Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy Přímé technické využití solární energie Bakalářská práce Vedoucí bakalářské práce: Ing. Martin Fajman, Ph.D. Vypracoval: Pavel Cejpek Brno 2008 1
2
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Přímé technické využití solární energie vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně. dne. podpis studenta.... 3
Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval svému vedoucímu bakalářské práce panu Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D., za cenné rady a všestrannou pomoc při zpracování této práce. 4
Abstrakt: V bakalářské práci je stručně a přehledně popsán vliv Slunce na naší planetu, historie solární energie, principy práce solárních systému a přírodní podmínky České republiky. Největší důraz byl kladen na uplatnění solárních systémů v praxi a na legislativní podmínky jejich nasazení. Solární energetika má před sebou velkou budoucnost s potenciálem stát se jedním z hlavních energetických zdrojů naší v planety ve velmi blízké budoucnosti. Klíčová slova: solární energie, Slunce, fotovoltaické články, kolektor Abstract: In my final bachelor thesis, I have studied the solar energy principles. I have focused on the influence the Sun has on our planet and I have studied the history of the solar energy and solar systems principles. I have also worked on the natural solar energy conditions the Czech Republic. In particular, I have focused on the practical use of the solar systems and the legal conditions for their installation. Solar energy is likely to become one of the main energy sources in our near future. Key words: the Sun, solar energy,, photovoltaic cells, collector 5
Obsah 1 ÚVOD... 8 2 CÍL PRÁCE... 9 3 LITERÁRNÍ PŘEHLED... 10 3.1 Slunce jako zdroj energie... 10 3.1.1 Sluneční záření na Zemi... 11 3.1.2 Vliv atmosféry na sluneční záření... 12 3.1.2.1 Měření dopadajícího slunečního záření... 13 3.1.2.2 Denní a roční chod Slunce po obloze a množství energie, které lze získat... 14 3.2 Historie solární energie... 14 3.2.1 Historie fotovoltaiky... 14 3.3 Princip práce solárních systému... 16 3.3.1 Stručný generační vývoj fotovoltaických článků... 16 3.3.2 Složení a princip práce fotovoltaických systémů... 17 3.3.3 Typy fotovoltaických článků... 18 3.3.3.1 Panely s monokrystalickými články... 19 3.3.3.2 Solární panely s polykrystalickými články... 19 3.3.3.3 Solární panely s amorfními články... 19 3.3.4 Množství získané energie z fotovoltaických článků... 19 3.3.5 Princip práce solárně - termických systémů... 20 3.3.5.1 Kapalinové solární kolektory... 20 3.3.5.2 Vakuové solární kolektory... 21 3.3.6 Rozdělení solárních kolektorů... 21 3.3.6.1 Ploché kapalinové kolektory... 21 3.3.6.2 Trubicové kolektory... 21 3.3.6.3 Vakuové trubicové kolektory... 21 3.3.6.4 Ploché vakuové kolektory... 22 3.3.6.6 Akumulační zásobníky... 22 3.4 Uplatnění solárních systém v praxi... 22 3.4.1 Dělení termických slunečních kolektorů... 22 3.4.1.1 Bazénové sluneční kolektory... 22 3.4.1.2 Ploché solární kolektory... 24 3.4.1.3 Vakuové solární kolektory... 24 3.4.2 Solární klimatizace... 25 3.4.2.1 Princip chodu solární klimatizace... 26 3.4.3 Solární elektrárny... 27 3.4.3.4 Sluneční elektrárny v ČR... 28 3.4.3.6 Sluneční tepelné elektrárny... 29 3.4.3.7 Sluneční elektrárny a budoucnost... 29 3.4.3.8 Největší světové sluneční elektrárny... 30 3.4.4 Ohebné solární panely... 31 3.4.5 Solární móda... 32 3.5 Ekonomické a legislativní podmínky nasazení solárních systémů v systému ČR... 32 3.5.1 Vyhláška 475/2005 Sb. a její novelizace vyhláškou č. 364/2007 Sb... 33 3.5.2 Hlavní teze vyhlášky s vlivem na fotovoltaiku:... 33 3.5.3 Fotovoltaika technické a ekonomické parametry v příloze č. 3 vyhlášky ERÚ 364/07 Sb.. 34 3.5.4 Vyhláška č. 150/2007 Sb... 34 3.5.5 Cenové rozhodnutí ERÚ č. 7/2007... 34 3.5.6 Finanční nástroje podpory v ČR... 35 3.5.7.1 Princip výkupních cen... 36 3.5.7.2 Princip zelených bonusů... 36 3.5.8 Daňová úleva... 36 3.5.9 Dotační tituly v ČR... 37 6
3.5.9.1 Národní programy... 37 3.5.9.2 Operační programy... 38 3.5.10 Ekonomické hodnocení... 38 3.6 Přírodní podmínky České republiky pro využiti solární energie... 39 3.6.1 Využití sluneční energie... 39 3.7 Budoucnost solární energie... 40 4 Závěr... 42 5 SEZNAM LITERATURY... 43 6 SEZNAM OBRÁZKŮ... 45 7
1 ÚVOD Solární energie patří do skupiny tzv. obnovitelných zdrojů, což s trochou zjednodušení znamená, že bude stále k dispozici (alespoň z hlediska potřeb naší civilizace). Její využívání má minimální dopad na životní prostředí, neprodukuje škodlivé odpady a v podstatě nijak neovlivňuje tepelnou rovnováhu Země [1]. Solární energie absorbovaná Zemí a atmosférou pohání velké koloběhy a cykly tvořící počasí a mořské proudy, čímž dochází k přenášení - přerozdělování - energie po zemském povrchu. Solární energie zajišťuje proces vypařování vod a přenos vlhkosti do atmosféry, odkud může v podobě srážek - již jako čistá sladká voda - zalévat rostliny (veškerou floru) a doplňovat vodu v rybnících, jezerech, potocích, řekách, vodních nádržích mořích a oceánech, a být tak základním životodárnou podmínkou či zdrojem pro veškeré formy života. Solární energie je rostlinami zachycena a čerpána mechanizmem fotosyntézy, která představuje formu energetického zdroje pro růst - přímo i nepřímo - všech forem života na Zemi. Solární energie naakumulovaná ve dřevu a v dřevních plodinách byla - po zapálení bleskem - uvolněna stejně jako prostor pro obnovu volně žijících ekosystémů [2]. Ve své bakalářské práci pojednávám o Slunci jako o zdroji energie, uvádím stručnou historii využívání této energie, zaměřuji se na principy práce solárních systémů, zejména pak na jejich uplatnění v praxi, legislativní aspekty jejich nasazení a v neposlední řadě na přírodní podmínky panující v České republice a budoucnost využívání této energie. 8
2 CÍL PRÁCE V rámci bakalářské práce byly stanoveny následující cíle: a) přehledně zpracovat historii a vývoj solární energie prostřednictvím technických systémů a vysvětlit principy jejich práce b) sestavit přehled jejich uplatnění v praxi, zejména zhodnotit legislativní podmínky jejich nasazení a pokusit se zhotovit výhled této problematiky do budoucna 9
3 LITERÁRNÍ PŘEHLED 3.1 Slunce jako zdroj energie Primárním zdrojem energie ve Slunci je jaderná fúze, tj. spojovaní jader vodíku za vzniku helia (a posléze dalších těžších prvků). Ve Slunci se každou sekundu přemění 600 milionů tun vodíku na helium. Hmotnost vzniklého helia je o něco menší, než hmotnost do reakce vstupujícího vodíku. Rozdíl hmotnosti se podle známého Einsteinova vztahu E = m.c 2 dá přepočítat na energii. Ve Slunci tedy každou sekundu ubude 4,26 milionu tun hmoty, což představuje asi 3,8.10 26 J energie. Slunce je ve stabilním stadiu svého vývoje a setrvá tak dalších přibližně 5 miliard let. Jde tedy z hlediska délky lidského života i z hlediska délky lidské civilizace o zdroj opravdu udržitelný, i když nikoli věčný. Na konci této stabilní fáze se poloměr Slunce přibližně 1,4 x zvětší a jeho výkon se oproti dnešku téměř zdvojnásobí. Po vyčerpání zásob vodíku v centru se zapálí vodík v tenké vrstvičce obalující vyhořelé jádro, vnitřní část Slunce se smrští, vnější část expanduje a Slunce se stane červeným obrem, který pohltí většinu planet sluneční soustavy. V heliovém jádru začne probíhat fúze jader helia za vzniku uhlíku a kyslíku a řídký obal obklopující toto žhavé jádro bude odsunut tlakem záření do prostoru. Nakonec zůstane jen uhlíko-kyslíkové jádro o 60 % hmotnosti současného Slunce, obalené tenkou vodíkovou atmosférou. Tento žhavý zbytek hvězdy začne chladnout, postupně se stane bílým trpaslíkem a nakonec vychladne úplně a skončí jako černý trpaslík. Teplota slunečního povrchu je přibližně 5627 C. Ze Slunce je energie přenášena na Zemi ve formě elektromagnetického záření. Na hranici zemské atmosféry je hustota dopadající solární energie (solární konstanta) přibližně 1,4 kw/m 2. Celkem na povrch Země osvětlený Sluncem dopadá zářivý výkon 180 000 TW (1,8.10 17 W). Spotřeba energie celé naší civilizace je pouze asi 10 TW (energie z uhlí, nafty, zemního plynu, z jaderných elektráren, biomasy i energie obsažená v potravě). Nabídka solární energie je tedy více než dostatečná k tomu, aby mohla případně nahradit všechny ostatní zdroje. 10
Část dopadající energie je ovšem při průchodu atmosférou pohlcena či odražena, a na zemský povrch tedy dopadá (v závislosti na momentálním stavu atmosféry) již méně než 1 kw při slunečním svitu a jen desítky wattů při zatažené obloze. Po průchodu atmosférou je spektrum slunečního záření pozměněno a ochuzeno o některá pásma, protože dochází k absorpci a rozptylu na molekulách plynů tvořících atmosféru a na částech prachu nebo aerosolů v atmosféře přítomných. Veškeré sluneční záření přicházející na zemský povrch se nazývá globální záření a zahrnuje záření všech vlnových délek přicházející ze všech směrů. Při praktickém měření intenzity slunečního záření se rozlišuje záření přímé a záření difúzní (rozptýlené). Při zatažené obloze je přítomna jen difúzní složka záření. Většina sluneční energie, která dopadá na povrch atmosféry a proniká k zemskému povrchu, se vyzáří zpět do vesmíru jednak ve formě krátkovlnného záření (cca 30 %), jednak ve formě dlouhovlnného záření, tedy tepla (47 %). Podstatná část sluneční energie se přemění na teplo a uplatňuje v koloběhu vody (vypařování). Fotosyntéza a na ni navazující toky energie v potravních řetězcích jsou řádově nižší než přímá přeměna na teplo. Spektrální rozsah slunečního světla je 30 až 3000 nm, většina sluneční energie přichází v oblasti viditelného záření, energetické maximum je okolo 500 nm. Vlnové délky nižší než 300 nm připadají UV záření, které lidské oko neregistruje. Vlnové délky přibližně 400-780 nm odpovídají fotosynteticky aktivnímu světelnému zařízení, vlnové délky nad 800 nm se již počítají k infračervenému záření (tepelnému). UV záření o vlnových délkách nižších než cca 300 nm je silně pohlcováno v horních vrstvách atmosféry díky zde přítomnému ozonu. Je-li ozónová vrstva v atmosféře slabší, prochází na zemský povrch více UV záření s vlnovou délkou pod 300 nm. UV záření je sice velmi významné z hlediska zdravotního, avšak téměř zanedbatelné z hlediska energetického, protože jeho energie tvoří pouze několik procent celkové sumy sluneční energie [3]. 3.1.1 Sluneční záření na Zemi První věc, kterou potřebujeme znát, chceme-li využívat sluneční záření k výrobě elektřiny, je to, jaký je využitelný potenciál tohoto zdroje, tj. kolik energie můžeme získat z dané plochy za určitou dobu (den, měsíc rok), a na čem to záleží. 11
Pokud využíváme sluneční energii pro výrobu elektřiny na družicích pohybujících se na oběžné dráze kolem Země (historicky první praktické využití fotovoltaiky), je situace v zásadě jednoduchá a přehledná. Není-li Slunce zrovna zastíněno Zemí nebo jiným tělesem (což je zcela předvídatelné a netrvá to zase tak dlouho), dopadá na fotovoltaické panely stálý tok energie zhruba ve výši dané solární konstantou, tj. oněch 1,4 kw.m -2. V kosmickém prostoru také zpravidla nebývá problém nastavit panely tak, aby na ně dopadalo záření téměř kolmo. Pokud ovšem instalujeme fotovoltaické panely na Zemi, pak se problémů objeví hned celá řada. Sluneční záření je totiž výrazně ovlivňováno momentálním počasím, znečištěním atmosféry, měnící se polohou Slunce na obloze v průběhu dne a roku (výška nad obzorem a azimut) a v neposlední řadě i stíněním od jiných staveb nebo stromů. 3.1.2 Vliv atmosféry na sluneční záření První překážkou, která stojí slunečnímu záření v cestě, je zemská atmosféra. Na plynech, aerosolech a pevných částicích v atmosféře dochází k odrazu, rozptylu a pohlcení části záření. Jednak se částečně změní spektrum záření (zastoupení jednotlivých vlnových délek) a jednak se sníží i celková intenzita. Za jasného a slunečného letního dne tak v našich zeměpisných šířkách dopadá o něco méně než 1 kw.m -2 povrchu orientovaného kolmo na sluneční paprsky. Výsledný vliv atmosféry závisí na mnoha faktorech. Patří mezi ně: Výška slunce nad obzorem a s ní související tloušťka vrstvy vzduchu, skrz niž musejí sluneční paprsky projít. Používá se takzvaný "Air Mass" faktor, který zohledňuje efektivní množství vzduchu ležícího v cestě slunečním paprskům. Je-li slunce v nadhlavníku, je AM faktor roven jedné [An Atmosferic Solar Irradience Model (AirMassFactor)] [4]. Pokud například natáčíme fotovoltaické moduly za sluncem, tak je třeba počítat s tím, že jejich výkon bude večer nebo ráno (při malé výšce Slunce) znatelně menší. 12
