Solární fotovoltaické systémy pro ploché střechy
Hledání obnovitelných environmentálních zdrojů energie a podpora jejich využívání je v současné době jedním z předních politických témat jak orgánů EU tak i státních orgánů České republiky. Dochází k postupné harmonizaci českých zákonů s právem EU, v daném případě se Směrnicí Evropského parlamentu a Rady 2001/77/ES o podpoře elektrické energie z obnovitelných zdrojů a spolu s tím se rozvíjí i příslušná státní dotační politika.
Jedním z obnovitelných zdrojů energie je rovněž sluneční energie, pro jejíž praktické využití se dnes používá několik rozdílných technologií. Vedle solárních kolektorů, které přeměňují absorbovanou sluneční energii přímo na teplo prostřednictvím kapaliny s vysokou tepelnou kapacitou (voda, olej) se dnes v praxi stále více rozšiřují technologicky vysoce pokročilé solární fotovoltaické (PV-) články, které umožňují přímou přeměnu absorbovaného slunečního světla na elektrický proud prostřednictvím polovodičů.
Solární fotovoltaická zařízení
V praxi se dnes používají převážně fotovoltaická zařízení na bázi:
a) krystalického křemíku („mono-c-Si-“ a „poly-c-Si-„);
b) amorfního křemíku („a-Si-„);
Oba typy těchto fotovoltaických zařízení se instalují na volných nestíněných plochách, ideálně se pak k tomuto účelu samozřejmě nabízejí ploché střechy. Ploché střechy nejenže poskytují optimální stanoviště pro instalaci solárního zařízení, ale zároveň zabezpečují tato citlivá technologická zařízení proti nežádoucímu přístupu nepovolaných osob.
Krystalické fotovoltaické systémy
Fotovoltaická zařízení na bázi krystalického křemíku (PV-c-Si-systémy) tvoří rozměrné deskové moduly na pevných podpěrných konstrukcích. Základem těchto zařízení jsou články s vrstvou krystalického křemíku krytou skleněnou deskou. Podpěrné konstrukce krystalických systémů jsou na střešní ploše stabilizovány buďto masivními betonovými podstavci nebo vanami naplněnými obvykle kamenivem, nebo jsou kotveny stojkami (podpěrami) přímo do nosné konstrukce střechy. Jejich osazení na ploché střeše proto přináší několik nepříjemných problémů:
- způsobují významné přitížení nosné střešní konstrukce, přičemž se nejedná jen o vlastní hmotnost zařízení a hmotnost případného potřebného úložného podstavce, nýbrž i o působení tlaku větru na solární panely, které jsou z tohoto hlediska na střešní ploše ve velmi exponované poloze;
- v případě nosné střešní konstrukce s ocelovými trapézovými plechy na vaznících a průvlacích je nutno pečlivě koordinovat rozmístění podpěr (stojek) nosné konstrukce solárního zařízení s předem danou polohou nosných prvků střešní konstrukce;
- podpěry solárního zařízení a jejich kabelové vývody vytvářejí mnohočetné prostupy povlakovou hydroizolací, přičemž tyto prostupy jsou obvykle potenciálními zdroji netěsností ve střešní hydroizolaci a následného zatékání do střešního souvrství;
- rozměrné panely osazené na střešní ploše působí z hlediska estetiky jako rušivý a nevzhledný prvek.
Předností krystalických systémů je jejich relativně vysoká jmenovitá účinnost v Wp („Watt-peak-power“) na úrovni 12-14% při přímém intenzívním ozáření. Jmenovitý výkon se zjišťuje v normových laboratorních podmínkách (STC) při ozařování 1000 W/m2 jednou složkou spektra slunečního záření při teplotě 25°C.
Obr.2 Porovnání účinnosti jednotlivých typů fotovoltaických systémů v závislosti na intenzitě ozáření
Problémem c-Si-systémů je však jednak relativně velký pokles účinnosti při klesající intenzitě ozáření a jednak skutečnost, že poměrně rychle ztrácejí svoji účinnost při zahřátí (až 0,5% s každým stupněm zahřátí), přičemž v reálných venkovních podmínkách je běžná teplota článků v letních měsících na úrovni 40-60 °C.
