Najväčším zdrojom energie na planéte Zem je Slnko a jeho žiarenie v teplote 5 800 °C a v pozemských podmienkach (vzdialenosti) žiarivý energetický tok v hustote až 1 365 W/m² (solárna konštanta). Inak povedané, Slnko doručí v podobe žiarenia na planétu Zem za necelý deň toľko energie, koľko činí celosvetová výroba energie (z uhlia, ropy, jadra, vetra, fotovoltiky atď.) za celý rok. K tomuto záveru dôjdeme s pomocou stredoškolskej algebry a astronómie.
Uvedená energia smeruje samozrejme len na oslnenú časť Zeme, je redukovaná priechodom atmosférou, mrakmi a tiež uhľom dopadu, pokiaľ nie je rovný 90°. Aj tak ale napr. v Českej republike dopadne podľa PVGIS [1] každý rok na 1 m² plochy niečo medzi 1 000 až 1 200 kWh( na Slovensku budú údaje veľmi podobné), čo je o radu viac, než potrebujú k vykurovaniu a prevádzke bežné domy. Priemerné denné množstvo dopadajúcej energie v lokalite Praha ukazuje tabuľka 1, prvá hodnota je vztiahnutá na vodorovnú plochu, druhá na šikmú (40°, orientácia juh). V treťom a štvrtom riadku nasledujú pre rovnakú šikmú plochu tiež minimálne a maximálne hodnoty v roku 2020.
Teraz si dovolím krátku odbočku k fotovoltaickým panelom, teda k v súčasnej dobe pravdepodobne najľahšie dostupnému obnoviteľnému zdroju elektrickej energie. Účinnosť moderných panelov, tj koľko percent slnečnej energie potenciálne premenia na elektrinu, sa pohybuje cez 20 %. Potenciálne preto, pretože aby panely elektrinu vyrábali, je potrebné ju súčasne odoberať. Bez odberu (nulový prúd) bude samozrejme aj nulová výroba, čo vyplýva zo vzťahu výkon = napätie krát prúd. Pri malom odbere sa výkon prispôsobí, tj napätie vzrastie nad optimálnu pracovnú hodnotu a automaticky sa zníži účinnosť. Z panelu, ktorý má „štítkovo” 400 W, tak získame napríklad len 200 W, 50 W alebo 0 W.
Návrh fotovoltickej elektrárne
Vyzbrojení základnou teóriou sa teraz môžeme pustiť do stanovenia výkonu fotovoltických panelov. K tomu nám poslúži údaj Watt-peak (Wp), ktorý udáva nominálny výkon solárneho panelu v ideálnych svetelných podmienkach, teda pri kolmo dopadajúcej slnečnej energii v hustote energetického toku P = 1 kW/m². V tabuľke 1 už máme dopadajúcu slnečnú energiu spočítanú za celý deň a ak zanedbáme straty, môžeme preto počítať s tým, že 1 kWp panelov vyrobí denne toľko kWh energie, koľko je uvedené v príslušnom riadku /samotné panely budú zaberať viac než 1 m², konkrétne pri účinnosti 20 % cca 5 m²).
Za pozornosť stojí najmä fakt, že na vyrobenie 1 kWh energie je počas ideálneho dňa (apríl, jasno) potrebné 120 Wp a v opačnom prípade (december, zamračené) 4 550 Wp. To je obrovský rozdiel a veľká variabilita výroby sa vyskytuje aj v rôzne dni toho istého mesiaca. Každá fotovoltaická elektráreň preto bude kompromisom medzi množstvom vyrobenej energie a vysokým percentom jej využitia.
Tepelné čerpadlo ako kľúčový prvok
K optimalizácii prevádzky fotovoltickej elektrárne vedie čo možno najvyššie využitie jej potenciálu a je potrebné nájsť také spotrebiče, ktoré po prvé dokážu spotrebovať dostatok energie v čase jej dostatku a po druhé využijú túto energiu efektívne. Často využívaným riešením je napríklad ohrev teplej vody v bojleri vykurovacím telesom, majitelia fotovoltických elektrární s možnosťou dodávať elektrinu do distribučnej siete (DS) môžu prebytky predať. Oboje spĺňajú prvú podmienku , pri druhej to tak jednoznačné nie je – elektrinu, ktorú z DS kupujeme v cenách cca 0,25 – 0,30 Eur/kWh, použijete na ohrev (plyn by nás vyšiel na cca 0,064 Eur/kWh), alebo ju predáme za čiastky pohybujúce sa v nižších jednotkách Eur/kWh.
Kľúčovým zariadením, ktoré nám umožní fotovoltickú elektráreň efektívne využívať a výrazne skráti (často z nekonečna) návratnosť investície na jej vybudovanie, tak môže byť tepelné čerpadlo (TČ). To je na jednu stranu po väčšinu roka - vo vykurovacej sezóne - schopné spotrebovávať veľké množstvo energie a na stranu druhú funguje veľmi efektívne. Z 1 kWh dodanej elektrickej energie dostaneme pri vykurovacom faktore 3 až 3 kWh tepelnej energie. V peniazoch ide o energiu, ktorá by nás stála 3 × 0,064 = 0,192 Eur pri kúrení plynom alebo 0,25 – 0,30 Eur pri prevádzke tepelného čerpadla z distribučnej siete.
K tepelnému čerpadlu dodajme ešte jeden tip spočívajúci v možnosti akumulácie tepla do akumulačnej nádrže alebo do hmoty stavby pomocou dočasného zvýšenia teploty v interiéri. Tento spôsob využívame pri tepelnom čerpadle vykurujúcom kancelárie našej redakcie. O prvotných skúsenostiach z prevádzky sme písali v článku Splitové tepelné čerpadlo Vitocal 100-S: prvé skúsenosti dostupnom na tomto webe.
Tepelné čerpadlo sme nedávno napojili na fotovoltickú elektráreň a na jeho prevádzku využívame v maximálnej miere vlastnú elektrickú energiu viď tabuľka 2. Riadiaca jednotka čerpadla si v reálnom čase načíta dáta z elektromeru a v závislosti od množstva dostupnej energie upravuje svoj výkon. Počas slnečných dní tak nielen nevyužíva distribučnú sieť, ale navyše akumuluje teplo do nádrží a vykuruje interiér na o cca 1,5 ° C vyššiu teplotu, čo supluje drahú batériu.
V letnom období je TČ naopak v režime chladenia, kedy v prípade dostatku energie z panelov sa akumulačné nádrže ochladia o niekoľko stupňov viac, než by bolo potrebné. Ochladzovanie interiéru nad bežný rámec z dôvodu tepelnej pohody nevyužívame.
Záver
U mikrozdrojov bez možnosti dodávky elektrickej energie do siete sa tepelné čerpadlo stáva významným prvkom, s ktorého pomocou dochádza k lepšiemu využitiu fotovoltickej elektrárne. Kombinácia tepelného čerpadla a fotovoltickej elektrárne vedie nielen k väčšej sebestačnosti, ale aj k výraznému zrýchleniu návratnosti investície do oboch zariadení.
Zdroje: [1] Photovoltaic Geographical Information System, re.jrc.ec.europa.eu
Čítajte tiež:
