Kurikulum S 

Autor: Doc. Ing. Ladislav Rudolf, Ph.D.

Škola: Ostravská univerzita v Ostravě, Pedagogická fakulta, Mlýnská 5, Ostrava, 701 03

 

Aplikované průřezové téma:

Člověk a životní prostředí

 

Anotace

Příspěvek se zabývá problematikou solárních elektráren, jejich výstavbou, provozem a problémy s budoucí likvidací solárních panelů. Dále dopadem výstavby solárních elektráren na životní prostředí a aplikací na laboratorních modelech.

 

Cíle

Cílem výuky je seznámit žáky s problematikou solárních elektráren, jejich výstavbou, provozem a nastínit problémy s budoucí likvidací solárních panelů. Dalším cílem je seznámit žáky s možností výběru lokality s ohledem na sluneční osvit, dopad na životní prostředí a elektroenergetickou soustavu. Dále aplikacemi mini solárních článků na modelu.

 

Vyučovací předmět: užití elektrické energie, elektrické stroje a přístroje

Obor vzdělání a ročník: mechanik elektrotechnik (mechanik silnoproudých zařízení), 3. a  4.  ročník; elektrikář, elektrikář slaboproud, elektrikář silnoproud, 2. ročník

 

Rozvíjené klíčové kompetence

-                     kompetence k řešení problému

-                     kompetence k učení

-                     komunikativní kompetence

-                     odborné kompetence

 

Realizace

Učitel seznámí žáky s novými pojmy z oblasti fotovoltaiky. Tato oblast je v dnešní době velice aktuální. Solární elektrárny rostou „ jako houby po dešti“. Z hlediska vazby na přírodu a podpory dosud platné legislativy je získávání elektrické energie ze slunečního záření pro investory velice lukrativní pobídkou. Z hlediska skutečného vidění dané problematiky a počtu solárních elektráren není problémem navštívit a vizuálně si prohlédnout skutečnou solární elektrárnu. Učitel může pro tento případ zorganizovat exkurzi a popsat na místě jednotlivé komponenty fotovoltaiky. Zde žáci mohou vidět konkrétní začlenění solárních panelů v přírodě. Jedná se například o zastavěné plochy pozemků nebo střechy rodinných domů obložené solárními panely. Učitel a žáci si pořídí, po dohodě s majitelem solárních elektráren, digitálním fotoaparátem dokumentaci, kterou následně využijí pro potřeby diskuse a komunikace ve výuce. Na základě nabytých znalostí učitel zorganizuje laboratorní úlohy, kde pro obecnou přeměnu solární energie na elektrickou použije mini solární články, spotřebičem je žárovka nebo LED dioda a zdrojem záření a světla je stolní lampa. Žáci ve skupinkách zapojí do série přes ampérmetr solární mini článek a jako spotřebič použijí žárovku nebo LED diodu. Stolní lampou budou tento mini solární článek osvětlovat. Ampérmetr by měl začít ukazovat odběr a hodnotu proudu. Žárovka dle intenzity osvětlení by měla svítit. Pro porovnání se skutečnou fotovoltaickou elektrárnou by si měli žáci přiblížit princip přeměny solární energie na elektrickou a její využití, např. k osvětlení. V rámci průřezového tématu Člověk a životní prostředí by měla také u žáků vzniknout představa, z čeho se solární elektrárna skládá, jak je začleněna do životního prostředí, a jaký je zde princip přeměny energie. Důležitým faktorem je problém s vyvedením do energetické sítě a také zamyšlení, co bude, až solární elektrárna z důvodu své životnosti ukončí provoz. Hospodárné a příznivé zpracování a recyklace komponentů fotovoltaiky musí být prioritou pro vlády všech zemí Evropské unie. Proto je také ve vzdělávacích institucích nutné v rámci průřezových témat se problematikou provozu fotovoltaiky a její recyklací zabývat.

Žáci elektrotechnických oborů vzdělání se seznámí s pojmy: solární elektrárna, fotovoltaika, solární panel, fotovoltaický odpad, recyklace atd.

