fotonaponski sustavi

Ovaj projekt fnancira Europska unija Ova publikacija izrađena je uz po moć Europske unije. Za sadržaj ove publikacije odgovorna je Srednja škola Oroslavje i ne odražava s tavove Europske unije.

Ljubomir Majdandžić

FOTONAPONSKI SUSTAVI

Priručnik

IPA Komponenta IV – Razvoj ljudskih potencijala Program Europske unije za Hrvatsku Instrument pretpristupne pomoći – Obnovljivi izvori energije

Project nanced by the European Union IMPLEMENTATION IMPLEMENTA TION OF NEW CURRICULA: Increasing knowledge and information on Renewables Projekt je nanciran sredstvima Europske unije IMPLEMENTACIJA IMPLEMENTA CIJA NOVIH KURIKULUMA: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije Provedbeno tijelo: Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO Nositelj projekta: Srednja škola Oroslavje Partneri na projektu: Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu Grad Oroslavje Stručni suradnici: Darko Cobović, dipl. ing. Goran Nuskern, dipl. ing.

Autor: Doc. dr. sc. Ljubomir Majdandžić, dipl. ing. HSUSE – Hrvatska stručna udruga za sunčevu energiju Izdavač: Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu Srednja škola Oroslavje Tehnički urednik: Mario Lesar, graf. ing. Dizajn i promocija: Culmena d.o.o. Web adresa: www.ipa-oie.com

IPA Komponenta IV – Razvoj ljudskih potencijala Program Europske unije za Hrvatsku Instrument pretpristupne pomoći – Obnovljivi izvori energije

Project nanced by the European Union IMPLEMENTATION IMPLEMENTA TION OF NEW CURRICULA: Increasing knowledge and information on Renewables Projekt je nanciran sredstvima Europske unije IMPLEMENTACIJA IMPLEMENTA CIJA NOVIH KURIKULUMA: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije Provedbeno tijelo: Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO Nositelj projekta: Srednja škola Oroslavje Partneri na projektu: Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu Grad Oroslavje Stručni suradnici: Darko Cobović, dipl. ing. Goran Nuskern, dipl. ing.

Autor: Doc. dr. sc. Ljubomir Majdandžić, dipl. ing. HSUSE – Hrvatska stručna udruga za sunčevu energiju Izdavač: Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu Srednja škola Oroslavje Tehnički urednik: Mario Lesar, graf. ing. Dizajn i promocija: Culmena d.o.o. Web adresa: www.ipa-oie.com

Sadržaj 1. UVOD

............................ .............................. ............................... ....

2. FIZIKALNE OSNOVE

2.1.

Kristali i podjela

6

................................................... ......................

6

................................................... .........................

2.1.1. Čisti poluvodiči

7

................................................... ....................

2.1.2. Poluvodiči s primjesama 2.2.

Poluvodička dioda (PN spoj)

2.3.

Solarne ćelije

8

................................................... ..........

9

................................................... ...........

................................................... ..........................

2.3.1. Početak razvoja solarnih ćelija 2.3.2. Fotonaponski efekt

................................................... ..

................................................... ..............

2.3.3. Izravna pretvorba sunčeva zračenja u električnu energiju 2.4.

Izrada solarnih ćelija

Samostalni fotonaponski sustavi

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . .

................................................... ......

3.1.1. Hibridni fotonaponski sustavi 3.2.

........................

................................................... ..................

3. SOLARNI FOTONAPONSKI SUSTAVI

3.1.

................................................... ...

Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije

................................................... ........

10 10 11 11 13 17 17 18 19

3.2.1. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mreže preko kućne instalacije snage do 30 kW

21

3.2.2. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage od 30 kW do 100 kW

21

3.2.3. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage veće od 100 kW

22

...................................

......................

............................

3.3.

1

Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu

..........

22

3.3.1. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu snage do 10 MW

23

3.3.2. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu snage od 10 MW do 30 MW

23

3.3.3. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu snage veće od 30 MW

24

................................................... .........

................................................

................................................... ...

3.4.

Ugradnja fotonaponskih modula od tankog filma

3.5.

Fotonaponski moduli na pročelju građevina

3.6.

Stakleni krovovi građevina s fotonaponskim modulima

3.7.

Nadstrešnice za vozila od fotonaponskih modula

.......................................

............................................

................................

.......................................

24 25 26 28

3.8.

Fotonaponski moduli ugrađeni na autocestama

3.9.

Fotonaponski moduli na zaštićenim spomenicima kulture

..........................................

..............................

3.10. Fotonaponski sustavi sustavi u Republici Hrvatskoj Hrvatskoj priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije

........................................

3.11. Potrebna površina za proizvodnju električne energije iz fotonaponskih sustava 3.12. Sigurnosna zaštita fotonaponskih sustava 3.12.1. Gromobranska instalacija 3.12.2. Izjednačenje potencijala 3.12.3. Odvodnici prenapona

.......

28 29 30 32

................................................

32

................................................... ........

33

................................................... ..........

34

................................................... ............

3.12.4. Uzemljivači i sustavi uzemljenja 3.13. Fotonaponski sustavi sustavi u Europi i svijetu

35

...................................................

35

..................................................

4. PRORAČUN FOTONAPONSKOG SUSTAVA S EKONOMSKOM ANALIZOM

4.1.

Programi za simulaciju, dimenzioniranje i oblikovanje oblikovanje fotonaponskih sustava

4.2.

Ekonomska analiza i povrat investicije u fotonaponski sustav

DODATAK

28

. . . .

........

..........................

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .

Karte ozračenosti vodoravne plohe ukupnim sun čevim zračenjem u Republici Hrvatskoj

38 38 40 43

1

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik]

1. Uvod Sunce je glavni izvor elektromagnetskog zračenja koje prolazi atmosferom i neiscrpan je obnovljivi izvor energije. Ono daje energiju koja održava život, pokre će atmosferu i različitim sustavima gibanja oblikuje vrijeme i klimu. Danas se smatra da je Sunce nastalo od nakupine međuzvjezdanog plina koja se počela sažimati zbog gravitacijskog privlačenja. To je prouzročilo rast temperature te se prvotni izvor energi je naziva gravitacijsko sažimanje. Zbog zagrijavanja je plin po čeo zračiti i nastalo je "prasnu će". Potvrdu takve hipoteze možemo na ći u zvijezdama koje tek nastaju u oblacima međuzvjezdanog plina (tzv. protozvijezde). Kako se "prasnuće" sažimalo, u jezgri je rasla gustoća i temperatura, pa su u određenoj fazi sažimanja nastali uvjeti za po četak termonuklearne fuzije vodika u helij. Tako je stvoren nov izvor energije, Sunce. Plin koji se u nuklearnim reakcijama po čeo još više zagrijavati, dostigao je dovoljan pritisak da izbalansira gravitacijsko privlačenje i tako zaustavi daljnje sažimanje. Tim procesom nastalo je Sunce. Procjene starosti Sunca pokazuju da se to zbilo prije oko 5 milijardi godina, a ostaje mu još toliko dok ne potroši sav raspoloživi vodik za fuziju, što je oko 10 % ukupne količine vodika na Suncu. O tome kako su još uvijek burne reakcije na Suncu najbolje govori podatak da svake sekunde sa sunčeve površine u obliku solarnog vjetra odlazi 3 000 tona. Ako bi na taj način sa Sunca otišla cjelokupna tvar, bilo bi potrebno 200 000 milijardi godina. Tako dobivena ogromna količina energije, termonuklearnim reakcijama u unutrašnjosti Sunca, ne samo da je stvorila nužne uvjete za nastanak i razvoj životnog ciklusa na Zemlji, nego nam je podarila i zalihe energije kojima se svakodnevno koristimo kao što su ugljen, nafta i prirodni plin. Uzmemo li u obzir da Sunce samo u jednoj sekundi oslobodi više energije nego što je naša civilizacija tijekom svojeg razvoja iskoristila, važnost istraživanja energije Sunca i pretvorbe energije sunčeva zračenja u korisne oblike energije poprima sasvim novu dimenziju s velikom mogućnošću rješavanja problema energetske krize, koja je u svijetu sve prisutnija. Na slici 1.1. prikazano je godišnje sunčevo zračenje na površini Zemlje u usporedbi s godišnjom potrošnjom energije u svijetu, te zalihama fosilnih (ugljen, nafta, plin) i nuklearnih goriva (uran).

zalihe ugljena zalihe nafte

godišnje sunčevo zračenje

zalihe urana zalihe plina godišnja potrošnja energije u svijetu godišnje Sunčevo zračenje

sunčevo zračenje na površini zemlje u usporedbi sa zalihama fosilnih i nuklearnih goriva te godišnjom potrošnjom energije u svijetu ( Izvor: Izvor: Njema č ka ka udruga za sunč evu evu energiju – Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V ) Slika 1.1. Godišnje

2

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Snaga sunčevog zračenja iznosi oko 3,8⋅1023 kW, odnosno 3,3⋅1027 kWh/god od čega samo mali dio stigne na zemlju pod prostornim kutom od 32', odnosno 0,53°. Do vrha Zemljine atmosfere dolazi samo pola milijarditog dijela emitirane energije, tj. oko 1,75 ⋅1014 kW ili 1,53⋅1018 kWh/god Ta snaga prelazi više od 100 000 puta snagu svih elektrana na zemlji kad rade punim kapacitetom. Ogromna je količina energije od sunčeva zračenja. Manje od jednog sunčanog sata dovoljno je da pokrije cjelokupnu potrebu za energijom gotovo 6,5 milijardi ljudi koji žive na ovom planetu. (Prikazano malom plavom kockicom na slici 1.1.) .,

.

Slika 1.1. zorno pokazuje prirodni potencijal energije sun čeva zračenja. To je velika žuta kocka, koja je 50 puta veća od zbroja svih zaliha fosilnih i nuklearnih goriva. Trenuta čno je tehnički potencijal energije sunčeva zračenja još uvijek veći od svjetske potrošnje energije, koja je prikazana malom plavom kockicom. Unatoč tome da se oko 30 % energije sun čeva zračenja reflektira natrag u svemir, još uvijek Zemlja od Sunca godišnje dobiva oko 1,07·10 18 kWh energije, što je nekoliko tisu ća puta više nego što iznosi ukupna godišnja potrošnja energije iz svih primarnih izvora. Energija koju su apsorbirale atmosfera ili površina Zemlje, pretvara se u toplinsku energiju. Oko 23 % potroši se za isparavanje i nastajanje oborina u atmosferi, a ostatak, oko 47 %, primi Zemlja u obliku ogromne koli čine energije. Zagrijavanje prouzrokuje isparavanje vodenih površina, stvara vjetrove i morske struje i, što je najvažnije, omogućuje život. Zanimljivo je da se tek tisućitim dijelom energije, koja dolazi do tla, koriste biljke u procesu fotosinteze za nastajanje biomase, a čovječanstvo se uglavnom koristi energijom koju su biljke skupljale milijunima godina i to kroz eksploataciju nafte, ugljena ili prirodnog plina. Neznatan dio energije sunčeva zračenja uzrokuje nastajanje valova i vodenih strujanja u morima i oceanima te stvaranje vjetra i zračnih strujanja u atmosferi, a također i zanemariv dio služi u fotosintezi za proizvodnju biomase. Udio sunčeve energije na kopnenoj površini iznosi samo jednu petinu, a ostatak sunčeve energije apsorbiraju mora i oceani. Zbog toga kažemo da su svi izvori energije, osobito obnovljivi, samo razli čite pretvorbe i oblici energije sunčeva zračenja. (Slika 1.2.)

Slika 1.2.

Različite pretvorbe i oblici energije sun čeva zra čenja

Činjenica je da su konvencionalni izvori energije (ugljen, nafta, plin, nuklearna goriva) ograničeni i iscrpljivi, a energetski sektor većim je dijelom uzrok emisije SO2, NOx, te osobito stakleničkog plina ugljikova dioksida CO2, koji najvećim dijelom doprinosi globalnom zatopljenju i klimatskim promjenama. Stoga je prijeko potrebno osigurati sklad suvremenog načina čovjekova života i stupnja tehnološkog napretka, tehnocivilizacije 21. stolje ća, s prirodom i održivim razvo jem, za dobrobit sadašnjih i budu ćih naraštaja.


Upravo zbog gore navedenih spoznaja energija se mora dobivati iz novih izvora energije, kao što su sunčeva energija, energija vjetra, energija malih vodotoka, geotermalna energija, energija biomase i otpada, energija plime i oseke, energija morskih struja i morskih valova, vodika i sl., što je važno za gospodarski i energetski sustav svake zemlje. Prijeko je potrebno da ti novi izvori energije budu u skladu sa zaštitom okoliša i održivim razvojem bez emisije štetnih tvari. Kako sa stajališta održivog razvoja u energetici moraju biti usklađeni ekonomski i ekološki ciljevi društva, ovom se knjigom želi ukazati na to kako se upravo korištenjem sun čevom energije može dobiti dovoljna količina prijeko potrebne energije. Tako će se ostvariti gospodarski rast bez narušavanja ekološkog sustava, kao prirodne zajednice svih živih bi ća ovog planeta, a prije svih čovjeka. To ćemo i praktično pokazati. Sunčeva energija bi, kao izrazito prihvatljiv obnovljivi izvor energije, u bliskoj budućnosti mogla postati glavni nositelj ekološki održivoga energetskog razvoja. Zbog toga se intezivno istražuju novi postupci i procesi pretvorbe sunčeve energije u električnu, toplinsku ili energiju hlađenja, što će biti objašnjeno u sljede ćim poglavljima ove knjige. Konačno, uzmemo li u obzir visoku cijenu klasične energije, a i cijena barela nafte u čestalo raste, stoljetno crpljenje tradicionalnih fosilnih izvora energije, te sve strože ekološke zakone i propise, možemo zaključiti kako će korištenje sunčeve energije, uz zaštitu okoliša, postati posao budućnosti. Tehnički potencijal energije sunčeva zračenja koji padne na neku gra đevinu (zgradu), slika 1.3., nekoliko je puta veći od potreba takve zgrade za energijom. Na tržištu ve ć postoje tehnički uređaji i oprema kvalitetne tehničke razine, s prihvatljivom cijenom, za pretvorbu energije sun čeva zračenja u električnu, toplinsku ili u energiju hlađenja. Time je postignuta udobnost boravka u takvoj zgradi, smanjen je uvoz energenata, osigurana je sigurna opskrba i znatno je smanjen negativan utjecaj na okoliš iz energetskog sektora.

