Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie Energie Slunce Přímá (i nepřímá) výroba elektrické energie

Možnosti využití sluneční energie Jak lze vyrobit elektrickou energii ze Slunce ? a) přímo * fotovoltaické články b) nepřímo * ohřev média a následná výroba elektrické energie Jak lze vyrobit tepelnou energii ze Slunce ? * solární kolektory Míra využití sluneční energie je dána: * intenzitou slunečního svitu * technologickými možnostmi * všestranným využitím získané energie * ekonomickou návratností * možností investic a mírou zisku

Mapa slunečního svitu v ČR V ČR za rok 1kWP  1MWh Solární záření v České republice Zdroj: Atlas podnebí Česka Světová mapa slunečního svitu – matematický model

Světová mapa slunečního svitu Pojmy: - technologie CIS amorfní panel - měď, indium, selen - tabulka Ed denní výroba (kWh) Em měsíční výroba (kWh) Hd průměrné denní záření na plochu (kWh/m2) Em průměrné měsíční záření na plochu (kWh/m2)

Mapa slunečního svitu v Evropě

Výroba OZE v ČR - zdroj: Český regulační úřad

Výkon fotovoltaických elektráren v ČR Zdroj: tzb-info

Největší fotovoltaické elektrárny v ČR zdroj: ERU lokalita výkon (MW) spuštění výroba 2011 (GWh) provozovatel FVE Ralsko 38,3 2010 40 ČEZ – Obnovitelné zdroje FVE Vepřek 35,1 40,4 FVE CZECH NOVUM s.r.o. FVE Ševětín 29,9 32,5 FVE Brno letiště 21,2 2009, 2010 18 BS Park s.r.o. FVE Mimoň 17,5 17,6

Nepřímá výroba elektrické energie * V ohnisku (pec) je teplota až 3000oC * Voda se mění v páru a pohání turbínu (na obr. je varianta s olejem, nutný výměník * Zrcadla (heliostaty) jsou pohyblivá a natáčí se za sluncem

Nepřímá výroba elektrické energie * Je tvořena řadami naklápěcích slunečních kolektorů, sluneční záření je směřováno na trubku * V trubce proudí teplonosné médium * V Kalifornii pracuje elektrárna s výkonem 30 MW

Nepřímá výroba elektrické energie

Největší solární elektrárna na světě zdroj: MIT Technology Review, Phys.Org, Ivanpah Solar, Wikipedia Místo - Mohavská poušť, Kalifornie Výkon - 380 MWe Počet zrcadel - 170 tisíc Počet věží - 3 Rozloha - 14 km2

Princip fotovoltaického článku * po dopadu fotonu (musí mít dostatečnou energii) na polovodič typu N se uvolní z mřížky elektron, po kterém zůstane kladná "díra" * volný elektron nemůže vlivem přechodu PN přejít do vrstvy P * elektrony uvolněné ve vrstvě P mohou volně přecházet do vrstvy N * tím se vytvoří rozdíl potenciálů mezi spodní a vrchní vrstvou  na článku naměříme napětí asi 0,5 V * po připojení zátěže začne procházet proud * z 1m2 lze získat stejnosměrný výkon přibližně 150W * pro praktické využití je třeba sério-paralelní zapojení článků

Princip fotovoltaického článku Princip: zde Princip fotovoltaického článku

Materiály pro fotovoltaické články 1. Generace - základem jsou krystalické křemíkové desky Křemík teoretická maximální účinnost 31 % multikrystalický * účinnost (11-14) % * výhody nižší cena difúzní světlo * energetická návratnost 2,2 let monokrystalický * reálná účinnost (12-16) % * energetická návratnost 2,7 let Obě technologie jsou dnes zcela rovnocenné. V současné době nejvíce využívaná technologie (zhruba 90%)

2. Generace Hlavním aspektem je úspora křemíku při plánovaném růstu výroby článků Tenkovrstvé technologie Aktivní polovodičová vrstva se nanáší na podložku (sklo nebo fólie) a je 100 – 1000 tenčí. a) na bázi křemíku * polykrystalická technologie, účinnost (okolo 10%) * amorfní křemík nanesený na skle, tloušťka 0,5m, účinnost (6 - 7)% b) bez křemíku * CIGS moduly – měď, indium, galium, diselenid, účinnost až 20% * Cd-Te ( kadmium-telurid) moduly, účinnost (9 - 11)% Obecné vlastnosti tenkovrstvé technologie: * lehkost a snadná manipulace * větší citlivost na denní světlo  asi o 15% vyšší energetická výtěžnost * menší citlivost na vyšší teploty * nižší výrobní náklady a rychlejší zhodnocení investice * předpoklad zvyšování účinnosti Použití - fólie na ohebný podklad, fasády domů, vrstvy na skle, …

