Fotovoltika a elektrické vykurovanie: Princíp a komplexné výhody

Vďaka klesajúcim cenám a štátnej podpore sa fotovoltické panely stávajú čoraz bežnejším prvkom na strechách domov. Táto technológia, ktorá bola vedecky opísaná už v roku 1839 ako fotoelektrický jav, sa pre bežnú populáciu sprístupnila až v 80. rokoch 20. storočia. Dnes sa fotovoltika, označovaná aj ako fotovoltaika, solárny či slnečný systém, intenzívne využíva na výrobu elektriny pre jednotlivé budovy - či už v oblastiach bez rozvodnej siete, alebo v zastavaných územiach. V kombinácii s modernými vykurovacími systémami predstavuje kľúčovú technológiu pre energeticky sebestačné a ekologicky zodpovedné bývanie.

Základy a princíp fungovania fotovoltiky

Fotovoltika je technológia, ktorá premieňa slnečné žiarenie na elektrickú energiu pomocou fotovoltických článkov vďaka fotovoltickému efektu. Tento jav nastáva v kremíkových polovodičových vrstvách fotovoltických panelov.

Fotoelektrický jav a premena energie

Základným stavebným prvkom premeny slnečnej, respektíve svetelnej energie na elektrickú, je samotný fotovoltický článok. Za premenu svetelnej energie na elektrickú je zodpovedný už spomenutý fotoelektrický jav. Pri ňom dochádza k dopadu fotónov (elementárnych častíc svetla a iného elektromagnetického žiarenia) na polovodičový materiál (najčastejšie kremík), kde uvoľňujú elektróny z atómov. Ak sa k PN priechodu (čo je základná štruktúra polovodičových diód) pridajú dve elektródy (anóda a katóda), vznikne fotovoltický článok, z ktorého je možné odoberať jednosmerný prúd (DC).

Proces začína tým, že solárne panely absorbujú slnečné svetlo. Keď na kremík dopadá slnečné svetlo, jeho elektróny začínajú reagovať a fotóny uvoľňujú elektróny z atómov v polovodiči, čím vznikajú aj takzvané „diery“, kde boli elektróny predtým viazané. Tento prúd je vedený cez polovodičové vrstvy vo fotovoltickom článku a cez elektrické obvody, ktoré spájajú jednotlivé články do panelov.

Materiály a konštrukcia fotovoltických panelov

Najčastejším materiálom na výrobu fotovoltických panelov je v súčasnosti kremík. Okrem neho sa ako alternatíva k monokryštalickému alebo polykryštalickému kremíku používajú aj takzvané „tenké vrstvy“ (thin-films), založené na báze chemických zlúčenín (napríklad CdTe - Cadmium Telluride alebo CIS - Copper Indium Diselenide), ktoré sa nanášajú v jednej alebo viacerých vrstvách na podklad vyrobený väčšinou z plastu.

Aby výrobcovia dosiahli odolnosť panelov voči poveternostným vplyvom a dlhú životnosť v rozmedzí 20 - 30 rokov, ukladajú ich do hermeticky uzavretých obalov. Odolnosť samotných modulov sa testuje rôznymi spôsobmi v laboratóriách, napríklad streľbou ľadovými guličkami, aby bola zabezpečená ich funkčnosť aj v pomerne extrémnych podmienkach.

Typy fotovoltických panelov

Existujú tri hlavné typy fotovoltických panelov:

• Monokryštalické - majú najvyššiu celkovú účinnosť (vyše 20 %), zároveň však aj najvyššiu cenu. Oproti polykryštalickým majú o niečo nižší výkon pri slabšom slnečnom žiarení, čo sa však v praxi dá kompenzovať inštaláciou väčších a výkonnejších panelov.
• Polykryštalické - ich články sa vyrábajú z kremíka tvoreného niekoľkými kryštálmi. Oproti monokryštalickým sú jednoduchšie na výrobu, a teda aj lacnejšie. Na rozdiel od nich dosahujú o niečo vyšší výkon pri slabšom slnečnom svetle, no daňou za to je nižšia celková účinnosť. Majú svetlomodrú farbu.
• Amorfné - dosahujú ešte nižšiu celkovú účinnosť než polykryštalické fotovoltické články (8 - 14 %). Ich hlavnou výhodou je nízka cena a hmotnosť. Vzhľadom na nízku účinnosť však potrebujú veľkú plochu strechy, aby dosiahli potrebný výkon.

