Fotovoltaické elektrárny
Varianty výkupu elektrické energie
Systém pro vlastní spotřebu a prodej přebytků
Systém v této konfiguraci obsahuje fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič pro přeměněnu stejnosměrného proudu na proud střídavý a zvláštní elektroměr pro odpočet energie vyrobené fotovoltaikou. Celý tento okruh je připojen na samostatný jistič a přepěťovou ochranu do rozvaděče v daném objektu. Solární systém je připojen za hlavní elektroměr (z pohledu distribuční elektřinu) nebo ji v případě přebytků přes hlavní čtyřkvadrantový elektroměr předávat do sítě. V obou případech z vyrobenou je inkasován tzv. zelený bonus, v případě prodeje přebytků do sítě navíc výrobce inkasuje rozdíl mezi výkupní cenou a zeleným bonusem.
Systém pro prodej elektrické energie do sítě
Systém, který produkuje elektrickou energii výhradně pro výkup, obsahuje fotovoltaické panely připojené na napěťový měnič, který přemění stejnosměrný proud na proud střídavý a elektroměr pro odpočet energie vyrobené fotovoltaikou. Tento okruh je přes jistič a přepěťovou ochranu připojen ještě před hlavní elektroměr v objektu (z pohledu distribuční společnosti). Veškerá vyrobená energie je tedy dodávána do distribuční sítě za výkupní cenu.
Ekonomické hodnocení FVE
Výkupní cenu z obnovitelných stanovuje Energetický regulační úřad. Ekonomická návratnost fotovoltaického systému je závislá na celé řadě faktorů, které více či méně ovlivňují návratnost investice. V současné době probíhá v České republice velký rozmach ve výstavbě solárních elektráren, který je způsoben vysokou výkupní cenou solární energie.
Výroba elektřiny z FVE je činnost licencovaná, tj. stačí IČO, které lze získat i bez živnostenského oprávnění.
V roce uvedení do provozu a následujících pěti letech pěti letech provozování fotovoltaické elektrárny je osoba je vyrábějící energii z obnovitelných zdrojů od daně z příjmu osvobozena. V následujících letech příjmy podléhají zdanění.
U stávajících zdrojů se výkupní ceny zvyšují s ohledem na index cen průmyslových výrobců minimálně o 2 % a maximálně o 4 %. V případě nových zdrojů Energetický regulační úřad přihlíží k časovému vývoji měrných investičních nákladů a parametrů ostatních, které mají vliv na výslednou výkupní cenu. V případě nových zdrojů je pokles možný pouze o 5 %.
Fotovoltaické články
Fotovoltaické články se nejčastěji vyrábějí z krystalického křemíku. Nevýhodou křemíku je jeho pořizovací cena, která je dána zejména požadavkem na čistotu. Pro solární aplikace se používá křemík, který je méně kvalitní než křemík používaný v mikroelektronice.
Křemík je druhým nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Nevýhodou je, že vyskytuje pouze jako vázaný, tudíž je nutné ho vyseparovat z křemenného písku.
Křemíkové monokrystalické články
Nejstarším typem fotovoltaických článků jsou články vyrobené z monokrystalického křemíku. Výroba těchto článků není vůbec jednoduchá a je značně energeticky náročná.
Postup výroby
K výrobě monokrystalů se převážně používá tzv. Czochralského metoda. Princip této metody spočívá v pomalém tažení zárodku krystalu z kapalné taveniny velmi čistého křemíku. Při růstu monokrystalů je nutné v peci udržovat stálé podmínky. Takto vzniklé ingoty monokrystalického křemíku se nařežou speciální pilou na pláty, které mají tloušťku 0,25 - 0,35mm. Poté se plátky zarovnají na rovnoměrnou tloušťku a provede se jejich následná úprava (leštění a odstranění případných nečistot). PN přechod je vytvořen tak, že z jedné strany dojde k obohacení pětimocným prvkem (P, As) - vznik vodivosti typu N a z druhé strany dojde k přidání prvku trojmocného (B) - vznik vodivosti typu P.
