Fotovoltaika - RES COMPASS

FOTOVOLTAIKA
Mgr. Jiří Petera
Mgr. Jan HEŘMAN
OBSAH
1
HISTORIE ........................................................................................................... 3
1 .1
G E N ER AČ NÍ V ÝVO J FO TO VO L T AI CK Ý CH Č LÁ NK Ů ............................................... 5
1 .1 .1
P RV NÍ G ENE R AC E ................................................................................................................. 5
1 .1 .2
DR UH Á GEN E R ACE ............................................................................................................... 6
1 .1 .3
T ŘET Í GENE R AC E .................................................................................................................. 6
2
FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ČINNOSTI FOTOVOLTAICK ÝCH ČLÁNKŮ .... 8
2 .1
SO LÁ RN Í P A NE L ( K Ř EM Í K O VÉ Č L ÁNK Y) .................................................................... 10
2 .2
FO TO VO L T AI CK É SY S T ÉM Y ................................................................................................ 12
2 .2 .1
DR OB N É AP LI K AC E ............................................................................................................ 12
2 .2 .2
OST R OV NÍ SY ST ÉM Y ( OF F - G RID) .............................................................................. 12
2 .2 .3
SÍ Ť OVÉ S YST ÉM Y ( O N -G RI D) ....................................................................................... 14
3
4
5
EKONOMICKÉ AS PEKTY V YUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝ CH ČLÁNKŮ 16
VYUŽITÍ FOTOVOLTAICK ÝCH ČLÁNKŮ V ZAHRANIČÍ ..................... 17
VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁN KŮ V ČR ...................................... 18
PŘ ÍRO DN Í P O DM ÍN K Y V ČR ................................................................................................. 19
L E G IS L A T IV A V Č R .................................................................................................................... 21
FI NA NČ NÍ N ÁS T RO J E PO DPO RY V ČR ........................................................................... 21
M ECH A NI SM US VÝ K UPN Í CH C E N A ZE L E NÝ CH B O N U SŮ
(F E ED - I N TA R I FF) ....................................................................................................................... 22
5 .4 .1
P RI N CI P VÝ KUP NÍ C H CE N .............................................................................................. 22
5 .4 .2
P RI N CI P ZE LE NÝ C H B ON US Ŧ ....................................................................................... 23
5 .5
DA ŇO V Á Ú L E VA ........................................................................................................................... 23
5 .6
DO TA ČN Í T I TU L Y V ČR ........................................................................................................... 24
5 .6 .1
N ÁRO D NÍ P R OG R AM Y ...................................................................................................... 24
5 .6 .2 .
OP ER AČ NÍ P R OG R AM Y ..................................................................................................... 25
5 .1
5 .2
5 .3
5 .4
6.
7
EKONOMICKO – TECHNICKÉ ZHODNOCENÍ VYUŽITELNOSTI
FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁN KŮ NA KONKRÉTNÍM DOMĚ ................. 26
SEZNAM POUŽITÉ LITER ATURY A ZDROJŮ ........................................ 30
2
Schéma č. 1: Využití solární energie
Slunc
e
Další druhy
obnovitelných
zdrojŧ
Solární
energie
Soukrom
é vyuţití
Elektrárn
a
Fotovoltaické / solární
panely
Výroba el.
energie
Ostrovní systémy
(akumulace
el.energie)
Drobné
aplikace
Síťové
systémy
Síťový
střídač
Regulace
nabíjení /
vybíjení
SPOTŘEBITEL
(kalkukačky,
nabíječky,
MP3 přehrávače
aj.)
Akumulátorová
baterie
SPOTŘEBITEL
Běžné síťové
spotřebiče
(TV, ledničky, pračky
aj.)
Elektrom
ěr
Veřejná
rozvodná
síť
Elektrom
ěr
Vnitřní
el.
rozvody
3
KLÍČOVÁ SLOVA
fotovoltaika, solární energie, solární panely, fotovoltaické systémy, ostrovní systémy, síťové
systémy, účinnost solárních panelŧ, státní dotace, výkupní ceny, zelené bonusy
4
1. HISTORIE
Pojem fotovoltaika pochází ze dvou slov, řeckého φώς [phos] = světlo a ze
jména italského fyzika Alessandra Volt y. Objev fotovoltaického jevu se pak
připisuje Alexandru Edmondu Becquerelovi, který jej jako devate náctilet ý
mladík odhalil při experimentech v roce 1839. V roce 1904 jej fyzikálně
popsal Albert Einstein a v roce 1921 mu byla za „práce pro rozvoj teoretické
fyziky, zejména objev zákona fotoelektrického efektu“ udělena Nobelova
cena.
Jiţ
v
roce
1916
pak
další
drţitel
této
ceny
Robert
Millikan
experimentálně potvrdil platnost principu fotovoltaického jevu. Prvotní
pokus y s fotočlánky spadají do sedmdesátých let 19. století, kdy byl y poprvé
zjištěny změny vodivosti selenu při jeho osvětlení a kolem r. 1883 byl
sestrojen první selenový fotočlánek s tenkou vrstvou zlata (Charles Fritts,
účinnost pod 1%). První patent na solární článek pak byl podán v roce 1946
Russellem Ohlem, který také stál na počátku rozvoje křemíkových solárních
článkŧ (1941). První skuteč ný fotovoltaický článek s 6 % účinností byl
vyroben z krystalického křemíku v roce 1954 v Bellových laboratořích (G.L.
Pearson, Daryl Chapin, Calvin Fuller).
Větší rozvoj fotovoltaiky nastává v šedesát ých letech s nástupem kosmického
výzkumu, sluneční člán ky slouţí jako zdroj energie pro druţice. Vŧbec první
druţicí vyuţívající k zisku energie sluneční paprsky byl ruský Sputnik 3,
vypuštěný
15.
května
1957.
