Čo je fotovoltaika

Fotovoltaická elektráreň má za úlohu vyrábať elektrinu zo slnečnej energie. Zmyslom jej inštalácie je odľahčenie distribučnej siete, určitá úspora peňazí na jej prevádzke a v neposlednom rade aj istá nezávislosť od dodávateľov, napríklad v prípade výpadku elektriny.

V našom článku sa bližšie pozrieme na jednotlivé prvky fotovoltaického systému na rodinnom dome, vysvetlíme si typy fotovoltaických elektrární, prejdeme výhody a nevýhody rôznych riešení a odhadneme výkon, približnú cenu inštalácie ako aj návratnosť pre bežnú domácnosť.

Prvky fotovoltaického systému

Bežný fotovoltaický systém pre rodinné domy pozostáva z nasledovných hlavných prvkov:

Fotovoltaické panely
Nosná konštrukcia pre fotovoltaické panely
Menič (invertér)
Batériové úložisko
Káblové rozvody
Ističové odpájače

P4Y-SP01-1002

Fotovoltaické panely

Sú základným prvkom fotovoltaickej elektrárne, ktorý premieňa slnečnú energiu na elektrickú energiu. Každý panel má určitú účinnosť, čo znamená koľko percent z dopadnutej slnečnej energie premení na elektrickú energiu. V dnešnej dobe sa pohybuje účinnosť fotovoltaických panelov na úrovni 18-19%. Fotovoltaické panely vyrábajú jednosmerný prúd, ktorý je potrebné pre bežné využitie zmeniť na striedavý – toto sa deje v meniči (invertéri).

V praxi sú panely často označované číslom za názvom, napríklad 325Wp (Wp = Watt peak), toto číslo znamená, koľko elektrickej energie (vyjadrenej vo Wattoch) dokáže daný panel maximálne vyprodukovať (peak) za ideálnych podmienok (teplota 25°C a bezoblačná atmosféra – tieto ideálne podmienky samozrejme v praxi málokedy nastanú). Napríklad v uvedenom príklade 325Wp vidíme, že daný panel vyrobí maximálne 325W za hodinu, čo predstavuje 0,325kWh.

Životnosť fotovoltaických panelov

Výrobcovia zvyčajne poskytujú záruku 25 rokov na výkon fotovoltaických panelov (obvykle majú okolo 90 % nominálneho výkonu po 12 rokoch a 80 % nominálneho výkonu po 25 rokoch). Bežná je aj záruka 10 rokov na vyhotovenie panelu (rám modulu, elektronické súčasti a kabeláž). Skutočná životnosť panelov sa obvykle pohybuje v rozmedzí 25-30 rokov.

Typy panelov – monokryštalické a polykryštalické

Dnes už nie je zaujímavý výkonový rozdiel medzi tým, či používame monokryštalické alebo polykryštalické články. Rozoznáme ich obvykle podľa farby – monokryštalické solárne panely majú väčšinou tmavý odtieň idúci do čiernej farby, polykryštalické solárne panely majú väčšinou modrý odtieň. V minulosti boli drahšie (z dôvodu technológie výroby) monokryštalické články, avšak aj cenový rozdiel je dnes minimálny.

Monokryštalické panely

Pomalšie nabiehajú, avšak potom dodávajú mierne viac energie. Tieto panely sa hodia tam, kde je zaručená ideálna orientácia (presný juh, ničím netienený a sklon panelov 30-40°). Pri nižšej intenzite slnečného žiarenia podávajú mierne horší výkon ako polykryštalické solárne panely, pri ideálnej orientácii podávajú zasa mierne vyšší výkon.

Polykryštalické panely

Solárna elektráreň z týchto panelov má rovnomernejší výkon. Tieto panely sa hodia viac na miesta, kde je určitá odchýlka od ideálnej orientácie. Vo všeobecnosti polykryštalické panely majú mierne lepšiu účinnosť pri slnečnom žiarení pod rôznymi uhlami.