 

Pro výuku doporučuji využít následující text:

Fotovoltaika

je jednou z možností výroby elektřiny z obnovitelného zdroje, jedná se o solární energii ze slunečního záření. Pro výrobu elektřiny ze slunečního záření se používají fotovoltaické články, které světelnou energii přeměňují na elektrickou. První fotovoltaický článek byl vyvinut v roce 1883. Moderní solární články vznikly v roce 1954 při experimentech s křemíkem, který je důležitým prvkem současných fotovoltaických článků. Ve světě najdeme velké fotovoltaické elektrárny a také fotovoltaické panely instalované na rodinných domech. Vyrobená elektřina v solárních elektrárnách závisí na několika faktorech. K těm hlavním patří počet slunečních hodin a intenzita slunečního záření. V tuzemsku je průměrná intenzita slunečního záření 950–1340 [kW•m^-2] za rok a počet slunečních hodin je odhadován na 1300–1800 hodin ročně. Pro umístění fotovoltaických panelů je nejvhodnější jižní orientace a sklon mezi 30–35°. Kolik vyrobí fotovoltaická elektrárna elektřiny, závisí také na počtu fotovoltaických panelů. Výkon elektrárny se uvádí v jednotkách [kWp] (maximální výkon elektrárny). Obecně platí, že 1 [kWp] zabere 8–10 m2 plochy a dokáže vyrobit přibližně 1 [MWh] elektřiny ročně.

 

Účinnost fotovoltaiky

Využitelnost solární energie je v praxi omezena limity. Jedná se o účinnost fotovoltaických článků, která je přibližně 15 [%]. Solární energie má jen malou plošnou hustotu a zařízení pro její zachycení jsou proto poměrně velká. Nejvíce je solární energie dostupná v létě, zatímco v zimě je jí nedostatek.

 

Solární elektrárna

Tato elektrárna je velmi čistou formou výroby elektrické energie, která neprodukuje emise, nevytváří hluk, zápach, nevyzařuje záření do okolí a nespotřebovává energii.

Zde je přeměňováno sluneční záření na elektřinu. Solární elektrárna se skládá z jednotlivých fotovoltaických článků. Výkon fotovoltaických článků se udává v jednotkách [kWp], které značí maximální možný špičkový (peak) výkon solární elektrárny. Obecně platí, že 1 [kWp] zabere 8 až 10 [m²] plochy a vyrobí přibližně 1 [MWh] elektřiny ročně (při ideálních podmínkách). Kolik elektřiny dokáže solární elektrárna vyrobit, závisí na několika faktorech. Jedná se o počet slunečních hodin a intenzitu slunečního záření. Díky podpoře státu a současným legislativním podmínkám se solární elektrárna stala vysoce výhodnou investicí. Nabízí tak malým i velkým investorům výbornou příležitost zhodnotit své volné finanční prostředky, nebo naopak vlastníkům nemovitosti výhodně využít volnou plochu své střechy či pozemku.

 

Intenzita slunečního záření

Je důležitá veličina, která je v přímé vazbě kolik energie solární elektrárna vydělá. Pokud je jasná obloha, výkon slunečního záření je kolem 1 [kW•m-2]. Když se však obloha zatáhne, sluneční záření je až 10krát méně intenzivní. V tuzemsku je průměrná intenzita slunečního záření odhadována na 950 až 1340 [kW•m^-2] za rok. Podmínky pro využití sluneční energie na území České republiky jsou poměrně dobré, celková doba slunečního svitu se pohybuje od 1 400 do 1 700 hodin za rok dle lokality. Vhodnost lokality pro instalaci solární elektrárny vystihuje mapa globálního slunečního záření, vytvořená na základě dlouhodobých meteorologických měření. Dle měření a zkušeností lze elektrárnu s úspěchem realizovat i v lokalitách se střední hodnotou slunečního záření, je však třeba počítat s posunem návratnosti investice o 1 až 2 roky.

