Výukové materiály projektu NAUČÍME VÁS, JAK BÝT EFEKTIVNĚJŠÍ VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE POMOCÍ SLUNEČNÍ ENERGIE Výukové materiály vznikly za finanční pomoci Revolvingového fondu Ministerstva životního prostředí. Za jejich obsah zodpovídá výhradně SŠ-COPTH, Praha 9, Poděbradská 1/179 a nelze jejich obsah v žádném případě považovat za názor Ministerstva životního prostředí.
VÝROBA ELEKTRICKÉ ENERGIE POMOCÍ SLUNEČNÍ ENERGIE Fotovoltaické systémy umožňují přímou přeměnu sluneční energie na energii elektrickou. Základním prvkem umožňujícím přímou přeměnu světelné energie na elektrickou je solární článek. Tento prvek lze charakterizovat jako plochou elektronickou součástku, na které vzniká při dopadu světla elektrické napětí. Toto napětí se nazývá fotovoltaické, protože příčinou jeho vzniku je právě sluneční záření dopadající na plochu solárního článku. Toto fotovoltaické napětí může být zdrojem elektrického proudu, jsou-li svorky solárního článku připojeny k nějakému spotřebiči nebo spojeny nakrátko. Solární článek lze do jisté míry přirovnat k baterii, na kterou však musí svítit světlo. Zásadním a velmi důležitým rozdílem mezi způsobem výroby elektrické energie získané solárním článkem v porovnání s klasickou výrobou energie je skutečnost, že u solárního článku není nutné používat žádné mechanické pohyblivé díly. Tím zcela odpadají problémy týkající se jejich opotřebení, ztráty třením, jejich mazání a údržba. V porovnání s jinými technologiemi výroby elektřiny nepotřebují solární články žádnou pohonnou látku, nevytvářejí při provozu žádné znečištění, zplodiny, zápach ani nežádoucí hluk. Další velkou předností solárních článků je možnost jejich snadného propojení a sestavení do větších celků nazývaných solární moduly. Tyto moduly pak lze dle potřeby následně dále propojovat do tzv.solárních generátorů. Získáváme tak velké solární plochy, které jsou schopny vyrábět značné množství elektrické energie, která je již využitelná v praktických aplikacích. Přihlédneme-li kromě výše uvedených skutečností také k faktu, že Slunce představuje prakticky nevyčerpatelný zdroj energie, je nutné považovat fotovoltaické systémy za mimořádně perspektivní zdroj elektrické energie pro budoucnost. Hlavní úsilí současnosti je tedy nalézt co nejefektivnější technická a technologická řešení fotovoltaických systémů, která by v porovnání s klasickými způsoby elektrické energie vyznívala co nejpříznivěji. Princip funkce fotovoltaických článků Fotovoltaické systémy umožňují přímou přeměnu sluneční energie na energii elektrickou a to bez mechanických pohyblivých dílů. Základním prvkem umožňujícím přímou přeměnu světelné energie na elektrickou je solární článek, tj. velkoplošný polovodičový prvek, na kterém vzniká při dopadu slunečního záření fotovoltaické napětí. Funkci solárního článku je možno popsat následujícím způsobem. V polovodičovém krystalu vazbu mezi atomy zprostředkovávají elektrony z obalu atomu, které vytvářejí spolu s elektrony sousedních atomů pevnou vazbu. K uvolnění elektronu z vazby je potřeba určité, relativně velké energie. Dopadající fotony mohou mít však energii větší, než je tato vazební energie. Pokud je absorbován foton s takovou velkou energií, může uvolnit elektron z této vazby tak, že tento elektron se pohybuje volně v krystalu.
