Mravenečník v Jeseníkách. V roce 2002 bylo ale rozhodnuto o přemístění FVE do sousedství Jaderné elektrárny Dukovany. Montáž začala a dne byla elektrárna uvedena do provozu. Technologickou část FVE tvoří celkem 200 ks solárních panelů osazených na ocelové nosné konstrukci. Zastavěná plocha je 580 m². Maximální výkon elektrárny je 10 kw. Vyrobená elektrická Obr.40 Fotovoltaická elektrárna v Dukovanech (Burket, 2008) 72

73 energie je dodávána do elektrické sítě. Elektřina z obnovitelných zdrojů je v České republice ze zákona dotována, skutečná cena elektřiny ze slunce je mnohonásobně vyšší v porovnání s tou nejlevnější - jadernou energií. Předpokládaná životnost článků je přibližně 20 let, což při současné výkupní ceně představuje zaručenou návratnost vložených nákladů. Pokud by FVE měla mít stejný výkon jako Jaderná elektrárna Dukovany, musela by zabírat plochu zhruba 100 km², a to pouze za předpokladu, že provozovatel zajistí, aby slunce svítilo po celý rok ve dne i v noci. (Infocentrum EDU, 2008) Produkce elektrárny V příloze 16 jsou naměřená data z provozu fotovoltaické elektrárny v období let 2004 až Jak již bylo řečeno, dříve byla elektrárna umístěna na Mravenečníku v Jeseníkách (Obr.41). Elektrárna zde však nefungovala, jak by měla, a to zejména kvůli vadným měničům, které se museli posílat na opravy do Německa až dvakrát ročně. Poslední kapkou byla krádež panelů, elektrárna se totiž nacházela v neosídlené oblasti, přičemž kamerový systém též nepomohl. Nakonec se stejně ukázalo, že v lokalitě Dukovany (Obr.42) jsou lepší podmínky pro provoz fotovoltaické elektrárny než na Mravenečníku v Jeseníkách. Obr.41 Mravenečník (Burket, 2008) Obr.42 Dukovany (Burket, 2008) Energie z obnovitelných zdrojů celkově, ať z fotovoltaiky, nebo z jiného zdroje, je s energií jadernou samozřejmě nesrovnatelná. Fotovoltaická elektrárna v Dukovanech má čistě demonstrativní charakter, čemuž nasvědčuje i informační tabule s výstupními hodnotami (Obr.43). Elektrárna je dělena na dvě sekce A a B. Obě sekce jsou osazeny 73

74 panely M-S a účinná plocha panelů činí 75 m². Je třeba si uvědomit, že zatím fotovoltaika funguje jako doplňkový zdroj energie a není schopná nahradit primární zdroje, což je vidět i na demonstrativním srovnání naměřených hodnot produkce jaderné elektrárny a elektrárny fotovoltaické (Tab.12). (Infocentrum EDU, 2008) Obr.43 Informační tabule (Burket, 2008) Tab.12 Srovnání jaderné a solární elektrárny v TWh a kwh (Infocentrum EDU, 2008) Rok JE Dukovany FVE Dukovany ,63 TWh 7847 kwh ,74 TWh 7163 kwh ,03 TWh 7815 kwh ,91 TWh 7768 kwh 12.4 Fotovoltaické elektrárny ve světě V současnosti existují dva hlavní typy koncentračních solárních elektráren pro velké výkony: elektrárny s parabolickými žlaby (Obr.44) a elektrárny věžové (Obr.45). Při instalaci akumulátorů tepla je možné v nich vyrábět elektřinu ještě 6 až 8 hodin po západu slunce. Pro zajištění nepřetržitého provozu mohou být doplněny přídavným parním kotlem na různé palivo. Přestože základní úlohou koncentračních solárních elektráren je výroba elektřiny, mohou být Obr.44 Elektrárna s parabolickými žlaby (Solar Millenium, 2009) současně i zdrojem tepla, chladu a pitné vody získávané odsolováním mořské vody. 74