Nosný systém pre plochú strechu – v tomto prípade bola nosná hliníková konštrukcia namontovaná na závitové tyče, ktoré sú ukotvené do železobetónovej konštrukcie strechy. Panely boli osadené na „ležato“.

Nosný systém pre šikmú strechu – v tomto prípade bola nosná konštrukcia namontovaná do dreveného latovania pod plechovou krytinou.

Nosný systém pre plochú strechu – v tomto prípade bola nosná hliníková konštrukcia namontovaná na závitové tyče, ktoré sú ukotvené do železobetónovej konštrukcie strechy. Panely boli osadené na „ležato“.

Nosný systém pre šikmú strechu – v tomto prípade bola nosná konštrukcia namontovaná do dreveného latovania pod plechovou krytinou.

Nosná konštrukcia pre fotovoltaické panely

Nosná konštrukcia by mala byť čo najľahšia a zároveň čo najpevnejšia. Materiálovo je preto obvykle vyhotovená ako hliníková, kombinovaná s ušľachtilou oceľou, čím sa zabezpečí jej odolnosť voči korózii a zároveň potrebná pevnosť, aby odolala silným nárazom vetra.

Nosná konštrukcia panelov sa líši podľa toho či, ich umiestňujeme na plochú alebo šikmú strechu.

Menič (invertér)

Elektrický prúd vyrábaný fotovoltaickými panelmi je jednosmerný. V rodinných domoch ale používame striedavý elektrický prúd (ten je potrebný na pohon zariadení s elektromotormi).

Zmenu jednosmernej elektrickej energie vyrobenej fotovoltaickými panelmi na striedavú, zabezpečujú práve meniče. Menič je preto kľúčová súčasť fotovoltaickej elektrárne.

Okrem premeny elektrickej energie, ponúkajú viaceré kvalitné meniče možnosť monitorovania výkonu v reálnom čase ako aj ovládanie fotovoltaickej elektrárne na diaľku cez mobilnú aplikáciu. Stačí ich pripojiť k internetu a nakonfigurovať.

Niektorý výrobcovia ponúkajú zariadenia typu „všetko v jednom“, ktoré dokážu nielen meniť prúd na striedavý, ale obsahujú aj nabíjač batérie, solárny regulátor, farebný monitor, vzdialenú správu a podobne, čím sa zjednoduší celá inštalácia.

Výkon meniča

Každý menič má určitý výkon udávaný vo volt ampéroch (VA). Napríklad 5 000VA, tento údaj je teoretické maximum. V praxi vie menič dlhodobo dodávať približne o 20% menej, napríklad v našompríklade 4000W. Toto je dôležitý údaj, ktorý treba zohľadniť pri výbere meniča, pretože ak máme na streche 12 panelov o výkone 300Wp = 12×300 = teoreticky 3600W, potom menič s reálnym výkonom 4000W by mal mať dostatočný výkon k našim panelom.

Jednofázový alebo trojfázový menič

Bežne používané fotovoltaické meniče sú jednofázové (trojfázové sú v súčasnosti veľmi drahé). Jednofázový menič môžeme pripojiť len na jednu fázu, a tým pádom môžu elektrinu z fotovoltaických panelov využívať len spotrebiče pripojené na túto fázu.

Z tohto dôvodu je potrebné si vopred rozmyslieť, aké spotrebiče chceme, aby využívali fotovoltaickú elektrinu a tieto pripojiť na tú fázu, na ktorú je pripojený menič. Neskoršie prepojenie fáz nemusí byť vždy možné!

Bežne sa na fotovoltaiku napája ohrev teplej vody (elektrický bojler), osvetlenie, klimatizačné jednotky, zásuvkové obvody v dome a podobne. Ideálne je napojiť spotrebiče, ktoré majú stály odber počas dňa, keď svieti slnko.