Nadmořská výška místa opět souvisí s vrstvou vzduchu jako v předchozím bodě. Míra znečištění atmosféry je všeobecně známo, že nad městy a ve velkých průmyslových aglomeracích je zřetelně větší obsah aerosolu a tuhých částic, a díky tomu i menší intenzita slunečního záření. Oblačná pokrývka největší překážkou v atmosféře jsou pochopitelně mraky, které značnou část dopadajícího záření odrazí a zbytek rozptýlí tak, že nedopadá ze směru Slunce, ale přichází více méně rovnoměrně, ze všech směrů (difúzní záření) [3]. 3.1.2.1 Měření dopadajícího slunečního záření Údaje o intenzitě přímé a difúzní složky slunečního záření a o celkovém množství energie, která dopadla na vodorovnou nebo skleněnou plochu v daném místě a čase, lze získat měřením. Meteorologické stanice nejčastěji měří jen celkové záření (součet přímého a difúzního záření). Zpravidla se k tomu používá přístroj zvaný pyranometr. Měření je založeno na tom, že se porovnává teplota černého a bílého povrchu pod skleněným krytem a rozdíl teplot měřený souborem termočlánků je úměrný intenzitě dopadajícího slunečního záření. Kvalitní a cejchované pyranometry s klasickým termočlánkovým čidlem jsou poměrně drahé, a proto se v poslední době pro měření slunečního záření pro technické účely používají pyranometry s čidlem na bázi křemíkového fotovoltaického článku - jako je například pyranometr SP Lite, který stojí necelých 10 tis. Kč (na rozdí1 od přesného pyranometru pro výzkumné účely za 150 tis. Kč) [5]. Tady už není odezva přístroje úplně nezávislá na vlnové délce a stejná pro celé spektrum slunečního záření jako u pyranometru s termočlánky. Pro naše účely, tj. měření intenzity záření dopadajícího na fotovoltaické články, jsou však tyto přístroje zcela dostačující. Pokud chceme rozlišit a změřit i záření přímé, pak je zapotřebí přístroje, který zachycuje záření jen z bezprostředního okolí slunečního kotouče. K tomuto účelu se 13
používá přístroj nazývaný pyrheliometr. Princip je stejný jako u pyranometru, ale čidlo je umístěno v trubici, která vymezí rozsah úhlů, z nichž může sluneční záření dopadat. 3.1.2.2 Denní a roční chod Slunce po obloze a množství energie, které lze získat To, jaká je intenzita slunečního záření v daném čase na daném místě, a tedy i to, jaký je okamžitý výkon fotovoltaického systému, pochopitelně souvisí nejen se stavem atmosféry, ale i s pohybem Slunce po obloze. Nebo-li závisí to na denní a roční době a na orientaci a sklonu fotovoltaických modulů. Denní a roční pohyb Slunce po obloze je (na rozdíl od počasí) snadno vypočitatelný. V dnešní době je možné využít pro výpočty různé kalkulátory a programy, které jsou dostupné prostřednictvím webu. Pro určení pozice Slunce na obloze (výška nad obzorem a azimut) stačí například jednoduchý kalkulátor pro určení pozice Slunce na obloze [6]. 3.2 Historie solární energie 3.2.1 Historie fotovoltaiky fotovolotaika je přeměna světla na elektrickou energii. Prapůvod slova pochází ze dvou řeckých slov foto - světlo a volt - jednotka elektrického napětí. historie sahá až do roku 1839, kdy za objevem stál francouzský fyzik Alexandre Edmond Becquerel [7] první skutečný fotovoltaický článek (jen v tuhé fázi, bez elektrolytu) s použitím selenu vytvořili Adams a Day v roce 1877 další významný krok učinil roku 1883 Fritts. Jeho první články už měly plochu 30 cm 2, účinnost kolem 1 % a bylo možné je vyrábět hromadně. Grondahl použil pro fotovoltaické články oxid měďný vytvořený v tenké vrstvě na měděném plechu. Proud se odváděl spirálou z olověného drátu nebo později kovovou mřížkou vytvořenou napařením. Celé uspořádání se již podobalo dnešním fotovoltaickým článkům. Tato technologie měla výhodu v levném a dostupném materiálu, účinnost však byla stále příliš nízká. 14
významným krokem na cestě k moderním fotovoltaickým článkům byla příprava monokrystalů křemíku, kterou vyvinul Jan Czochralski. křemíkový fotovoltaický článek patentoval Russell S. Ohl v roce 1946 v USA. fotovoltaické články z křemíku dopovaného jiným prvkem (tedy články s p-n přechodem) a s účinností kolem 6 % vyrobili v Bellových laboratořích v roce 1954. Tato účinnost již byla rozumně velká pro praktické využití, cena byla ale příliš vysoká. významným impulsem pro rozvoj tohoto odvětví bylo využití fotovoltaických článků jako zdroje energie na umělých družicích po roce 1957; zde cena nehrála roli, protože fotovoltaické články byly v podstatě jedinou praktickou cestou, jak zajistit napájení třeba telekomunikačních družic. na Zemi se uplatnily solární fotovoltaické články až 70. letech, kdy jejich cena klesla. Stejně však bylo jejich použití omezeno na napájení navigačních světel nebo různých zabezpečovacích zařízení v místech bez elektrické sítě. větší pozemské využití fotovoltaických článků nastalo až po ropné krizi v 70. letech, kdy se hledaly cesty, jak se zbavit závislosti na ropě, a vlády dávaly finančních prostředků do výzkumu nových technologií pro výrobu energie. Světový trh s fotovoltaikou vzrostl mezi lety 2004 a 2005 o 42 %, největší podíl (dohromady 85 %) na tom mělo Německo a Japonsko. Výrazně převažují zařízení připojená do sítě (v roce 2005 tvořila 95 %). V roce 2005 bylo prodáno 11 tisíc tun křemíku pro výrobu fotovoltaických článků. V roce 2005 byl celkový nominální výkon prodaných fotovoltaických článků 1500 MW. 94 % všech fotovoltaických článků je z monokrystalického nebo polykrystalického křemíku. Historie fotovoltaiky je poměrně dlouhá. Většina významných věcí se udála v posledních deseti letech a na opravdu historicky významné události se v této oblasti ještě čeká [3]. 15
