S ročným nárastom inštalovaného výkonu prevyšujúcim 30 % je fotovoltaika v celosvetovom meradle jeden z najrýchlejšie sa rozvíjajúcich odborov. Slnečné žiarenie, ako zdroj energie, má oproti fosílnym palivám hneď niekoľko výhod – je prakticky nevyčerpateľné, nemožno ho sprivatizovať a navyše je najekologickejším „palivom“...

Fotovoltaický jav objavil v roku 1839 Antoine-Cesár Becquerel (*1788 - +1878). Na rozhraní dvoch polovodičových materiálov, na ktoré dopadá slnečné žiarenie, dochádza k pohlcovaniu fotónov a uvoľňovaniu elektrónov, z čoho vzniká elektrické napätie. Toto napätie sa dá využiť aj vo väčšom rozsahu – zriadením fotovoltaickej elektrárne. Proces energetickej premeny je priamy, bez medzistupňov a neuvoľňujú sa pri ňom žiadne emisie skleníkových plynov alebo častíc.

Niekoľko základných údajov

Bez Slnka by život na Zemi nebol možný. Každú sekundu sa 4 000 ton z hmoty Slnka premení na energiu a letí do vesmíru. Táto hviezda našej planetárnej sústavy má priemer 1 392 000 kilometrov a na hranici zemskej atmosféry dopadá energia o sile 1,35 kW/m2. Časť tejto energie sa prienikom cez zemskú atmosféru pohltí a časť sa odrazí, preto na Zem dopadne energia o sile asi 1 kW/m2, ktorej časť sa dá využiť.

V letnom čase dopadne na Zem až 75 % z celoročného globálneho žiarenia. V našich končinách je v priemere približne 1 500 hodín slnečného žiarenia, na horách je to vyše 1 300 hodín a na juhu Slovenska až vyše 1 800 hodín (niektoré zdroje uvádzajú od 1 600 do 2 000 hodín). Toto žiarenie môžeme využiť, aby sme ušetrili financie na energetické výdavky.

Na zemskom povrchu registrujeme tri základné druhy slnečného žiarenia:

- priame slnečné žiarenie, ktoré dopadá priamo na fotovoltaický článok a prešlo atmosférou Zeme bez výraznejších zmien,

- rozptýlené žiarenie (čiže difúzne) – spektrálne zloženie má iné ako priame svetlo (rozptyl),

- žiarenie odrazené buď od zemského povrchu, alebo od iných objektov.

Všetky tieto zložky tvoria tzv. globálne slnečné žiarenie (jeho intenzita sa u nás pohybuje medzi 0,1 - 1 kW/m2), ktoré v rôznej miere vnímame voľným okom a sme ho schopní využiť pomocou fotovoltaických systémov.

Výkon a životnosť

Nominálny výkon fotovoltaických článkov je udávaný v jednotkách Watt peak (Wp), ktorý zodpovedá vyrobenému výkonu solárneho panela pri štandardizovanom výkonnostnom teste, teda energetickej hustote žiarenia 1 kW/m2, pri teplote 25 oC a svetelnom spektre slnečného žiarenia po prechode bezoblačnou atmosférou Zeme.

Fotovoltaické články sa vyrábajú s nominálnym výkonom 0,1 kWp – jeden takýto článok ročne vyrobí 100 kWh. Výrobcovia udávajú, že energetická návratnosť celého fotovoltaického zariadenia je okolo 3 rokov, zároveň ponúkajú 25-ročnú výkonnostnú garanciu. Po 25 rokoch bude mať článok 80-percentný výkon, no jeho životnosť je dlhšia ako 30 rokov. Záručná lehota na články je 5-ročná.

Fotovoltaické články z amorfného Si (kremíka) dosahujú stupeň účinnosti premeny slnečnej energie v laboratórnych podmienkach 10 %, v praxi len 4 - 8 %. Ich nevýhoda je nedostatočná dlhodobá stabilita, ktorá je podstatne menšia ako u iných článkov.

