Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Vývoj a využití solární energie - fotovoltaické systémy Bakalářská práce Vedoucí práce : Vypracovala : Ing. Martin Fajman, Ph.D. Denisa Rabušicová Brno 2008
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji že jsem bakalářskou práci na téma Vývoj a využití solární energie - fotovoltaické systémy vypracovala samostatně a použila 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.
Poděkování: Děkuji tímto panu Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D. za metodické vedení a cenné rady, které mi během řešení práce vždy ochotně poskytoval.
Anotace: Bakalářká práce na téma Vývoj a využití solární energie - fotovoltaické systémy se zaměřuje na popis vývoje této technologie od samého počátku až po současnost. Zdrojem energie pro fotovoltaické systémy je sluneční záření a základní informace o něm jsou proto v této práci přehledně shrnuty. Práce se dále zabývá historií fotovoltaiky a popisem principufunkce fotovoltaického článku, jsou zmíněny technické předpoklady nasazení fotovoltaických systémů, ekonomické hledisko této technologie a legislativa vztahující se k problematice obnovitelných energetických zdrojů a tedy i fotovoltaiky. V neposlední řadě jsou v práci také jmenovány významné fotovoltaické systémy uplatněné v praxi v České republice i v zahraničí, a také významní čeští i zahraniční výrobci a distributoři fotovoltaických systémů. Annotation: This thesis is focused on description of development and progress in photovoltaic technology from its very beginning to present day. The source of energy powering the photovoltaic (PV) systems is the solar radiation, so basic facts about it are included and systematically summarized in this thesis. Thesis also considers the history of PV and the principle of operation of a PV cell. There are also mentioned technical background for use of PV cells, economic aspects and legislature considering the renewable sources of energy and also PV. At last, but not least there are named outstanding PV systems used in Czech Republic and abroad and also the great Czech manufacturers and distributors of PV systems.
Obsah: 1 ÚVOD... 6 2 SLUNCE... 9 2.1 Základní informace o Slunci.. 9 2.2 Intenzita a složení záření dopadajícího na Zemi 11 2.3 Faktory ovlivňující dostupnost dopadajícího záření.. 13 3 STRUČNÁ HISTORIE SOLÁRNÍ ENERGETIKY 14 4 FOTOVOLTAICKÝ ČLÁNEK 16 4.1 Fyzikální princip přeměny sluneční energie na elektrickou.. 16 4.2 Použité materiály 17 4.3 Fotovoltaické moduly. 19 4.4 Zvýšení účinnosti fotovoltaických modulů 19 4.5 Autonomní a hybridní systémy.. 20 4.6 Pomocná zařízení fotovoltaických systémů... 21 5 TECHNICKÉ PŘEDPOKLADY FOTOVOLTAICKÝCH SYSTÉMŮ... 23 6 FOTOVOLTAIKA V PRAXI 24 6.1 Rozvoj a stav fotovoltaiky v podmínkách ČR... 25 6.1.1 Vybrané příklady malých fotovoltaických zařízení 26 6.1.2 Vybrané příklady velkých fotovoltaických elektráren 28 6.1.3 Základní přehled firem, které se zabývají fotovoltaikou na českém trhu... 30 6.2 Rozvoj fotovoltaiky ve světě. 31 6.2.1 Vybraní výrobci fotovoltaických systémů ve světě. 31 6.2.2 Vybrané příklady fotovoltaických instalací ve světě... 33 7 LEGISLATIVA VZTAHUJÍCÍ SE K PROBLEMATICE FOTOVOLTAIKY.. 34 7.1 Zákon č. 180/2005 Sb. 34 7.2 Zákon č. 458/2000 Sb., Energetický zákon 35 7.3 Zákon č. 406/2000 Sb. 37 8. EKONOMICKÉ HLEDISKO FOTOVOLTAICKÝCH SYSTÉMŮ... 37 8.1 Výkupní ceny a zelené bonusy... 37 8.2 Návratnost investice... 38 9 ZÁVĚR. 39 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY... 41 PŘÍLOHY 49
1 ÚVOD Pojem Fotovoltaika, neboli princip přímé přeměny energie slunečního záření na elektřinu (fotovoltaický jev), se skládá ze dvou různých slov, řeckého φώς [phos] = světlo a fyzikální jednotky volt, hlavní jednotky elektrického napětí, která dostala své označení podle italského fyzika Alessandra Volty (1745 1827), jednoho ze zakladatelů elektrodynamiky. Zařízení, která pracují na principu fotovoltaického jevu se nazývají fotovoltaické nebo solární články, panely či moduly. V této práci se pokusím shrnout dosavadní poznatky z teorie i praxe ohledně této dynamicky se rozvíjející technologie. Toto téma jsem si vybrala proto, že mě osobně zajímá a zastávám názor, že hledat alternativy k fosilním palivům, která jako světový zdroj energie převládají, je více něž nezbytné. Způsob, jakým ničíme své životní prostředí a rychlost s jakou tato destrukce probíhá je alarmující. Dalším důvodem, proč se fotovoltaikou zabývat může být fakt, že v rozvojových zemích je toto řešení často nejlevnějším a často i jediným dostupným zdrojem energie pro zajištění alespoň základních energetických potřeb. V Africe, Indonésii nebo Indii umožňuje takto získaná elektřina například čerpání vody z hlubokých vrtů, kde jsou fotovoltaické moduly využity pro pohon čerpadel. Elektřiny ze Slunce je zde využíváno také pro osvětlení domů a zajištění zdroje elektřiny pro používání elektrických spotřebičů. Stále ještě se považují obnovitelné energie za zátěž, místo abychom na ně pohlíželi jako na obrovskou novou šanci. (Scheer, 1998) [5] Jsme svědky obrovského technologického rozmachu jaký dosud naše civilizace nepoznala. Naše technologie jsou udržovány díky energii. Je to právě energie jako pohonná síla, bez které bychom se dnes již těžko obešli. Bez přístupu k ní by se náš technologický vývoj zastavil a následně zhroutil. Pokud se podíváme na rozvojové země, můžeme pozorovat zajímavý jev. Tyto země nemají dostatečný přístup ke zdrojům energie a jsou i proto z velké části závislé na zemích, které tento přístup mají, které jsou vyspělé. Pro pohon našich technologií získáváme energii z neobnovitelných zdrojů, jež lze definovat jako takové zdroje energie, jejichž vyčerpání je očekáváno v horizontu 6