Slika 1.3.

Ogroman potencijal energije sun čeva zra čenja pada na svaku gra đevinu

Različite su procjene o korištenju sunčeve energije u Hrvatskoj. Neke su pesimistične, druge suviše optimistične, ali zajedničko im je da će se povećati njihov udio u budu ćoj energetskoj potrošnji. Također je sigurno, što se više novca i truda uloži u razvoj i potporu toj tehnologiji, bit će

3

4


djelatvornija njihova primjena, što u konačnici vodi otvaranju novih radnih mjesta u malim i srednjim poduzećima. Mnoge su zemlje izradile, i prihvatile, ostvarenje takvih rješenja i ulaganja kao opću korist i gospodarski isplativo ulaganje, posebno nakon ubrzanoga tehnološkog razvoja i njihove masovne primjene. Nažalost, trenutačno se Republika Hrvatska, iako ima izrazito povoljne uvjete za uporabu sunčeve energije, i to neusporedivo povoljnije od mnogih drugih zemalja, nalazi na samom dnu Europe po ugrađenom broju takvih sustava, te se može re ći da u Hrvatskoj nije iskorištena komparativna prednost u pogledu pretvorbe energije sunčeva zračenja u električnu, toplinsku ili energiju hlađenja. Teoretski potencijal energije sunčeva zračenja daleko je ve ći od ostalih obnovljivih izvora energije, kao na primjer biomase, vodenih snaga i snage vjetra, koji su tako đer samo posljedica ili neki oblik pretvorbe sunčeve energije. Tehnički iskoristiv potencijal sunčeve energije, dakle onaj koji se danas tehni čki i tehnološki može iskoristiti za pretvorbu energije sunčeva zračenja u električnu, toplinsku ili energiju hlađenja, još je uvijek veći od ukupne svjetske potrošnje energije. (Slika 1.4.)

teoretski potencijal, EJ/god.

EJ = 1018 J = 280 TWh = 280 ⋅ 109 kWh

2 500 000

100 000

158

100

600 tehnički iskoristiv potencijal, EJ/god.

600 500 400 300 200 100

100

100

30

0 Sunčevo zračenje Slika 1.4.

1 biomasa

vodena snaga

snaga vjetra

Teoretski i tehni čki potencijal obnovljivih izvora energije

Temeljem pouzdanih simulacija potrošnje energije procjenjuje se da će ukupna potrošnja energije u 2050. godini iznositi oko 1190 EJ. Zanimljivo je da će udio obnovljivih izvora energije, vjerojatno prvi put, biti veći od konvencionalnih (klasičnih) izvora energije. (Slika 1.5.) S obzirom na to da se energetika 21. stolje ća temelji na obnovljivim izvorima energije, uz stroge ekološke mjere, predviđeni scenarij korištenja primarnom energijom 2100. godine uglavnom će se sastojati od kombinacije (razli čitih) čistih izvora energije među kojima sunčeva energi ja ima vode ću ulogu. (Slika 1.6.) Za Republiku Hrvatsku je od iznimne važnosti korištenje sunčeve energije i ona mora biti živo zainteresirana za taj obnovljivi izvor energije te u ći u područ je znanja i mudrosti korištenja sun čevom energijom kao što je to u zemljama Europske unije.

5


Hrvatska je zemlja raznolikog prirodnog bogatstva i ljepote, još uvijek čistog okoliša, čiste vode i zraka te čistog mora, s 1185 velikih i malih otoka. Stoga opskrba električnom energijom pomoću fotonaponskih modula i toplinske energije za grijanje i pripremu potrošne tople vode pomoću solarnih toplinskih sustava, nema alternative, poglavito za male i velike otoke, priobalje, zaobalje, a i cijelu Hrvatsku.

EJ = 1018 J = 280 TWh = 280 ⋅ 109 kWh

700

620

obnovljivi izvori energije 600

565

565

570

konvencionalni izvori energije

500

435

J E , e j i 400 g r e n e 300 a j n š o r 200 t o p

380 310

135 100

100

30

50

0 0 1

1960 Slika 1.5.

EJ/go 1000

2

1980

3

2000

4

2020

5

2040

6

2060

Rast obnovljivih izvora energije i udio u ukupnoj potrošnji energije do 2060.godine

EJ = 1018 J = 280 TWh = 280 ⋅ 109 kWh

900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

nafta hidroelektrane vjetroelektrane ostali obnovljivi izvori Slika 1.6.

ugljen biomasa (tradicionalno) sol. termoelek. i fotonapon geotermalna

plin biomasa (suvremeno) solarni kolektori

Predviđeni scenarij korištenja primarnom energijom 2100. godine

6


2. Fizikalne osnove 2.1. Kristali i podjela Kristali su čvrsta tijela sastavljena od atoma, iona ili molekula u kojima se ponavlja njihov trodimenzionalni raspored s pravilnom međusobnom udaljenošću tvoreći tzv. kristalnu rešetku. Kristali sa savršeno pravilnom rešetkom idealizacija su dok je u realnoj kristalnoj rešetki geometrijska pravilnost narušena raznim utjecajima (npr. toplinskim, klizanjem i sl.). Promjena strukture utječe na mehanička, toplinska, električna i magnetska svojstva kristala. Materijali važni za izradu fotonaponskih solarnih ćelija mogu doći u obliku monokristala, polikristala (multikristala) ili kao amorfne tvari. Ako se čitav aktivni obujam ćelija sastoji od samo jednog kristala, onda je takva ćelija monokristalna. Ako se u procesu rasta kristala ve ćih dimenzi ja formira više kristala (obično zajednički orijentiranih), i iz takva kristalnog bloka izreže pločica za izradu solarne ćelije, onda takve ćelije nazivamo polikristalnim ili multikristalnim. Amorfne tvari ne posjeduju pravilan raspored atoma duljeg dosega kao kristali. Obi čno nasta ju ako se rastaljeni materijal vrlo brzo hladi, tako da se molekule ne stignu organizirati u termodinamički stabilnija kristalna stanja. Drugi je način da se pravilna kristalna rešetka nekog materijala ošteti vanjskim utjecajem, npr. usađivanjem (implantacijom) ubrzanih iona koji ih, zbog sudara s atomima mete, izbacuju iz čvorova rešetke. Pritom će površinski slojevi mete postati amorfni samo ako je temperatura mete previše niska da bi izbačeni atomi kasnije mogli difundirati natrag na svoje početne položaje. Industrijski su važnije tehnologije dobivanja tankih amorfnih filmova putem depozicije ras prašivanjem ("sputtering") ili depozicijom iz pare kemijskih reaktanata (CVD) na neke površinu podloge. Ako se temperatura podloge drži dovoljno niskom, deponirani atomi na površini ne će imati dovoljno energije da difundiraju uzduž površine i nađu na njoj mjesto s uređenom kristalnom strukturom. Svaka od ovih tehnika depozicije ima specifi čnu temperaturu podloge, ispod koje se dobiva amorfni film, a naprotiv, zagrijavanjem na više temperature, amorfne tvari prelaze u polikristalne. Ako je veličina kristalića vrlo mala (ispod 2 nm), teško je razlikovati kristalnu od amorfne faze, jer i amorfne tvari imaju neki pravilan raspored atoma na malu udaljenost (ispod 5 nm). U graničnom područ ju, između ove dvije faze, nalazi se, posebno kod tankih slojeva silicija, tzv. nanokristalna faza (nc-Si) ili mikromorfni materijal. Ona također ima amorfnu fazu, ali se unutar amorfne faze nalaze i sitna kristalna zrnca. Nanokristalni silicij je jedan od materijala budućnosti za izradu solarnih ćelija. Ima povoljnija svojstva od amorfnog silicija (a-Si) zbog veće pokretljivosti elektrona, povećane apsorpcije fotona u crvenom i infracrvenom područ ju sunčeva spektra i, što je još važnije, zbog znatno veće otpornosti prema degradaciji svojih fotoelektroničkih svojstava. Vrlo je povoljno da se takav materijal može proizvesti samo mijenjamjem proizvodnin parametara u postojećim pogonima za depoziciju a-Si, metodom CVD, stimuliranom plazmom (PECVD), pri razmjerno niskim temperaturama. Prema sposobnosti provođenja električne struje materijale možemo podijeliti na vodiče (metale), poluvodiče i izolatore. Ovdje specifična električna vodljivost može poprimiti veoma velik ras pon te za dobre vodi če kao što su metali ona iznosi od 106 do 108 Ω-1m-1, kod izolatora od 10 -20 do 10-8 Ω-1m-1, a za poluvodiče je između ovih vrijednosti, tj. od 10-7 do 105 Ω-1m-1. Širina zabranjenog pojasa energija, odnosno energijska širina zabranjene vrpce ( E g) kod poluvodiča iznosi oko 1 eV, kod metala ispod ove vrijednosti, a kod izolatora je veća od 6-10 eV. Kod izolatora je valentni pojas ispunjen elektronima, vodljivi je pojas prazan i ne postoji gibanje električnog naboja primjenom električnog polja. Najviši pojas energija kod metala samo je djelomično

7


ispunjen, ili puni pojasevi prekrivaju jedan prazni, a postoji barem jedan valentni elektron po atomu u tim pojasevima. Ti se elektroni mogu slobodno gibati u električnom polju, a kako postoje u velikom broju, električna vodljivost je velika. Stanje kod poluvodiča slično je onome kod izolatora, osim što su tamo u značajnijem broju uvedeni dodatni elektroni i šupljine u kristalu, ali još uvijek manjem od broja prisutnih atoma, pa je tako i njihova vodljivost manja nego kod metala (vodiča). Električni vodič je materijal koji obiluje slobodnim elektronima pa stoga dobro provodi električnu struju. Električni vodiči mogu biti metali (zlato, srebro, bakar, aluminij i dr.), ugljen za četkice elektromotora i elektroliti (otopine soli, kiselina i lužina). Električni su izolatori materijali koji gotovo nemaju slobodnih elektrona pa stoga ne provode električnu struju. Električni izolatori mogu biti neorganskog (porculan, staklo, mramor, azbest i dr.) ili organskog podrijetla (guma, papir, prešpan, fiber, pamuk, PVC masa i dr.). 2.1.1. Čisti poluvodiči Čisti

su poluvodiči oni koji se sastoje od atoma samo jednog elementa, bez ikakvih primjesa, ili koji sadrže tako malo primjesa (nečistoća) da one ne utječu na njihove karakteristike. Atomi u kristalnoj rešetki poluvodiča povezani su međusobno kovalentnom vezom. Na slici 2.1. prikazan je energijski dijagram čistog poluvodiča. Na termodinamičkoj nuli valentna je vrpca popunjena elektronima, a vodljiva vrpca je prazna. Izme đu valentne i vodljive vrpce nalazi se energijska širina zabranjene vrpce poluvodiča E g. O širini te vrpce ovise različita svojstva poluvodiča. T = 0

K

T >

0 K

vodljiva vrpca E g

valentna elektron Slika 2.1.

šupljina

Energijski dijagram čistog poluvodiča

Pri temperaturama većim od 0 K termičkom pobudom se oslobode elektroni iz međuatomskih veza. Time se istodobno stvore parovi elektron-šupljina s jednakim brojem elektrona u vodljivoj vrpci i šupljina u valentnoj vrpci (slika 10.2.). To zna či da je u čistom poluvodiču broj šupljina u valentnoj vrpci jednak broju elektrona u vodljivoj vrpci. Ako se primijeni električno polje, oni će se gibati u suprotnim smjerovima. Ako se susretnu, elektron će popuniti kovalentnu vezu i pasti u valentni pojas. Taj se proces naziva rekombinacija. Što je temperatura viša, povećat će se njihov broj i električna vodljivost. Također i pri sobnoj temperaturi mogu elektroni iz valentne vrpce prelaziti u vodljivu. Kako je koncentracija elektrona jednaka koncentraciji šupljina, njihov je umnožak za određeni poluvodič konstantan i ovisi samo o temperaturi. Osim toplinskom uzbudom elektroni mogu prelaziti iz valentne vrpce u vodljivu, ozračivanjem elektromagnetskim valovima (apsorpcija fotona) ili radioaktivnim zračenjem. Energija fotona pritom mora biti veća od širine zabranjenog pojasa E g. Tako uzrokovana vodljivost naziva se fotovodljivost.

