Fotonaponski Sistemi i Solarni Kolektori

ДИПЛОМСКИ РАД

Руководилац рада : Кандидат : Др Владица Мијаиловић Марко Младеновић 555 / 2009

Чачак , новембар 2011

РЕПУБЛИКА СРБИЈА

УНИВЕРЗИТЕТ У КРАГУЈЕВЦУ

ТЕХНИЧКИ ФАКУЛТЕТ У ЧАЧКУ

ДИПЛОМСКИ РАД

ФОТОНАПОНСКИ СИСТЕМИ И СОЛАРНИ КОЛЕКТОРИ

Руководилац рада : Студент : Др Владица Мијаиловић Марко Младеновић 555 / 2009

Чачак , новембар 2011

РЕПУБЛИКА СРБИЈА

УНИВЕРЗИТЕТ У КРАГУЈЕВЦУ

ТЕХНИЧКИ ФАКУЛТЕТ У ЧАЧКУ

редни број идентификациони број тип записа штампани материјал врста рада дипломски рад аутор Марко Младеновић ментор проф. др Владица Мијаиловић наслов рада ФОТОНАПОНСКИ СИСТЕМИ И СОЛАРНИ

КОЛЕКТОРИ година 2011 научна установа Технички Факултет у Чачку место и адреса Чачак , Светог Саве 65 научна област техничке науке научна дисциплина електроенергетика извод из рада 1. опис фотонапонских система и колектора

2. предлог пројекта 3. анализа економске исплативости

/ -3

/

___________________________________________ : __________ , : ________________________________________________________ , : ________________________________________________________________ , / : ________________________________ _________________________________________________________________________ : _______________________________________________________________ : _________________________________________________________ :

1. ______________________________________________ , 2. ______________________________________________, 3. ______________________________________________,

_____________ . _____ , ________ , ______ . ,

, : _______________ ( _________ ). : : __________________________ 1.__________________________, 2.__________________________, . 3. __________________________,

Дипломскирад,МладеновићМарко

1

САДРЖАЈ 1. УВОД ........................................................................................................................................................ 2

2. КАРАКТЕРИСТИКЕ СУНЧЕВОГ ЗРАЧЕЊА И ПРИМЕНА ............................................................ 4

3. ФОТОНАПОНСКЕ ЋЕЛИЈЕ ................................................................................................................. 6

3.1 Представа фотонапонског ефекта ........................................................................................................ 6

3.2 Теоријски аспекти фотоелектричног ефекта ....................................................................................... 7

3.3 Конструкција фотонапонске ћелије ................................................................................................... 10

3.4 Одређивање параметара фотонапонске ћелије (струје, напона и снаге) ........................................ 12

4. ВРСТЕ ФОТОНАПОНСКИХ ПАНЕЛА ............................................................................................. 16

4.1 Панели од кристалисаног силицијума ............................................................................................... 16

4.2 Танкослојне ћелије (ћелије у техници танког филма) ...................................................................... 17

4.3 Аморфни силицијум ............................................................................................................................ 18

4.4 CdTeS ћелије ........................................................................................................................................ 18

4.5 GaAs ћелије .......................................................................................................................................... 18

5. ПРОРАЧУН ОЧЕКИВАНЕ ПРОИЗВОДЊЕ ЕЛ.ЕНЕРГИЈЕ ГОДИШЊЕ .............................. 19

5.2 Одређивање енергије Сунчевог зрачења ........................................................................................... 19

5.2 Нагиб и усмерење плоча ..................................................................................................................... 21

6. ЕКОНОМСКА ИСПЛАТИВОСТ ИНВЕСТИЦИЈЕ ....................................................................... 24

6.1 Будући приход ..................................................................................................................................... 24

6.2 Економски показатељи примене фотонапонских ћелија ................................................................ 25

7. ПРИМЕР ПРОРАЧУНА ФОТОНАПОНСКОГ СИСТЕМА ............................................................ 26

7.1 Одређивање положаја и нагиба плоча и енергије из таквог стања ................................................. 26

7.2 Одабир панела ...................................................................................................................................... 28

7.2.1 Електриче особине низа панела .................................................................................................. 29

7.3 Oдабир инвертора ................................................................................................................................ 29

7.4 Димензионисање каблова ................................................................................................................... 29

7.5 Провера на пад напона ........................................................................................................................ 30

7.6 Одабир заштитних елемената ............................................................................................................. 31

7.7 ЕКОНОМСКА АНАЛИЗА ИСПЛАТИВОСТИ ................................................................................ 31

8. СОЛАРНИ КОЛЕКТОРИ ..................................................................................................................... 34

8.1 Технички опис ..................................................................................................................................... 34

8.2 Економска анализа исплативости ...................................................................................................... 35

9. ЗАКЉУЧАК ........................................................................................................................................... 37

10. ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................................... 37


2

1. УВОД

Примена светлосне енергије кроз историју људског рода није нова. Људи су чак у седмом веку пре нове ере, користили оптичка помагала, у облику лупе, да би извршили фокусирање сунчевих зрака на одређену површину и изазвали ватру. За савременија решења употребе соларне енергије морало је се причекати да прође пуно времена. Она сазнања за употребу соларне енергије која су од савременог интереса и практичног значаја, појављују се тек у периоду од 16. века па на даље.

Посебно значајна година за област о којој је овде реч је 1839, када је Александар Бекерел1 открио фотонапонски ефекат. Иако је његово истраживање било усмерено ка утицају светлости ( а заправо температуре ) на ефекте при електролизи, може се рећи да је први повезао фотонапонски ефекат тј. саму ту појаву која је подстицала да електролиза буде ефикаснија, са сунчевим зрачењем. Он није објаснио сам фотонапонски ефекат, већ је приметио његове ефекте, а на тим његовим запажањима су други развили своје теореме.

Неки од тих других су Вилби Смит2 (1873) који је открио електропровођење у селенским плочама кад су обасјане зрацима, као и његов ђак Ричард Деј, који су показали да се плоче од селена могу користити као извори електричне енергије уколико су изложени сунчевом зрачењу, а да извор није термички загреван нити да има покретних делова.