Dalším
dŧleţit ým
mezníkem
pro
rozvoj
fotovoltaiky a zejména výzkumu a vývoje v této oblasti byla celo světová
ropná krize v roce 1973.
1.1 GENERAČNÍ VÝVOJ FOTO VOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ
1.1.1 PRVNÍ GENERACE
První generací se naz ývají fotovoltaické články vyuţívající jako základ
křemíkové desky. Jsou dnes nejrozšířenější technologií na trhu (cca 90 %)
a dosahují poměrně vysoké účinnosti pře měny (v sériové výrobě 16 aţ 19 %,
speciální struktury aţ 24 %). Komerčně se začal y prodávat v sedmdesát ých
5
letech minulého století. Přestoţe je jejich výroba relativně drahá (a to
zejména z dŧvodu drahého vstupního materiálu – krystalického křemíku),
budou ještě s největší pravděpodobností v několika dalších letech na trhu
dominovat.
1.1.2 DRUHÁ GENERACE
Impulsem pro rozvoj článkŧ druhé generace byla především snaha o sníţení
výrobních nákladŧ úsporou drahého základního materiál u – křemíku. Články
druhé generace se vyznačují stokrát aţ tisíckrát tenčí aktivní absorbující
polovodičovou vrstvou ( tzv. thin-film) a jejími představiteli jsou např.
články z amorfního a mikrokrystalického křemíku (případně silicon -germania,
či silicon-karbidu, ale také tzv. směsné polovodiče z materiálŧ jako Cu, In,
Ga, S, Se, označované obecně jako CIS struktury). S úsporou materiálu došlo
v porovnání s články první generace k poklesu výrobních nákladŧ (a tedy za
předpokladu velkosériové výroby i k pok lesu ceny), nicméně dosahovaná
účinnost je obvykle niţší (v sériové výrobě obecně pod 10%). Nespornou
výhodou tenkovrstvých článkŧ je ale moţnost volby substrátu (na ně jţ se
tenkovrstvé struktury deponují) a v případě pouţití flexibilních materiálŧ
(organické, kovové či textilní folie) i značně širší aplikační sféra. Komerčně
se začal y články druhé generace prodávat v polovině osmdesátých let.
1.1.3 TŘETÍ GENERACE
Pokus o „fotovoltaickou revoluci“ představují solární články třetí generace.
Zde je hlavním cílem nejen snaha o maximalizaci počtu absorbovaných fotonŧ
a následně generovaných párŧ elektron - díra (jedná se o tzv. „proudov ý
zisk“),
ale
i
maximalizace
vyuţití
energie
dopadajících
fotonŧ
( tzv.
„napěťový zisk“ fotovoltaických článkŧ). Existuje řada směrŧ, kterým je ve
výzkumu věnována pozornost:
vícevrstvé solární články (z tenkých vrstev)
6
články s vícenásobnými pásy
články, které by vyuţíval y nosiče náboje pro gener ování většího
mnoţství párŧ elektron – díra
termofotovoltaická přeměna, kde abs orbér je současně i selektivně
vyzařujícím radiátorem
termofotonická přeměna, kde absorbér je nahrazen elektroluminiscencí
články
vyuţívají cí
kvantových
jevŧ
v
kvantových
tečkách
nebo
kvantových jamách
prostorově strukturované články vznikající samoorgan izací při rŧstu
aktivní vrstvy
organické články (např. na bázi objemových heteropřechodŧ)
Zatím jediným komerčním příkladem dobře fungujících článkŧ třetí generace
(přímo navazující ch na fotovoltaické články druhé generace) jsou vícevrstvé
struktury (dv ojvrstvé – tzv. tandem y a trojvrstvé články), z nichţ kaţdá
substruktura (p -i-n) absorbuje určitou část spektra a maximalizuje se tak
energetická vyuţitelnost fotonŧ. Příkladem tandemového solárního článku je
struktura skládající
se z p -i-n přechodu amorfního (hydrogenovaného)
křemíku (a-Si:H) a p-i-n přechodu mikrokrystalického (hydrogenovaného)
křemíku (µc-Si:H). Amorfní křemík má vysokou absorpci v oblasti modré,
zelené a ţluté části spektra, mikrokrystal ický křemík pak dobře absorbuje
i v oblasti červené a infračervené. Mikrokrystalický křemík mŧţe být
nahrazen i „slitinou“ křemíku s ge rmániem a dle zvoleného poměru o bou
materiálŧ se dají upravovat i jejich optické (či elektrické) vlastnosti. Těchto
materiálŧ se např. vyuţívá komerčně právě pro trojvrst vé solární články, kde
dva spodní články jsou vyrobeny s rŧznou koncentrací Si a Ge. Základní
podmínkou pro dobrou funkc i vícevrstvých článkŧ je, aby kaţdý z článkŧ
generoval stejný proud. V opačném případě pak ten horší (příp. nejhorší)
z článkŧ limituje a celkově sniţuje dosaţitelnou účinnost.
7
2. FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ČINNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH
ČLÁNKŮ
Sluneční záření dopadající na povrch Země (po prŧchodu atmosférou) se
skládá z fotonŧ rŧzných vlnových délek a tedy i rŧzných energií. Z celého
slunečního spektra je lidským okem viditelná pouze jeho část v oblasti 380 aţ
780 nanometrŧ. Oblast s kratší vlnovou délkou (větší energií) se naz ývá
ultrafialová (UV) a oblasti s delší vlnovou délkou se říká infračervená (IČ).
Obr. č. 1: Sluneční spektrum po průchodu vrstvou atmosféry
Základním poţadavkem na sluneční články je schopnost pohlcovat co nejširší
oblast slunečního spektra a co nej lépe vyuţít energii fotonŧ.
