S výrobou elektřiny z fotovoltaických panelů to není vždy tak jednoduché, jak laická veřejnost předpokládá. Například v zimě stačí mít sněhem zakrytý jen kousek solárního panelu a rázem přestane fungovat celý. I přesto se ale většinou odmetání sněhu z panelů nevyplatí. Naopak je dobré z nich odklízet přilepené listy či zaschlý ptačí trus a špínu. I pár lístků nebo fleků dokáže nadělat neplechu. Proč? Na to v rozhovoru s HN odpovídá odborník na fotovoltaiku z ČVUT Pavel Hrzina.
Nějaké revoluční vylepšování účinnosti fotovoltaických panelů Hrzina do budoucna nepředpokládá. Po fyzikální stránce pro to není moc prostoru a už dnes je podle něj účinnost na velmi dobré úrovni. Nové materiály, které by mohly při výrobě panelů nahradit dnes používaný krystalický křemík, jako například perovskit, se podle něj stále potýkají s řadou problémů.
- HN: Na jaký výkon jede fotovoltaika v průměrný pošmourný zimní den, kdy je obloha zatažená, šedivá a slunce není vidět od rána do večera?
Je to různé. Hodně záleží na počasí. Denního světla teď moc není. Doba slunečního svitu je nyní hodně krátká a paprsky navíc dopadají ještě pod hodně nízkým úhlem, takže spousta fotovoltaických instalací je zastíněná okolními stavbami či stromy. Už tak za měsíc se to ale zlepší.
- HN: Kdybychom tedy vzali například špičku výroby během poledne za pošmourného zimního dne, na jaký výkon se může fotovoltaika dostat?
Tak na deset procent toho, co udělá v létě za jasného dne. Je to hlavně proto, že sluneční paprsky jdou zešikma, a to ještě skrz velkou vrstvu mraků. Při hodně pošmourném zimním dni je intenzita záření jen kolem 50 wattů na metr čtvereční. Přitom třeba někdy v květnu v poledne tato intenzita dosahuje 1000 wattů.
- HN: Lidé, kteří neberou elektřinu ze sítě a jsou odkázaní jen na to, co si sami z fotovoltaiky vyrobí, třeba někde na chatě, to tedy v zimě mají hodně těžké.
Přesně tak. V takovém případě je dobré mít alespoň bateriové úložiště, které může v tyto pošmourné zimní dny dobíjet třeba přes dieselový agregát. Spaluje se u toho sice nafta, ale to není nijak velký problém, protože takový agregát použijete třeba jen dvacet dní v roce. Z ekologického hlediska to není zase tak moc. Zrovna nedávno jsme to počítali pro jednu chalupu. Stačilo na ní pustit agregát na pár hodin, aby majitel dobil baterie, a z nich pak chalupa fungovala třeba dva dny.
- HN: Udává se, že průměrně během zimy dosahuje fotovoltaika zhruba 20 procent svého výkonu. Je to tak?
Obecně se udává poměr jedna ku deseti. Tedy že výroba v zimních měsících je desetina toho co v letním měsíci. Například u nás doma si fotovoltaikou ohříváme bojler a bez elektřiny ze sítě se u něj obejdeme tak od poloviny února až do zhruba poloviny listopadu.
- HN: Když pak přijde zima a na panely napadne sníh, tak to už je s výrobou z fotovoltaiky úplný konec…
Ano, sníh je zastíní. Dokonce stačí, aby sníh zastínil jen část fotovoltaických modulů (výraz pro panely používaný odborníky – pozn. red.). I když třeba zůstane sníh jen někde u spodního kraje panelů, výroba v podstatě jde na nulu. Fotovoltaiku se zpravidla ani nevyplatí ometat a čistit, vzhledem k tomu, jak krátké výrobní úseky v zimní dny jsou. Lézt v zimě na domácí střechu navíc není zrovna bezpečné. A u velkých pozemních fotovoltaik zase ometači stojí hodně peněz.
- HN: Podle vás tedy ometání nemá smysl?
Spíš nemá. Samozřejmě jsou ale výjimky. Když třeba budete mít chalupu zcela závislou na fotovoltaice, tak si těch pár panelů samozřejmě ometete. Pokud ale máte jiný zdroj, tak podle mě nemá význam se ometáním zabývat.
- HN: K částečnému zastínění fotovoltaických panelů často dochází třeba i kvůli blízkosti komínu, proč to má tak velký vliv?
Když to hodně zjednoduším, tak fotovoltaické moduly jsou do sebe zapojené jako řetězec, používá se pro to anglický název string. To znamená, že je jeden článek za druhým a uvnitř modulů jsou za sebou zapojené do série. A protože to je série, výkon modulu je ovlivňovaný tím nejslabším kusem. Výkon celého modulu tedy ovlivní i jeden vadný článek. Stejně tak jeho výkon ovlivní jeden zastíněný článek. To sériové zapojení tam musí být kvůli napětí, takže se jen těžko dá tohoto vlivu zbavit. Když to nespojíme sériově, ale paralelně, tak budu mít sice obrovské proudy, ale malé napětí a systém mi nebude fungovat efektivně. Musíme to tedy zapojovat sériově, což znamená, že je také nutné celý modul udržovat čistý a v ideálním případě by neměl být vůbec zastíněný.