Na místě uvolněného elektronu zůstává neobsazený stav díra, do kterého mohou přeskakovat sousední elektrony, které jsou vázány v kovalentní vazbě. Tímto způsobem se může tento neobsazený stav pohybovat krystalem jako kladný náboj. Mluvíme proto o vytvoření páru elektron-díra interakcí s fotonem. Elektron se může vrátit zpátky do neobsazeného stavu ve vazbě, v takovém případě mluvíme o rekombinaci elektronu a díry. Pokud v krystalu existuje nehomogenita, se kterou je spojeno vnitřní elektrické pole takovou nehomogenitou může být třeba přechod PN, jsou tímto elektrickým polem rozděleny páry elektron díra a to tak, že elektrony jsou urychleny do oblasti N a díry do oblasti typu P, jak je schématicky znázorněno na obrázku. Tímto způsobem se oblast typu N nabíjí záporně a oblast typu P nabíjí kladně tak, že na osvětleném polovodiči s přechodem PN vzniká fotovoltaické napětí. Připojí-li se mezi tyto oblasti spotřebič, protéká jím elektrický proud, který může vykonávat užitečnou práci. Velikost proudu procházejícího elektrickým obvodem závisí jednak na ozáření článku a dále pak na ploše článku a na účinnosti článku. Hloubka vniku světla (tj. vzdálenost od povrchu, ve které klesne intenzita světla v polovodiči vlivem absorpce na zhruba jednu třetinu) závisí na energii fotonu (s rostoucí energií fotonu hloubka vniku klesá) a na typu polovodiče. Aby článek byl účinný, musí být páry elektron díra generovány v blízkosti přechodu PN. To znamená, že přechod PN musí být realizován velmi blízko povrchu, na které dopadá světlo (několik desetin mikrometru pod povrchem). Nosiče, generované mimo místa přechodu PN musí k oblasti se silným elektrickým polem difundovat. Pokud zrekombinují dříve, než dosáhnou oblasti přechodu PN, neuplatní se při generaci fotovoltaického napětí. Je proto třeba volit technologii tak, aby ztráty rekombinací byly minimální. Kromě toho je třeba zabránit ztrátám spojeným s odrazem dopadajícího záření od povrchu. Proto se na povrchu vytváří jednak zdrsnění povrchu (textura) a povrch se pokrývá antireflexní vrstvou, která zabraňuje odrazu světla (články proto mají nejčastěji tmavomodrou barvu).
Fotovoltaický proud roste přímo úměrně s intenzitou dopadajícího záření. Při intenzitě dopadajícího světla 1 kw na m2, proud generovaný v jednom centimetru čtverečním článku dosahuje hodnot 10 40 ma v závislosti na typu použitého polovodiče a konstrukci článku. Proud je přímo úměrný ploše článku tak, že na standardním křemíkovém článku o velikosti 10 x 10 cm vzniká proud okolo 3A a na křemíkovém článku 15 x 15 cm může vzniknout proud okolo 6A. Příklad charakteristiky fotovoltaického článku je znázorněn na následujícím obrázku. Pracovní bod solárního článku je bod na charakteristice, ve kterém článek právě pracuje. Poloha pracovního bodu na charakteristice napětí proud závisí na připojeném spotřebiči (jako příklad je na obr. označen bod A). Nejvyšší možnou hodnotou proudu je maximální proud tzv. zkratový proud ISC, který může solární článek při dané intenzitě ozáření dodávat. Dalším charakteristickým bodem je napětí naprázdno UOC, které udává maximální napětí na článku, kterého je možno dosáhnout, když ke článku není připojen žádný spotřebič. Výkon
solárního článku se určuje jako součin proudu a napětí. Pro každý článek existuje pracovní bod na charakteristice, ve kterém je výkon největší. Tento bod je označován jako bod maximálního výkonu (MPP) o napětí Ump a proudu Imp. Výkon určitého solárního článku závisí na ozáření, na spektru světla a na teplotě článku. Maximální proud roste přímo úměrně s rostoucí intenzitou dopadajícího záření a tím roste i výkon článku. S rostoucí teplotou výkon článku klesá. V současné době je nejběžnějším materiálem pro výrobu slunečních článků křemík a více jak 80 % článků je vyráběno z krystalického křemíku. Struktura běžného křemíkového článku je naznačena na následujícím obrázku. Ztráty na fotovoltaickém článku vznikají jednak tím, že část povrchu je zastíněna mřížkou sběrnice katodového kontaktu, dále pak na odporu jednotlivých vrstev struktury a odporu sběrnic (tak zvaném sériovém odporu) při průchodu proudu. K dosažení co největší účinnosti článku je konstrukce článku optimalizovaná z hlediska minimalizace celkových ztrát (tloušťka a rezistivita jednotlivých vrstev, vzdálenost kontaktů sběrnice, způsob metalizace apod.).
Výrobní technologie článků z krystalického (monokrystalického i polykrystalického) křemíku je následující: křemíkový ingot, monokrystalický nebo polykrystalický, se rozčlení na destičky o tloušťce cca 300 mikrometrů, povrchová vrstva je oleptána a strukturována. Jednostranně je vytvořena vrstva typu N difúzí fosforu (optimální tloušťka této vrstvy je okolo 0,2 μm), poté je povrch pokryt antireflexní vrstvou. Na povrchu typu N je vytvořena síť kovových kontaktů (mřížka sběrnic) a opačná strana článku je pokryta celoplošným kontaktem. Příklady vzhledu přední strany článků s mřížkou sběrnic a antireflexní vrstvou (tmavá barva ukazuje, že povrch neodráží světlo) jsou na následujících obrázcích. Nalevo je ukázka článku z monokrystalického křemíku a napravo z polykrystalického. U článku z polykrystalického křemíku jsou vidět hranice zrn jednotlivých dílčích krystalů. Účinnost takových standardních článků se pohybuje v současné době okolo 14 až 16 %. Vyšší účinnost je možno dosáhnout u speciálně konstruovaných článků s komplikovanou technologií. Příklad struktury takového článku (dosahující účinnosti až 25%.) je znázorněn na obrázku.
Spojování fotovoltaických článků do modulů Pro snazší manipulaci se solárními články, pro ochranu před vlivy okolního prostředí a za účelem získání vyššího napětí se zpravidla několik solárních článků spojuje do série dohromady do fotovoltaického modulu (někdy se používají také termíny solární modul nebo solární panel). Obvykle je spojeno do série 36 článků pro aplikace 12 V nebo 72 článků pro aplikace 24 V. Při sériovém zapojení článků teče všemi články stejný proud. Vyrábějí se moduly o výkonu v rozsahu od jednotek wattů do zhruba 200 W. Výkon modulu se udává jako maximální dosažitelný výkon při osvětlení 1000 W na m 2. Je-li potřeba větší výkon, než je možné dosáhnout s jedním modulem, je možno propojit mezi sebou několik solárních modulů umístěných na konstrukci zajišťující vhodnou orientaci modulů vůči Slunci a vytvořit tak tzv. fotovoltaické pole (někdy se mluví také o sluneční baterii nebo také o tzv. solárním generátoru). Schéma sériového zapojení
Pájení Celkový pohled Při konstrukci je nutno dbát na skutečnost, že je žádoucí, aby všechny články byly přibližně stejně osvíceny, aby nebyl žádný zastíněn, protože v takovém případě by se výkon výrazně snížil. Aby bylo dosaženo vysoké životnosti, musí se články chránit před nepříznivými vlivy okolního prostředí. Solární články se zpravidla vkládají do vysoce průhledné fólie EVA a přední strana se často chrání před deštěm, krupobitím a jinými vlivy vysoce průhledným speciálně tvrzeným sklem. Zadní strana se uzavře vícevrstvou, vysoce pevnou fólií z plastu, nebo skleněnou destičkou a prostor mezi skly se utěsní. Mechanická konstrukce modulů musí být řešena tak, aby články v modulu byly zabezpečeny proti povětrnostním podmínkám a aby bylo zajištěno jejich optimální chlazení. Nejčastější je standardní chlazení vzduchem. Udávaná životnost solárních modulů z krystalického křemíku je zpravidla 20 až 30 let. Ochrana článků
Moduly je přitom možno zapojovat jak sériově pro zvýšení napětí systému, tak paralelně pro zvýšení výstupního proudu, nebo použít kombinaci obou zapojení, aby se zvýšil proud i napětí. Schéma paralelního zapojení A jedna opravdu dobře míněná rada. Pro konstrukci fotovoltaického pole sestávajícího z několika solárních modulů by se měly používat jen moduly téhož typu od stejného výrobce. Jak to vypadá ve skutečnosti? Podívejme se na fotografie pořízené v Chlumu u Třeboně. Solární článek Solární panel
Fotovoltaická pole Autonomní fotovoltaické systémy a jejich součásti Autonomní fotovoltaické systémy jsou takové systémy, které nedodávají energii do rozvodné elektrické sítě. Tyto systémy jsou rovněž nazývány off grid systémy nebo též ostrovní systémy. Schéma autonomního fotovoltaického systému Existuje i jednodušší schéma pokud jsou připojené spotřebiče na stejnosměrný proud, odpadá nutnost zařazovat do systému střídač (tj. zařízení, které ze stejnosměrného proudu dělá proud střídavý). Úplně nejjednodušší bývá tzv. systém s přímým napájením. Jeho schéma je na obrázku.