maximálně stovek let, ale jejich případné obnovení by trvalo mnohonásobně déle. Typickým příkladem takovýchto zdrojů jsou tzv. fosilní paliva. Fosilní paliva vznikla před miliony let přeměnou odumřelých rostlinných a živočišných těl za nepřístupu vzduchu. Nejčastějšími druhy fosilních paliv jsou ropa, zemní plyn, uhlí a uran. K využití uhlí jako zdroje energie se přistoupilo v době průmyslové revoluce, která propukla ve druhé polovině 18. století v Anglii. První změny se začaly projevovat nejdříve v lehkém průmyslu a to zejména v textilním průmyslu. Revoluci ve vývoji těžkého průmyslu představovalo dovršení vývoje parního stroje Jamesem Wattem roku 1785. Vzrůstala poptávka po železu, kterého bylo třeba na výrobu strojů, ale později i kolejnic, lokomotiv, vagónů, ke stavbě mostů, lodí a také parních strojů. Tímto počal rozvoj těžkého průmyslu hutního, který vyráběl železo a později kujné železo nebo-li ocel pomocí koksu. Koks se získával koksováním černého uhlí. Průmyslová výroba se mohla rozvinout naplno. Vládla všeobecná euforie, pořádaly se průmyslové výstavy, kde byly představovány nejnovější vynálezy. Na konci 19. století se začala rozvíjet těžba uranové rudy. Ruda byla využívána pro výrobu uranových barev a také radia (Ra). Ke skutečnému průmyslovému rozmachu těžby a využití uranu jako paliva pro atomové elektrárny však došlo až po roce 1945. Ve 20. letech 20. století se začala rozvíjet těžba černého zlata ropy. Nastartovaný vývoj pokračoval v duchu pokroku. V té době si nikdo neuvědomoval rizika spojená s využíváním těchto surovin. V roce 1972 proběhla konference Spojených národů o lidském životním prostředí ve Stockholmu. Tato konference se snažila upozornit, že energetické zdroje, které v obrovském množství používáme, znečišťují a devastují naši planetu. Navrhovala proto, aby jednotlivé státy přijaly nové strategie rozvojového plánování, které by tak drastickým způsobem negativně neovlivňovalo životní prostředí. Vyšlo najevo, že dosavadní hospodářský vývoj nemůže být udržitelný v horizontu delší budoucnosti. Tento okamžik odstartoval naplno pátrání po alternativních, nebo-li obnovitelných zdrojích energie. Z velké části k tomu přispěla i ropná krize, která proběhla v sedmdesátých letech a světové mocnosti se chtěly oprostit od přílišné závislosti na ropných zdrojích východu. O těchto souvislostech bude podrobněji pojednáno v kapitole o historii fotovoltaiky. Pojem obnovitelný zdroj energie lze vysvětlit jako energetický zdroj, který je vyčerpatelný, ale lze jej v krátkém časovém úseku obnovit. V odborné literatuře 7
se dává přednost termínu obnovitelná energie, který je založen na zákonu zachování energie a tím se přibližuje přesnější fyzikální terminologii. Pojmem alternativní zdroj energie, který se také často užívá k označení energetických zdrojů, které lze znovu obnovit, se rozumí jiný zdroj energie, který je alternativou k energetickým zdrojům v podobě fosilních paliv nebo energie z jádra. Mezi alternativní nebo obnovitelné zdroje energie patří tzv. nepřímá a přímá solární energie. Viz tabulka Přehled obnovitelných energetických zdrojů Nepřímá zdroje solární enegie Přímá solární energetika 1. voda 1. fototermální solární zařízení 2. vítr 2. fotovoltaická solární zařízení 3.biomasa Historický vývoj solární energetiky sahá mnohdy do období starých civilizací, které různými způsoby přímou i nepřímou energetiku využívaly. K využívání těchto zdrojů pro výrobu elektřiny došlo až během 19. století, kdy byly například realizovány první projekty v oblasti malých vodních elektráren pro výrobu elektrické energie za pomoci síly vody. Roku 1891 byl sestaven první větrný motor, který byl schopen přeměnit sílu větru na elektřinu. K cílenému získávání energie z biomasy docházelo až od druhé poloviny 20. století. Do té doby si zemědělské podniky zajišťovaly své energetické potřeby za využití biomasy samy. V dnešním světě do technologie získávání energie z biomasy je vkládána naděje, že nahradí rychle mizející zdroje neobnovitelné. Důvodů, proč se zabývat alternativami k neobnovitelným energetickým zdrojům je mnoho. Globální oteplování planety je způsobováno spalováním fosilních paliv, při němž je do ovzduší uvolňováno množství tzv. skleníkových plynů, převážně CO 2. Část dopadajícího slunečního záření je pohlceno zemským povrchem, který ho opět vyzařuje ve formě infračerveného záření - tepla. Zvýšené množství skleníkových plynů v atmosféře způsobuje, že se část tepla od nich odráží a vrací se zpět k zemskému povrchu, tím způsobuje jeho oteplování. Dochází tedy k postupnému ohřívání Země. Velkým problémem je i dostupnost fosilních paliv, které jsou získávány těžbou, často z velkých hloubek. Těžba postupně mění životní prostředí, nejvíce opět atmosféru, do které se při tomto procesu uvolňuje zejména metan, který je dalším představitelem 8
z kategorie skleníkových plynů. Po takovém zásahu zůstává pouze vydrancovaná krajina, poškozené ekosystémy, rostliny i živočichové. Obnova takové krajiny trvá desítky i stovky let. Jako řešení se nabízí využívání obnovitelných zdrojů energie a to především těch, které získávají energii přímo ze zdroje, tedy ze Slunce. Fototermické a fotovoltaické solární systémy pro svou práci nepotřebují těžko dostupná fosilní paliva ani neprodukují žádné nebezpečné zplodiny do našeho už tak dost znečištěného ovzduší. Pracují se sluneční energií, která sama od sebe v hojném množství dopadá do naší atmosféry. Nestačí, aby podíl obnovitelných energií stoupl na 10, 20, 30, 40 nebo 50 procent spotřeby energie lidstva. Tato skutečnost by nepřekonala existenční nebezpečí a pouze by přispěla k oddálení kolapsu lidské civilizace. Cílem budoucího století musí být úplná náhrada současných energetických zdrojů dostupnou sluneční energií tedy úplné zásobování lidstva sluneční energií. (Scheer, 1998) [5] Výzvou do budoucna je tedy zvýšit účinnost těchto zařízení natolik, aby pokryla vysoké nároky na energii, které jsou naší civilizací kladeny. [1], [2], [3], [4], [7], [8], [9], [10], [11] 2 SLUNCE 2.1 Základní informace o Slunci Země je součástí planetární soustavy, jejímž středem je Slunce. Slunce je nám nejbližší a nejdůležitější hvězdou a je trvalým zdrojem veškeré energie pro naši planetu. (citace skripta VUT) Slunce je z hlediska astronomické klasifikace hvězd v Hertzsprungově-Russelově diagramu obyčejná hvězda, která obíhá kolem středu galaxie nazývané Mléčná dráha, ve vzdálenosti mezi 25 000 až 28 000 světelných let. Jeden oběh trvá přibližně 226 milionů let a odhaduje se, že doposud Slunce střed Mléčné dráhy oběhlo asi 20krát. Mléčná dráha je spirální mlhovina o průměru kolem 100.000 světelných let a obsahuje okolo 200 miliard hvězd. Ze Země je pozorovatelná jako bílý pruh na noční obloze. Slunce je tvořeno směsí žhavých plynů, kterou 73,46% tvoří vodík (H), 24,85% helium (He), 0,77% kyslík (O), zbylé procento uhlík (C), železo (Fe), neon (Ne), dusík (N), křemík (Si), hořčík (Mg) a síra (S). 9