- HN: Je přípustné alespoň nějaké zastínění?
Určitě by panely neměly být u žádného blízkého objektu, který by na ně vrhal stín. Pokud například instalační firma umístí modul hned těsně vedle komínku, třeba odvětrání záchodu, tak to je velký problém, protože pak je to zastínění stále na jednom místě. Modul se pak přehřívá a poškozuje. Když je to zastínění od stromu nebo sloupu, který je daleko, tak to ale tak negativní dopad nemá.
- HN: A co když se třeba na panel přilepí listí?
V takovém případě to opravdu doporučujeme očistit, na rozdíl třeba od zmiňovaného sněhu. Bodové znečištění by se mělo řešit. Může to být přilepený list nebo například ptačí exkrement.
- HN: Proč se zrovna zastíněné místo zahřívá?
Protože jsou v něm energetické ztráty, a když jsou někde ztráty, tak tam vzniká teplo, tedy to místo topí. Představte si to tak, že proud prochází celým řetězcem, a zatímco všechny ostatní články vyrábí elektřinu, tak jen přes ten jeden zastíněný nebo poškozený článek prochází proud. Ten článek ale nic nevyrábí, jen klade procházejícímu proudu odpor, tudíž se zahřívá. Tato vlastnost se využívá při kontrole funkčnosti panelů, k čemuž se používá termokamera.
- HN: Je vhodné v průběhu roku panely čistit nejen od bodových znečištění, ale například i kvůli jejich zaprášení?
Záleží na umístění modulů. Pokud jsou někde na střeše se sklonem dvaceti a více stupňů, tedy z nich může voda bez problémů stékat, tak moduly docela účinně umyje déšť. Problém je ale u těch, které mají nízký sklon – méně než patnáct stupňů. To jsou ty fotovoltaiky na plochých střechách, kde jsou panely takřka naležato. Na nich se může znečištění usazovat. Je pak na rozhodnutí správce, jestli je nechá čistit, nebo ne. Doporučuje se čistit minimálně ty spodní hrany, kde se nečistota usazuje. Pokud by tam nečistota zůstala dlouhodobě, tak se do skleněného povrchu modulů zapeče a už to nikdo neumyje. Čištění modulů od prachu má také velký význam hlavně v zemích, kde moc neprší.
- HN: V zahraničí už existují firmy, které k panelům dodávají technologie, jež umí sníh stírat, nebo se třeba dodávají k panelům topná tělíska, aby sníh roztál. Používá se to? Setkáváte se s tím?
Existují systémy, které ani nepotřebují žádnou topnou folii, protože topí samotné moduly. Když do nich pustíte proud, tak se ohřejí. Funguje to stejně jako u těch zastíněných modulů, které se zahřívají. Problém je ale v tom, že v našich podmínkách se moc nevyplatí pouštět do modulů proud. Je pravděpodobné, že by při ohřívání spotřebovaly víc elektřiny, než kolik by potom vyrobily. Dělají se také různá ometací zařízení, ta ale nemají moc využití na střechách, těžko se na nich pohybují.
- HN: Setkal jste se s tím, že by někdo do panelů pouštěl proud, aby rozpustil sníh?
Před lety jsme to technicky řešili pro jednu firmu, nakonec to ale myslím nevyužila. Nesetkal jsem se s tím, že by to u nás někdo využíval.
- HN: Problém s částečným zastíněním lze řešit i technologicky pomocí takzvaných optimizerů, o co jde?
Používají se docela často. Jejich výhody převažují. S dočasným zastíněním si umí poradit a optimalizují chování celého systému. Jejich dalším bonusem je, že díky nim má majitel fotovoltaiky přehled, kolik vyrábí jednotlivé panely. Když je pak někde nějaká porucha, tak jste schopni závadu rychle zjistit. Optimizery mají i bezpečnostní funkci. Umožňují rozpojit pole na více místech, což se může hodit při zásahu hasičů. Jejich nevýhodou je zvýšení ceny celé instalace fotovoltaiky. Optimizer na jeden modul vyjde třeba na 1500 korun. Celá elektrárna na rodinném domě pak s nimi může stát o dvacet tisíc víc. U lehce přístupných střech bez zastínění smysl moc nemají.
- HN: Optimizery se umisťují přímo k fotovoltaickým panelům, jsou tedy na střeše?
Ano. Musí být hodně odolné, aby vydržely vnější podmínky. Většinou je to ale jen hliníková krabička, která se přidělá k rámu panelu zezadu.
- HN: Stále platí, že se na ČVUT, kde působíte na Fakultě elektrotechnické, věnujete energetickým komunitám?