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 k 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 stejnosměrným napětím z akumulátoru. Výhodou autonomních fotovoltaických 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 fotovoltaického systému. V současné době je nabídka využití solárních fotovoltaických systémů v různých aplikacích velmi široká. Při uvedení příkladů zařízení, která jsou nezávislá na veřejné rozvodné síti, můžeme začít již od jednoduchých solárních hraček, dále pokračovat kapesními kalkulačkami, solárními hodinkami, solárním osvětlením zahrad a komunikací a přes větší aplikace, jako jsou autonomní telekomunikační zařízení, elektromobily, lodě, rekreační a horské chaty, obytné budovy, se dostáváme až k využití solárních FV systémů v kosmických technologií. Několik aplikací si můžeme prohlédnout na přiložených obrázcích. Kalkulačka se solární baterií Solární osvětlení
Solární automobil Solární loď Nepochybně autonomní solární systém
Moduly fotovoltaických článků N A U Č Í M E V Á S, J A K B Ý T E F E K T I V N Ě J Š Í Chceme-li více energie, nezbývá nic jiného než spojovat články do solárních modulů. Otázkou ještě zůstává, kam je umístit. V podstatě existuje mnoho možností, jak lze moduly k domu umístit a představu si jistě uděláme z následujícího obrázku. Některé možnosti umístění fotovoltaických panelů na budovách Regulátor Regulátor dobíjení se zapojuje mezi FV panely a akumulátory a slouží k ochraně akumulátorů proti přebíjení nebo jejich hlubokému vybití. Regulátor měří stupeň nabití akumulátorů a v případě potřeby panely odpojuje, při poklesu napětí na akumulátorech naopak panely znovu připojí k dobíjení. Regulátor je nutné zvolit podle pracovního napětí v systému, proudového výkonu FV panelů, podle typu akumulátorů a nároků na teplotní pracovní podmínky a nakonec podle celkového příkonu elektrospotřebičů. Regulátory
Akumulátor Existuje několik možností, jak můžeme skladovat získanou energii. Těmito možnostmi jsou: 1. Mechanické ukládání energie do stlačených plynů nebo setrvačníků poháněných elektromotory. Toto řešení je relativně komplikované a používá se jen ve specifických případech. 2. Přečerpávání vody do vyšších poloh v době energetického přebytku a následného použití pro roztáčení turbín v době energetického nedostatku. Tato metoda však vyžaduje navíc čerpadlo, turbínu a vhodné úložiště vody. 3. Rozklad vody elektrickým proudem. Je označován za pohon budoucnosti. Elektrolýzou vody se dá získat vodík, který lze v době nedostatku energie spalovat. Největším problémem je doposud špatná skladovatelnost vodíku a malá dostupnost vodíkových motorů s větší účinností. Perspektivní je využití v kombinaci s palivovými články. 4. Použití elektrochemických akumulátorů. Je to dnes nejběžnější řešení pro autonomní systémy. Jako ostatní má i toto řešení svá úskalí, zejména jde o životnost akumulátorových baterií a omezený počet nabíjecích cyklů. Jsou proto vyvinuty speciální typy akumulátorů pro použití ve fotovoltaických systémech. Fotovoltaické systémy připojené na elektrickou síť Druhou významnou skupinou fotovoltaických zařízení jsou systémy připojené na elektrickou síť. Možnosti jsou dvě buď je část vyrobené energie spotřebovávána přímo v místě (například pro dům) a přebytek je dodáván do sítě (případně je ze sítě krytý nedostatek), anebo jsou tyto systémy určeny výhradně k dodávání elektrické energie do sítě. Pak hovoříme o fotovoltaických elektrárnách. Blokové schéma zapojení je na následujícím obrázku. I bez dlouhého vysvětlování je z něj patrný princip fungování. Schéma fotovoltaického systému připojeného na elektrickou síť
Moduly fotovoltaických článků Samotný článek dává jen velmi málo energie. Chceme-li jí více, nezbývá nic jiného než spojovat články do solárních modulů. Nosné konstrukce Moduly fotovoltaických článků Fotovoltaické moduly se montují na nosné konstrukce, které zajišťují jejich polohu. Tyto konstrukce musí odolávat různým klimatickým vlivům a mohou být vystaveny značné zátěži (například větru o rychlosti až 120 km.hod -1 ), proto se zhotovují z materiálů odolných korozi s dostatečnou pevností, přiměřenou hmotností a zpracovatelností. Zvláště výhodné jsou proto slitiny hliníku nebo oceli s příslušnou povrchovou úpravou. Konstrukce lze rozdělit na dva základní druhy. Statické konstrukce jsou velice časté u velkoplošných instalací. Tyto konstrukce neumožňují sledování dráhy Slunce, jejich úhel naklonění je nastaven vzhledem k maximální výtěžnosti systému a vzhledem k možnostem pokrývané plochy. Systémy s kolmým umístěním (např. na fasádách domů) jsou v našich podmínkách výhodné pro zimní provoz, systémy s náklonem 30-50 (např. střešní instalace) pro letní. Pro celoroční provoz se doporučuje úhel sklonu od horizontály odpovídající zeměpisné šířce. Některé statické konstrukce umožňují úhel naklonění během ročních období změnit a dosahují tak větší účinnosti systému. Pohyblivé konstrukce jsou časté u systémů s koncentrátory a mají velkou přednost - možnost sledování dráhy Slunce. Je u nich použit jeden či více akčních členů, které natáčejí moduly či koncentrátory. Sledování dráhy Slunce se pak děje buď jednoosým (vertikálním), nebo dvouosým (vertikálně-horizontálním) natáčením modulů. Ke správné funkci jsou nutná čidla optimální polohy a řídící mechanizmus akčních členů (většinou elektromotorů). Náročné
bývá mechanické zajištění pohyblivých os či kloubů. Tyto konstrukce jsou proto mnohem nákladnější než statické a jejich použití je tím omezeno. Velikou předností a smyslem těchto pohyblivých konstrukcí je, že jimi lze získat až o 30% energie více než s pevnými konstrukcemi. Systém se sledovačem otáčení kolem jedné osy Systém se sledovačem dvouosé natáčení fotovoltaického pole Při navrhování rozmístění konstrukcí se musí dbát i na další důležité faktory. Z věcných faktorů nás jistě napadnou dostatečné rozestupy mezi panely. Pokud by panely byly moc blízko, docházelo by k jejich vzájemnému stínění a tím pádem k nežádoucímu poklesu výkonu.