 

Cena energie vyrobená v solárních elektrárnách

V poslední době poklesly náklady na fotovoltaické panely až o 40 [%]. Ještě před několika lety bylo pořízení solární elektrárny velmi nákladné. Státy EU chtěly podpořit rozvoj fotovoltaiky a proto je výroba elektřiny ze slunce dotována prostřednictvím výkupních cen nebo zelených bonusů. Výkupní cena elektřiny z fotovoltaiky je u solárního zdroje do 30 [kWp] 12,25 Kč za kWh, což je téměř třikrát více než cena elektřiny, kterou platí za kilowatthodinu domácnosti. Od roku 2011 by však měly výkupní ceny ze solárních elektráren výrazně klesnout.

 

Fotovoltaické panely

představují moderní technologii, která přeměňuje sluneční záření na elektřinu. Mají životnost přibližně 25 let. V současné době jsou nejrozšířenější solární články vyrobené z krystalického křemíku ve formě monokrystalu (účinnost 14 až 17 %) nebo polykrystalu (účinnost 12 až 15%). První fotovoltaické panely byly na střechy domů umísťovány již na začátku 90. let minulého století a jejich životnost se pomalu blíží konci. V současné době se proto firmy zabývají otázkou životního cyklu a recyklace fotovoltaických panelů. Recyklace fotovoltaických panelů je jednou z možností, jak získat a znovu využít cenné suroviny, jak je například křemík. Výzkum v oblasti recyklace fotovoltaických panelů byl zahájen na mezinárodní úrovni v roce 1990.

 

Recyklace a likvidace fotovoltaických panelů

Moderní technologie fotovoltaických modulů s životností 25 let a více se bude muset někdy likvidovat. Otázka životního cyklu a konečná likvidace modulů a materiálů je nicméně dlouho významným úkolem pro průmysl. Při rychlému růstu v posledních letech, a prognózám dalšího růstu i přes hospodářský útlum, tato otázka nabrala aktuálního významu. V současné době se to týká asi 3 800 tun, celkové množství fotovoltaického odpadu v Evropě je stále relativně malé. Můžeme však počítat s tím, že toto číslo bude růst na dvojnásobek každé dva až čtyři roky, a předpokládá se, že v roce 2020 dosáhne 35 000 tun. Hlavní důraz se dnes při recyklaci solárních panelů klade na obnovu křemíku. V současném procesu recyklace se všechny moduly (kompletní nebo drcené) tepelně zpracovávají. Další různé materiály jsou od sebe odděleny, například podle hustoty a proséváním. Křemíkové buňkové materiály jsou pak leptáním a sérií podobných procesů zpracovány tak, aby se odstranily vrstvy metalizace, antireflexní vrstvy a tak dále. Při odstraňování vrstvy metalizace se stříbro, obvykle se nacházející ve starších modulech, rozpustí v kyselinách a potom se sráží, až je konečně separováno elektrolýzou. Modernější metalizace hliníkem má nižší obsah stříbra, ale výzkum naznačuje, že stříbro může být i tady ještě znovu ekonomicky využito. Po rozdrcení a leptání se silikonový materiál taví a tím se zpevní. Také hrany, vrcholy a dna ingotů se odříznou a recyklují se stejně. Solární silikonové produkty jsou řezané z krystalů, ingotů nebo cihel, využity jsou i poškozené díly, protože jsou stále důležitým surovinovým zdrojem.

 

Počet solárních elektráren v České republice

V České republice počet solárních elektráren překročil 10.000. Jejich výstavba pokračovala i v srpnu a vzniklo 545 nových fotovoltaických elektráren. K 1. září 2010 se celkový instalovaný výkon tuzemských elektráren na sluneční energii zvýšil na téměř 694 megawattů. Vyplývá to z informací, které na svých internetových stránkách zveřejnil Energetický regulační úřad (ERÚ). Celkem v ČR na začátku září stálo 10145 solárních elektráren. Většinu z nich tvoří malé zdroje na střechách budov. Velkých solárních parků umístěných na zemi je několik set, ale výraznou měrou se podílejí na celkovém instalovaném výkonu. Instalovaný výkon solárních elektráren v ČR od začátku roku vzrostl o polovinu na 693,64 [MW]. Na začátku loňského roku činil instalovaný výkon fotovoltaických zdrojů jen 65,74 [MW]. Toto je hodnota, která je z hlediska stálého dodávání výkonu do sítě pro elektroenergetickou soustavu nemalou zátěží. Vše je ovlivněno intenzitou slunečního záření a ročním obdobím. Nedodaný výkon z obnovitelných fotovoltaických zdrojů musí potom energetické společnosti nahrazovat z vlastních elektráren. To se samozřejmě pro konečného zákazníka projeví v ceně elektrické energie.

