Fotovoltaika dobývá nejen střechy našich domů

V úvodu článku uvedené tři typy fotovoltaických soustav jsou určené k výrobě elektrické energie. Vedle toho se instalují ještě solární systémy solárně-termické, určené k ohřevu topné a užitkové vody. Vědci dokonce tvrdí, že přeměna slunečního záření na elektrickou energii pomocí fotovoltaických solárních článků bude v 21. století nejrychleji rostoucí výrobou čisté elektrické a tepelné energie. Mezinárodní energetické agentury předpovídají, že se Slunce stane největším zdrojem elektrické energie nejpozději do roku 2050. Zapojit se do tohoto trendu přitom může každý z nás. A kdykoli.

Sice je investice do fotovoltaických panelů stále nemalá, jejich cena však neustále klesá a návratnost je již nejvýše 10 let, pokud není investice dotována. Životnost fotovoltaických systémů je přitom 25 až 35 let, počítat však musíme s každoroční mechanickou údržbou.

Jednorázová dotace může jinak v ČR činit u hybridního systému s připojením k veřejné distribuční soustavě až 100.000 Kč. Díky podpoře státní politiky jsou navíc fotovoltaické systémy s výkonem do 10 kWp osvobozeny od daně z příjmu, příjmy z prodeje přebytku elektřiny do distribuční sítě proto nejsou považovány za příjmy z podnikání. K legálnímu provozu zařízení také není nutné žádat ani o licenci od Energetického regulačního úřadu.

Fotovoltaické panely jsou plochá pasivní zařízení vyrobená z fotovoltaických článků, které svým povrchem zachycují elektromagnetické sluneční záření (fotony) a pomocí fotovoltaického jevu transformují sluneční záření na stejnosměrnou elektřinu. Využívají k tomu polovodiče (např. křemík resp. křemíkové polovodičové destičky). Stejnosměrnou elektřinu pak měnič elektrárny přemění na střídavé napětí (např. 220 V). Měniče využívané v hybridních fotovoltaických elektrárnách se starají o přepínání toků energie mezi různými prvky soustavy (akumulátor, distribuční síť, okamžitá spotřeba v domácnosti apod.).

Fotocitlivý křemík (monokrystalický či polykrystalický) je po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem zemské kůry. A právě křemík je dominantním prvkem při výrobě fotovoltaických článků. Panely (resp. články) však lze vyrobit i z jiných materiálů, například z amorfního křemíku, mikrokrystalického křemíku, síry a z organických látek. V těchto případech jde o panely tenkovrstevné.

V tomto případě jde o výrobu elektrické energie prostřednictvím solárního systému s připojením k veřejné distribuční síti (mezinárodní označení on-grid znamená v síti). Produkovaná energie není kumulována v bateriích a systém nelze v případě potřeby přenést na jiné místo. Energie je spotřebována buďto okamžitě, nebo jsou přebytky zasílány do veřejné sítě. Prodej přebytků a následný odběr ze sítě mimo období slunečního svitu je ale ekonomicky nevýhodný. Provozovatel fotovoltaické elektrárny prodává elektřinu do sítě za cenu silové elektřiny, která je oproti ceně elektřiny nakupované zpět ze sítě velmi nízká. Další stinnou stránkou je nezbytné schválení parametrů elektrárny veřejným distributorem elektrického proudu a následná závislost na síti. To znamená, že je zařízení k síti nutně a stále připojené a při výpadku sítě nelze využívat ani fotovoltaickou elektrárnu. Jestliže investor navíc využije ke snížení pořizovacích nákladů státní dotaci, nesmí do provozu elektrárny později znovu zasahovat, jinak by došlo ke ztrátě nároku na dotaci. Nelze již tedy elektrárnu například přestavět na ostrovní systém.

Má to však i své přednosti, předně jsou tradiční solární elektrárny roky provozu otestovanou technologií s téměř nulovou potřebou údržby. Řešení je technicky jednoduché (zahrnuje pouze fotovoltaické panely, střídač a ochranu) a životnost panelů je cca 25 let (měničů 5 až 8 let).

Elektrická energie vyrobená elektrárnou takzvaného ostrovního systému, který není připojen k distribuční síti, je kumulována do baterií. Investor tak získává energetickou nezávislost. Jde o praktické řešení především v objektech, které nedisponují tradičním elektrickým připojením na distribuční síť a nebo by jeho zřízení bylo příliš nákladné. V mezinárodní terminologii se používá výraz off-grid (odpojeno od sítě). Na druhou stranu se však již instalují ostrovní systémy i tam, kde elektrická přípojka existuje, elektrárna však nesmí být připojena k síti. V těchto případech není třeba schvalování distributorem standardního elektrického proudu.