Dopadá-li na křemík foton o energii menší neţ 1,1 eV (elektronvoltŧ), projde
křemíkem a není absorbován. Kdyţ je jeho energie větší neţ 1,1 eV (tato
energie odpovídá šířce tzv. zakázaného pásu EG
Ec
Ev a tedy „absorpční
hraně“ křemíku), pak je tento foton absorbován a v polovodiči vzniknou volné
nosiče náboje - záporný elektron a kladná díra.
8
Obr. č. 2: Princip fotovoltaického článku
Sluneční článek se skládá z části mající elektr onovou vodivost (materiál t ypu
N, např. křemík s příměsí fosforu) a z části mající děrovou vodivost (materiál
typu P , např. křemík s příměsí boru). Na přechodu P-N dojde k oddělení
elektronŧ a děr a na kontaktech vznikne napětí (v případě křemíku t ypicky
0,5-0,6 V). Připojíme-li ke kontaktŧm spotřebič (zátěţ), protéká tímto
elektrický proud.
Obr. č. 3: Schéma fotovoltaického článku
Fotovoltaika vyuţívá přímé přeměny světelné e nergie na elektrickou energii
v polovodičovém prvku označovaném jako fotovoltaický nebo také solární
článek. Solární článek je v principu velkoplošná dioda s alespoň jedním PN
přechodem. V ozářeném solárním článku jsou generovány elektricky nabité
částice (páry elektron – díra). Elektrony a díry jsou separovány vnitřním
9
elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťov ý
rozdíl mezi „předním“ ( -) a „zadním“ (+) kont aktem solárního článku.
Vnějším obvodem zapojeným mezi oba kontakt y potom protéká stejnosměrný
elektrický proud, který je přímo úměrný ploše solárního článku a intenzitě
dopadajícího slunečního záření.
Napětí jednoho článku s hodnotou přibliţně 0,5 V je příliš nízké pro další
běţné vyuţití. Sériovým propojením více článkŧ však získáme napětí, které
jiţ pouţitelné je v rŧzných t ypech fotovoltaických systémŧ. Standardně jsou
pouţívány sestavy pro jmenovité provozní napětí 12 V nebo 24 V. Takto
vytvořené sestavy článkŧ v sériovém nebo i sériovo -paralelním řazení jsou
hermeticky uzavřeny ve struktuře krycích materiálŧ výsledného solárního
panelu.
Obr. č. 2: Voltampérová charakteristika fotovoltaického článku
2.1 SOLÁRNÍ PANEL (KŘEMÍ KOVÉ ČLÁNKY)
Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článkŧ vzniká
po jejich zapouzdření fotovoltaický panel (FV panel). Panel musí zajistit
hermetické
zapouzdření
solárních
článkŧ,
musí
zajišťovat
dostatečnou
mechanickou a klimatickou odolnost (např. vŧči silnému větru, krupobití,
mrazu apod.). Konstrukce solárních panelŧ jsou značně rozmanité podle druhu
pouţití. Obvykle jsou po obvodu FV panel y opatřeny duralovými rám y pro
zpevnění celé konstrukce fotovoltaického panelu a zároveň k usnadnění
10
realizace uchycení panelŧ ke konstrukci FV systému. Přední krycí materiál je
speciální kalené sklo, které odolává i silnému krupobití.
Schéma fotovoltaick ého panelu a částí jeho konstrukce je znázorněno na
obrázku č.5. Jde o poměrně sloţit ý proces konstrukce panelu realizovan ý
v prŧběhu výroby většiny panelŧ – tzv. laminace.
Obr. č. 3: Konstrukce fotovoltaického panelu
Z
aplikačního
hlediska
jsou
pro
nás
nejdŧleţitější
části
konstrukce
nacházející se nad povrchem přední strany FV článkŧ, tedy tzv. EVA folie
(ethylen vinyl acetát) a kalené sk lo (popř. teflon, litá pryskyřice). EVA folie
je organickým materiálem, který mŧţe vykazovat při silném ozáření UV
světlem efekt „ţloutnutí“ a tedy sníţení optické transparentnosti panelu
s nepříznivým
vlivem
na
mnoţství
generovaného
elektrické
výkonu
slunečními články. Krycí kalené sklo je z hlediska degradace optických
vlastností velmi stabilním materiálem a ke sníţení optické propustnosti mŧţe
dojít jedině znečištěním povrchu vlivem okolního prostředí. Struktura panelŧ
tenkovrstvých solárních článkŧ je p oněkud odlišná od konstrukce modulŧ
z krystalických křemíkových článkŧ. Je to dáno zejména zcela odlišnou
technologií výroby, kdy celá aktivní struktura je deponována plazmaticky
v jednotlivých krocích na skleněný velkoplošný substrát.
11
2.2 FOTOVOLTAICKÉ SYSTÉMY
Podle účelu pouţití lze fotovoltaické systém y rozdělit do 3 skupin.
Jsou to takzvané
-
drobné aplikace
-
ostrovní systém y (off-grid)
-
síťové systém y (on -grid)
Nejvýznamnější skupinou jsou jednoznačně síťové systém y, které například
v Německu tvoří ví ce neţ 90% veškerých instalací.
2.2.1 DROBNÉ APLIKACE
Tvoří nejmenší, avšak nezanedbatelný podíl na FV trhu. Kaţdý jistě zná
fotovoltaické články v kalkulačkách nebo také solární nabíječky akumulátorŧ.
Trh drobných aplikací nabývá na významu, protoţe s e mnoţí poptávka po
nabíjecích zařízeních pro okamţité dobíjení akumulátorŧ (mobilní telefony,
notebooky, fotoaparát y, MP3 přehrávače apod.) na dovolených, v kempech,
popř. ve volné přírodě.