Batérie

Prebytočná vyrobená elektrická energia z fotovoltaických panelov môže byť uskladnená v batériovom úložisku. Batérie sa dobijú v priebehu dňa z nespotrebovanej energie zo solárnych panelov. Pri znížených svetelných podmienkach a nedostatočnej výrobe elektrickej energie z fotovoltaických panelov, batérie dodávajú zvyšnú energiu do systému.

Kapacita batérie

Batérie majú kapacitu udávanú v ampér hodinách (Ah) a pracovné napätie, pri ktorom fungujú udávané vo voltoch (V). Vhodnú veľkosť je potrebné zosúladiť s výkonom panelov, meničom a podľa toho ako využívame fotovoltaiku. Bežne sa kapacita pre rodinné domy pohybuje od 2kWh do 8 kWh. Napätie batérií býva zväčša 12V, 24V alebo 48V. Čím má batéria vyššie napätie, tým sú menšie straty na káblových vedeniach medzi meničom a batériou.

Ak chceme odhadnúť, koľko elektrickej energie z batérie dostaneme, musíme vynásobiť pracovné napätie batérie s jej kapacitou. Napríklad, ak má batéria s typickým pracovným napätím 12V udávanú kapacitu 200Ah, takáto batéria nám dodá približne 12V x 200Ah = 2 400Wh = 2,4 kWh elektrickej energie. Tento výpočet je však len približný a nezohľadňuje viaceré faktory ako napríklad to, že pracovné napätie batérie sa mení v priebehu jej vybíjania a podobne.

Typy batérií

LiFePo4

Lítium-železo-fosfátové batérie nemusia byť plne dobíjané, postačuje čiastočné dobíjanie, čo je ich hlavná výhoda oproti oloveným batériám. Zároveň ich kapacita a životnosť nie je tak závislá na teplotách. Majú vysokú cyklickú životnosť. Môžu sa vybíjať aj na 20% jej celkovej kapacity (80% vybitia) bez toho, aby to malo výraznejší vplyv na jej životnosť. Bežne zvládnu 5 000 cyklov. Okrem toho súschopné dávať relatívne veľké množstvo energie, bez toho by to batériu poškodilo čo je výhodné pri nárazovom odbere väčšieho množstva energie. Majú vysokú hustotu energie, čo znamená, že na kilogram ich hmotnosti pripadá relatívne väčšie množstvo energie ako u vyššie popísaných batérií. Spolu s Li-Ion sú to momentálne najlepšie typy batérie k fotovoltaickému systému.

Li-Ion

Sú veľmi podobné vyššie popísaným LiFePo4 batériám.

Životnosť batérie

Batérie vo fotovoltaických systémoch sú zaťažované cyklicky (jeden cyklus je jedno nabitie a vybitie). Výrobcovia bežne udávajú počet cyklov ako životnosť batérie. Z nich sa dá pomerne presne odhadnúť doba životnosti v rokoch. Napríklad ak denne batériu priemerne raz za deň nabijeme a vybijeme potom nám batéria s udávanými 5 000 cyklami teoreticky vydrží 5 000/1 cyklus za deň/365 dní v roku = 13 rokov.

Pre optimálnu životnosť batérie je dôležitá aj teplota okolitého vzduchu, ktorá by mala byť ideálne okolo 20°C. Pri takýchto teplotách je miera samovybíjania pomerne nízka (2%). Pri teplote -10°C klesá približne o 20-25%.

Typy fotovoltaických elektrární

Pripojené na sieť (On Grid)

Sú to systémy pripojené do bežnej distribučnej elektrickej siete. V prípade potreby elektriny sa použije najprv elektrina vyrobená z fotovoltaickej elektrárne na dome a pokiaľ jej nie je dostatok, zvyšok sa doplní štandardne z elektrickej siete. Súčasťou takéhoto systému nie je batéria.