helium; 24,85 ostatní; 0,92 kyslík; 0,77 vodík; 73,46 vodík helium kyslík ostatní Obr. 1. Složení Slunce Hmota Slunce je tvořená vysokoteplotním plazmatem (příloha 1) Ve středu je jádro, kde teploty dosahují milionů stupňů Celsia a tlak přes 200 miliard atmosfér. Ve žhavém jádru probíhá termonukleární reakce, při níž se každou sekundu uvolňuje obrovské množství energie. Termonukleární reakce je fyzikálněchemický proces, ke kterému dochází za teplot od 10 7 K při vysokém tlaku. Jeho principem je fúze nebo-li sloučení lehkých prvků za vzniku prvků těžších. Tento proces se nazývá proton-protonový cyklus (PP) jehož podstatou je reakce čtyř lehkých vodíkových jader za vzniku jednoho těžšího jádra helia (PP I) při teplotách okolo 10 7-14 7 K, případně lithia (PP II) při teplotách okolo 14 7-23 7 K, které zpětně rozpadá na helium. Z hlediska této práce je nejdůležitějším poznatkem, že právě při těchto jaderných reakcích dochází k uvolňování záření ve formě fotonů. Důsledkem termojaderných reakcí v jádru je tedy schopnost Slunce zářit. Mohlo by se zdát, že vzhledem k rychlosti částice světla, tedy fotonu, která dosahuje 2,99 10 10 m/s má částice schopnost proletět obrovskou vzdálenost ze středu Slunce na jeho okraj za necelé 2 sekundy. Ve skutečnosti ale cesta fotonu k povrchu Slunce trvá až 2 miliony let. Původní foton vystřelený jádrem se ven nikdy nedostane, 10
ale je pohlcován a následně opět vyzařován vrstvami Slunce, kterými na své cestě k jeho povrchu prochází. Cesta z povrchu Slunce na Zemi mu pak trvá pouhých 8 minut. Na povrchu Slunce se foton dostává do konvektivní zóny, kde vznikají mohutné proudy, které spolu s zářením vynášejí ke slunečnímu povrchu i hmotu slunce. Na tuto vrstvu navazuje sluneční atmosféra, která se dělí na tři vrstvy: Fotosféra je jediná přímo pozorovatelná vrstva Slunce o síle 300 kilometrů a teplotě 6000K. Nad fotosférou následuje chromosféra, což je vrstva, která vystupuje až 3000 km nad a teploty zde dosahují až několika set K. V této vrstvě dochází ke slunečním erupcím. Poslední vrstvou je tzv. koróna, která je nejvyšší a také nejřidší. Směrem od chromosféry je její hranice neostrá a konec se prakticky nedá určit. (příloha 2). Tento jev v koróně způsobují proudy chladnějšího a hustšího plazmatu, které dosahují výšky 15 000 až 100 000 kilometrů. Nad touto vrstvou začíná magnetické pole Slunce. Slunce je staré asi 4,6 miliard let a nachází se ve stabilní fázi svého vývoje, což znamená, že má dostatečnou zásobu vodíku pro to, aby ve své současné podobě setrvalo ještě dalších přibližně 5 miliard let. Z tohoto hlediska je Slunce zdrojem opravdu nevyčerpatelným. Samotné Slunce tvoří asi 99% (1,99 * 10 30 kg) hmotnosti celé sluneční soustavy a zbylé 1% připadá na hmotnosti ostatních planet a těles, která kolem něho obíhají. Slunce je 109krát větší než Země a je od ní vzdáleno 1,49 * 10 11 m, tedy 1 AU (stronomická jednotka) a 8,317 světelných minut. Jeho výkon činí 3,91 * 10 26 W. [6], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21] 2.2 Intenzita a složení záření dopadajícího na Zemi Jakmile sluneční paprsek opustí poslední vrstvu atmosféry Slunce, letí přímo k Zemi. Intenzita záření, která opouští sluneční povrch činí 3,85 * 10 26 W a zahrnuje délky od 10-10 m (rentgenové a ultrafialové záření) až po několik metrů (radiové záření). Největší část energie připadá na světlo o frekvenci 5,92 * 10 16 Hz a vlnové délce 507 nm. Jde o zelené světlo. Kolem této hodnoty se pak rozprostírá spektrum viditelného světla od 380 do 800 nm. Pod 380 nm leží část ultrafialového světla a nad hodnotou 800 nm světlo infračervené. 11
Na cestě k Zemi není sluneční záření ničím pohlcováno a na hranici zemské atmosféry tak dopadá ve zcela nezměněné podobě. Z celkového výkonu vyslaného Sluncem však na nejvrchnější část zemské atmosféry dopadá výkon o hodnotě 180 000 TW, protože zbývající část záření uniká do mezihvězdného a mezigalaktického prostoru. Na každý m 2 plochy rozhraní zemské atmosféry a vesmíru, kolmé ke slunečním paprskům, dopadá za jednu sekundu energie 1 300 až 1 400 J, tj. přibližně 1,4 kw/m 2 (rozdíl hodnot je dán měnící se vzdáleností Země od Slunce v průběhu dne i roku). Tato hodnota se nazývá solární konstanta. Naše civilizace oproti tomu spotřebuje pouhých 10 TW energie, která je nejčastěji získána z neobnovitelných energetických zdrojů. Při odhadech dostupného množství energie Slunce na zemském povrchu však se solární konstantou počítat nelze, protože velká část původního výkonu slunečního záření je ztracena při průchodu paprsků atmosférou Země. Vlivem rozptylových a absorpčních jevů, dále také jevů spojených s lomem a rozkladem světla v zemské atmosféře, se hodnota dostupné energie mnohonásobně sníží. Už při vstupu slunečních paprsků na rozhraní zemské atmosféry a vesmírného vakua dochází k odrazu určitého množství světla zpět do vesmíru. Jak záření prostupuje dál skrze atmosféru je pozměněno nebo ochuzeno o některé vlnové délky. Například tzv. Rayleighův rozptyl způsobuje modrou barvu oblohy, protože paprsky větších vlnových délek (zelené a červené světlo) odchyluje z původního směru více než paprsky s kratší vlnovou délkou (modré světlo) Dále dochází k rozptylu světelných paprsků na částicích o velikosti řádově 10 až 100 nm (tzv. Tyndallův rozptyl) a také na částicích větších, než je velikost vlnové délky světla, alespoň o jeden řád jako je kouř, pára, mlha, částice prachu apod. Záření, kterému se podaří projít přes všechny vrstvy atmosféry k zemskému povrchu se nazývá globální záření. Jde o komplikované světelné pole, které zahrnuje dva typy záření: přímé sluneční záření, které se skládá ze zbytku světla, které uniklo rozptylu, rozkladu absorpci či odrazu při průchodu atmosférou. Podobá se tedy nejvíce původnímu záření vyslanému Sluncem. Druhým typem je záření difúzní, které vzniká rozptylem na oblacích a nečistotách v ovzduší. Došlo ke změně jeho spektrálního složení a tím i energetického obsahu, respektive je ochuzeno o značnou část své původní energie Toto záření také způsobuje jevy popsané výše jako Rayleigův rozptyl či Tyndallův rozptyl. Globální záření zahrnuje i záření odražené a vyzářené povrchem Země (tzv. terrestrické záření) (příloha 3). Z celkového množství sluneční energie se k zemskému povrchu dostane za jasných 12
