Vlastná elektrina vďaka slnku a fotovoltickej elektrárni

Slnečná energia patrí k najrozšírenejším zdrojom obnoviteľnej energie na našej planéte. Bolo spočítané, že energia slnka vyžiarená za jednu minútu na celej planéte by postačovala na uspokojenie energetických potrieb celej ľudskej populácie, a to až na obdobie jedného roka. Svet však využíva len nepatrný zlomok slnečnej energie. Jednou z foriem využívania tejto energie je jej priama premena na elektrickú energiu v tzv. fotovoltických elektrárňach.

V súčasnosti si málokto vie predstaviť čo i len deň bez elektrickej energie. Možnosť vyrobiť si elektrickú energiu vo vlastnej elektrárni nezávisle od centrálnych zdrojov a ešte aj z obnoviteľného zdroja je teda veľmi lákavá. Zároveň nám takéto riešenie dáva možnosť šetriť životné prostredie, ako aj náklady na nákup elektrickej energie.

Hlavnou úlohou fotovoltických elektrární je výroba elektrickej energie priamo zo slnečného žiarenia. Len pre zaujímavosť uvedieme, že najväčšia fotovoltická elektráreň má inštalovaný výkon až 214 MW, zatiaľ čo priemerná elektráreň inštalovaná na streche rodinného domu má výkon približne 1,5 kW (0,004 MW). Využívanie fotovoltickej energie v domácnostiach nikdy nebolo aktuálnejšie ako dnes, a to či už vzhľadom na zlepšovanie cien komponentov, alebo aj z dôvodu prebiehajúceho programu štátnej podpory využívania obnoviteľných zdrojov energie v rodinných domoch v rámci projektu Zelená domácnostiam, resp. možnosti získania štátnej dotácie na fotovoltiku.

Fungovanie fotovoltickej elektrárne

Jednosmerný elektrický prúd vyrobený vo fotovoltických paneloch sa prostredníctvom elektrických káblov prenáša do srdca fotovoltickej elektrárne, resp. do meniča napätia, kde sa elektrina mení z jednosmernej (12 alebo 24 V DC) na striedavú (230 V AC), tak aby mohla byť dodaná do elektrického rozvodu na zabezpečenie napájania domácich spotrebičov. Tzv. hybridné meniče napätia môžu zabezpečovať aj funkciu nabíjania batériového systému. Ich úlohou je zvýšenie nezávislosti od vonkajšej elektrickej siete v prípade prebytku, resp. nedostatku elektrickej energie.

Rozdelenie fotovoltických elektrární

Tak ako už bolo spomenuté, hlavnou úlohou fotovoltických systémov je priama výroba elektrickej energie. Využitie fotovoltických systémov je v súčasnosti veľmi široké aj z dôvodu veľkého rozmachu tejto technológie na celom svete. Fotovoltické systémy je možné použiť rôznymi spôsobmi, avšak medzi najrozšírenejšie patria systémy spojené s elektrickou sieťou (tzv. on-grid systémy) a autonómne systémy (tzv. off-grid systémy), bez potreby napojenia na verejnú elektrickú sieť.

Off-grid systémy sa používajú napríklad na napájanie solárnych vozidiel, záhradných svietidiel, elektrických spotrebičov v horských chatách, meracích prístrojov v meteorologických staniciach a pod. V prípade on-grid systémov je vstupné jednosmerné napätie v meniči transformované na striedavé napätie 230 V/50 Hz a je pripojené k spoločnému rozvodu elektrickej energie v dome. Výhodou tohto systému je, že spotrebiče v domácnosti môžu fungovať nezávisle od vonkajšieho slnečného svitu. Pri dostatku slnečného žiarenia sú napájané z fotovoltiky a v noci, resp. pri zamračenom počasí odoberajú energiu z verejnej elektrickej siete.

