Základné informácie
Solárne panely sú ploché pasívne zariadenia vyrobené z fotovoltaických PV článkov. Tie svojim povrchom zachytávajú kvantá elektromagnetického slnečného žiarenia (fotóny) a pomocou fotovoltaického javu pracujúceho s polovodičovými materiálmi, ako je vhodne upravený kremík (potom aj kremíkové polovodičové doštičky na panely), transformujú slnečné žiarenie na jednosmernú elektrinu. Tú potom menič elektrárne premení na striedavé napätie (napr. 220 V).
Fotocitlivý kremík (monokryštalický či polykryštalický) je po kyslíku druhý najrozšírenejší prvok zemskej kôry a jedná sa o dominantný prvok využívaný k výrobe fotovoltaických článkov. Panely je možné však tiež vyrobiť z rôznych iných materiálov (amorfný kremík, mikrokryštalický kremík, síra, organické látky atď.) a potom sa jedná o panely tenkovrstevné.
Investícia do solárnych panelov je doteraz stále vysoká, ale je potrebné dodať, že cena neustále klesá a návratnosť je maximálne 10 rokov (bez jednorazovej dotácie, ktorá na Slovensku v prípade voľby hybridného systému s pripojením k verejnej distribučnej sústave môže činiť až 3 000 Eur). Životnosť systému je minimálne 25-35 rokov, avšak s povinnosťou pravidelnej mechanickej údržby každý rok.
Vďaka podpore štátnej politiky sú navyše fotovoltaické systémy s výkonom do 10 kWp oslobodené od dane z príjmu. Je možné teda odovzdávať prebytky elektriny z fotovoltaickej elektrárne do distribučnej siete, bez toho, aby to bolo považované za príjmy z podnikania. K legálnej prevádzke zariadenia nie je potrebné žiadať ani o licenciu od Energetického regulačného úradu.
Druhy fotovoltaických elektrární
Existujú tri typy fotovoltaických sústav určených k výrobe elektrickej energie:
1. Štandardná fotovoltaická elektráreň (FVE)
Význam slovného spojenia „štandardná FV elektráreň“ označuje spôsob výroby elektrickej energie prostredníctvom solárneho systému s pripojením k verejnej distribučnej siete (medzinárodné označenie on-grid/v sieti). Produkovaná energia nie je kumulovaná v batériách a systém nie je možné v prípade potreby preniesť na iné miesto. Energia je spotrebovaná buď okamžite, alebo sú prebytky zasielané do verejnej siete. Predaj prebytkov a následný odber zo siete mimo obdobia slnečného svitu je však ekonomicky nevýhodný. Prevádzkovateľ FV elektrárne predáva elektrinu do siete za cenu silovej elektriny, ktorá je oproti cene elektriny nakupovanej späť zo siete veľmi nízka.
Výhodou tejto klasickej solárnej elektrárne je rokmi otestovaná technológia a takmer nulová potreba údržby. Jedná sa o technicky jednoduché riešenie (zahŕňa iba FV panely, menič a ochranu) a životnosť panelov je asi 25 rokov, meničov 5 - 8 rokov. Negatívom je ale nevyhnutné schválenie parametrov elektrárne verejným distribútorom elektrického prúdu a následná závislosť na sieti. Zariadenie k nej musí byť nevyhnutne pripojené a pri jej výpadku potom nie je možné využívať ani fotovoltaickú elektráreň. Pokiaľ navyše investor využije k zníženiu obstarávacích nákladov štátnu dotáciu, nesmie do prevádzky FV neskôr znovu zasahovať (došlo by k strate nároku na dotáciu) a nie je možné ich teda prestavať na nezávislejší systém napr. typu ostrovnej elektrárne.
2. Ostrovná elektráreň
Elektrická energia vyrobená v rámci takzvanej ostrovnej elektrárne je kumulovaná do batérií a prináša tak užívateľovi energetickú nezávislosť. Tento typ solárneho napájania je veľmi praktický predovšetkým v objektoch, ktoré nedisponujú klasickým elektrickým pripojením alebo by jeho obstaranie v danom mieste bolo príliš nákladné. Preto je ostrovný systém v medzinárodnom slovníku nazývaný termínom off-grid (odpojené od siete). Nie je už však výnimkou ani obstaranie ostrovnej elektrárne tam, kde elektrická prípojka existuje, ale elektráreň do nej nie je pripojená. Nie je preto potrebné žiadne schvaľovanie distribútorom štandardného elektrického prúdu, ako je to v prípade predchádzajúceho typu FV systému.
