Alternativní zdroje elektrické energie postupně celosvětově zaujímají stále větší podíl na výrobě dnes nepostradatelné elektrické energie. Asi nejsnadnější a na realizaci nejméně nákladným druhem je solární energie, jejíž použití není příliš složité a lze s ní snadno experimentovat i v malém (například vzhledem k větrným či vodním elektrárnám). Tím je snadno přístupná každému, kdo má zájem o ekologickou výrobu elektrické energie. Pro první pokusy totiž stačí zakoupit jeden solární panel s několika doplňkovými komponentami a postavit jej na dostatečně přímým sluncem osvětlené místo. A výroba elektřiny již může začít. Také je jistě pro uživatele lákavá myšlenka, že po první investici již systém několik let prakticky nic nepotřebuje a vyrábí elektřinu zdarma.

Co je potřeba pro použití solární energie?

Jak již bylo naznačeno výše, není potřeba pro základní využití slunečního záření nic přestavovat, upravovat nebo získávat nějaká stavební nebo jiná povolení. Pro základní zkoušení stačí mít pouze kousek dobře sluncem osvětlené plochy (nejlépe lehce nakloněnou k jihu), koupit si několik komponent a pak jen mít alespoň základní elektrotechnické znalosti. Konkrétní informace z oblasti solární energie pak vám poradí v odborných prodejnách, snadno je naleznete na internetu nebo i v následujících řádcích tohoto článku.

Co tedy k realizaci základního systému pro generování solární elektřiny potřebujeme?

Nic více než:

• solární panel, který převádí sluneční záření na elektrické napětí a proud,
• měnič / střídač napětí, který převede obvykle nestandardní napětí článku na standardní (např. 24 VDC nebo 230 VAC),
• zálohovací zařízení (regulátor nabíjení + akubaterie), které bude jímat nadbytečnou energii při dostatečném osvětlení a naopak energii dodávat v případě zvýšeného odběru , zatažené oblohy nebo noci,
• speciální kabely pro připojení solárního panelu k měniči / střídači

Propojení solárních článků a panelů

Solární panel (fotovoltaický panel či modul) je soubor několika pospojovaných solárních článků obvykle do výkonu cca 300 W, které generují výstupní napětí odpovídající násobku napětí jednotlivých sériově připojených článků. Zdroje o větším výkonu skládající se z několika propojených solárních panelů se již obvykle nazývají solární elektrárny.

Solární články v panelech nebo jednotlivé solární panely mohou být propojeny v tzv.:

• sériovém zapojení – zvyšuje výstupní napětí a zachovává výstupní proud panelu jednotlivých panelů
• paralelním zapojení – zvyšuje max. odebíraný proud a zachovává výstupní napětí jednotlivých panelů
• sériově-paralelním zapojení – kombinuje sériové i paralelní pospojování pro získání potřebného výstupního napětí a proudu

POZOR: Pro konstrukci solárního systému (solární elektrárny) by se měly vzájemně propojovat jen solární panely téhož typu jednoho výrobce, který často i definuje, jaký jejich maximální počet lze vzájemně propojit pro zachování definovaných vlastností.

Protože sériové zapojení, kde se vzájemně propojují kladné a záporné póly, slouží pro zvýšení výstupního napětí elektrárny, využívá se ho zejména u systémů dodávajících elektrickou energii do rozvodné sítě, kde je nutné generovat napětím až několik set voltů. Naopak tam, kde se využívá solární elektřina jen lokálně (tzv. izolované systémy) a je zde potřeba zálohovat energii v akumulátorech s napětím 12 nebo 24 VDC, se využívá paralelního zapojení (vzájemné propojením kladných a záporných pólů panelů či článků). To umožňuje zvyšovat generovaný elektrický výkon při zachování nízkého výstupního napětí zvýšením hodnoty dodávaného el. proudu, protože je celkový výkon solární elektrárny, který je dán součinem napětí a proudu, na struktuře propojení nezávislý. Naopak při sériovém/paralelním spojení se mění tzv. charakteristické odpory, které jsou důležité pro konstrukci vstupu následujících prvků (měniče, regulátory), na které se soustava solárních panelů připojuje. K vzájemnému fyzickému propojení panelů do jedné velké celistvé plochy se využívá buď spojování Cu páskou pomocí neagresivního tavidla a páječky (obvykle u panelů určených pro instalaci na střechy) nebo pomocí k tomu určených typů kabelů. Někteří výrobci již panely vybavují konektory pro potřeby snadného připojení a odpojení.