dnů okolo 1 kw/m 2 a pouhé desítky wattů při zatažené obloze. Z tohoto množství se podstatná část záření přemění na teplo a uplatňuje se v koloběhu vody (odpařování). Menší část energie se naváže do rostlinných systémů formou fotosyntézy. [2], [4], [22], [23], [24] 2.3 Faktory ovlivňující dostupnost dopadajícího záření Jak už bylo řečeno, momentální množství využitelné energie ovlivňuje aktuální počasí. Ale při instalaci pozemních panelů musíme počítat i s dalšími faktory, které mohou ovlivnit množství využitelné energie pro náš článek. Výška Slunce nad obzorem v určitou denní dobu souvisí s tloušťkou vrstvy vzduchu, skrze kterou musí sluneční paprsky projít. Tento údaj můžeme zjistit za použití tzv. Air Mass (AM) faktoru, který počítá s množstvím vzduchu, který leží v cestě procházejícím paprskům. AM 0 odpovídá slunečnímu záření v kosmickém prostoru, AM 1,5 odpovídá spektru světelného záření na Zemi při kolmém dopadu slunečních paprsků. Nejvíce energie lze získat v pravé poledne a nejméně ráno a večer. Jednotkou výkonu solárních panelů je watt-peak (Wp). Ten odpovídá výkonu solárního panelu při energetické hustotě záření 1000 W/m2 (1 kw/m2), 25 C a světelnému spektru slunečního záření, které prochází bezoblačnou oblohou při AM 1,5, tedy v pravé poledne. Směr dopadajících slunečních paprsků v průběhu roku dráha, po které Země okolo Slunce obíhá se nazývá ekliptika. Vzdálenost Země od Slunce není po celý rok stejná, což ovlivňuje i množství a směr dopadajícího záření. V horkých letních dnech stojí Slunce vysoko nad obzorem a paprsky zasahují zemský povrch téměř kolmo. Naopak v zimě Slunce nevystoupí do takové výšky nad obzor, což způsobí, že paprsky dopadají šikmo a intenzita záření je o poznání nižší než v letních měsících. Nadmořská výška s rostoucí nadmořskou výškou se snižuje teplota vzduchu a zvyšuje se množství srážek. Na druhou stranu se snižuje tloušťka vrstvy vzduchu skrze kterou musí sluneční paprsek projít, tzn. že v oblastech o nadmořské výšce od 700 do 2000 m.n.m lze očekávat 5% nárůst globálního záření. Zeměpisná šířka čím dále na sever nebo na jih od rovníku se nalézáme, tím méně záření jsme schopni zachytit. Vlivem zakřivení Země se také mění úhel dopadu 13
záření. Kvalita čistoty ovzduší je nad městy a průmyslovými komplexy značně snížena. Vzduch obsahuje větší počet aerosolů a tuhých částic, které zadrží více částic přímého záření. V lokalitách se silně znečištěnou atmosférou můžeme očekávat pokles globálního záření o 5 až 10%. Instalované moduly by také neměly být zastíněny budovami či stromy, aby na ně mohlo dopadat záření o maximální intenzitě [2], [4], [22]. 3 STRUČNÁ HISTORIE SOLÁRNÍ ENERGETIKY Historie solární energetiky je poměrně krátká. Počátky sahají do 19. století, kdy francouzský fyzik, Alexandr Edmond Becquerel (1820-1891), roku 1839 zjistil při svých pokusech s dvěma elektrodami ponořenými do elektrolytu, že dopadá-li na ně světlo, vzrůstá na elektrodách napětí. Objevil tak vztah mezi světlem a elektřinou fotoelektrický jev. Prameny se výrazně liší a některé připisují tento objev jeho otci Antoine-César Becquerelovi (1788-1878). V roce 1873 elektroinženýr Willoughby Smith (1828-1891) využíval pro svůj výzkum polovodivých vlastností selenu. Přitom si povšiml, že vodivost selenové tyčinky se mění v závislosti na osvětlení. Mezi základní objevy v oblasti fotovoltaiky patří nesporně výsledky pokusů profesora londýnské univerzity W. G. Adamse (1836-1915) a jeho studenta R.E. Daye ze kterých vyvodili, že přechod tvořený selenem a platinou při osvětlení produkuje elektrický proud, aniž by došlo ke změně samotného materiálu a bez použití tepla a pohyblivých částí. V tomto roce bylo také vyrobeno první zařízení, které bylo schopno přeměnit sluneční záření na elektřinu. Jeho účinnost byla ovšem velice nízká a první kroky k jejímu zvyšování byly provedeny až v 50. letech dvacátého století. Úplné vysvětlení fotoelektrického jevu na základě kvantové teorie světla podal roku 1905 Albert Einstein. V roce 1921 byl za toto vysvětlení oceněn Nobelovou cenou. Fotoelektrický jev lze rozdělit na vnější a vnitřní a Einsteinovo vysvětlení se týkalo právě vnějšího jevu. V případě fotovoltaiky ale dochází k vnitřnímu fotoelektrickému jevu, zvanému fotovoltaický. V roce 1916 polský chemik Jan Czochralski (1885 1953) objevil proces výroby 14
monokrystalického křemíku z taveniny. Přesto, že byl fotovoltaický jev pozorován i v jiných materiálech jako např. sulfid kadmia a oxid mědi, křemík se ukazoval jako nejvýhodnější (tato problematika však bude dále rozvedena v kapitole 3, kde bude o křemíku jako materiálu pro fotočlánky pojednáno podrobněji). V roce 1941, americký vědec, Russel S. Ohl vytvořil v Bellových laboratořích (zařízení na výzkum a vývoj zařízení po celém světě s centrem v New Jersey, USA) historicky první fotovoltaický článek na křemíkové bázi. Patent za jeho vynález však obdržel jiný tým vědců Bellových laboratoří (Gerald L. Pearson, Daryl M. Chapin a Calvin S. Fuller) 5. března 1954, kterým se o měsíc později podařilo vyrobit článek o účinnosti 4,5%, tedy nejúčinnější v tehdejší době. Následný vývoj zrychlilo rozhodnutí používat fotočlánky jako zdroj energie pro umělé družice Země. První fotovoltaické články, zapojené do panelů, byly ve vesmíru testovány roku 1958 na družici Vanguard I (příloha 4,5). Postupně se staly solární panely jedním z hlavních energetických zdrojů nejen pro družice ale i pro kosmické stanice a výzkumné sondy. Cena prvních panelů se pohybovala průměrně okolo 150 USD/Wp. Od 70. let zájem o fotovoltaiku rostl a díky zvýšenému objemu výroby článků klesala také cena. Podnětem pro zvýšený zájem o fotovoltaiku byla ropná krize, vyvolaná nepokoji na Blízkém východě, která vyvrcholila roku 1973. V tomto roce se cena ropy za jeden barel (158,8 litrů) začala markantně zvyšovat a do roku 1980 státy OPEC cenu ropy jednoho barelu zvýšily z 2,83 USD (1973) až na 36,15 USD (1980). Přesto, že se hospodářská situace nakonec zlepšila, ukázala tato krize vyspělým západním zemím, že jsou nebezpečně závislé na ropném dovozu a vyvolala všeobecnou snahu vymanit se z této závislosti hledáním jiných alternativ k ropným zdrojům energie, mezi něž patří také fotovoltaika. I přesto, ale ropa zůstává jedním z nejdůležitějších energetických zdrojů. Od 80. let zájem o tento způsob získávání elektrické energie neustále vzrůstá, což se pozitivně projevuje i na ceně této technologie, která se v roce 1980 pohybovala okolo 50 USD/Wp. Od té doby dále klesla na dnešních 3-4 USD/Wp. Vývoj instalovaného výkonu od 90. let do současnosti je naznačen v grafu (příloha 6). [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37] 15
