Slovník základních pojmů

Zde nalezete vysvětlení základních pojmů, které se často používají ve spojitosti s fotovoltaickou elektrárnou. 

Fotovoltaická elektrárna (FVE), fotovoltaický systém (FVS) nebo zkráceně jen fotovoltaika (FV) je zařízení určené pro přeměnu solárního záření na elektřinu, které se skládá z fotovoltaických panelů a střídače. Při svém provozu nevyužívá pohyblivé části a ani neprodukuje žádné emise, a to jak oxidu uhličitého, tak ani žádné jiné znečisťující látky. Je to jedna z nejdostupnějších zdrojů obnovitelné energie. 

Fotovoltaický panel nebo fotovoltaický modul, je plocha vzájemně propojených fotovoltaických článků, které jsou sériově zapojené a přeměňují sluneční záření na stejnosměrný proud. Napětí jednoho samostatného panelu se může pohybovat v rozmezí od 12 V do 100 V. 

Fotovoltaický článek je nejmenší stavební prvek fotovoltaiky. Dělí se na dva druhy – krystalické a tenkovrstvé. Proud, který článek generuje, je přímo úměrný jeho ploše, jeho účinnosti, intenzitě slunečního záření a jeho spektru, které se v průběhu dne mění.

Krystalický panel, tedy panel složený z krystalických článků, je v současnosti nejpopulárnější. Tyto fotovoltaické články jsou složeny z krystalického křemíku a jejich napětí začíná na 0,5 V. V celém krystalickém panelu může být zapojeno buď 60 článků nebo 72 článků.

Tenkovrstvý panel má články nanesené přímo na nosné sklo, kde tvoří pruhy o šířce 1 cm po celé délce panelu.  Bývají lehčí než křemíkové panely, což usnadňuje jejich instalaci. 

Jmenovitý výkon panelu se měří za standardních testovacích podmínek (STC), tedy při intenzitě 1 000 W/m², spektru AM1,5 Global a teplotě panelu 25 °C. Udává se v jednotkách Wp – wattpeak, neboli watt špičkového výkonu. Jedná se tedy výkon za optimálních podmínek. Skutečný výkon, který lze z panelu odebrat závisí na okolních podmínkách, především na úrovni slunečního záření,  úhlu dopadu paprsků a rovněž přizpůsobení zátěže.

Maximální výkon je panel schopen dodat při dosažení Maximálního bodu výkonu (Maximum Power Point – MPP), což představuje bod, kdy jsou zajištěny optimální podmínky. Pro dosažení tohoto bodu a další optimalizaci výnosu energie se používá sledovač bodu maximálního výkonu (Maximum Power Point Tracker – MPPT). To je v podstatě zařízení s příslušným softwarem, které zajišťuje, aby fotovoltaický panel pracoval neustále v blízkosti bodu maximálního výkonu. Může se nacházet samostatně nebo jako součást střídače nebo jiných zařízení.

Složení fotovoltaického článku

Fotovoltaický článek má pět hlavních částí.

Polovodič typu N je polovodičová materiál, kde převažuje elektron. N v názvu znamená negativní. Polovodič typu P je naopak polovodičový materiál s převahou děr s pozitivním nábojem. Mezi nimi je umístěn PN přechod, který představuje rozhraní mezi polovodiči typu N a P. 

Pro odvedení nosičů náboje z fotovoltaického článku slouží přední kontakt. Ten je tvořen sběrnicí nanesenou sítotiskem u krystalických panelů, u tenkovrstvých panelů se používá vodivý transparentní oxid (TCO). Zadní kontakt pak odvádí nosiče nábojů z fotovoltaického článku.

Z čeho se skládá fotovoltaický panel? 

Fotovoltaický panel se skládá nejen ze samotných výše zmíněných fotovoltaických článků, ale i z jiných komponentů. Sériové propojení fotovoltaických článků nebo i fotovoltaických panelů se nazývá string. Díky sériového propojení článků se dosáhne potřebného napětí. 

Články jsou pokryty laminační folií. U tenkovrstvých článků se používá jedna vrstva, neboť články bývají rovnou naneseny na nosnou vrstvu. Naopak krystalické články jsou vloženy mezi dvě vrstvy laminační fólie. Dále působením tepla dojde k zatavení fólie a připojení k přední a zadní krycí vrstvě. 