75 Obr.45 Věžová elektrárna (Solar Millenium, V současnosti je v provozu asi 500 Mwe koncentračních solárních elektráren v Kalifornii, Nevadě a ve Španělsku. Rozestavěno je asi 1000 Mwe a tato kapacita bude uvedena do provozu do roku Dalších Mwe je v různém stupni projektové přípravy. Extenzivní výstavba se předpokládá od roku 2015, a tak v některých zemích již vznikají nové výrobní podniky na dodávku jejich částí, například zrcadel. Francouzská firma Solar Euromed plánuje postavit v příštích deseti letech 1000 Mwe především v severní Africe a na Středním východě. Podle California Public Utilities Commission se předpokládá výstavba Mwe do roku 2020, zejména v Kalifornii, Nevadě, Arizoně, Novém Mexiku a Coloradu. Současné náklady na vyrobenou elektřinu činí 130 až 150 USD/MWh, do roku 2010 by se měly snížit na USD/MWh, po dalším zdokonalení technologií by měly klesnout pod 100 USD/MWh. Doba výstavby koncentrační elektrárny je přibližně dva roky. V Evropě je první komerční koncentrační elektrárna v provincii Andalusia ve Španělsku: Andasol 1 (50 Mwe) (Obr.46) byla Obr.46 Elektrárna Andasol 1, provincie Andalusia, Granada (Solar Millenium, 2009) uvedena do provozu v roce 2008, Andasol 2 (50 Mwe) bude zprovozněna v roce V roce 2008 byla zahájena výstavba třetí elektrárny Andasol 3 a plánuje se i čtvrtá elektrárna Andasol 4. Výstavbu provádí německá firma Bolar Millenium AG. (Beneš, 2009) 75

76 13 VÝSLEDKY A DISKUSE V závěrečné fázi diplomové práce zhodnotím data získaná ze tří výše uvedených elektráren. Konkrétně tedy z fotovoltaické elektrárny na ČVUT, dále z Masarykovy univerzity MU, a z elektrárny v Dukovanech Vyhodnocení dat z ČVUT 40,9 kwp V příloze 17 v tabulce 1 jsou uvedena naměřená data skutečné energetické produkce fotovoltaické elektrárny z let Abych mohl naměřená data porovnat s daty maximálního výkonu, potřebuji trvání slunečního svitu za jednotlivé měsíce v konkrétním roce z meteorologické stanice nejblíže vybrané instalace (Příloha 17, Tab.2). Tyto hodnoty uvádí na svých webových stránkách Český hydrometeorologický ústav. V tomhle případě udává počet hodin/měsíc trvání slunečního svitu, za které přímé sluneční záření dosahuje zemského povrchu. Trvání slunečního svitu je ovlivněno ročním obdobím, tudíž délkou dne a dále je ovlivněno také hustotou oblačnosti, popř. mlhy. Vynásobením trvání slunečního svitu za určitý měsíc instalovaným výkonem elektrárny jsem získal maximální výkon elektrárny, omezený skutečnou dobou svitu za určitý měsíc. Konkrétně tedy 40,9 kwp (instalovaný výkon elektrárny) * 80,7 h (trvání slunečního svitu za leden 2006) = 3300,63 kwh za měsíc. Hodnoty dalších měsíců obsahuje příloha 17, tabulka 3. Z důvodu nenaměřených dat z roku 2007 v listopadu a prosinci, uvádím v tabulce maximálních výkonů jak hodnoty přepočítané pro všechny měsíce, tak i řádek bez těchto hodnot, nutný pro další postup. Nyní vypočítám porovnávací koeficienty, které poslouží později k porovnání vybraných instalací a vychází z maximální účinnosti. Postup je následující, pro prezentaci použiji opět data z ledna 2006: 3300,63 kwh (maximální výkon) / 698,7 kwh (skutečný výkon) = 4,73. Následně 100 / 4,73 = 21,14. Porovnávací koeficienty pro další měsíce jsou uvedeny v příloze 18 (Tab.1). Po uvedení skutečných a maximálních hodnot mohu uvést grafy se srovnání těchto dvou produkcí za jednotlivé roky 2006 a 2007 (Obr.47 a 48): 76

77 Produkce ČVUT 40,9 kwp 2006 kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.47 Srovnání skutečné a maximální produkce ČVUT za rok 2006 Produkce ČVUT 40,9 kwp kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.48 Srovnání skutečné a maximální produkce za rok ČVUT