Polykyštalický fotovoltický panel s rozmermi 1 690 × 990 mm dodá pri intenzite slnečného žiarenia 1 000 W/m² približne 250 Wp výkonu (wattpeak, t. j. jednotka maximálneho špičkového výkonu panelu). Na výrobu 1 000 Wp elektriny budete teda potrebovať panely s plochou cca 6 - 8 m².

Komponenty a typy fotovoltických systémov

Kompletný fotovoltický systém, ktorý sa najbežnejšie používa, s inštalovaným výkonom do 10 kWp a je pripojený do siete, sa skladá z niekoľkých kľúčových komponentov:

• Fotovoltické moduly (panely)
• Kryté spojky káblov a kabeláž pre jednosmerný prúd (DC)
• Hlavný vypínač jednosmerného prúdu
• Menič napätia (invertor) - kľúčový komponent, ktorý mení jednosmerný prúd (DC) z panelov na striedavý prúd (AC), využiteľný v domácnosti.
• Kabeláž pre striedavý prúd (AC)
• Elektromer napojený do siete
• Batériové úložiská (akumulátory) - pre neskoršie využitie energie.
• Riadiaca jednotka - pre optimálne fungovanie systému, monitorovanie a distribúciu energie.

Typy zapojenia fotovoltických generátorov

V zásade rozlišujeme tri základné typy fotovoltických elektrární:

1. ON-GRID (sieťový systém)

Ide o najčastejšie používaný typ fotovoltickej elektrárne. Elektrický rozvod v domácnosti je trvalo pripojený na verejnú elektrickú sieť a zároveň aj na fotovoltickú elektráreň. Spotrebiče odoberajú elektrickú energiu z fotovoltickej elektrárne, a v čase nedostatočného výkonu aj z verejnej siete. Prebytky energie z fotovoltických panelov, v čase nízkej spotreby domácnosti, končia vo verejnej sieti. Tomu sa dá zabrániť presmerovaním prebytkov do vhodných spotrebičov, napríklad elektrického bojlera, ktorý sa špeciálnym riadiacim systémom zapína len vtedy, keď je prebytok energie. Pri výpadku verejnej elektrickej siete sa musí z bezpečnostných dôvodov vypnúť aj fotovoltická elektráreň.

• Výhody: Nižšia cena a jednoduchšie zapojenie oproti OFF-GRID a HYBRID systémom.
• Nevýhody: Závislosť od verejnej elektrickej siete (pri výpadku siete sa vypne aj FVE). Nižšie využitie vyrobenej elektriny, keďže poludňajšie prebytky končia v sieti (nie sú ukladané do batérie). Vyžaduje povolenie na pripojenie do verejnej siete.

2. OFF-GRID (ostrovný systém)

Off-grid fotovoltika je systém, kde je elektrický rozvod v domácnosti trvalo oddelený od verejnej elektrickej siete. Elektrinu vyrába fotovoltická elektráreň, prípadne aj iné elektrické generátory (hlavne v zime). V takomto prípade je potrebné uskladniť energiu získanú počas dňa z fotovoltických panelov, aby sa mohla použiť vtedy, keď je potrebná (hlavne večer a ráno). Na to slúži elektrický akumulátor a fotovoltická nabíjačka. Zdrojom elektrickej energie pre menič sú nielen fotovoltické panely, ale aj batéria. Takéto zapojenie je vhodné hlavne pre usadlosti mimo dosahu verejnej elektrickej siete (chaty a pod.), alebo pre zákazníkov, ktorí požadujú úplnú nezávislosť.

• Výhody: Nezávislosť od verejnej elektrickej siete. Nevyžaduje povolenie na pripojenie. Maximálne využitie vyrobenej elektriny - prebytky sú uskladnené v akumulátore.
• Nevýhody: Vyššia cena a zložitejšie zapojenie oproti ON-GRID. Obmedzená životnosť akumulátora. Potreba ďalších elektrických generátorov pre obdobia slabého slnečného žiarenia (zima).

3. HYBRIDNÝ systém

Hybridný systém dokáže pracovať v zapojení ON-GRID aj OFF-GRID. Ak verejná elektrická sieť funguje, systém pracuje ako ON-GRID, avšak prebytky energie z fotovoltických panelov nekončia vo verejnej elektrickej sieti, ale sú uskladnené v akumulátore. Akumulátor napája cez menič spotrebiče aj v čase, keď je slnečné žiarenie, respektíve výkon fotovoltických panelov nízky alebo nulový (ráno, večer, v noci). Ak na napájanie spotrebičov nestačia fotovoltické panely ani akumulátor, odoberá sa elektrina z verejnej elektrickej siete. Pri výpadku verejnej siete sa elektrický rozvod domácnosti odpojí od siete a prejde do režimu OFF-GRID. Prepínanie medzi ON-GRID a OFF-GRID režimom prevádzky musí zabezpečovať špeciálny riadiaci systém.