Rozestup mezi konstrukcemi Dále je nutné situovat fotovoltaické systémy tak, aby nedocházelo k jejich stínění okolními budovami, komíny, stromy atd. A v neposlední řadě je nutno dbát na ochranu krajinného rázu, což má přímý vliv na maximální výšku konstrukce. Střídače (inventory) Střídače jsou elektronické přístroje převádějící stejnosměrné napětí na střídavé pomocí řízených polovodivých prvků. Toto střídavé napětí může být následně transformováno na požadovanou výstupní hodnotu pomocí transformátorů. Střídač
Podle konstrukčního provedení existuje celá řada různých typů střídačů. Střídače se také rozlišují podle systému, do kterého se zapojují. Z tohoto hlediska se jedná o tyto dva druhy střídačů: Izolované střídače pracují v autonomní síti oddělené od veřejné rozvodné sítě. Tyto střídače mají omezené možnosti nastavení výstupních veličin, jako je frekvence či velikost napětí a před vstupem mají zapojený akumulátor energie. Průběh výstupního střídavého napětí se často může značně lišit od sinusového průběhu. V izolované síti by měl být jen jeden takový střídač, aby nedocházelo k poškození přístrojů v důsledku rozdílných průběhů proudu a napětí. Střídače pro paralelní provoz se sítí pracují v systémech napojených na distribuční rozvodnou síť nebo v domácích (oddělených) sítích s více střídači. Jejich výstupní napětí odpovídá napětí sítě a je synchronní se síťovým kmitočtem. Vyrábí se v provedení jednofázovém i třífázovém. Základní schéma jednofázového střídače Základní schéma trojfázového střídače
Z bezpečnostních důvodů musí tyto střídače neustále sledovat napětí v síti a při jeho výpadku musí ihned ukončit napájení sítě. V systémech přímo napojených na distribuční síť se zpravidla nepoužívají další akumulátory energie a veškerý solární proud se mění přímo na střídavý. Pro volbu vhodného střídače je rozhodující především jmenovitý výkon připojených fotovoltaických modulů a velikost výstupního napětí těchto modulů. Každý střídač je charakterizován svými základními vlastnostmi: Výkon střídače udává maximální přenášený výkon, tj. výkon, který je schopen transformovat ze vstupní stejnosměrné strany na výstupní bez jeho výrazného omezení. Izolované střídače mají maximální výkon v rozsahu 100 W až 2 kw, střídače spojené s distribuční sítí mají maximální výkon od 100 W do 5 kw. Vstupní napětí je u střídačů v izolovaných sítích dáno velikostí napětí použitého akumulátoru, jedná se zejména o hodnoty 12 V, 24 V a 48 V. U střídačů spojených se sítí jde o napětí až několik set voltů, aby se snížily ztráty způsobené sériovým odporem vedení. Výstupní napětí je u izolovaných střídačů dáno požadovaným napětím spotřebičů a u střídačů spojených se sítí je definováno síťovým napětím. Účinnost střídačů (tj. poměr výstupního výkonu ku vstupnímu) se dnes pohybuje okolo 90-98 % a závisí na tom, ve které části pracovního rozsahu měnič pracuje. Závislost účinnosti na výstupním výkonu dobře znázorňuje následující graf. Dobrá účinnost i při malém vytížení má velký význam, neboť solární systémy vlivem proměnlivosti výkonu dopadajícího záření většinu provozní doby pracují v oblasti malého či středního vytížení. Proto se u střídačů v Evropě zjišťuje takzvaná evropská účinnost, která se z účinností při 5 %, 10 %, 20 %, 30 %, 50 % a 100 % jmenovitého výkonu vypočítává jako vážený průměr odpovídající poměrům slunečního ozáření ve střední Evropě. Tato účinnost pak udává střední účinnost v ročním průměru, kterou střídač dosahuje ve středoevropských fotovoltaických instalacích.