78 Jak je vidět z grafů, tak skutečná produkce dosahuje zhruba třetinu maximální produkce. Je to dáno tím, že u maximální produkce nejsou zohledněny orientace a sklon panelů, tepelné ztráty a ztráty ze systému. Jedná se tedy o ideální případ. Pro shrnutí produkce během poskytnutých mi let uvádím ještě graf (Obr. 49), kde jsou srovnány maximální a skutečné produkce v kwh a také i srovnávací koeficienty, které jsou bezrozměrné. Účelem je ukázat nejproduktivnější roky. Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny na ČVUT kwh , ,11 Koeficien * 100 [-] Skutečný výkon [kwh] Maximální výkon [kwh] Maximální výkon [kwh] Skutečný výkon [kwh] Koeficien * 100 [-] Roky Obr.49 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny na ČVUT 13.2 Vyhodnocení dat z MU 40 kwp Stejně jako u elektrárny na ČVUT i zde použiji stejný postup a výpočet. Z Masarykovy univerzity mi byly poskytnuty data za delší období, a to v rozmezí let I tady nejsou některé měsíce zaznamenány. V příloze 18, v tabulce 2 je zaznamenán 78

79 skutečný výkon, v tabulce 3 trvání slunečního svitu. Příloha 19 pak v tabulce 1 zaznamenává maximální výkon a tabulka 2 porovnávací koeficienty. Dále je zde skupina grafů (Obr.50-53) porovnávající měsíční skutečnou produkci s maximální, graf srovnávající produkci skutečnou a maximální, a dále porovnávací koeficienty, které jsou bezrozměrné (Obr. 54). Opět jde o demonstraci nejproduktivnějších let. MU 40 kwp kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.50 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok

80 MU 40 kwp 2006 kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.51 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok 2006 MU 40 kwp kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.52 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok

81 MU 40 kwp kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.53 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok

82 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny na MU kwh Roky Maximální výkon [kwh] Skutečný výkon [kwh] Koeficient * 100 [-] Koeficient * 100 [-] Skutečný výkon [kwh] Maximální výkon [kwh] Obr.54 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny na MU 13.3 Vyhodnocení dat z Dukovan 10 kw Poslední zkoumanou elektrárnou je fotovoltaická elektrárna v Dukovanech. Postup je opět stejný jako ve dvou předchozích případech. Příloha 19 zaznamenává v tabulce 3 skutečný výkon. Příloha 20, tabulka 1 obsahuje trvání slunečního svitu, která nezaznamenává přímo lokalitu Dukovany a to z důvodu, že zde není meteorologická stanice. Nejblíže položená je tedy v Kuchařovicích. Dále příloha 20 obsahuje tabulku 2 s maximálními výkony. V příloze 21, v tabulce 1 jsou vypočteny porovnávací koeficienty. I zde je stejný set grafů (Obr.55-60) vyprodukovaný za použití stejného postupu jako v předchozích případech: 82

83 Dukovany 10 kw kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.55 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok 2004 Dukovany 10 kw kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.56 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok

84 Dukovany 10 kw kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.57 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok 2006 Dukovany 10 kw kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.58 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok

85 Dukovany 10 kw kwh Skutečný výkon Maximální výkon Měsíce Obr.59 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok 2008 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny v Dukovanech kwh Roky Maximální výkon [kwh] Skutečný výkon [kwh] Koeicient * 100 [-] Koeicient * 100 [-] Skutečný výkon [kwh] Maximální výkon [kwh] Obr.60 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny v Dukovanech 85