Hybridný fotovoltický systém

Najuniverzálnejším typom fotovoltickej elektrárne je tzv. hybridný systém, ktorý podľa potreby pracuje ako on-grid alebo ako off-grid systém. Ak verejná elektrická sieť funguje (nie je porucha, výpadok a pod.), systém pracuje ako on-grid, avšak prebytky energie z fotovoltických panelov nekončia vo verejnej elektrickej sieti, ale sú uskladnené v batériovom systéme. Prepínanie medzi on-grid a off-grid režimom prevádzky zabezpečuje špeciálny riadiaci systém. Uskladnenie elektrickej energie v batériovom systéme nám napomáha zefektívniť výrobu a tým aj využiť vyrobenú elektrickú energiu v čo najväčšom rozsahu pre vlastnú spotrebu bez toho, aby sme museli prebytky bezodplatne odovzdávať do siete  (resp. naopak, aby sme nemuseli v prípade nedostatku čerpať elektrickú energiu zo siete).

Jednoducho povedané, naakumulovaná elektrická energia v čase prebytku nám dáva možnosť jej využitia v čase jej nedostatku (nízka intenzita slnečného žiarenia alebo v noci). Takéto zapojenie je vhodné hlavne pre domácnosti pripojené k verejnej elektrickej sieti, ktoré chcú maximálne využiť inštalované fotovoltické panely a zároveň sa zabezpečiť pre prípad výpadkov siete.

Okrem uskladnenia energie v batériách existuje možnosť premieňať prebytočnú elektrickú energiu na tepelnú, a to v zásobníku teplej vody alebo pomocou tepelného čerpadla. Ide o nepriame uskladnenie elektrickej energie, ktorého nevýhodou je, že spätne sa tepelná energia nemôže premeniť na elektrickú. Výhodou je, že zásobníky obsahujú nielen špirálu na ohrev teplej úžitkovej vody, ale aj špirálu na ohrev vykurovacej vody, takže ak sa v zásobníku naakumuluje dostatočné teplo, môže byť ohriata voda využívaná aj na vykurovanie. Pritom platí, že v prípade nedostatku elektrickej energie pre domácnosť sa ohrev vody automaticky odpojí a prioritne sa zabezpečuje zásobovanie domácnosti elektrickou energiou.

Viac informácií o možnostiach akumulácie, príp. o uskladnení elektrickej energie, sa môžete dočítať v našom článku o možnostiach skladovania fotovoltickej energie.

Zhrnutie výhod a nevýhod jednotlivých typov fotovoltických elektrární

On-grid systém

Výhody:

• Má nižšiu obstarávaciu cenu a jednoduchšie zapojenie v porovnaní s off-grid a hybridnými systémami.

Nevýhody:

• Je závislý od verejnej elektrickej siete – pri poruche siete sa vypína aj fotovoltická elektráreň.
• Menšie využitie vyrobenej elektriny v porovnaní s off-grid a hybridným systémom – prebytky elektrickej energie z fotovoltických panelov končia vo verejnej elektrickej sieti (nie sú uskladnené v batériovom systéme).
• Je potrebné povolenie na pripojenie do verejnej elektrickej siete.

Off-grid systém

Výhody:

• Je úplne nezávislý od verejnej elektrickej siete.
• Nie je potrebné povolenie na pripojenie do verejnej elektrickej siete.
• Ide o maximálne možné využitie vyrobenej elektrickej energie – prebytky z fotovoltických panelov neodchádzajú bezplatne do verejnej elektrickej siete, ale sú uskladnené v batériovom systéme.

Nevýhody:

• Má vyššiu obstarávaciu cenu a komplikovanejšie zapojenie a riadenie oproti on-grid a off-grid systému.
• Obmedzená životnosť akumulátorov (od 5 do 15 rokov), pričom životnosť závisí od typu použitého batériového systému, druhu regulátora nabíjania a od klimatických podmienok, v akých sa akumulátor nachádza – vysoké okolité teploty skracujú životnosť.
• V období so slabým slnečným žiarením (zima) je potrebný náhradný elektrický generátor.

Hybrid

Výhody (sú kombináciou výhod on-grid a off-grid systému):

• Je možné odoberať elektrickú energiu z verejnej elektrickej siete pri nízkom dodávanom výkone z fotovoltických panelov, resp. pri vybitom batériovom systéme.
• Nezávislosť od verejnej elektrickej siete – umožňuje napájanie spotrebičov aj pri výpadku elektrickej siete.
• Maximálne možné využitie vyrobenej elektrickej energie – prebytky z fotovoltických panelov neodchádzajú bezplatne do verejnej elektrickej siete, ale sú uskladnené v batériovom systéme.

