Sluneční energie v průmyslových a veřejných budovách

Energie Slunce je jedním ze základních elementů existence života na Zemi. Tento zdroj představuje čistou, prakticky nevyčerpatelnou, cenově dostupnou energetickou banku s potenciálem, jehož velikost několikanásobně převyšuje požadavky celkové světové spotřeby energie.

Sluneční světlo a sluneční teplo je možné využít jak jako zdroj primární (přímým využitím energie slunce), tak i sekundární (přeměnou sluneční energie na jiný druh energie) a terciární (vliv slunce na tvorbu jiné přirozené energie jako vítr aj. a její následné využití).

Jednou z dnes populárních oblastí využitelnosti energie slunce je její přeměna na elektrickou energii. I díky nové legislativě se otevírají nové dveře k fotovoltaice, která dnes nabízí více a více možností využití.

Nejvíce diskutovaným řešením současnosti je standardní výstavba FVE na střechy rezidenčních, průmyslových a veřejných budov. Střechy budov jsou totiž nejvhodnější plochou pro výstavbu obnovitelného zdroje.

Jelikož jsou však součástí architektury budovy, musí panelové sestavy plnit kromě technické funkce i tu vizuální. Proto se dnes setkáváme kromě klasických FV panelů i s variantami barevnými, prosklenými, bezrámovými nebo ve tvaru tašek a střešní krytiny.

I výkon panelů je dnes variabilnější a na trhu jsou moduly s výkonem od jednotek desítek Wp až po 300 a více Wp, přičemž cena za Wp je podstatně atraktivnější a fotovoltaický panel už netvoří významnou část rozpočtu FVE.

Rozšiřují se také typy, technické možnosti a výkonnost střídačů. Při bateriových systémech se dodavatelé předhánějí s novými možnostmi úschovy energie. Všechno vypadá jednoduše a mnoho investorů má pocit, že postavit si FVE je vlastně stejně jednoduché jako zapojit si rádio do zásuvky a v pohodě si užívat jeho služby.

Řešení pro budovy

Výstavba FVE na budovách objektů se realizuje dvěma způsoby. Nejčastějším a asi i nejjednodušším řešením je standardní propojení fotovoltaických panelů a distribuční sítě prostřednictvím střídače, který mění jednosměrnou energii, získanou prostřednictvím panelů ze slunce, na střídavou.

Tuto energii je pak možné využít pro účely vlastní spotřeby nebo dodat do distribuční sítě. Tento on-grid, resp. síťový typ připojení je technologicky i servisně nejpřijatelnější pro mnohé uživatele.

Dalšími výhodami tohoto řešení jsou vyšší účinnost a také nižší investiční náklady. Nevýhodou je provozní závislost na přítomnosti energie z distribuční sítě. Už při návrhu tohoto jednoduchého systému může docházet k omylům, jejichž důsledek se projeví později – během provozu.

První, co si musí budoucí provozovatel uvědomit, je požadavek výkonu FVE. Vyrábět přebytek je nejen neefektivní a cenově drahé, ale v některých případech připojení FVE může docházet k porušení smluvních podmínek o připojení do elektrické sítě.

I proto je vhodné znát svůj diagram denní spotřeby a vhodně do něj integrovat charakteristiku prediktivní výroby budoucí FVE. V případě návrhu je velmi důležitý výběr panelů a jejich řazení ve stringu.

Toto zdánlivě jednoduché sériové pospojování panelů je důležité správně navrhnout vzhledem k tepelným vlivům na změnu parametrů soustavy. Správné rozložení panelů v návaznosti na jejich potenciálním stínění vyžaduje trošku předvídavosti, hlavně u novostaveb. Rovněž je důležité správné ukotvení a dostatečné zatížení konstrukce.

I dnes se setkáváme se situací, že střídač během nejteplejších dní v létě pro nízké napětí na vstupu do MPPT měniče nevyrábí, nebo naopak v zimě dochází v lepším případě k přepětí, v horším případě k prohoření části obvodu, popřípadě panelu, což je důsledkem překročení maximálního systémového napětí panelů.

U větších sestav a střídačů bez chráněných vstupních svorek, ale i při slučování stringů je nezbytné dodržet správnou dimenzi jisticích prvků a svodičů přepětí. Při návrhu střídače je také nezbytné vzít v úvahu rozptyl výkonu na jednosměrné straně, množství nezávislých MPPT vstupů (pro redukci možného vlivu částečného stínění jednotlivých stringů).

Na střídavé straně je také nezbytné správně navrhnout řešení připojení do sítě, u elektroinstalací je rovněž třeba vzít v úvahu možné nezbytné odpojení FVE od sítě, případně řízení připojování neprioritních zátěží na základě přebytku výroby FVE (při požadavku zabezpečení nedodávky energie do sítě).

V případě realizace tenkovrstvých panelů je důležité dořešit zemnění výrobcem definovaného pólu a následné galvanické oddělení stejnosměrné a střídavé strany.

