Fotovoltaická elektrárna Rožná

O projektu

Z geografického hlediska je fotovoltaická elektrárna umístěna v lokalitě obce Dolní Rožná, okres Žďár nad Sázavou, kraj Vysočina. S průměrným úhrnem ročního slunečního záření 1 270 kWh/m2 patří tato lokalita k vysoce nadprůměrným v České republice. Elektrárna je postavena na hrázi chemického odkaliště a její celková rozloha činí 12,7 ha (obr. 1, 12). Jedná se o pozemní elektrárnu o instalovaném výkonu 4 312 kWp, s připojením na elektrickou rozvodnou síť. Základem technologie je celkem 24 149 monokrystalických křemíkových modulů od firmy Risen Energy Co., Ltd. Moduly jsou namontovány na nosný systém z pozinkované oceli s horizontální orientací pod úhlem 30° (obr. 3).

Koncept projektu je navržen tak, aby využíval decentralizované střídače, které jsou umístěny na zadní straně nosné konstrukce. Celkem se jedná o 303 střídačů Power One. Elektrárna má sedm transformátorových stanic. Každá je vybavena jedním olejovým transformátorem (TS1–6 = 6 × 630 kVA, TS7 = 1000 kVA), 22/0,4 kV, výrobce Bez Slovakia). Elektřina vyrobená ve fotovoltaických modulech je skrze střídače a transformátory distribuována do elektrizační sítě firmy E.ON Distribuce, a.s. Projekt byl uveden do provozu koncem roku 2009.

Technické řešení

Stavba je rozdělena do pěti samostatných sekcí G1–G5. Sekce G1–G4 jsou osazeny na horní ploše hráze odkaliště K1 a sekce G5 je na jižním úpatí hráze odkaliště (obr. 2).

Nosná konstrukce fotovoltaických panelů je vyhotovena z vertikálních ocelových pozinkovaných stojanů, na kterých jsou nerezovými šrouby instalovány příčně, v horizontální rovině, hliníkové profily tvaru 2 C, v nichž jsou Z a Ω příchytkami upevněny fotovoltaické panely. Rovina panelů „stolů“ má náklon 30° vůči horizontu s azimutem 180° (orientace na jih). Panely o velikosti 1 580/808/350 mm (délka × šířka × tloušťka) jsou na konstrukci osazeny ve třech řadách nad sebou, s orientací delšího rozměru panelu na výšku. Jednotlivé vertikální stojany jsou v řadě, vzdálené od sebe 3 400 mm, a tvoří jeden modul s počtem panelů 4 × 3 = 12 (čtyři panely ve třech řadách nad sebou). Jednotlivé moduly jsou vzájemně společně osazeny vedle sebe v již konkrétních řadách fotovoltaických stolů. V řadě může být mechanicky pevně spojeno maximálně 24 modulů. Následující řada je napojena dilatačními podélníky, které jsou vsunuty do hliníkových 2 C podélných profilů. Jednotlivé řady jsou od sebe vzdáleny 10 500 mm (minimální úhel zastínění). Od konce října do poloviny února jsou panely částečně vzájemně zastíněny. Od poloviny března do konce září dochází k minimálnímu nebo žádnému vzájemnému zastínění.

Energetická výkonnost a moduly FVE

Simulace výkonu FV elektrárny je založena na modelech s využitím patnáctiminutového časového řádu údajů slunečního záření a teploty vzduchu na následujících dvanáct let. Simulační algoritmy zohledňují nelineární závislost výkonu panelů a střídačů fotovoltaické elektrárny od okamžitých hodnot slunečního záření a teploty. Další ztráty v sekcích stejnosměrného proudu (samozastínění, vliv znečištění povrchu panelů, sněhu a ledu, ztráty na střídavém elektrickém vedení AC, přenosové transformační ztráty na distribučním transformátoru VN/NN) jsou vypočteny a částečně odhadovány na základě dlouhodobých měření a technických údajů.