2.2.2 OSTROVNÍ SYSTÉMY (OF F-GR ID)
Pouţívají se všude tam, kd e není k dispozici rozvodná síť a kde je potřeba
střídavého napětí 230 V. Obvykle jsou ostrovní systém y instalovány na
místech, kde není účelné anebo vŧbec není moţné vybudovat elektrickou
přípojku. Dŧvody jsou zejména ekonomické, tzn. náklady na vybudován í
přípojky jsou srovnatelné (nebo vyšší) s náklady na fotovoltaický systém
(vzdálenost k rozvodné síti je obvykle více neţ 500 - 1000 m). Jedná se
zejména o odlehlé objekt y, jakými jsou např. chat y, karavany, jacht y,
napájení dopravní signalizace a telekom unikačních zařízení, zahradní svítidla,
světelné reklam y apod.
Off-grid s ystém y se dále dělí na systém y
-
s přím ým napájením
12
-
hybridní systém y
-
s ystém y s akumulací elektrické energie
U s ystémŧ s přím ým napájením se jedná o prosté propojení sol árního panelu
a spotřebiče, kdy spotřebič funguje pouze v době dostatečné intenzit y
slunečního záření (nabíjení akumulátorŧ mal ých přístrojŧ, čerpání vody pro
závlahu, napájení ventilátorŧ k odvětrání uzavřených prostor atd.).
Spotřebič
Obr. č. 4: Schéma systémů s přímým napájením
Hybridní ostrovní systém y se pouţívají tam, kde je nutný celoroční provoz se
značným vytíţením. V zimních měsí cích je moţné získat z fotovoltaického
zdroje podstatně méně elektrické energie neţ v letních měsících. Proto je
nutné t yto systém y navrhovat i na zimní provoz, coţ má za následek zvýšení
instalovaného výkonu systému a podstatné zvýšení pořizovacích náklad ŧ.
Z těchto
dŧvodŧ
jsou
fotovoltaické
systém y
doplňovány
alternativním
zdrojem energie, kterým mŧţe být např. větrná elektrárna, malá vodní
elektrárna, elektrocentrála, kogenerační jednotka atd.
Typickými představiteli systémŧ nezávislých na síti jsou sy stémy s akumulací
elektrické energie. Oproti síťové verzi (viz níţe) vyţaduje tento systém navíc
solární baterie, které uchovají vyrobenou energii na dobu, kdy není dostatek
slunečního svitu (noc, „temné“ dny v zimním období, atd.). Optimální
dobíjení
a
vybíjení
akumulátorové
baterie
regulátorem.
Takový ostrovní systém potom obsahuje:
fotovoltaick é panel y
regulátor dobíjení akumulátorŧ
13
je
zajištěno
elektronickým
akumulátor (v 95% bývá olověný)
střídač = měnič (pro připojení běţných síťových spotřebičŧ 230V / ~50Hz)
případně další sloţky - sledovače slunce, indikačních a měřících přístrojŧ
Svítidlo
TV
Chladnička
Vítr….…..
Voda....…
Plyn....….
Benzín.…
Střídač
xxVss/230Vst
Akumulátorová
baterie
Pro hybridní systém
Běžné
síťové
spotřebiče
Obr. č. 5: Schéma systémů s akumulací elektrické energie
2.2.3 SÍŤOVÉ SYSTÉMY (ON-GR ID)
Síťové s ystém y (on-grid) jsou nejvíce uplatňovány v oblastech s hustou sítí
elektrických
rozvodŧ.
V
případě
dostatečného
slunečního
svitu
jsou
spotřebiče v budově napájeny vlastn í „solární“ elektrickou energií a případný
přebytek je dodáván do veřejné rozvodné sítě. Při nedostatku vlastní energie
je elektrická energie z rozvodné sítě odebírána. S ystém funguje zcela
automaticky díky mikroprocesorovému řízení síťového střídače. Přip ojení
k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodŧ. Špičkový výkon
fotovoltaických systémŧ připojených k rozvodné síti je v rozmezí jednotek
kilowatt aţ jednotek megawatt.
V současnosti se tento t yp systémŧ jeví (za předpokladu dotace) jako
zajímavá investiční příleţitost, kdy je veškerá produkce FV elektrárny
prodávána do sítě za tzv. výkupní tarify. V ČR je výkupní cena pro rok 2007
stanovena na 13,46 Kč / kWh, jakoţto cena minimální s garancí této částky po
dobu minimálně 15 let.
14
Moţnosti aplikace těchto systémŧ jsou rovněţ široké – jedná se zejména
o střechy rodinných domŧ, fasády a střechy administrativních budov,
protihlukové bariéry okolo dálnice, fotovoltaické elektrárny na volné ploše
atd. FV panel y pak lze rozmístit i ve velkém m noţství.
Základními prvky on -grid FV systémŧ jsou:
fotovoltaické panel y
měnič napětí (střídač), který ze stejnosměrného napětí vyrábí střídavé
(230V / ~50Hz)
kabeláţ
přístroj k měření vyrobené elektrické energie (elektroměr)
popř. sledovač s lunce, další indikační a měřící přístroje
Síťový střídač
Pro solární
systémy
Elektroměr
Veřejná
rozvodná
síť
Vnitřní elektrické
rozvody
Elektroměr
Obr. č. 6: Schéma systému on-grid
15
3. EKONOMICKÉ ASPEKTY VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH
ČLÁNKŮ
Fotovoltaický systém o nominálním výkonu 1 kWp je v našich podmínkách
schopen vyrobit okolo 900kWh elektrické energie za rok. Tato hodnota je
závislá na nadmořské výšce (kaţdých 600 m n.m. znamená nárŧst výkonu
o cca 5%), na klimatických a povětrnostních podmínkách v místě instalace,
kdy mŧţe být výnos sn iţován inverzemi nebo čast ými mlhami , a dále na
geografickém umístění. Platí pravidlo, ţe čím více na jih, tím větší výnos
z fotovoltaického systému. Panel y musí být optimálně orientovány – volí se
jiţní směr ve sklonu 32° - 49° dle charakteru a zpŧsobu pr ovozování systému.