3.3 Princip práce solárních systému 3.3.1 Stručný generační vývoj fotovoltaických článků První generace První generací se nazývají fotovoltaické články využívající jako základ křemíkové desky. Jsou dnes nejrozšířenější technologií na trhu (cca 90 %) a dosahují poměrně vysoké účinnosti přeměny (v sériové výrobě 16 až 19 %, speciální struktury až 24 %). Komerčně se začaly prodávat v sedmdesátých letech minulého století. Přestože je jejich výroba relativně drahá (a to zejména z důvodu drahého vstupního materiálu krystalického křemíku), budou ještě v několika dalších letech na trhu dominovat. Druhá generace Impulsem pro rozvoj článků druhé generace byla především snaha o snížení výrobních nákladů úsporou drahého základního materiálu křemíku. Články druhé generace se vyznačují 100 x až 1000 x tenčí aktivní absorbující polovodičovou vrstvou (thin-film) a jejími představiteli jsou např. články z amorfního a mikrokrystalického křemíku (případně silicon-germania, či silicon-karbidu, ale také tzv. směsné polovodiče z materiálů jako Cu, In, Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo v porovnání s články první generace k poklesu výrobních nákladů (a tedy za předpokladu velkosériové výroby i k poklesu ceny), nicméně dosahovaná účinnost je obvykle nižší (v sériové výrobě obecně pod 10%). Nespornou výhodou tenkovrstvých článků je možnost volby substrátu, na nějž se tenkovrstvé struktury deponují, a v případě použití flexibilních materiálů (organické, kovové či textilní folie) i značně širší aplikační sféra. Komerčně se začaly články druhé generace prodávat v polovině osmdesátých let. Třetí generace Pokus o fotovoltaickou revoluci představují solární články třetí generace. Zde je hlavním cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonů a následně generovaných párů elektron - díra ( proudový zisk), ale i maximalizace využití energie 16
dopadajících fotonů ( napěťový zisk fotovoltaických článků). Existuje řada směrů, kterým je ve výzkumu věnována pozornost: vícevrstvé solárních články (z tenkých vrstev) články s vícenásobnými pásy články, které by využívaly 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 využívají kvantových jevů v kvantových tečkách nebo kvantových jamách prostorově strukturované články vznikající samoorganizací při růstu aktivní vrstvy organické články (např. na bázi objemových heteropřechodů) 3.3.2 Složení a princip práce fotovoltaických systémů Zatím jediným komerčním příkladem dobře fungujících článků třetí generace (přímo navazující na FV druhé generace) jsou vícevrstvé struktury (dvojvrstvé tzv. tandemy a trojvrstvé články), z nichž každá sub-struktura (p-n) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak energetická využitelnost fotonů. Příkladem tandemového solárního článku je struktura skládající se z p-n přechodu amorfního (hydrogenovaného) křemíku (a-si:h) a p-n přechodu mikrokrystalického (hydrogenovaného) křemíku (µc- Si:H). Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré, zelené a žluté části spektra, mikrokrystalický křemík pak dobře absorbuje i v oblasti červené a infračervené. Mikrokrystalický křemík může být nahrazen i slitinou křemíku s germaniem a dle zvoleného poměru obou materiálů se dají upravovat jejich optické (i elektrické) vlastnosti. Tohoto materiálů se např. využívá komerčně právě pro trojvrstvé solární články, kde dva spodní články jsou vyrobeny s různou koncentrací Si a Ge. Základní podmínkou pro dobrou funkcí vícevrstvých článků je, aby každý z článků generoval stejný proud. V opačném případě, horší (příp. nejhorší) z článků limituje dosažitelnou účinnost. Výsledné napětí je pak dané součtem obou (příp. všech) článků. 17
Fotovoltaika využívá přímé přeměny světelné energie na elektrickou energii v polovodičovém prvku označovaném jako fotovoltaický nebo také solární článek. Solární článek je velkoplošná dioda alespoň s jedním p-n přechodem. V ozářeném solárním článku jsou generovány elektricky nabité částice (páry elektron díra). Elektrony a díry jsou separovány vnitřním elektrickým polem p-n přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi předním (-) a zadním (+) kontaktem solárního článku. Vnějším obvodem zapojeným mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, jež je přímo úměrný ploše solárního článku a intenzitě dopadajícího slunečního záření. Obr. 1 reakce v ozářeném solárním článku [8] Napětí jednoho článku s hodnotou přibližně 0,5 V je příliš nízké pro další běžné využití. Sériovým propojením více článků získáme napětí, které je již použitelné v různých typech fotovoltaických systémů. Standardně jsou používány sestavy pro jmenovité provozní napětí 12 nebo 24 V. Takto vytvořené sestavy článků v sériovém nebo i sériovo-paralelním řazení jsou hermeticky uzavřeny ve struktuře krycích materiálů výsledného solárního panelu [8]. 3.3.3 Typy fotovoltaických článků Dle typu solárních článků lze fotovoltaické sluneční panely a kolektory rozdělit na: monokrystalické skládají se z jediného krystalu polykrystalické z mnoha různě orientovaných krystalů amorfní základem amorfní křemíková vrstva 18
3.3.3.1 Panely s monokrystalickými články Solární panely s monokrystalickými články jsou v naších podmínkách používané nejvíce. Krystaly křemíku jsou větší než 10 cm a vyrábí se na bázi chemického procesu - tažením roztaveného křemíku ve formě tyčí o průměru až 300 mm. Ty se poté rozřežou na tenké plátky, tzv. podložky. Účinnost těchto článků se pohybuje v rozmezí 13 až 17%. 3.3.3.2 Solární panely s polykrystalickými články Základem je, stejně jako u monokrystalických panelů, křemíková podložka, s tím rozdílem, že solární články se skládají z většího počtu menších polykrystalů. Účinnost polykrystalických článků se pohybuje od 12 do 14 % (výjimečně až 16 %). Jejich výroba je ale v porovnání s monokrystalickými panely mnohem jednodušší, tedy i levnější a rychlejší. 3.3.3.3 Solární panely s amorfními články Základem amorfních slunečních panelů je napařovaná křemíková vrstva, ta je v tenké vrstvě nanesena na sklo nebo fólii. Účinnost těchto článku je poněkud nižší, pohybuje se v rozmezí 7 až 9 %. Pro dosažení daného výkonu je potřeba 2,5 x větší plochy, než kolik by bylo potřeba při použití mono- nebo polykrystalických modulů. Celoroční výnos je ovšem o 10 % vyšší. Tyto typy článků patří k dnes na trhu nejlevnějším a výhodné jsou především tam, kde investor není omezen prostorem [9]. 3.3.4 Množství získané energie z fotovoltaických článků Množství získané energie z fotovoltaických článků je závislé na momentálních klimatických podmínkách. (graf 1). 19