Přední krycí vrstvu obvykle tvoří sklo s nízkým obsahem železa nebo plast. Hlavním kritériem je schopnost propouštět část slunečního spektra. V mnoha případech může být tato vrstva použita i jako nosný podklad. 

Zadní krycí vrstva je obvykle z plastu nebo méně častěji ze skla. Sklo ale bývá považováno za trvanlivější a lépe zabraňuje degradaci článků. 

Vše je uzavřeno v rámu panelu. Rám, obvykle z hliníku, panel chrání před mechanickým poškozením, zvyšuje jeho tuhost a odolnost. Není však pro panel nutnost. Panely bez rámu se obvykle používají pro fasádní systémy nebo fotovoltaické střechy (BIPV). V těchto případech je funkce rámu přenesena na nosnou konstrukci.

Na zadní straně rámu se umisťuje připojovací box (junction box), který slouží k vyvedení elektrické energie z panelu a zapojení do obvodu. V určitých případech je možné jej nahradit výkonovým optimizérem nebo mikrostřídače.

Další součástí panelu je tzn. Bypassová dioda. Na panel se obvykle umisťují tři tyto diody, kdy každá z nich přemosťuje třetinu článků v panelu tak, aby došlo k ochraně výkonu při částečném zastínění, tedy omezuje ztrátu výkonu. Diody se obvykle umisťují do připojovacího boxu.

Charakteristické údaje fotovoltaických panelů

Účinnost fotovoltaického panelu vyjadřuje, kolik elektřiny dokáže panel vygenerovat ze sluneční energie, která na něj dopadá. Průměrná účinnost se v současnosti pohybuje nad 20 % a jak se technologie vyvíjí, i účinnost panelů se postupně zvyšuje. V zásadě platí, čím účinnější fotovoltaický panel je, tím je jeho výkon vyšší.

Teplotní koeficient výkonu nám vysvětluje, jak změna teploty ovlivní výkonost panelu. Teplotní koeficient je udáván v procentech na stupeň Celsia (%/°C), obvykle je vyjadřován jako negativní číslo. Solární panely jsou obvykle nejefektivnější, když se teplota panelu pohybuje kolem 25 °C, pokud teplota stoupne nad tuto hodnotu, výkon panelu začne mírně klesat. Teplotní koeficient se u panelů liší v závislosti na jejich typu a značky.

Intenzita slunečního záření se udává ve wattech na metr čtvereční (W/m2), nejvyšší intenzita slunečního záření se v České republice za ideálních povětrnostních podmínek při kolmém dopadu slunečních paprsků pohybuje kolem 1100 W/m2.

Struktura fotovoltaické elektrárny 

Na střechu se panely upevní do konstrukce, tzv. profilů pro ukotvení fotovoltaických panelů. Ty nejčastěji bývají z hliníku. Dále se tato konstrukce s pomocí upínacích háků upevní do střešní konstrukce.

Napětí vznikající z panelů a případně proudící do akumulátoru je obvykle stejnosměrné, je tedy potřeba zapojit střídač (měnič), který jej přemění na střídavé napětí o hodnotách 230 V. Ve fotovoltaice se může nacházet i tzv. mikrostřídač, tedy střídač malého výkonu, který je napojený přímo k jednomu nebo několika panelům. V takovýchto případech nahrazuje připojovací box. 

Ke každému panelu v řetězci se dále může připojit výkonový optimizér, neboli DC/DC měnič s MPPT. Ten umožňuje do stringu zapojit více panelů s různými výkony, s různým sklonem a s i různou orientací, případně může docházet i k různému zastínění s tím, že každý panel bude díky tomuto zařízení pracovat v optimálním pracovním bodě.

Ve stejnosměrných systémech s akumulátory se dále ještě používá regulátor nabíjení. 

Nejčastěji uváděné údaje na fotovoltaických panelech

PMPP – jmenovitý výkon panelu, uvádí se hodnota změřená v bodě maximálního výkonu 
PMPP = UMPP × IMPP 
UMPP – napětí při jmenovitém výkonu 
IMPP – proud při jmenovitém výkonu 
UOC – napětí naprázdno – napětí na fotovoltaickém panelu bez připojené zátěže 
ISC – proud nakrátko – největší proud, který je panel schopen dodat 
Max. System Voltage – nejvyšší systémové napětí, omezuje počet panelů, které lze zapojit v sérii, obvyklá hodnota je 1000 V.

Zdroj:

https://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/11772-nejpouzivanejsi-pojmy-ve-fotovoltaice