Testy fotovoltaického systému na ČZU v Praze
 | |
| Testy fotovoltaického systému na ČZU v Praze Ing. Vladislav Poulek, CSc., Poulek Solar, s. r. o., 1. Úvod V poslední době se hodně hovoří o zvyšování cen ropy a zemního plynu. Postupně přicházejí na řadu obtížněji těžitelná ložiska. Vývoj se těžko odhaduje, ale některé prognózy mluví o výrazném poklesu těžby již během několika let. Předpokládá se, že v následujícím desetiletí se posílí využití jaderné energie a nyní roste i výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Zvyšování podílu alternativních zdrojů na celkovém množství vyrobené energie je jednou z priorit Evropské unie a bylo již uzákoněno i v České republice. Protože oborem našeho zájmu je fotovoltaika, tedy přímá přeměna slunečního záření na elektrickou energii, je v tomto článku věnována pozornost právě tomuto důležitému obnovitelnému zdroji.  Obr. 1. Roční objem celosvětové výroby solárních panelů PV během posledních 30 let Sluneční energie objemem výroby zatím nekonkuruje vysokokapacitním elektrárnám. V současné době je spíše využívána jako doplňkový zdroj, avšak ve stále větší míře. Příkladem může být použití solárních fotovoltaických panelů (dále jen PV) při opláštění budov, kdy již množství vyrobené energie může být významné. Klasické zdroje energie jsou limitované a problém jejich vyčerpání je třeba řešit s dostatečným předstihem. Proto státy, které mají zájem na využití sluneční energie tuto energii dotují (ČR se k těmto dotacím připojila – dotovaná výkupní cena je 13,20 Kč/kW·h) a vykupují ji za vyšší ceny, aby doba návratnosti investice do fotovoltaických systémů byla pro investory přijatelná. Zejména v Německu se solární systémy PV instalují asi nejrychlejším tempem a systémy větší než 1 MW jsou zde instalovány častěji. Růst celosvětové produkce solárních panelů PV je ukázán na obr. 1 (nejsou zde zahrnuty fototermické panely). Podobný graf byl v časopisu Elektro už zveřejněn [2] – z porovnání vyplývá, že nárůst je ve skutečnosti rychlejší, než se ještě nedávno očekávalo. V současné době se předpokládá, že do roku 2040 bude transformace sluneční energie mít největší podíl na světové výrobě energie. 2. Sluneční záření Slunce je nejdůležitější energetický zdroj v celé sluneční soustavě. Fosilní paliva pocházejí z biomasy, která akumulovala energii Slunce fotosyntézou před miliony let. Sluneční záření způsobuje vypařování vody, která kondenzuje ve vyšších vrstvách atmosféry a na povrch se vrací ve formě deště. Vítr získává svoji kinetickou energii z nestejnoměrného ohřívání zemského povrchu.  Obr. 2. Systém PV přímo spojený se sítí (testovaný na ČZU v Praze) Energie slunečního záření dopadá na Zemi nepřetržitě, ale její rozložení z hlediska místa a času není stejnoměrné. Energie vzniká v jádru Slunce při termonukleárním slučování jader vodíku na jádra helia. Této energii trvá přibližně stovky tisíc let, než se z jádra dostane k povrchu Slunce, odkud je vyzářena do prostoru jako elektromagnetické záření a tok částic. Tok částic se nazývá sluneční vítr. Vyzařovaný výkon jen mírně kolísá podle okamžité sluneční aktivity. Vlnová délka l*, která odpovídá nejvyšší hodnotě vyzařování povrchu Slunce při dané teplotě, je blízko hodnoty l* » 550 nm. Teplota Ts » 5 800 K je získána ze vztahu pro záření „černého tělesa„: l*Ts = b (1) kde b je Wienova konstanta. Vyzařování pro černé těleso závisí na teplotě podle vztahu: Me = s T4 (2) kde s je Stefanova-Boltzmannova konstanta. Pro uvedenou teplotu se dostane výsledek: Me » 6,42·107 W·m–2 Celkový výkon vyzařovaný povrchem Slunce je: Ps = Me 4p rs2 (3) kde rs je poloměr Slunce. Hodnota tohoto výkonu je Ps » 3,91·1026 W, ale pouze jeho část DPs dopadá přímo na povrch Země. Je-li uvažována střední vzdálenost Země od Slunce Rsz » 1,49·1011 m a poloměr Země rz » 6,37·106 m, je možné vypočítat [1]: DPs = [(prz2)/(4pRsz2)] Ps » 1,79·1017 W (4) Průměrná hodnota sluneční energie dopadající na Zemi během jednoho dne je: Wz = DPst » 1,79·1017 (J/s) 86 400 = 1,55·1022 J (5) Průměrná intenzita slunečního záření dopadajícího na jednotku plochy Země nad atmosférou je: I = (DPs)/(prz2) » 1 467 W m–2 (6)