Amorfní křemíkové fotovoltaické systémy
Buňky a-Si-systémů, které jsou rovněž zde základní produkční jednotkou, jsou na rozdíl od c-Si-technologie pružné, ohebné a podstatně lehčí. Je proto možno je již ve výrobě přímo integrovat na horní povrch běžných polymerních hydroizolačních fólií na bázi etylen-vinyl-acetátu (EVA) a amorfní fotovoltaické systémy tak nepotřebují žádnou vlastní nosnou nebo podpěrnou konstrukci jako krystalické systémy.
Nová technologie, tzv. Triple-Junction, v konstrukci PV-a-Si-článků typu UNI-SOLAR umožňuje oproti PV-c-Si-systémům využití širšího oboru spektra slunečního záření. Jádro článků o rozměru 240 x 340 mm tvoří tři buňky amorfního křemíku vakuově nanesené ve třech vrstvách nad sebou na podkladní vrstvu z ušlechtilé oceli. Každá z buněk absorbuje jinou vlnovou délku spektra slunečního záření. PV-a-Si-systémy tak mohou oproti PV-c-Si-systémům využívat vedle červené i modrou a zelenožlutou oblast spektra a zůstávají funkční i při difúzním světle a zatažené obloze. Z dlouhodobého měření vychází pro klimatickou oblast střední Evropy s danou průměrnou oblačností celková vyšší výsledná účinnost amorfních systémů o 15-35% vyšší než u krystalických systémů. Konkrétní srovnávací měření provedené technickou univerzitou v Koblenzi 23. března 2001 ve 14,40 hodin v reálných podmínkách při difúzním světle, zatažené obloze a dešti poskytlo následující hodnoty uvedené v tabulce 1.
Tab.1 Porovnání účinnosti a-Si-systémů a c-Si-systémů při difúzním světle
Spodní „-“ pól článků tvoří základní fólie z ušlechtilé oceli, na kterou jsou vrstvy křemíku nanášeny, horní „+“ pól je vytvořen z průhledné mřížky z vláken z ušlechtilé oceli. Celý článek je zataven v průsvitném polymerním ochranném pouzdře, které je vysoce odolné proti mechanickému poškození a otěru, má samočisticí schopnost a zabraňuje tvorbě usazenin na horním povrchu buňky, které by jinak snižovaly účinnost celého zařízení. Polymery pouzdra obsahují EVA (etylen-vinyl-acetát) a fluoro-polymer na bázi teflonu TEFZEL. PV-a-Si-moduly mají na svůj výkon 20-tiletou garanci, přičemž po 10 letech podávají tyto moduly min. 90% jmenovitého výkonu a po 20 letech stále ještě min. 80% jmenovitého výkonu.
Obr.4 Průřez PV-a-Si-článkem UNI-SOLAR typu Triple-Junction
Schopnost využívat široké spektrum záření má ještě jeden příznivý důsledek, buňky PV-a-Si-systému nejsou svým výkonem tak závislé na přesném nasměrování na směr toku slunečního záření jako fotovoltaické krystalické systémy a zůstávají proto účinné i na plochách odvrácených od slunce. Amorfní křemíkové systémy jsou kromě toho oproti krystalickým systémům svým výkonem prakticky nezávislé na teplotě.
Články se spojují sériově do modulů tak, že ani poškození nebo vyřazení jednoho nebo více článků nepřeruší funkci modulu jako celku. Jeden modul sestává z 22 nebo 11 článků v závislosti na délce role nosné fólie, která je standardně 6,0 nebo 3,36 m. Šířka rolí fólie je 1,55 a 1,05 m a v závislosti na nich jsou pak na roli osazeny dva nebo tří moduly v řadě vedle sebe. Každý modul má samostatný kabelový výstup na spodní straně fólie, který je pak sveden skryt pod fólií ke společnému sběrnému zařízení v interiéru.