86 Jak je patrné, tak rozdíly skutečných měsíčních produkcí od maximálních jsou u všech tří elektráren téměř stejné a nikde nedochází k nějak velkým výkyvům. Zajímavé je ale zjištění, že ve srovnávaní ročních produkcí nejsou v maximu stejné roky. Pro názorný příklad se můžeme podívat na graf výše, kde je jasně vidět, že z hlediska vypočtené maximální produkce v Dukovanech by byl nejúspěšnější rok 2005, avšak skutečný výkon vykazuje maximum produkce v roku To může být dáno tím, že meteorologická stanice není přímo v místě elektrárny, takže existují možná různé situace, např. když bylo nad instalací zataženo a v místě stanice jasno. Samozřejmě že také rozdíl ovlivňuje, jak již bylo řečeno sklon, orientace, stínění, ztráty atd. Z hlediska porovnávacích koeficientů dosahuje maximální hodnoty rok To je ovlivněno tím, že čím je menší rozdíl mezi maximální a skutečnou produkcí elektrárny, tím je vyšší srovnávací koeficient Srovnání elektráren ČVUT, MU a Dukovany Naměřená data z tří elektráren se vzájemně prolínají v některých letech. Což je samozřejmě vhodné pro jejich vzájemné srovnání (Obr.61 a 62). Měření, která jsou pro všechny tři elektrárny shodná, jsou z let 2006 a Za tohle období dvou let mohu tedy vzájemně srovnat jejich skutečnou energetickou produkci. Ovšem musím zohlednit, že u elektrárny na ČVUT nejsou v roce 2007 naměřeny hodnoty za listopad a prosinec. Z toho důvodu i u elektráren MU a Dukovany nebudu s těmito měsíci kalkulovat. 86

87 Podíl na produkci z roku 2006 [kwh] 36616; 49% 7815; 11% 29500; 40% ČVUT MU Dukovany Obr.61 Podíl na skutečné energetické produkci z roku 2006 Podíl na produkci z roku 2007 [kwh] 7366; 10% 35653; 51% 27400; 39% ČVUT MU Dukovany Obr.62 Podíl na skutečné energetické produkci z roku

88 Když vezmeme 100 % jako celek všech tří elektráren, celkem vyprodukovaly za rok 2006: kwh; a za rok 2007 bez listopadu a prosince: kwh. Přitom v obou případech má nejvyšší produkci elektrárna na Masarykově univerzitě 40 kwp, i když má menší instalovaný výkon než elektrárna na ČVUT (40,9 kwp). Je to dáno lokalitou, ve které jsou elektrárny umístěny. Brno vykazuje více hodin slunečního svitu, tudíž zde budou lepší podmínky pro provoz fotovoltaické elektrárny. Elektrárna v Dukovanech vykazuje podíl jen 10 a 11 %. To je ovšem dáno mnohem nižším instalovaným výkonem. Pro objektivnější srovnání, kde nehraje hlavní roli instalovaný výkon, použiji porovnávací koeficient, jež je pro každou elektrárnu vypočítán výše. Porovnávací koeficient je ovlivněn maximálním a skutečným výkonem, ale i dobou slunečního svitu v dané lokalitě, pomocí které se počítal maximální výkon. Tudíž lze pomoci něho určit nejproduktivnější elektrárnu z hlediska lokality (Obr.63 a 64). I zde je v roce 2007 bez posledních dvou měsíců. Podíl na produkci roku 2006 podle porovnávacího koeficientu 44,63; 35% 36,54; 29% ČVUT MU Dukovany 46,66; 36% Obr.63 Podíl na produkci roku 2006 podle porovnávacího koeficientu 88

89 Podíl na produkci roku 2007 podle porovnávacího koeficientu 40,21; 32% 36,94; 29% ČVUT MU Dukovany 48,67; 39% Obr.64 Podíl na produkci roku 2007 podle porovnávacího koeficientu Roku 2006 i 2007 má nejvyšší zastoupení fotovoltaická elektrárna na MU. Což je zajímavé, protože je položena severněji než elektrárna v Dukovanech. Rozdíl však není nějak markantní, v roce 2006 je rozdíl jen 1 %, v roce 2007 pak 7 %. Tento stav lze vysvětlit špatným počasím, větším počtem srážek a oblačnosti v lokalitě Dukovan, jež ovlivňuje intenzitu dopadajícího slunečního svitu. Na rozdíl tomu lokalitě Brno můžeme přisuzovat ideálnější meteorologické podmínky Srovnání elektráren MU a Dukovany Z důvodu vzájemné souhry dalších naměřených let mohu dále ještě srovnat roky 2005 a 2008 u fotovoltaických elektráren Masarykovy univerzity a elektrárny v Dukovanech. Nejdříve opět srovnám skutečné výkony (Obr.65 a 66), které jsou ovlivněny instalovaným výkonem a následně pak provedu srovnání pomocí porovnávacího koeficientu (Obr. 67 a 68). 89