Херц3 је, 1887. године приметио да варнично пражњење између куглица од цинка постаје интензивније уколико се једна од њих осветли ултраљубичастим зрачењем. Испоставило се да је суштина ове појаве, назване фотоефектом, удаљавање електрона са површине метала под дејством UV зрачења. Херц је своје истраживање објавио у листу Аnnalen der Physik. Kao што се може приметити, многи су приметили ефекте фотонапонског деловања иако у то време још увек није постојао нити је био објашњен онај који представља струју – сам електрон. Из тог разлога многи који су приметили фотонапонски ефекат а нису дали само објашњење и формулу, нису они који носе заслуге за тај проналазак, који видећемо касније је заслужио неко други.

Детаљну методику за испитивање ове појаве дао је руски физичар Столетов4. Његова апаратура састојала се од две електроде - катоде, изграђене од испитиваног материјала, и аноде, које се налазе у вакуумној цеви и прикључене су на батерију, тако да се потенциометром може мењати не само вредност, него и знак напона U, који се доводи. Када се катода осветли монохроматском светлошћу (кроз кварцни прозор), са ње се избијају електрони, који се, затим, одржавањем напона убрзавају до аноде. Јавља се фотоелектрична струја која се мери милиамперметром. Осветљавајући катоду светлошћу различитих таласних дужина (тј. различитих фреквенција), Столетов је утврдио следеће законитости :

1 Alexandre Becquerel (1820-1891) 2 Whillooghby Smith (1828-1891) 3 Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) 4 Alexandr Stoletov (1839-1896)


3

1. Да најефективније деловање има UV зрачење;

2. Да под дејством светлости материјал губи само негативна наелектрисања (1897. године Томсон5 је измерио специфично негативно наелектрисање, наелектрисање честице, која је 1903. године названа електрон );

3. Да је јачина струје која се јавља услед осветљавања катоде директно пропорционална интензитету упадне светлости.

Следећи на списку истраживача је Алберт Ајнштајн6 који је објавио свој рад о фотонапонском ефекту 1905, а онда и 1921. добио Нобелову награду ретроактивно.

И тако редом, списак истраживача на овом феномену је доста дугачак, а завршићемо га са онима који су успели да комерцијализују и ефективно експлоатишу фотонапонске ћелије, а то су Дерил Чапин, Келвин Фулер и Гералд Пирсон, из САД као први комерцијални произвођачи (1954). Они су успели да у Беловим лабораторијама (Bell Labs) произведу прве примерке силиконских фотонапонских ћелија (silicon photovoltaic cell).

Од тад, многе научне установе дале су се у истраживачке делатности, постижући мање или више значајне успехе, и тиме увећавајући производњу и умањујући продајне цене фотонапонских модула.

5 Joseph Thomson (1856‐1940) 6 Albert Einstein (1879‐1955)


4

2. КАРАКТЕРИСТИКЕ СУНЧЕВОГ ЗРАЧЕЊА И ПРИМЕНА

Сунчево зрачење последица је термонуклеарних фузија у Сунчевом језгру које се непрестано одвија на температурама од неколико милиона степени. Ове фузије ослобађају изузетно велике количине енергије у виду електромагнетног зрачења. Један део ове енергије доспева до спољнег дела Земљине атмосфере са просечном ирадијансом (константом зрачења) од

1367 3%, зависно од одступања растојања Земље од Сунца што је приказано на слици

1.

СЛИКА 1. Светлосно зрачење у стратосфери СЛИКА 2. Токови енергије између Сунца, Земље и атмосфере Под светлосним зрачењем (соларна радијанса – sollar irradiance) подразумевамо светлосно електромагнетно зрачење на површини од 1 m2 [kW/m2]. Та вредност је једнака интегралу снаге сваке учесталости спектра сунчевог зрачења. Проласком кроз атмосферу, сунчево зрачење умањује своју вредност јер је део апсорбован (понајвише од водене паре и осталих гасова) а део одбијен. Зрачење које прође кроз атмосферу је делимично расуто због ваздуха и честица садржаних у њему. Услед кретања Земље око Сунца по елиптичној путањи, различите вредности светлосног зрачења падају на Земљу, па тако за време перихелиона (датума најближег растојања Земље и Сунца, негде око 4. или 5. јануара), имамо најјаче зрачење, а најслабије је за време апхелиона (око 4. или 5. јула). Датуми перихелиона и апхелиона прогресивно напредују сваке године (мењају датум и време) и током 22000 до 26000 година прођу читаву годину (перихелион ће за 5000 година бити 15. марта).

Зрачење које пада на хоризонтану површину састоји се од директног зрачења,као главне компоненте ирадијансе, затим расуто (дифузно) зрачење које је последица расипања и долази са целе површине неба али не и од одбојних површина на земљи, и компонента зрачења одбијена од рефлектујућих елемената на земљи. Током зиме, небо је доста облачно, али због снежних падавина по земљи, дифузна компонента је преовлађујућа (јер се светло


5

одбија од земље ка атмосфери па ка колектору). Општа расподела спектра упадне светлости приказана је на слици 2.

СЛИКА 3. Компоненте сунчевог зрачења

Одбијено (рефлектовано) зрачење зависи од способности површине да одбије или прими сунчево зрачење и представљено је албедо коефицијентом, израчунатим за сваку врсту материјала.

СЛИКА 4. Атлас светлосног интензитета енергије

На слици 4 је приказана расподела интензитета сунчевог зрачења, изражена као енергија по јединици површине, за целу планету. Ово се односи за просечне вредности у години, и у области Србије износи од 4 до 5 kWh/m2 .

врста површине албедо

земљни пут 0,04

шума у јесен 0,07

топли асфалт 0,10

сува трава 0,20

зелена трава 0,26

светле површине зграда 0,60

чист снег 0,75

ТАБЕЛА 1


6

3. ФОТОНАПОНСКЕ ЋЕЛИЈЕ

Фотонапонске ћелије представљају електротехничке уређаје који врше претварање светлости која дође на површину ћелије у струју унутар кола у којем је ћелија повезана. Реч фотонапонска тј. photovoltaic представља комбинацију грчке речи φωτόν што представља светлост и volt – што је презиме Александра Волте, у част проналазача батерије и јединица за напон који се појављује на крајевима фотонапонске ћелије.

Већ је речено шта је фотонапонска ћелија, али шта је фотоелектрични ефекат ?

Фотоелектрични ефекат је појава да се дејством светлости могу ослободити електрони из метала.

