V době solárního boomu kolem roku 2010 byla jasná volba pro instalaci fotovoltaických panelů sklon 35° a orientace na jih. Dnes se však fotovoltaické technologie posunuly a rozšířily, což přináší nové možnosti instalace, jako jsou oboustranné panely, agrofotovoltaika nebo orientace východ-západ. Jaká kombinace je v současných podmínkách nejvýhodnější? To zjišťuje fotovoltaická laboratoř ČEZ u elektrárny Ledvice.
Klíčovým parametrem pro reálnou výrobu elektrické energie z fotovoltaické elektrárny (FVE) je samozřejmě výkon, ale jelikož je výroba přímo úměrná množství dopadajícího slunečního záření, je nutné počítat i s dalšími vlivy a zohlednit je při návrhu. Produkce elektrické energie z FVE je silně závislá na lokalitě, ve které se fotovoltaické panely nachází. Celkový roční úhrn sluneční energie i doba svitu se liší i v různých částech České republiky. S tím souvisí i množství elektrické energie v kWh, kterou je možné získat z jednoho kWp fotovoltaických panelů.
Fotovoltaická laboratoř ČEZ v Ledvicích
V testovací instalaci, „fotovoltaické laboratoři“, která stojí v areálu tepelné elektrárny Ledvice v podhůří Krušných hor od března 2021, se měří výroba nejčastěji dostupných typů panelů instalovaných v různých sklonech a orientacích. Testované panely zahrnují:
- Klasický monokrystalický panel: S půlenými (half-cut) monokrystalickými křemíkovými články.
- Klasický polykrystalický panel: S půlenými polykrystalickými křemíkovými články.
- Oboustranný panel (bifacial): S půlenými monokrystalickými křemíkovými články s poměrem účinnosti přední a zadní strany 100-70 %. Tento vylepšený monokrystal má při stejné velikosti větší plochu pro výrobu elektřiny, neboť ji vyrábí oběma svými stranami.
Všechny panely jsou zhruba stejně velké, mají klasickou rámovou konstrukci a moderní půlené články, které zvyšují výkon a omezují vliv stínění. Na první pohled vypadají téměř stejně, rozdíl je patrný při pohledu na zadní stranu. U klasických panelů je zadní strana kryta tedlarovou fólií, zatímco oboustranné panely jsou z obou stran skleněné.
Laboratoř zkoumá chování panelů na různých typech instalací, jejich orientaci a sklon.
Čtěte také: Vliv větru na stabilitu střechy
Typy instalací a jejich výsledky
1. Stanoviště „sklon“ (orientace na jih)
Tradiční typ instalace s panely otočenými na jih. Testuje se sklon panelů 35°, 25° a 15° vůči zemi. Tento typ instalace by měl vynikat největší roční výrobou z instalovaného výkonu.
- Vyšší sklon (35°): Přináší vyšší výrobu v zimě, čímž dohání hendikep krátkých dnů a horšího počasí. Strmější nastavení umožňuje lepší samočištění od sněhu i dalších nečistot.
- Nižší sklon (15° a 25°): Obětují část zimní výroby, ale polepší si v létě, kdy jsou celkově vhodnější podmínky pro výrobu elektřiny.
Na prvním místě v Ledvicích za uvedené období (od března do června) se umístil oboustranný panel pod sklonem 25° orientovaný na jih. Toto stanoviště má největší plochu pro výrobu elektřiny, protože se počítá přední i zadní strana panelů. Elektrárna stojí na betonu, což zajišťuje světlé podloží, vhodné pro výrobu elektřiny zadní stranou. Během sněhové nadílky bylo stanoviště s oboustrannými panely první, ze kterého sníh sjel, neboť zadní strana může vyrábět elektřinu i pod sněhem a tím se panel zahřeje. Druhé místo obsadily s velmi podobnou výrobou zbývající dva sklony 25° na jih, přičemž o něco lepších výsledků dosáhl překvapivě méně výkonný polykrystal. To je dáno umístěním instalace v podhůří Krušných hor, kde bývá častěji oblačno.