Instalaci musí provést elektrotechnik s příslušnou kvalifikací. Předání řešení uživateli vyžaduje jeho zaškolení o obsluze, informování o servisu a dalších možnostech systému. Uživatel si musí být vědom, že při provozování FVE musí tento systém sledovat, udržovat a pravidelně odborně kontrolovat.

Systémy s baterií

Jednou z možných alternativ rozvoje fotovoltaických systémů je jejich využití v hybridním provozu. Princip hybridních nebo ostrovních fotovoltaických systémů je založen na dodávce elektrické energie pro zátěže stejnosměrného nebo střídavého charakteru z fotovoltaických panelů a zdrojů energie, jako jsou distribuční síť a/nebo větrné turbíny, vodní zdroje, diesel agregátory.

Energie získaná ze slunce musí být zpracována tak, aby zajistila požadované nominální elektrické parametry spotřebičů. Pro zajištění stabilnějšího procesu dodávek elektrické energie je v těchto systémech řešena akumulace přebytku energie v době snížené spotřeby, resp. zvýšených dodávek, a vybíjení naakumulované energie v případě nadspotřeby, resp. nedodávky energie z fotovoltaických panelů.

Tímto prvkem jsou obvykle baterie. Hlavní výhodou těchto systémů je částečná nezávislost na distribuční síti. Při „bateriových“ systémech je nutné kromě běžných chyb síťových FVE řešit především návrh a dimenzi stejnosměrných obvodů (tj. návrh výkonu a připojení baterie, propojení obvodů nabíječe, střídače a jednosměrné zátěže).

Dalším důležitým prvkem je výběr technologie baterie. Klasické olověné baterie jsou z cenového pohledu sice lákavé, avšak když si porovnáme parametry životnosti (počet cyklů), reálně využitelného výkonu (DoD) a výkonové parametry při nabíjení i vybíjení, musíme konstatovat, že tato technologie není z pohledu návratnosti právě nejlepší.

I proto je stále více aplikací postavených na lithiových technologiích (Li-Ion, LiFePO4, …). Postupně se však do popředí prodírají i další technologie například na bázi elektrolytu solného roztoku, které jsou hlavně z ekologického hlediska stále atraktivnější.

Množství energie, již chceme uschovat, je velmi důležité zvážit, neboť každý akumulátor navíc jsou další náklady a zároveň další ztráty v systému. Často je v praxi rovněž možné se setkat s nesprávnou dimenzí kabelů na jednosměrné straně.

Nesprávný návrh provozního proudu tekoucího v stejnosměrném meziobvodu může do budoucna způsobovat nemalé problémy. Nejdůležitějším bodem návrhu je však definice samotné zátěže a její spolupráce s hybridním systémem v ostrovním provozu.

Je nutné si uvědomit, že hybridní/ostrovní systém se dimenzuje na maximum zatížení výstupní strany (a to i s ohledem na přechodné děje). Provoz hybridního systému vyžaduje, na rozdíl od síťového systému, podstatně větší dohled.

V případě ostrovních systémů se požaduje periodické sledování chování systému, kontrola stavu baterií přes vizualizační software, který poskytuje hybridní střídač nebo přímo modul kontroly baterie (BMS), a celkový monitoring provozu jako takového.

Servis a údržba střešních FVE

Udržitelnost větších FVE závisí na jejich údržbě a servisních službách. Uživatel by měl průběžně pozorovat chování FVE, občas očistit panelovou sestavu (v závislosti na prostředí) a monitorovat stav výroby. V případě preventivní údržby je vhodné minimálně jednou ročně provést:

• vizuální kontrolu provozního stavu FVE (hlavně stav FV panelů, konstrukcí, střídače a elektrických zařízení, jakož i monitoringu),
• kontrolu baterií (parametry, kapacita, připojení),
• kontrolu ve smyslu záručních podmínek,
• čištění (panely, elektrická zařízení, …),
• případně i termovizi (panely, elektrické připojení).

Také je dobré dohodnout si kvalitního a technicky znalého servisního technika pro případ řešení poruch a výpadků systému a při větších aplikacích lze doporučit i vzdálený monitoring provozu (připojení na dispečink s denním dohledem na výrobě).

Při FVE se nesmí zapomenout ani na pravidelné, dle intervalů definovaných legislativou, revize elektrotechnického zařízení, případně další požadované prohlídky a kontroly.

Závěr

Síťová, hybridní a ostrovní fotovoltaika jsou velmi atraktivní doplňkové zdroje, které částečně redukují náklady za dodávku elektrické energie. Nejvýznamnější faktor jejich využití je globální pohled na environmentalistiku a snižování závislosti společnosti na neobnovitelných zdrojích energie, jako jsou ropa a uhlí.

Fotovoltaická elektrárna řešená na střešních aplikacích je jednou z alternativ, jak energii tvořit a nevytvářet skleníkové plyny, být částečně nezávislý na standardních zdrojích elektrické energie a efektivně využít plochy, které jsou dnes nevyužité. Zodpovědným přístupem k její realizaci, provozu a údržbě je možné dosáhnout udržitelného systému, který bude přinášet uživateli radost a rychlou návratnost.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 3/2019.