Z pohledu samotné výroby el. energie je nutné poznamenat, že při sériovém zapojení musí téct články či panely stejný proud. Nejsou-li sluncem ozářeny stejnoměrně, každý generuje různý elektrický proud a výstupní proud celé soustavy odpovídá nejhůře osvětlenému prvku. Proto například úplné zastínění jednoho z takto zapojených článků v panelu nebo jednoho panelu v solární elektrárně způsobí, že nepoteče žádný proud a tedy nebude dodáván žádný výkon, i když jsou ostatní články optimálně osvětleny. I z tohoto pohledu je paralelní zapojení výhodnější.

Úprava výstupního napětí solárního panelu

Požadované výstupní stejnosměrné nebo i střídavé napětí solárního panelu či malé solární elektrárny se dosahuje polovodičovými DC-DC měniči nebo DC-AC střídači. Ty převádí stejnosměrné napětí na jiné stejnosměrné (např. na 12 V akumulátorové baterie), resp. stejnosměrné na střídavé napětí (například z 19 VDC se generuje klasické střídavé napětí 230 VAC). Účinnost současných měničů / střídačů bývá 90 až 98 %, což značí, že pouze zlomek solárním článkem získané energie se nevyužije.

Z pohledu koncepce napojení střídačů k panelům se pak lze setkat z následujícími koncepcemi:

• modulová - umístěný u každého panelu (modulu)
• centrální - pro celé fotovoltaické pole
• řetězová - kombinace výše zmíněných dvou

Ve většině případů pak již samotní prodejci solárních panelů mají v nabídce vhodné měniče / střídače, které již stačí jen připojit a zprovoznit bez velkých požadavků na odborné znalosti.

Zálohování energie

Odděleně nebo součástí měničů/střídačů bývá i zálohovací zařízení obvykle tvořené několika 12 nebo 24 V akumulátory, které se nabíjí v případě, že generovaná el. energie je vyšší než odebírána a naopak vybíjí v případě, že spotřeba je vyšší (podobně jako u akumulátoru v automobilu). K správnému přerozdělení el. energie mezi panelem, akumulátory a spotřebiči se využívají tzv. regulátor nabíjení (viz obrázek níže), který slouží k řízenému dobíjení a ochraně akumulátorů proti přebíjení. Regulátor se navrhuje zejména podle pracovního (nominálního) napětí v systému, typu akumulátoru, celkového příkonu elektrospotřebičů atd.

Kabely k připojení solárních panelů

Kabely pro solární panely musí obecně splňovat několik základních požadavků:

• nízký ztrátový odpor a optimální kapacitu / indukčnost pro minimalizaci ztráty generovaného výkonu
• vysokou mechanickou odolnost a stálost parametrů za různých podmínek
• vysokou odolnost proti klimatickým podmínkám

Obzvláště je důležitá právě dlouhodobá stálost elektrických i mechanických parametrů a odolnost proti všemu s čímž se může ve venkovních podmínkách setkat. Zvláště v případě umístění na střechách musí být materiál vnějšího pláště odolný vůči teplotě (někdy až od –40 °C do +120 °C), degradujícímu UV záření, ozónu, celý kabel mechanicky odolný proti větru, odolný vůči hydrolýze (např. vodou na střeše), čpavku, kalovým plynům a dalším agresivním látkám, které se často vyskytují v oblastech využívaných k získávání solární energie.

V případě jednoduchého připojení místního panelu ke střídači, lze opět využít kabelů s konektorem, které prodejci k danému solárnímu panelu nabízejí a doporučují. V případě složitějšího připojení na větší vzdálenost (například ze střechy apod.) pak většina známých výrobců kabelů (Lapp kabel, HELU kabel a další) speciální kabely pro solární články nabízejí.