90 Podíl na produkci z roku 2005 [kwh] 5659; 17% MU Dukovany 27477; 83% Obr..65 Podíl na skutečné energetické produkci z roku 2005 Podíl na produkci z roku 2008 [kwh] 5344; 21% MU Dukovany 19531; 79% Obr.66 Podíl na skutečné energetické produkci z roku

91 Podíl na produkci roku 2005 podle porovnávacího koeficientu 35,91; 47% 41,09; 53% MU Dukovany Obr.67 Podíl na produkci roku 2005 podle porovnávacího koeficientu Podíl na produkci roku 2008 podle porovnávacího koeficientu 45,19; 52% 42,37; 48% MU Dukovany Obr.68 Podíl na produkci roku 2008 podle porovnávacího koeficientu 91

92 Je zapotřebí zdůraznit, že v roce 2004 nejsou započteny měsíce leden, únor a březen a v roce 2008 pak měsíce srpen až prosinec, opět z důvodu pozastavení měření na elektrárnách. V prvním podílu na produkci z roku 2005 je podle porovnávacího koeficientu situace obdobná jako ve srovnání z let 2006 a Opět má vyšší podíl elektrárna MU. V roce 2008 je již situace jiná, vyššího zastoupení dosáhla elektrárna v Dukovanech. Lze tedy říci, že obě elektrárny leží v lokalitě s podobným počtem hodin slunečního záření. Ovlivňovat produkci můžou tedy v nejvyšší míře klimatické a meteorologické podmínky v místě instalace. 92

93 14 ZÁVĚR Čerpání sluneční energie v České republice, ale i všude ve světě, za poslední léta zaznamenalo obrovský rozmach. I nadále se plánují další nové instalace, ať již velkoplošné, nebo malé na soukromých domech. Jak je patrné z práce, na dům se více vyplatila pořídit instalace spíše před rokem, tedy v roce 2008, než nyní. Je to dáno garantovanou výkupní cenou na 20 let dopředu. Před rokem byly ceny vyšší, tudíž zůstaly vyšší i garantované výkupní ceny. Na druhou stranu lze zase nyní očekávat nižší pořizovací ceny komponentů, a možná i jejich větší účinnost v souvislosti s neustálým vývojem nových technologií. Situace u velkoplošných fotovoltaických elektráren je poněkud jiná. Velkoplošné elektrárny jsou budovány, na rozdíl od některých malých instalací, s podnikatelským záměrem. Zejména na jižní Moravě, kam doléhá největší intenzita slunečního svitu, se nachází mnoho velkoplošných instalací a plno jich je ještě ve fázi před dokončením. Založení elektrárny a její následná stavba nejsou nějak složitým procesem. Je ovšem zapotřebí disponovat určitým kapitálem, který ještě doplní dotace z Evropské unie, která podporuje výstavbu zařízení na výrobu energie z obnovitelných zdrojů, zejména pak z fotovoltaiky. Ač to nemusí být zatím patrné, zvyšujícím se počtem velkoplošných instalací podstatně ubývá zemědělské půdy. Zmíněné instalace jsou velice prostorově náročné, tudíž jsou schopny zabrat i pozemek o několika km². Nejčastěji jsou budovány právě na lukách apod. Dle mého názoru je tento způsob neekonomický, a to z důvodu obrovské zastavěné plochy a malé celkové produkce ze strany fotovoltaické elektrárny ve srovnání s primárními zdroji. Samozřejmě, že nemůžeme nyní srovnávat fotovoltaiku s primárními zdroji, ale je třeba si uvědomit, že právě obnovitelnými zdroji se snažíme pokrýt a nahradit část energetické produkce ze zdrojů primárních. Podle mne však zatím fotovoltaika dosahuje malé produkce vykoupené velkou plochou. Budoucnost fotovoltaiky tudíž vidím v její integraci do stavebních konstrukcí. Když pominu její malou účinnost, jeví se takovéto východisko jako velice smysluplné a hlavně velice dispozičně a architektonicky výhodné. Fotovoltaika, která bezesporu negativně mění ráz krajiny velkoplošnými elektrárnami, by mohla svým přesunem k integrací do budov přispět k celkovému rázu krajiny a měst v kladném slova smyslu. 93