4 FOTOVOLTAICKÝ ČLÁNEK 4.1 Fyzikální princip přeměny sluneční energie na elektrickou Principem fotovoltaiky je přeměna slunečního záření na elektrickou energii fotovoltaický jev. Aby k němu došlo, je třeba přítomnost volných elektronů, kterým je dodána potřebná energie a jejich tok je tak usměrněn požadovaným směrem. V případě fotovoltaiky jako zdroj energie slouží sluneční záření, které je tvořeno proudem fotonů. Při dopadu fotonu na povrch materiálu, ve kterém se nacházejí volné elektrony, jsou tyto z jeho povrchu uvolněny, a zanechají po sobě kladný náboj, který fyzikové nazývají dírou. Problém je, že uvolněný elektron je opět dírou přitažen, dochází k rekombinaci a jeho energie se uvolní jako neužitečné teplo. Aby k rekombinbaci nedocházelo, je třeba elektrony a díry od sebe oddělit a přimět je, aby prošly elektrickým obvodem a energii získanou slunečním zářením předaly formou užitečné práce. Nejvhodnějšími materiály pro oddělení děr a elektrotonů a přeměnu slunečního záření na elektrickou energii jsou polovodiče. V těchto materiálech se nevyskytují volné elektrony, nejsou tedy vodivé, ale za určitých podmínek vykazují elektrovodivé vlastnosti, protože k uvolnění elektronu z valenční vrstvy v nich stačí přidat poměrně malé množství energie. Pro oddělení děr a elektronů, je potřeba v polovodiči vytvořit tzv. p-n přechod. Pro vysvětlení funkce p-n přechodu, použijeme nejběžněji používaného polovodiče křemíku (Si). Do křemíku o vysoké čistotě (99,999%) přidáním malého množství fosforu (P) nebo boru (B)dojde ke zvýšení jeho elektrické vodivosti. Za normálních podmínek jsou atomy čistého křemíku ve valenční vrstvě spojeny kovalentní vazbou čtyřmi elektrony. Obsahuje-li křemík fosfor, který má ve valenční sféře pět elektronů, dojde ke spojení s atomem křemíku čtyřmi elektrony a jeden elektron fosforu zůstává volný. Je-li křemík dopován borem, který ve valenční vrstvě obsahuje tři elektrony, dojde ke spojení s atomem křemíku pouze těmito třemi elektrony a vzniká tzv. díra. Dopováním křemíku fosforem tedy vznikne polovodič typu n, který má přebytečné elektrony, a dopováním křemíku borem vznikne polovodič typu p s nadbytečnými dírami, tj. místy, kde chybí elektron. 16
Jsou-li pak dvě destičky křemíku, z nichž jedna je dopovaná borem a druhá fosforem, k sobě přiloženy, vznikne v místě jejich styku tzv. p-n přechod. Dochází zde k difuzi záporných a kladných nábojů a v obou materiálech se vytvoří malý elektrický náboj a v důsledku toho i elektrické pole. Vzniklé elektrické pole další difuzi zastaví tím, že hromadící se elektrony na jedné straně začnou odpuzovat další elektrony, a tak dojde k přesunu pouze malého množství kladných a záporných nábojů v blízkosti p-n přechodu. V tomto místě tak nastane rovnováha, výrazné snížení vodivosti a vytvoření elektrického potenciálu. P-n přechod se dá přirovnak k polopropustné membráně, takže části, které skrze něj prošly jedním směrem se už nemohou vrátit zpět, nedochází tedy k zaplňování děr elektrony jako za normálních okolností (příloha 7) Jak tedy fotovoltaický článek funguje. Dopadem světla na plochu fotovoltaického článku fotony předají svou energii vazebním elektronům, uvolní je a vytvoří volné elektrony a díry, které tvoří záporný a kladný pól fotovoltaického článku. Aby k tomuto jevu mohlo dojít, je třeba aby elektrony získaly dostatečnou kinetickou energii, potřebnou pro překročení přechodu. Je-li energie malá, elektrony jsou odpuzeny záporným prostorovým nábojem v oblasti přechodu, vrátí se zpět a rekombinují se s dírami. Je-li však energie dostatečně velká, elektrony a díry překonají odpudivou sílu prostorového náboje, elektrické pole p-n přechodu je oddělí a pošle na opačnou stranu. Elektrony do vrstvy n a díry do vrstvy p. Dá se tedy říci, že fotovoltaický článek funguje jako velkoplošná dioda. Počet vygenerovaných elektronů a děr, a tím velikost proudu je dána množstvím dopadajícího světla. 4.2 Použité materiály Jak již bylo uvedeno výše, nejvhodnějšími materiály pro výrobu fotovoltaických článků jsou polovodiče, které potřebují malé množství dodané energie, aby se staly elektricky vodivé. Pro nejefektivnější využití sluneční energie musí být materiál pro článek vybrán tak, aby se energie, potřebná pro uvolnění jednoho elektronu, pohybovala v rozmezí 1 až 1,6 ev. Pokud je energie dopadajícího světla vyšší, nadbytečná energie se promění v teplo. 17
Nejběžnějším materiálem pro výrobu fotovoltaických článků se tedy stal křemík (příloha 8,9). Pro výrobu článků může být použit v monokrystalickém, polykrystalickém nebo amorfním stavu. Monokrystalický křemík je nejvhodnější pro průchod volných elektronů, a článek vyrobený z tohoto materiálu má velmi dobrou účinnost (v praktickém využití až 17%). Jeho výroba je však velmi drahá. Polykrystalický křemík je tvořen drobnými krystaly o velikosti řádově setin milimetru. Na rozhraní krystalů však dochází často k rekombinaci procházejícího elektronu s dírou. Tím je elektron pro elektrický obvod ztracen. Proto je účinnost článku, vyrobeného z polykrystalického křemíku nižší (v praxi max. 16%). V současné době je to nejběžněji používaný materiál pro výrobu fotovoltaických článků díky přístupné ceně. Amorfní křemík nemá krystalickou strukturu, a články jsou tvořeny nanášením velmi tenké vrstvy křemíku na podkladový materiál (např. skleněný, kovový nebo plastový podklad). Oproti krystalickému křemíku má tento materiál nepravidelnou strukturu s velkým množstvím poruch, kde některé atomy křemíku nemají možnost vytvořit vazbu, a kde dochází k rekombinaci nábojů a tím k velkým ztrátám na elektrické vodivosti fotovoltaického článku. Proto i účinnost tohoto článku je velni nízká (v praxi max. kolem 7%). Výhodou je však využití pro výrobu fotovoltaických článků ve formě krycích folií na střechy domů, nebo např. pro armádu k našití folie na oblečení a získání tak vlastního zdroje elektrické energie. Dalšími, méně běžnými, materiály pro výrobu fotovoltaických článků jsou polykrystalické materiály Galiumarsenid (GaAs), Diselenid mědi a india (CuInSe2), Telurid kadmia (CdTe). Články na bázi galia a arsenu jsou tvořeny směsí obou prvků. Nevýhodou je vysoká cena galia a toxicita arsenu. Tento materiál je vhodný především pro výrobu článků s více vrstvami s mírně odlišnými vlastnostmi, což umožňuje poměrně přesně řídit četnost vzniku elektronů a děr a tím zvyšovat jejich účinnost. Tyto články jsou odolné proti záření, a proto se využívají pro kosmické účely. Články vyrobené z diselenidu mědi a india se vyznačují vysokou pohltivostí slunečního záření a proto i jejich účinnost je poměrně vysoká. Mohou být velmi tenké. Jejich výroba nevyžaduje vysoké náklady. Články vyrobené z teluridu kadmia se rovněž vyznačují vysokou pohltivostí slunečního záření, podobně jako předchozí článek mohou být velmi tenké a levné 18