Obr.2 množství získané energie z 1 m 2 fotovoltaiky (cca 106 Wp) [10] 3.3.5 Princip práce solárně - termických systémů Sluneční kolektor je zařízení sloužící k pasivnímu zachytávání slunečního záření a jeho přeměně v tepelnou energii, kterou kolektor předává teplonosné látce. Teplonosná látka (nemrznoucí směs) koluje v okruhu mezi kolektory a výměníkem v akumulační nádrži, například v bojleru. Klasický kolektor se skládá z tepelně zaizolované lisované vany, ve které je umístěn měděný trubkový meandr spojený prolisováním nebo pájením s absorbérem (absorbční plochou), na které je tmavá, antireflexivní a vysoce selektivní vrstva. Nad absorbérem je pomocí rámu umístěno ochranné kalené solární sklo, které má dobré světelně propustné vlastnosti [11]. 3.3.5.1 Kapalinové solární kolektory Solární kolektory zachycují absorbérem krytým skleněnou plochou či trubicí sluneční záření a přeměňují je na tepelnou energii. Tato energie odváděna teplonosnou kapalinou (voda, ekologicky nezávadné nemrznoucí kapaliny např. sloučeniny glykolu, solaren, atd.). Teplonosná kapalina odvádí teplo do výměníku, kde je předáváno k ohřevu vody (TUV) nebo topné vodě. 20
Kolektory, které jsou vybavené selektivní absorpční vrstvou mají vyšší účinnost, protože dokáží zachytit i difúzní záření tj. záření rozptýlené, které vzniklo odrazem slunečního záření na překážkách v atmosféře (oblaka, nečistoty, atd.). 3.3.5.2 Vakuové solární kolektory Solární kolektory zachycují vakuovanou skleněnou plochou či trubicí sluneční záření a přeměňují je na tepelnou energii, která odpařuje teplonosnou kapalinu. Teplonosná kapalina přechází jako pára do kondenzátoru, kde výměníku předá teplo topné vodě, TUV, ochladí se a zkapalní (zkondenzuje) a vrací se zpět do kolektoru. Vakuum dobře snižuje ztráty, a tím zvyšuje účinnost zařízení zejména v zimních měsících. 3.3.6 Rozdělení solárních kolektorů 3.3.6.1 Ploché kapalinové kolektory Zachycují sluneční (energii) záření dopadající na plochu kolektoru. V absorbéru je sluneční energie předávána teplonosné kapalině k přípravě teplé vody nebo topné vodě. 3.3.6.2 Trubicové kolektory Zachycují sluneční (energii) záření v trubicích vrstvou s absorbérem, který předává sluneční energii teplonosné kapalině. Výkonnost dvou systémů (plochého a trubkového) je téměř stejná po celý rok, trubkový kolektor ztrácí méně tepla vyzařováním. 3.3.6.3 Vakuové trubicové kolektory Zachycují sluneční záření ve vakuované trubici, ve které se odpařuje teplonosná kapalina (ethylalkohol, glykol,...), která přechází jako pára do kondenzátoru, kde výměníku předá teplo proudící kapalině (např. topná voda), zkondenzuje a vrací se zpět do kolektoru. Celý cyklus se opakuje. Vakuum dobře snižuje ztráty a tím zvyšuje účinnost zařízení. 21
3.3.6.4 Ploché vakuové kolektory Mají čelní plochu stejnou jako absorpční. Čím větší je propustnost a menší odrazivost použitého průhledného krytu, tím větší je účinnost zařízení. (Dále viz trubicové vakuové kolektory.) 3.3.6.5 Koncentrační kolektory Jejich čelní nebo odrazová plocha koncentruje záření na menší absorpční plochu tím se dosáhne vyšších pracovních teplot. Tyto kolektory mají většinou účinnost až 90% a dosahují vyšší teplotní hladiny. Jsou mnohem dražší než ploché kapalinové kolektory. 3.3.6.6 Akumulační zásobníky Objem zásobníku se určuje podle potřeby. V solárním zásobníku ohříváme teplou vodu solární energií a doplňkově např. elektřinou. Pokud uvažujeme o využití akumulace pro přitápění, pak musí být systém vybaven dvěma výměníky tepla. Jeden je napojen na okruh ústředního vytápění, druhý na solární okruh [12]. 3.4 Uplatnění solárních systém v praxi 3.4.1 Dělení termických slunečních kolektorů Dle možnosti využití a konstrukce dělíme termické sluneční kolektory na: bazénové sluneční kolektory ploché sluneční kolektory vakuové sluneční kolektory 3.4.1.1 Bazénové sluneční kolektory Solární systémy pro ohřev teplé vody je nutno navrhovat podle požadavků na provoz, přičemž volba typu vychází především z potřeb dané aplikace a stupně složitosti systému, jemuž odpovídá výsledný komfort uživatele. 22
Dopadající energie slunečního záření se zachytí kolektorem a přemění se na teplo, které je teplonosným médiem přenášeno do bazénu nebo do zásobní nádrže. K nejběžnějším systémům pro solární ohřev teplé vody patří ploché kolektory používané většinou pro nízkoteplotní systémy do 100 C a trubicové kolektory, které mají absorbér zataven ve vakuové trubici selektivní vrstvu). Solární systémy pro celoroční využití představují kolektory s vysokou účinností, dlouhou životností a odolností proti vysokým teplotám. Investice do solárních systémů se rozhodně vyplatí, protože mohou v ročním průměru ušetřit až 80 % energie potřebné na přípravu teplé vody v bazénech i pro provoz v přidružených zařízeních (vytápění, umývání, sprchování apod.), zejména při soustavném zvyšování cen za energií. Solární zařízení pro ohřev teplé vody lze u rodinných domů umísťovat na střechu domu, garáže, případně jiných objektů nebo může být instalováno volně u bazénu na podporách. U budov se sedlovou střechou se jímací plocha kolektoru umísťuje na šikmé střeše se sklonem 30 50 tak, aby na ně mohlo Slunce co nejvíce svítit, tj. na jižně orientovanou střechu, případně jihovýchod nebo jihozápad. Kolektor může být s nosnou konstrukcí upevněn na střechu nebo jej lze instalovat pod prosklenou část střechy. Další možností může být řešení pomocí integrované střechy se zabudovanými absorpčními plochami. Na plochých střechách domů se montují kolektory na vhodnou konstrukci (může být i pohyblivá s různým nastavením sklonu) nebo mohou stát volně (velikost do 2 m 2 ). Na volné ploše se umísťují kolektory na různé podpůrné konstrukce. Jako jímací plocha mohou sloužit i textilní plastové absorbéry, které jsou tvořeny dutinnou textilií vyrobenou z polyesterových vláken s nánosem plastu s ochrannými přísadami proti UV-záření. Kromě stacionárních systémů se vyrábí i řada malých mobilních solárních zařízení pro ohřev vody nebo lze k bazénům instalovat speciální solární sprchu. Solární systémy je možné instalovat k bazénům, které jsou již v provozu, nebo je zřizovat současně se stavbou nového bazénu. Plocha kolektoru pro ohřev bazénové vody představuje dle typu kolektorů 40 70 % z plochy bazénu. U venkovních nekrytých bazénů se doporučuje cca 0,7 m 2 ohřevné plochy, u venkovních krytých bazénů 0,5 m 2 a u vnitřních (interiérových) bazénů 0,3 m 2, na 1 m 2 hladiny bazénu. Podle způsobu ohřevu vody se rozlišují dva základní systémy, a to přímý a nepřímý ohřev vody [13]. 23