94 15 POUŽITÁ LITERATURA ABS, 2008: Integrace fotovoltaiky do budov. Online [cit ]. Dostupné na: < BENEŠ I., 2009: Slunce může zajistit potřebu energie v Evropě. Energie 21., 1/2009: BURKET D., 2008: Dukovanská fotovoltaická elektrárna. Online [cit ]. Dostupné na: < CZ-elektronika, 2007: Možnosti instalace fotovoltaických elektráren. Online [cit ]. Dostupné na: < CZ-elektronika, 2007: Polohovací jednotky SunFlex. Online [cit ]. Dostupné na: < Czech RE Agency, 2007: Fotovoltaika pro každého. Online [cit ]. Dostupné na: < Czech RE Agency, 2008: 3. Česká fotovoltaická konference. Online [cit ]. Dostupné na: < Czech RE Agency, 2008: Instalovaný výkon FV v ČR vzrostl za rok 2008 desetinásobně. Online [cit ]. Dostupné na: < ERU, 2008: Cenová rozhodnutí energetického regulačního úřadu č. 8/2008 ze dne 18. listopadu ERU, Praha, 8 s. ERU, 2009: Často kladené dotazy obnovitelné zdroje. Online [cit ]. Dostupné na:< bonusu>. FDT CZ, 2007: EVALON Solar Integrovaný system pro ploché střechy. Stavební a investorské noviny GREENENERGY, 2008: Co Vás čeká před stavbou. Online [cit ]. Dostupné na: < Infocentrum EDU, 2008: FVE JE Dukovany. EDU, Dukovany JANOUŠEK P. & BERÁNEK. V, 2008: Fotovoltaická elektrárna na rodinném domě. Energie 21., 6/2008:

95 MURTINGER K., 2008: Solární energie kolik kwh lze získat? Výhody a nevýhody. Online [cit ]. Dostupné na: < SAPÍK J., 2007: Využití solární energie v podmínkách ČR. MZLU, Brno, 47 s. SLÁDEK P., 2008: Dlouhodobé zkušenosti s provozem 40 kwp fotovoltaické elektrárny na pedagogické fakultě masarykovy univerzity. MU, Brno, 4 s. SOLARENVI, 2009: Alternativní technologie amorfní křemík. Online [cit ]. Dostupné na: < SOLARENVI, 2009: Často kladené dotazy fotovoltaika. Online [cit ]. Dostupné na: < SOLARENVI, 2009: Seznam základních zákonů v souvislosti s provozováním FVE. Online [cit ]. Dostupné na: < SOLARENVI, 2009: Sluneční energie, Online [cit ]. Dostupné na: < SOLARENVI, 2009: Vliv orientace panelů na energetický přínos. Online [cit ]. Dostupné na: < Solarhaus, 2008: Realizace solární elektrárny o výkonu 4,86 kwp Znojmo. Soalrhaus, Znojmo, 15 s. Solartec, 2009: Výkupní cena. Online [cit ]. Dostupné na: < SOLAR MILLENIUM, 2009: Home. Online [cit ]. Dostupné na: < STANĚK K., 2007: Dílčí výzkumná zpráva VZ04 č.1 /2007: Fotovoltaický systém o výkonu 40,9 kwp na fakultě Stavební, ČVUT v Praze Vyhodnocení energetické produkce a ekonomického potencionálu. ČVUT, Praha, 36 s. STANĚK K. & TYWONIAK J., 2008: Realizace FV systému na FS v energetické a stavebně-fyzikální souvislosti. ČVUT, Praha, 4 s. ŽENKA M., TYWONIAK J. & STANĚK K., 2007: Solární systémy a budova architektonicko-stavební pohled, s Solární systémy s FV/FT panely a jejich využití. Czech RE Agency., Praha, 39 s. 95