3.1 Представа фотонапонског ефекта

СЛИКА 5. Представа фотонапонског ефекта СЛИКА 6. Интензитет струје од напона на електродама

Уколико у вакумираној стакленој цеви са две електроде, озрачимо катоду, при шеми везе као на слици 5, под дејством светлости биће избачени електрони из металне електроде. Поље које се има, тера електроне да одлазе на аноду и тада кроз коло тече струја чији интензитет показује главанометар. Уколико на овај начин меримо интензитет струје у функцији напона на електродама , при константном интезитету светлости, добијамо криву са слике 6. Са слике 6 се види да ће ток струје кроз галванометар бити једнак нули тек кад се између електрода примени напон интензитета (при константном зрачењу) и назива се напон заустављања. Интензитет струје настале услед фотоелектричног ефекта, неће расти изнад струје засићења при сталној вредности интезитета осветљења. Да би се струја увећала потребно је увећати и интензитет осветљаја, што у природним условима експлоатације није могуће. Ово се објашњава чињеницом да се у почетку сви електрони ослобођени светлошћу и потиснути пољем ка аноди, ослободе и крену ка њој, чиме се јавља струја са растом интензитета. Након максималног осветљаја интензитет струје више не расте већ се има њена стална вредност. Фактички, струја засићења је исто што и максимална струја.

Напон заустављања , који се експериментално мери, представља напон којим се може одредити енергија ослобођених електрона. Како ? Ако се зна да електрони који су ослобођени из метала имају кинетичку енергију, а електрично поље међу електродама их зауставља на мањем или већем пређеном путу , зависно од њихове почетне енергије и јачини електричног поља, и ако се зна напон , онда се може одредити почетна енергија електрона

струја засићења

Напон заустављања

..........

зраци

G


7

јер ће важити релација ∙ ∙ ∙ . Маса електрона је , а је почетна брзина

електрона, тј. брзина којом електрони напуштају металну плочу електроде.

Филип Ленард7 је 1902. дошао до експерименталних резултата (за које је 1905. добио Нобелову награду) који су показали ствари неопходне за схватање природе светлости :

1. Максимална кинетичка енергија електрона које ослобађа светлост из метала независна је од интензитета светлости и зависи само до таласне дужине светлости ;

2. Фотоелектрични ефекат почиње тек када таласна дужина употребљене светлости буде мања од једне одређене таласне дужине која се назива гранична таласна

дужина. Ако се гранична учесталост која одговара граничној таласној дужини означава са / где је брзина светлости, онда за максималну кинетичку

енергију фотоелектрона важи релација :

12

∙

(3.1)

Гранична учесталост зависи од врсте метала. Најмању граничну учесталост имају алкални

метали. Дотадашње теорије, које су назване класичне теорије о фотоелектричном ефекту, показале су неколике слабости. Примера ради, класичне теорије не могу да објасне појаву граничне учесталости , испод које се фотоелектрични ефекат не јавља чак ни при највећем

могућем интензитету светла. Други пример потешкоћа са класичном теоријом је чињеница да се фотоелектрични ефекат јавља готово моментално од појаве осветљења, што је у супротности са класичном теоријом. Наиме, ако се за пример узме натријум и ако се

озрачи интензитетом светлости од 10 и претпостави да светлост може проћи кроз 10

слојева атома, онда се класичном теоријом добија да је потребно 54 дана осветљаја да би електрон стекао довољно енергије да напусти атом.

3.2 Теоријски аспекти фотоелектричног ефекта Веома важан преокрет у објашњењу фотоелектричног ефекта дао је 1905. Алберт Ајнштајн. Он тврди : „Светлост се не простире континуално, односно светлосна енергија није расподељена континуално дуж таласног фронта. Код светлости енергија остаје расподељена у нивоима чија је енергија ∙ .“. Један такав ниво светлости је светлосни квант или фотон. Према томе, при фотоелектричном ефекту врши се интеракција појединачно између једног фотона и електрона у металу. При томе су они у стању да размене енергију тј. један електрон прима у једном тренутку енергију од само једног фотона. Максимална енергија која се може разменити је ∙ тј. енергија фотона. Уколико електрон прими мању енергију од фотона која је неопходна за излазни рад, онда електрон неће напустити атом, у супротном хоће. Уколико прими вишу енергију, електрон ће

7 Lénárd Fülöp Eduárd Antal (1862-1947)


8

напустити атом са кинетичком енергијом која представља разлику примљене енергије и рада неопходног да се електрон отргне од атома. Енергетски биланс у том случају изгледа : енергија 1 фотона = излазни рад + кинетичка енергија електрона или

∙ (3.2)

a ово је важна Ајнштајнова једначина за фотоелектрични ефекат. Овом приликом се може објаснити и видети утицај граничне учесталости и има се у случају да је максимална

кинетичка енергија фотоелектрона једнака нули ∙ тј. за случај да је ∙ онда

електрони немају довољно енергије да напустеатом и фотоелектрични ефекат се не јавља. Пошто се интеракција електрон – фотон одвија појединачно, онда интензитет светлости не утиче на примљену енергију електрона већ само на број ослобођених електрона. Као што је речено, интеракција електрон – фотон се одвија појединачно и готово тренутно, па се и фотоелектрични ефекат одвија готово тренутно, независно од интензитета светлости. Из претходног излагања неопходно је показати да кинетичка енергија електрона који је у електричном пољу прешао напон U без почетне брзине, износи

12

∙ ∙

Онда Ајнштајнова релација (1.2) са електроном који садржи одређени ниво енергије E0 се изражава са :

∙ (3.3)