3.4.1.2 Ploché solární kolektory Sluneční záření v plochých kolektorech je zachyceno nejprve absorbérem, kde se přímo transformuje na tepelnou energii. Tato energie je posléze pomocí teplonosné kapaliny odvedena do výměníku, kde je teplo využito k přípravě teplé užitkové vody (TUV), pro vytápění, případně uskladněno k pozdějšímu využití (na dobu, kdy je slabý sluneční svit). Teplonosnou kapalinou je obvykle voda s příměsí ekologicky nezávadné nemrznoucí kapaliny (sloučeniny glykolu, solaren aj.) Dnes jsou na trhu i ploché kapalinové sluneční kolektory, které jsou vybavené selektivní absorpční vrstvou. Ta, v porovnání s černým nátěrem, podstatně zvětšuje schopnost kolektoru zachytit sluneční záření, neboť dokáže zachytit i tzv. difúzní záření (záření rozptýlené v atmosféře, které vzniklo odrazem slunečního záření na překážkách v atmosféře). Zkušenosti nám ukazují, že pomocí termických plochých kolektorů lze v podmínkách ČR ušetřit až 75% ročních nákladů na ohřev teplé vody. Tyto systémy dokáží pracovat s účinností až 80%, přičemž životnost základních komponentů se pohybuje okolo 30let. Výhodou kapalinových kolektorů je nízká pořizovací cena, nevýhodou naopak nízká účinnost. V praxi se využívají především k ohřevu teplé užitkové vody, přičemž ploché solární kolektory se selektivním provrstvením lze využít i k vytápění. 3.4.1.3 Vakuové solární kolektory Jedná se o zdokonalený kapalinový sluneční kolektor s nižším množstvím tepelných ztrát a tedy i s vyšší účinností. V porovnání s kapalinovým kolektorem je vakuový kolektor výkonnější, obzvlášť když je rozdíl teploty vzduchu a kolektoru výrazný (v zimě), nebo při menším záření. Ztráty se ve vakuových kolektorech minimalizují odstraněním vzduchu z kolektoru. Tento princip je nám všem ostatně dobře známý, neboť byl využit např. k výrobě termosky. 24
Solární kolektory prostřednictvím vakuované trubice zachycují sluneční záření a přeměňují jej na tepelnou energii. Vlivem působení této energie dochází k výparu teplonosné kapaliny (obvykle voda při sníženém tlaku, nebo alkohol), ta přechází jako pára do kondenzátoru, kde předá teplo topné vodě, nebo TUV. Poté se ochladí, zkapalní a vrací se zpět do kolektoru. Výhodou vakuových kolektorů je vysoká účinnost, naopak nevýhodou je vyšší pořizovací cena. Vakuové kolektory jsou vhodné pro vytápění budov, naproti tomu jsou méně vhodné k přípravě TUV (k tomuto účelu se využívají pouze pokud majitel vyžaduje vyšší teplotu vody) a zcela nevhodné pro ohřev bazénové vody. Energetické zisky Kapalinové kolektory bez selektivního povrstvení 250 400 kwh/m 2 za rok Kapalinové kolektory se selektivním povrstvením 320 530 kwh/m 2 za rok Vakuové trubicové kolektory 400 890 kwh/m 2 za rok [9]. 3.4.2 Solární klimatizace Jednou z možností do budoucna, jak působit proti stále většímu přetěžování veřejné elektrické sítě v letních měsících, je využít pro klimatizaci samotného původce velkých teplot, totiž Slunce. Chlazení za pomoci Slunce, přestože to může znít také jako paradox, by mělo v budoucnosti pomoci ulehčit energetickým špičkám. Vídeňské výzkumné centrum ARSENAL RESEARCH pracuje na rozvoji a prosazování solárních chladících klimatických systémů. O realizaci těchto systémů již nejsou v podstatě žádné pochybnosti, ale jako u každé nově vyvinuté technologie bude ještě potřeba mnoho práce a času s rozvojem zázemí pro průmyslovou sériovou výrobu. Za velkou přednost lze pokládat, že solární chladící systémy nabízejí přednosti právě v době vyššího slunečního záření, kdy jsou pak úspory za energii pro klimatizaci nejvíce znatelné. Zároveň s tím, že je řešena poptávka na studenou energii v době, kdy existuje silná nabídka solárního tepla, snižuje se potřeba zásobníku energie. Dále se také celá investice do zařízení umoří mnohem dříve tím, že se tepelné solární kolektory využijí vícekrát. Kolektory budou tímto využity celkem 3 x : pro ohřev teplé užitkové vody, pro přitápění na podzim a v zimě, a konečně pro klimatizaci v místnosti v létě. 25
3.4.2.1 Princip chodu solární klimatizace Příprava ochlazené energie může následovat v nejjednodušším principu přes proces absorpce. Tak bude k dispozici horká voda, která bude ohřátá od Slunce a přivedená na ochlazení. Solární klimatizační zařízení ochlazuje vzduch principem absorpční chladničky. Absorpční chlazení je první a nejstarší způsob klimatizace a chlazení. Absorpční klimatizér nepotřebuje elektricky poháněný kompresor ke stlačování chladicího média. Místo toho potřebuje chladicí (nebo klimatizační) zařízení zdroj tepla, např. velký sluneční kolektor k tomu, aby se chladicí médium absorbované na absorbent odpařovalo. Fyzikálně se využívá jevu, že některé látky mohou absorbovat takové množství chladicího média v jednotce objemu, že kdyby toto médium bylo ve stejné jednotce stlačeno ve formě plynu, dosahoval by jeho tlak obrovských hodnot. Chladicí médium může být voda/vodní pára. Adiabatická expanze plynu do prostoru způsobí podle známého Jouleova - Thomsonova jevu jeho silné ochlazení. Vypařování se odehrává ve výparníku. Ačkoliv absorpční chlazení vyžaduje elektřinu pro čerpání chladicí látky, je jí potřeba mnohem méně, než spotřebuje chladicí zařízení s běžným kompresorem. Pracuje-li chladicí zařízení na základě sluncem poháněné desorpce, musí být přizpůsobeno obvyklým pracovním teplotám slunečních kolektorů od 80 C do 120 C. Toto zařízení může také vyrábět led [14]. 26
Obr. 3 schématický nákres chodu solární klimatizace [14] 3.4.3 Solární elektrárny Stejně jako jsou negativní dopady přímého provozu jaderné elektrárny na životní prostředí minimální, získávání elektrické energie přímo ze slunečního záření je z hlediska životního prostředí nejčistším a nejšetrnějším způsobem její výroby. Jaderná energetika i sluneční elektrárny využívají zdroje energie, kterého je a ještě dlouho bude v přírodě dostatek. Účinnost přeměny slunečního záření na elektřinu umožňuje získat se současnými solárními systémy z jednoho metru aktivní plochy až 110 kwh elektrické energie za rok. 27