96 16 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Schéma solárního článku...13 Obr. 2 Fotovoltaické články různých barev...14 Obr. 3 Solární panel...16 Obr. 4 Konstrukce fotovoltaického panelu...16 Obr. 5 Amorfní modul Kaneka K-60 za slunečného počasí...17 Obr. 6 Amorfní modul za deště...18 Obr. 7 Schéma grid-off systému...19 Obr. 8 Schéma autonomního FV systému...19 Obr. 9 Schéma grid-on systému...20 Obr. 10 Grid-on systém...20 Obr. 11 Schématické znázornění způsobů integrace FV systémů do budov: (a) šikmá střecha, (b) plochá střecha, (c) fasáda, (d) tenkovrstvá FV pro velké střešní plochy, (e) průmyslové aplikace, (f) semitransparentní FV pro atria a výplně otvorů, (g) vnější stínící...21 Obr. 12 FV systém na ploché střeše Fakulty stavební ČVUT v Praze...22 Obr. 13 FV panely nahrazující střešní krytinu větrané dvouplášťové střechy rodinné domy v Koberovech...23 Obr. 14 Semitransparentní FV výplně budova STAWAG, Aachen, Německo...24 Obr. 15 Plochá střecha s integrovaným fotovoltaickým systémem EVALON - Solar...25 Obr. 16 Schéma rozdělení citlivosti jednotlivých vrstev fotovoltaického článku na vlnové délky spektra slunečního záření...25 Obr. 17 Napojení fotovoltaických kabelů na spodní straně pásů EVALON Solar...26 Obr. 18 Pokládání pásů Evalon V - Solar s integrovanými fotovoltaickými články...27 Obr. 19 Vedení napojovacích kabelů pod hydroizolací k prostupům interiéru...28 Obr. 20 Integrovaný fotovoltaický systém EVALON Solar...29 Obr. 21 Geometrie fasádní části FV systému...30 Obr. 22 Otvory pro upevnění konzol vyřezané v původní tepelné izolaci fasády...31 Obr. 23 Osazená svařovaná ocelová konzola...31 Obr. 24 Konzola obalená dodatečnou tepelnou izolací

97 Obr. 25 Svislé ocelové tyče a vodorovné hliníkové profily...31 Obr. 26 Dodatečná tepelná izolace z minerálních vláken tl. 80 mm...32 Obr. 27 Kotvení nosného rámu...36 Obr. 28 Montáž podpůrné konstrukce fotovoltaických panelů...36 Obr. 29 Dvouosé polohovaní v solárním parku...37 Obr. 30 Polohovací jednotka SunFlex SF Obr. 31 Polohovací jednotka SunFlex SF Obr. 32 Lokalita Znojmo...55 Obr. 33 Skutečná energetická produkce fotovoltaických polí E1 E7 dodána do sítě v letech v MWh a v % relativně vůči celkové produkci systému...62 Obr. 34 Porování množství slunečního záření dopadajícího na vodorovnou rovinu v roce 2006 dle ČHMÚ s dlouhodobým průměrem dle PVGIS...65 Obr. 35 Normalizovaná měsíční energetická produkce systému v kwh...66 Obr. 36 Skutečná úspora emisí CO2 provozováním FV systému v letech v tunách...68 Obr. 37 Normalizované měsíční úspory emisí CO2 provozováním systému v kg...69 Obr. 38 Fotovoltaický systém na PdF MU v Brně...70 Obr. 39 Roční průběh maximální teploty panelu a maximální teploty vzduchu Obr. 40 Fotovoltaická elektrárna v Dukovanech...72 Obr. 41 Mravenečník...73 Obr. 42 Dukovany...73 Obr. 43 Informační tabule...74 Obr. 44 Elektrárna s parabolickými žlaby...74 Obr. 45 Věžová elektrárna...75 Obr. 46 Elektrárna Andasol 1, provincie Andalusia, Granada...75 Obr. 47 Srovnání skutečné a maximální produkce ČVUT za rok Obr. 48 Srovnání skutečné a maximální produkce za rok ČVUT Obr. 49 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny na ČVUT...78 Obr. 50 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok Obr. 51 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok

98 Obr. 52 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok Obr. 53 Srovnání skutečné a maximální produkce MU za rok Obr. 54 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny na MU...82 Obr. 55 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok Obr. 56 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok Obr. 57 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok Obr. 58 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok Obr. 59 Srovnání skutečné a maximální produkce Dukovany za rok Obr. 60 Srovnání maximálních a skutečných výkonů a porovnávacích koeficientů elektrárny v Dukovanech...85 Obr. 61 Podíl na skutečné energetické produkci z roku Obr. 62 Podíl na skutečné energetické produkci z roku Obr. 63 Podíl na produkci roku 2006 podle porovnávacího koeficientu...88 Obr. 64 Podíl na produkci roku 2007 podle porovnávacího koeficientu...89 Obr. 65 Podíl na skutečné energetické produkci z roku Obr. 66 Podíl na skutečné energetické produkci z roku Obr. 67 Podíl na produkci roku 2005 podle porovnávacího koeficientu...91 Obr. 68 Podíl na produkci roku 2008 podle porovnávacího koeficientu

99 17 SEZNAM TABULEK Tab. 1 Rozměry pásů...27 Tab. 2 Výkupní ceny a zelené bonusy pro rok Tab. 3 Výkupní ceny a zelené bonusy pro rok Tab. 4 Cenové položky...59 Tab. 5 Základní výkonné parametry...61 Tab. 6 Zaznamenaná skutečná měsíční a celková produkce systému dodána do sítě v letech v kwh a MWh...62 Tab. 7 Relativní roční ztráty systému pro orientaci a sklony jednotlivých fotovoltaických polí E1 E7 v %...63 Tab. 8 Teoretická měsíční a celková roční energetická produkce fotovoltaických polí E1 E7 v kwh a MWh...64 Tab. 9 Množství slunečního záření dopadajícího na vodorovnou rovinu pro rok 2006 dle ČHMÚ a dlouhodobý průměr dle PVGIS v kw/m² a výsledný normalizační součinitel...65 Tab. 10 Normalizovaná měsíční a celková energetická produkce fotovoltaických polí E1 E7 v kwh a MWh...66 Tab. 11 Relativní poměr mezi normalizovanou a teoretickou energetickou produkcí systému v %...67 Tab. 12 Srovnání jaderné a solární elektrárny v TWh a kwh

100 PŘÍLOHY 100

101 Přílohy 1-21 Příloha 1 Svislý řez fasádní FV instalací (Staněk, 2007) 101

102 Příloha 2 Typický detail fasádní podpůrné konstrukce v čelním pohledu (Staněk, 2007) 102

103 Příloha 3 Příčný řez Střešní podpůrná konstrukce se sklonem 45 pro fotovoltaické pole (Staněk, 2007) 103

104 Příloha 4 Sluneční záření při dopadu na vodorovnou plochu v ČR MWh/m² (Czech RE Agency, 2007) Sluneční záření při dopadu na vodorovnou plochu v ČR kwh/m² (Czech RE Agency, 2007) 104

105 Příloha 5 Roční průměrná doba slunečního záření [h] (SOLARENVI, 2009) Roční průměrný počet bezoblačných dní (SOLARENVI, 2009) 105

106 Příloha 6 Instalovaný výkon fotovoltaických systémů připojených do sítě v ČR dle krajů (Czech RE Agency, 2008)

107 Příloha 7 Přehled velkých fotovoltaických systémů v ČR (Czech RE Agency, 2008) 107

108 Sklon a orientac vs. výnosy (SOLARENVI, 2009) Příloha 8

109 Příloha 9 Odhadované množství elektrické energie vyrobené každý měsícv lokalitě Znojmo (Solarhaus, 2008) Odhad vyrobené fotovoltaické elektřiny (kwh) (Solarhaus, 2008)

110 Ekonomická studie (Solarhaus, 2008) Příloha 10

111 Příloha 11 Peněžní tok v průběhu 35 let (Solarhaus, 2008) Zdroje zisku (Solarhaus, 2008)

112 Příloha 12 Geometrický model se zakreslenými poli E1 až E7 (Staněk, 2007) Poloha a orientace polí E1 až E7 (Staněk, 2007) 112

113 Příloha 13 Struktura investičních nákladů (Staněk, 2007) Základní položkový rozpočet (Staněk, 2007) 113