V lokalitě Rožná, Dolní Rožínka, je průměrný roční úhrn slunečního globálního záření dopadajícího na rovinu panelů 1 270 kWh/m2, přičemž neurčitost tohoto odhadu je ± 4,1 %. Teoretická průměrná výroba elektřiny fotovoltaické elektrárny je 3 995 kWh ročně (928,97 kWh/kWp, účinnost 82,2 %), přičemž neurčitost odhadu výroby je ± 5,6 %. Pracujeme se scénářem průměrné očekávané výroby elektrické energie během dvaceti let provozu elektrárny, předpokládajícím lineární snižování konverzní účinnosti FV panelů o 0,8 % ročně.

U energetického výnosu fotovoltaické elektrárny je třeba brát v úvahu tři zdroje neurčitosti:
■ neurčitost odhadu specifické výroby elektřiny, která je odhadnuta na ± 5,6 %;
■ nominální výkonová tolerance panelů udávaná výrobcem 0 + 3,0 %;
■ meziroční variabilita výkonu FV elektrárny způsobená cyklickými a stochastickými změnami slunečního záření a teploty.

Výroba elektřiny v libovolném roce se může lišit s 90% pravděpodobností o ± 7,2 % oproti dlouhodobému průměru. Pro období dvaceti let tato neurčitost klesá na přibližně ± 1,9 %.

Elektrická a mechanická charakteristika fotovoltaických panelů:
■ vysoká účinnost konverze založená na inovativních fotovoltaických technologiích;
■ vysoká spolehlivost se zárukou + 3 % odchylky výkonu;
■ odolnost vůči vysokým tlakům způsobeným větrem, zatížení sněhem a extrémním změnám teploty;
■ anodizovaný hliníkový rám s předvrtanými otvory pro rychlou instalaci;
■ splňuje nejpřísnější bezpečnostní požadavky na vysoké provozní napětí;
■ integrované spolehlivé bypass diody pro zabránění přehřátí (hot spot efekt) a na minimalizaci ztrát ve výkonu vlivem slunečního zastínění a zastínění sněhem a ledem;
■ vyrobeno v závodě certifikovaném pro ISO 9001:2000;
■ garance 100 % nominálního výkonu na deset let, 90 % nominálního výkonu na dvanáct let a 80 % nominálního výkonu na 25 let.

Kotevní systém nosné konstrukce

Fotovoltaická elektrárna Rožná je osazena v terénu, který je uměle vytvořen jako násyp z vytěžené důlní hlušiny různé frakce (32 a více mm) a kameniva. Taková skladba terénu není vhodná pro použití standardního závrtného systému zemními ocelovými vruty. Z toho důvodu byla vybrána kotevní technologie Rockbolt, která je vysoce odolná vůči povětrnostním vlivům, degradačnímu působení podloží a vysokému mechanickému namáhání (obr. 4).

K upevnění nosné konstrukce fotovoltaické elektrárny byly použity sklolaminátové kotvy Rockbolt, typ K 60-27, s únosností v tahu 400 kN (únosnost korunkové matice délky 100 mm v tahu do 200 kN). Vrtná korunka kotvy má průměr 50 mm, laminátová kotva 27 mm. Působením zavrtání kotvy do terénu, do nezámrzné hloubky 1000 mm pod úroveň terénu, vznikne meziprostor v průřezu mezikruží po celé délce vrtu (fi 50 – 27 = 23 mm), který se vyplní epoxidovou pryskyřicí. Na kotvu vyčnívající nad terénem je osazen distanční betonový prvek a roznášecí betonový terč 400 × 400 × 100 mm, který přenáší tlak od nosné konstrukce do podkladového terénu.

Střídače

Střídače a rozvodné skříně jsou osazeny na vertikálních pozinkovaných stojanech nosné konstrukce na horizontálních pomocných nosnících (obr. 5). Jednosměrné elektrické rozvody DC jsou vyhotoveny ze solárních vodičů FLEX SOL 4,6 mm, uchycených upevňovacími plastovými pásky k nosné konstrukci fotovoltaických panelů.

