Vlastná elektrina vďaka slnku a fotovoltickej elektrárni

Slnečná energia patrí k najrozšírenejšiemu zdroju 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 takzvaných fotovoltických elektrárňach.

V súčasnosti asi ani neexistuje človek, ktorý by si vedel predstaviť čo i len deň bez elektrickej energie. Možnosť vyrobiť si elektrickú energiu nezávisle od centrálnych zdrojov vo vlastnej elektrárni a ešte aj z obnoviteľného zdroja je tak veľmi lákavá. Zároveň nám takéto riešenie dáva možnosť ušetriť náklady na nákup elektrickej energie s pocitom menšej závislosti a s pozitívnym vplyvom na životné prostredie.

Hlavnou úlohou fotovoltických elektrární je výroba elektrickej energie priamo zo slnečného žiarenia. Len pre zaujímavosť uvedieme, že najväčšia fotovoltická elektráreň ma inštalovaný výkon až 214 MW, zatiaľ čo priemerná elektráreň inštalovaná na streche rodinného domu má výkon približne 1,5 kW (0,0015 MW). Využívanie fotovoltickej energie v domácnostiach nebolo nikdy aktuálnejšie ako dnes, 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 II.

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 elektrika mení z jednosmernej (12 alebo 24 V DC) na striedavú (230 V AC), tak aby mohla byť dodaná do elektrického rozvodu pre zabezpečenie napájania domácich spotrebičov. Tzv. hybridné meniče napätia môžu zabezpečovať aj funkciu nabíjania akumulačných batérií, ktorých 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 súčasnej dobe veľmi široké aj z dôvodu veľkého rozmachu tejto technológie na celom svete. Fotovoltické systémy je možné použiť rôznym spôsobom, avšak medzi najrozšírenejšie patria systémy autonómne (tzv. off- grid), bez potreby napojenia na verejnú elektrickú sieť a systémy spojené s elektrickou sieťou (tzv. on-grid).

Off-grid systémy sa používajú napr. na napájanie solárnych vozidiel, záhradných svietidiel, elektrických spotrebičov v horských chatách, k napájaniu 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 na spoločný rozvod elektrickej energie v dome. Výhodou tohto systému je, že spotrebiče v domácnosti môžu fungovať nezávisle na vonkajšom slnečnom svite. 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. HYBRID-ný systém, ktorý podľa potreby pracuje ako ON-GRID, alebo ako OFF-GRID. 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 akumulátorových batériách. Prepínanie medzi ON-GRID a OFF-GRID režimom prevádzky zabezpečuje špeciálny riadiaci systém. Uskladnenie elektrickej energie v akumulátorových batériách nám napomáha zefektívniť výrobu, a tým aj využitie vyrobenej elektrickej energie 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 nočnom čase). Takéto zapojenie je vhodné hlavne pre domácnosti pripojené na verejnú elektrickú sieť, ktoré chcú maximálne využiť inštalované fotovoltické panely a tiež sa zabezpečiť pre prípady výpadkov siete. Viac informácií o možnostiach akumulácie, resp. uskladnení elektrickej energie sa môžete dočítať v našom článku o možnostiach skladovania fotovoltickej energie.

Zhrnutie výhod a nevýhod jednotlivých typov fotovoltických elektrární

ON-GRID

Výhody:

• nižšia obstarávacia cena a jednoduchšie zapojenie v porovnaní s OFF-GRID a HYBRID systémami

Nevýhody:

• závislosť od verejnej elektrickej siete – pri poruche siete sa vypína aj fotovoltická elektráreň
• menšie využitie vyrobenej elektriny v porovnaní s OFF-GRID a HYBRID – prebytky elektrickej energie z fotovoltických panelov končia vo verejnej elektrickej sieti (nie sú uskladnené v akumulátorových batériách)
• je potrebné povolenie na pripojenie do verejnej elektrickej siete

OFF-GRID

Výhody:

• úplná nezávislosť od verejnej elektrickej siete
• nie je potrebné povolenie na pripojenie do verejnej elektrickej siete
• maximálne možné využitie vyrobenej elektrickej energie – prebytky z fotovoltických panelov neodchádzajú bezplatne do verejnej elektrickej siete, ale sú uskladnené v akumulátorových batériách

Nevýhody:

• vyššia obstarávacia cena a komplikovanejšie zapojenie a riadenie oproti ON-GRID
• obmedzená životnosť akumulátorov (od 5 do 15 rokov); životnosť závisí od typu použitého akumulátora, druhu regulátora nabíjania a od klimatických podmienok, v akých sa akumulátor nachádza – vysoké okolité teploty skracujú životnosť
• potreba náhradného elektrického generátora v období so slabým slnečným žiarením (zima)

Hybrid

Výhody (sú kombináciou výhod ON-GRID a OFF-GRID):

• možnosť odoberať elektrickú energiu z verejnej elektrickej siete pri nízkom dodávanom výkone z fotovoltických panelov, resp. pri vybitých akumulátorových batériách
• 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 akumulátorových batériách

Nevýhody:

• vyššia obstarávacia cena a komplikovanejšie zapojenie a riadenie oproti ON-GRID a OFF-GRID
• obmedzená životnosť akumulátorov (od 5 do 10 rokov)
• 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  (princíp fungovania sme si už bližšie popísali v 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 panely. Panely pospájané do väčších celkov vytvárajú tzv. fotovoltické polia.

Regulátor nabíjania – nabíjač

Podľa typu elektrárne sa následne môže vyrobený jednosmerný prúd vo fotovoltických paneloch ukladať v batériách, na čo slúži regulátor nabíjania – nabíjač. Existujú dva základné typy regulátorov – lacnejšie a jednoduchšie PWM (pulse width modulation), ktoré pracujú s účinnosťou cca 70 %. Sofistikovanejšie MPPT (maximum power point tracking) nabíjače pracujú s účinnosťou až 99 %. Regulátor nabíjania je potrebné vyberať podľa zvolených panelov a batérií.

Menič napätia – srdce fotovoltickej elektrárne

Poslednou a zároveň 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 – 12V, 24V alebo 48V 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 plynule prechádzať na prevádzku z rozvodovej 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 je potrebné pri jeho kúpe všímať, je kvalita jeho výstupu. Pri jeho výbere sa treba určite zamerať len na menič s čistým sínusovým výstupom. Iné typy (napr. trapéz, modifikovaný sínus) nám môžu spôsobiť problémy v rozvodnej sieti (problémy s domácou elektronikou a iné).

Plánovanie a inštalácia fotovoltickej elektrárne

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, zváženie 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 vyberať si komponenty fotovoltickej elektrárne od renomovaných výrobcov, čo bude zárukou spoľahlivej a bezproblémovej funkčnosti systému s dobrou servisnou podporou.