Výnos je moţné za cenu větších vstupních investičních nákladŧ a větších
nárokŧ na údrţbu zvýšit pomocí rozličných naváděcích zařízení, která panel y
natáčejí v horizontálním a vertikálním směru podle polohy slunce během dne.
Běţná v ýkupní cena je většinou garantována na 20 let od data uvedení do
provozu a dnes činí 13,46 Kč / kWh bez DPH za kaţdou vyrobenou 1kWh
energie. Elektřinu je moţné dodávat na základě smlouvy s konečným
zákazníkŧm za trţní cenu a k tomu inkasovat tzv. zelený bonus, který je
stejně jako výkupní cena garantován na 20 let a činí 12,65 Kč / kWh bez DPH
za kaţdou vyrobenou 1 kWh. Zařízení o nominálním výkonu 1 kWp (Wp je
jednotka špičkového výkonu při ideálních podmínkách) by mělo ročně
generovat minimální výnos cca 12100 Kč bez DPH, přičemţ cena 1kWp
nainstalovaného výkonu je na úrovni přibliţně 130 000 Kč aţ 160000 Kč.
Z uvedeného je zřejmé, ţe návratnost investice je bez dotace na úrovni
přibliţně 12 let. Vhodně vybraná státní dotace mŧţe dobu návratnosti zkrátit
na 5 aţ 8 let, při prŧměrném diskontovaném výnosu z investice 12% ročně,
navíc se státní garancí výkupních ce n.
16
4. VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ZAHRANIČÍ
Ve všech evropských zemích je dostatek slunečního záření přijímaného
fotovoltaickými systém y, aby bylo moţné vyrábět většinu, nebo dokonce
téměř veškerou energii spotřebovanou rodinami v domácnostech. A t o i ve
skandinávských zemích, kam slunečního světla dopadá mnohem méně .
Ve skutečnosti je v mnoha skandinávských zemích pouţívání fotovoltaické
energie mnohem rozvinutější neţ v zemích jiţní Evropy. V Holandsku,
Německu a v dalších zemích je vyuţití fotov oltaické energie rozšířené a dík y
politické vŧli stále roste. Hnutí proti vyuţívání atomové energie, problém y
zpŧsobené industrializací a vyšší hustota zalidnění jsou v těchto zemích
příčinami velmi silného povědomí o ţivotním prostředí . Zde lidé jiţ dlouho
poţadují vyuţívání obnovitelných zdrojŧ energie. Tlak od občanŧ má siln ý
politický dopad a v jist ých společnostech je nyní politická poptávka vyšší neţ
poptávka od občanŧ.
Například Francie má k dispozici mnoho slunečního záření, rozhodně dostatek
pro v ýrobu energie pomocí fotovoltaických systémŧ, a to jak v malém měřítku
(domácnosti), tak i ve velkém (elektrárny). Aţ do dnešní doby bylo nákladné,
aby si jednotlivec nainstaloval fotovoltaické systém y a v dŧsledku toho
nebylo pouţívání tohoto druhu energi e ve Francii příliš rozvinuté. Ale v roce
2006 byl y navrţeny nové sazby za odkup elektrické energie vyráběné
jednotlivci a její export do rozvodné sítě, a to 0,30 c€ / kWh pro klasické
fotovoltaické systémy a 0,55 c€ / kWh v případě panelŧ integrovaných
do budov. Návratnost investice nyní bude mnohem vyšší, coţ bude dŧvodem
pro další rozvoj instalací fotovoltaických systémŧ ve Francii. Podobné krok y
se chystají v dalších evropských zemích.
17
5. VYUŽITÍ FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ V ČR
V současné době je zazname náván zvýšený zájem o instalaci fotovoltaických
s ystémŧ
ze
strany
českých
zákazníkŧ.
Vyuţití
fotovoltaických
článkŧ
determinují zejména tyto 3 faktory:
přírodní podmínk y
legislativa
finančními nástroj e podpory
Vŧdčí společností na trhu v oblasti výroby a instalaci fotovoltaických článkŧ
u nás je společnost Solartec, s.r.o. z Roţnova pod Radhoštěm (obr. č. 9), ale
počet firem zabývající se touto problematikou stále roste.
Obr. č. 9: Přehled větších fotovoltaických systémů nainstalovaných na území ČR
do roku 2007
18
5.1 PŘÍRODNÍ PODMÍNKY V ČR
Jak jiţ bylo uvedeno, d ostupnost solární energie v České republice je
samozřejmě ovlivněna rŧznými faktory, mezi které především patří zeměpisná
šířka, roční doba, oblačnost a lokální p odmínky, sklon plochy na níţ sluneční
záření dopadá a další. Zajímavým fakt em nicméně zŧstává, ţe se údaje
o slunečním záření v ČR z jednotlivých zdrojŧ v mnohém liší. Shrneme -li
dosud publikované informace, dojdeme k následujícím výsledkŧm:
-
v
České
republice
dopadne
na
1
m²
vodorovné
plochy zhruba
950 – 1340 kWh energie
-
roční mnoţství slunečních hodin se pohybuje v rozmezí 1331 – 1844 h
(ČHMÚ), odborná literatura uvádí jako p rŧměrné rozmezí 1600 – 2100 h
Z hlediska praktického vyuţití pak platí, ţe z j edné instalované kWp běţného
s ystému (FV články z monokrystalického, popř. multikrystalického křemíku,
běţná účinnost střídačŧ apod.) lze za rok získat v prŧměru 800 – 1100 kWh
elektrické energie.