Ekonomicky výhodnější je tažení monokrystalického pásku rovnou z taveniny. Tímto způsobem tažení lze vyrobit až dvojnásobnou plochu solárního článku. Nevýhodou tohoto principu výroby je o něco nižší účinnost fotovoltaických článků.
Křemíkové polykrystalické články
Jedná se o rozšířený typ fotovoltaických článků. Výhodou těchto článků je jednodušší technologie výroby a z toho vyplývající nižší cena. V současné době, kdy je velká poptávka po solárních panelech, se ceny monokrystalických a polykrystalických článků téměř shodují.
Postup výrobyPři výrobě polykrystalických článků dochází k odlévání materiálu (čistého křemíku) do speciálních forem (čtvercový nebo obdélníkový tvar - lepší využitelnost materiálu). Vzniklé ingoty se jako v předchozím případě nařežou. Nevýhodou této technologie výroby je vznik většího odporu mezi jednotlivými krystalovými zrny v porovnání s monokrystalem. Zhoršují se tím elektrické vlastnosti - nižší proud.
Amorfní články
Amorfní články jsou v porovnání s monokrystalickými a polykrystalickými články znatelně levnější, výroba je méně materiálově a enegeticky náročná. Pokles ceny je zde způsoben použitím menšího množství materiálu. Nevýhodou těchto článků je jejich malá účinnost (5-9 %).
Postup výroby
Ve vakuové atmosféře při teplotách kolem 200 oC je nanášena vrstva na destičku zhotovené ze skla, plastu nebo nerezu. Klasické krystalické články mají tloušťku cca 0,3 mm, v případě amorfního křemíku se jedná většinou o nanášení vrstev nepřesahující tloušťky 0,001 mm. V případě, že se jedná o malé tloušťky článků, tak se mluví o tzv. tenkovrstvé technologii.
V praxi konstrukci článků tvoří jedna nebo více vrstev z amorfního křemíku s příměsí germania a dalších prvků, které jsou naneseny na základní fólii zhotovené z ušlechtilé oceli. Základní fólie vytváří záporný pól článku. Kladný pól je vytvářen z vláken z ušlechtilé oceli. Celý článek je zataven v polymerním ochranném pouzdře tvořeném ze směsi etylen-vinyl-acetátu (EVA) a fluoro-polymeru na bázi teflonu. Pouzdro tvoří vysoce odolný obal. Funkcí tohoto pouzdra je schopnost zabránit tvorbě usazenin a tím článek udržovat v čistém stavu.
Ve srovnání s krystalickým křemíkem se jedná o málo pravidelnou strukturu. Některé z atomů křemíku nemají vedle sebe potřebné atomy, se kterými by mohly vytvořit vazbu. V těchto místech může docházet k rekombinaci nábojů. Tyto elektrony (díry) se dále nezúčastní vedení proudu, což má za následek snížení účinnosti těchto článků. Problém lze z části odstranit navázáním vodíku na tyto volné vazby, edná se o tzv. hydrogenizaci nebo pasivaci.
Účinnost těchto článků je 5-9 %. Jejich výhodou je menší pokles výkonu při nízké intenzitě osvětlení ve srovnání s krystalickými fotovoltaickými články. Články, které jsou vyrobené z amorfního křemíku, vykazují při spuštění systému vyšší výkon než udává výrobce. V průběhu prvního roku používání se hodnota výkonu ustálí na hodnotě, kterou udává výrobce v katalogových listech. Amorfní články se v letních měsících nepřehřívají, tzn. že se nezmenšuje jejich výkon.
Díky malé tloušťce a značné ohebnosti je možné takto vyrobený fotovoltaický článek aplikovat na různé materiály (plast, guma, sklo...), výsledné FV panely pak následně snadněji instalovat na různé typy střech.
