6ELEKTRO 1/2012Možnosti využití sluneční energie v systémech regionální kolejové dopravyÚvodNa zemský povrch ročně dopadne 1,5× 1018 kW·h sluneční energie. To je 11 500krát více, než byla spotřeba energie celého lid-stva v roce 2009. Dopadající sluneční záře-ní je potenciálně obrovským zdrojem energie a zdokonalující se technické systémy vytvá-řejí předpoklady pro efektivní využití ale-spoň její malé části. Současná podoba využívání sluneční energie v ČR budí do znač-né míry rozpaky a zřejmě zkresluje celkový význam fotovoltaické problematiky. Při po-hledu do zahraničí je zřejmé, že fotovoltaic-ká energie je efektivní cestou ke krytí lokál-ních spotřeb, tzn. kde se energie vyrobí, tam se i spotřebuje, bez vlivu na energetickou síť. Tato koncepce umožňuje dvojí přístup: buď přímou spotřebu vyrobené energie, nebo její uchovávání ve vhodných zásobnících. V na-šich zeměpisných šířkách, kde není intenzita slunečního svitu během roku nijak mimořád-ná, se, až na některé specifické výjimky, jeví jako reálná varianta se zásobníky elektrické energie. To sice zvyšuje nároky na pořízení a údržbu systému a snižuje jeho účinnost, je to však jediná cesta k pokrytí výkyvů ve vý-robě fotovoltaické energie i v její spotřebě. V současné době je možné zaznamenat něko-lik systémů, kdy je fotovoltaická energie do-dávána do distribuční sítě nebo je spotřebo-vávána ve stacionárních zařízeních. Na Dopravní fakultě Jana Pernera Univer-zity Pardubice se odborníci zabývají studiem využitelnosti fotovoltaické energie pro po-hon železničních vozidel. Železniční vozidla mají oproti vozidlům silničním mnoho výhod z pohledu využití uvažovaného energetického systému. Disponují větší hmotností a rozmě-ry, ale zejména se pohybují po stabilních tra-sách, kde lze velmi dobře predikovat energe-tické toky a úměrně tomu dimenzovat energe-tickou technologii. Vzhledem k tomu, že pro dálkovou a vysokokapacitní železniční dopra-vu se jeví jako nejvýhodnější závislá elektric-ká trakce, lze očekávat uplatnění alternativ-ních energetických zdrojů, včetně fotovoltaic-kých, zřejmě v regionální železniční dopravě. Výchozí práce pro zkoumání možných podob těchto systémů byly na Dopravní fakultě Jana Pernera Univerzity Pardubice provedeny v mi-nulých letech ve spolupráci s firmou Siemens. V současnosti jsou na Univerzitě Pardubice vytvořeny dobré podmínky pro hlubší rozbor této problematiky díky projektu, který je pod-porován nadací Zelená energie ČEZ.Energie slunečního zářeníMnožství využitelné dopadající energie slunečního záření závisí na zeměpisné polo-ze, denní době, meteorologických podmín-kách, znečištění ovzduší a účinnosti fotovol-taických článků a souvisejících technických zařízení. Podmínky pro přímé využití sluneč-ního záření nejsou v ČR příliš příznivé, a pro-to je zpravidla nutné počítat s využitím vy-rovnávacích zásobníků. Na obr. 1 je znázorněna závislost průměr-né denní energie dopadající na 1 m2 v průbě-hu jednoho roku ve třech místech na země-kouli. Z obr. 1 je zřejmé, že ze sledovaných lokalit je v ČR situace nejméně příznivá. Celoroční průměr v ČR činí 2,88 kW·h/m2//den, přičemž od prosince do června kolísá tato hodnota v rozsahu od 0,52 do 5,62 kW·h/m2/den. Dopa-dající sluneční záření má dvě složky – záření přímé, které se uplatňuje jen při bezmrač-né obloze a mimo stín, a zá-ření difuzní, které se uplatňu-je i ve stínu. Energie difuzní-ho záření je výrazně menší než energie přímého záření, v po-ledních hodinách je energie přímého záření více než dese-tinásobná oproti energii záření difuzního.Množství sluneční energie, které dopadne za rok na 1 m2, není konstantní ani v rámci ČR. Nejvyšší hodnoty roční energie slunečního záření jsou na jižní Moravě a dosahují při-bližně 1 100 kW·h/m2 , směrem k severu a západu se hodnota roční energie slunečního záře-ní snižuje a nejmenších hod-not, přibližně 950 kW·h/m2, je dosahováno v severozápadních Čechách.Přeměna světelné energie na elektrickou se uskutečňuje v polovodičových fotovoltaic-kých článcích. Ve fotovoltaických článcích je využitelná především vi-ditelná a částečně infračervená část spek-tra slunečního záření s vlnovou délkou λ < 1 100 nm. Jeden fotovoltaický článek má zpravidla napětí v rozmezí 0,6 až 0,7 V; na obr. 2 jsou příklady voltampérových cha-rakteristik pro různé hodnoty dopadající-ho výkonu slunečního záření. V optimálním případě by měl článek pracovat s maximál-ním elektrickým výkonem pro daný dopa-Jaroslav Novák, Ladislav Mlynařík, Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, Katedra elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravěČlánek mapuje alternativy zdrojových systémů, založených na využití fotovoltaické ener-gie, pro napájení kolejových vozidel. V první části článku jsou obecně prezentovány mož-né koncepce systémů kolejové dopravy s fotovoltaickým napájením, lišící se charakterem provozu, dispozicemi fotovoltaických zdrojů a vhodností pro různé geografické oblasti. Ve druhé části jsou uvedeny postupy a závěry modelových energetických a trakčních výpo-čtů systému s fotovoltaickým napájením pro konkrétní regionální železniční trať v ČR. Vý-sledky výpočtů poskytují přehled o dimenzování hlavních trakčních a energetických kom-ponent a o základních ekonomických parametrech provozu.Česká republika 50° s. š. Qs (kW·h/m2/den)Obr. 1. Rozložení dopadající energie slunečního záření za rok98765432101 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 měsícIrák 34° s. š.Brazílie 15° s. š.0 1 2 3 4 5 6 7Obr. 2. Voltampérové charakteristiky fotovoltaického článku napětí (V) proud (A)0,90,80,70,60,50,40,30,20,10200 W/m2500 W/m21 000 W/m2