Fotovoltika

Pod pojmom fotovoltika sa rozumie jednoduchý proces premeny slnečnej energie na elektrickú energiu prostredníctvom elektrochemických procesov. Už v roku 1830 bol Antoine César Becquerelom spozorovaný fotovoltický jav, ale až v roku 1950 bol vytvorený prvý fotovoltický článok, ktorý predznamenal nový rozmach fotovoltických zdrojov.

Atraktívnosť fotovoltických riešení je predovšetkým v čiastočnej alebo úplnej nezávislosti od dodávok elektrickej energie z distribučnej siete, pričom slnko predstavuje trvalo udržateľný a ekologický zdroj, ktorého energiu môžeme efektívne využívať všetci.

Fotovoltické elektrárne využívajúce fotovoltický jav štandardne transformujú vyrobenú energiu tromi spôsobmi:

On-grid – sieťové systémy

Najčastejším a aj najjednoduchším riešením transformácie a distribúcie vyrobenej elektrickej energie zo slnečného žiarenia je štandardné prepojenie fotovoltických panelov a distribučnej siete prostredníctvom striedača. Fotovoltický striedač mení priamo jednosmernú energiu získanú zo slnka a fotovoltických panelov na striedavú. Výstupné elektrické parametre striedača sú závislé od parametrov distribučnej siete. Striedač teda nie je bez prítomnosti sieťového napätia na svorkách striedavej strany prevádzkyschopný.

Takýto typ zdroja je možné využiť pre účely energetickej čiastočnej alebo úplnej dotácie vlastnej spotreby (domáce spotrebiče, priemyselné zariadenia) alebo pre predaj energie energetickým podnikom.

Sieťová technológia je štandardne použitá pri realizácii fotovoltických fariem a je tiež obľúbeným a cenovo atraktívnym riešením aj pri strešných aplikáciách.

Výstavba fotovoltických fariem je komplexným projektom, ktorý si vyžaduje skúsenosti v oblasti návrhu riešenia (výber a orientácia terénu, spôsob spracovania jednosmerného výkonu,…), tvorby projektovej dokumentácie, samotnej realizácie, pripojenia do distribučnej sústavy, prevádzkovania elektrárne, jej servisu a údržby. Výkon takýchto elektrární sa pohybuje v stovkách kilowattov až desiatkach megawattov, pričom pre účely výstavby sa využívajú malé kilowattové striedače (decentrálne riešenie), ale častejšie väčšie, trojfázové striedače (stovky kilowattov) označované ako centrálne riešenie.

Projekt sieťového systému fotovoltickej elektrárne na strechu rezidenčných alebo komerčných budov je jednoduchší, avšak pre dosiahnutie maximálnej efektivity si vyžaduje dobrú znalosť správania sa fotovoltických panelov počas celoročnej prevádzky. Striedač je výkonovo na úrovni jednotiek až desiatok kilowattov, a keďže vyrobená energia nie je v samotnom sieťovom striedači skladovateľná, mal by byť jej vyrobený výkon menší ako je celková spotreba domácnosti alebo prevádzky. Vznikajúce prebytky sú totižto distribuované do distribučnej siete, pričom v dnešnej dobe nie je takáto dodávka energie vykupovaná (v niektorých prípadoch je dokonca nežiaduca), a tak je len ekonomickou stratou pre prevádzkovateľa elektrárne.

Výhodami implementácie on-grid – sieťového systému sú jednoduchosť realizácie, vyššia priama účinnosť, priame pripojenie do uzla siete (veľkosť striedača nie je závislá od veľkosti záťaže) a taktiež nižšie investičné náklady. Nevýhodou je závislosť na prítomnosti distribučnej siete a v mnohých prípadoch nevyhnutný manažment spotreby vyrobenej energie.

Off-grid – ostrovné systémy

Ostrovné systémy sa často využívajú v prevádzkach vzdialených od štandardných zdrojov elektrickej energie, respektíve v aplikáciách, kde je požiadavka nezávislého napájania.

Princíp ostrovných fotovotických systémov je založený na dodávke elektrickej energie, ktorá je získaná zo slnka a spracovaná tak, aby zabezpečila požadované, nominálne elektrické parametre spotrebičov. Schopnosť nezávislej tvorby požadovaného priebehu napätia a prúdu od distribučnej elektrickej siete je nevyhnutnosťou pri prevádzke ostrovného systému. Keďže je žiarenie zo slnka nestabilným zdrojom energie (mračná, hmla, teplota, …), zabezpečenie stability procesu dodávok elektrickej energie sa v týchto ostrovných systémoch rieši prostredníctvom akumulácie energie v batériách. V čase zníženej spotreby, resp. zvýšených dodávok elektrickej energie zo slnka, je možné túto, „prebytočnú“ energiu akumulovať do batérií a následne sa dá využiť v čase, keď nie je možné zabezpečiť dostatok energie z fotovoltických panelov.

Celá zostava ostrovného systému teda pozostáva z troch základných celkov: nabíjačka (elektrickú energiu zo slnka transformuje na jednosmernú energiu vhodnú pre nabíjanie batérií), batérie (udržujú energetickú stabilitu systému a zabezpečujú nezávislosť od akéhokoľvek energetického zdroja), striedač (premieňa jednosmernú energiu z batérií na striedavú s požadovanými parametrami). Systém môže dodávať ako striedavú, tak aj jednosmernú energiu (z batérií) a off-grid striedač umožňuje pre podporu výroby elektrickej energie pripojiť si na svoje vstupy aj iné alternatívne zdroje, ako sú veterná turbína alebo dieselagregát.

Nevýhodou je technologicky náročnejšia a drahšia inštalácia, energetická závislosť od veľkosti výkonových batérií a striedačom limitujúca veľkosť pripojenej záťaže. Najvýznamnejšou nevýhodou je vypnutie napájania spotrebičov v prípade slabej výroby a nulovej zásoby energie. Hlavnou výhodou ostrovných systémov je nezávislosť od distribučnej siete a tiež nezávislosť prítomnosti záťaže od výroby energie.

Hybridné systémy

Hybridný systém je vlastne ostrovný systém s možnosťou pripojenia sa do distribučnej siete. Zabezpečuje sa tak spojenie výhod ostrovných systémov (dodávka energie nezávisle od prítomnosti siete, možnosť uskladnenia prebytočnej energie do batérií, možnosť doplnenia ďalších alternatívnych zdrojov) a sieťových systémov (v prípade nedostatku energie z fotovoltiky, schopnosť dodávky energie z distribučnej siete) do jedného celku. Vytvára sa tak ideálny zdroj energie pre domácnosti, ktoré si takto vytvárajú alternatívny, nezávislý zdroj k bežnej distribučnej sieti.

Riešenie pozostáva podobne ako u ostrovných systémov z nabíjačky, batérie a striedača. Striedač je schopný pripojenia na distribučnú sieť a dokáže inteligentne manažovať odber medzi sieťou a fotovoltikou, prípadne ďalším alternatívnym zdrojom.

Nevýhodou týchto systémov je vyššia obstarávacia cena (významne závislá nielen od ceny panelov, ale aj batérií), ako aj náročnejšia a rozsiahlejšia inštalácia. Hybridné riešenie vyvedenia výkonu fotovoltickej elektrárne je možné realizovať od jednotiek kilowattov do desiatok kilowattov v jednofázovom, ale aj trojfázovom prevedení.