Použité střídače Power One PVI-12,5 OUTD mají šest rovnocenných stejnosměrných DC stringových vstupů. Do každého střídače je napojeno pět stringů (několik sériově zapojených solárních článků solárního modulu) po šestnácti fotovoltaických panelech. Koncové střídače v sekci, respektive střídače v koncových řadách mají napojeny čtyři stringy po šestnácti fotovoltaických panelech. Střídavé elektrické rozvody AC, vývody z jednotlivých střídačů jsou vyústěny do rozvodných sdružovacích skříní R (dvouvývodové, třívývodové nebo čtyřvývodové jisticí skříně). Elektrické AC rozvody ze střídačů do sdružovacích jisticích skříní jsou vyhotoveny z kabelů CYKY-J 5 × 6 mm a jsou upevněny na nosné konstrukci upevňovacími plastovými pásky. Silové vývody AC z jednotlivých jisticích skříní R do NN rozvaděče trafostanice (TS1–TS7) jsou uloženy v kabelových výkopech 500 mm pod úrovní terénu. Jednotlivé transformátorové stanice jsou na straně VN (22 kV) propojeny smyčkou z TS1 do TS2, TS3, TS4, TS5, TS6, TS7 do TS1.

Distribuční transformátory

Ve fotovoltaickém systému je instalováno sedm transformačních stanic, z nichž každá je vybavena olejovým transformátorem. V každé prefabrikované betonové transfostanici je umístěn rozvaděč nízkého napětí, spínací zařízení a ochrana. Použití nízkoztrátových transformátorů respektuje konstrukční kritéria, která se běžně používají v projektech FVE připojených k síti, aby se minimalizovaly ztráty při transformaci (obr. 6, 7).

Připojení do elektrizační sítě

Vyvedení sdruženého elektrického výkonu z transformátorové stanice T1, T2, T3, T4, T5, T6 a T7 je realizováno kabelovou vysokonapěťovou zemní přípojkou, v soustavě 3 PE, AC, 50 Hz, 22 kV, IT z prvního pole vysokonapěťového rozváděče trafostanice TS1 na úsekový odpojovač vzdušného vedení 22 kV č. VN 870. Vzdušné vedení 22 kV č. VN 870 pokračuje zemní kabelovou přípojkou do vysokonapěťové rozvodny DIAMO, státní podnik, odštěpný závod GEAM v Dolní Rožínce, přes samostatnou vysokonapěťovou odpojovací buňku do samostatného olejového výkonového transformátoru T101 110 ± 8 × 2 % / 22 / 6,3 kV, 40 MVA.

Z TS1 přes podružné interní měření vyrobené elektrické energie na straně VN je výkon vyveden zemní kabelovou přípojkou a přes vzdušné vedení VN 22 kV č. 870 do elektrické rozvodny VN DIAMO přes výkonový transformátor 110/22 kV do distribuční sítě E.ON. Fakturační měření vyrobené a dodané elektrické energie do distribuční sítě E.ON je na straně 110 kV.

Měsíční výroba (2011–2019)

Jak je patrné z grafu na obr. 9, průběhy měsíční výroby v jednotlivých letech jsou vyrovnané a s menšími odchylkami se jednotlivé měsíce kopírují. Jednotlivé průběhy poukazují na osvitově silnější či slabší měsíce v průběhu posledních deseti let života elektrárny, případně provozní poruchy, které měly vliv na produkci elektrické energie.