Oва једначина повезује механичку, електричну и светлосну енергију и води ка општем закључку о јединству материје и повезаности свих појава у физици. Поред свега, неопходно је поменути још да се фотоелектрични ефекат дели на спољашњи и унутрашњи. Пошто је фотоелектрични ефекат последица интеракције електрон – фотон, природно је да се електрон налази у посматраном телу и они наравно да нису слободни. Такође, електрон је у атому који је веома сложеним везама повезан са осталим атомима у телу. Када електрони приме енергију од фотона, њихово понашање је различито у зависности од енергије коју приме. Ако је примљена енергија висока довољно да савладају разлику потенцијала између унутрашњости тела и спољнег простора , електрони напуштају тела као слободни електрони са преосталом енергијом. Ово је досад већ било описано. Ова врста ефекта је најзначајнија код метала, јер је електронима код њих потребно само додати енергију која одговара излазном раду А да би напустили метал. У неметалима овај процес је далеко сложенији. У таквим телима електрони су везани чвршћим везама за атом, па је потребно довести већу енергију да би се извршила јонизација, односно одвајање електрона од језгра. Пошто електрони могу да приме енергију недовољну за одвајање од атома, они онда остају у атома али са енергијом већом од оне у нормалном стању. Такво стање електрона се зове побуђено или екситовано стање електрона. Ти побуђени електрони имају знатно већу покретљивост па у извесној мери могу да проводе електричну струју. Из овог следи да тела под дејством светлости могу у извесној мери


9

постати бољи проводници. Овај ефекат се примењује код фототранзистора као и код фотоотпорника, у полупроводничкој техници. Онда када електрон прими енергију од фотона довољну да напусти атом и тело, говори се о спољашњем фотоелектричном ефекту док у случају да се осветљивањем поспешује проводност материје, говори се о унутрашњем фотоелектричном ефекту. За практичну примену фотоелектричног ефекта потребно је поменути појаву фотоелектричног замора материјала. Ова појава се манифестује умањеном емисијом електрона у оквиру материјала који се користи као генератор применом фотоелектричног ефекта. Установљено је да се ова појава највећим делом остварује услед оксидације површине метала, чиме се излазни рад електрона повећава, па је потребна већа енергија фотона за исту количину слободних наелектрисања. Утицај температуре површине материјала који се користи у интеракцији показује да у теорији нема никаквог утицаја, све до вредности температуре која изазива термојонску емисију. Унутрашњи фотоелектрични ефекат је нашао највећи значај за примену у области фотонапонских извора електричне енергије. Сам унутрашњи фотоелектрични ефекат се објашљава на сличном принципу као и спољашњи, с тим да се између електрода не налази вакуум, већ неки кристал. Кристали су добри изолатори, али када се осветле, у њима долази до екситације и ослобађања електрона који се под десјтвом електричног поља крећу кроз кристал и тиме образују електричну струју. Услед одласка електрона, такви кристали су побуђени односно екситовани, а називају се и активирани.

За практичну примену, много су важнији унутрашњи фотоелектрични ефекат код полу- проводника. Ако се уместо кристала постави полу- проводник, његовим осветљавањем постиже се ослобађање електрона и проток струје. На слици 7 приказан је један такав систем. Међутим, најзначајнија примена је управо обе врсте фотоелектричног ефекта, и унутрашњег и спољашњег.

Већ је речено да се може постићи применом фотоелектричног ефекта извесна струја са фотокатоде и у случају да не постоји на аноди никакав напон. Ово је могуће захваљујући чињеници да електрони напуштају метал са својом кинетичком енергијом, па могу да долазе са супротне електроде и без помоћи спо нег електричног поља, чиме се постиже рад без батерије. Ово се постиже комбинацијом метала и полупроводника. Као полупроводник се користи изливeни монокристал силицијума Si-c који је површински третиран танким слојем метала, чиме се постижу оба фотоелектрична ефекта, у једном споју.

..........

зраци

G

А

К

СЛИКА 7. Фотонапонски генератор


10

3.3 Конструкција фотонапонске ћелије

Фотонапонска ћелија је основни, односно најмањи елемент који чини фотоелектрични генератор, и у самој фотонапонској ћелији се извршава конверзија светлости у електричну струју. Ћелија се састоји од танког слоја полупроводничког материјала, обично силицијума

дебљине око 0,3 mm и површине од 110 до 225 cm2. Силицијуму, који има четири валентна електрона, се допира8 тровалентни атом (нпр. бор П типа) у једном слоју или одређени пентавалентни атом (нпр.

СЛИКА 9. Како ради фотонапонска ћелија?

фосфор ради Н типа). Област у којој је доминантан П тип, има вишак „шупљина“, док област са Н

СЛИКА 8. Фотонапонска ћелија типом има вишак електрона (слика 8).

У области споја између два слоја са различито допираним материјалима (П-Н спој), електрони теже да се помере из области богате електронима (Н област) у област са слабим садржајем слободних електрона (П област ), чиме се ствара вишак негативног наеле-ктрисања у П области. Слично, у области где има вишка шупљина, десиће се исти феномен, те ће у тој области сада имати вишка позитивног наелектрисања у Н области. Због тога ће се успоставити електрично поље дуж споја и противи се даљој размени наелектрисања. Применом спољашњег напона, спој дозвољава да струја тече само у једном правцу (диода). Када је ћелија изложена светлу, услед фотоелектричног ефекта, неки парови електрон – шупљина померају се како у П области тако и у Н области. Унутрашње електрично поље дозвољава да вишак електрона (добијен из дела материјала апсорбовањем фотона) буде раздвојен од шупљина и потиснут у супротним смеровима од смера потискивања шупљина. Последица је да, чим електрони прођу област просторног товара, не могу се вратити назад

8 Doping- намерно додавање нечистоћа у чист, хомоген полупроводни материјал ради измене његових електричних особина


11

јер их поље спречава у току супротном од смера електричног поља. Ако ПН спој повежемо спољним проводником тако да се добије затворено коло, тећи ће струја између Н слоја са вишим потенцијалом ка Н слоју са нижим потенцијалом, докле год има осветљаја на површини ћелије.

На слици 9 појашњена је појава фотоелектричног ефекта. Наиме, фотоелектрични ефекат се дешава када се електрон из валентне зоне материјала (најчешће полупроводног) побуди у проводну зону материјала услед апсорбовања довољне количине енергије након судара са квантом електромагнетног зрачења, фотоном. Заправо, у полупроводничким материјалима, као и у изолаторима, валентни електрони се не могу слободно кретати, али поредећи полупроводник са изолатором, енергетски распон између валентне и проводне зоне је мали код полупроводника. Због тога електрони код полупроводника могу уз мало додавање енергије да пређу из валентне у проводну зону. Управо таква мања количина енергије се и додаје светлосним зрачењем и добија се фотоелектрични ефекат.