V prípade výpadku elektriny od distribučnej firmy sa vypne aj fotovoltaická elektráreň z bezpečnostných dôvodov – aby neprúdila náhodná elektrina do distribučnej siete.

– Nevýhodou je nižšie využitie vyrobenej elektriny, pretože prebytky cez deň nie je možné uskladniť do batérie a využiť neskôr večer.

+ Výhodou je nižšia cena oproti systémom s batériou.

Ostrovné systémy (Off Grid)

Sú to samostatné systémy bez pripojenia do elektrickej siete, preto sa nazývajú ostrovné. Súčasťou takéhoto systému musí byť batéria, do ktorej sa ukladá elektrina vyrobená cez deň a tá sa potom využíva v čase keď nesvieti slnko. Takéto riešenie však v podmienkach Slovenska nepostačuje na vykurovanie bežného rodinného domu v zime a obvykle ani na ohrev teplej vody celoročne. Pri správnom nadimenzovaní by však ostrovný systém mohol postačovať na všetky ostatné činnosti vyžadujúce elektrinu v domácnosti. Takýto systém je vhodný pre chaty, alebo odľahlé stavby, ktoré vyžadujú menšie množstvo elektrickej energie.

– Nevýhodou je vyššia vstupná investícia a potreba záložného elektrického generátora pre obdobia bez dostatočného slnečného žiarenia.

+ Výhodou je nezávislosť od verejnej distribučnej siete a maximálne využitie vyrobenej elektriny.

Hybridné solárne systémy (kombinácia On Grid a Off Grid)

Sú to systémy pripojené do bežnej distribučnej elektrickej siete. V prípade potreby elektriny sa použije najprv elektrina vyrobená z fotovoltaickej elektrárne na dome a pokiaľ jej nie je dostatok, zvyšok sa doplní štandardne z elektrickej siete. Súčasťou takéhoto systému je batéria, ktorá potom slúži ako zdroj, napríklad v čase keď nesvieti slnko alebo v prípade výpadku elektriny (vtedy sa prepne do režimu ostrovnej prevádzky Off Grid).

– Nevýhodou je vyššia vstupná investícia.

+ Výhodou je nezávislosť od verejnej distribučnej siete a maximálne využitie vyrobenej elektriny.

Virtuálne batérie

Keďže batérie sú zvyčajne najdrahšie prvky fotovoltaickej elektrárne, niektorý dodávatelia elektriny prišli s ponukou takzvanej virtuálnej batérie – jedná sa o fiktívne uskladnenie elektrickej energie, ktoréfunguje takým spôsobom, že v čase prebytku elektriny vyrobenej z fotovoltaiky sa vám táto započítava u dodávateľa elektriny a následne, potom v čase nedostatku elektriny z fotovoltaiky môžete rovnaké množstvo čerpať z distribučnej siete zadarmo alebo za zníženú sadzbu. Tieto riešenia majú často požiadavku na to, že celý fotovoltaický systém musí byť dodaný a nainštalovaný príslušnou distribučnou spoločnosťou. Ďalším úskalím môže byť, že aj keď elektrina z virtuálnej batérie môže byť zdarma, budete platiť dvakrát poplatok za jej prenos (raz smerom do siete a potom smerom zo siete).

Vždy preto odporúčame dobre si preštudovať konkrétne podmienky.

Výkon - čo očakávať od fotovoltaiky

Inštalovaný výkon

Výkon fotovoltaickej elektrárne sa udáva v kWh. Základný údaj je takzvaný inštalovaný výkon (alebo inak povedané maximálny výkon za ideálnych podmienok). Je to súčet výkonov udávaných výrobcom na fotovoltaických paneloch. Jeden fotovoltaický panel má bežne výkon 300Wp (Watt peak). Ak máme potom 12 takýchto panelov na streche, celkový inštalovaný výkon našej fotovoltaickej elektrárne bude 12*300 = 3 600Wp = 3,6 kWp. Takáto zostava nám teda v ideálnom prípade vyrobí 3,6kWh za 1 hodinu.