Solární panely – stručný přehled trhu v ČR

Málokdy se setkáte s možností nákupu jednoho solárního článku. Obvykle je totiž jeden nezapouzdřený článek s napětím do 1 V a malým proudem k ničemu a z praktického pohledu potřebujeme již odolně zapouzdřenou „složeninu“ mnoha článků do podoby solárního panelu. Ten lze ihned použít. V tomto směru se obvykle vyrábí kombinace s provozním (tzv. optimálním) napětím okolo 20 nebo 30 V (cca 36, resp. 72 propojených článků). Ty slouží pro potřeby nabíjení 12V, resp. 24 V akubaterií. Nemusí to tak však být vždy, protože stejně se panel napojuje na měnič či střídač, který vstupní napětí převede na požadované výstupní napětí. Tak se lze běžně setkat i s napětími přes 60 V (zvláště u amorfních typů). Velikost, hmotnost a nakonec i cena solárního panelu však závisí ani ne tak na napětí, ale na elektrickém výkonu, který je schopen dodat. Tomu pak odpovídá i velikost odebíraného výstupního proudu. Zatímco panely s výkony v řádu desítek W stojí několik tisíc korun, v případě výkonů 100 až 200 W, které již můžete využít i pro zajištění napájení běžných elektrospotřebičů například na chatě, již vyžaduje investici více jak 10 tisíc Kč.

Výrobce solárních panelů, kterých je dnes již opravdu mnoho, lze rozdělit do několika skupin podle oblasti původu/výroby, použitého materiálu/konstrukce, velikosti či výkonu. S ohledem na fakt, že rozměry, výkony či další vlastnosti solárních panelů nejsou nijak standardizované a každý výrobce je může mít jiné, rozdělil jsem je zde podle konstrukce na monokrystalické, polykrystalické a ostatní (převážně amorfní / hybridní) – viz obrázek níže. Nejnovější realizované technologie typu CIGS se zatím u nás na trhu téměř neobjevují.

Z pohledu výrobců byla vždy velmi silná Asie samozřejmě v čele s Japonskem, později i Jižní Koreou a dnes i Čínou. Zvláště Japonsko ještě donedávna představovalo absolutní špičku v oblasti výroby a vývoje solárních článků. Takové společnosti jako jsou Sharp, Kyocera, či Mitsubishi již mají ve výrobě velké dlouhodobé zkušenosti a vždy tak představovaly špičku v oboru, i když poslední léta je například evropští i američtí výrobci i překonávají. Jejich panely pak bezproblémů zakoupíte i na českém trhu. Posledních několik let však velmi expanduje Čína. Dost často však jejich výrobky najdete v různých nespecializovaných internetových obchodech a často se vyznačují tím, že u nich nikde nenajdete jméno výrobce a kvalita je pochybná. Ale to samozřejmě neplatí o všech výrobcích a ve všech případech. Někdy však i méně kvalitní a levnější „neznačkové“ panely mohou na některé nenáročné aplikace dobře posloužit.

V posledních letech se však velmi začala prosazovat výroba v zemích evropské unie, v čele s Německem, Anglií, Norskem, ale neztrácí se ani Česká republika. Zde najdeme hned několik velmi dobrých domácích výrobců (např. SOLARTEC, Phono Solar) i výzkumných a vývojových center zahraničních firem (např. Schott Solar). Patrně jste i již mohli zaznamenat výrobky v Čechách dosti známé německé společnosti EvalonSolar, specializující se výrobou pružných panelů na střechy nebo jednu z předních českých firem SOLARTEC s jejímiž výrobky se často setkáte i v různých obchodech specializujících se na solární napájení. Zvláště Německo pak v EU představuje přední zemi i z pohledu počtu výrobců (více jak 20 firem – např. SolarWatt, Evalon, Schott, Solarworld, Sunways, Sunset atd.).

Nakonec samozřejmě nezaostává ani USA, kde najdete takové společnosti jako UniSolar, Nanosolar, Evergreen, Brunton či Powerfilm. Vyjma značek UniSolar (v podobě šindelů TEGOSOLAR) a Evergreen se však s jejich výrobky v ČR skoro nesetkáte, protože zde nemají zastoupení a i v různých specializovaných obchodech na ně narazíte jen výjimečně.