19
Obr. č. 10: Sluneční záření v ČR – MWh / kWh / m² (dopad na vodorovnou plochu)
20
5.2 LEGISLATIVA V ČR
Velmi dŧleţitou roli v oblasti fotovoltaiky v ČR hraje zákon číslo 180/2005
Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných z drojŧ energie a o změně
některých zákonŧ (zákon o podpoře vyuţívání obnovitelných zdrojŧ), jehoţ
hlavním přínosem by měla být stabilizace podnikatelského prostředí v oblasti
obnovitelných
zdrojŧ
energie,
zvýšení
atraktivnosti
těchto
zdrojŧ
pro
investory a vytvoření podmínek pro vyváţený rozvoj OZE v ČR. Mezi další
významné právní normy mŧţeme zařadit zejména t yto dokument y:
Bílá kniha o obnovitelných zdrojích energie (1997),
Směrnice 2001/77/EC . Evropského parlamentu a Rady EU ze dne 27. září
2001 „o podpoře výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojŧ energie
na vnitřním trhu“,
Vyhláška č. 475/2005 Sb. ( novelizovaná vyhláškou č. 364/2007 Sb. ),
kterou se provádějí některá ustanovení zákona o podpoře vyuţívání
obnovitelných zdrojŧ,
Vyhláška č. 150/ 2007 Sb. a Cenové rozhodnutí ERÚ č. 7/2007.
Zákon číslo 180/2005 Sb.
Novelizace vyhlášky č. 475/2005 Sb. a její novel izace vyhláškou č. 364/2007
Sb.
přináší
změnu
indikativních
hodnot
technických
a
ekonomických
parametrŧ, především ve sm yslu předpokládané ţivotnosti fotovoltaické
elektrárny, která se z pŧvodn ích 15 let zvyšuje na 20 let.
5.3 FINANČNÍ NÁSTROJE PO DPORY V ČR
Česká
republika
se
zavázala
splnit
cíl
8%
hrubé
výroby
elektřiny
z obnovitelných zdrojŧ na tuzemské hrubé spotřebě elektřiny k roku 2010
a společně s tím vytvořit takové legislativní a trţ ní podmínky, aby zachovala
dŧvěru investorŧ do technologií na bázi OZE. Tak je to definováno ve
Směrnici 2001/77/ES, kterou ČR implementovala do svého právního řádu
prostřednictvím Zákona č. 180/2005 Sb. Směrnice jiţ ovšem nedefinuje
21
konkrétní nástroje k d osaţení tohoto cíle a ponechává jejich volbu na
rozhodnutí členských státŧ. Česká republika se rozhodla zavést mechanismus
výkupních cen (tzv. feed -in tariff) v kombinaci se systémem „zelených
bonusŧ“. Ze získaných zkušeností po celém světě dnes mŧţeme tvr dit, ţe
z pohledu fotovoltaiky a jejího rozvoje se tento systém osvědčil asi nejlépe.
Také proto dnes tento systém v Evropě (a nejen tam) dominuje a mnohé další
země jej zavádějí, popř. upravují (Francie, Řecko). Existují však i jiné
zpŧsoby podpory fotovo ltaiky a trhu s těmito produkt y, které často feed -in
tariff doplňují.
5.4 MECHANISMUS
VÝKUPNÍC H
CEN
A
ZELENÝCH
BON USŮ
(FEED-IN TARIFF)
5.4.1 PRINC IP VÝKUPNÍCH CE N
Ze zákona č. 180/05 Sb. vypl ývá povinnost pro provozovatele přenosové
soustavy
nebo
distribuční
soustavy
připojit
fotovoltaický
systém
do
přenosové soustavy a veškerou vyrobenou elektřinu (na kterou se vztahuje
podpora)
vykoupit.
Výkup
probíhá
za
cenu
určenou
pro
daný
rok
Energetickým regulačním úřadem ( ERÚ, viz Cenové rozhodnutí č.8/2006)
a tato cena bude vyplácena jako minimální (navyšuje se o index PPI) po dobu
následujících patnáct let (investor je povinen podávat hlášení o naměřené
výrobě v pŧlročních intervalech).
Př. - investor se rozhodne uvést do provozu systém v roce 2007 a rozhodne se
pro s ystém výkupních cen. Pro daný rok uvedení systému do provozu je platná
cena 13,46 Kč / kWh a tudíţ v následujících patnácti letech bude investor
svoji elektřinu prodávat minimálně za tuto cenu. Tato cena nemŧţe klesnout,
naopak, bude navyšována o index P PI (Cenový index prŧm yslové výroby, čili
„prŧm yslová inflace“).
22
5.4.2 PRINC IP ZELENÝCH BON USŦ
Investor si ovšem mŧţe vybrat i jiné schéma podpory - tzv. zelený bonus
(zeleným bonusem se rozumí finanční částka navyšující trţní cenu elektřiny,
která
zohl edňuje
sníţené
poškozování
ţivotního
prostředí
vyuţitím
obnovitelného zdroje). Tento systém je více ve shodě s liberalizovaným
trhem. Výrobce si na trhu musí najít obchodníka, kterému elektřinu prodá za
trţní cenu. Cena je niţší neţ u konvenční elektřiny, protoţe v sobě obsahuje
nestabilitu výroby, a je rŧzná pro rŧzné typy OZE. V momentu prodeje získá
výrobce od provozovatele distribuční soustavy tzv. zelený bonus neboli
prémii. Regulační úřad stanoví výši prémií tak, aby výrobce získal za
jednotku prodané elektřiny o něco vyšší částku neţ v systému pevných
výkupních cen. Př. takovýto systém je povinný pro investory, kteří budou
vyrobenou elektřinu vyuţívat pro vlastní spotřebu.