Област која обезбеђује постојање струје је силицијум у околним областима П-Н споја. Наелектрисања која настану уобластима далеко од П-Н споја неће бити под утицајем поља, те ће се као таква и рекомбиновати тј. неће потећи у смеру струје. Последица тога је да се фотонапонске ћелија израђују са великом површином а малом дебљином. Што је тај однос већи у корист површине, имаће се већа струја. На следећој слици 10 је приказан фотоелектрични ефекат и енергетски баланс који указује на значајан проценат упадне светлости који се не претвори у електричну енергију :

СЛИКА 10. Фотоелектрични ефекат

раздвајање наелектрисања рекомбинација трансформација одбијање и засенчење предњих контаката

негативна електрода

Н слој

П-Н спој

П слој позитивна електрода


12

100 % упадне светлости :

- 3% губици услед одбијања и засенчења предњег контакта - 23% фотони са већом таласном дужином, са енергијом недовољном да ослободе

електрон, генеришу загревање - 32% фотони са кратком таласном дужином, са великом енергијом (провођење) - 8,5% рекомбинација слободних носилаца наелектрисања - 0,5% губици у провођењу, представљени као отпорност - =13% корисна електрична енергија.

Под уобичајеним радним условима (1 W/m2 осветљаја на температури од 25˚C) фотонапонска ћелија ствара око 3 [А] струје напона око 0,5 [V], што чини око 1,5-1,7 [Wp] вршне снаге.

3.4 Одређивање параметара фотонапонске ћелије (струје, напона и снаге)

Ради успешне имплементације фотонапонских ћелија, непоходно је познавати њене параметре из каталога произвођача. Ради разумевања тих параметара, овде ћемо показати који су то најзначајнији параметри, чија се употреба не сме заборавити приликом пројектовања система већих снага.

Међу оне параметре који узимају већи значај при већем броју ћелија повезаних у систем су струја засићења, редна отпорност, проводност и фотоструја. У зависности од методе којом су неки параметри одређени, ваља напоменути да постоје методе које подразумевају карактеристике услед и без осветљаја, ткз. светле и мрачне карактеристике. Такође постоје и динамичке карактеристике или интеграционе методе засноване на прорачуну површи испод струјно-напонских крива.

Наиме, на датом осветљају , струјно – напонска релација за соларну ћелију је :

(3.4)

где су – струја услед фотоелектричног ефекта ; – струја диоде ; – струја засићења

диоде. Израз 1.4 се може представити и у транскондуктансној форми :

∙

∙∙

(3.5)

где су – редна отпорност ; – фактор квалитета диоде ; – проводност. / je

инверзни напон споја. Једначина 1.5 је имплицитна и није аналитички решива. Под условом да се усвоји да је ∙ ≫ струја диоде се може изразити као :

∙ ∙

(3.6)


13

Из овога (3.6) се може добити проводност

, и добија се у аналитичком облику

1

(3.7)

Ова се једначина може приказати у погоднијем облику као :

1 р

(3.8)

Као што се види, облик транскондуктансе је доста сложен, поготово што се на рад ћелије пуно утиче квалитетом израде, чиме се показује да се приликом повезивања ћелија у модуле мора водити рачуна о класама ћелија, односно о повезивању сличних ћелија у модуле.

Струјно – напонска карактеристика десно, приказује : при кратком споју има се струја , док се при празном ходу има напон . У та два случаја,

произведена снага је једнага нули.

У другим ситуацијама, снага расте све до максималне струје и напона а након тога нагло опада. Ова максимална снага се назива и номинална вршна снага9

СЛИКА 12. Струјно – напонска карактеристика ФН ћелије

СЛИКА 13. Спој у фотонапонски систем

9 nominal peak power

Напон [V]

∙

∙

СЛИКА 11. Еквивалентна шема фотонапонске ћелије


14

Комерцијално тржиште је углавном састојано од модула који су састављени од 36 ћелија у 4 паралелна реда, чинећи доступну површину од 0,5 до 1m2. Неколико модула се електрично и механички спајају, чиме чине монтажну целину и називају се панел. Неколико панела повезаних на ред чине низ, а неколико низова повезаних паралелно чине фотонапонски генератор, као на слици 13.

Као што је већ речено, ћелије у модулима нису истог квалитета и циљ је избећи одступања у производњи ; као последица две групе ћелија могу имати различит напон на излазима. Последица разлике напона је да ће се појавити струја између плоча са вишим и нижим потенцијалом. Због тога, постојаће део снаге који ће се губити између самох модула.

Неједнакост у раду ћелија може се појавити и у случају када је део ћелије осветљен а део у сенци. Ове ћелије се онда понашају као диоде и заустављају струју произведену од других ћелија. На местима где се ова појава дешава, могуће је прегревање и уништавање

читаве ћелије. Због тога су модули обезбеђени са преспојним диодама10 тако што ове диоде кратко спајају ћелију која представља проблем. Ова појава са унутрашњим губицима дешава се и између самих низова услед разлика у изради модула, различитог осветљаја, засенчења као и кварова у низовима. Да би се избегли токови струја у смеровима који нису предвиђени, користе се и додатне диоде за усмеравање, односно блокаду. Ћелије склопљене у фотонапонски генератор су спојене у кућиште које има задатак да :

Електрично изолује ћелије од спољашности

Заштити ћелије од агенаса који би их могли оштетити као и од механичких оштећења

Заштити ћелије од ултраљубичастог зрачења, наглих промена температуре

Ослобођа топлоте довољно брзо да заштити ћелије од температурног пораста Овакви ефекти кућишта имају заштитну и пре свега животну улогу генератора, у смислу да продужавају животни век истог.

Једно такво кућиште је приказано на следећој слици 14. Попречни пресек кућишта приказује састојне делове, који чине :

СЛИКА 14. Попречни пресек модула

10 By-pass diode


15

- заштитни слој са стране изложене светлу, високе прозрачности - етилен-винил-ацетат који служи да заштити ћелије од контакта са стакленим

поклопцем као и ради изолације од остатка панела - потпорни супстрат са задње стране (стакло, пластика итд.) - метални оквир, најчешће алуминијум

Да би се силицијумске ћелије повезале у модуле, користи се поступак металног залемљавања. Танак слој филма од цинк оксида се у току саме производње ћелије наноси и касније се користи као активни елемент у залемљавању.