Batériové úložiská

Batériové úložiská sa stávajú kľúčovým prvkom modernej energetiky. Pomáhajú riešiť problém, kam s nespotrebovanou elektrinou, ktorú fotovoltické panely počas slnečných dní vyrobia viac. Uloženú elektrinu môžu domácnosti spotrebovať neskôr, napríklad, keď už slnko nesvieti.

• Fyzická batéria: Je umiestnená priamo v domácnosti a poskytuje kontrolu nad elektrickou energiou. Životnosť sa pohybuje na úrovni 8 až 9 rokov pre olovené batérie, pri lítiových variantoch až do 20 rokov. Výsledná úspora je pri fyzickej batérii vyššia ako pri virtuálnej.
• Virtuálna batéria: Je sprostredkovaná dodávateľom elektrickej energie a nezaberá v dome žiadne miesto. Za odobratie uloženej energie si distribučné spoločnosti účtujú poplatky.

Fotovoltika a ochrana životného prostredia

Využívanie slnečnej energie neškodí životnému prostrediu, keďže pri ňom nevznikajú žiadne priame emisie. Pri výrobe elektrickej energie nevznikajú skleníkové plyny (napríklad CO₂) ani iné nebezpečné, znečisťujúce látky. Tým sa znižuje závislosť od elektriny produkovanej z jadrových elektrární či nutnosť výstavby ďalších uhoľných elektrární, ktoré negatívne zasahujú do zdravia. Fotovoltika patrí medzi najekologickejšie spôsoby výroby elektrickej energie (meraná pomocou uhlíkovej stopy a energetickej návratnosti).

Recyklácia fotovoltických panelov

Zo štúdie Lisy Kruegerovej o recyklačných programoch vyplýva, že až 97 % materiálov použitých pri výrobe solárnych panelov môže byť extrahovaných a znovu využitých pomocou tepelného recyklovania. Týmto spôsobom ale môžu byť recyklované len panely neobsahujúce kremík, ktorý sa chemicky separovať nedá. Recyklovanie panelov s kremíkom je o niečo zložitejšie, lebo je potrebné panely rozobrať, či už mechanicky alebo manuálne. To zahŕňa odstránenie jednotlivých komponentov a ich následné opätovné využitie, či rozdrvenie. Vďaka týmto procesom sa dajú recyklovať takmer všetky materiály obsiahnuté v paneloch. Odhaduje sa, že z 20 kg panelu je možné zrecyklovať až 19,5 kg.

Elektrické vykurovanie v kombinácii s fotovoltikou

Kombinácia fotovoltického systému s elektrickým podlahovým vykurovaním, infrapanelmi alebo akumulačnými systémami umožňuje efektívne premeniť slnečnú energiu na tepelný komfort. Vykurovanie domu predstavuje jednu z najvýraznejších položiek v celkovom rozpočte domácnosti, a práve preto je logické spájať tieto dve technológie do jedného funkčného celku.

Vykurovacia fólia

Čoraz častejšie sa do popredia dostáva vykurovacia fólia, tenký, mimoriadne flexibilný elektrický prvok, ktorý sa najčastejšie používa na podlahové vykurovanie. Základom tejto technológie sú uhlíkové pásy a vodiče zatavené vo fólii. Vykurovacia fólia je vhodná na inštaláciu pod rozličné typy podláh - od plávajúcich podláh, cez sklovláknité dosky, až po betónové alebo anhydritové potery. Po pripojení na systém s napätím 230 V prechádza elektrina cez uhlíkové pásy, ktoré kladú odpor a premieňajú elektrickú energiu na sálavé teplo. Toto teplo je distribuované rovnomerne po celej ploche podlahy, pričom ohrieva najskôr samotnú podlahu a následne aj samotný vzduch v miestnosti.