Monokryštalické Si články sú v súčasnosti najpoužívanejšie a najdôslednejšie prepracované. V laboratórnych podmienkach možno dosiahnuť až 20-percentnú účinnosť, v praxi je to 14 -16 %. Zvýšenie účinnosti sa dosahuje povrchovým štrukturovaním a antireflexnou vrstvou na prednej strane článku.

Polykryštalické Si články – ide o články vyrobené z liateho Si. V porovnaní s monokryštalickým Si je ich účinnosť nižšia a dosahuje hodnôt 11 - 14,5 %. S dobou použitia rýchlejšie klesá aj ich účinnosť.

Fotovoltaické články z arzenidu gália (GaAs) majú vynikajúcu odolnosť voči vysokoenergetickému žiareniu a využívajú sa predovšetkým na napájanie vesmírnych staníc a satelitov. Ich účinnosť je 34-percentná.

Princíp fungovania fotovoltaického článku FV

Fotovoltaický článok je vlastne veľkoplošná polovodičová dióda (vnútorný fotoelektrický jav) , ktorá premieňa slnečnú energiu dopadajúcu vo forme žiarenia priamo na elektrickú . To znamená, že pracuje na fyzikálnom princípe toku elektrického prúdu medzi dvoma prepojenými polovodičmi s rozdielnymi elektrickými vlastnosťami, na ktoré dopadá svetelné žiarenie. Jedna vrstva kremíka (Si) sa vďaka prímesi atómov fosforu vyznačuje nadbytkom elektrónov (záporných nábojov) a označuje sa ako N-vrstva. Druhá vrstva kremíka je obohatená atómmi bóru, čím v nej vzniká nedostatok elektrónov. Označuje sa ako P-vrstva a má kladný náboj.

Medzi oboma vrstvami vzniká tzv. P-N prechod, ktorý je pri dopade slnečného žiarenia aktivovaný a pripojenými vodičmi tečie medzi oboma vrstvami elektrický prúd. P-N prechod je polovodič, pretože na rozdiel od striedavých elektrických zariadení prúd tečie len jedným smerom – od záporného pólu ku kladnému. Pri dopade slnečného žiarenia alebo iného svetelného zdroja na polovodič má napätie medzi oboma pólmi hodnotu približne 0,5 V. Pretekajúci prúd závisí od intenzity slnečného žiarenia, čiže množstva dopadajúcich fotónov a veľkosti článku, ktorých je v paneli umiestnených niekoľko. Napätie v nich býva zvyčajne 12 - 24 V.

Jednosmerný prúd, ktorého zdrojom je sústava FV článkov tvoriacich modul, využíva mnoho jednoduchých elektrických zariadení, ako sú napr. prenosné elektrospotrebiče na batérie. V najjednoduchších solárnych aplikáciách je jednosmerný prúd vyrábaný FV článkami využívaný elektrospotrebičmi priamo. V aplikáciách, kde je potrebný striedavý prúd, treba použiť tzv. menič, ktorý z jednosmerného vyrába striedavý prúd. Striedavý prúd je dodávaný verejnou elektrickou sieťou a využíva ho väčšina bežných elektrospotrebičov.

Fotovoltaické články ako elektráreň

Podľa výkonu môžeme fotovoltaické zdroje energie rozdeliť na:

- autonómne systémy s výkonom do 2 kW – nabíjajú akumulátory,
- hybridné systémy s výkonom do 5 kW – nabíjajú akumulátory a ešte pomocné generátory,
- systémy napojené priamo na sieť s výkonom až niekoľko MW.

Autonómne pracujúce fotovoltaické systémy sú závislé len od slnečných článkov. Tieto sú pripojené na batériu cez regulátor nabíjania, ktorý prerušuje okruh, keď je batéria nabitá a vypína záťaž skôr, ako by sa batéria úplné vybila. Batérie musia byť dosť veľké, aby mohli skladovať energiu vyrobenú cez deň a využívanú v noci alebo počas nepriaznivého počasia.