Skutočný výkon

Skutočný výkon fotovoltaickej elektrárne závisí najmä od intenzity slnečného žiarenia ako aj jeho trvania. Priemerný ročný úhrn slnečného žiarenia v kWh/m2 udáva tabuľka nižšie. Treba  mať na pamäti, že fotovoltaické panely majú obvykle veľkosť 1,0×1,5m = 1,5m2 plochy. Takisto si je potrebné pozrieť účinnosť panelu, ktorý udáva každý výrobca. Napríklad v Bratislave by panel o rozmere 1,5×1,0m a účinnosti 18% dokázal za rok teoreticky vyrobiť 324 kWh (1200kWh/m2 x 0,18 x 1,5 m2 panelu).

mapa, ktorá znázorňuje Slovensko s priemerným ročným úhrnom slnečného žiarenia pre použitie pri inštalácii fotovoltaických panelov či solárnych panelov.

Zdroj obrázka: The World Bank, Global Solar Atlas 2.0, údaje a mapka sú z http://solargis.info.

Z uvedeného teoretického výkonu je potrebné odpočítať straty vplyvom uhlovej odrazivosti panelov (okolo 3%), straty vplyvom okolitej teploty (aj do 7%), straty v káblových rozvodov (záleží od ich dĺžky) a straty samotnou zmenou jednosmerného prúdu na striedavý (okolo 10%). Bežne sa preto počíta na straty okolo 20% z vyrobenej elektriny.

Výkon v rámci regiónov Slovenska

Z hľadiska konkrétneho umiestnenia fotovoltaickej elektrárne v rámci Slovenska môžeme konštatovať, že najviac slnečného žiarenia dopadá počas celého roka na juhu Slovenska, najmenej Orave a Kysuciach. Rozdiel medzi najchladnejšími a najteplejšími regiónmi v dopadajúcom množstve slnečnej energie je iba približne 15%. Z tohto dôvodu má zmysel fotovoltaická elektráreň aj v chladnejším oblastiach Slovenska. Pre jednoduchý prepočet môžeme uvažovať, že v podmienkach SR sa dá vyrobiť na 1kWp inštalovaného výkonu 1000kWh za rok. Otázne je samozrejme, či danú energiu dokážeme priebežne využiť, prípadne koľko z nej odložiť do batérie na neskoršie využitie. Na to, aby mala fotovoltaická elektráreň čo najväčší výkon je potrebné zabezpečiť čo najvhodnejšiu orientáciu panelov.

Ideálna orientácia a sklon

Ideálna orientácia panelov je presne na juh pod sklonom 30-40°, pričom by nemali byť tienené žiadnymi predmetmi počas celého dňa. Je dobré vedieť, že aj keď panely nemôžu mať ideálnu orientáciu priamo na juh, ale sú umiestnené priamo na východ alebo západ, ich účinnosť je nižšia len približne o 14%. To isté platí aj pri rozdieloch v sklone, pokiaľ máme o 15 stupňov menší sklon ako 30°, alebo väčší ako 40°, výkon panelov býva menší len o pár percent (okolo 5-6%). Väčší rozdiel urobí to, či ich máme mierne zašpinené alebo úplne čisté.

Počasie a výkon fotovoltaiky

Pri oblačnosti klesá výnos približne na 50% a pri husto zatiahnutej oblohe až na 10% maximálnych hodnôt. V zimných mesiacoch sa vyrobí zhruba len 20% elektriny v porovnaní s letnými mesiacmi. Pokiaľ na panely nasneží súvislá pár centimetrová vrstva snehu, ich výkon sa znižuje bežne na 5-10%. Sneh sa obvykle na klzkom povrchu panelov dlho neudrží, takže pokiaľ nie sú panely umiestnené v oblasti s veľkými snehovými zrážkami, toto by nemalo predstavovať problém.