Vlastnosti – současná účinnost 1,3%, cílová hodnota okolo 5% Tenkovrstvé technologie Jedna z možných realizací technologie – solární články na fólii a papíře. 1. nastříkání fotocitlivých vrstev ve vakuové komoře na fólii (papír) - USA 2. tisk pomocí speciálních barev na list běžný papíru (technologie 3PV) - Německo Vlastnosti – současná účinnost 1,3%, cílová hodnota okolo 5% Výhoda – běžný tisk  nízká cena

Fotovoltaické fólie (zdroj: www.ekobydleni.eu) Fólie může být nanesena na libovolný skleněný povrch. Tvoří zároveň tepelnou izolaci a zvyšuje ochranu skla před mechanickým poškozením. Účinnost - (3 - 5) % Měrná cena - zhruba dvojnásobná v porovnání s klasickými panely

Další generace a perspektivy vývoje solárních panelů Vícevrstvé solární články (dvoj-, trojvrstvé články) * ultratenké materiály s různou citlivostí na sluneční spektrum * některé fotony „uvíznou“ ve vrchní vrstvě, jiné projdou hlouběji * teoretická účinnost je až 72 % * problémy s krystalickou mřížkou, maximální dosažená účinnost okolo 30 % * jednotlivé vrstvy by měly být zdrojem stejného proudu * výsledné napětí je dáno součtem jednotlivých napětí vrstev. V současné době existuje několik dalších technologií - organické články - články na bázi nanočástic

Vývoj účinnosti

Nové články - perovskit * Jedná se o skupiny látek, sloučenin halogenů (chlór, jód nebo bróm), které jsou naneseny na základní vodivé desce (sklo) * na podzim 2013 se podařilo dosáhnout účinnosti okolo 15% v laboratorních podmínkách * do budoucna se předpokládá i stejná účinnost v normálních podmínkách * mohou být i průhledné * cena nových článků by měla být výrazně nižší než u stávajících křemíkových modulů * uvažuje se i "tisku" perovskitu na současné křemíkové články, což by vedlo ke zvýšení účinnosti

Popište jednotlivé solární články (momokrystalický a polykrystalický křemík, organický solární článek.)

Ostrovní systém (off – grid) S přímým napájením - napájení letního čerpadla - letní atrakce, ohřev - nabíjení akumulátorů Systém s akumulací - dopravní značky, obytné karavany, malé meteorologické stanice, odlehlé chaty, zahradní svítidla, světelné reklamy, … Hybridní systém s akumulací - velké odlehlé stanice pro různé účely

Ostrovní systém grid-off * Výhodné zejména v místech, kde není přímé připojení k soustavě a zhotovení přípojky by bylo nákladné * v nejjednodušších aplikacích není třeba další přídavné zařízení, jinak nutný speciální akumulátor s regulátorem nabíjení * investiční náklady – (50 – 100) Kč/WP * v případě potřeby lze kombinovat s dalšími nezávislými zdroji

Ostrovní systém grid-off Sestava firmy Solartek (36.000,- Kč vč DPH)

Ohřev vody Výkon – 1,5kWP (6 panelů po 250 WP), Umax=260V, cena 53 000 Kč

Síťové systémy (on–grid) Systém je propojen s rozvodnou soustavou Možnosti realizace: a) výroba z fotovoltaických panelů jde přímo do rozvodné soustavy - příný prodej

Systémy na síť grid-on Možnosti realizace: b) výroba z fotovoltaických panelů slouží i pro samotný objekt - zelený bonus

Mechanismus výkupních cen a zelené bonusy V současné době lze volit cenu, za kterou lze prodávat: 1. Zelený bonus - (příspěvek - energie vyrobená z obnovitelného zdroje se nemusí vyrobit z fosilních paliv) vyrobenou elektrickou energii využívá majitel pro svou vlastní spotřebu, případné přebytky odevzdává do sítě - úspora stavebních nákladů (panely na střeše, …) - většinou se jedná o menší výkony - měrné náklady okolo 50,- Kč/W 2.Přímý prodej - vyrobená elektrická energie se prodává přímo do veřejného rozvodu - zpravidla se jedná o sluneční farmy o velkých výkonech - umístění na volném prostranství

Novela energetického zákona pro malovýrobce (zdroj Energetika 4/16, The Power Self-generation) Výroba bez licence, zejména pro vlastní spotřebu a) zjednodušené připojení - výroba do 16 A (nebo 10 A na fázi), nulový přetok do sítě, bez žádosti o připojení, obousměrný elektroměr (kontrola neoprávněné dodávky) - problematické zajištění nulové dodávky do sítě b) standardní připojení - do 10 kW, výroba pro vlastní spotřebu s možnými přetoky do sítě, obchodní vyrovnání, žádost o připojení, obousměrný elektroměr Princip obchodního vyrovnání - Net metering Porovnání rozdílu mezi odběrem a dodávkou elektrické energie do sítě, obchodní vyrovnání probíhá v měsíčním (ročním) zúčtování. V ČR se týká pouze silové elektřiny. Výrobce hradí fixní poplatek na pokrytí administrativních nákladů. V současné době se řeší zejména právní a ekonomické vztahy výrobce x obchodník a stanovení ceny elektřiny vyrobené z vlastního zdroje - standardní maloobchodní cena - velkoobchodní tržní cena - cena stanovená vyhláškou