3.4.3.4 Sluneční elektrárny v ČR První sluneční elektrárna o výkonu 10 kw byla uvedena do provozu až v roce 1998 na vrcholu hory Mravenečník v Jeseníkách (dnes je umístěna jako demonstrační zařízení v areálu JE Dukovany coby součást informačního centra). V našich podmínkách je solární systém o výkonu 1 kw schopen vyrobit 900-1000 kwh elektrické energie za rok. U současně provozovaných slunečních elektráren o instalovaných výkonech od 3 kw do 693 kw. Umístění FV elektrárny Výkon Datum uvedení do provozu Brněnec 121 kw 2007 Budíškovice - tracker 16 kw Bušanovice I a II 693 kw + 668 kw 2007, 2008 České Budějovice - 3 trackery 3kW, 6kW a 8kW ČVUT Praha 40 kw 2005 Dubňany 515 kw 2007 Dukovany 10 kw 2003 Habuš 507 kw 2007 Homole - trackery 115 kw Hrádek nad Nisou 61 kw 2006 Jaroslavice 900 kw 2007 Kněžmost 20 kw 2007 MFF UK Praha 20 kw 2003 MU Brno 20 kw 2004 MŽP Praha 25 kw 2006 Ostrožská Lhota 702 kw 2007 Opatov 60 kw 2006 Planá u Mariánských Lázní 31 kw 2007 Přimda I + II 15 + 20 kw 2007 Rožmitál pod Třem. 200 kw 2008 Stráž 436 kw 2008 TU Liberec 20 kw 2004 UJEP Ústí nad Labem 20 kw 2005 VŠB Ostrava 20 kw 2002 VUT Brno 20 kw 2004 VUT Brno, Božetěchova ul. 14 kw 2007 Zápy 75 kw 2006 ZČU Plzeň 20 kw 2004 [15] 28
3.4.3.5 Princip sluneční elektrárny i nepřímo. Elektrickou energii lze získat ze sluneční energie různými způsoby, přímo Přímá přeměna využívá fotovoltaického jevu, při kterém se v určité látce působením světla (fotonů) uvolňují elektrony. Tento jev může nastat v některých polovodičích (např. v křemíku, germaniu, sirníku kadmia aj.). Jeden metr čtvereční slunečních článků může dát v letní poledne až 150 W stejnosměrného proudu. Sluneční články se zapojují bud' za sebou, abychom dosáhli potřebného napětí (na jednom článku je 0,5 V), nebo vedle sebe tak, abychom získali větší proud. Spojením mnoha článků vedle sebe a za sebou vzniká sluneční panel. Nepřímá přeměna je založena na získání tepla pomocí slunečních sběračů. V ohnisku sběračů umístíme termočlánky, které mění teplo v elektřinu. Termoelektrická přeměna spočívá na tzv. Seebeckově jevu (v obvodu ze dvou různých drátů vzniká elektrický proud, pokud jejich spoje mají různou teplotu). Jednoduché zařízení ze dvou různých drátů spojených na koncích se nazývá termoelektrický článek. Jeho účinnost závisí na vlastnostech obou kovů, z nichž jsou dráty vyrobeny, a na rozdílu teplot mezi teplým a studeným spojem. Větší množství termoelektrických článků vhodně spojených se nazývá termoelektrický generátor. 3.4.3.6 Sluneční tepelné elektrárny Ve sluneční tepelné elektrárně se sluneční záření mění na elektrickou energii ve velkém měřítku. V principu jde o tepelnou elektrárnu, která potřebné teplo získává přímo ze slunečního záření. Kotel (absorbér) sluneční elektrárny je umístěn na věži v ohnisku velkého fokusačního (ohniskového) sběrače. Sluneční záření se na něj soustřeďuje pomocí mnoha otáčivých rovinných zrcadel - tzv. heliostatů. V kotli se ohřívá např. olej, ve výměníku se získává horká pára, která pak pohání turbínu, turbína pohání generátor a ten vyrábí elektrický proud. 3.4.3.7 Sluneční elektrárny a budoucnost Na Zemi je asi 22 milionů km 2 pouští, které nelze využít ani v zemědělství, ani k chovu dobytka (Sahara, Kalahari, Atakama). Jejich obrovské rozlohy však mohou být alespoň zčásti využity k přeměně sluneční energie na elektřinu nebo k rozkladu vody na 29
vodík a kyslík. Pro Evropu je nejblíže Sahara, která má rozlohu 7 milionů km 2. Jednoduchý výpočet ukáže, že jen z jedné desetiny Sahary by dnešní technikou slunečních elektráren bylo možné získat asi 50 TW, což je 5-krát více, než lidstvo potřebuje. Elektrická energie ze solárních článků ze Sahary by se do Evropy mohla rozvádět přes Gibraltar. Jinou možností je využívat sluneční energii k rozkladu vody a vodík pak do Evropy dopravovat potrubím nebo ve velkých tankerech podobně jako zemní plyn [16]. 3.4.3.8 Největší světové sluneční elektrárny Nová solární elektrárna o projektovaném výkonu 280 MW se schopností napájet 70 000 domácností vyroste v americké Arizoně a ušetří 400 000 t skleníkových plynů. Bude fungovat na principu ohřívání vody pomocí koncentrace slunečních paprsků. Voda pak poputuje do tepelného výměníku, kde bude produkovat páru a generovat elektřinu. Výjimečná bude především v tom, že bude moci pracovat i v noci, díky skladová solární energie v tekuté soli. Její dokončení se plánuje na rok 2011 a má být provozuschopná minimálně do roku 2041. V Jumille v jihovýchodním Španělsku byla spuštěna solární elektrárna s největší instalovanou kapacitou. Tým 400 lidí ji stavěl 11 měsíců. Přitom nainstaloval celkem 120 000 solárních panelů do 200 oddělených fotovoltaických polí. Ročně by měla o výkonu 20 MW generovat zisk 28 milionů dolarů a zredukovat emise o 40 000 tun oxidu uhličitého. Elektrárna pokrývá 100 hektarů plochy, na které připadá 300 dnů slunečního svitu ročně. Celková roční produkce postačí na zásobování elektřinou 20 000 domácností [17]. 30
Obr. 4 letecký snímek solární elektrárny v Jumille, Španělsko [17] 3.4.4 Ohebné solární panely Pod názvem SolarRolls vyrábí americká firma Brunton ohebné a srolovatelné solární panely. Ty jsou konstruovány z amorfního křemíku, který má tu výhodu, že se používá jako tenkovrstvý materiál (ohebnost) kterým se vytváří celá solární jednotka najednou a neskládá se z jednotlivých solárních článků. Nevýhodou levného amorfního křemíku je nízká účinnost (v porovnání s monokrystalickým křemíkem až poloviční) a pokles výkonu s časem (stárnutí amorfního křemíku). Brunton tyto panely vyrábí ve třech velikostech, resp. ve třech výkonech. Jsou to SolarRolls 4,5, SolarRolls 9 a konečně SolarRolls 14. Čísla odpovídají výkonům ve wattech. Parametry jednotlivých panelů jsou následující: SolarRoll 14 doporučená cena: 399 USD rozměr v rozloženém stavu: 30,5 x 145 cm hmotnost: 482 g maximální výstupní výkon: 14 W (15,4 V / 900 ma) vhodné pro nabíjení satelitních telefonů a notebooků 31