8


Raspodjelu elektrona u dopuštene nivoe opisuje Fermijeva funkcija: f ( E ) =

1 e(

E− Ef ) kT

+

1

gdje je: E – energija dopuštenog stanja, J E f – Fermijeva energija, J k – Boltzmannova konstanta, (1,3806·10 -23 J/K) T – termodinamička temperatura, K

2.1.2. Poluvodiči s primjesama Ako se čistom poluvodiču (npr. Si) dodaju primjese, onda se od čistog silicija dobije p-tip odnosno n-tip poluvodiča. Atomi primjesa imaju 3, odnosno 5 valentnih elektrona. Ako se atom silicija (Si) u kristalnoj rešetki zamijeni peterovalentnim atomom fosfora (P), njegova četiri valentna elektrona popune kovalentne veze s ostalim atomima silicija. Peti elektron u suvišku neće biti zadržan u kemijskoj vezi, jer za njega na raspolaganju nema praznih stanja, pa ga jedino atom fosfora još privlači slabom kulonskom vezom koja se lako prekida, npr. termi čkom pobudom (agitacijom). Taj elektron udaljen od atoma fosfora ima na raspolaganju samo slobodna stanja u pojasu vodljivosti, a ostavlja primjesu fosfora jednostruko pozitivno nabijenom. Potrebna energija za odvajanje elektrona zove se energija za ionizaciju primjese, a atom fosfora je donor, jer "donira" vodljivi elektron rešetki, a silicij je tada N-tipa. Kod kristalne rešetke s trovalentnim primjesama, primjerice s atomom bora (B), dolazi do manjka u valentnim elektronima. Tri elektrona popunjavaju kovalentne veze s trima od četiriju susjednih atoma silicija, no četvrti atom ima samo jednoelektronsku vezu, tj. nastala je šupljina. Na sličan način kao kod primjese fosfora, šupljina je vezana slabom kulonskom silom na atom bora. Ako se od njega udalji, četvrta se kovalentna veza oko indija popuni, i indij ostane s jednostrukim negativnim nabojem. Tako su elementi 3. skupine, kao primjese u siliciju akceptori jer mogu primiti elektrone i tako uvesti šupljine u valentni pojas, odnosno silicij postaje P-tipa. Donori i akceptori uvode lokalizirane energijske nivoe u zabranjeni pojas energije, i to donori blizu dna vodljivog pojasa, a akceptori iznad vrha valentnog pojasa koji se lako ionizira pa tako znatno poraste električna vodljivost N-odnosno P-tipa, a N-tip sadrži mnogo više negativnih nosilaca naboja (elektrona) nego pozitivnih (šupljina). Elektroni su ve ćinski, a šupljine manjinski nosioci naboja. Kod P-tipa stanje je obrnuto i šupljine su većinski nosioci naboja. Neke primjese iz drugih skupina periodnog sustava elemenata (kao npr. litij), ulaze u rešetku silicija ili germanija u međuprostorni položaj, djelujući tako kao donori. Pored tih elementarnih poluvodiča postoje i poluvodički spojevi III. i V. skupine ili II. i VI. skupine, kao što su npr. GaAs ili InP, odnosno CdTe ili CdS. Ako elementi iz VI. skupine supstitucijski zamijene As u GaAs, djeluju kao donori, a elementi iz II. skupine zauzmu mjesta galija djeluju kao akceptori. Sli čna razmatranja vrijede i za II.-VI. poluvodičke spojeve. Učinci nestehiometrije Razlog za uvo đenje donora i akceptora u elementarne poluvodi če i poluvodičke spojeve, mogu biti i defekti u kristalnoj rešetki kao što su praznine i me đuprostorni atomi. Kod spojeva može doći do nestehiometrije, zbog praznog mjesta u rešetki jedne od komponenti spoja ili zbog viška jedne komponente u međuprostornom položaju. Na primjer, u pomalo ionskoj rešetki CdS, donorski centar može nastati uhvatom jednog ili više elektrona na mjestu anionske praznine sumpora. Kako je ovdje u suvišku kadmij, da bi se sačuvala električka neutralnost kristala, dva se elektrona moraju dodati za svaki ion sumpora u manjku. Blizu te praznine postoji čisti pozitivni naboj koji ponovno privlači dodatne elektrone oko tog centra. Oslobađanjem uhvaćenih elektrona, oni iz praznine ulaze

9


u vodljivi pojas i doprinose električnoj vodljivosti (dvostruki donori). Kako je za to potrebna nešto većae energija ionizacije, donorski nivoi navedenih centara nalaze se zbog atoma primjesa nešto dublje u zabranjenom pojasu. Temperaturna ovisnost elektri čne vodljivosti Jedna od posebnih karakteristika poluvodi ča je promjena električne vodljivosti s promjenom tem perature. Kod metala električna vodljivost normalno opada s porastom temperature zbog sve ve će frekvencije sudara elektrona s titrajima rešetke. Naprotiv, kod poluvodi ča u određenom temperaturnom područ ju vodljivost s temperaturom naglo raste. Pri niskim su temperaturama elektroni (šupljine) uhvaćeni u primjesnim i defektnim centrima i vodljivost je mala. S porastom temperature sve se veći broj tih centara ionizira, a oslobo đeni nosioci sve više sudjeluju u procesu vo đenja električne struje. Kada su svi ionizirani, vodljivost ponovno počinje pomalo opadati, kao kod metala. Kod još viših temperatura dolazi do drugog naglog porasta vodljivosti zbog pobude intrinsičkih nosilaca naboja, izravno preko zabranjenog pojasa (vrpce).

Opća jednadžba za broj elektrona u vodljivoj vrpci približno je dana sljedećim izrazom: n

=

N c

e(

Ef

−

Ec

)/k T

gdje je: – gustoća stanja elektrona u vodljivoj vrpci, 1/m 3 E c – energija dna vodljive vrpce, J, eV E f – Fermijeva energija, J -23 J/K) k – Boltzmannova konstanta, (1,3806·10 T – termodinamička temperatura, K N c

2.2. Poluvodička dioda (PN-spoj) Sunčana je ćelija u biti PN-spoj (poluvodička dioda). PN-spoj nastaje kada se jednom dijelu kristala čistog poluvodiča dodaju trovalentne (akceptorske) primjese, tako da nastane p-tip poluvodiča, a drugom dijelu peterovalentne (donorske) primjese, te nastaje n-tip poluvodi ča. Na granici između tih dvaju podru č ja (PN-spoj), kao posljedica gradijenta koncentracije, nastaje difuzija elektrona iz n-područ ja prema p-područ ju i šupljina iz p-područ ja prema n-područ ju. Fermijeva je energijska razina E f na sredini jer je broj elektrona u vodljivoj vrpci jednak broju šupljina u valentnoj vrpci (slika 2.2.). vodljiva vrpca

---------------------------------------------------- Ef (F (Fermijeva energija)

valentna elektron elek

šupljina

Slika 2.2. Energijski dijagram za čisti poluvodič

Bitno je svojstvo PN-spoja njegovo ispravljačko djelovanje, tj. lakše vodi struju kad je p područ je pozitivno, a n-negativno. Tada je napon u propusnom smjeru, a suprotno tome je napon u zapornom smjeru. Dakle, PN-spoj radi kao dioda, i propušta struju samo u jednom smjeru. Ako se na PN-spoj priključi izvor vanjskog napona u propusnom smjeru, tako da je pozitivan pol na

10


p-strani a negativan na n-strani, protekne struja elektrona iz n-podru č ja prema p-područ ju i šupljina iz p-područ ja prema n-područ ju. Koncentracija šupljina na p-strani ne mora biti jednaka koncentraciji elektrona na n-strani. Ako je, na primjer, n-strana znatno ja če dopirana primjesama od p-strane, bit će znatno jača struja elektrona preko p-n spoja nego struja šupljina kad je dioda vezana u propusnom smjeru, tako da dolazi do injekcije elektrona u p-područ je. Veza između vanjskog napona može se prikazati jednadžbom: I d

=

I z

(e

eU /k T

−

U i

jakosti struje I d kroz PN-spoj, tzv. I ,U -karakteristika diode,

)

1

gdje je: – struja diode (jakosti struje kroz PN-spoj), A I z – struja zasićenja, A -19 C) e – elementarni naboj, (1,602176462 · 10 U – električni napon, V -23 J/K) k – Boltzmannova konstanta, (1,3806 · 10 T – termodinamička temperatura, K I d

2.3. Solarne ćelije 2.3.1. Početak razvoja solarnih ćelija Prvu solarnu (silicijevu) ćeliju otkrio je 1941. godine Russell Ohl, no njezina djelotvornost pretvorbe bila je ispod 1 %. Skupina istraživa ča u Bell Laboratories u New Yorku (Pearson, Fuller i Chapin) 1954. godine izradila je silicijevu solarnu ćeliju s djelotvornošću od 6 % i prvi solarni modul pod imenom Bellova solarna baterija. Kako je proizvodna cijena prvih solarnih ćelija bila vrlo visoka, one svoju prvu komercijalnu primjenu 1958. godine nisu našle na Zemlji, nego u svemirskim istraživanjima na satelitima, (slika 2.3.). Tu je njihova cijena bila prihvatljiva, u odnosu na sve ostale visoke troškove. Tek je naftna kriza 70-ih godina prošlog stoljeća "prizemljila" te uređaje. Tad se prvi put uo čilo da ne postoje neograničene zalihe fosilnih goriva te da treba potražiti i razviti nove, obnovljive energetske izvore.

Slika 2.3.

Svemirski satelit opskrbljen solarnim ćelijama


Unatoč znatnijim ulaganjima u istraživanje i razvoj solarne fotonaponske tehnologije u posljednjih desetak godina, danas je cijena solarnih ćelija, odnosno fotonaponskih sustava, i dalje visoka i oni su komercijalno konkurentni drugim uobičajenim izvorima električne struje samo u određenim poduč jima primjene, tj. tamo gdje nema u blizini električne mreže. Međutim, vodeći svjetski energetičari, a i najveće naftne tvrtke, procijenili su da će upravo fotonaponska tehnologija u 21. stoljeću dominirati u zadovoljavanju potreba za elektri čnom energijom, zbog opadanja raspoloživih zaliha konvencionalnih goriva. U posljednjih nekoliko godina svjedoci smo dosad nezapamćenog godišnjeg porasta u proizvodnji solarnih ćelija i modula od preko 60 %, a jedinični kapaciteti pojedinih novosagrađenih proizvodnih pogona već prelaze 50 MW. U prijelaznom razdoblju od desetak godina otvara se novo tržište za fotonaponske sustave u građevinarstvu, gdje oni, kao građevni elementi, mogu nadomjestiti klasične krovove i fasade u novim zgradama (tzv. BIPV) ili poboljšati toplinsku izolaciju na postojećim objektima, generirajući pritom električnu energiju za potrošnju na licu mjesta ili za isporuku električnoj mreži. U pojedinim zemljama, a i u našoj, ozakonjene su stimulativne financijske mjere za otkup u mrežu tako prozvedene elektri čne energije, što omogućuje snažan poticaj za sve veće korištenje i primjenu novih obnovljivih izvora energije.

2.3.2. Fotonaponski efekt Godine 1839. Edmond Becquerel (1820.-1891.) otkriva fotonaponski efekt. On je to opisao kao proizvodnju električne struje kada se dvije ploče platine ili zlata urone u kiselu, neutralnu ili lužnatu otopinu te izlože na nejednolik na čin sunčevu zračenju. Bilo mu je 19 godina kada je to mogao učiniti u laboratoriju svojega oca Antoine-Cesara, uglednog znanstvenika koji je radio na područ ju elektrokemije, fiziologije, meteorologije i poljoprivrede. Edmond Becquerel je 1868. godine objavio važan rad pod naslovom "Svjetlost, njezino porijeklo i njezini efekti". Njegovo otkriće u to doba nije pobudilo preveliki interes, ali nije bilo zaboravljeno sve do današnjih dana, kada je na 150. godišnjicu Europska unija ustanovila nagradu koja nosi njegovo ime i dodjeljuje se jedanput godišnje za najistaknutiji doprinos razvoju fotonaponske pretvorbe sun čeve energije. Edmondov sin Henry, nuklearni fizi čar, prvi je francuski nobelovac i njemu u čast nazvana je SI-izvedena jedinica aktivnosti radioaktivne tvari becquerel (Bq). Nakon Becquerelova otkrića prošlo je više od 40 godina da bi tek 1883. godine Charles Fritts načinio prvu pravu solarnu ćeliju deponirajući na poluvodički selen tanki sloj zlata. Tako je ostvario potencijalnu barijeru na kontaktu metal-poluvodič.

2.3.3. Izravna pretvorba sunčeva zračenja u električnu energiju Kada se solarna (sunčana) ćelija osvijetli, odnosno kada apsorbira sun čevo zračenje, fotonaponskim se efektom na njezinim krajevima pojavljuje elektromotorna sila (napon) i tako solarna ćelija postaje izvorom elektri čne energije. Pri praćenju emisije i apsorpcije sunčeva zračenja (elektromagnetskih valova) zračenje se može promatrati kao snop čestica, tzv. fotona. Tako je, na primjer, za prora čun fotostruje solarne ćelije potrebno poznavati tok fotona koji upadaju na ćeliju. Svaki foton nosi određenu količinu energije. Cjelokupni raspon zra čenja koje nastaje u svemiru nazivamo elektromagnetskim spektrom. Elektromagnetska zračenja uzajamno se razlikuju jedino po frekvenciji. Svjetlost nastaje kada se električni naboji kreću u elektromagnetskom polju. Atom odašilje svjetlost kada je neki od njegovih elektrona potaknut dodatnom energijom izvana. Zra čenje pobuđenih elektrona predočavamo valom. Svjetlost manje energije ima manju frekvenciju ili učestalost, no veću valnu duljinu, a ona s više energije ima veću frekvenciju ali manju valnu duljinu.

11

12


Dakle, fotoni su čestice bez naboja koje se gibaju brzinom svjetlosti zana je Einsteinovom relacijom: E =hv=h

co.

Energija fotona prika-

co λ

gdje je: – Planckova konstanta, (6,625 · 10-34 Js) v – frekvencija promatranoga elektromagnetskog zračenja, 1/s 8 co – brzina svijetlosti, (3 · 10 m/s) λ – valna duljina, μm h

svjetlost,

hv

antirefleksijski sloj 0,15 mm

2-5 mm

0,2 m

N- područje

300 μm

P- područje

- prednji kontakt u obliku rešetke

+ stražnji metalni kontakt Slika 2.4.