16

4. ВРСТЕ ФОТОНАПОНСКИХ ПАНЕЛА

4.1 Панели од кристалисаног силицијума

Панели од кристалисаног силицијума су у најдужој употреби, и могу се поделити у две категорије :

- монокристални силицијумски панели, који представљају панеле начињене од сили-цијума високе чистоће. Јединствени кристал силицијума излива11 се у облику шипке (тј. цилиндра), пречника од 13 – 20 cm и око 200 cm дужине. Након тога, овај се цилиндар сече у танке плочице дебљине 200 – 250 µm, а затим се страна намењена осветљавању третира на такав начин да има микрометарске неравнине, чиме се умањују губици услед одбијања светлости. Највећа предност ових ћелија јесте њихова ефикасност која је од 14 до 17 %, уз дугу постојаност и издрживост у употреби. Цене ових панела се крећу у Србији око 3,5 – 4 €/W. Ови панели се лако разликују због своје тамноплаве боје која је последица наношења оксида титанијума ради увећања прихвата светлосног зрачења (СЛИКА 15).

СЛИКА 15. Монокристални панел СЛИКА 16. Поликристални панел

- поликристални силицијумски панели (СЛИКА 16), начињен је од кристала чије агрегатно стање је карактерисано заузимањем различитих облика и праваца простирања кристала. Поликристална силицијумска шипка се добија топљењем и

11 сам поступак би се могао пре назвати узгајање него изливање, јер се на парче чистог силицијума у комори хватају честице силицијума који се одваја од осталих нечистоћа путем хемијског процеса, те тако расте компактна маса једног кристала


17

изливањем силицијума у паралелепипедне одливке. Ови одливци су квадратног облика и дебљине од 180 до 300 µm. Ефикасност им је нижа него код монокристалних панела и износи од 12 до 14%, али имају и нижу цену од 3 – 3,5 €/W. Имају високу издрживост а одрживост квалитета им је да након 20 година рада имају 85% производних могућности од оне кад су нови.

У данашње време су у комерцијалној продаји најзаступљеније плоче од силицијумских кристала са учешћем од 90%. Највеће искоришћење код силицијумских панела износи 18% док код лабораторијских услова износи 24%. Приказ технологија и ефикасности дат је на следећој слици :

СЛИКА 17. Ефикасност претварања светлосне у електричну енергију за различите технологије

4.2 Танкослојне ћелије (ћелије у техници танког филма)

Танкослојне ћелије су начињене од наноса полупроводног материјала, уобичајено као мешавине гаса, на носачу као што је стакло, полимери, алуминијум, који дају физичку трајност мешавини. Слој полупроводног филма је дебео неколико µm у односу на силицијумске кристале који имају неколико стотина µm дебљине. Као последица се има велике уштеде у материјалу, као и да је сада ћелија савитљива,

ЕФИКАСНОСТ

[%

]

вишеспојни концентратори Танкослојне технологије троспојни, монолитни Cu(In,Ga)Se2

двоспојни, монолитни CdTe једноспојни GaAs аморфни Si монокристал поли Si концентратор танкослојни кристал Ф.Ћ. у развоју кристалисани силицијум органске ћелије монокристал неорганске ћелије мултикристал танкослојни филм силицијум хетероструктурни

СЛИКА 18.Танкослојна ћелија


18

што чини њену употребу флексибилнијом. Употребљавани материјали су :

аморфни силицијум

CdTeS (кадмијум телурид – кадмијум сулфат)

GaAs (галијум – арсен )

CIS, CIGS, CIGSS (легуре бакра,иридијума и селенида)

4.3 Аморфни силицијум

Аморфни силицијум (a – Si ) се наноси у танком слоју на подлогу (нпр. алуминијум) која нуди могућност појаве фотоелектричног ефекта, а по цени мањој од цене силицијумских подлога. Ефикасност ових ћелија умањује се са временом. Аморфни силицијум може бити „напрскан“ и на танки носећи елемент од пластике или какав други савитљиви материјал. Они се користе када је неопходно умањити тежину панели или ћелију прилагодити неком облику. Ефикасност ових ћелија је ниска, од 5 до 6 %.

4.4 CdTeS ћелије

CdTeS се састоје од једног П слоја (CdTe) и једног Н слоја (CdS) чиме се добија П-Н спој. Ове ћелије имају већу ефикасност од аморфних ћелија, од 10 до 11 %. Ове ћелије имају имају еколошку ману јер садрже елементе од токсичног кадмијума, те се морају прописно одлагати и рециклирати. Цена ових ћелија је од 1,5 до 2,2 €/W.

4.5 GaAs ћелије

GaAs технологија за израду ћелија је веома интересантна јер имају високу ефикасност, чак изнад 25 – 30 %. Мана ових ћелија је цена производње и за сада се најчешће користе у свемирској технологији као извори напона за сателитске примо-предајнике.


19

5. ПРОРАЧУН ОЧЕКИВАНЕ ПРОИЗВОДЊЕ ЕЛ.ЕНЕРГИЈЕ ГОДИШЊЕ

Електрична енергија коју фотонапонски модули могу да произведу у току године, зависи од следећих параметара :

доступност сунчевог зрачења

усмерење и нагиб фотонапонских плоча

ефикасност фотонапонских плоча Пошто је вредност сунчевог зрачења променљива величина у времену, да би се одредила електрична енергија коју модули могу да направе у неком временском периоду, потребно је проучити вредности просека осунчања, који су мерени у метеоролошким станицама широм Србије.

СЛИКА 19. Снага хоризонталног зрачења СЛИКА 20. Снага зрачења на површини управној на

зраке На слици 19 приказана је карта Србије на којој су нацртане зоне укупне озрачености и потенцијалне соларне енергије. На њој су исказане колекторске снаге за хоризонтално постављене модуле. На слици 20 приказана је карта Србије на којој су нацртане зоне укупне озрачености и потенцијалне соларне енергије за фотонапонске колекторе оптимално накренуте.