5.5 DAŇOVÁ ÚLEVA
Z hlediska investice do fotovoltaiky je dŧleţ it ý také zákon č. 586/1992 Sb.,
o daních z příjmŧ, který říká, ţe příjmy z provozu obnovitelných zdrojŧ
energie jsou osvobozeny od daně ze zisku, a to v roce uvedení do provozu
a následujících 5 let (§ 4 písmeno e). Osvobozeny od daně tedy jsou: „příjm y
z provozu mal ýc h vodních elektráren do výkonu 1 MW, větrných elektráren,
tepelných čerpadel, solárních zařízení, zařízení na výrobu a energetické
vyuţití biopl ynu a dřevopl ynu, jiné zpŧsoby výroby elektřiny nebo tepla
z biomas y, zařízení na výrobu biologicky degradovatel ných látek stanovených
zvláštním předpisem, zařízení na vyuţití geotermální energie (dále jen
"zařízení"), a to v kalendářním roce, v němţ byl y poprvé uvedeny do provozu,
a v bezprostředně následujících pěti letech. Za první uvedení do provozu se
povaţuje i uvedení zařízení do zkušebního provozu, na základě něhoţ pl ynul y
nebo pl ynou poplatníkovi příjm y, a dále případy, kdy malá vodní elektrárna
do výkonu 1 MW byla rekonstruována, pokud příjm y z této malé vodní
elektrárny do výkonu 1 MW nebyl y jiţ osvobozeny . Za první uvedení do
provozu se povaţují i případy, kdy zařízení byla rekonstruována, pokud
23
příjm y z provozu těchto zařízení nebyl y jiţ osvobozeny. Doba osvobození se
nepřerušuje ani v případě odstávky v dŧsledku technického zhodnocení nebo
oprav a udrţov ání“.
5.6 DOTAČNÍ TITULY V ČR
Státní energetická koncepce ČR předpokládá podporu vyuţívání všech zdrojŧ
energie, které lze dlouhodobě reprodukovat a jejichţ pouţívání přispěje
k posilování nezávislosti státu na cizích zdrojích energie a k ochraně
ţivotního prostředí. Preferovat se budou všechny t ypy obnovitelných zdrojŧ
–
zdroje
vyuţívající
sluneční
energii,
energii
větru
a
vodních
tokŧ,
geotermální energii i biomasu jako zdroje pro výrobu elektřiny a tepelné
energie. Výjimkou není ani fotovoltaika a na i nvestici do fotovoltaického
zařízení lze získat finanční příspěvek (dotaci). A to jednak z prostředkŧ
státního rozpočtu v rámci národních programŧ a také v rámci Operačních
programŧ (prostředky Strukturálních fondŧ ).
5.6.1 NÁRODNÍ PROGRAMY
Státní program na podporu úspor energie a vyuţití OZE pro rok 2007 – tento
program je rozdělen na dvě části spadající p od MPO (část A) a MŢP (část B).
Jedná se o program roční, s omezeným rozpočte m a na případnou dotaci není
právní nárok. Nevýhodou je také ten fakt, ţe o dotaci mŧţe investor zaţádat
aţ poté, co celou investici profinancuje a uvede systém do provozu. V roce
2007 lze získat dotaci na FV systém jen v programové části B administrované
Státním fondem ţivotního prostředí. Jsou podporovány systém y do 5 kWp
a dotace mŧţe obdrţet fyzická osoba.
24
5.6.2. OPERAČNÍ PROGRAMY
Operační program y jsou programové do kument y Evropské unie, kterými jsou
redistribuovány prostředky unijního rozpočtu zpět do rozpočtŧ členských
státŧ. Pro financování investic v oblasti fotovoltaiky jsou dŧleţité zejména
Operační program y OPPI (Operační program Podnikání a inovace) a OPŢP
(Operační program Ţivotní prostředí). V rámci OPPI (program Eko -energie)
by měla podpora směřovat zejména podnikatelským subjektŧm, které by při
investici do fotovoltaiky mohl y získat aţ 30 % dotaci. MŢP resp. SFŢP by pak
měl zastřešovat podporu v rámci prior ity č. 3 OP Ţivotní prostředí, o výši
subvence bude rozhodovat finanční a ekonomická anal ýza.
25
6. EKONOMICKO – TECHNICKÉ ZHODNOCENÍ
VYUŽITELNOSTI FOTOVOLTAICKÝCH ČLÁNKŮ NA
KONKRÉTNÍM DOMĚ
Ekonomická efektivnost projektŧ vyuţívající fotovoltaické články (resp.
jednotlivé
druhy obnovitelných
zdrojŧ)
je
determinována
následujícími
ekonomickými veličinami:
investiční výdaje (veškeré jednorázové výdaje + reinvestice)
doba ţivotnosti zařízení
provozní výdaje
velikost roční produkce energie a energetických úsp or
zpŧsob financování
daňové úlevy, státní či jiné podpory (dotace apod.)
Pro zhodnocení ekonomické efektivnosti uţití fotovoltaického systému jako
zdroj elektrické energie na konkrétním domě předpokládejme nainstalovaný
fotovoltaický systém na šikmé stře še rodinného domu v okrese Hradec
Králové, kdy tento dŧm má ideální polohu pro instalaci systému na šikmé
střeše se sklonem 35°, který je ideální vzhledem k poloze České republiky.
Střecha je orientována přímo na jih. Fotovoltaický systém se skládá z 24 kusŧ
FV panelŧ Kyocera, typ KC200GHT -2. Maximální nominální výkon jednoho
panelu je 200 W p , celkový výkon je tedy 4,4 kW p . Celková plocha
fotovoltaické elektrárny je cca 34 m 2 . Předpokládaná účinnost panelŧ je
přibliţně 14%. Součástí systému je síťový měnič Fronius IG40, pro který je
uváděna účinnost 93,5%.
26
FOTOVOLTAICKÝ PANEL KYOCERA, typ KC200GHT -2
Vertikální úhel nastavení panelŧ
-
35°
Odchylka od jiţního směru
-
0°
Celkový počet panelŧ
ks
24
Celková plocha PVE
m2
34
Max. výkon panelu
Wp
200
Účinnost panelŧ
%
14,00
Účinnost síťového měniče
%
93,50
Celkem instalovaný výkon
kW p
4,5
Tab. č. 1: Základní parametry fotovoltaického systému
Pro výrobu elektřiny je dŧleţit ým parametrem doba slunečního svitu. Podle
měření ČHMÚ je v posledních letech tato doba delší neţ je dlouhodobý
prŧměr. Odchylky mohou být významné i v jednotlivých měsících kaţdého
roku, ale v součtu je doba slunečního svitu o několik procent delší, neţ je
dlouhodobý prŧměr. Pro odhad byl y pouţit y údaje z meteorologické stanice
v Hradci Králové.