Silicijeva solarna ćelija

U silicijevoj su solarnoj ćeliji, prikazanoj na slici 2.4., na površini pločice P-tipa silicija difundirane primjese, npr. fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane podru č je N-tipa poluvodiča. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sun čava zračenja, na prednjoj površini ćelije nalazi se metalna rešetka koja ne pokriva više od 5 % površine, tako da gotovo ne utječe na apsorpciju sunčeva zračenja. Stražnja strana ćelije prekrivena je metalnim kontaktom. Da bi se povećala djelotvornost ćelije, prednja površina ćelije može biti prekrivena prozirnim proturefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svjetlosti. Kada se solarna ćelija osvijetli, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila, tj. napon. Tako solarna ćelija postaje poluvodička dioda, tj. PN-spoj, i ponaša se kao ispravlja čki uređaj koji propušta struju samo u jednom smjeru.

Slika 2.5.

Nastanak parova elektron-šupljina u solarnoj ćeliji

13


Kada se solarna ćelija, odnosno PN-spoj osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron-šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Međutim, nastane li apsorpcija unutar, ili blizu PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom područ ju, odvaja nastali elektron i šupljinu. Elektron se giba prema N-strani, a šupljina prema P-starni. Zbog skupljanja elektrona i šupljina na odgovaraju ćim suprotnim stranama PN-spoja dolazi do pojave elektromotorne sile na krajevima solarne ćelije, (slika 2.5.). Kada se solarna ćelija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, kao što je prikazano na slici 2.6., proteći će električna struja, a solarna ćelija postaje izvorom električne energije.

struja

PN-spoj

Slika 2.6.

Solarna ćelija kao izvor elektri čne energije

U tablici 2.1. dani su temeljni parametri solarnih ćelija, kao napon otvorenog kruga U ok , gustoća struje kratkog spoja J ks i stupanj djelovanja ćelije. Izrađeni su uglavnom od materijala koji se danas koriste za izradu ćelija. Tablica 2.1.

Temeljni parametri solarnih ćelija

Vrsta ćelije monokristalna-Si ćelija polikristalna-Si ćelija amorfna-Si ćelija CdS / Cu2S CdS / CdTe GaAlAs / GaAs GaAs

U ok , V

J ks, mA/cm2

η

0,65 0,60 0,85 0,5 0,7 1 1

30 26 15 20 15 30 20

0,17 0,15 0,09 0,10 0,12 0,24 0,27

2.4. Izrada solarnih ćelija Solarne ćelije, kao rijetko koja tehnologija, danas imaju znatno ubrzan tehnološki napredak u istraživanju materijala za izradu solarnih ćelija i pronalasku novih koncepata i procesa njihove proizvodnje. Silicij, kao osnovni materijal za izradu solarnih ćelija, apsolutno dominira, s udjelom od oko 98 %, i to pretežino u tehnologiji kristalnog silicija. Uglavnom prevladava tehnologija proizvodnje monokristalnog silicija dobivenog tzv. Czochralskim postupkom ili tehnologijom lebde će zone (engl. float zone). Proizvodnja je monokristalnog silicija skuplja, no učinkovitost ćelija je veća. Najveći je tehnološki nedostatak kristalnog silicija je svojstvo da je poluvodi č s tzv. neizravnim zabranjenim pojasom, zbog čega su potrebne razmjerno velike debljine aktivnog sloja kako bi se u najvećoj mjeri iskoristila energije sunčeva zračenja.

14


Nova tehnologija, koja uklju čuje primjenu trakastog silicija, ima prednost što je u procesu proizvodnje izbjegnuta potreba rezanja vafera, čime se gubi i do 50 % materijala. Me đutim, kvaliteta i mogućnost proizvodnje nije takva da bi primjena te tehnologije prevladala u bliskoj budućnosti. U novoj tehnologiji tankog filma primjenjuju se poluvodi či s tzv. izravnim zabranjenim pojasom i njihove debljine mogu biti znatno manje, uz bitno manji utrošak materijala, što obe ćava nisku cijenu i mogućnost proizvodnje velikih količina ćelija. Solarne ćelije tankog filma pripadaju trećoj generaciji solarnih ćelija, a postoji nekoliko eksperimantalnih poluvodičkih materijala poput bakar-indij-galij-selenida (CIGSS), bakar-indij-diselenida (CIS) ili kadmijeva telurida (CdTe) te organskih materijala, no u masovnu su proizvodnju ušle solarne ćelije izrađene od tankog filma silicija (TFSi). Izvode se postavljanjem tankih slojeva (filmova) poluvodičkih materijala na podlogu (tzv. supstrat). Takva izvedba solarnih ćelija je vrlo zahvalna, jer omogućava njihovu fleksibilnost u odnosu na klasične, krute, solarne ćelije, a to omogućava njihovu širu primjenu. Međutim, njihova je dosadašnja učinkovitost 7 do 10 %, što je znatno manje od klasičnih silicijevih solarnih ćelija.

Slika 2.7.

Kristalne ćelije različitih boja i dimenzija

Danas se na tržištu mogu naći različite silicijeve solarne ćelije, različitih boja i dimenzija. Uobičajene su dimenzije 10 cm × 10 cm, 12,5 cm × 12,5 cm, 15 cm × 15 cm, 21 cm × 21 cm, (slika 2.7.). Udio tehnologije tankog filma (amorfni silicij, CdTe, CIS, CIGSS), unato č znatnim naporima uloženim u istraživanja, ostao je vrlo skroman, svega oko 6 %. Me đutim, snažan rast proizvodnje solarnih ćelija s kristalnim silicijem može prouzročiti porast cijene i nestašicu sirovog silicija, pa je moguć i veći proboj tehnologije tankog filma u budu ćnosti. Na slici 2.8. prikazana je solarna ćelija od bakar-indij-diselenida (CIS), na slici 2.9. prikazana je solarna ćelija od amorfnog silicija, a na slici 2.10. solarna ćelija od kadmijeva telurida (CdTe).

15


Solarna ćelija od bakar-indij-diselenida (CIS)

Amorfna silicijeva ćelija

Slika 2.8.

Slika 2.9.

Solarna ćelija od kadmijeva telurida (CdTe)

Slika 2.10.

Iako su neki znanstvenici zabrinuti zbog mogućeg negativnog utjecaja proizvodnje solarnih ćelija na okoliš, ta se tehnologija svrstava u tehnologije 21. stoljeća za dobivanje elektri čne energije. Zabrinutost je prisutna zbog toga što proces proizvodnje nekih fotonaponskih ćelija zahtijeva otrovne metale poput žive, olova i kadmija, a uz to proces proizvodnje rezultira i stvaranjem ugljikova dioksida koji je staklenički plin i uglavnom je odgovoran za učinak globalnog zatopljenja. Prema jednoj studiji pod naslovom "Emisije iz fotonaponskog životnog ciklusa" (engl. Emis sions from Photovoltaic Life Cycles) postupak proizvodnje i životni ciklus fotonaponskih ćelija proizvode mnogo manje onečišćenja zraka od tradicionalnih tehnologija s fosilnim gorivima. To je istraživanje bilo dosta opsežno i istraživači su prikupili podatke o ispuštanju štetnih plinova od 13 proizvođača solarnih ćelija iz Europe i SAD-a u razdoblju od 2004. do 2006. godine. Istraživanje je uključilo četiri glavna komercijalna tipa solarnih ćelija: polikristalni silicij, monokristalni silicij, trakasti silicij i tanki film kadmijeva telurida (CdTe). Rezultati su tih istraživanja čak i optimističniji nego što su se znanstvenici nadali i pokazali su da proizvodnja elektri čne energije iz solarnih ćelija smanjuje količinu onečišćenja zraka za oko 90 % u odnosu na proizvodnju iste količine električne energije korištenjem fosilnih goriva. Zaključak je studije, ukupno gledajući, da sve fotonaponske tehnologije pridonose znatno manjim štetnim ispuštanjima po kWh od tradicionalnog načina proizvodnje električne energije pomoću fosilnih goriva. Studija je također pokazala da tehnologija tankog filma kadmijeva telurida (engl. thin-film cadmium telluride) ima najmanju emisiju štetnih plinova u životnom ciklusu, većinom zbog toga što je utrošak energije za proizvodnju takvog modula najmanji od svih fotonaponskih modula.

Fotonaponski sustavi koji prate kretanje Sunca i moduli s visoko koncentrirajućim optičkim sustavom

Slika 2.11.

Izrada solarnih ćelija je dosta složen tehnološki proces, pa je stoga cijena solarnih ćelija još uvijek dosta visoka. Međutim, posljednjih godina cijena solarnih ćelija pada, a poboljšavaju im se

16


i karakteristike u laboratorijskim istraživanjima. Da bi se cijena solarnih ćelija bitno smanjila, potrebno je pojednostaviti s jedne strane izradu, a s druge strane koristiti druge, jeftinije materijale. U novije vrijeme tehnički su se usavršile visoko učinkovite solarne ćelije, tzv. koncentrirajuće solarne ćelije. Obično se ugrađuju na fotonaponske sustave koji prate kretanje Sunca (engl. Tracking System). Stupanj je djelovanja tih ćelija oko 35 %, a modula oko 25 %. Bilježi se znatan porast ugradnje fotonaponskih sustava koji prate kretanje Sunca (engl. Tracking ) i koji imaju module od optičkih koncentrirajućih sustava CPV, (slika 2.11.). Također sustavi koji prate kretanje Sunca, tracking sustavi, mogu imati module od standardnih monokristalnih ili polukristalnih silicijevih solarnih ćelija ili tankog filma. Na slici 2.12. prikazan je u važnijim fazama postupak proizvodnje solarnih ćelija. Također je dan postupak montaže solarnih ćelija u solarni modul i na kraju primjena solarnih modula, npr. postavljanjem na krov građevine, kao dio fotonaponskog sustava za dobivanje elektri čne energije.

kristalni silicij (kvarcni pijesak)

gotova solarna ćelija

proizvodnja kristalnog silicija Tiegelziehovim ili Czochralskijevim procesom

spajanje solarnih ćelija

laminiranje (laminat) oblikovanje ingota

rezanje ingota na vafere

postavljanje solarnih ćelija u okvir

gotov solarni modul difuzija fosfora (dobivanje PN-spoja)

sitotisak (stražnji i prednji kontakt) Slika 2.12.

Postupak proizvodnje solarnih ćelija i solarnog modula

solarni moduli u primjeni

17


3. Solarni fotonaponski sustavi Solarni fotonaponski sustavi (FN) mogu se podijeliti na dvije osnovne skupine: fotonaponski sustavi koji nisu priključeni na mrežu (engl. off-grid ), a često se nazivaju i samostalnim sustavima (engl. stand-alone systems), i fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu (engl. on-grid ), (slika 3.1.). fotonaponski (FN) sustavi

samostalni sustavi

bez pohranesa pohranom

priklju čeni na mrežu

izravno hibridni sustavi priklju čeni na javnu mrežu

obični uređaji

pomoću vjetroagregata

male primjene

pomoću kogeneracije

AC samostalni sustavi

pomoću dizel generatora

DC samostalni sustavi

pomoću gorivnih član.

Slika 3.1.

priklju čeni na javnu mrežu preko kućne instalacije

Osnovna podjela fotonaponskih sustava

Fotonaponski sustavi koji nisu priključeni na mrežu, odnosno samostalni sustavi, mogu biti sa ili bez pohrane energije, što će ovisiti o vrsti primjene i načinu potrošnje energije, i hibridni sustavi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, dizelskim generatorom ili gorivnim člancima. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu mogu biti izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu ili priklju čeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije.

3.1. Samostalni fotonaponski sustavi Kao što je već rečeno, solarni fotonaponski (FN) sustavi koji nisu priključeni na mrežu (engl. off grid ) često se nazivaju i samostalnim sustavima (engl. stand-alone systems), a mogu biti sa ili bez pohrane energije, i hibridni sustavi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, gorivnim člancima ili dizelskim generatorom. Temeljne komponente samostalnoga fotonaponskog sustava, slika 3.2.: 1. 2. 3. 4. 5.

fotonaponski moduli (obično spojeni paralelno ili serijski-paralelno) regulator punjenja akumulator trošila izmjenjivač (ako trošila rade na izmjeni čnu struju)

18


Za takav fotonaponski sustav, koji se sastoji od gore navedenih komponenata karakteristi čna su dva osnovna procesa: e e

pretvorba sunčeva zračenja, odnosno svjetlosne energije u električnu pretvorba elektri čne energije u kemijsku i, obrnuto, kemijske u električnu

fotonaponski moduli

regulator punjenja

trošila akumulator

Slika 3.2.

Samostalni fotonaponski sustav za trošila na istosmjernu struju

Fotonaponska pretvorba energije sunčeva zračenja, odnosno svjetlosne energije u elektri čnu, odvija se u solarnoj ćeliji, dok se u akumulatoru obavlja povratni (reverzibilni) elektrokemijski proces pretvorbe, povezan s nabijanjem (punjenjem) i izbijanjem (pražnjenjem) akumulatora. U trošilima se električna energija pretvara u različite oblike, kao primjerice mehaničku, toplinsku, svjetlosnu ili neku drugu energiju. Trošilo je definirano snagom, naponom i strujom.

3.1.1. Hibridni fotonaponski sustavi Solarni fotonaponski sustavi mogu biti izvedeni i kao hibridni sustavi s vjetroagregatom, kogeneracijom, gorivnim člancima ili, najčešće, generatorom na dizel ili biodizel gorivo. fotonaponski moduli

DC trošila

a c i n r i b a s C D

generator

AC trošila

ispravljač ac/dc

izmjenjivač dc/ac regulatori punjenja akumulatori Slika 3.3.

