Integrácia fotovoltaických systémov do budov

Fotovoltaiku možno uplatniť aj v sídelných celkoch, kde spolu s ďalšími obnoviteľnými zdrojmi energie napĺňa koncept tzv. mikrosietí, čiže územne ohraničených energetických sústav s požadovanou mierou nezávislosti. Moderne navrhnutý fotovoltaický (FV) systém pre budovu slúži nielen na produkciu elektrickej energie, ale ako plnohodnotný stavebný prvok zastáva aj ďalšie tradičné stavebné funkcie. Vzťah fotovoltaika – budova sa tak odohráva na troch úrovniach:

• stavebné začlenenie a architektonický súlad fotovoltaiky s budovou,
• technologické začlenenie do energetických sústav budovy,
• energetická nadväznosť na krivku potreby elektrickej energie v budove.

V množstve FV inštalácií, najmä ak je vyrobená elektrina určená na predaj, hrá ďalšiu významnú rolu ekonomika projektu (náklady na výstavbu, úverovanie, poistenie, dotácie, výkupná cena, predpokladaný čas prevádzky, údržba a obnova, odstránenie a recyklácia).

Spôsoby začlenenia

Najčastejšie spôsoby začlenenia FV prvkov do budov sú znázornené na obr. 1.

Obr. 1 : Schematické znázornenie spôsobov integrácie FV systémov do budov: a – šikmá strecha, b – plochá strecha, c – fasáda, d – tenkovrstvové FV systémy na veľké strešné plochy, e – priemyselné aplikácie, f – semitransparentné FV systémy pre átriá a výplne otvorov, g – vonkajšie tieniace systémy

Na základe stavebného, architektonického a funkčného vzťahu fotovoltaika – budova existujú tri hlavné kategórie opisujúce spôsob inštalácie FV panelov:

• FV panely v otvorenej polohe – prevažne FV panely, ktoré nesú rámové konštrukcie na plochých strechách – nízka miera integrácie (obr. 2a),
• FV panely v tesnej blízkosti iných konštrukcií – FV panely ako súčasť fasádnych či strešných plášťov alebo fotovoltaické tieniace prvky a systémy – vysoká miera integrácie (obr. 2b),
• FV panely na rozhraní vonkajšieho a vnútorného prostredia – najmä semitransparentná fotovoltaika ako súčasť výplne otvorov – maximálna miera integrácie (obr. 2c).

Obr. 2: a – FV systém na plochej streche Fakulty stavebnej ČVUT v Prahe; b – FV panely ako náhrada strešnej krytiny pasívneho domu v Koberovech; c – semitransparentné FV systémy ako výplňový prvok ľahkého obvodového plášťa átria, Aachen, Nemecko

Plánovanie systému

Typický FV systém tvorí rad vzájomne prepojených prvkov. Jeho jadrom sú FV panely generujúce jednosmerný elektrický prúd. Sériovo-paralelne pospájané panely upevnené na podpornej konštrukcii tvoria FV pole. Prúd sa z panelov privádza do DC/AC striedačov, ktoré ho premieňajú na striedavý. Ten sa cez rozvádzač systému rozvádza do elektrickej siete budovy. Súčasťou systému môžu byť aj akumulátory.

Pri plánovaní FV systému treba uviesť do súladu zamýšľané riešenie s miestnymi špecifickými podmienkami. K základným vstupným informáciám na návrh systému patrí:

• znalosť miestnych podmienok – množstvo dostupného slnečného žiarenia, odstupová vzdialenosť a výška susedných budov a ďalších potenciálnych zdrojov tienenia, sila vetra a množstvo snehových zrážok (dimenzovanie podpornej konštrukcie a kotevných prvkov),
• zamýšľaná forma inštalácie FV panelov – umiestnenie na budove (sklon a orientácia), geometria inštalácie, voľba podpornej konštrukcie a spôsobu kotvenia,
• charakteristiky jednotlivých prvkov systému – počet a typ FV panelov, elektrické pospájanie, nominálne výkonové parametre FV panelov a striedačov, životnosť,
• spôsob využitia produkovanej energie – priama spotreba, skladovanie pomocou akumulátorov, predaj do elektrickej siete alebo kombinácia týchto spôsobov.

Najdôležitejším vstupným údajom na predpoveď produkcie elektrickej energie je množstvo dostupného slnečného žiarenia, ktoré pre vybrané sklony a orientácie znázorňuje obr. 3.

Optimálna poloha na umiestnenie FV panelov v podmienkach ČR – po započítaní optických strát a negatívneho vplyvu teploty – je pri sklone 36° s južnou orientáciou. Pri sklone 20 až 50° a orientácii JJV až JJZ je však celoročný pokles energetickej produkcie oproti optimu menší ako 5 %. Nominálna konverzná účinnosť v komerčne vyrábaných FV paneloch na báze kryštalického kremíka sa pohybuje v rozpätí 12 až 17 %. Pre realistický odhad ročnejprodukcie elektrickej energie však třeba nominálnu účinnosť korigovať o prevádzkové straty FV systému, spravidla súčiniteľom 0,8.

Konštrukčné riešenia na obvodových plášťoch

Voľba podpornej konštrukcie závisí predovšetkým od umiestnenia a spôsobu inštalácie FV panelov. Integrácia FV panelov do obvodových plášťov budov sa v súčasnosti najčastejšie realizuje pomocou tyčových prvkov, najmä hliníkových profilov, na ktoré sú FV panely prichytené prítlačnými prvkami (obr. 4). Toto riešenie je veľmi pôsobivé a zároveň umožňuje demontáž panelu v prípade jeho výmeny.