Nevýhody:

• Má vyššiu obstarávaciu cenu a komplikovanejšie zapojenie a riadenie oproti on-grid a off-grid systému.
• Akumulátory majú obmedzenú životnosť (od 5 do 10 rokov).
• Je potrebné povolenie na pripojenie do verejnej elektrickej siete.

Hlavné komponenty fotovoltickej elektrárne

Fotovoltický článok, panel, pole

Základným stavebným prvkom fotovoltickej elektrárne je fotovoltický článok, ktorý zabezpečuje premenu slnečnej, resp. svetelnej energie na elektrickú  (o princípe fungovania sa môžete dozvedieť viac z článku Fotovoltika a princíp fungovania fotovoltických panelov). Fotovoltické články sa podľa požadovaného napätia a odoberaného prúdu zoskupujú do väčších celkov a tak vytvárajú tzv. fotovoltické moduly. Panely pospájané do väčších celkov vytvárajú tzv. fotovoltické polia.

Čo sa týka materiálu, k najrozšírenejším patria kremíkové fotovoltické panely, predovšetkým monokryštalické a polykryštalické. Kým ešte pred pár rokmi pre pomer ceny a výkonu dominovali na trhu polykryštalické panely, dnes sú na vzostupe panely monokryštalické. Nielenže dosahujú vysokú účinnosť (veličina, ktorá udáva, aká časť svetelnej energie sa po dopade na panel premení na elektrickú energiu) – bežne nad 20 % –, ale aj ich ceny klesli a sú teda lepšie dostupné pre širokú verejnosť. Okrem účinnosti sa pri fotovoltických paneloch môžete stretnúť s tzv. teplotným koeficientom. Ten označuje vplyv tepla na prevádzkovú účinnosť panela po inštalácii. Pritom platí, že menší koeficient znamená menšie straty výkonu pri vysokých teplotách.

Menič napätia – srdce fotovoltickej elektrárne

Najdôležitejšou časťou elektrárne je menič napätia, ktorý sa stará o premenu jednosmerného elektrického prúdu na striedavý 230 V AC. Meniče sa vyrábajú podľa nominálneho napätia batérií (12 V, 24 V alebo 48 V) a požadovaného maximálneho výkonu (od 100 W do niekoľkých kW).

Existujú aj tzv. hybridné meniče, ktoré sa okrem výroby striedavého prúdu môžu starať aj o nabíjanie batérií a v prípade nedostatku elektriny zo slnka môžu plynule prechádzať na prevádzku z rozvodnej siete. V prípade použitia hybridného meniča, ktorý plní funkciu meniča aj usmerňovača, nie je potrebný samostatný usmerňovač, postačuje len toto kombinované zariadenie. Najdôležitejším parametrom meniča, ktorý si treba pri jeho kúpe všímať, je kvalita jeho výstupu. Pri jeho výbere sa určite treba zamerať len na menič s čistým sínusovým výstupom. Iné typy (napr. modifikovaný sínus) nám môžu spôsobiť problémy v rozvodnej sieti (problémy s domácou elektronikou a iné).

Plánovanie a inštalácia fotovoltickej elektrárne pre rodinný dom

Vzhľadom na zložitosť zariadenia a potrebu komplexného návrhu elektrárne je priam nevyhnutné obrátiť sa v prípade záujmu o kúpu a inštaláciu na odborníkov v tejto oblasti. Tí pri správnom návrhu musia zohľadniť veľké množstvo kritérií, akými sú spotreba domácnosti a rozloženie spotreby v priebehu dňa a roka (odberové špičky a odberové minimá), priestorové možnosti, možnosti rozšírenia existujúcej elektroinštalácie, možnosti kombinácie s tepelnými čerpadlami či klimatizáciou a množstvo ďalších technických parametrov.

Odborníci vám pomôžu vybrať, navrhnúť a nainštalovať systém tak, aby pracoval čo najefektívnejšie a spoľahlivo počas celej životnosti. Rovnako je dôležité vybrať si komponenty fotovoltickej elektrárne od renomovaných výrobcov, čo bude zárukou spoľahlivej a bezproblémovej funkčnosti systému s dobrou servisnou podporou.