Graf průměr a odchylka

Z grafu na obr. 10 jasně plyne, že nejlepším měsícem je květen, což odpovídá i zkušenostem s provozem fotovoltaických elektráren. Květen bývá měsícem s vysokým osvitem (ovšem nižším než v letních měsících) a stále ještě nízkou průměrnou venkovní teplotou. Vzhledem k tomu, že výroba fotovoltaických elektráren závisí nejen na osvitu (čím vyšší, tím lepší), ale i na teplotě (čím nižší, tím lepší), bývají nejlepšími měsíci právě květen či duben. Dále je patrný extrémní výkyv v červenci z roku 2012, kdy byla elektrárna dlouhodobě bez připojení k vnější síti vlivem poruchy výkonového transformátoru. Celkově však roční průběh výroby zcela odpovídá provozním zvyklostem a zapadá do plánu energetického auditu.

Graf porovnání skutečnosti a auditu

Elektrárna je součástí fondu od roku 2015. Od tohoto roku vždy plnila plán energetického auditu. V posledních dvou letech dokonce o 14 %, respektive 12 % (obr. 11). Důvodem je technické zdraví zařízení v kombinaci s řádnou péčí o ně a vyspělým monitoringem. Včasné zásahy při poruchách zařízení a jejich předcházení je základem pro stabilitu výroby elektrické energie.

Klimatické podmínky pro využití sluneční energie

Pro hodnocení sluneční soustavy existují s ohledem na klimatické podmínky důležité údaje o globálním slunečním záření (pro vyhodnocení energetických zisků) a také o průměrné venkovní teplotě (pro vyhodnocení tepelných ztrát modulů). V případě podrobnějšího vyhodnocení jsou k dispozici údaje o rozptýleném záření a rychlosti větru.
■ Globální záření (skládá se z přímých a rozptýlených složek) představuje součet dopadajícího záření v definovaném časovém období. Nejobyčejnější je definice globálního záření na vodorovném povrchu, reprezentovaného jako dlouhodobý průměr ve stanoveném časovém období. Tento parametr je možné přepočítat na libovolně orientovanou rovinu a má přímý vztah k výrobě energie ve FV systémech.
■ Teplota vzduchu (vyjádřená jako denní nebo měsíční průměrná hodnota) má přímý vztah k tepelným ztrátám FV systémů s ohledem na teplotní závislost FV modulů. Další parametry, které lze použít pro podrobnou specifikaci výpočtu a simulace výroby energie, jsou:
– rozptýlené záření (nebo poměr rozptýleného/globálního záření), jež zvyšuje FV systémy proces modelování zejména v podmínkách částečného zatížení, kde specifikuje odhad spektrálních ztrát;
– rychlost větru umožňující zohlednění a podrobnější simulaci chladicího účinku FV panelů (tímto efektem se kompenzují tepelné ztráty modulů).

Z hlediska slunečního záření jsou podmínky pro oblast České republiky průměrné. Podle podnebí ČR se pohybuje v průměru záření na vodorovném povrchu mezi 3 800–3 900 MJ/m², z toho podíl přímé složky činí přibližně 1 700–1 800 MJ/m². Roční doba slunečního svitu je cca 1 600–1 700 h/rok. Tento fakt dokládá i osvitová mapa České republiky (obr. 8).

Základní ekonomické zhodnocení

Souhrn investičních nákladů převzatý z dostupných údajů byl 84 361 Kč/kWp. Obvykle činila střední cena FV zařízení podobné velikosti mezi 70 ÷ 90 000 Kč/kWp v roce 2010. Celkové investiční náklady včetně modulů, vývoje projektu, EPC a dalších činily 363 760 664 Kč.

Shrnutí projektu

Pokud jde o obnovitelný zdroj energie, výroba elektřiny s využitím fotovoltaického zdroje má vícero výhod. Jednou z nich je snížení závislosti na fosilních palivech (především uhlí, ropa a zemní plyn). Výroba elektřiny za použití solárních panelů přispívá ke snížení skleníkových plynů. Navíc se jedná o bezodpadovou technologii se zanedbatelným, respektive žádným vlivem na životní prostředí. V současnosti již existují technologie, které umožňují kompletní recyklaci solárních panelů.