2. Stanoviště „stříšky“ (orientace východ-západ)
Novější a stále populárnější typ instalace, kde jsou panely umístěny ve stříšce v orientaci východ-západ. Tento typ umožňuje na danou plochu instalovat vyšší výkon, protože panely si navzájem téměř nestíní a lze je klást těsně vedle sebe. Očekává se rovnoměrnější výroba během dne s plošší polední špičkou. V Ledvicích jsou čtyři stanoviště se stříškami: třikrát monokrystal pod sklonem 5°, 10° a 15° a jednou polykrystal se sklonem 10°.
Stříšky mají obecně nižší výrobu než instalace typu sklon při stejném instalovaném výkonu. Navzdory orientaci východ-západ je profil jejich výroby téměř totožný s výrobou panelů orientovaných na jih, s nižším celkovým výkonem, ale se stejnou strmou polední špičkou. Zjištěny byly i menší rozdíly mezi polykrystalickými a monokrystalickými panely ve srovnání s jižní orientací, kde se výhoda polykrystalu ve využití rozptýleného světla tolik neprojevila. Na panelech s nejplošším sklonem 5° zůstává voda a nečistoty, což by mohlo z dlouhodobého hlediska panel poškodit, mimo jiné vlivem mrazu.
3. Agrofotovoltaika
Instalace určená na obdělávanou půdu, využívající oboustranné panely instalované pod sklonem 90° v orientaci východ-západ. Hlavní vlastností je schopnost rovnoměrného rozložení výroby během dne. V Ledvicích se nacházejí tři řady agrofotovoltaiky. Přední strana panelů je zhruba o pětinu výkonnější než zadní. Profil výroby agrofotovoltaiky je přesně opačný ke dvěma zbylým typům instalace a doplňuje je.
Čtěte také: jak zvolit směr pokládky
Agrofotovoltaika vyrobí nejméně elektřiny na instalovaný wattpeak ze všech stanovišť. Částečně na tom má podíl umístění testovací instalace, kde přímý osvit při východu slunce stíní železniční val a při západu budovy a Krušné hory. I lepší lokace by však nejspíše výsledky dramaticky nezměnila. Agrofotovoltaika se tak bude využívat hlavně díky své schopnosti vyrábět elektřinu v jiný čas než zbývající typy instalací. Druhou výhodou je víceúčelovost instalace, kdy lze pole s fotovoltaikou nadále zemědělsky využívat, případně panel plní funkci plotu nebo stěny.
Na následujícím diagramu je znázorněn vliv směru a sklonu panelů na roční energetický výnos fotovoltaiky:
| Orientace | Sklon panelů | Roční energetický výnos |
|---|---|---|
| Jihovýchod - Jihozápad | 20° - 45° | Nejvyšší (ideální) |
| Přesně východ nebo západ | Optimální | Ztráty okolo 15 % |
| Svislé umístění | 90° | Ztráty nad 35 % |
| Sever, severovýchod, severozápad | Jakýkoli | Nejméně vhodná |
Doporučení pro optimální instalaci
Návrh každé FVE vyžaduje individuální přístup a zohlednění řady vstupních parametrů. V ideálních podmínkách slunce nadělí nejvíce energie při sklonu 35° a orientaci na jih, ale takto výborných podmínek dosahuje jen minimum střech. Odchylky do 30° od jižního směru se projevují jen minimálním snížením účinnosti. Přípustná je i orientace na východ či na západ, což ale vyžaduje odpovídající zvětšení plochy solárních kolektorů. Úhel sklonu střechy, respektive samotných kolektorů, má být v rozmezí 20-60° (některé zdroje uvádějí rozpětí až 15-70°).
Faktory ovlivňující návrh a výkon
- Orientace střechy: Jižní orientace je ideální pro maximální roční výnos. Východní a západní orientace může být vhodnější pro pokrytí spotřeby ráno a večer. Severní orientace je nejméně vhodná.