Vyprodukované napětí je nižší než u síťových instalací, díky čemuž hrozí mnohem menší riziko úrazu. Ostrovní systém pracuje se stejnosměrným proudem, jeden solární panel obvykle vyprodukuje 12 V a poté je většinou využíváno sériové zapojení s celkovým výstupním napětím 48 až 60 V. Běžnou nadstavbou ostrovních systémů je navíc i střídač neboli měnič, díky kterému lze využívat i spotřebiče, které potřebují napětí 230 V. Ostrovní systém tedy nemusí být jen záložním zdrojem, ale mohou jej využívat i kapacitně náročnější spotřebitelé.

Nevýhodou je v tomto případě nutná investice do akumulačních baterií. Jsou potřebné trakční baterie, které odčerpávají nahromaděnou energii pomalu, obvykle do úplného vybití. Tyto baterie jsou navržené, aby odolávaly negativním důsledkům opakovaného hlubokého vybíjení. Akumulátory jsou nejčastěji olověné a s články o napětí od 2 do 12 V. Novinkou jsou baterie olověné – uhlíkové a další možností jsou baterie na bázi lithia-železa-fosfátu (LiFePO₄, LiFeYPO₄) či lithia-ionu, které jsou technologicky nejvyspělejší. Jsou lehčí, snáší vyšší nabíjecí/vybíjecí proudy, přežijí i hlubší vybití a netrpí na kolísání teplot. Provozuschopné mohou být až 20 let.

Ostrovní systémy jsou zatím dražší variantou využití slunečního záření, investice se ale rychle vrací. Nejmenší ostrovní systémy pak najdeme například na dopravních značkách. Oproti tomu jsou známé i celé vesnice s ostrovními systémy v odlehlých oblastech.

Hybridní fotovoltaické elektrárny jsou instalovány v místech, kde je k dispozici klasická elektrická přípojka. I když je většina vyrobené elektřiny použita pro vlastní spotřebu (až 100 %, ať už ve formě elektřiny či přitápění tepelným čerpadlem), je elektrárna připojena i k distribuční soustavě a lze do ní proto dodávat vyrobené přebytky.

Vlastně jde také o ostrovní systémy, které však dovedou pracovat současně v on-grid i off-grid režimu. Využívají hybridní inteligentní měnič napětí, který zajišťuje přepínání toků energie mezi různými prvky soustavy (akumulátor, distribuční síť) a přesměrování přebytečné energie v reálném čase a nebo s řízeným zpožděním do předem určených energeticky náročných spotřebičů (klimatizace, bojler atd.).

Hybridní elektrárny jsou účinným kompromisem mezi klasickou fotovoltaickou elektrárnou a ostrovním systémem. Tímto systémem dovedeme využití maximum energie z obnovitelných zdrojů. Hybridní systém je považován za nejekonomičtější řešení, které umožňuje nezávislost uživatele na zvyšování cen elektřiny či na výpadcích distribuční soustavy.

Solární panely by měly být ideálně umístěné na střeše se sklonem 35°. Není však vyloučeno ani jejich situování na vodorovných střechách, na fasádách nebo balkonech bytových domů. Umístit je lze prakticky kamkoli. Při instalaci panelů například na fasádě je však třeba počítat s přibližně až 25% ztrátou energetického výnosu. Předností umístění na balkónech pak může být vytvoření jakési markýzy z panelů, která nám zde bude stínit.

Kromě výše zmíněného sklonu střechy je pak nejdůležitější také světová strana. Ideální je natočení panelů na jih až jihozápad. Je také třeba počítat s variabilitou slunečního záření. Jiný je výkon, když slunce svítí ze strany, jiný při přímém svitu v poledne. Kromě ideálního sklonu střechy pak lze panely také přizvednout pomocí speciální kovové konstrukce. Roli nakonec hraje i případné zastínění střechy třeba okolními budovami či stromy.

Čím je obloha zamračenější, tím nižší je výkon fotovoltaických panelů. Mírný klimatický pás má navíc slunných dní o mnoho méně než je tomu v ideálním případě pod rovníkem. Klimatické podmínky jsou u nás dosti nestálé, nejhorší je to pak v zimě. Na druhou stranu však platí, že extrémní hodnoty slunečního záření nemusí nutně znamenat extrémní výnos energie. Ideální je totiž kombinace vysoké intenzity slunečního záření a současně nízké teploty.

Úspora energie je u nás díky fotovoltaice během slunečných dnů značná, nemůžeme se však spoléhat pouze na Slunce. Je třeba využívat i doplňkové zdroje energie. Navíc je ideální instalovat panely tam, kde je největší odběr energie během dne (elektrické vytápění, tepelné čerpadlo, elektrický ohřev vody apod.). Využijeme tak maximálně elektřinu vyrobenou ve špičce.