Fotovoltaický systém

Obdobně lze fotovoltaiku uplatnit i u sídelních celků, kde spolu s dalšími obnovitelnými zdroji energie naplňuje koncept tzv. mikrosítí, tedy územně ohraničených energetických soustav s požadovanou mírou nezávislosti.

Moderně navržený fotovoltaický systém (FV) pro budovu slouží nejen k produkci elektrické energie, ale jako plnohodnotný stavební prvek zastává i další tradiční stavební funkce. Vztah fotovoltaika – budova se tak odehrává na třech úrovních:

• stavební začlenění a architektonický soulad fotovoltaiky s budovou,
• technologické začlenění do energetických soustav budovy,
• energetická návaznost na křivku potřeby elektrické energie v budově.

U řady FV instalací, zvláště pokud je vyrobená elektřina určena k prodeji, hraje další významnou roli ekonomika projektu (náklady na výstavbu, úvěrování, pojištění, dotace, výkupní cena, předpokládaná doba provozu, údržba a obnova, odstranění a recyklace).

Způsoby začlenění

Nejčastější způsoby začlenění FV prvků do budov jsou znázorněny na obr. 1.

Obr. 1 Schematické znázornění způsobů integrace FV systémů do budov
a) šikmá střecha, b) plochá střecha, c) fasáda, d) tenkovrstvá FV pro velké střešní plochy, e) průmyslové aplikace, f) semitransparentní FV pro atria a výplně otvorů, g) vnější stínicí a clonicí systémy

Na základě stavebního, architektonického a funkčního vztahu fotovoltaika – budova existují tři hlavní kategorie popisující způsob instalace FV panelů:

• FV panely v otevřené poloze – převážně FV panely nesené rámovými konstrukcemi na plochých střechách – nízká míra integrace (obr. 2 vlevo),
• FV panely v těsné blízkosti jiných konstrukcí – FV panely jako součást fasádních či střešních plášťů či fotovoltaické stínicí prvky a systémy – vysoká míra integrace (obr. 2 vlevo dole),
• FV panely na rozhraní vnějšího a vnitřního prostředí – zejména semitransparentní fotovoltaika jako součást výplní otvorů – maximální míra integrace (obr. 2 vpravo dole).

	Obr. 2  FV systém na ploché střeše Fakulty stavební ČVUT v Praze (vlevo); FV panely jako náhrada střešní krytiny pasivního domu v Koberovech (vlevo dole); semitransparentní FV jako výplňový prvek lehkého obvodového pláště atria, Cáchy, Německo (vpravo dole)

Plánování systému

Typický FV systém je tvořen řadou vzájemně propojených prvků. Jeho jádrem jsou FV panely generující stejnosměrný elektrický proud.
Sérioparalelně pospojované panely upevněné na podpůrné konstrukci tvoří FV pole. Proud je od panelů veden do DC/AC střídačů, které jej přeměňují ve střídavý. Ten je přes rozvaděč systému nafázován do elektrické sítě budovy. Součástí systému mohou být také akumulátory.

Při plánování FV systému je nutné uvést v soulad zamýšlené řešení s místně specifickými podmínkami. K základním vstupním informacím pro návrh systému patří:

• znalost místních podmínek – množství dostupného slunečního záření, odstupová vzdálenost a výška okolních budov a dalších potenciálních zdrojů stínění, síla větru a množství sněhových srážek (dimenzování podpůrné konstrukce a kotevních prvků);
• zamýšlená forma instalace FV panelů – umístění na budově (sklon a orientace), geometrie instalace, volba podpůrné konstrukce a způsobu kotvení;
• charakteristiky jednotlivých prvků systému – počet a typ FV panelů, elektrické pospojování, nominální výkonové parametry FV panelů a střídačů, životnost;
• způsob využití produkované energie – přímá spotřeba, skladování pomocí akumulátorů, prodej do elektrické sítě či kombinace těchto způsobů.

Nejdůležitějším vstupním údajem pro předpověď produkce elektrické energie je množství dostupného slunečního záření, které je pro vybrané sklony a orientace znázorněno na obr. 3.

Obr. 3 Množství dopadajícího difuzního, přímého a globálního záření v kWh/(m² . rok) pro jednotlivé sklony a orientace pro lokalitu Praha

Optimální poloha pro umístění FV panelů v podmínkách ČR je – po započtení optických ztrát a negativního vlivu teploty – na sklonu 36° s jižní orientací. Nicméně u sklonů 20° až 50° a orientaci JJV až JJZ je celoroční pokles energetické produkce oproti optimu menší než 5 %.

Nominální konverzní účinnost komerčně vyráběných FV panelů na bázi krystalického křemíku se pohybuje v rozmezí 12 až 17 %. Pro realistický odhad roční produkce elektrické energie je však nutné nominální účinnost korigovat o provozní ztráty FV systému, zpravidla součinitelem 0,8.

Konstrukční řešení na obvodových pláštích

Volba podpůrné konstrukce závisí především na umístění a způsobu instalace FV panelů. Integrace FV panelů do obvodových plášťů budov se v současnosti nejčastěji realizuje pomocí tyčových prvků, nejčastěji hliníkových profilů, na něž jsou FV panely přichyceny přítlačnými tvarovkami (obr. 4). Toto řešení je velmi působivé a zároveň umožňuje vyjmutí panelu je-li ho třeba výměnit.