Obr. 3. Měniče OK4E-100 (NKF-Electronics) zapojené v solárním systému PV a je nazývána solární konstanta. Část energie je atmosférou odražena zpět do vesmíru a další část je pohlcena v atmosféře. Takže pouze část této energie dopadá až na zemský povrch a její množství je závislé na zeměpisné šířce, meteorologických podmínkách a na ročním období. Maximální intenzita záření na zemském povrchu je přibližně Imax = 1 100 W·m–2 a je možné ji přeměnit na teplo či elektrickou energii ve fototermických či fotovoltaických panelech. Při účinnosti kvalitních panelů PV okolo 20 % lze počítat maximální výkon Pmax = 200 W z plochy panelů o velikosti S = 1 m2. Množství vyrobené energie klesá, pokud panel PV není otočen kolmo ke směru slunečního záření. Průmět plochy panelu do roviny kolmé ke směru dopadajícího záření je dán funkcí cos µ (µ – úhel dopadu) tohoto záření na panel. Je-li panel umístěn na pohyblivém stojanu, který je schopen sledovat pohyb Slunce po obloze a automaticky se natáčet kolmo ke směru dopadajícího záření, je množství jím vyrobené energie větší v porovnání se stejným panelem umístěným na pevném stojanu [1], [2]. Tak lze dosáhnout i snížení ceny získané energie. 3. Testovaný systém PV Cílem je zvýšení množství vyrobené energie solárním systémem PV. Proto bylo zvoleno zařízení typu TRAXLETM [2], [3], které je schopné pasivně sledovat pohyb Slunce po obloze, a natáčet tak systém stále do směru kolmého ke směru dopadajícího záření. Konstrukce je originální a jednoduchá; jestliže je systém dobře vyvážen, dokáže jím sluneční záření pohybovat velmi snadno.  Obr. 4. Schéma síťového systému PV Na podzim 2004 byl na budově Technické fakulty ČZU instalován malý solární systém PV (obr. 2). Systém zahrnuje tři panely PV, z nichž dva jsou umístěny na automatickém pohyblivém stojanu TRAXLETM. První panel PV je na bázi tenkých vrstev amorfního křemíku s maximálním výkonem Pp = 40 W. Druhý panel je oboustranný [4] na bázi krystalického křemíku s maximálním výkonem Pp = 100 W. Třetí panel (stejný jako první) je umístěn na pevném stojanu a slouží jako referenční panel. Systém byl provozován ve dvou variantách – jako přímo spojený se sítí i jako ostrovní. Pro připojení systému k síti byl použit měnič OK4E-100 (obr. 3), který mění stejnosměrný elektrický proud z panelů PV na střídavý. Datový výstup na počítač umožňuje měření okamžitého výkonu i množství vyrobené energie. Množství vyrobené energie je převážně porovnáváno na stejných panelech Pp = 40 W. Třetí panel PV je používán jako ostrovní pro dobíjení akumulátoru. Schéma síťového systému je na obr. 4. 4. Porovnání množství vyrobené energie Popsaný systém PV byl testován po celý rok 2005. Byl porovnáván zejména okamžitý výkon a množství vyrobené energie v místních podmínkách (Praha 6 – Suchdol). Měření v zimních měsících nelze považovat za objektivní, zejména pro malý rozsah úhlu pohybu Slunce po obloze nad obzorem. Objem naměřených údajů je velký, proto jsou zde jako příklad uvedeny jen některé výsledky z vybraných jarních a letních dnů 2005. Nejlepším dnem z hlediska počasí byl 19. září 2005. Závislost okamžitého výkonu na čase během dne pro oba porovnávané panely je na obr. 5, navýšení množství vyrobené energie v případě pohyblivého panelu činilo 39 %. Z grafu je zřejmé, že maximální výkon není získán z pohyblivého panelu ve 12 h, ale až asi ve 14 h, protože v dopoledních hodinách bývá v atmosféře více vodní páry, která zejména pohlcuje záření v blízké infračervené oblasti spektra, jež tak k panelům PV vůbec nedorazí. Odpoledne se pára obvykle rozplyne a intenzita záření dopadající na povrch Země je větší.  Obr. 5. Závislost okamžitého výkonu na čase pro dva porovnávané panely během vybraných dnů v roce 2005 Příklady dalších měření pro několik vybraných jarních dní roku 2005 jsou rovněž na obr. 5. Nacházejí se zde křivky z jasných dnů 2. a 13. května, z polojasného dne 21. května a z oblačného dne 17. června. Množství vyrobené energie je dáno vztahem: E = ňDt P·dt (7) kde P je okamžitý výkon, t čas. Například 2. května bylo celkové množství energie vyrobené oběma porovnávanými panely PV E = 0,5 kW·h a navýšení množství vyrobené energie v případě pohyblivého panelu činilo 30 %. 5. Závěr Testování obou verzí (přímo spojený se sítí a ostrovní) prokázalo, že systém s pohyblivým stojanem vykazoval v průběhu jara 2005 přírůstky množství vyrobené energie do výše 30 %, v průběhu léta 2005 do výše 39 % (v místních podmínkách – 50° s. š). Výsledky experimentů souhlasí s teoretickými výpočty [1]. Přírůstek množství vyrobené energie snižuje její cenu. Ekonomické rozbory při porovnání dvou systémů, které vyrobí stejné množství energie – jeden pohyblivý se sledovačem Slunce a druhý s pevným stojanem, ukazují, že systém se sledovačem Slunce je levnější. Systém s pohyblivým stojanem je sice dražší než pevný, ale naproti tomu se zmenší počet příslušných panelů PV, které tvoří nejdražší část systému PV [1]. (Práce probíhá v rámci výzkumného záměru MSM 6046070905.) Literatura: | |