Shema samostalnoga hibridnog fotonaponskog sustava s generatorom

Kod tih sustava se električnom energijom proizvedenom solarnim modulima ili vjetroagregatom, prvotno napajaju trošila, a višak energije se pohranjuje u tzv. solarne akumulatore. U slu čaju


da ne postoje uvjeti za proizvodnju elektri čne energije solarnim modulima ili vjetroagregatom, izvor za napajanje istosmjernih ili izmjeničnih trošila će biti akumulator. U slučaju da ni akumulator više nema energije za napajanje trošila, uklju čuje se generator na dizel ili biodizel gorivo. Na slici 3.3. prikazana je shema samostalnog hibridnog fotonaponskog sustava s generatorom za napajanje trošila na istosmjernu (dc) ili izmjeničnu struju (ac).

3.2. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije Fotonaponski sustavi priključeni na javnu mrežu preko kućne instalacije pripadaju distribuiranoj proizvodnji električne energije. Dakle, oni omogućuju povezivanje distribuiranih sustava na centralizirane sustave, odnosno sustave priklju čene uglavnom na niskonaponsku razinu elektroenergetskog sustava. Temeljne komponente fotonaponskog sustava, priklju čenog na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije prikazane su na slici 3.4. To su: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

fotonaponski moduli spojna kutija sa zaštitnom opremom kablovi istosmjernog razvoda glavna sklopka za odvajanje izmjenjivač dc/ac kablovi izmjeničnog razvoda brojila predane i preuzete električne energije

Slika 3.4.

Fotonaponski sustav priključen na javnu mrežu preko ku ćne instalacije

Fotonaponski moduli (1), spojeni serijski ili serijski-paralelno, proizvode istosmjernu struju i međusobno su povezani kabelima u nizove, tzv. višekontaktnim (engl. multi contact ) konektorskim sustavom. Svi kabeli koji dolaze od nizova fotonaponskih modula uvode se u razdijelni or-

19

20


marić modula (2) odnosno spojnu kutiju nizova modula sa svom zaštitnom opremom, ponajprije odvodnicima prenapona i istosmjernim prekidačima. Iz razdijelnog ormarića se dovodi od svake grupe fotonaponskih modula, razvode kabelima istosmjernog razvoda (3) preko glavne sklopke za odvajanje (4) prema solarnim izmjenjivačima (5). Solarni izmjenjivači pretvaraju istosmjernu struju solarnih modula u izmjenični napon reguliranog iznosa i frekvencije, sinkroniziran s naponom i frekvencijom mreže, te se nastala izmjeni čna struja prenosi kabelima izmjeničnog razvoda (6) do kućnog priključka na elektroenergetsku mrežu, odnosno električnog ormarića, gdje su smještena brojila električne energije. Brojila električne energije (7), smještena u ormariću brojila, registriraju proizvedenu energiju predanu u mrežu i potrošenu energiju preuzetu iz mreže. Fotonaponski sustav priključen na javnu mrežu preko ku ćne instalacije je u paralelnom pogonu s distribucijskom mrežom, a namijenjen je za napajanje trošila u obiteljskoj ku ći, a višak električne energije odlazi u elektrodistribucijsku mrežu. Kad solarni moduli ne proizvode dovoljno elektri čne energije, napajanje trošila u kućanstvu nadopunjuje se preuzimanjem energije iz mreže, slika 3.5. S obzirom na to da instalirani fotona ponski sustavi priključeni na javnu mrežu preko ku ćne instalacije proizvode najviše električne energije sredinom dana, oni podmiruju vlastite potrebe i dobrim dijelom rasterećuju elektroenergetski sustav, što može biti od velike važnosti u područ jima gdje je slaba elektroenergetska mreža.

brojilo predane el. energije izmjenjivač dc/ac fotonaponski moduli

avna mreža brojilo preuzete el. energije

priključak na mrežu trošila Slika 3.5.

Brojila predane i preuzete elektri čne energije

Prednosti fotonaponskih sustava, kao distribuirane proizvodnje električne energije, spojenih na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije su sljedeće: e e e e e

e

e

proizvodi se ekološki čista električna energija bez onečišćenja okoliša sva se pretvorba energije obavljala u blizini mjesta potrošnje nema gubitaka energije u prijenosu i distribuciji pouzdanost i sigurnost opskrbe troškovi održavanja postrojenja znatno su niži od održavanja centraliziranih proizvodnih objekata lokacije za instalaciju fotonaponskih sustava u odnosu na velike centralizirane proizvodne sustave, jednostavnije je, lakše i brže prona ći jednostavna i brza instalacija te puštanje u pogon

Više fotonaponskih modula koji mogu biti serijski i/ili paralelno povezani oblikuju tzv. solarni generator određene nazivne snage koja se ozna čava u W p, kW p ili MW p. Fotonaponski moduli proizvode istosmjernu struju dc (engl. direct current ), obično s naponom 12 ili 24 V. Solarni izmjenjivači, slika 3.6., pretvaraju istosmjernu struju modula u izmjeničnu, sinkroniziranu s naponom i frekvencijom mreže.

21


Slika 3.6.

Izmjenjivač, njemačkog proizvođača SMA, (lijevo) i izmjenjiva č, austrijskog proizvođača Fronius, (desno)

U većini se zemalja Europske unije, s obzirom na instaliranu snagu, fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko ku ćne instalacije mogu podijeliti na one do 30 kW, od 30 kW do 100 kW i preko 100 kW. U Republici Hrvatskoj za sada vrijedi podjela prema instaliranoj snazi do 10 kW, od 10 kW do 30 kW i preko 30 kW. 3.2.1. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage do 30 kW

Prva značajnija primjena fotonaponskih sustava počela je ugradnjom FN sustava na krovove građevina (kose ili ravne) ili ugradnjom u fasade građevina. To su u početku bili sustavi manjih snaga do 30 kW p, spojeni na javnu mrežu preko kućne instalacije, (slike 3.7. i 3.8.). Zemlje predvodnice u ugradnji fotonaponskih sustava, koje su omogućile slobodan pristup otvorenoj javnoj mreži i preda ju električne energije po povlaštenoj cijeni, bile su Njemačka, Austrija, Švicarska, Danska i SAD.

Slika 3.7.

Salem, SAD, snaga 8,4 kW p

Slika 3.8.

Zermatt, Švicarska, snaga 11,5 kW p

3.2.2. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage od 30 kW do 100 kW

Ministarstvo gospodarstva Njemačke, Berlin, snaga 100 kW p

Slika 3.9.

Vatrogasna postaja, Gifhorn, Njemačka, snaga 60,86 kW p

Slika 3.10.

22


3.2.3. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elekt roenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage veće od 100 kW Usavršavanjem rada manjih fotonaponskih sustava počeli su se na građevinama ili neposredno u njihovoj blizini ugrađivati i sustavi većih snaga, i do 1 M W p, spojeni na javnu mrežu preko posto jeće tzv. kućne mreže. Taka je, primjerice zra čna luka u Münchenu, Njemačka, slika 3.11., s instaliranim fotonaponskim modulima snage 475 kW p.

Zračna luka u Münchenu, snaga 475 kW p

Slika 3.11.

Proizvodna hala, Memmingen, Njemačka, snaga 950 kWp

Slika 3.12.

Za ugradnju većih fotonaponskih sustava na raspolaganju su velike kose ili ravne površine stambenih građevina, proizvodnih hala, sportskih dvorana, ugostiteljskih objekata i sl. Na slici 10.12. prikazani su fotonaponski moduli na proizvodnoj hali u Memmingenu, u SR Njema čkoj, instalirane snage 950 kW p, a na slici 3.13. prikazan je jedan fotonaponski solarni krov u mjestu Rivesaltes u Francuskoj instalirane snage 850 kW p. Ovdje treba istaknuti i dvoranu za audijencije pape Pavla VI. u Vatikanu, snage 220 kW p, slika 3.14.

Solarni krov, Rivesaltes, Francuska, snaga 850 kW p

Slika 3.13.

Papina prijemna dvorana, Vatikan, snaga 220 kW p

Slika 3.14.

3.3. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu Razvojem tržišta fotonaponske tehnologije, primjerice ćelija, modula, izmjenjivača i prateće opreme, počinju se FN sustavi ugrađivati ne samo na građevinama ili u njihovoj neposrednoj blizini, nego i na slobodnim površinama u blizini elektroenergetske mreže, te gradnjom djela elektroenergetske mreže do priključka na nisku, srednju ili visoku razinu napona elektroenergetskog sustava. Ti su sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu i svu proizvedenu elektri čnu energiju predaju u elektroenergetski sustav, kao što je prikazano na slici 3.15. Za te je sustave karakteristična veća snaga i uglavnom se instaliraju na ve ćim površinama. Obično zahtijevaju od

23


30 do 40 m2 površine za jedan kW snage, što je oko tri do četiri puta više u odnosu na kristalne module, ili šest puta više u odnosu na module od tankog filma, instalirane na kosim krovovima. fotonaponski moduli izmjenjivač dc/ac brojilo predane električne energije

Slika 3.15.

javna elektroenergetska mreža

Fotonaponski sustav izravno priklju čen na javnu elektroenergetsku mrežu

3.3.1. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu snage do 10 MW

Na slici 3.16. jedan prikazan većijefotonaponski sustav izravno priključen na javnu ele getsku mrežu, instaliran u mjestu Heusden u Belgiji, snage 4,7 MW p, a na slici 3.17. prikazana je jedna veća solarna elektrana instalirana u mjestu Villar de Cuenca u Španjolskoj, snage 9,8 MW p.

Solarni park, Heusden, Belgija, snaga 4,7 MW p

Slika 3.16.

Solarna elektrana, Villar de Cuenca, Španjolska, snaga 9,8 MW p

Slika 3.17.

3.3.2. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu snage od 10 MW do 30 MW

U posljednje se vrijeme širom svijeta mogu vidjeti solarne elektrane većih snaga, čak i preko 10 MW p, koje su izravno priključene na javnu elektroenergetsku mrežu i svu proizvedenu električnu energiju predaju u elektroenergetski sustav.

Solarni park Zeithain, u Njemačkoj, snaga 12 MW p

Slika 3.18.

Solarni park Almeria, u Španjolskoj, snaga 15 MW p

Slika 3.19.

ktroener-

24


Jedan veći solarni park izravno priključen na javnu elektroenergetsku mrežu prikazan je na slici 3.18. Taj solarni park, nazvan "Zeithain", nalazi se u mjestu Zeithain u saveznoj državi Sachsen u Njemačkoj i ima instaliranu snagu 12 MW p. Na slici 3.19. prikazan je solarni park "Almeria" koji se nalazi u istoimenom mjestu u Španjolskoj, a nazivne je snage 15 MW p. 3.3.3. Fotonaponski sustavi izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu snage veće od 30 MW

Na slici 3.20. prikazan je jedan veliki solarni park snage 40 MW p, nazvan "Waldpolenz", a instaliran je u mjestu Brandis, na mjestu nekadašnje vojne zračne luke, u saveznoj državi Sachsen u Njemačkoj. Instalirani su moduli od tankog filma tvrtke First Solar na površini 110 hektara, što odgovara veličini oko 200 nogometnih terena. Očekuje se godišnja proizvodnja od 40 milijuna kWh električne energije i pri tome će se uštedjeti oko 25 000 tona stakleničkog plina ugljikova dioksida. Cijena investicije iznosila je 130 milijuna eura.

Solarni park Waldpolenz, Brandis, Njemačka, snaga 40 MW p

Slika 3.20.

Solarni park Lieberoser, Turnow-Preilack, Njemačka, snaga 53 MW p Slika 3.21.

Na slici 3.21. prikazana je fotonaponska elektrana snage 53 MW p, nazvana Solarni park Lie beroser Heide, do sada najveća u Njemačkoj. Nalazi se u mjestu Turnow-Preilack, na nekadašnjem vojnom poligonu u Brandenburgu. O čekuje se godišnja proizvodnja od 52 milijuna kWh električne energije i pri tome će se uštedjeti preko 30 000 tona ugljikova dioksida. Cijena investicije iznosila je 160 milijuna eura.

3.4. Ugradnja fotonaponskih modula od tankog filma U novije vrijeme, pored dominantne ugradnje fotonaponskih modula od monokristalnog i polikristalnog silicija, sve se više ugrađuju i fotonaponski moduli s tankim filmom od različitih materijala kao što su amorfni silicij, CdTe, CIS, CIGSS i drugi. Na slici 3.22. prikazana su dva primjera ugradnje fotonaponskih modula od tankog filma kadmijeva telurida (CdTe).

Slika 3.22.

Primjeri ugradnje fotonaponskih modula od tankog filma kadmijeva telurida (CdTe)

25


Očekuje se da će cijena fotonaponskih modula od tankog filma, zbog znatno manjeg utroška materijala za izradu ćelija i mogućnosti proizvodnje velikih količina ćelija, daleko brže padati u odnosu na fotonaponske module od monokristalnog i polikristalnog silicija. To će prema prognozi Europskog udruženja industrije fotonapona (EPIA), zacijelo u budu ćnosti povećati udio ugrađenih fotona ponskih modula tankog filma sa skromnih 10 % na predviđenih 25 % do 2013. godine

3.5. Fotonaponski moduli na pročelju građevina Jedno je od važnijih područ ja primjene fotonaponskih modula i suvremena, energetski učinkovita arhitektura povezana s dizajnom u arhitekturi. Dizajn pročelja daje posebnu karakteristiku izgledu građevina. Energetski učinkovita arhitektura vezana je na novu odredbu Europskog parlamenta, a odnosi se na sve članice Europske unije, prema kojoj nakon 2018. godine svaka zgrada mora proizvesti više energije nego što je potroši.

Fotonaponski moduli od polikristalnog silicija na južnom pročelju zgrade

Slika 3.23.