Koncepce střídačů Modulový střídač je střídač malého výkonu (do 300 W), který se instaluje přímo na solární modul systému. Všechny moduly tedy mají své střídače, jejichž výstupy jsou paralelně spojeny a jsou připojeny k síti. Výhodou je snížení nákladů na stejnosměrné propojení, které má minimální délku. Tento systém je možné snadno rozšiřovat o další moduly a lze tak dosáhnout značných výkonů. Kromě toho, pokud je některý z modulů částečně zastíněn, nedochází k výraznému zvýšení ztrát celého fotovoltaického pole. Centrální střídač převádí celý výkon všech modulů (do 5 kw), které se sériově a paralelně propojí. Výhodou tohoto systému je vyšší pracovní napětí, které je příznivé pro zmenšení ztrát ve vedení a lepší účinnost střídače. Toto řešení však nelze rozšiřovat o další připojené moduly, aniž by se zvětšil nominální výkon střídače, což prakticky znamená jeho výměnu za výkonnější typ. Případné zastínění některého z modulů má za následek výrazné zvýšení ztrát (zastíněný modul nevyrábí energii a stává se spotřebičem), a tedy snížení účinnosti systému. Řetězcový střídač se užívá u kombinací předchozích zapojení, kdy několik modulů je zapojeno sériově a výkon tohoto řetězce (do 2 kw) zpracovává jeden měnič. Těchto řetězců může být v systému několik a lze jej tak rozšiřovat snadněji než v případě jednoho centrálního střídače. Často se používá zapojení, kdy tři různé řetězce dodávají výkon do tří fází síťového rozvodu. Další možnost dělení střídačů je podle jejich umístění. Zde rozlišujeme venkovní střídače a vnitřní střídače. Venkovní střídače jsou umístěny přímo na nosné konstrukci. Z toho vyplývá, že musejí být chráněny před povětrnostními vlivy, jako jsou přímé slunce, déšť atd. Venkovní střídač Vnitřní střídače bývají umístěny ve vhodné místnosti. Vhodností místnosti se rozumí to, že musí být zajištěna správná teplota a dostatečná ventilace.
Vnitřní střídače Elektrické vodiče Kabely pro stejnosměrný elektrický proud mají jednu či více žil skládajících se z vodičů (obvykle měděných) obklopených umělohmotnou nebo pryžovou izolací. Tyto žíly jsou pak společně obaleny pláštěm, který zamezuje jejich poškození vlivem mechanického namáhání a koroze. Je nezbytné používat kabely s dostatečným průřezem vodiče, neboť sériový odpor vedení má negativní vliv na dodávaný výkon. Tyto vodiče jsou buď drátového, nebo lankového typu, drátové vodiče se používají u pevných instalací, lankové vodiče se používají v místech vhodných pro jejich vysokou ohebnost (např. propojení FV modulů). Izolace vodičů má veliký bezpečnostní význam, nejen že zabraňuje osobám a předmětům v kontaktu s vodičem pod napětím, ale zamezuje i zkratům ve vedení, které mohou způsobit vznik elektrického oblouku a následně i požár. Izolace, popřípadě ochranný plášť kabelů pro vnější část instalace, musí být odolná vůči klimatickým vlivům, zvláště pak proti UV záření. Připojování kabelů se provádí buď pomocí zásuvných konektorů nalisovaných na konce vodivých lanek pomocí speciálních kleští, nebo pomocí šroubových ok, která jsou také nalisována. Pájení těchto konektorů či ok je nepřípustné, neboť pájka by se mohla roztavit a způsobit špatný kontakt. Mechanické upevnění kabelů je nejjednodušší pomocí spon a příchytek, nákladnější, ale mechanicky odolnější řešení je umístění do instalačních trubek a kabelových kanálů. Účinnost fotovoltaických článků Velmi důležitým ukazatelem při využití fotovoltaických článků je jejich účinnost. Dají se vyhledat zajímavé informace o vývoji jejich účinnosti. Hranice 40 % byla pokořena za použití třívrstvých článků, kde každá vrstva je citlivá na jiné spektrum světelného záření. Výsledek je skvělý, ovšem je třeba podotknout, že se zatím