na výrobu. Jejich účinnost však za běžných podmínek není vyšší než u článků vyrobených z křemíku. 4.3 Fotovoltaické moduly Při praktickém použití fotovoltaických článků je třeba chránit je proti korozi, znečištění a mechanickému poškození. Vzhledem k nízkému elektrickému napětí jednotlivých článků je třeba jich do série zapojit velké množství. Proto je nutné je zapouzdřit, to znamená vytvořit z jednotlivých článků určitý pevný celek, který by splňoval praktické požadavky. Baterie zapouzdřených a do série zapojených článků se nazývá fotovoltaický panel nebo modul (příloha 10). Nejčastěji se na horní stranu modulu používá tvrzené sklo s nízkým obsahem železa a dobrou propustností světla. Pro zvýšení účinnosti modulu, jsou články opatřeny antireflexní vrstvou, která snižuje ztrátu světla odrazem. Na zadní stranu modulu se používá rovněž sklo, nebo folie z Tedlaru (polymer fluoru), který panel lépe chrání proti vodní páře a je odolný proti UV záření. Celý modul je zasazen do duralového rámu, který slouží k montáži modulu na kovovou konstrukci, umístěnou na střeše (příloha 11) U některých panelů se požaduje aby byly ohebné, proto se k zapouzdření používají plastové folie. Dokonalou izolaci panelu proti vlhkosti, která by mohla proniknout k p-n přechodu, a tím způsobit ztrátu jeho funkce, zajišťuje vakuová laminace folií z etylen-vinyl acetátového kopolymeru (EVA). 4.4 Zvýšení účinnosti fotovoltaických modulů Kromě zvýšení účinnosti fotovoltaických modulů použitím vícevrstvých článků, existuje několik levnějších způsobů, kterými lze docílit vyšší účinnosti modulů, zvýšením intenzity slunečního záření, dopadajícího na fotovoltaický modul. Jednou z možností jak zvýšit účinnost modulu je použití antireflexní vrstvy, která umožní vstup fotonů do struktury článku a zároveň zabrání výstupu fotonů, odražených od zadní strany článku, k čemuž dochází zejména při západu slunce, kdy světelné paprsky na panel dopadají pod malým úhlem. Zvýšení účinnosti modulu lze dosáhnout i použitím průhledné vodivé vrstvy na sběrný horní kontakt. Vrstva bývá obvykle tvořena oxidem cínu. 19
Další možností je použití oboustranných modulů, kdy sluneční záření na modul dopadá z obou stran. To znamená, že na horní stranu modulu dopadá přímé sluneční záření a na spodní stranu záření odražené od bílé nebo stříbrné střechy. Na odražení slunečního záření lze použít i zrcadlového koncentrátoru, umístěného pod spodní stranou modulu. Typy a funkce koncentrátorů budou popsány dále. Významným způsobem jak zvýšit účinnost solárních modulů, je jejich natáčení za sluncem tak, aby na ně sluneční paprsky dopadaly kolmo. V tomto případě je modul namontován na speciální otočnou kovovou konstrukci, vybavenou stejnosměrným motorem a malým oboustranným modulem, jenž slouží k pohonu elektromotoru, a který je vůči slunci nastaven kolmo (hranou). Pokud na jednu stranu pomocného oboustranného modulu dopadá více slunečního záření, je porušena rovnováha a motor se začne otáčet tak dlouho až na obě strany pomocného modulu dopadá stejné množství slunečního záření. Koncentrátory záření: Pro zvýšení účinnosti oboustranných modulů se využívá zrcadlových koncentrátorů. V podstatě jde o zařízení, schopné, sluneční záření, dopadající na velkou plochu, soustředit na malou plochu fotovoltaického článku. Koncentrátorů, používaných pro fotovoltaické moduly, je celá řada a rozdělují se podle toho jaké optické prvky pro koncentraci slunečního záření používají. Rozeznáváme koncentrátory s rovinným a parabolickým zrcadlem, složené parabolické koncentrátory (CPC) a koncentrátory s Fresnelovými čočkami. Princip funkce koncentrátorů s rovinným a parabolickým zrcadlem je zřejmý. Svýhodou se používají v kombinaci s natáčecím zařízením. CPC koncentrátor je složen ze dvou parabolických zrcadel a dokáže zachytit sluneční záření z určitého rozsahu úhlů a při malých koncentracích záření ho není nutno otáčet za Sluncem. Nevýhodou je nerovnoměrnost osvětlení fotovoltaického článku a větší plocha zrcadel. Koncentrátory s Fresnelovými čočkami se skládají z malých čoček, z nichž každá soustředí sluneční záření do ohniska, ve kterém je uložen fotovoltaický článek. 4.5 Autonomní a hybridní systémy Solární fotovoltaické systémy rozdělujeme dvou hlavních skupin. Na systémy propojené s elektrickou rozvodnou sítí (Grid-on) a systémy autonomní, tedy bez připojení k elektrické rozvodné síti (Grid-off). 20
Fotovoltaické systémy propojené s el. rozvodnou sítí přidávají svou elektrickou energii, do této sítě a pomáhají zajišťovat vysokou spotřebu elektrické energie. Jelikož fotovoltaické systémy vyrábí stejnosměrný proud o nízkém napětí, je nutné jej před připojením do sítě změnit na střídavý proud o napětí 230 V a frekvenci 50 Hz. K tomu se používají měniče. U systému Grid-off se v některých případech využívá kombinace obou systémů. Jde o tzv. hybridní (ostrovní) systém, kdy je možné využívat obou zdrojů elektrické energie, jak solární, tak elektřiny získané jiným způsobem. Hybridní systémy se využívají hlavně tam, kde je nutný celoroční provoz se značným vytížením. Jelikož z fotovoltaického panelu lze, v zimních měsících získat podstatně méně elektrické energie než v měsících letních, je třeba ji doplnit energií z jiných alternativních zdrojů (malá vodní elektrárna, větrná elektrárna atd.). Autonomní systémy nevyužívají rozvodné elektrické sítě, a používají se pro přímé napájení spotřebičů, nebo pro akumulaci elektřiny tam, kde tyto sítě neexistují, např. v odlehlých oblastech, kde není k dispozici žádný zdroj elektrické energie, nebo tam, kde není z ekonomických důvodů vhodné budovat elektrické přípojky (např. odlehlé objekty jako jsou chaty, karavany, různé signalizace atd.). Malé autonomní systémy se s výhodou využívají i na cestách jako zdroj energie pro dobíjení mobilních telefonů, digitálních fotoaparátů, kamer, notebooků apod. Typickými představiteli systémů nezávislých na síti, jsou systémy s akumulací elektrické energie. Takovéto systémy vyžadují akumulátorové baterie (které se přes den nabijí fotovoltaickým systémem) a v noci, kdy není sluneční světlo, pak dodávají elektřinu. Optimální nabíjení akumulátorů je zajištěno elektronickým regulátorem. 4.6 Pomocná zařízení fotovoltaických systémů Kromě samotných fotovoltaických panelů a koncentrátorů, případně natáčecích prvků, je k zapotřebí k výrobě elektřiny ještě celá řada dalších zařízení. Jsou to: - akumulátory - invertory (měniče proudu), transformátory - odpojovače zátěže - měřící zařízení - náhradní zdroje 21