Pročelje zgrade sa CIC modulima

Slika 3.24.

Na slici 3.23. prikazana je građevina koja na svome pročelju ima ugrađene fotonaponske module od polikristalnog silicija, a na slici 3.24. prikazana je zgrada koja na svome pro čelju ima ugrađene solarne module od solarnih ćelija tankog filma bakar-indij-diselenida (CIS).

Toranj dizala od providnih solarnih modula, Kulturni centar, Constance, Švicarska

Slika 3.25.

Zgrada Udruženja za gradnju drvetom, moduli staklo-staklo i izolacijsko staklo, München, Njemačka Slika 3.26.

26


Na slici 3.25. prikazan je toranj dizala Kulturnog centara Constance u Švicarskoj, koji na južnom pročelju tornja ima ugrađene providne (transparentne) module od solarnih ćelija bez protureflektirajućeg zaštitnog sloja, a na slici 3.26. prikazana je zgrada Njemačkog udruženja za gradnju drvetom sa sjedištem u Münchenu u Njemačkoj, s pročeljem od ugrađenih solarnih modula u tehnologiji staklo-staklo i izolacijsko staklo.

Zgrada čije je pročelje obloženo solarnim modulima, Kobe, Japan

Slika 3.27.

Stubište tornja zgrade Ceramique, providni moduli s izolacijskim staklom, Maastricht, Nizozemska Slika 3.28.

Na slici 3.27. prikazana je jedna zgrada čije je pročelje obloženo solarnim modulima u gradu Kobe u Japanu, a na slici 3.28. prikazano je stubište tornja zgrade Ceramique u Maastrichtu u Nizozemskoj na kojemu su ugrađeni providni moduli s izolacijskim staklom.

3.6. Stakleni krovovi građevina s fotonaponskim modulima Od posebne su važnosti u arhitekturi stakleni krovovi s integriranim fotonaponskim modulima.

Krov Epiphanias krstionice, Hannover, Njemačka

Slika 3.29.

Zimski vrt s polupro vidnim modulima od tankog filma

Slika 3.30.

27


Znamo da na pročelja zgrada kao i na krovove (ravne ili kose), tijekom cijele godine dolazi velika količina sunčeva zračenja koja se može iskoristiti za dobivanje elektri čne energije. Dakle, pročelja i krovovi u budućnosti neće samo štititi od vjetra i padalina, nego će postati i sustavi za proizvodnju toplinske i elektri čne energije. Na slici 3.29. prikazan je krov krstionice Epiphanias u Hannoveru u Njemačkoj, koji se sastoji od modula s izolacijskim staklom, a na slici 3.30. prikazan je jedan zimski vrt s poluprovidnim (engl. semi-transparent ) modulima od tankog filma amorfnog silicija [120].

Krov staračkog doma, Strassen, Luksemburg

Slika 3.31.

Sveučilište za primijenjenu znanost, Bonn, Njemačka

Slika 3.32.

Na slici 3.31. prikazan je krov staračkog doma u Strassenu u Luksemburgu, koji se sastoji od modula s izolacijskim staklom, a na slici 3.32. prikazan je krov Sveu čilišta za primijenjenu znanost u Bonnu u Njema čkoj, izveden od modula s izolacijskim staklom.

Akademija za usavršavanje Ministarstva unutarnjih poslova Njemačke Slika 3.33.

Informacijski centar za ekol ošku gradnju, Boxtel, Nizozemska

Slika 3.34.

Na slici 3.33. prikazan je krov koji se sastoji od modula izra đenih u tehnologiji staklo-staklo, Akademije za usavršavanje Ministarstva unutarnjih poslova Njemačke u saveznoj državi RhineWestphalia, a na slici 3.34. prikazan je krov Informacijskog centra za ekološku gradnju u gradu Boxtelu u Nizozemskoj, koji se također sastoji od izvedenih modula u tehnologiji staklo-staklo.

28


3.7. Nadstrešnice za vozila od fotonaponskih modula Velike slobodne neiskorištene površine nalaze se na parkirališnim mjestima, a mogle bi se iskoristiti za postavljanje nadstrešnica, koje, osim što mogu štititi od Sunca, kiše, tu če i snijega, mogu poslužiti i za dobivanje električne energije. (Slika 3.35. i 3.36.) S obzirom na to da se u blizini takvih objekata nalaze i gra đevine koje troše električnu energi ju, odnosno već postoji elektrodistribucijska mreža, ugrađeni fotonaponski sustavi mogu se izravno priključiti na javnu elektroenergetsku mrežu preko tzv. kućne instalacije. Također je moguće, i o tome se razmišlja, da vozila koja imaju elektri čni pogon izravno pune svoje akumulatore stru jom proizvedenom s fotonaponske plaćajući odgovarajućim žetonima, novcem ili karticom.

Manja nadstrešnica od fotonaponskih modula

Slika 3.35.

Mjesta za parkiranje ve ćeg trgovačkog centra s fotonaponskim modulima

Slika 3.36.

3.8. Fotonaponski moduli ugrađeni na autocestama Na slici 3.37. prikazan je dio autoceste A 92 u Njema čkoj na kojoj je u dužini 1,2 km na južnom kraku ugrađeno 600 kW fotonaponskih modula za proizvodnju električne energije i predaju u javnu elektroenergetsku mrežu.

Autocesta (A 92) u dužini 1,2 km sa 600 kW FN modula, Njema čka

Slika 3.37.

Autocesta sa 100 kW FN modula, Švicarska

Slika 3.38.

Na slici 3.38. je prikazan je dio autoceste u Švicarskoj, s ugrađenih 100 kW fotonaponskih modula za proizvodnju električne energije i predaju u elektroenergetsku mrežu.

3.9. Fotonaponski moduli na zaštićenim spomenicima kulture Da se fotonaponski sustavi mogu ugrađivati i na zaštićenim spomenicima kulture ili unutar zaštićenih područ ja kulturno-povijesne baštine, pokazuju primjeri na slikama 3.39. i 3.40. Zacijelo je

29


jedna od važnih zaštićenih građevina i dvorana za audijencije Pavla VI. u Vatikanu, no ona, unatoč tome, na svome krovu ima fotonaponske module snage 220 kW p. (Sliku 3.14.)

Fotonaponski moduli na krovu crkve kao zaštićenoga kulturnog dobra

Slika 3.39.

Fotonaponski moduli na zvoniku crkve, Steckborn, Švicarska

Slika 3.40.

3.10. Fotonaponski sustavi u Republici Hrvatskoj priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije Temeljem Uredbe o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije, a čija se proizvodnja potiče, u Republici Hrvatskoj donesen a je niz zakonskih i podzakonskih propisa, kao štu su Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije, Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije, Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje elektri čne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije i Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije. Dakle, navedenim zakonskim i podzakonskim propisima od 1. srpnja 2007. godine stekli su se uvjeti da svi oni koji žele ugraditi fotonaponski sustav mogu dobiti status povlaštenog proizvo đača električne energije, i tako dobiti naknadu za isporu čenu električnu energiju u javnu elektroenergetsku mrežu. Do sada je u Hrvatskoj instalirano oko desetak fotonaponskih sustava, uglavnom manjih snaga, koji su spojeni na javnu elektroenergetsku mrežu. Neki od tih sustava prikazani su na slikama od 3.41. do 3.46. Većina prikazanih fotonaponskih sustava u tijeku je ishođenja potrebne dokumentacije glede stjecanja statusa povlaštenog proizvođača električne energije, nakon čega slijed i Ugovor o otkupu električne energije s hrvatsk im operatorom tržišta energije.

Slika 3.41. Fotonaponski sustav, Kadina Glavica, Drniš, snaga 6,12 kW p

Slika 3.42.

Fotonaponski sustav,

Čakovec, snaga 6,72 kW p

30


Fotonaponski sustav, Metković, snaga 9,69 kW p

Slika 3.43.

Solarni krov u Španskom, Zagreb, snaga 9,59 kW p

Slika 3.45.

Fotonaponski sustav kuće Stilin, Zagreb, snaga 36,1 kW p

Slika 3.44.

Slika 3.46.

Solarna elektrana u Rijeci, snaga 9,9 kW p

3.11. Potrebna površina za proizvodnju energije iz fotonaponskih sustava Ovisno o tome kakvi su fotonaponski moduli, odnosno jesu li izrađeni od monokristalnih ili polikristalnih ćelija ili su moduli od tankog filma (CIS), (CIGSS) (CdTe) ili amorfnog silicija, bit će potrebna i različita površina za određenunagu s pojedi nog modula, slika 3.47. monokristalne ćelije ćelije visokog stupnja djelovanja

polikristalne ćelije

bakar-indij-diselenid (CIS)

2

2

7m –9m 2 2 6m –7m 2

7,5 – 10 m m2

2

2

9–m11 m

kadmijev telurid (CdTe)

2 2 12 m – 17 m

amorfni silicij

14 m – 20 m

Slika 3.47.

2

2

Potrebna površina za smještaj fotonaponskih modula snage 1 kW p

31


Potrebna površina za smještaj fotonaponskih modula bitna je za manje fotonaponske sustave u kojima želimo na što manjoj površini, ili površini koja nam stoji na raspolaganju, dobiti što je moguće veću snagu fotonaponskog sustava, a time i više električne energije. Na slici 3.48. dana je usporedba potrebne površine za proizvodn ju električne energije od 270 TWh iz različitih izvora energije. Uočljivo je da za istu količinu proizvedene električne energije najmanju površinu zauzima korištenje sunčeve energije, bilo u solarnim termoelektranama ili fotonaponskim modulima. 2

km

120000 105218

110000 100000 90000 80000 70000 60000 50000 36422

40000

28328

30000 20000 10000

8094 2832

0 Solar

Slika 3.48.

Vjetar

1 Biomasa

Nafta

Plin

Usporedba potrebne površine za proizvodnju elektri čne energije iz razli čitih izvora

Bez obzira na to je li riječ o fotonaponskom sustavu izravno spojenom na javnu mrežu ili spo jenom na javnu mrežu preko kućne mreže, najvažnija i trenutačno najskuplja komponenta cijelog sustava su fotonaponski moduli. Ostale komponente fotonaponskog sustava (spojna kutija sa zaštitnom opremom, kabeli istosmjernog razvoda, glavna sklopka za odvajanje, izmjenjivač dc/ac, kabeli izmjeničnog razvoda, brojila predane i preuzete elektri čne energije) još su uvijek ispod 50 % od ukupne investicije. Na slici 3.49. prikazan je udio cijene modula u ukupnoj cijeni fotonaponskog sustava iz 2004. godine, kao i realna predvi đanja od 2010. godine do 2050. godine. U 2004. godini cijena modula iznosila je oko 3 eura po vatu vršne snage (€/W p), dok je ostatak sustava, odnosno ostale komponente fotonaponskog sustava, iznosio oko 2 €/W p. Tijekom idućeg razdoblja jasno se vidi da će cijena fotonaponskih modula, kao i ostalih kom ponenti sustava padati. Tako će 2020. godine cijena modula iznositi oko 1 €/W p dok će isto toliko iznositi i ostale komponente fotonaponskog sustava. Već 2030. godine cijene će pasti za 50 % u odnosu na 2020. godinu, tako da će cijena modula iznositi oko 0,5 €/W p, koliko i ostale komponente fotonaponskog sustava. Dugoročno se predviđa da će ukupna cijena fotonaponskog sustava (moduli i ostala oprema sustava) iznositi oko 0,5 €/W p, što će dati daleko najpovoljniju proizvodnu cijenu elektri čne energije u odnosu na bili kojo izvor energije, bio on obnovljiv ili neobnovljiv.

32


6

Ostatak sustava

€/W p

Moduli 5

4

3

2

1

0 2004

Slika 3.49.

2010

2020

2030

2050

Udio cijene modula u ukupnoj cijeni fotonaponskog sustava

3.12. Sigurnosna zaštita fotonaponskih sustava Svaki bi objekt morao imati gromobransku instalaciju, temeljni uzemljivač i odvodnike prenapona na izmjeničnoj strani, a ako građevina ima i solarne fotonaponske module, tada bi odvodnike prenapona morala imati i na istosmjernoj strani. Na gromobransku instalaciju, odnosno na temeljni uzemljivač, vezana je sabirnica za izjednačenje potencijala.