Hybridné fotovoltaické systémy sú kombináciou slnečných článkov s dodatočným zdrojom elektrickej energie, ako je napr. dieselový generátor, veterný agregát alebo iný zdroj. Z hľadiska optimalizácie činnosti dvoch zdrojov, hybridné systémy si vyžadujú technicky náročnejšie regulačné zariadenia ako samostatne pracujúce systémy. Napríklad pri použití dieselového generátora sa vyžaduje, aby sa zapol pri nastavenej úrovni vybitia batérie a opäť vypol, keď je batéria dostatočne nabitá.

Pri použití hybridných systémov je možné využiť menšie fotovoltaické zariadenia a batérie ako v prípade podobných samostatne pracujúcich systémov. Z tohto dôvodu náklady na hybridný systém môžu byť nižšie ako na samostatne pracujúci systém.

Fotovoltaické systémy napojené priamo na sieť pracujú ako samostatné elektrárne.

FV články tvoriace FV panely slúžia na výrobu elektriny v podobe jednosmerného prúdu. Hoci sa články navonok javia ako jednoduché zariadenia, skrývajú v sebe čisté polovodičové materiály podobné tým, ktoré sa používajú v mikroprocesoroch počítačov.

Kým nevynašli technológiu výroby superčistého kremíka, ktorý by sa uplatnil v počítačovej praxi a nahradil striebro či zlato, boli počítačové procesory drahé a pomalé, lebo surovina bola príliš drahá. Stačilo však roztaviť obyčajný vyčistený piesok, ktorého je na planéte Zem neúrekom, a pritom jeho ťažba je finančne nenáročná.

Dnešné FV články sa takmer výlučne vyrábajú z kremíka (Si) – extrémne čistého, zbaveného akýchkoľvek prímesí, preto je ich výroba finančne náročná. Hoci je kremík najrozšírenejším prvkom na Zemi, jeho spracovanie do formy polovodiča je technologicky náročné.

Fotovoltaické systémy pripojené do elektrickej rozvodnej sietepracujú ako samostatné elektrárne dodávajúce energiu do siete. Obsahujú súbor FV modulov, menič napätia, zariadenie na meranie a sieťovú ochranu. Pripojenie do siete zvyčajne zabezpečujú dva elektromery. Jeden meria slnečnú elektrinu dodávanú do siete a druhý elektrinu, ktorú domácnosť zo siete odoberá. Vyznačujú sa veľkou účinnosťou, pretože všetka vyrobená energia sa spotrebuje priamo na mieste alebo sa dostáva do siete.

Hlavným dôvodom inštalácie je zníženie kupovanej energie zo siete, prípadne finančný zisk z predaja prebytočnej energie. V praxi to funguje tak, že v prípade, ak solárny systém dodáva energiu do siete, merač spotreby elektriny sa točí naopak. Ak FV články nestačia pokryť spotrebu, sieť nahrádza batériu a v prípade potreby slúži ako záložný zdroj.

Najčastejšie sa používajú systémy s kapacitou 1 - 5 kWp na strechách rodinných domov. Z hľadiska investora je atraktívne budovať väčšie inštalácie na strechách polyfunkčných budov a slnečných elektrární mimo zastavaného územia s výkonom 1 - 5 MWp.

Tento princíp fungovania fotovoltaickej elektrárne (FE) – výroba vlastnej energie a dodávanie nespotrebovanej do siete a v čase nefunkčnosti FE alebo slabej výroby odber energie z verejnej siete – je najvýhodnejší. Nie je zanedbateľná aj skutočnosť, že výkupná cena energie vyrobenej FE je vyššia (0,448 €/kWh) ako dodávaná (0,123 €/kWh). Táto cena je zatiaľ garantovaná, ale časom to asi také výhodné nebude, preto o možnej realizácii treba uvažovať čo najrýchlejšie a s rozvahou.

Cena fotovoltaickej elektrárne

Keďže na Slovensko dodávajú fotovoltaické systémy len české firmy, treba ich ponuky prepočítať na slovenské pomery, ktoré síce nemusia byť celkom presné, ale sa približujú s najväčšou pravdepodobnosťou.