5.2 Одређивање енергије Сунчевог зрачења Годишње сунчево зрачење може одступати од наведених вредности до 10%, пошто вредности које су наведене важе само за конкретно место мерења, а јасно је да до следећег


20

места мерења могу постајати значајне удаљености, па тиме и промене у измереним вредностима, али не више од поменутих 10%. Потребно је схватити да све вредности које се узимају у прорачун, имају вероватне вредности, а да ће се тачне добити само након изградње система. Да би добили очекивану дневну производњу електричне енергије, применићемо следећу једнакост :

∙

kWhkWp

(5.1) где је произведена енергија за годину дана а – средња годишња енергија озрачености, – свеукупна ефикасност свих елемената укључених у рад фотонапонских ћелија (губици од инвертора, температурног ефекта, засенчења и слабог осветљаја). Уколико су испоштоване све препоруке, може се постићи вредност ефикасности од 0,75 – 0,85. Ову ефикасност не треба мешати са ефикасношћу самог фотонапонског модула, који се рачуна

као ∙

где су – вршна снага модула, – јачина Сунчевог зрачења, S –

површина ћелије. Можемо проверити тачност израза на каталошком податку произвођача SCHOTT за њихов монокристални панел, снаге 180 W. У каталогу су дати параметри : TAБЕЛА 2

SCHOTT PERFORM™ MONO

номинална снага 180 W напон празног хода

44,8 V

напон на номиналној снази

36,2 V

струја при номиналној снази

4,97 A струја кратког споја

5,4 A димензије m 1,62 х 0,81

све вредности изнад за следеће параметре : 1000W/m2, T=25˚C

номинална снага 130 W напон празног хода

39,3 V напон на номиналној

снази 32,9 V

струја при номиналној снази

3,95 A струја кратког споја

4,3 A димензије m 1,62 х 0,81

све вредности изнад за уобичајене радне ситуације : 800W/m2, T=20˚C

Ако применимо образац ∙

, добићемо

∙ ∙ , ∙ ,0,1371

Потребно је напоменути да ћелије имају и температурне коефицијенте, који за поменутог произвођача износе : ТАБЕЛА 3

снага %/ -0,44

напон празног хода %/ -0,33

струја кратког споја %/ +0,03

Наставимо даље, уколико желимо да израчунамо годишњу производњу електричне енергије, уместо образца (5.1) користимо следећи :

365 ∙ ∙

kWhkWp

(5.2)


21

5.2 Нагиб и усмерење плоча

Највећа ефикасност фотонапонских плоча се постиже усмеравањем плоча у смеру зрачења под углом од 90˚. Заправо, светлосна озраченост мења се са географском ширином као и са деклинацијом Сунца. Реч је о томе да је Земља накренута 23,5˚ (угао деклинације) у односу на раван по којој се окреће око Сунца. Због тог нагиба, Сунце се налази под углом од 90˚ у односу на екватор само два пута годишње, 20/21 марта и 22/23 септембра.

Да би смо одредили нагиб плоча тако да буду под правим углом у односу на светлосне зраке у подне најдужег дана у години, неопходно је да познајемо највећу висину (у степенима) коју Сунце достиже на хоризонту, по формули :

90° ГШ (5.3)

где су ГШ – географска ширина места где се постављају фотонапонске плоче, – угао соларне деклинације.

Уколико се жели да се увек задржи најповољнији угао у односу на упадне зраке, потребно је поставити уређај који ће да прорачунава и механички коригује положај плоча у односу на хоризонталну раван и азимутни правац. Та корекција мора да узме у обзир промену деклинације, која се мора рачунати на дневном, а понекад и минутном нивоу. Пошто је и дневно праћење, због цене уређаја и механизма, реткост, задовољићемо се и са тим образцем, који гласи :

∙ sin

81 ∙ 360365

(5.4)

где је 23,45° а – редни број дана у години, па је тако за 1.јануар 1 а за 1.јул 182, и увек се сматра да је фебруар са 28 дана. Тиме се уноси једна мања грешка, која се

може кориговати на четворогодишњем нивоу, јер нисмо уважили преступну годину.

Тражењем комплементарног угла 90° могуће је одредити угао нагиба , такав да се с тим углом одржава поло-жај плоча у односу на хоризо-нталну раван тако да упадни зраци долазе увек под углом од 90°. Приказ угла Сунчевог кре-тања у односу на хоризонт, на географској ширини од 45˚ (не-ких 20km северно од Београда), и за три датума у години, при-казано је на слици десно :

СЛИКА 21. Кретање Сунца током године

и с т о к

з а п а д


22

Панели који нису помични, треба да су окренути што боље ка југу, како би примили што више зрачења током поднева, када је осветљај најјачи. Уколико није могуће заузети положај ка југу (рецимо, када се ћелије монтирају на кров куће, чије слеме није оријентисано у потпуности у правцу исток – запад ), онда се говори о углу азимута. Тај угао представља замишљени угао између праваца који заузима нормала на плочу фотонапонске ћелије и правац ка југу. Обележен је на слици са ознаком .

Овај угао узима вредност од 0 до 180 ˚ уколико је плоча усмерена десно, гледано у правцу југа, а од 0 до -180˚ ако је усме-рена лево од југа. Јасно је да уколико постављамо плоче на неизграђено тло, плоче ћемо свакако усмерити ка југу, док напротив, уколико их постављамо на коси кров куће, то није могуће. Добри резу-лтати се постижу уколико је плоча усмерена југоисточно или југозападно до 45˚, док за веће углове азимута је неопходно извршити корекцију у смислу повећања површине плоча. На слици 22 је представљено да су плоче усмерене југозападно под углом од 45˚, док је нагиб плоча у односу на хоризонт 30˚ (један прстен је 10˚). Као што видимо, и даље се налазимо у области потпуног осунчања од 100%, управо зато јер услед албеда околних предмета, имамо компоненту коју надокнађујемо одбијањем од њих. Ту компоненту не би смо имали, када би плоче поставили у хоризонталну раван.

СЛИКА 22. Утицај азимутног угла на осветљај

Јасно је да се фотонапонски модули, током свог рада тј. осветљавања, морају и загревати од зрачења, чија се компонента не претвара у електричну енергију већ у топлотну. Потребно је напоменути, да када се модули топлотно загревају, произведена струја остаје непромењена. Међутим, то за напон није случеј, где се напротив, напон на излазима модула смањује, и са тим смањењем има се умањена производња електричне енергије, што је и приказано на слици 23. Промена напона празног хода фотонапонског модула , у односу на

напон празног хода при уобичајеним испитним вредностима , као функција радне температуре ћелија, може се представити следећим изразом :

север

југ

исток запад

годишње осунчање у %


23

ć ∙ ∙ 25 ć (5.5)

где су : – промена коефицијента напона услед промене температуре и зависности од технологије израде фотонапонске ћелије (обично 2,2 / /ћелији за ћелије од кристалисаног силицијума и од 1,5 1,8 / /ћелији за ћелије у технологији танког филма) ; ć – број ћелија у редној вези у модулу.