Vyprodukované napätie je nižšie než u sieťových inštalácií, hrozí teda oveľa menšie riziko úrazu. Ostrovný systém pracuje s jednosmerným prúdom, jeden solárny panel zvyčajne vyprodukuje 12 V s tým, že v rodinných domoch je väčšinou využívané sériové zapojenie s celkovým výstupným napätím 48 - 60 V. Dnes je navyše bežnou nadstavbou ostrovných systémov menič alebo striedač. Ten užívateľovi umožní využívať aj tie spotrebiče, ktoré pracujú s prúdom v napätí 230 V. Táto sústava je teda riešení nielen pre tých, ktorí ju využijú ako záložný zdroj, ale tiež pre kapacitne náročnejších spotrebiteľov.
Určitou nevýhodou je potrebná investícia do akumulačných batérií. Využíva sa trakčná batéria, ktorá plní v podstatne jediný účel. Odčerpáva nahromadenú energiu pomaly, zvyčajne do úplného vybitia. Je navrhnutá tak, aby negatívnym dôsledkom opakovaného hlbokého vybíjania odolávala. Spravidla sú volené olovené akumulátory s článkami v napätí od 2 do 12 V. Medzi novinky sú radené olovené – uhlíkové batérie kombinujúce výhody kyselinovej olovenej batérie s veľkou kapacitou, ktoré disponujú predĺženou dizajnovou životnosťou pri 25° viac než 20 rokov. V poslednom čase sa využívajú aj batérie na báze líthia-železa-fosfátu (LiFePO4, LiFeYPO4) či líthia-iónu, ktoré sú technologicky vyspelejším produktom, sú ľahšie, znášajú vyššie nabíjacie/vybíjacie prúdy, prežijú aj hlbšie vybitie a netrpia na kolísanie teplôt. Sú schopné prevádzky až 20 rokov.
Ostrovný systém je zatiaľ drahším variantom ako využiť solárne zariadenie na produkciu energie, nie je ale pochýb, že sa investícia rýchlo vráti. Najmenšie ostrovné systémy bývajú vidieť na dopravných značkách, ale sú známe aj celé obce v odľahlých oblastiach, ktoré využívajú výhradne napájanie elektrinou vyprodukovanou nezávislou ostrovnou elektrárňou.
V oblasti solárnej energie prebieha neustály technologický vývoj a čaká sa ďalšie vylepšovanie vlastností fotovoltaických sústav. Klesajú ceny panelov, ale aj meničov a batérií a systémy tohto typu sú tak každým rokom viac a viac dostupnejšie.
3. Hybridná fotovoltaická elektráreň (grid interactive)
Hybridné FV systémy sú inštalované v miestach, kde je k dispozícií klasická elektrická prípojka. Či už je väčšina vyborenej solárnej elektriny použitá na vlastnú spotrebu (až 100 %, či už vo forme elektriny či prikurovania tepelným čerpadlom), je elektráreň pripojená aj k distribučnej sústave a je možné tak do nej dodávať vyrobené prebytky.
Jedná sa teda o ostrovný systém schopný pracovať súčasne v on-grid aj off-grid režime. Využíva takzvaný hybridný inteligentný menič napätia, ktorý sa stará o prepínanie tokov energie medzi rôznymi prvkami danej sústavy (akumulátor, distribučná sieť) a presmerovanie prebytočnej energie v reálnom čase či s riadeným oneskorením do vopred určených energeticky náročných spotrebičov (klimatizácia, bojler atď.).
Jedná sa o veľmi účinný kompromis medzi klasickou FV elektrárňou a takzvaným ostrovným systémom. Je schopný maximálneho využitia energie z obnoviteľných zdrojov. Hybridný systém je považovaný za najekonomickejšie riešenie umožňujúce nezávislosť užívateľa na zvyšovaní cien elektriny či na výpadkoch elektrizačnej sústavy.
