Integrované hydroizolační fotovoltaické systémy pro ploché střechy

Západní Evropa zažívá již několik let prudký nárůst investic do obnovitelných zdrojů elektrické energie. Tento investiční boom byl a je vyvolán především zesílenou dotační politikou zdejších vlád vycházející ze závazných směrnic Evropské unie (viz Směrnice Evropského parlamentu č. 2001/77/ES), které požadují po jejich členech dosažení stanovených procentuálních podílů obnovitelných druhů energií na celkové výrobě energie. Obdobný vývoj je možno již nyní zaznamenat i na českém trhu, rovněž v přímé návaznosti na přijatý zákon č. 180/2005 Sb. O podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie.

Fotovoltaická zařízení, jejichž základem jsou fotovoltaické články, slouží k přímé přeměně slunečního záření na elektrický proud. Ten může být využíván buďto přímo, zpravidla v kombinaci s vhodnými akumulátory, nebo může být bezprostředně předáván do veřejné rozvodné sítě (napojení on grid) přes vhodné DC/AC-měniče. Především tento druhý způsob využívání fotovoltaické elektřiny je cílem zmíněných směrnic, zákonů a státních dotací a tím i středem nyní narůstajícího zájmu investorů.

Dosavadní zásadní nevýhodou fotovoltaických systémů, bránící jejich širokému praktickému nasazení byla vysoká cena jimi vyrobené elektřiny daná jednak pořizovacími náklady na instalaci fotovoltaického zařízení a jednak neefektivním způsobem využití dopadajícího slunečního záření, které je ve středoevropských podmínkách charakteristické velkým počtem dnů s velkou oblačností a tím i velkým podílem difúzního nepřímého světla dopadajícího na fotovoltaické články. Fotovoltaická zařízení tak doposud nemohla konkurovat elektřině dodávané z tradičních zdrojů a zůstávala v poloze pouze demonstračních a výzkumných zařízení bez praktického významu pro investory v oboru výroby elektrické energie. Změna přístupu státních orgánů k této oblasti spolu s rychlým vývojem technologií a tím i účinnosti fotovoltaických zařízení však nyní vytvořily situaci, která již umožňuje jejich skutečně praktické a především pro investory ekonomicky výhodné využití. Jednoznačným důkazem a pobídkou i pro české investory je v posledních dvou letech prudký nárůst investic do fotovoltaických zařízení typu on-grid jak v Německu tak i v dalších západoevroských zemích.

Všechny fotovoltaické články produkují elektrický proud na principu uvolnění vazebních elektronů v polovodičové vrstvě při dopadu fotonu o vhodné energii. Technologicky je možno dnes vyráběné fotovoltaické články rozdělit do dvou skupin:

a) krystalické články (PV-mc-Si-články, PV-pc-Si-články), kdy jsou jádrem těchto článků desky nařezané z bloku krystalického monomerního nebo polymerního křemíku, takže tyto články tvoří pevné rovné masivní desky,

b) amorfní články (PV-a-Si-články), kdy jsou na podkladní kovovou fólii nanášeny plynnou adsorbcí vrstvy amorfního křemíku, a proto jsou tyto články ohebné, lehké a tenké.

Všechna, pro investory ekonomicky významná fotovoltaická zařízení založená na kterémkoli z výše uvedených typů fotovoltaických článků potřebují ke své instalaci a provozu poměrně velké nestíněné plochy, pokud možno také chráněné před přístupem nepovolaných osob. K tomu se nabízí jednak fasády budov, a především pak ploché střechy, které představují po všech stránkách ideální stanoviště pro instalaci PV-zařízení.

Jak bylo výše uvedeno, krystalické systémy jsou tvořeny pevnými masivními deskovými moduly na ocelových podpěrných konstrukcích. Při montáži na ploché střeše jsou podpěrné konstrukce těchto systémů stabilizovány zpravidla buďto betonovými podstavci nebo vanami naplněnými 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 článků je jejich normová účinnost při STC²⁾ na úrovni 14 %, jejich zásadním problémem je ale velký pokles této účinnosti jednak při nižší intenzitě ozáření a rovněž při jejich zahřátí, kdy ztrácejí až 0,4-0,5 % výkonu na každý 1 °C zvyšující se teploty.

Všechny tyto nedostatky vedly koncem 90. let k vývoji v oblasti nových konstrukcí amorfních fotovoltaických článků, které jsou na rozdíl od PV-c-Si-článků pružné, ohebné a podstatně tenčí a lehčí. Jejich účinnost v STC se sice pohybuje na úrovni 8 %, nejsou však při tom závislé na teplotě jako krystalické články.

Nová technologie amorfních článků, tzv. Triple-Junction, v konstrukci PV-a-Si-článků umožňuje oproti PV-c-Si-systémům navíc využití podstatně širšího oboru spektra slunečního záření. Jádro článků o rozměru 240 x 340 mm tvoří tři buňky amorfního křemíku nanesené ve třech vrstvách nad sebou na podkladní vrstvu z ušlechtilé oceli tvořící spodní „-" pól článků, 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.