3.12.1. Gromobranska instalacija Grom nastaje kratkotrajnim pražnjenjem statičkog atmosferskog elektriciteta između oblaka i zemlje, a ima napon od sto milijuna volti, jakost nekoliko desetaka tisuća ampera, u razdoblju od 1 do 100 milisekundi, uz naglo zagrijavanje zraka do 30 000 °C, uslijed čega nastaje grmljavina. Grmljavina se čuje nakon munje ili bljeska, zbog jakog zagrijavanja i ekspanzije zraka unutar kanala munje. Izbijanje atmosferskog elektriciteta ima svjetlosne (linijska munja, trakasta munja, loptasta munja, munja sijevalica), akustičke (grmljavina) i mehaničke u činke. Zapravo su, munja i grom dio iste pojave, samo se munja vidi prije nego što se čuje grom jer svjetlo putuje brže od zvuka. S obzirom na to da su fotonaponski sustavi obično instalirani na krovovima kuća ili na velikim slobodnim površinama, to u začetku povećava vjerojatnost od udara groma (atmosferskih prena pona). Da bi se tijekom životnog vijeka osigurao siguran i neprekidan rad fotonaponskog sustava, potrebno je predvidjeti cjelokupnu zaštitu od atmosferskih i induciranih prenapona već prilikom projektiranja fotonaponskog sustava, a mjere zaštite sustavno provoditi tijekom montaže. Posljedice udara groma na fotonaponske module osjetit će se i na ostaloj električnoj opremi i uređajima zbog električne povezanost između fotonaponskog sustava i elektri čne instalacije u građevini. Zaštita fotonaponskih sustava od atmosferskih i induciranih prenapona mora biti u skladu s normama Europske unije: EN 60364-7-712 (električna instalacija fotonaponskog sustava), EN 61173 (zaštita od prenapona nastalih u fotonaponskom sustavu), EN 62305 (gromobrani) i EN 62305-2 (očekivani rizici oštećenja fotonaponskih sustava). Kod gromobranske instalacije imamo nekoliko bitnih elemenata u zaštiti zgrada i drugih objekata od udara groma. Prvi je element hvataljka. To je najistureniji dio gromobrana i njegova je zadaća da na sebe privu če i preuzme udarac groma i tako zaštiti objekat ispod sebe. Pojavljuje se


u dvama osnovnim oblicima: kao šipka ili kao uže. Drugi je zadatak gromobranske instalacije da prihvaćenu struju groma sigurno odvede od hvataljke u zemlju. Za to se postavlja jedan ili više odvoda. Oni moraju izdržati zagrijavanje uzrokovano prolaskom struje groma kroz njih. Treća im je zadaća da se struja groma što bolje odvede u zemlju. Za to služe uzemljiva či koji se ukapaju u zemlju i spajaju na odvod. Njihov otpor mora biti što manji kako bi i pad napona na njima zbog prolaska struje groma bio što manji. Odvod gromobrana ima upravo taj napon i ako on nije dovoljno malen, mogu nastati preskoci s odvoda prema drugim predmetima u blizini, pogotovo onima koji su uzemljeni na drugačiji način, kao npr. vodovodne ili plinske instalacije. Da se ne bi dogodili takvi povratni preskoci, nastoji se otpor uzemljenja, a time i pad napona na njemu, izvesti što manjim. Često se i provodi mjera izjednačavanja potencijala. To znači da se električki povežu uzemljivač i metalni dijelovi koji dolaze iz okoline. Na taj su način spriječeni preskoci koji bi mogli nastati zbog razlike napona na gromobranu i drugim uzemljenim dijelovima.

Slika 3.50.

Fotonaponski sustav i gromobranska instalacija građevine

Kod postavljanja fotonaponskih modula na krov ku će s postojećom gromobranskom instalaci jom, oštećenje se fotonaponskog sustava minimizira dopuštenom udaljenošću između fotonaponskih modula i gromobranske instalacije, kao što prikazuje slika 3.50. Udaljenost izme đu fotonaponskih modula i gromobranske instalacije na krovu treba biti ve ća od 0,5 m. Ako nije moguće ostvariti udaljenost veću od 0,5 m, potrebno je fotonaponske module vodljivo spojiti s gromobranskom instalacijom koja je spojena s uzemljenjem, da struja udara groma ne bi tekla konstrukcijskim okvirom fotonaponskih modula.

3.12.2. Izjednačenje potencijala Izjednačenje potencijala je galvansko povezivanje svih metalnih masa. Vodič za izjednačenje potencijala priključuje sve metalne vodove objekta na sabirnicu za izjednačenje potencijala. Pri tome postoji mogućnost da se međusobno spaja više vodova koji se onda priključuju preko glavnog vodiča za izjednačenje potencijala na sabirnicu izjednačenja potencijala. Vodič za izjednačenje potencijala označava se kao zaštitni vodi č zelenožutom bojom.

33

34


Glavno izjednačenje potencijala obuhvaća cijeli objekt, a izvodi se zbog sprječavanja unošenja opasnih vanjskih potencijala u objekt, zbog sprje čavanja pojave razlike potencijala u objektu u kojem uvijek postoji velik broj instalacija s vodljivim dijelovima koje nije mogu će međusobno izolirati. Kada se u zgradi izvede glavno izjedna čenje potencijala, cijela zgrada čini jedan siguran sustav u kojemu je mala vjerojatnost pojave opasnih napona dodira. U svakom objektu mora postojati sabirnica za izjednačenje potencijala i na nju se spajaju svi vodljivi dijelovi: zaštitni vodi či PE, PEN vodiči i glavni zemljovod, uzemljenja, cijevi i metalni dijelovi drugih instalacija u zgradi kao i metalni dijelovi konstrukcije zgrade. Glavno se izjedna čenje potencijala izvodi vodičima čiji presjek ne smije biti manji od polovice presjeka najvećega zaštitnog vodiča u objektu, ni manji od 6 mm2 za Cu, a ne mora biti ni veći od 25 mm2 za Cu. 3.12.3. Odvodnici prenapona Prenapon se javlja u slučaju izravnog udara groma u objekt, udara groma u fazni ili dozemni vodi č dalekovoda, atmosferskog izbijanja oblak-oblak ili induciranog napona u sekciji niskog napona. Odvodnici prenapona predstavljaju zaštitu od atmosferskih izboja za mrežno vezani izmjenivač, kao i za ostalu opremu koja se nalazi u objektu. Mrežno vezani izmjenjivač štiti se od atmosferskih pražnjenja, koja se mogu pojaviti na okvirima fotonaponskih modula koji su postavljeni na krovu gra đevine, odvodnikom prenapona na istosmjernoj DC strani, što je na slici 3.50. ozna čeno brojem 1. Odvodnici prenapona na izmjeničnoj strani AC štite mrežno vezani izmjenjiva č i ostala trošila u građevini od prenapona koji dolaze iz električne mreže, što je na slici 3.50. označeno brojem 5 ili 3. Odvodnici prenapona na istosmjernoj DC strani odabiru se prema naponu praznog hoda fotonaponskog izvora (ukupnog broja spojenih modula). Odvodnici prenapona na istosmjernoj i na izmjeni čnoj strani, kao i okviri fotonaponskih modula, spajaju se na sabirnicu za izjednačenje potencijala. Ako je udaljenost između priključno sabirničkog polja fotonaponskih modula i izmjenjiva ča DC/AC manja od 25 m, preporu čuje se da se samo na jednom mjestu ugradi odvodnik prenapona. Na slici 3.51. prikazan je fotonaponski sustav s ugrađenim odvodnicima prenapona u neposrednoj blizini izmjenjivača i priključnog sabirničkog polja fotonaponskih modula. Dakle, zaštita mora biti osigurana ne samo na izlaznoj strani izmjenjivača, nego i na izlaznoj strani fotonaponskih modula.

Slika 3.51.

Zaštita fotonaponskog sustava uzemljenjem i odvodnicima prenapona


Na primjeru TN-S sustava, kako prikazuje slika 3.51., vod faze L i neutralnog vodi ča N preko AC odvodnika prenapona spojeni su sa zaštitnim vodi čem PE. PE vodi č je spojen na sabirnicu za izjednačenje potencijala, a ona je spojena na gromobransku instalaciju koja vodi na uzemljivač građevine. Na slici su prikazane dvije grupe DC odvodnika prenapona. Prva se grupa postavlja neposredno u spojnoj kutiji fotonaponskih modula i odvodi atmosferski prenapon s fotonaponskih modula u uzemljivač. Druga se grupa postavlja na kraju istosmjernog kabela prije spajanja na mrežno vezani izmjenjivač. Ona štiti mrežno vezani izmjenjiva č od induciranog napona u sekciji niskog napona.

3.12.4. Uzemljivači i sustavi uzemljenja Bitan dio gromobranske instalacije je i uzemljivač. On mora dobro provesti struju groma u zemlju, drugim riječima njegov otpor mora biti što manji. Taj otpor ovisi o karakteristikama zemljišta u koje se ukopava uzemljivač i o geometriji samog uzemljivača. Karakteristika zemljišta bitna za izvedbu dobrog uzemljivača jest specifični otpor tla, a on se definira kao otpor koji struji pruža kocka od homogenog zemljišta s veličinom stranica od 1 m. Ako je specifični otpor veći, onda se mora ići na izvedbu uzemljivača većih dimenzija, kako bi se ukupni otpor smanjio. Ako konstrukcija fotonaponskih modula nije vodljivo spojena s gromobranskom instalacijom ili sama kuća nema gromobransku instalaciju, potrebno je konstrukciju fotonaponskih modula izravno spojiti s uzemljenjem. Uzemljivači najčešće dolaze u sljedećim izvedbama: trakasti (u obliku metalne trake koja se zakapa u zemlju, a traka je najčešće od pocinčanog čelika, rjeđe od bakra), štapni (u obliku metalne šipke ili cijevi koja se ukopa okomito u zemlju) i temeljni (metalni vodi či koji se postavljaju u temelje objekta i preko velike površine betona dolaze u kontakt s okolnom zemljom). Prilikom prolaska struje kroz uzemljivač i njezina daljnjeg rasprostiran ja kroz zemlju, stvara se na zemlji raspodjela potencijala najčešće u obliku tzv. potencijalnog lijevka. To zna či da je potencijal najviši uz sam uzemljivač, a s povećanjem udaljenosti od uzemljivača naglo opada. To je logično, jer struja pravi najveći pad napona dok se rasprostire na malom područ ju oko uzemljivača. Kad od njega malo odmakne, ima pred sobom mnogo ve ću površinu i stoga manji otpor pa su i padovi napona manji.

13.13. Fotonaponski sustavi u Europi i svijetu Tržište fotonaponskih sustava imalo je do sada snažan rast, što će se sigurno nastaviti i u sljedećim godinama. Do kraja 2009. godine u svijetu je instalirano blizu 23 GW fotonaponskih sustava, slika 3.52. U ugradnji fotonaponskih sustava prednjači Europa u kojoj je instalirano 16 GW i koja obuhvaća oko 70 % ukupno instaliranih sustava, zatim slijedi Japan sa 2,6 GW, SAD sa 1,6 GW a ostalo otpada na ostatak svijeta. Europsko udruženje industrije fotonapona EPIA (engl. European Photovoltaic Industry Association), koje broji preko 200 tvrtki u svijetu koje se bave industrijom fotonaponske tehnologije (95 % europskih tvrtki, odnosno 80 % svjetskih), dalo je jasnu poruku i predvi đanja do 2014. godine, s pogledom i do 2020. odnosno 2040. godine. EPIA predviđa (a sve što su do sada prognozirali, znatno je i nadmašeno) da će solarna fotona ponska tehnologija do 2020. godine pokriti 12 % u Europskoj uniji potrošene električne energije, a 2040. godine čak 28 %. Također su iznijeli podatak da je 2008. godine u industriji fotonaponske tehnologije izravno radilo 130 000 radnika te posredno još 60 000. Njihova je procjena da će 2020. godine raditi oko 1,4 milijuna radnika, a 2030. godine čak 2,2 milijuna radnika na podru č ju fotonaponskih sustava. Udio Europe na tržištu fotonaponskih sustava u 2009. godini iznosio je 78 % (5618 MW), zatim slijedi SAD (477 MW) sa 7 % i Japan (484 MW) sa 7 % te Južna Koreja s 2 % (168 MW) i Kina s također 2 % (160 MW). Na ostatak svijeta odnosi se preostalih 4 % (309 MW). (Slika 3.53.)

35

36


26000

W M , a g a n s

24000

22893

22000 20000 18000 15677

16000 14000 12000 9360

10000 8000

6929 5323

6000 3924 4000 2000

1166

1428

1761

1999

2000

2001

2229

2823

0

Slika 3.52.

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

Godišnja ukupna snaga u svijetu instaliranih fotonaponskih sustava

Ostatak svijeta; 6% Južna Koreja; 2% USA; 7% Japan; 7%

Europa; 78% Slika 3.53.

Tržišni udjeli fotonaponskih sustava u svijetu 2009. godine

U svijetu je 2009. godine instalirano 7,2 GW fotonaponskih sustava. Ovome je znatan doprinos dalo snažno razvijeno europsko tržište fotonaponske tehnologije. U Europskoj uniji instalirano je 2009. godine 5,6 GW, što je 78 % ukupno instaliranih fotonaponskih sustava te godine u svijetu. U Europi dominira Njemačka, koja je 2009. godine instalirala novih 3800 MW, što je 53 % fotonaponskih sustava instaliranih u svijetu, odnosno 68 % instaliranih fotonaponskih sustava u Europi te godine. Njemačka, s ukupno 10 000 MW fotonaponskih sustava, uvjerljivo je na prvom mjestu, ne samo u Europi nego i u svijetu. Iza Njemačke s 3800 MW u 2009. godini dolazi Italija sa 730 MW, Češka Republika s 411 MW, Belgija s 292 MW, Francuska s 185 MW itd. (Tablica 3.1.)

37


Tablica 3.1. Godišnji pregled i udjeli pojedinih zemalja u tržištu fotonaponskih sustava do 2014. godine

Zemlja

Oznaka

2007.

2008.

2009.

2010.

P

2011.

P

2012.

P

2013.

P

2014.