Ideálne umiestnenie
Fotovoltaické panely je možné umiestniť prakticky kamkoľvek, začínajúc strechou, fasádami a končiac balkónmi. V prípade inštalácie panelov na fasáde je však potrebné počítať s približne 25% stratou energetickej výkonnosti. Čo sa týka upevnenia na balkónoch, výhodou môže byť zatienenie získané akousi markízou vytvorenou z panelov. Avšak najdôležitejším pri rozhodovaní kam solárny panel umiestniť je svetová strana a sklon strechy. Ideálnym smerom je natočenie panelu na juh až juhozápad a je samozrejme potrebné počítať s variabilitou svitu – iný je výkon v prípade svitu slnka zo strany v porovnaní s priamym svitom okolo obeda. Strecha by mala byť najlepšie so sklonom 35°, panely je však možné tiež zdvihnúť pomocou špeciálnej kovovej konštrukcie. Samozrejme je potrebné tiež dať pozor na zatienenie strechy napríklad okolitými budovami či stromami.
Perfektným nosičom panelov je takzvaná strecha pultová. Nie je však vylúčená ani inštalácia panelov na plochých strechách. Vodorovné umiestnenie ale obmedzuje samočistiacu schopnosť panelov, je preto potrebné zabezpečiť ich pravidelnú údržbu. Slovenská republika disponuje nestálymi klimatickými podmienkami, v lete sú predpoklady pre funkčnosť solárnych panelov zvyčajne vynikajúce, v jarných či jesenných mesiacoch postačujúce, ale v zime je slnka veľmi málo. Avšak pre zaujímavosť je potrebné spomenúť, že ani napríklad púštne oblasti Sahary nie sú najdokonalejším miestom pre výstavbu solárnych elektrární. Extrémne hodnoty slnečného žiarenia totiž nemusia znamenať extrémny výnos energie. Tými najlepšími regiónmi sú skôr vnútrozemské oblasti s vysokou intenzitou slnečného žiarenia a súčasne nízkou teplotou – ako je Mongolsko, Tibet či náhorné plošiny Čile.
Slovenská a česká stopa v oblasti solárnej energetiky
Čo sa týka svetového vedenia v oblasti produkcie fotovoltaických článkov, radíme do neho medzinárodné konglomeráty ako sú BP Solar, Shell Renewables, Siemens SolarCanon, Kaneka, Sharp. Výskum, vývoj a pilotná produkcia prebieha predovšetkým na univerzitách, v národných laboratóriách a malých spin-off spoločnostiach. Na slovenskom a českom trhu pôsobí len niekoľko firiem, ktoré sa snažia zatiaľ úspešne bojovať s veľmi silnou, užívateľmi cenovo prístupnejšou čínskou konkurenciou. Spoločnosť Thermo/Solar zo Žiaru nad Hronom je najväčší slovenský výrobca solárnych panelov s viac ako 27 ročnou skúsenosťou. Firma VacuSol, s. r. o. vyrába v Dolnej Rožínke vlastné certifikované solárne panely s veľmi kvalitným spracovaním. V Brne je umiestnená najväčšia česká výrobňa širokého portfólia fotovoltaických panelov pod záštitou firmy AU Optronics, ktorá vstúpila na trh zelenej energetiky v roku 2008. A takisto spoločnosť Solartec z Rožnova pod Radhoštom sa zaoberá výrobou zákazkových solárnych panelov.
Likvidácia panelov je vo väčšine prípadoch predplatená v recyklačnom systéme medzinárodnej organizácie PV Cycle, na Slovensku ďalej napomáha recyklácií fotovoltaických sústav firma Recyklix a je vo väčšine prípadoch predplatená v recyklačnom systéme medzinárodnej organizácie PV Cycle, v Čechách ďalej napomáha recyklácií fotovoltaických sústav RE Solar. Je potrebné tiež spomenúť, že v súčasnosti je možné zo solárnych panelov úspešne recyklovať a znovu využiť až 97 % materiálu.