SolarRoll 9 doporučená cena: 279 USD rozměr v rozloženém stavu: 30,5 x 102 cm hmotnost: 300 g maximální výstupní výkon: 9 W (15,4 V / 600 ma) doporučeno pro nabíjení GSM telefonů a videokamer SolarRoll 4.5 doporučená cena: 169 USD rozměr v rozloženém stavu: 30,5 x 56 cm hmotnost: 182 g maximální výstupní výkon: 4,5 W (15,4 V / 300 ma) doporučeno pro nabíjení malých elektronických spotřebičů, GSM telefonů a PDA [18] 3.4.5 Solární móda "Solar jacket" je první svrchní oděv na světě, který dokáže dobít mobilní telefon., ipod nebo ruční počítač využitím sluneční energie. Je navržena k boji proti čím dál tím častějším změnám klimatu. Solar J. dobíjí způsobem šetrným k životnímu prostředí a to prostřednictvím technologie solárních panelů. Elektronické vedení v textilii napájí akumulátorovou baterii nebo přímo telefon či jiné zařízení. Sady přípojek zajišťují kompatibilitu se všemi předními značkami, jak pro starší, tak pro nové modely, včetně zn. Nokia, Sony Ericsson, Motorola, Blackberry nebo každého přístroje obsahující USB5 přípojku, jako je ipod. Pouze 4 až 5 hodin slunečního světla je zapotřebí k plnému dobití baterie, umístěné ve skryté vnitřní kapse nebo uložené v samostatném neoprenovém pouzdru. Baterie i solární panel na límci jsou oba odpojitelné, umožňující tak dobít každé zařízení nezávisle na tom, zda je bunda zrovna nošena [19]. 3.5 Ekonomické a legislativní podmínky nasazení solárních systémů v systému ČR Velmi důležitou roli v oblasti fotovoltaiky v ČR hraje zákon č. 180/2005 Sb. O podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie a o změně některých zákonů (zákon o podpoře využívání obnovitelných zdrojů), jehož hlavním přínosem by měla být stabilizace podnikatelského prostředí v oblasti obnovitelných zdrojů energie, zvýšení atraktivnosti těchto zdrojů pro investory a vytvoření podmínek pro vyvážený rozvoj OZE v ČR. Mezi další významné právní normy můžeme zařadit zejména tyto 32
dokumenty: Bílá kniha o obnovitelných zdrojích energie (1997), Směrnice 2001/77/EC. Evropského parlamentu a Rady EU ze dne 27. září 2001 o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie na vnitřním trhu, Vyhláška č. 475/2005. (novelizovaná vyhláškou č. 364/2007 Sb.), kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře využívání obnovitelných zdrojů, Vyhláška č. 150/07 Sb. a Cenové rozhodnutí ERÚ č. 7/2007. 3.5.1 Vyhláška 475/2005 Sb. a její novelizace vyhláškou č. 364/2007 Sb. Novelizace vyhlášky přináší změnu indikativních hodnot technických a ekonomických parametrů, především ve smyslu předpokládané životnosti fotovoltaické elektrárny, která se z původních 15 let zvyšuje na 20 let. 3.5.2 Hlavní teze vyhlášky s vlivem na fotovoltaiku: 4 Technické a ekonomické parametry při podpoře elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů výkupními cenami 1. Předpokladem pro zajištění patnáctileté doby návratnosti investic při uplatnění podpory výkupními cenami za elektřinu vyrobenou z obnovitelných zdrojů je splnění hodnot technických a ekonomických parametrů výrobny elektřiny z obnovitelných zdrojů, při nichž výrobce elektřiny z obnovitelných zdrojů za stanovených výkupních cen dosáhne a. přiměřeného výnosu z vloženého kapitálu za dobu životnosti výroben elektřiny, který je určen průměrným váženým nákladem kapitálu, a b. nezáporné velikosti čisté současné hodnoty toku hotovosti po zdanění za celou dobu životnosti výroben elektřiny, při využití diskontní míry ve výši průměrného váženého nákladu kapitálu. 2. Indikativní hodnoty technických a ekonomických parametrů samostatně pro jednotlivé podporované kategorie obnovitelných zdrojů a vybrané technologie, které při výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů umožňují splnit požadovaná ekonomická kritéria podle odstavce 1, jsou uvedeny v příloze č. 3 k této vyhlášce. 33
3.5.3 Fotovoltaika technické a ekonomické parametry v příloze č. 3 vyhlášky ERÚ 364/07 Sb. 1. Předpokládaná doba životnosti nové výrobny: 20 let 2. Požadavek účinnosti využití primárního obsahu energie: Předpokládá se konstrukce a umístění fotovoltaických článků tak, aby bylo dosaženo roční svorkové výroby elektřiny alespoň 150 kwh na metr čtvereční aktivní plochy solárního panelu. Současně je uvažován pokles výkonu panelů o 0,8 % jmenovitého výkonu ročně. 3. Měrné investiční náklady a roční využití výkonu instalovaného zdroje Celkové měrné investiční náklady [Kč/kWp] Roční využití instalovaného špičkového výkonu [kwh/kwp] < 135 000 > 935 Poznámka: Pro výrobny uvedené do provozu přede dnem nabytí účinnosti této vyhlášky platí indikativní hodnoty technických a ekonomických parametrů podle přílohy č. 3 k vyhlášce č. 475/2005 Sb. 3.5.4 Vyhláška č. 150/2007 Sb. Tato vyhláška obsahuje z hlediska fotovoltaiky toto zásadní ustanovení: 2 odst. (11) : Úřad stanovuje výkupní ceny a zelené bonusy elektřiny z obnovitelných energetických zdrojů podle zvláštních právních předpisů. Výkupní ceny a zelené bonusy jsou uplatňovány po dobu životnosti výroben elektřiny. Po dobu životnosti výrobny elektřiny, zařazené do příslušné kategorie podle druhu využívaného obnovitelného zdroje a data uvedení do provozu, se výkupní ceny meziročně zvyšují s ohledem na index cen průmyslových výrobců minimálně o 2 % a maximálně o 4 %, s výjimkou výroben spalujících biomasu a bioplyn. 3.5.5 Cenové rozhodnutí ERÚ č. 7/2007 Energetický regulační úřad stanovuje každoročně výši výkupních cen a zelených bonusů pro jednotlivé druhy obnovitelných zdrojů energie. Pro rok 2008 je platné 34
Cenové rozhodnutí č. 7/2007, v tabulce naleznete výkupní ceny a zelené bonusy pro fotovoltaiku: Datum uvedení do provozu Výkupní ceny elektřiny dodané do sítě v Kč/MWh Zelené bonusy v Kč/MWh 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 13 460 12 650 13 800 12 990 6 570 5 760 [20] 3.5.6 Finanční nástroje podpory v ČR Česká republika se zavázala splnit cíl 8 % hrubé výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů na tuzemské hrubé spotřebě elektřiny k roku 2010 a společně s tím vytvořit takové legislativní a tržní podmínky, aby zachovala důvěru investorů do technologií na bázi OZE. Tak je to definováno ve Směrnici 2001/77/ES, kterou ČR implementovala do svého právního řádu prostřednictvím Zákona č. 180/2005 Sb. Směrnice již ovšem nedefinuje konkrétní nástroje k dosažení tohoto cíle a ponechává jejich volbu na rozhodnutí členských států. Česká republika se rozhodla zavést mechanismus výkupních cen (tzv. feed-in tariff) v kombinaci se systémem zelených bonusů. Ze získaných zkušeností po celém světě dnes můžeme tvrdit, že z pohledu fotovoltaiky a jejího rozvoje se tento systém osvědčil asi nejlépe. Také proto dnes tento systém v Evropě (a nejen tam) dominuje a mnohé další země jej zavádějí, popř. upravují (Francie, Řecko). Existují však i jiné 35