Invertor (střídač)
Stejnosměrné napětí vyrobené soustavou solárních panelů je nutné převézt na proud střídavý. Rozstřídání se provádí pomocí zařízení, které je nazýváno střídač (invertor). Invertory jsou zpravidla elektronické systémy tvořené výkonovými tranzistory, které danými spínacími procesy vytvoří střídavý průběh. Vytvořený proud je dále možné transformovat pomocí transformátorů na vyšší výstupní napětí. Kromě výše zmíněné funkce slouží k zaznamenávání provozních údajů a signalizaci. Invertory zároveň fungují jako přepěťová ochrana jak na straně stejnosměrné, tak na straně střídavé.
Historie a princip
Fotovoltaický jev byl experimentálně objeven v roce 1838 devatenáctiletým mladíkem Alexandrem Edmondem Becquerelem. Fyzikálně byl tento jev popsán až v roce 1904 Albertem Einsteinem. V roce 1921 obdržel Albert Einstein Nobelovu cenu za rozvoj teoretické fyziky a objev fotovoltaického efektu.
Poprvé se začalo s pokusy na selenu, kde byla zjištěna změna vodivosti v závislosti na osvětlení. Tento objev vedl ke vzniku prvního selenového fotočlánku - článek měl účinnost asi 1 %. První patent na fotovoltaický článek byl podán v roce 1946 Russellem Ohlem. Tento vědec také stojí za počátkem prvních křemíkových solárních článků .
Solární článek funguje na principu přeměny světelné energie na energii elektrickou. Ve skutečnosti se jedná o velkoplošnou diodu s alespoň s jedním PN přechodem.
Aby byl fotovoltaický jev účinný musí být PN přechod realizován v blízkosti povrchu, na které dopadá světlo. Při dopadu slunečního záření na fotovoltaický článek dojde ke generaci elektronů a děr. Dojde k odseparování elektronů a děr pomocí vnitřního elektrického pole PN přechodu. Toto oddělení elektronů a děr má za následek vytvoření rozdílných potenciálů na přední a zadní straně fotovoltaického článku. Připojením vnějšího obvodu k těmto kontaktům (přednímu a zadnímu) dojde k průchodu stejnosměrného elektrického proudu. Generovaný proud je přímo úměrný intenzitě dopadající slunečního záření a jeho ploše. Sluneční záření dopadající na zemský povrch je vytvořeno z různých vlnových délek a energií.
Důležité pro fotovoltaický článek je pohlcovat co nejširší oblast slunečního spektra. Dopadne-li na křemíkový článek foton o energii menší než 1,14 eV, tak tento foton křemíkem projde a není absorbován. Proto je možné využít pouze fotony o energii větší než 1,14 eV, aby došlo k uvolnění nosičů náboje.
Napětí jednoho fotovoltaického článku vyrobeného z křemíku je přibližně 0,6 V. Zatížením článku dojde ještě k dalšímu poklesu napětí na cca 0,5 V. Proto je potřeba tyto články spojovat do funkčních bloků (36 článků pro 12 V nebo 72 článků pro 24 V), abychom byli schopni tyto články využít v praxi. Články jsou spojené sériově, tzn. že každým článkem teče stejný proud. Z výše zmíněného důvodu je žádoucí, aby byly fotovoltaické články přibližně stejně osvícené. Pokud by došlo k zastínění nějakého článku, tak by se výkon celé soustavy výrazně snížil. Proto je nutné aby se zastínění FV panelů vyloučilo.
Životnost modulů vyrobených z krystalického křemíku se udává 20 až 30 let. Výkon modulu je udáván jako maximální dosažitelný výkon při intenzitě osvětlení 1000 W/m2, světelném spektru AM 1,5 (jedná se o 1,5 násobek atmosféry simulace šikmého dopadu) a teplotě článku 25oC. Díky tomu je možné jednotlivé typy panelů možné porovnat.