Věnuji, ale samozřejmě nejen jim. Celkově se zabývám uplatněním fotovoltaiky a akumulace v energetice. Komunitní energetika s tím ale samozřejmě souvisí, protože při ní dochází ke sdílení elektřiny i jejímu uchovávání.
- HN: Věříte v budoucnost, která bude spoléhat jen na obnovitelné zdroje?
Záleží, co všechno do obnovitelných zdrojů započítáme, jestli tam například bude i jaderná energetika, nebo ne. Určitě budeme ještě dlouho závislí na zemním plynu, uhlí a ropě, a to třeba až do roku 2050. Ten konečný model by ale nakonec mohl vést k tomu, že budeme schopni energii z léta skladovat až do zimy, a to díky syntetickým palivům, která se budou z obnovitelných zdrojů vyrábět.
- HN: Jaké výhody má pro uživatele právě fotovoltaika?
Myslím si, že má své velké místo ve výrobě elektřiny. Její instalace je asi ta nejjednodušší ze všech možných výrob. Po technologické stránce jde o velice jednoduché zařízení – nic se v ní netočí a je to systém, který je schopný bez větší údržby a paliva vydržet fungovat přes dvacet let.
- HN: Jak ČVUT a vaše fakulta reagují na obrovský nárůst zájmu o fotovoltaiku? Navyšujete kapacity v souvisejících studijních oborech? Reagujete na ten velký hlad po odbornících, kteří jsou schopní fotovoltaiku instalovat a servisovat?
Už v roce 2010 jsme na zvýšení zájmu o fotovoltaiku reagovali. Tehdy vznikla i naše Laboratoř diagnostiky fotovoltaických systémů. Dnes je naše skupina schopná studentům nabídnout základní kurz fotovoltaiky a akumulace. K tomu se o konceptu fotovoltaiky a jejím vlivu na síť baví i kolegové v klasických energetických předmětech v rámci katedry energetiky.
- HN: Očekáváte, že v následujících letech dojde k nějakému výraznému zlepšování fotovoltaických panelů?
Zlepšovat se dá všechno, zároveň si ale nemyslím, že teď máme nějak moc důvodů panely zlepšovat. Nedávno například došlo ke zlepšení díky používání půlených článků, což je technologie, která umožňuje dělat moduly odolnější, protože jejich plocha není už tak velká. Nemyslím si ale, že by v následujících letech mělo přijít něco přelomového. Není k tomu moc důvod. Máme zavedenou výrobu. Technologie se měnila kolem roku 2010 a okolo roku 2020 pak znovu s těmi půlenými články. Dnes se montují moduly s výkonem 370 až 600 wattů. Nečekám, že by výrobci s něčím novým přišli dříve než za deset let. Novinky se jim budou hodit, až jim jejich výrobní zařízení technologicky zastarají a budou muset měnit výrobní linky.
- HN: A existuje ještě možnost zvyšovat účinnost fotovoltaických článků, nebo jsme na hraně fyzikálních možností?
Po fyzikální stránce už nemáme na zvyšování účinnosti moc prostoru. Dnes je účinnost kolem 22 až 24 procent. To už je pěkné číslo, protože to znamená, že v létě fotovoltaický panel z metru čtverečního vyrábí kolem 200 až 220 wattů elektřiny.
- HN: Co třeba uplatnění perovskitů, minerálů se speciálními krystalografickými strukturami?
Ještě letos na jaře se o nich psalo jako o zázračném materiálu, který přinese revoluci ve fotovoltaice. Takový potenciál určitě má, je ale u něj jeden problém. Nejsme schopni ho stabilizovat tak, aby nám vydržel dlouhou dobu. Moduly z krystalického křemíku, z něhož se vyrábí dnes, na slunci vydrží dvacet let, aniž by se s ním něco významného stalo. To se o perovskitu říci nedá. V zimě se fotovoltaika může dostat tak na deset procent toho, co udělá v létě za jasného dne. Optimizery si s dočasným zastíněním umí poradit a optimalizují chování celého systému. A majitel má přehled, kolik vyrábí jednotlivé panely. Nečekám, že by výrobci s něčím novým přišli dříve než za deset let. Bude se to hodit, až jim zařízení zastarají a budou muset měnit výrobní linky. Dnes je účinnost kolem 22 až 24 procent. Po fyzikální stránce už nemáme na další zvyšování účinnosti moc prostoru.
PAVEL HRZINA (47) působí na katedře elektrotechnologie na Fakultě elektrotechnické ČVUT. Tam je také manažerem kvality a metrologem akreditované Laboratoře diagnostiky fotovoltaických systémů (LDFS). V Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT (UCEEB) se orientuje na problematiku fotovoltaických systémů. Dále působí jako vedoucí pracovní skupiny pro malé zdroje a akumulaci v rámci Solární asociace. Jeho partnerkou je Ladislava Černá, vedoucí LDFS a rovněž odbornice na fotovoltaiku.