P

Belgija

EPIA* 18 50 292 140 160 200 220 240 EPIA** 200 220 240 260 280 Bugarska EPIA* 0 2 7 15 40 60 80 100 EPIA** 20 100 150 200 250 EPIA* 3 51 411 900 100 130 150 175 Češka EPIA** 1000 425 450 475 500 Francuska EPIA* 11 46 185 500 540 580 620 660 EPIA** 700 860 1100 1200 1300 Njemačka EPIA* 1107 2002 3800 3000 3000 3000 4000 4000 EPIA** 4500 4000 4000 5000 5500 Gr čka EPIA* 2 11 36 100 125 145 165 190 EPIA** 115 250 400 450 585 Italija EPIA* 70 338 730 900 950 1000 1100 1200 EPIA** 1200 1250 1500 1750 2000 Portugal EPIA* 14 50 32 70 75 80 85 90 EPIA** 100 150 180 220 250 Španjolska EPIA* 560 2605 69 600 500 550 605 675 EPIA** 650 750 820 940 1060 UK EPIA* 4 6 10 20 80 150 200 250 EPIA** 40 100 200 350 500 Ostatak EPIA* 16 92 46 45 100 200 3 00 400 Europe EPIA** 190 300 650 950 1250 Ukupno EPIA* 1806 5252 5618 6290 5670 6095 7525 7980 EU EPIA** 8715 8405 9690 11795 13475 Kina EPIA* 20 45 160 160 250 300 400 600 EPIA** 600 1000 1250 1800 2500 Indija EPIA* 20 40 30 50 100 150 200 250 EPIA** 300 500 700 900 1500 Japan EPIA* 210 230 484 700 900 1000 1100 1200 EPIA** 1200 1800 2000 2200 2400 SAD EPIA* 207 342 477 600 1200 1500 2000 3000 EPIA** 1000 2000 3000 4500 6000 Ostatak EPIA* 168 373 447 380 400 480 590 700 svijeta EPIA** 900 1700 2450 3400 4100 Ukupno EPIA* 625 1030 1598 1890 2850 3430 4290 5750 bez EU EPIA** 4000 7000 9400 12800 16500 UKUPNO EPIA* 2430 6283 7216 8180 8520 9515 11825 13810 EPIA** 12715 15405 19090 24595 29975 EPIA – European Photovoltaic Industry Association (Europsko udruženje industrije fotonapona) EPIA* – umjereni rast EPIA** – politička potpora 2010.P do 2014.P – procijenjene vrijednosti

U tablici 3.1. ujedno je dana i projekcija razvoja fotonaponske tehnologije Europskog udruženja industrije fotonapona (EPIA) od 2010. do 2014. godine sa umjerenim i ubrzanim rastom, uz političku potporu parlamenata. Vidljivo je da se uz političku potporu, koja i sada postoji u većini zemalja, može očekivati 2014. godine novih 30 GW fotonaponskih sustava, dok bi to uz umjereni rast iznosilo svega 14 GW. U slučaju veće političke odgovornosti prema globalnom zatopljenju i klimatskim promjenama te uz političku potporu fotonaponskim tehnologijama, europsko bi tržište fotonapona zabilježilo rast sa 5,6 GW u 2009. godini na 13,5 GW u 2014. godini.

38


4. Proračun fotonaponskog sustava s ekonomskom analizom 4.1. Programi za simulaciju, dimenzioniranje i oblikovanje fotonaponskih sustava

p je

Postoji više programa kojima se može simulirati rad fotonaponskih sustava kao što su PV f-C hart , DASTPVPS, Greenius, Homer, PVcad, PV Design Pro, PVS, PV*Sol, PVSYST, SOLDIM, SolEm, Sunny Design SMA i mnogi drugi. Ve ćina navedenih programa može se međusobno uspoređivati jer se temelje na istim ulaznim parametrima. Postoje detaljne usporedbe simulacija s rezultatima m jerenja pr ovedenim na stvarnom radu f oto napon skih sustav a. Pri s im ulacija m a možemo mijenjati ulazne parametre te tako istraživati i procjenjivati različite konfiguracije fotonaonskih sustava s obzirom na dugoročnou dobiven ele ktričnu energiju. Bitan je PVGIS sustav (engl. Ph oto volta ic G eogr aph icalInfo rmati on Systemkoji ) daje procnu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih sustava junazem temel ljovida u Europi, Africi i jugozapadnoj Aziji, gdje postoje stotine meteoroloških mjernih postaja gdje se izravno ili neizravno mjeri sunčevo zračenje. On je dio SOLAREC (engl. Solar Electricity Action) akcije koja doprinosi primjeni obnovljivih izvora energije u Europskoj uniji kao održivog i dugoročno sigur nog izvora energije. Vrste podataka spremljene u PVGIS bazi podataka za Europu sadrže tri grupe razina rezolucije 1 × 1 km, a to su: zemljopisni podaci (administrativne granice, gradovi) , klimatsk i podaci (dnevna ozračenost horizontalne plohe, omjer difuznog i globalnog ozračenja, optimalni kut nagiba FN modula za maksimalno iskorištenje energije) i regional ni prosjeci za izab rana pod ručja ( godišnja suma ozračenosti, godišnja proizvodnja električne energije, optimalni kut nagiba FN modula kroz cijelu godinu).

Slika 4.1.

Temeljna shema simulacijskog programa PVS

Baza podataka za mediteranske zemlje, Afriku i jugozapadnu Aziju sadrži prve dvije grupe razina kao i za Europu (geografski podaci i klimatski podaci) ali rezolucije 2 × 2 km.


Pomoću simulacijskog programa PVS razvijenog na Fraunh ofer institutu za solarnu energiju (engl. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE ) u Freiburgu, u Njemačkoj, može se simulirati rad fotonaponskog sustava, koristeći ulazne parametre lokacije na kojoj je instaliran FN sustav, odabrane module i izmjenjivač dc/ac. (Slika 4.1) Navedeni program proračunava, za određenu lokaciju, koliko električne energije može dati instalirani fotonaponski sustav, koliko se od toga može izravno iskoristiti, koliko se elektri čne energije predaje u mrežu, koliki je solarni stupanj pokrivanja u odnosu na potrošnju električne energije te koliko energije treba uzeti iz mreže da bi se zadovoljile energetske potrebe zgrade, ako se radi o FN sustavu priključenom na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije. Navedeni program provodi simulaciju za određenu lokaciju na temelju ulaznih parametara FN sustava (snaga FN generatora, vrsta modula, kut nagiba, tip i snaga izmjenjivača dc/ac) i godišnje potrošnje zgrade prema dijagramu opterećenja. Nakon provedene simulacije dobiva se izvješće s rezultatima simulacije. Ti su rezultati mjesečne i godišnje prosječne veličine sunčeva zračenja na hor izontalnu plohu, sunčeva zračenja na kut nagiba krova, stupnja djelovanja FN sustava, stupnja djelovanja dc/ac izmjenjivača, omjera učinkovitosti i solarni stupanj pokrivanja. Slično simulacijskom programu PVS radi i simulacijski program PV*SOL koji je razvila tvrtka Valentin Energie Software GmbH iz Berlina, čiji je glavni izbornik dan na slici 4.2.

Slika 4.2.

Glavni izbornik simulacijskog programa PV*SOL

Slika 4.3. prikazuje izbornik odabira vrste i broja modula za odre đenu lokaciju na kojoj je instaliran fotonaponski sustav, kao i kut nagiba i azimut modula simulacijskog programa Sunny Design; V1.31 tvrtke SMA iz Njemačke. Bitno je napomenuti da se za lokaciju mogu odabrati razne zemlje i gradovi diljem Europe i svijeta. Također se mogu uzeti različite vrste modula od različitih proizvođača te s određenim brojem fotonaponskih modula dobiti željenu snagu FN sustava. Navedeni programi uglavnom provode simulaciju, tj. dimenzioniranje otonaponskog sustava f za određenu lokaciju, na temelju ulaznih parametara sustava, kao što su snaga FN generatora, vrsta modula i kut nagiba modula, vrsta i snaga izmjenjivača. Nakon provedene simulacije dobiva se završno izvješće s rezultatima simulacije.

39

40


Slika 4.3.

Odabir modula simulacijskim programom Sunny Design; V1.31, SMA

4.2. Ekonomska analiza i povrat investicije u fotonaponski sustav Pored navedenih simulacijskih programa postoje i jednostavniji na čini pomoću kojih se dovoljno precizno, a brzo, može izračunati godišnja proizvedena električna energija iz instaliranoga fotona ponskog sustava. Zbog toga ćemo definirati neke temeljne pojmove, kao omjer učinkovitosti. Bitan je pokazatelj fotonaponskog sustava, pored stupnja djelovanja modula i stupnja djelovanja izmjenjivača, omjer učinkovitosti fotonaponskog sustava. Omjer učinkovitosti PR (engl. Per formance Ratio) definira se kao omjer između stvarno dobivene električne energije fotonaponskog sustava i električne energije na ulazu u sustav. Taj se omjer kre će između 70 % i 85 % i ve ći je za bolje fotonaponske sustave. e

Omjer učinkovitosti PR: PR

=

E st E FN

gdje je: E st – stvarno dobivena energija iz fotonaponskog sustava, kWh E FN – dobivena energija iz fotonaponskih modula, kWh e

Dobivena energija iz fotonaponskih modula: EFN

=

EZ

⋅

η m

⋅

Am kWh

gdje je: E Z – upadna energija sunčeva zračenja na module, kWh/m 2 η m – stupanj djelovanja modula Am – površina modula, m2

41


Primjer: Fotonaponski moduli površine 80 m2 postavljeni su na krov građevine pod kutom 30 i azimutom 0°. Stupanj je djelovanja modula η m = 0,13. Omjer učinkovitosti PR iznosi 80 %. Koliko će godišnje električne energije dati fotonaponski sustav nazivne snage 10 kW p ako je instaliran u Zagre bu, Zadru, Varaždinu, Splitu, Sisku, Rijeci, Puli, Osijeku, Hvaru i Dubrovniku te koliko iznosi specifična godišnja proizvedena električna energija za navedene gradove? °

Rješenje: Za navedene gradove uzet ćemo srednju dnevnu ozračenost prema jugu nagnute plohe pod kutom od 30° i azimutom 0° (vidi Majdandži ć; Solarni sustavi – Teorijske osnove, projektiranje, ugradnja i primjeri izvedenih projekata pretvorbe energije sun č evog zrač enja u električ nu, toplinsku i energiju hlađ enja, Nakladnik Graphis d.o.o., Zagreb). Grubo možemo uzeti upadnu energiju sunčeva zračenja za navedene gradove sa karte srednje godišnje ozra čenosti vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u Republici Hrvatskoj (vidi: Dodatak). Temeljem zadanih parametara, a pomoću gore navedenih jednadžbi, možemo izra čunati električnu energiju koju će godišnje dati fotonaponski sustav nazivne snage 10 kW p instaliran u nekoliko gradova u Republici Hrvatskoj. Ti su rezultati, kao i specifi čna godišnja proizvedena električna energija za navedene gradove, prikazani u tablici 4.1. Tablica 4.1. Dobivena električna energija iz fotonaponskog sustava nazivne snage 10 kW p instaliranoga u nekoliko gradova u Republici Hrvatskoj

upadna energija sunčeva zračenja na nagnute module,

dobivena energija iz fotonaponskih modula,

dobivena el. energija iz fotonaponskog sustava,

specifična godišnja proizvedena el. energija

E Z, kWh/m2

E FN, kWh

E st, kWh

kWh/kW p

Zagreb

1 370

14 248

11 398

1 140

Zadar

1 660

17 264

13 811

1 381

Varaždin

1 330

13 832

11 066

1 107

Split

1 720

17 888

14 310

1 431

Sisak

1 350

14 040

11 232

1 123

Rijeka

1 470

15 288

12 230

1 223

Pula

1 580

16 432

13 146

1 315

Osijek

1 370

14 248

11 398

1 140

Hvar

1 780

18 512

14 810

1 481

Dubrovnik

1 710

17 784

14 227

1 423

grad

Povrat investicije u fotonaponski sustav instaliran u Zagrebu Godišnja naknada za isporučenu električnu energiju u elektroenergetsku mrežu: 11 398 kWh × 3,7718 kn/kWh* = 42 990,98 kuna Procjena ukupne investicije: 262 500,00 kuna (3 500,00 €/kW) Vrijeme otplate fotonaponskog sustava: 262 500,00 / 42 990,98 = 6,1 godina *ci jena električne energije iz sunčane elektrane (fotonaponskoga sustava) instalirane snage do uključivo 10 kW u 2010. godini Ugovor o otkupu električne energije sklapa se na razdoblje od 12 godina.

42


Povrat investicije u fotonaponski sustav instaliran u Zadru

Godišnja nak nada za isporučenu električnu energiju u elektroenergetsku mrežu: 13 811 kWh × 3,7718 kn/kWh* = 52 092,33 kuna Procjena ukupne investicije: 262 500,00 kuna (3500,00 €/kW) Vrijeme otplate fotonaponskog sustava: 262 500,00 / 52 092,33 = 5 godina *cijena elek trične energije iz sunčane elektrane (fotonaponskoga sustava) instalirane snage do uključivo 10 kW u 2010. godini Ugovor o otkupu električne energije sklapa se na razdoblje od 12 godina. Povrat investicije u fotonaponski sustav instaliran u Splitu

Godišnja naknada za isporučenu električnu energiju u elektroenergetsku mrežu: 14 310 kWh × 3,7718 kn/kWh* = 53 974,46 kuna Procjena ukupne investicije: 262 500,00 kuna (3 500,00 €/kW) Vrijeme otplate fotonaponskog sustava: 262 500,00 / 53 974,46 = 4,8 godina *cijena električne energije iz sunčane elektrane (fotonaponskoga sustava) instalirane snage do ukljičivo 10 kW u 2010. godini Ugovor o otku pu električne energije sklapa se na razdoblje od 12 godina. Napomena: Ovo vrijeme otplate vrijedi u sluč aju da su uložena vlastita financijska sredstva, a ako su sredstva dobivena od banke, vrijeme otplate f otonaponskog sustava u tom sluč aju kreće se i zmeđ u 8 i 12 g odina, ovisno o dog ovorenim kamatama .


Dodatak Karte ozračenosti vodoravne plohe ukupnim sun čevim zračenjem u Republici Hrvatskoj

Srednja godišnja ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem

43

44


Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u siječnju

Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenje u veljači


Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u ožujku

Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u travnju

45

46


Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u svibnju

Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u lipnju


Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u srpnju

Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u kolovozu

47

48


Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u rujnu

Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u listopadu


Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u studenom

Srednja dnevna ozračenost vodoravne plohe ukupnim sunčevim zračenjem u prosincu

49

fotonaponski sustavi

Recommend Documents