- Sklon střechy: Na šikmých střechách se panely téměř vždy instalují paralelně se střechou z důvodu estetiky a náročnosti montáže. Pro volné prostranství se obvykle preferuje úhel 30°. Na ploché střechy se panely umísťují obvykle pod úhlem 15°, možná je i vodorovná instalace. Důležité je udržet sklon alespoň 15°, aby panely neztrácely samočisticí funkci. Na rovných střechách v našich podnebných podmínkách se nejvíce osvědčilo instalovat panely pod úhlem 27-33°.
- Zastínění: I malý stín od větve, zábradlí nebo komína může výrazně snížit výkon solárního panelu. Řešením mohou být mikroinvertory nebo výkonové optimizéry, které umožňují každému panelu pracovat nezávisle.
- Typ panelů: Oboustranné (bifacial) panely zvyšují výrobu elektřiny díky využití odraženého světla zezadu.
- Spotřební návyky: Pro domácnosti s vysokou ranní spotřebou je vhodná východní orientace, pro večerní spotřebu západní. Kombinace východ-západ zajišťuje rovnoměrnější výrobu během dne.
- Konstrukce střechy: Je nutné zohlednit zatížení střechy panely. U šikmých střech činí zatížení cca 20 kg/m², u rovných střech se zátěžovými bloky cca 35-40 kg/m². Nosnost krovu musí být přizpůsobena a případně ověřena statikem.
- Kvalita instalace: Špatně provedená montáž nebo nevhodné zapojení může výrazně snižovat výkon celé soustavy.
Kombinace orientací a sklonů
Ideální je mít v rámci elektrárny nainstalováno vícero orientací nebo sklonů. Pokud je k dispozici hodně místa, vyplatí se stavět sklon 25° na jih s oboustrannými panely doplněný o agrofotovoltaiku, která pomůže lépe rozložit výrobu v průběhu dne. Je-li pozemek menší, nebo se staví na ploché střeše, jsou dobrou variantou stříšky, které umožní instalovat na danou plochu největší výkon.
Pokud jsou na jedné budově dostupné plochy s různým sklonem nebo orientací, je možné panely umístit v různých kombinacích. Fotovoltaická elektrárna složená z panelů různých směrů a sklonů však musí splňovat jisté technické požadavky. Panely různě orientované nesmí být zapojené v jednom stringu (v jedné sérii), protože by se vzájemně negativně ovlivňovaly. Možným řešením je zapojení panelů na různě orientovaných střechách na více střídačů, kdy každý střídač obsluhuje jednu část střechy. Instalaci lze provést i na jeden multistring střídač, který musí mít minimálně dva oddělené vstupy, každý vybavený samostatným MPPT (Maximum Power Point Tracker). MPPT algoritmus nastavuje nejvýhodnější poměr mezi proudem a napětím z panelů. Dva samostatné stringy (MPPT) mají zpravidla třífázové střídače od výkonu 5 kWp. Některé velké průmyslové střídače mohou mít i 3 a více stringů. Pro různě orientované panely se také doporučuje použít výkonové optimizéry, které mají vlastní MPPT a starají se o výrobu jednoho nebo nejvýše dvou panelů.
Čtěte také: Proč je důležité monitorovat vítr na střeše
V zimě může nastávat problém u nevhodně zapojených elektráren, kdy střídače kvůli nízkému napětí na stringu odmítají nastartovat výrobu. Pokud jsou všechny solární panely orientovány na jih, budou energii vyrábět současně, což může způsobit nízkou nebo zápornou cenu vyrobené elektřiny. Proto se stále více vyplácí orientovat panely na východní nebo západní střechu, což pomáhá zvýšit vlastní spotřebu elektřiny, zejména v době odběrových špiček (ráno a odpoledne/večer), kdy je elektřina nejdražší.
Alternativní umístění panelů
Pokud střecha není vhodná pro instalaci fotovoltaiky, existují i alternativní řešení. Panely lze umístit na přidružené stavby na pozemku, jako jsou garáže, technické nebo zahradní domky, případně na fasádu. Pro instalaci kolektorů na plochou střechu jsou určeny konstrukce se zdvihem o optimálních 45°.
tags: #smer #strechy #fotovoltaika #optimální #orientace