Vhodnost výběru lokality pro výstavbu solární elektrárny

Ke stavbě solární elektrárny se využívají především vhodné střešní plochy domů, výrobních hal nebo vhodně orientované volné plochy. Instalace na střeše je nejvýhodnější po stránce bezpečnosti elektrárny, kdy odpadají náklady na její ostrahu. Ideální je pak sedlová střecha orientovaná na jih, s možným odklonem na východ či západ cca 10 až 15 [%] a sklonem střechy 35 až 45 [%] - u této varianty lze počítat s výkonem 1 [kWp] na 7 až 9 [m²] střešní plochy. Lze využít i ploch s mírně odlišnou orientací, dochází pak ale ke snížení maximální účinnosti elektrárny a tedy prodloužení návratnosti investice. Na ploché střechy a na zem se fotovoltaické panely instalují na speciální nosnou konstrukci, umožňující ideální orientaci panelů. V tomto případě je třeba počítat s výkonem 1 [kWp] na 17 až 20 [m²] plochy, neboť řady panelů musí být od sebe dostatečně vzdáleny, aby nedocházelo k vzájemnému stínění ani v zimních měsících.

 

Typy solárních elektráren pro připojení k distribuční síti

Ostrovní systém - výroba energie pouze pro svoji spotřebu v místě, kde není elektrická síť. (typicky se využívá v chatách, karavanech apod. elektrická energie se akumuluje v bateriích.

Připojení na síť samostatnou přípojkou - elektrárna dodává proud přímo do sítě (většina elektráren postavených na volné ploše)

Připojení pro vlastní spotřebu energie a prodej přebytků do sítě - využití tzv. zelených bonusů na celkovou produkci elektrárny (v současné době nejvýhodnější varianta pro instalace na střechu)

 

Použité metody: výklad, skupinová a kooperativní výuka, projektová výuka

Nutné pomůcky a prostředky:

• mini solární panel 0.5 [W], 2.5 [V], mini solární panel 0.7 [W], 2 [V], solární článek 750 [mA] a 0.5 [V], solární článek 500 [mA] a 1.5 [V]
• multimetr, žárovky 0,1 [A], 3 [V], svítící diody LED, vodiče, zdroj světla (např. stolní lampa), digitální fotoaparát.

Reflexe PDP:

Na základě pokynů učitele žáci ve skupinách dobře spolupracují a prakticky se seznámí s problematikou přeměny solární energie na elektrickou. Díky mini solárním panelům se naučí v laboratorních podmínkách vytvořit model principu funkce solární elektrárny. Žáci jsou schopni se zapojit do diskuse o problematice fotovoltaiky (otázky začlenění skutečné solární elektrárny do krajiny, recyklace a likvidace solárních panelů) s využitím mnoha digitálních fotografií.

 

Hodnocení

V rámci hodnocení je kladen důraz na samostatnost, práci ve skupině a schopnost zapojení se do diskuse k dané problematice. Hodnoceny jsou znalosti, dovednosti a postoje potřebné k instalaci i budoucí recyklaci komponentů fotovoltaiky s šetrným dopadem na životní prostředí.

 

Použitá literatura a zdroje:

https://www.enertec.cz/teorie

https://www.usporim.cz/nejvetsi-solarni-elektrarny-v-cr-568.html

https://www.nazeleno.cz/energie/krize-fotovoltaiky/

https://www.solar-expert.cz/Solarni-mini-panely.html,kat,64