Každá z nanesených vrstev amorfního křemíku absorbuje jinou vlnovou délku spektra slunečního záření. Vícevrstvé PV-a-Si-systémy tak mohou oproti jednovrstvým PV-c-Si-systémům využívat vedle červené i modrou a zelenožlutou oblast spektra a zůstávají proto prakticky funkční i při difúzním světle a zatažené obloze. Pro oblast Evropy činí například roční podíl difúzního světla z celkové hodnoty dopadajícího slunečního světla v Madridu kolem 35 % a v Německu již 60 %. Z dlouhodobého měření proto vychází pro klimatickou oblast střední Evropy s danou průměrnou oblačností celková vyšší výsledná účinnost a-Si-systémů o 15-35 % vyšší než u c-Si-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.

Schopnost využívat široké spektrum záření má ještě jeden příznivý důsledek, PV-a-Si-články nejsou svým výkonem tak závislé na přesném nasměrování na směr toku slunečního záření jako fotovoltaické krystalické články.

Ohebnost PV-a-Si-článků a současně podíl etylen-vinyl-acetátu (EVA) v materiálu jejich ochranného pouzdra umožňuje i integrování těchto článků na povrch materiálově kompatibilních hydroizolačních fólií typu EVALON V. Vznikl tak zcela nový pojem v oboru povlakových hydroizolací EVALON-Solar, tzv. integrovaný hydroizolační fotovoltaický systém.

Vlastní hydroizolační fólie EVALON má tloušťku 1,8 mm a je na spodní straně kašírována vrstvou polyesterového rouna tloušťky 1,0 mm, které tvoří vnější výztuž této homogenní fólie a umožňuje tak její standardní mechanické kotvení vůči sání větru dle požadavků ČSN 73 035 Zatížení stavebních konstrukcí.

Články integrované na fólii EVALON V jsou vzájemně spojeny 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 EVALON, 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 Wp³⁾.

Integrovaný hydroizolační fotovoltaický systém EVALON-Solar je principiálně určen pro napojení on-grid. Jeho součástí jsou proto vedle základních pásů fólie EVALON s integrovanými PV-a-Si-moduly dále všechny potřebné napojovací kabely, průchodky, svodné a spínací skříňky, DC/AC-měniče a další potřebná měřicí a kontrolní zařízení.

Základem pro kalkulaci investiční efektivnosti fotovoltaického systému je jeho instalovaný jmenovitý výkon v Wp resp. kWp a k tomu poměr kWh/kWp umožňující kalkulaci výnosu z provozu daného zařízení. V této souvislosti je důležité zdůraznit, že pro středoevropské klimatické podmínky (oproti např. subtropickým zeměpisným šířkám) je charakteristický statisticky vysoký počet oblačných a zatažených dnů v roce a tím vysoký podíl difúzního světla na celkovém osvitu pro které má ze všech běžně používaných fotovoltaických zařízení nejvyšší poměr kWh/kWp fotovoltaický systém na bázi amorfního křemíku.

Konkrétní příklad:

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 střídač DC/AC s galvanickým jištěním typu Fronius IG 20, jmenovitý výkon 1800 W AC, 150..400 V DC-230 V AC.

Pro oblast Prahy je očekávatelný roční koeficient účinnosti ca. 884 kWh/kWp.

Výkon zařízení: při instalovaném jmenovitém výkonu 2,45 Wp bude celkový skutečný roční zisk elektrické energie daného fotovoltaického zařízení 2167 kWh.

PV-a-Si-moduly mají na svůj výkon 20-tiletou garanci s tím, že po 10 letech podávají tyto moduly minimálně 90 % jmenovitého výkonu a po 20 letech minimálně 80 % jmenovitého výkonu.

Jak bylo výše uvedeno, moduly amorfního fotovoltaického systému jsou zpravidla integrovány na hydroizolační fólie systému EVALON. Jedná se o termoplastickou hydroizolační fólii pro ploché střechy na bázi etylen-vinyl-acetátu (EVA), známou a běžně používanou 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 horkým vzduchem pomocí horkovzdušných agregátů stejně jako běžné pásy hydroizolačních fólií. PV-moduly jsou na pásech fólie rozmístěny tak, že nejsou ohroženy poškozením při pokládádní 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.

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.

Při celkové kalkulaci efektivnosti investice do integrovaného hydroizolačního a fotovoltaického systému je třeba rovněž uvážit, že je v jeho pořizovací ceně již zahrnuta i hydroizolace dané ploché střechy, přičemž systém EVALON V patří mezi klasické špičkové povlakové hydroizolace s prověřenou životností přes 30 let.

Shrneme-li nakonec přednosti integrovaných hydroizolačních 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 cca 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.

Integrované hydroizolační a fotovoltaické systémy se staly novým pojmem v oboru hydroizolačních systémů plochých střech, který se již nyní dostává do popředí zájmu investorů a bude nabývat na zásadním významu v návaznosti na zintenzívňující se společenský tlak na úspory energií a hledání jejich nových obnovitelných zdrojů a s jeho stoupající podporou ze strany státních orgánů a s tím související státní dotační politikou.

---

¹⁾ Ing. Libor Vykydal, jednatel společnosti FDT (CZ), s.r.o.
²⁾ STC (Standard Test Conditions) jsou normové laboratorní podmínky: intenzita záření 1000 W/m², spektrum záření AM 1,5 Global odpovídající slunečnímu světlu, teplota 25 °C a 65% relativní vlhkost.
³⁾ Wp („Watt-peak”) je jednotkou nominálního výkonu fotovoltaického zařízení stanovovaného za normových laboratorních podmínek (STC)