jedná o laboratorní podmínky. Předpokladem pro masové nasazení fotovoltaiky je kromě účinnosti i dlouhodobá životnost a cena. A právě cena křemíkových článků a zatím omezená výrobní kapacita je i důvodem k většímu rozšíření tenkovrstvých článků. Kromě toho se laboratoře na celém světě snaží najít alternativní materiály používající jiné typy fotosenzitivních vrstev. Velmi názornou představu o využití maximální účinnosti v závislosti na orientaci panelu nám poskytne následující obrázek. Sluneční elektrárny s koncentrací přímého záření zrcadly Připomeňme si v principu, jak probíhá výroba elektrické energie v elektrárnách. Pára pohání turbínu s generátorem a elektrická energie vzniká díky elektromagnetické indukci. Tento jev je nám znám již ze základní školy. A čím se liší jednotlivé elektrárny? Například tepelná, jaderná a tato naše sluneční? Pouze v tom, z čeho bereme teplo na přeměnu vody v potřebnou páru - je-li to spalováním uhlí, nebo získáváme energii uvolněnou při jaderném štěpení v reaktoru a nebo zda využijeme energii dopadajícího slunečního záření. Jak tato elektrárna funguje? Místo kotle je instalován solární okruh s počítačově řízenými parabolickými zrcadly odrážejícími sluneční paprsky na absorpční trubice. Těmi protéká teplonosné médium (speciální syntetický olej). Za optimálních podmínek může teplota oleje dosáhnout až 400 C. Olej je čerpán do parogenerátoru, kde předává tepelnou energii vodě cirkulující v sekundárním okruhu elektrárny. Vzniklá pára pohání turbínu s generátorem a následně kondenzuje v kondenzátoru, který je chlazen samostatným vodním okruhem s chladicími věžemi. Je jasné, že elektrárna potřebuje značné množství energie na přeměnu vody na páru. Jak získat takové množství energie ze Slunce? Můžeme se setkat s několika technologiemi. Jednou z nich je tzv. solární věž. Elektrárny tohoto typu jsou složené z velkého množství zrcadel (heliostatů), která koncentrují sluneční světlo do jednoho místa, zpravidla na vrchol vysoké věže. Směr natočení a sklon zrcadel je počítačově řízen a sleduje denní pohyb Slunce po obloze. Na vrcholu věže se ohřívá vhodné pracovní médium (olej, mletá sůl) na teplotu 500 oc až 1 500 oc (sluneční energie se tak přeměňuje na teplo). Ohřáté médium se pak
odvádí do energetické jednotky, kde se ohřívá voda a vznikající pára pohání parogenerátor. Ochlazené pracovní médium se následně odvádí zpět do solární věže k dalšímu ohřevu. Ohřáté pracovní médium se ze solární věže může rovněž odvádět do speciálních izolačních tanků, kde se uchovává pro pozdější použití během noci či při oblačnosti. Další možností je použití tzv. solárních žlabů. Jde o vyleštěné žlaby parabolického tvaru, v jejichž ohnisku jsou vedeny trubice, v nichž proudí pracovní látka (voda, olej). Jak známo z optiky, paprsky dopadající na tento typ zrcadla se odrážejí do ohniska, kde právě probíhají trubice, a tudíž se v nich koncentruje dopadající energie záření, tedy pracovní látka se zahřívá. Naprostá většina solárních elektráren pracuje právě na tomto principu. Třetí variantou jsou tzv. solární talíře. Používají se většinou parabolická zrcadla. Dopadající sluneční záření se láme do ohniska, kde se koncentruje energie a ohřívá pracovní médium. Názorná ukázka chodu solární elektrárny je v následující animaci. Projdeme-li si text z tohoto studijního článku, jistě si pomocí animace uděláme o chodu elektrárny dobrou představu. Sluneční elektrárny s akumulací energie do slané vody Solární jezero pohlcuje (akumuluje) sluneční záření ve hmotě své slané vody, a proto jej lze považovat za jistý druh horizontálního plošného kolektoru. Takové kolektory využívají přímé i difúzní záření. Většina solárních jezer je tvořena vodou, jejíž koncentrace soli je proměnná. Hloubka jezera dosahuje obyčejně několika metrů. Koncentrace soli ve vodě se zvyšuje s rostoucí hloubkou. Existence tohoto gradientu (= spádu) hustoty soli potlačuje přirozené vnitřní proudění vody, které se vyskytuje u běžných jezer s konstantní hustotou vody ve všech jejich vrstvách. To způsobuje, že voda o vyšší teplotě zůstává u dna jezera, zatímco teplota vody na jeho povrchu zůstává nízká. Teplotní rozdíl mezi hladinou a dnem jezera může dosáhnout až 90 C, což je dostatečné pro chod nízkoteplotního tepelného čerpadla a generátoru. Princip solárního jezera