Jmenovitý výkon standardního modulu sestávajícího z 22 článků je 136 Wp a je stanoven za výše uvedených STC-podmínek. Pro výpočet prakticky dosahovaného a využitelného výkonu fotovoltaického zařízení v reálných provozních podmínkách na ploché střeše se používá koeficient účinnosti, který vyjadřuje poměr „kWh/kWp“. Tento poměr umožňuje vypočítat z celkového instalovaného jmenovitého výkonu udaného v [kWp] statisticky očekávatelný, „pravděpodobný“ skutečný roční výkon daného zařízení v [kWh]. K tomuto účelu je zpracována globální mapa těchto koeficientů ve formě programového výstupu, která tyto koeficienty stanovuje vždy pro danou konkrétní lokalitu s ohledem na intenzitu slunečního záření v příslušné zeměpisné šířce a zárověň nadmořské výšce a na statistické průměrné roční klimatické hodnoty (dobu přímého slunečního svitu, počet oblačných dnů s difúzním světlem atd.) této lokality.
Základem pro kalkulaci pořizovacích nákladů fotovoltaického zařízení je jeho instalovaný jmenovitý výkon udaný v Wp. V této souvislosti je důležité zdůraznit, že pro naše středoevropské klimatické podmínky (oproti např. subtropickým zeměpisným šířkám) je charakteristický statisticky vysoký počet oblačných a zatažených dnů v roce, kdy solární zařízení může využívat pouze difúzní světlo a pro které mají ze všech běžně používaných PV-Si-zařízení nejvyšší poměr kWh/kWp fotovoltaické systémy na bázi amorfního křemíku. Pro oblast Evropy činí například roční podíl difúzního světla z celkové hodnoty slunečního světla v Madridu kolem 35 % a v Německu však již dokonce až 60 %.
Montáž amorfního fotovoltaického (PV-a-Si-)systému na ploché střeše
Jak bylo výše uvedeno, moduly fotovoltaického systému UNI-SOLAR jsou integrovány na horní povrch hydroizolačních fólií typu EVA. Jedná se o termoplastické hydroizolační fólie pro ploché střechy na bázi etylen-vinyl-acetátu, známé a běžně používané i na českém trhu, viz např. nová budova Českého statistického úřadu v Praze, IPB Pojišťovna v Pardubicích, Aquacentrum Mariánské Lázně atd.
Pásy fólie s integrovanými fotovoltaickými články se k podkladu mechanicky kotví na okraji a pásy se vzájemně svařují horkých vzduchem pomocí horkovzdušných agregátů stejně jako běžné pásy hydroizolačních fólií.
PV-moduly jsou na pásech fólie rozmístěny tak, že nejsou ohroženy poškozením při pokládání a svařování pásů. Tento způsob instalace celého PV-systému umožňuje, aby si investor sám určil, na které a na jak velké části jeho ploché střechy mají být položeny pásy hydroizolačního systému s fotovoltaickými články a na které části budou izolovány pouze běžnými hydroizolačními pásy.
Kabelové vývody modulů jsou umístěny na spodní straně hydroizolačních pásů, takže celý navazující sběrný systém je trvale kryt a chráněn proti povětrnosti pod střešní krytinou. Hydroizolační pásy s integrovanými PV-moduly jsou zpravidla pokládány na tepelně izolační desky z minerální plsti, v nichž jsou vytvořeny kanálky pro vedení napojovacích kabelů k PV-modulům.
Jednotlivé kabelové vývody modulů se propojují ve sběrném zařízení do série. Generovaný stejnosměrný proud je možno použít buďto k přímé spotřebě v daném místě nebo jej prostřednictvím vřazeného střídače transformovat na střídavý proud a dotovat jím veřejnou síť nízkého napětí 230V , 50 kH.
Systémovou součástí dodávky fotovoltaického systému jsou vedle výše popsaných fotovoltaických článků všechny další příslušné prvky (kabely a kabelové průchodky, spínací skříňky, DC/AC měniče, měřicí a kontrolní prvky atd.) potřebné k úplné instalaci celého systému a jeho uvedení do chodu včetně napojení na rozvodnou síť. 
Obr.8 Schema propojení prvků PV-a-Si-systému
Střešní plocha, na niž má být instalován fotovoltaický systém by měla mít sklon min. 3 aby byl bezpečně zajištěn odvod srážkové vody a zabráněno tvorbě kaluží.
Instalování fotovoltaického systému na ploché střeše nevyžaduje její žádnou dodatečnou ochranu proti
účinkům blesku. Statistická měření neprokázala žádné zvýšení četnosti úderů blesků na plochách s tímto systémem. Vodiče bleskosvodů by měly být vedeny ve vzdálenosti min. 0,5 m od modulů fotovoltaického systému.