Za zmienku stoja aj české výskumné tendencie v odbore solárnej energetiky. Vývoj súvisiaci s ukladaním prebytkov vyrobenej solárnej energie do vodíku (pomocou elektrolýzy vody) vykonávajú výskumníci ÚJV Rež. Vodík je najjednoduchší a najľahší prvok, ktorý je možné použiť ako skladovateľný nosič energie. Oxidáciou, teda horením vodíku vzniká teplo a pokiaľ sa tak deje riadene v palivových článkoch, vzniká jednosmerná elektrina. Navrhnutý systém sa skladá konkrétne z fotovoltaickej elektrárne, elektrolyzéru PEM, zásobníku na stlačený vodík, palivového článku PEM a elektrického meniča. Výhodou akumulácie energie do vodíku je predovšetkým „čistota“ - spaľovaný vodík zanecháva za sebou len vodnú paru, žiadne iné emisie a jeho využitím užívateľ podstatne prispieva k zlepšeniu kvality ovzdušia. Energiu uloženú vo vodíku je možné navyše dlhodobo skladovať.
Budúcnosť a dostupnosť solárnej energie
Výhody solárnych systémov sú očividné, minimálnou ekologickou záťažou a tým znižovaním emisií CO2 začínajúc, energetickou sebestačnosťou investora, končiac. Nevyhnutnou podmienkou premeny slnečného žiarenia v dobre využiteľnú elektrinu je výroba lacných a účinnejších slnečných článkov z bežne dostupných materiálov. Uvádza sa, že pri znížení ich dnešnej ceny na pätinu budú ekonomicky úplne konkurencieschopné. Očakáva sa, že podiel elektrickej energie vyrobenej zo slnečného žiarenia dosiahne 10 – 30 % najskôr za nasledujúcich 20 - 50 rokov za prispetia rozsiahlych technologických inovácií a správnych politických rozhodnutí. Vývoj fotovoltaiky je ale tak rýchly, že uvedené čísla a termíny nemusia už za pár rokov pre špecifické sektory spoločnosti vôbec platiť. Hlavne vidiecke a prímestské obyvateľstvo môže byť už čoskoro energeticky sebestačné na základe energie slnka a biomasy.
V Českej Republike a ďalších rozvinutých krajinách ako je Nemecko, Holandsko, USA či Japonsko, sa projekty domov so slnečnými strechami neustále rozširujú. Najlepšie predpoklady pre rozvoj výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov, teda aj solárnej energie, má však najchudobnejší a najmenej elektrifikovaný svetadiel, Afrika. V Maroku bola dokončená prvá fáza výstavby solárno-tepelnej elektrárne využívajúcej zrkadlá k nasmerovaniu slnečných lúčov a roztáčania parných turbín. Nigéria, usilujúca o posilnenie svojej pozície v oblasti výroby solárnej energie, oznámila výstavbu prvého projektu tohto typu – solárne elektrárne s výkonom 1,2 MW. Senegal sa svojom bojmi proti lokálnemu energetickému deficitu zaviazal k využitiu solárnej energie, ktorá by mala uspokojiť aspoň 30 % energetických potrieb obyvateľov na vidieku. Mozambik investoval viac než 15 mil. USD do rozvoja solárnych technológií. Rwanda podporuje minisolárne projekty, ktoré umožňujú dostatočný prístup k elektrickej energii miestnym solárnym školám a poľnohospodárom. Subsaharská Afrika všeobecne posilňuje právne predpisy v prospech solárnej energetiky. Africká rozvojová banka (AfDB) v spolupráci s OSN zverejnila v roku 2015 priority, na ktorých vrchole stojí práve úsilie o rozvoj elektrifikácie kontinentu (na vidieku je to menej než 20 %). Fotovoltaická energetika je jedným z tých efektívnych prostriedkov, ktoré učinia tento cieľ dosiahnuteľnejší.
Záver
Energiu, ktorú k našej Zemi vyžaruje Slnko je obrovská. Najrôznejšie analýzy opierajúce sa o nákladové kalkulácie a rýchly technologický vývoj solárnych systémov dokazujú, že energia zo Slnka (ktorá kedysi dávno stála pri vzniku či už uhlia, tak zemného plynu), je už dnes ich významnou alternatívou a skôr či neskôr ju nahradí. Aukcie dlhodobých kontraktov na produkt solárnej energie v krajinách ako Južná Afrika, Spojené Arabské Emiráty, Peru či Mexiko, to len potvrdzujú.