Závěrem …

Do tohoto článku bylo možné uvést jen malinký zlomek informací z oblasti solárních panelů a jejich použití, protože tato oblast elektrotechniky je neobyčejně rozsáhlá a výrobců či prodejců panelů a dalších k tomu příslušných komponent je nepočítaně. A to i v České republice přibývají firmy jako houby po dešti a nabídka se neustále mění a rozšiřuje. Každý výrobce pak vyrábí až několik desítek různých modelů solárních panelů různých výkonů, často v rozsahu od několika W až do 300 W. Obecně se v našich zeměpisných šířkách lze na pultech setkat převážně s výrobky ze sousedního Německa a tento trend se jistě bude nadále prohlubovat. Také u mnoha prodejců narazíte na české produkty Solartec, které se vyznačují velmi dobrou kvalitou a jako české výrobky mají snadno dostupný servis a s tím spojené služby.

Jak tedy začít se solárními panely? Rozhodně pokud jste začátečníci a nemáte patřičné elektrotechnické vzdělání, je nejjednodušší a nejjistější krok kontaktovat některého specializovaného prodejce a nechat si poradit a navrhnout alespoň vhodné komponenty, které k sobě pro danou aplikaci pasují. A to i v případě, že jen chcete investovat cca 20 tisíc Kč a pořídit si jen jeden solární panel, který si chcete umístit na zahradě a jeho energii využít třeba jen pro napájení zahradních spotřebičů či osvětlení. V odborné prodejně či na odborném internetovém serveru vám poradí jak komponenty zkombinovat vzhledem k plánovanému použití, jaký zvolit panel, střídač, řídící zálohovací jednotku či kabel a pokud jste zruční si to pak samozřejmě můžete pospojovat a zprovoznit sami. Samozřejmě pokud však chcete nějaké trvalé řešení napájení například na střechu domu a investovat více peněz, rozhodně je dobré kontaktovat odborné firmy a nechat si vše navrhnout i realizovat, aby jste následně nezažili velká zklamání, že to nepracuje, jak má. Navíc pro umístění na střeše je nutné dodržet pravidla ohledně ochrany proti zničení úderem blesku.

Poznámka na závěr

Zde uvedený článek je o něco zkrácená verze dvoudílného článku stejného autora, který vyšel ve 4. a 5. čísle 2009 časopisu Elektroinstalatér pod názvem "Začínáme se solárními panely". Zde navíc naleznete i několik rozsáhlých podrobných tabulek porovnávající solární panely jednotlivých výrobců, které jsou dostupné na českém trhu. Porovnávány zde jsou panely různých technologií a uvedeny jsou i informace o účinnosti a cca ceně panelů na českém trhu.

DOWNLOAD & Odkazy

• Časopis Elektrinstalatér - odborný časopis pro moderní elektroinstalace - www.elektroinstalater.cz
• Výrobce střídačů / měničů Fronius - www.fronius.com
• Výrobce měničů SOLUTRONIC – www.solutronic.de
• Stránky věnované prodeji měničů - www.menicenapeti.net
• Stránky o výrobě solární energie - www.sunjoules.com
• Čínský výrobce solárních zařízení TianLi Solar Energy - www.sztianlisolar.com
• Stránky o ekologickém zařízení domácnosti - www.furniturehomedesign.com
• Odkazy na některé výrobce solárních panelů - www.solartec.cz, www.sharp.eu, www.solarwatt.de, www.phonosolar.cz, www.sunset-solar.de, www.sunways.de, www.schueco.cz, www.axitecsolar.com, www.sanyo-solar.eu, www.suntech-power.com, www.evergreensolar.com, www.kyocerasolar.com, www.schottsolar.com , www.mitsubishielectricsolar.com, www.schottsolar.com , www.richsolar.com, www.recsolar.com, www.aleo-solar.de, www.solarworld.de, www.gs-solar.com, www.kaneka.com, www.brunton.com, www.topraysolar.com, www.alwitra.de, www.uni-solar.com