Solární jezero je nejen zdrojem tepla, ale plní i funkci zásobníku tepla, které může být čerpáno kdykoliv ve dne i v noci. Izolační schopnost vodní vrstvy hloubky 1 m je srovnatelná s hodnotou izolační pěny tloušťky 6 cm. Solární jezera dokáží účinně udržovat akumulované teplo po dlouhou dobu. V solárním jezeře lze rozlišit tři hlavní vrstvy 1. Vodivá homogenní zóna na povrchu jezera, která absorbuje sluneční záření, ale nezadržuje teplo. 2. Nevodivá gradientní zóna, která částečně propouští i absorbuje sluneční záření, přičemž se chová jako tepelná izolace. 3. Vodivá zóna na dně jezera, která roste v průběhu střídání dnů a nocí dle množství absorbované sluneční energie. Vrchní vrstva převádí teplo shora prouděním, s rostoucí hloubkou se však přenos tepla zpomaluje. Z tohoto důvodu je třeba tloušťku této vrstvy minimalizovat a snížit ztráty. Teplotní gradient druhé vrstvy je dán částečně absorpčním profilem slunečního záření v závislosti na hloubce a částečně na izolačním efektu. Pomocí jednoduchých analýz lze určit optimální hloubku, ze které se odčerpává teplo přeměnou ze slunečního záření. Avšak teprve po 2 letech od zahájení provozu lze dosáhnout odběru tepla ve výši 90 % stabilního nominálního výstupního výkonu. Parametry jezera mohou být za určitých podmínek nestabilní. Dynamické nestabilitě je třeba předcházet, aby koncentrace soli a teplotní gradient všude s hloubkou rostl. Při splnění těchto podmínek k nestabilitám dochází jen zřídka. V letech 1960 až 1980 byla vybudována řada solárních jezer, která pro tepelnou přeměnu využívala nízkoteplotního organického Rankinova cyklu. Největší z nich je právě elektrárna v izraelské Beit Ha Arava a dosahuje elektrického výkonu 5 MW. Šroubová expanzní turbína, která byla pro tento projekt vyvinuta, prokazovala velkou spolehlivost. Celoroční přeměna sluneční energie na elektrickou byla na tomto jezeře 0,88. Menší solární jezera byla vybudována v El Paso v Texasu a v Alice Springs v Austrálii. Jednotka v El Paso se stále komerčně využívá. Tato technologie je však pro výrobu elektrické energie ve velkém měřítku stále nákladná. Provoz vyžaduje obrovskou spotřebu vody, která je nutná ke kompenzaci vypařování. Tento problém by byl odstraněn využitím technologie pro odsolení vody z oceánu. V mnoha lokalitách, kde se nachází solární jezera, se musí řešit řada problémů, které snižují jejich účinnost. Jedná se především o udržování koncentrace soli, odpad, dopady na životní prostředí a zabezpečení potřebné hustoty vody. Dochází-li z důvodu odstraňování nečistot nebo mikroorganizmů k pohybům vody, snižuje se tím i účinnost. Teplotní gradient jezera může být narušen také větrem. Mezi nejvýznamnější nákladové položky této technologie patří zejména náklady na vybudování jezera a jeho údržbu. V regionech s levnou pracovní silou se pak jedná o náklady na vlastní technologii. Náklady na výrobu tepla se ukazují jako relativně nízké, ale náklady na
výrobu elektrické energie jsou naopak relativně vysoké. Závěrem lze říci, že tato technologie sice má své přirozené výhody, ale solární jezera dosud nepředstavují perspektivní zdroj elektrické energie vyráběné ve velkém měřítku. Solární elektrárna se vzduchovými turbinami V roce 1982 byla v Manzanares, asi 150 km jižně od Madridu, vybudována zvláštní sluneční elektrárna. Projekt i jeho financování zajistila německá vláda. Na ploše 46 000 m 2 vznikl nízký zasklený sběrač energie založený na skleníkovém jevu. Uprostřed sběrače stál 195 metrů vysoký komín o průměru 10 m. Sluncem zahřátý vzduch stoupal komínem vzhůru a cestou roztáčel vrtule větrných turbín v patě komínu. Aby elektrárna pracovala i v noci, částí slunečního záření se během dne ohřívaly nádrže se slanou vodou. V noci chladnoucí nádrže udržovaly v komíně tah vzduchu. Výkon této pokusné elektrárny byl pouhých 50 kw. Projekt byl ukončen v r. 1989, kdy byl komín poškozen při bouři. V současné době se staví v Austrálii komínová elektrárna, která má po dokončení zásobovat elektřinou 200 000 domácností. Ideálním místem pro funkci plánovaného zařízení je oblast s vysokým vertikálním teplotním spádem. Pro světovou premiéru solární věže (Solar Power Tower) byla právě z tohoto důvodu vybrána horká pouštní oblast v Novém Jižním Walesu. Má opravdu úctyhodné parametry výška komínu 1000 metrů průměr komínu 150 metrů průměr sběrače - kolektoru 5000 metrů výkon elektrárny 200 MW Princip solární komínové elektrárny
Celkový pohled na elektrárnu Projekt obří elektrárny v Austrálii