Doba slunečního svitu Dlouhodobý
průměr 1961 – 1990 (h)
Hradec Králové
Průměr let 1998 – 2006 (h)
Leden
48,6
100%
62,5
129%
Únor
71,0
100%
85,6
120%
Březen
118,1
100%
128,0
108%
Duben
164,9
100%
188,6
114%
Květen
210,9
100%
268,3
127%
Červen
214,0
100%
255,5
119%
Červenec
216,9
100%
231,2
107%
Srpen
209,5
100%
244,1
117%
Září
153,9
100%
169,3
110%
Říjen
123,3
100%
110,1
89%
Listopad
48,4
100%
56,3
116%
Prosinec
42,5
100%
50,1
118%
Celkem
1622,0
100%
1849,3
114%
Tab. č. 2: Měsíční bilance doby slunečního svitu
27
Po započítání úči nnosti instalovaných panelŧ (14 %) a účinnosti DC/AC
konvertoru (93,5 %) získáme výsledky, které shrnuje tabulka č. 3.
Kyocera KC200GHT-2
sklon 35°(kWh)
Produkce elektrické energie
Leden
134,3
Únor
207,5
Březen
376,8
Duben
521,6
Květen
683,1
Červen
692,2
Červenec
697,1
Srpen
624,4
Září
445,4
Říjen
304,3
Listopad
131,8
Prosinec
104,0
Vyrobená energie celkem
4922,3
Tab. č. 3: Měsíční bilance produkce lektrické energie fotovoltaického systému
Instalovan ý FV systém tedy vyrobí přibliţně 5 MWh elektřiny ročně.
Investiční náklady ukazuje tabulka č. 4.
Celkové investiční
náklady
Dodávka a montáţ měniče
elektrického napětí
FRONIMUS (IG 40)
Dodávka a montáţ
solárních panelŧ Kyocera
(24x KC-200GHT-2)
Celkem
Cena bez DPH
(Kč)
19% DPH
(Kč)
Cena s DPH
(Kč)
58300,-
11077,-
69377,-
516523,-
98139,-
614662,-
574823,-
109216,-
684039,-
Tab. č. 4: Celkové investiční náklady podle faktury od dodavatele
Při výpočtu kritérií ekonomické efektivnosti je zapotřebí započítat reinvestice
do měničŧ elektrického napětí jednou za 10 let. To znamená, ţe zhruba jednou
za 10 let bude třeba vyměnit všechny měniče za nové. Při výpočtu ekonomik y
28
provozu FV systému je třeba mít rovněţ na paměti zpŧsob provozu zařízení.
Pro
připojení
pomocí
stávajícího
el ektrického
vedení
je
nutné
pouţít
vícekvadrantový elektroměr , který umí rozlišit odběr z FV systému a ze sítě.
Z toho vypl ývá, ţe v případě nepřítomnosti osob v domě mŧţe docházet
k dodávce z fotovoltaiky do veřejné sítě elektrických rozvodŧ a naopak
v případě zvýšeného odběru bude docházet k nákupu elektrické energie
z veřejné sítě.
Vzhledem k tomu, ţe v modelovaném př ípadě předpokládáme, ţe v objektu
trvale ţijí 4 osoby a roční spotřeba elektrické energie činí v prŧměru
15 MWh, je výroba systému mnohem niţší v porovnání s celkovou spotřebou.
Lze tedy předpokládat, ţe bude z velké části docházet k odběru elektrické
energie
z veřejné
sítě.
Investor
v tomto
případě
spotřebuje
vyrobenou
elektřinu většinou sám, bude proto přihlášen k odběru zeleného bonusu, cena
tedy bude tvořena výší zeleného bonusu 12,75 Kč / kWh plus současnou
prŧměrnou cenu elektřiny neodebranou ze sítě, coţ je v domácnostech
přibliţně 4 Kč / kWh. V kaţdém případě provozovatel získá ročně za kaţdou
kWh 13,46 Kč v případě, ţe vyrobenou elektřinu odebere rozvodný podnik.
Většina
rozvodných
podnikŧ
odebírá
přebytečnou
elektřinu
za
cenu
dorovnávající rozdíl m ezi výkupní cenou a zeleným bonusem.
Výkupní cena
Zelený bonus
Předpokládaná roční výroba
elektrické energie
kWh / rok
4922,-
4922,-
Výkupní cena 1 kWh
Kč / kWh
13,46
16,75
Výnos z realizované investice
Kč / rok
66254,-
82449,-
Tab. č. 5: Ekonomika provozu FV systému
29
7
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY A ZDROJŮ
[ 1 ] Libra, M., Poulek, V.: Solární energie Fotovoltaika – perspektivní trend
současnosti, ČZU, Praha 2006
[ 2 ] Nelson, J.: The Physics of Solar Cells, ICP, 2003
[ 3 ] Kittler, R., Mikler, J.: Základy vyuţívania slnečného ţiarenia, VEDA,
Bratislava 1986
[ 4 ] http://andrea.feld.cvut.cz/fvs/solar_about.php
[ 5 ] http://ec.europa.eu/energy/res/sectors/photovoltaic_en.htm
[ 6 ] http://www.chmu.cz/meteo/ok/okdat61.html
[ 7 ] http://www.enf.cn/database/panels.html
[ 8 ] http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_ti meline.pdf
[ 9 ] http://www1.eere.energy.gov/solar/photovoltaics.html
[10] http://www1.eere.energy.gov/solar/pv_basics.html
30