Výhody vykurovacej fólie:

• Ponúka rovnomerné a príjemné teplo v celej miestnosti.
• Má rýchly nábeh pri zapnutí.
• Je prakticky bezúdržbová a má minimálnu pravdepodobnosť poruchy.
• Jej inštalácia nevyžaduje veľký stavebný zásah (stavebná výška len okolo 6 mm).
• Je veľmi flexibilná a jednoducho sa inštaluje (na podlahy, steny, stropy, pod dlaždice).
• Ideálne funguje v kombinácii s fotovoltikou, čo umožňuje úsporný ohrev pri maximálnej efektivite.
• Jednoduché a intuitívne ovládanie v kombinácii s inteligentným termostatom.

Nevýhody vykurovacej fólie:

• Má o niečo vyššiu spotrebu elektrickej energie v porovnaní s tepelným čerpadlom.
• Nie je najvhodnejšia pod klasickú dlažbu (na tento účel sa používajú vykurovacie rohože).

Kombinácia fotovoltiky a elektrického vykurovania

Hoci sa na prvý pohľad môže zdať, že kombinácia fotovoltiky a elektrického vykurovania nemôže v našich klimatických podmienkach fungovať efektívne, prax ukazuje opak. Aj keď fotovoltika produkuje najviac elektriny v letných mesiacoch, keď domy spravidla nevykurujeme, inteligentné riadenie umožňuje efektívne využitie. Elektrina sa môže vyrábať už v ranných hodinách, a energia sa môže ukladať do batérií na neskoršie využitie. Elektrické vykurovanie potom možno používať počas dňa, keď je dostatok slnečného svetla, a večer alebo v noci sa využíva energia z batérií.

Využitie fotovoltiky s batériami a vykurovacími uhlíkovými fóliami je ešte účinnejšie v kombinácii so systémami inteligentnej domácnosti, ktoré optimalizujú vykurovanie a ukladanie energie podľa potrieb a počasia. Takto efektívne systémy často využívajú nielen majitelia rodinných domov, ale slúžia aj na vykurovanie veľkých priemyselných budov.

Porovnanie s tepelnými čerpadlami

Ak porovnáme dve podobné investície (cca 14 000 € s dotáciou), napríklad tepelné čerpadlo vzduch-voda s teplovodnými rozvodmi verzus kombináciu vykurovacej fólie, fotovoltickej elektrárne s výkonom 6 kW a batérie s kapacitou 8 kWh, získame jasný obraz. Tepelné čerpadlo šetrí elektrickú energiu len na vykurovaní, zatiaľ čo fotovoltika šetrí na celkovej spotrebe elektrickej energie v domácnosti. Vykurovacie systémy na báze tepelných čerpadiel sú navyše v porovnaní s vykurovaním cez infra fólie viackrát poruchovejšie, drahšie na údržbu a vyžadujú pravidelné revízie. Hybridné fotovoltické systémy v spojení s vykurovacími fóliami sa ukázali ako mimoriadne stabilné, s minimálnou potrebou údržby a veľmi dlhou životnosťou.

Praktické aspekty inštalácie a návratnosti

Jednotlivé fotovoltické panely sa navzájom spájajú do radov a niekoľko radov tak spolu vytvára fotovoltický generátor. Fotovoltické generátory môžu byť umiestnené na strechách, fasádach budov alebo inštalované priamo na zemi. Najčastejšie sa inštalujú na strechu rodinného domu, kde je dôležitá správna orientácia a sklon strechy. Ak to je technicky možné, panely sa montujú aj na hospodárske budovy, garáže alebo i do záhrad.

Umiestnenie a orientácia panelov

• Orientácia: Južná orientácia strechy (fasády) je ideálna. Panely sa dajú umiestniť aj na juhozápadnú alebo juhovýchodnú stranu, nie však na severnú.
• Sklon: Ideálny sklon strechy je 30 - 40°. Pri rovnej streche, kde orientácia panelov nie je limitovaná, je veľmi dôležité dodržanie rozstupu medzi radmi panelov, aby si vzájomne netienili.
• Tieniacie prvky: Je potrebné eliminovať tieniace prvky ako komín, anténa, satelit a podobne.
• Statika: Statika strechy musí byť posúdená pre vyššiu záťaž panelov.
• Upevnenie: Veľký dôraz treba klásť na samotné upevnenie panelov, či už na streche alebo na zemi, s ohľadom na silu vetra a vplyvy sadania podložia. Odporúča sa investovať do kvalitných upevňovacích prvkov a celú inštaláciu poistiť.