Podmienkou kvalitného riešenia je dôsledná optimalizácia tepelných mostov v prípade prieniku kotevných prvkov tepelnoizolačným súvrstvím – najmä pri inštaláciách na šikmých a plochých strechách – a tiež statický posudok zohľadňujúci kombinované zaťaženie snehom a vetrom (prípadne tiež sanie vetra a z neho plynúca voľba kotevných prostriedkov – nebezpečenstvo vytrhnutia kotvy). FV panely nemožno nikdy použiť ako vonkajšiu vrstvu jednoplášťových konštrukcií, pretože ich vysoký difúzny odpor by bol príčinou stavebnofyzikálnych problémov (kondenzácia na zadnej strane panelov) a zároveň by neumožnil plynulý odvod odpadového tepla z panelov.

Konštrukčné riešenia na šikmých strechách

Voľba podpornej konštrukcie a kotevných prvkov závisí predovšetkým od typu strešnej krytiny a od veľkosti FV poľa. Vzhľadom na to, že FV panely pri rastúcej teplote strácajú svoju konverznú účinnosť (asi 0,5 %/°C), treba vytvoriť medzi nimi a strešnou krytinou vzduchovú medzeru. Tým sa umožní chladenie panelov pôsobením prúdiaceho okolitého vzduchu. Výrobné portfólio kotevných prvkov a konštrukcií európskych výrobcov sa väčšinou prispôsobí samovoľnému vytvoreniu vzduchovej medzery. Montáž je potom jednoduchá a podľa typu strešnej krytiny stavebnicovo zmontovateľná. Špecifickým prípadom pri novobudovaných objektoch je úplná náhrada strešnej krytiny fotovoltaickými panelmi. Aj v tomto prípade je nevyhnutné dodržať niekoľko základných pravidiel. Strešné konštrukcie pod panelmi musia byť vybavené kvalitne položenou hydroizoláciou tak, aby nedochádzalo k prenikaniu vlhkosti do strešnej konštrukcie.

Ďalej treba vytvoriť náhradný spôsob odvetrávania na zachovanie maximálnej miery dosiahnuteľnej účinnosti za daných klimatických podmienok. V inštalácii na pasívnom dome v obci Koberovy (obr. 2b), kde sú na ploche 60 m² nainštalované FV moduly s celkovým výkonom 8,5 kW, je toto odvetranie riešené vzduchovou dutinou medzi FV panelmi a strechou (obr. 3). Do tejto dutiny sa vzduch nasáva otvorom pod presahom strechy a vyúsťuje pri hrebeni strechy, kde je z ochranných dôvodov umiestnená mriežka. Konštrukcia a povrch FV panelov dokonale odoláva poveternostným podmienkam – dažďu, snehu a krupobitiu (krúpy do priemeru 2,5 cm). Ak sú FV panely takouto integrálnou súčasťou strešnej konštrukcie budovy, možno ich navrhovať iba ako vonkajší plášť dvojplášťových konštrukcií s nalisovanou otvorenou vzduchovou medzerou (obr. 2b). Všetky ďalšie elektroinštalačné prvky systému, ako sú DC/AC striedače a rozvádzače (prípadne akumulátory), zaberajú minimum priestoru a môžu byť umiestnené v ľubovoľnom odvetranom priestore budovy.

Podmienkou uvedenia FV systému do prevádzky je, samozrejme, revízia celého systému a v prípade predaja elektriny tiež získanie príslušnej licencie na predaj, kde podmienky získania stanovuje miestny distribútor. Kvalitný návrh FV systémov pre budovy je komplexnou záležitosťou zahŕňajúcou elektrotechnologické, stavebnotechnické aj architektonické aspekty a je nutné vychádzať z miestnych špecifických podmienok lokality, vyhodnotiť riziká zatienenia a minimalizovať pokles účinnosti FV panelov vplyvom nadmerného nárastu prevádzkovej teploty. Súčasný fotovoltaický trh však ponúka širokú škálu výrobkov vhodných na rôznorodé riešenia. Odmenou za starostlivosť vo fáze návrhu a realizácie systému je potom dobre fungujúci a moderný zdroj elektrickej energie prinášajúci do budov nový, vizuálne pôsobivý prvok.

Ing. Zdeněk Macháček, Ing. Kamil Staněk
Foto a obrázky: autori

Zdeněk Macháček absolvoval v roku 2004 Fakultu elektrotechnickú ČVUT v Prahe, odbor technologické systémy. V súčasnosti pracuje ako vedecký pracovník na ČVUT – FEL v oblasti fotovoltaiky a zároveň je produktovým a obchodným manažérom v oblasti fotovoltaiky v spoločnosti Silektro Praha, s .r. o. Publikuje doma aj v zahraničí.

Kamil Staněk absolvoval v roku 2004 Fakultu stavebnú ČVUT v Prahe, odbor inžinierstvo životného prostredia, kde v súčasnosti pokračuje v doktorandskom štúdiu zameranom na nízkoenergetickú výstavbu a integráciu fotovoltaiky do budov. Zároveň spolupracuje s Fakultou elektrotechnickou ČVUT v Prahe, kde sa venuje meraniu výkonnostných charakteristík fotovoltaických článkov a panelov v reálnych prevádzkových podmienkach. Takisto sa zaoberá tepelnotechnickými a energetickými výpočtami a navrhovaním nízkoenergetických domov v spolupráci s architektonickými ateliérmi.