Akumulátory: Jsou to zařízení, která akumulují el. energii, získanou z fotovoltaických systémů v době slunečního záření, kterou pak večer a v noci předávají spotřebičům. Nejčastěji jsou používány akumulátory olověné, které snášejí tzv. hluboké vybíjení a mají nízkou samovybíjení hodnotu. Mohou být bezúdržbové u kterých nedochází k odpařování vody a nebo levnější akumulátory, vyžadující běžnou údržbu formou dolévání odpařené destilované vody. Do skupiny alkalických akumulátorů patří akumulátory nikl-kadmiové (Ni-Cd), nikl-metalhydridové (NiMH) a nikl-ocelové (Ni-Fe). Pro účely fotovoltaiky se dnes prakticky používají jen Ni-Cd akumulátory a to ještě poměrně zřídka. Invertory: Aby bylo možno proud, vyrobený fotovoltaickými systémy, připojit na elektrickou rozvodnou síť, je nezbytné jej upravit. K tomu slouží invertory, nebo-li měniče proudu, které mění stejnosměrný proud na střídavý pomocí spínacích obvodů a ten je pak transformován na napětí používané v síti (230 V). Velmi důležitý je tvar výstupního střídavého napětí. Nejideálnější je tvar sinusový, který mohou vytvořit jen nejdražší invertory. Rozvodné závody, které produkují elektrickou energii, předepisují jaký tvar výstupního napětí z invertoru je vhodný pro napojení do rozvodné sítě. Vyrobené napětí musí být do sítě dodáváno přesně ve fázi s napětím v síti. Odpojovače zátěže: Slouží k odpojení napětí dodávaného fotovoltaickými systémy při poruše na síti. Mohlo by se totiž stát, že napětí dodávané fotovoltaickými systémy by zůstalo v síti i po odpojení proudu, dodávaného rozvodnými závody a mohlo by ohrozit pracovníky, kteří např. poruchu odstraňují. Měření vyrobené energie: Měření vyrobené energie je nezbytné z finančního hlediska. Pro producenty elektrické energie vyrobené fotovoltaickými systémy je důležité vědět kolik energie dodali do elektrické rozvodné sítě a pro domácnosti vybavenými fotovoltaickými systémy, slouží pro informaci kolik kterého proudu odebraly. Obvykle bývají vybaveny dvěma elektroměry, z nich jeden měří energii odebranou ze sítě a druhý ze solárního systému. 22
Náhradní zdroje: Náhradní zdroje elektrické energie jsou nezbytné u objektů, které provozují fotovoltaický systém a nejsou napojeny na elektrickou rozvodnou síť. V zimním období, kdy sluneční svit je velmi malý, je třeba doplnit dodávku elektřiny z jiných zdrojů. K tomu slouží náhradní zdroje, jako např. malé elektrocentrály s motorem na benzin. Elektřina vyrobená tímto způsobem je však poměrně drahá a elektrocentrály na benzin výfukovými plyny zatěžují životní prostředí. Proto se hledají další možnosti pro výrobu elektrocentrál, které by nezatěžovaly životní prostředí a el. proud vyráběly levněji. Jako dobrá alternativa se jeví Stirlingův motor, připojený k topeništi, který současně s topením vyrábí elektřinu. V zimě, kdy fotovoltaické systémy dodávají nedostačující množství elektřiny a kdy je nejvyšší spotřeba tepla, je Stirlingův motor výborným řešením pro dodávku elektrické energie. [2], [4], [38], [39], [40], [41], [42] 5 TECHNICKÉ PŘEDPOKLADY FOTOVOLTAICKÝCH SYSTÉMŮ V České republice je dostupnost získané sluneční energie ovlivněna různými faktory. Pro dosažení nejvyšší účinnosti je nejdůležitějším technickým předpokladem správné umístění fotovoltaických systémů. V tomto směru je rozhodující lokalita, ve které je fotovoltaický systém umístěn, sklon panelů a jejich orientace - ideálně vůči jihu. Lokalita: Množství dopadajícího slunečního záření se mnění podle dané lokality. Právě na tom, jaká oblast (zeměpisná šířka) a poloha (nadmořská výška) je pro umístění fotovoltaického systému zvolena, závisí množství energie, kterou fotovoltaický systém vyrobí. Pro hrubou orientaci je možné použít obecnou mapu České republiky (příloha 12). Pro přesnější odhad roční produkce elektrické energie slouží systém PVGIS. Na základě souřadnic GPS a údajů o sklonu a orientaci systém PVGIS umožňuje poměrně přesný a ověřený odhad produkce elektrické energie. Přesnost je daná statistickým sběrem dat z let 1985 až 1995 v celé Evropě. Evropa byla rozdělena na čtverce o velikosti 1 x 1 km a v těchto čtvercích byly pravidelně odečítány hodnoty slunečního záření a teploty. Tak byla vytvořena mapa Evropy, ve které je vyznačena intenzita slunečního svitu. 23
Sklon a orientace panelů: Obě tyto veličiny výrazně ovlivňují účinnost fotovoltaického systému. Sklon panelu je úhel mezi vodorovnou plochou a plochou panelu. V našich podmínkách je ideální sklon mezi 30 až 40º. Nejvíce slunečního záření na severní polokouli dopadá z jihu. Proto by měl být tímto směrem orientován i fotovoltaický systém. Sklon jižním směrem je považován za ideální a v podmínkách České republiky by mělo dojít k odklonění z tohoto směru maximálně o 1º na jihozápad, aby nedošlo ke snížení produkce energie z fotovoltaického systému. Pokud se v praxi od ideálního sklonu a orientace odkloníme více, povede to k výraznému snížení produkce elektrického proudu [43]. 6 FOTOVOLTAIKA V PRAXI V roce 2003 se průměrná cena za barel ropy pohybovala okolo 29 USD/barel a tato cena stále stoupá (v roce 2006 to bylo již 77 USD/barel). Souběžně s cenou ropy stoupá i cena zemního plynu a bohužel i elektřiny. Kromě tohoto problému s narůstající cenou fosilních paliv roste i neklid vyspělých průmyslových zemí ze závislosti na dovozu energetických surovin vesměs z politicky nestabilních a problémových oblastí. Proto je potřeba nadále rozvíjet technologie využívající obnovitelné energetické zdroje, aby mohla klesnout naše závislost na dodávkách surovin pro výrobu energie ze zemí druhého a třetího světa. Klíčový bod pro rozvoj využívání obnovitelných energetických zdrojů je zakotven ve směrnici Evropského společenství 2001/77/ES, ve které je zakotven systém podpory výroby energie z obnovitelných zdrojů. Tato podpora má být realizována převážně zvýšením výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů. Každých pět let pak budou členské státy Evropské Unie povinny vydat a zveřejnit zprávu o výrobě energie z obnovitelných zdrojů a také o krocích, které budou do budoucna podniknuty pro zvýšení podílu této výroby. 24