Konkrétní příklad instalace
Lokalita: Praha, plochá pultová střecha 8 x 10 m se sklonem 10% na jih
Hydroizolační vrstva: EVALON V
Zadání: navrhnout maximální využití této plochy k instalaci fotovoltaického systému dle DIN EN 61646 s buňkami na bázi amorfního křemíku (a-Si-buňkami) pro využití ve formě dotování veřejné rozvodné sítě NN.
Návrh:
Na dané střešní ploše je možno v rámci navrženého hydroizolačního systému EVALON položit 6 pásů EVALON-Solar typu 408. Šířka pásů je 1,55 m a délka 6 m. Na každém z těchto pásů jsou integrovány 3 PV-a-Si-moduly s jmenovitým výkonem 136 Wp, napětí v MPP 3 x 33 V DC, proud 4,12 A. Výsledný celkový instalovaný výkon jednoho pásu EVALON-Solar 408 je 408 Wp a celkový instalovaný jmenovitý výkon zařízení bude 2,45 kWp.
Dvojitě izolované solární kabelové vývody 2 x 4,0 mm2 budou vždy od tří pásů EVALON – Solar spojeny do jednoho pramene, který bude sveden samostatným kabelovým prostupem do interiéru. Zde budou kabelové prameny propojeny do série ve spínací skříňce (celkem 4 svorky pro napojení pramenů, 2 svorky pro vývod ke střídači, max. 550 V/16 A). Pro napojení celého fotovoltaického zařízení na veřejnou rozvodnou síť bude na výstupu celého PV-systému instalován síťový sinusový DC/AC měnič s galvanickým jištěním typu Fronius IG 20, jmenovitý výkon 1800 W AC, 150..400 V DC-230 V AC.
Pro oblast Prahy je statistický koeficient účinnosti 884 kWh/kWp.
Výkon zařízení: při instalovaném jmenovitém výkonu 2,45 Wp bude celkový skutečný roční výkon aného fotovoltaického zařízení 2167 kWh.
Závěrem…
Investičně náročné budování solárních fotovoltaických zařízení je v současné době stále více podporováno zákonnými ustanoveními a dotováno ze státních prostředků jednak
- ve formě investiční podpory vycházející ze znění zákona č. 406/200 Sb. o hospodaření s energií v rámci Státního programu na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie každoročně schvalovaného vládou z prostředků SFŽP ČR (Státního fondu životního prostředí ČR) a MPO;
- povinným přednostním výkupem elektrické energie vyrobené z obnovitelných zdrojů provozovateli distribučních soustav na základě ustanovení zákona č. 458/2000 Sb. (energetického zákona) a souvisejícího zákona č. 529/2003 o podpoře obnovitelných zdrojů.
Shrneme-li nakonec přednosti amorfních fotovoltaických systémů:
- pokládka hydroizolace ploché střechy a montáž fotovoltaického systému probíhají současně a odpadají obvyklé dohady mezi izolatéry a montéry následně instalovaných zařízení na ploché střeše, kdo může za rovněž obvyklé netěsnosti a průrazy hydroizolace po jejím položení;
- hydroizolační systém a sluneční články jsou k podkladu kotveny jednou operací;
- integrovaný amorfní fotovoltaický systém má oproti deskovým krystalickým systémům příznivý estetický účinek;
- je prakticky nezničitelný a nezlomitelný;
- je extrémně lehký, jeho průměrná hmotnost je ca. 4 kg/m2 a umožňuje osazení i na velmi subtilních střešních konstrukcích;
- moduly systému jsou ohebné a lze je instalovat i na zakřivené plochy;
- ve středoevropských podmínkách s vysokým podílem difúzního světla poskytují amorfní fotovoltaické systémy srovnatelně až o 20% vyšší výkon než systémy krystalické.
Fotovoltaické články na bázi amorfního křemíku se tak stávají novým systémovým prvkem a pojmem v oboru hydroizolačních systémů plochých střech, který se postupně v praxi rozšiřuje tak, jak se zintenzívňuje společenský tlak na úspory energií a hledání jejich nových ekologických zdrojů a jak se i současně rozvíjí s tím související státní dotační politika.