Najvýhodnejšie je stavať fotovoltaické elektrárne na miestach, kde je najväčší výskyt slnečných dní a s najväčšou intenzitou. U nás je to juh Slovenska. Horské oblasti sú na tom trochu horšie, ale nie až tak, aby boli nevyhovujúce. Vzduch je na horách čistejší, teploty „na slnku“ sú tiež veľké (to len v tieni bývajú veľké rozdiely) a odrazy, čiže difúzne žiarenie býva najmä v zime intenzívnejšie, lebo biela snehová pokrývka doslova rozžiari krajinu.

S výnimkou snáď len jediného miesta, a tým sú Kraľovany na južnom cípe Oravy, ktoré majú na južnej strane veľký kopec a v zime v obci nemajú vôbec priame slnečné žiarenie, iba jeho odraz od okolitej krajiny. Keďže majú okolo seba strmé kopce a listnaté lesy v zime bez lístia, zimný odraz slnečných lúčov od snehovej pokrývky je veľmi intenzívny. Možno sa nájdu aj iné lokality, ale Kraľovany sú s týmto problémom najznámejšie.

Slovenské firmy sú v ponuke fotovoltaiky zatiaľ skromnejšie. Skôr ponúkajú solárne kolektory. Preto sme z ponuky českej firmy prepočítavali obstarávaciu cenu jednotlivých fotovoltaických systémov a vyšli nám zaujímavé hodnoty.

Ak ste teplárenským spoločnostiam za vykurovanie zaplatili za dodávku tepla do 3 600 kWh, tak investícia do fotovoltaickej elektrárne na výrobu týchto 3 600 kWh by u nás na Slovensku bola približne 6 300 €. To znamená, že banke budete počas 10 rokov platiť mesačné splátky v sume 56,93 €. Keď sme odrátali úroky, ktoré si banka vypýta, tak by to mala byť investícia okolo 4 680 €. Pri 4,64 percentom indexe rastu ročných cien by bola návratnosť investície za 10 rokov, a potom už budete len zarábať.

Aj tak by ste tých 4 680 € museli dať za vykurovanie teplárenskej spoločnosti alebo zaplatili trebárs za dodávku elektrickej energie na vykurovanie, čiže to možno považovať za nulový variant. Ak však potrebujete tzv. vynulovať cenu s vyššou spotrebou, budete musieť viac priplatiť, ale návratnosť investície bude totožná.

Výhodná investícia

Je zrejmé, že nie všetky investície, ktoré v živote uskutočňujeme, treba posudzovať len z hľadiska ekonomickej návratnosti. V prípade aplikácie fotovoltaiky však obstojí aj toto posudzovanie. Napríklad, ceny energií majú podľa predpovedí ročne stúpať o 4,64 percenta a možno to bude aj viac. Pritom v súčasnosti je garantované výhodné odkúpenie vyrobenej elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov. Pri zriadení fotovoltaickej elektrárne je výkupná cena energie 0,448 € /kWh a za dodávanú sa platí len 0,123 €/kWh, čo je v súčasnosti výborný biznis. Práve preto sa veľkí slovenskí finanční „žraloci“ chystajú výstavbou fotovoltaických elektrární zarobiť v týchto časoch čo najväčšie množstvo peňazí. Myslíte si, keby to nebol výnosný obchod, že by do toho išli?

Ďalšou hodnotou je, že zapojením fotovoltaických elektrární do verejnej siete sa ročne znížia emisie oxidu na Slovensku o 70 ton, čo predstavuje výrazný príspevok k ochrane životného prostredia.

Kto využije dnešnú vhodnú klímu na vybudovanie slnečnej fotovoltaickej elektrárne, bude mať z nej profit najmä v budúcnosti. Prepásť túto príležitosť, ak sú na to vhodné poveternostné podmienky a sú k dispozícii aj finančné prostriedky (aj trebárs pomocou pôžičky), by bolo nerozumným činom. Jednoducho preto, lebo také výhodné vykupovanie elektrickej energie vyrobenej zo slnečnej energie v budúcnosti už nemusí byť.

Jh
Snímky: DaB