6.1 Rozvoj a stav fotovoltaiky v podmínkách ČR V České republice bylo využívání elektrické energie z fotovoltaických systémů spíše příležitostné. Na ulicích některých měst jako v Brně či Ostravě se objevily parkovací automaty napájené z malých solárních panelů. Objevilo se několik zařízení, která byla použita pro napájení komunikačních či měřících zařízení v terénu. Pro napájení objektů a zařízení v lokalitách, které nebyly připojeny k rozvodné síti se jednalo zejména o malé ostrovní systémy. Nejvíce fotovoltaických zařízení využívali vlastníci soukromých rekreačních chat, kde elektrická energie získaná ze Slunce napájela osvětlení a drobné elektrické spotřebiče. V takovém případě systém většinou zahrnoval jediný solární panel o výkonu 10 100 W a pomocná zařízení jako akumulátorové baterie pro uchování přebytečné energie a regulátor dobíjení. Většími zařízeními tohoto typu byl fotovoltaický systém s vyšším výkonem až 370 kw, který sloužil k napájení horské chaty, příkladem takového napájení může být Téryho chata ve Vysokých Tatrách (příloha 13) Téryho chata (Vysoké Tatry) Chata se nachází v nadmořské výšce 2015 m.n.m. v lokalitě Malé Studené Doliny u Pěti Spišských ples na Slovensku. Vznikla na popud Edmunda Téryho, lékaře a horolezce na počátku dvacátého století a významně přispěla k rozvoji turistiky v této oblasti. Bohužel, díky své nepřístupné poloze vysoko v horách a obtížnému přístupu zde není přiveden přívod elektrické energie. Pro osvětlení se používaly jen petrolejové lampy, kuchyň byla v provozu díky využití topení uhlím a dřevem a stejně tak i ohřev vody. Po stoletém provozu se objevila myšlenka zásobovat tuto chatu elektřinou přeměněnou ze Slunce, tedy za pomoci využití fotovoltaiky. Byla zde instalována malá fotovoltaická elektrárna složená z mnoha solárních panelů o celkovém výkonu 1200 W. Komponenty panelů byly navrženy tak, aby efektivně pracovaly v drsnějších horských podmínkách a to zejména v zimě, kdy budou schopny pracovat kratší dobu. 25
Technologie fotovoltaiky tak přispěla ke zvýšení atraktivity chaty a zlepšila služby, které může chata nabídnout přijíždějícím turistům a horolezcům. 6.1.1 Vybrané příklady malých fotovoltaických zařízení Fotvoltaickým systémem, který byl jako první svého druhu u nás vystavěn, byla fotovoltaická elektrárna na hoře Mravenečník v Jeseníkách. Fotovoltaická elektrárna na hoře Mravenečník v Jeseníkách (příloha 14) Výstavba byla této elektrárny byla zahájena již roku 1994 pod záštitou společnosti ČEZ poblíž přečerpávací vodní elektrárny Dlouhé Stráně v Jeseníkách. Fotovoltaická elektrárna o instalovaném výkonu 10 kw zde byla vybudována v rámci výstavby větrné farmy Mravenečník. Celý komplex leží v nadmořské výšce 1160 m a vlivem nepříznivých klimatických podmínek během výstavby byl celý projekt dokončen až roku 1998. Samotná fotovoltaická elektrárna plnila funkci výzkumného a testovacího zařízení a její provoz provázely časté poruchy zařízení a od roku 2001 dokonce rozkrádání panelům, čemuž nezabránila ani zvýšená ostraha v areálu elektrárny. Ke konci roku 2002 byl provoz elektrárny zastaven, panely demontovány a převezeny do areálu jaderné elektrárny Dukovany. Dukovanská fotvoltaická elektrárna Tedy původní elektrárna v Jeseníkách byla zprovozněna o rok později po svém přestěhování na novou lokalitu, tedy roku 2003. V areálu jaderné elektrárny Dukovany na Jižní Moravě je součástí informačního centra. Celková zastavěná plocha solárními panely činí 580 m² a celkový výkon je nezměněn, tedy 10 kw. Dukovanská jaderná elektrárna takto návštěvníkům informačního centra ilustruje rozdíl v poměru zastavěné plochy a výkonu oproti jadernému reaktoru (výkon 1760 MW). V pořadí druhou velice významnou stavbou, kde byla fotovoltaika v praxi využita je hotel Panorama v Praze na Pankráci. Hotel Panorama Praha V tomto případě jde o demonstrační projekt ve využití solárních panelů na fasádě budovy, realizován roku 2000. Jako materiál byl použit monokrystalický modul ve zlaté barvě. Jde tak o první 26
barevnou fotovoltaickou instalaci ve Střední Evropě o výkonu 6 kw na ploše 66 m². Projekt byl realizován za podpory komise EU a Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky. V roce 2000 byl Ministerstvem životního prostředí ve spolupráci s Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy vyhlášen celostátní program Slunce do škol. Slunce do škol Hlavním důvodem vyhlášení tohoto programu byla snaha o osvětu a výchovu společnosti. Slunce do škol má žákům i jejich rodičům ukázat důležitost alternativních energetických zdrojů pro naši budoucnost, protože přispívají k ochraně přírody. Prostřednictvím tohoto programu se mohou žáci seznámit se zařízeními, která pracují na bázi využívání energie ze Slunce, tedy se solárně-termickými a fotovoltaickými zařízeními. V rámci tohoto programu jsou do škol dodávány funkční učební pomůcky z oblasti solárních systémů a proběhla instalace mnohých systémů na školní budovy. ČVUT v Praze Jedním z prvních projektů programu Slunce do škol byla instalace demonstračního fotovoltaického systému na budově fakulty elektrotechnické Českého vysokého učení technického v Praze. Výkon systému je 3 kw a slouží pro výzkum fotovoltaiky i faktorů, které tuto technologii ovlivňují. Je tedy pozorován i náklon panelů v daném úhlu a vliv na účinnost celého systému. Dochází také k on-line monitorování a vyhodnocování aktuálních dat za momentálních podmínek apod. Během roku 2002 probíhala instalace sítě fotovoltaických systémů v rámci programu Slunce do škol na základních a středních školách o celkovém instalovaném výkonu okolo 10 kw. Matematicko-fyzikální fakulta UK Praha V roce 2003 proběhla instalace fotovoltaického systému v rámci programu Slunce do škol na matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze Tróji. Na plochou střechu budovy C v areálu fakulty byla umístěna demonstrační fotovoltaická elektrárna o výkonu 20 kw. Na ploše 162 m² bylo instalováno celkem 27