Výkonnosť a sezónnosť

Fotovoltika funguje aj pri nepriamom slnečnom žiarení, to znamená, že aj keď je zamračené, elektráreň vyrába tiež, samozrejme o niečo menej ako pri bezoblačnom počasí. Elektrina sa teda vyrába aj keď slnko nesvieti priamo na panely. V lete je výkon najväčší v porovnaní so zimou, no neznamená to, že v zime sa elektrina nevyrába. Dimenzovanie fotovoltického systému zahŕňa podrobné zohľadnenie každého mesiaca roka a uvádzaná účinnosť je priemerná, rozpočítaná na celý rok.

Na Slovensku sú najlepšie podmienky pre fotovoltiku na juhu krajiny, medzi Bratislavou a Štúrovom. Avšak vzhľadom na technologický pokrok a schopnosť panelov využívať nielen priame, ale aj difúzne žiarenie oveľa efektívnejšie ako pred niekoľkými rokmi, je pre fotovoltiku vhodné takmer celé územie Slovenskej republiky.

Finančné aspekty a návratnosť investície

Počiatočná investícia do fotovoltiky stále nie je zanedbateľná, no klesajúce ceny skrátili dĺžku jej návratnosti o niekoľko rokov. Fotovoltika je cenovo dostupná a v súčasnosti sa už bez akýchkoľvek dotácií návratnosť investície na Slovensku pohybuje v rozmedzí 6 - 10 rokov. Túto návratnosť môžete ešte urýchliť využitím dotácií z programu Zelená domácnostiam alebo Modernizačného fondu.

Priemerná fotovoltická elektráreň s výkonom 3 kWp dokáže ročne vyrobiť 3000 kWh a usporiť tak až 400 eur (pri cene elektriny 0,13 eur/kWh). Obstarávacie náklady na takúto FVE sa pohybujú v rozpätí od 5 000 do 6 000 eur v závislosti od kvality komponentov, s návratnosťou pri 100 % využití energie okolo 12 - 15 rokov.

Elektráreň s výkonom systému 2,5 kWp s 5 kWh batériami stojí od 7 000 do 8 000 eur, pričom ročne dokáže usporiť okolo 325 eur, ak sa elektráreň využíva na 100 %. To znamená návratnosť 12 až 15 rokov, pričom je však potrebné počítať aj s výmenou batérií (pri olovených batériách v horizonte 3-5 rokov, pri lítiových až do 20 rokov). Inštaláciou fotovoltickej elektrárne sa proces úspor len začína a treba dbať na zníženie spotreby a celkovú úpravu priebehu spotreby domácnosti tak, aby korešpondovala s výrobou fotovoltickej elektrárne. S ďalším skrátením návratnosti pomôžu štátne dotácie.

Hlavné výhody elektrického vykurovania s fotovoltikou

Kombinácia fotovoltiky a elektrického vykurovania je jednoznačnou voľbou pre tých, ktorí chcú byť sebestační v produkcii energie a zároveň znížiť svoje náklady na elektrinu. Ponúka množstvo benefitov, ktoré presahujú rámec jednorazovej investície.

• Neobmedzený a ekologický zdroj energie: Slnko je dostupné každý deň a fotovoltika je jedným z najčistejších zdrojov energie, ktorá nevytvára emisie.
• Dlhodobé úspory a rýchla návratnosť: Počiatočné náklady sa vracajú v podobe výrazného zníženia účtov za elektrinu, a to v relatívne krátkom čase (6-10 rokov s dotáciami).
• Nezávislosť od externých dodávateľov: Vlastný systém znižuje závislosť od cien energií a externých dodávateľov.
• Nízke náklady na údržbu a dlhá životnosť: Fotovoltické panely majú málo pohyblivých častí, čo znamená menšiu pravdepodobnosť porúch a životnosť 25 rokov a viac. Vykurovacie fólie sú prakticky bezúdržbové.
• Zvýšenie komfortu a modernizácia domácnosti: Rovnomerné a príjemné teplo z vykurovacích fólií v kombinácii s inteligentným riadením prináša vyššiu pohodu bývania.
• Podpora udržateľnosti: Prispieva k prechodu na obnoviteľné zdroje a znižuje uhlíkovú stopu.

Fotovoltika dnes predstavuje najdostupnejší spôsob, ako znížiť prevádzkové náklady a zároveň prispieť k ochrane životného prostredia. Z hľadiska životnosti, ceny investície a úspor na prevádzke je ideálnym riešením na kombinovanie s moderným vykurovacím systémom.

tags: #elektricke #vykurovanie #fotovoltika