Přímý prodej

Princip a podmínky pro přímý prodej * podmínky připojení jsou dány před zahájením výstavby formou „zamluvení výkonu“ mezi výrobcem a provozovatelem (studie připojitelnosti – možnosti distribučních a přenosových linek, rezervy ve stávajících rozvodnách) * veškerá vyrobená energie je odváděna do distribuční sítě * za tuto energii je pevná výkupní cena (ERU), která byla platná v době výstavby * k ceně se připočítává "inflační doložka" – (2 – 4)% * vyrobená energie se měří elektroměrem * provozovatel soustavy musí tuto energii ze zákona vykoupit Obecné povinnosti (neplatí pro novelu do 10 kWP) * každý měsíc je třeba dodat provozovateli výkaz o výrobě * jednou za ¼ roku poslat výkaz na ERU * jednou za rok poslat distributorovi odhad výroby na další rok

Ceníky pro výkup (zdroj https://www.tzb-info.cz/)

Technické problémy Jaké technické problémy přinesl rychlý rozvoj fotovoltaických elektráren ? * Z důvodů snížení ekonomické návratnosti investice (5 – 7 let) došlo na našem území v roce 2010 k extrémnímu zájmu investorů. Do konce roku 2010 byl rezervován výkon 8 GW, realizovaný výkon je ale zatím pouze zhruba 2 GW (k 1. 6. 2011) * Zatím není zcela jasný vliv nových zdrojů (slunce a vítr) na rozvodnou soustavu. Proto je uzavírání nových smluv zatím pozastaveno * Analýza dopadů: - udržení frekvence v důsledku kolísání poměru výroba x spotřeba - dostatek jalového výkonu (fotovoltaické elektrárny vyrábí pouze činný výkon) - vznik vyšších harmonických - zvýšení zkratových výkonů On-line výroba fotovoltaických elektráren v ČR (zdroj: sollaris – on-line monotorig FV): zde

Příklad kompletního schématu zapojení (zdroj: OEZ)

Příklad zapojení stringů (zdroj: OEZ) V praxi se panely zapojují sério-paralelně. Jednotlivé větve - stringy lze v případě potřeby samostatně spínat. Výhody: - možnost odpojit samostatné části v případě poruchy, zastínění, opravy. …

Příklady realizace fotovoltaické panely ve škole Fotovoltaické články: 12 x FV panel RADIX72 maximální výkon 1,117 kW celkové náklady 500 000 Kč Parametry jednoho panelu: výkon 100,6 W napětí naprázdno 21,4 V napětí při maximálním výkonu 16,6 V účinnost 11,5 % Dosažené hodnoty: maximální výkon 1,075 kW vyhodnocená doba provozu 5/2001 – 4/2011 celková vyrobená energie 11 307,7 kWh

Olmedila, Španělsko – 60 MW (2008) Puertoliano, Španělsko – 47 MW (2008)

FVE Ralsko – 4 dílčí elektrárny, celkem 38,24 MW (29. 12. 2010) Vepřek, okres Mělník – 35,1 MW (2010). investice 2,7 mld. Kč

Technické problémy * Jedná se o neregulované zdroje s výrobou zejména v letních měsících * Transformátory pro připojení do vn a vvn výrazně zhoršují účiník sítě, střídače kvalitu napětí * Při změnách slunečního svitu dojde k výraznému kolísání výkonu i napětí * Extrémní nárůst výkonu zvyšuje požadavky na distribuční (vn) a přenosovou (vvn) soustavu, která není na takovou změnu připravena. Hrozí přetěžování sítí, s následným vypínáním * Jaderné elektrárny se prakticky nedají regulovat, parní elektrárny jen omezeně (zhoršování jejich účinnosti a efektivity) a vodní elektrárny na vše nestačí  v budoucnu se musí stavět nové zdroje s regulací výkonu (50 – 100)% *  požadavek - výstavba nových „regulačních“ elektráren

Materiály Data Český regulační úřad Světová mapa slunečního svitu Internetový odkaz Mapa svitu v ČR Atlas Česka Wikipedie Otevřená encyklopedie Simulace http://www.leifiphysik.de Petr Mastný Obnovitelné zdroje energie Petr Novotný Fotovoltaika, prezentace TU Liberec