Obr. 4  Podpůrné hliníkové profily opatřené těsněním z EPDM pryže (vlevo), na něž jsou FV panely uchyceny pomocí obdélníkových přítlačných tvarovek (uprostřed) a detail z realizace na šikmé střeše pasivního domu v Koberovech – zde je také vidět pryžové těsnění vodorovných spár mezi FV panely (vpravo). Zobrazené konstrukční prvky jsou výrobkem firmy Schletter GmbH.

Podmínkou kvalitního řešení je důsledná optimalizace tepelných mostů v případě průniku kotevních prvků tepelně­izolačním souvrstvím hlavně u instalací na šikmých a plochých střechách, a také statický posudek zohledňující kombinované zatížení sněhem a větrem (případně také sání větru a z něho plynoucí volba kotevních prostředků – nebezpečí vytrhnutí kotvy). FV panely nesmějí být nikdy použity jako vnější vrstva jednoplášťových konstrukcí, protože jejich vysoký difuzní odpor by byl příčinou stavebněfyzikálních problémů (kondenzace na zadní straně panelů) a zároveň by nebyl umožněn plynulý odvod odpadního tepla od panelů.

Konstrukční řešení na šikmých střechách

Volba podpůrné konstrukce a kotevních prvků závisí především na typu střešní krytiny a na velikosti FV pole. Vzhledem k tomu, že FV panely se vzrůstající teplotou ztrácejí svoji konverzní účinnost (asi 0,5 %/°C), je nutné vytvořit mezi nimi a střešní krytinou vzduchovou mezeru. Tím je umožněno chlazení panelů působením proudícího okolního vzduchu. Výrobní portfolio kotevních tvarovek a konstrukcí evropských výrobců je většinou uzpůsobeno pro samovolné vytvoření vzduchové mezery. Montáž je pak snadná a dle typu střešní krytiny stavebnicově proveditelná.

Specifickým případem u nově budovaných objektů je úplná náhrada střešní krytiny fotovoltaickými panely. I zde je nutné dodržet několik základních pravidel. Střešní konstrukce pod panely musí být opatřena kvalitně položenou hydroizolací tak, aby nedocházelo k pronikání vlhkosti do střešní konstrukce. Dále je nutné vytvořit náhradní způsob odvětrávání, aby byla zachována maximální míra dosažitelné účinnosti za daných klimatických podmínek.

Například u instalace na pasivním domě v Koberovech (obr. 2 vlevo dole), kde jsou na ploše 60 m² nainstalovány FV moduly o celkovém výkonu 8,5 kW, je toto odvětrání řešeno vzduchovou dutinou mezi FV panely a střechou. Do této dutiny je vzduch nasáván otvorem pod přesahem střechy a vyúsťuje u hřebene střechy – v tomto místě je z ochranných důvodů umístěna mřížka. Konstrukce a povrch FV panelů dokonale odolává jak povětrnostním podmínkám, tak i dešti, sněhu a krupobití (kroupy do průměru 2,5 cm).

Pokud jsou tedy FV panely integrální součástí střešní konstrukce budovy, lze je navrhovat pouze jako vnější plášť dvouplášťových konstrukcí s vřazenou otevřenou vzduchovou mezerou (obr. 2 vlevo dole).
Veškeré další elektroinstalační prvky systému, jako jsou DC/AC střídače a rozvaděč (případně akumulátory), zabírají minimum prostoru a mohou být umístěny v libovolném odvětraném prostoru budovy. Podmínkou uvedení FV systému do provozu je samozřejmě revize celého systému a v případě prodeje elektřiny také získání příslušné licence na prodej, kde podmínky získání stanovuje místní distributor.

Kvalitní návrh FV systémů pro budovy je komplexní záležitostí zahrnující elektrotechnologické, stavebnětechnické i architektonické aspekty a je nutné vycházet z místně specifických podmínek lokality, vyhodnotit rizika zastínění a minimalizovat pokles účinnosti FV panelů vlivem nadměrného nárůstu provozní teploty. Současný fotovoltaický trh však nabízí širokou škálu výrobků vhodných pro různorodá řešení. Odměnou za preciznost ve fázi návrhu a rea­lizace systému je pak dobře fungující a moderní zdroj elektrické energie přinášející do budov nový, vizuálně působivý prvek.

Ing. Zdeněk Macháček, Ing. Kamil Staněk
Foto: autoři
 
Zdeněk Macháček absolvoval v roce 2004 Elektrotechnickou fakultu ČVUT v Praze, obor technologické systémy. V současnosti pracuje jako vědecký pracovník na ČVUT – FEL v oblasti fotovoltaiky a zároveň je produktovým a obchodním manažerem v oblasti fotovoltaiky ve společnosti Silektro Praha, s. r. o. Publikuje doma i v zahraničí.

Kamil Staněk absolvoval v roce 2004 Fakultu stavební ČVUT v Praze, obor inženýrství životního prostředí, kde v současnosti pokračuje v doktorandském studiu zaměřeném na nízkoenergetickou výstavbu a integraci fotovoltaiky do budov. Zároveň spolupracuje s Elektrotechnickou fakultou ČVUT v Praze, kde se věnuje měření výkonnostních charakteristik fotovoltaických článků a panelů v reálných provozních podmínkách. Také se zabývá tepelnětechnickými a energetickými výpočty a navrhováním nízkoenergetických domů ve spolupráci s architektonickými ateliéry.