СЛИКА 23 СЛИКА 24

Да би се избегле околности при којима долази до већег утицаја температуре услед загревања модула, неопходно је одржавати њихову температуру у погодном опсегу, а то се постиже израдом конструкције која дозвољава проветравање у обиму који је најпогоднији. Тако се постиже да губитак енергије услед пада напона не премаши максималних 7%.

Поред губитка енергије услед загревања плоча, постоји и губитак услед засенчења плоча, што је приказано на слици 24, а читав процес употребе преспојне диоде, је већ описан раније.

преспојна диода

сенка

осветљај

напон


24

6. ЕКОНОМСКА ИСПЛАТИВОСТ ИНВЕСТИЦИЈЕ

Да би неко решење о уласку у инвестицију било прихваћено, мора садржати две студије о изводивости : техничку и економску. Када вршимо техничку анализу често је неопходно да одаберемо између неколико могућих решења, која сва морају бити добра са техничког аспекта и која гарантују оптимално димензионисање инсталације. Оно што нас најчешће опредељује да одаберемо једно решење на супрот другог је наша процена економске предности тог решења, тј. његове исплативости.

Тачна економска анализа се изводи израдом студије исплативости , која упоређује почетну инвестицију са будућим приходом који се очекује да ће се остварити током животног века система.

Поједностављено објашњено, односе између прихода и расхода можемо представити на следећи начин :

Приход = Зарада – Трошкови (6.1)

где се мисли на следећи начин : Приход – је прилив новчаних средстава остварен из вишегодишње инвестиције, што соларни генератори и јесу и тако се морају посматрати (на вишегодишњем нивоу) ; Зарада – треба да представи вредност коју обрачунавамо у новцу а представља произведену електричну енергију ; Трошкови – представљају вредност у новцу која обухвата све врсте расхода у смислу трошкова израде соларних генератора и трошкова одржавања и неке резерве у виду делова за замену у случају кварова.

Релација (6.1) ће бити економски прихватива уколико у реалном животном веку погона буде остварен позитиван приход. Јасно је да ће приход у првих неколико година бити негативан, што представља да се читава инвестиција још није отплатила. Наравно, ми током пројектовања треба да остваримо да Приход буде у што већем броју година позитиван.

6.1 Будући приход

Ако предпоставимо да наша инвестиција производи у наредних неколико година понекад позитивне а некад негативне токове новца који су произведени у годинама трајања инвестиције, те токове новца у свакој години представићемо ознакама – ток новца у

првој години, – ток новца у другој години, ј – ток новца у ј-тој години, где ј

представљај број година инвестиције. Да би израчунали будући приход, ток новца за сваку годину мора се засебно израчунати и треба да буде коригован за вредност дисконтног фактора, који се рачуна на следећи начин :

11

(6.2) где су – новчани трошкови и рачунају се као =К – И , где су К – износ камате, И – износ инфлације, обе вредности на том годишњем нивоу за који се рачуна новчани ток. Тада се будући приход рачуна по образцу :


25

. .

1. .

(6.3)

где су : . . – почетни улог, – број година трајања инвестиције (улагања). Уколико се добије . . да има позитивну вредност, то значи да ће на крају инвестиционог периода бити остварена економска исплативост, што чини да је са финансијског аспекта инвестиција оправдана. У супротном, то значи да је инвестиција финансијски неоправдана.

6.2 Економски показатељи примене фотонапонских ћелија

Да би се остварио приход који је израчунат у претходном одељку, мора се предпоставити неки животни век односно период трајања инвестиције. Потребно је прорачунавати економске показатење фотонапонских генератора на периоду не већем од 25 година. Такође је потребно уважити и нешто од следећих фактора :

- подстицајне тарифе на произведену енергију (што се према важећим прописима Србије остварује само при предаји електричне енергије локалној електро-дистрибуцији) ;

- ненаплаћена енергија, која се користи за самопотрошњу, што у случају да се енергија не предаје електродистрибуцији представља 100% произведене енергије.

Изградња једног оваквог система захтева знатна почетна средства, али се мора схватити да након тога нема великих трошкова, поготово што је енергент који обезбеђује производњу бесплатан. Ови пратећи трошкови се процењују на 1 до 2 % трошкова изградње погона по години и укључују цену замене инвертора (ако је уграђен) у десетој или једанаестој години рада. Такође су укључени и ризици од крађе или штете услед атмосферских пражњења у инсталацију (у овој ставци се мисли да су овај трошак средства уплаћена у осигурање од поменутих појава).


26

7. ПРИМЕР ПРОРАЧУНА ФОТОНАПОНСКОГ СИСТЕМА

Овде ћемо приказати на који начин се врши одабир електричне опреме, као и економски прорачун исплативости инвестиције. Узећемо за пример израду прорачуна за фотонапонски систем који би био постављен на крову Техничког факултета. Овај систем би био намењен да се користи као извор електричне енергије, којим желимо да умањимо потрошњу електричне енергије која се конзумира из мрежног прикључка. Пошто је зграда Техничког факултета јавни објекат, намењен за извођење високошколске наставе, јасно је да овај објекат није запоседнут ноћу, изузев обезбеђења. Из тог разлога, нећемо узети у обзир ноћну потрошњу, јер је тада објекат празан. Из овога је јасно да се читава потрошња електричне енергије обавља током радних часова, па из овог разлога у фотонапоснком систему који предмет прорачуне, нећемо предпоставити постављање уређаја за акумулацију електричне енергије који имају задатак да повећају период употребе система и током ноћи. Избегавамо постављање акумулаторске станице како због њене мање потребе тако и због високе цене, јер један акумулатор типа NiCd од 100 Ah кошта око 170€, што практично представља цену једног фотонапонскогмодула од 100 W.

7.1 Одређивање положаја и нагиба плоча и енергије из таквог стања Пошто желимо да прикажемо прорачун за фотонапонски систем који би био постављен на крову Техничког факултета у Чачку, јасно је да за ту локацију треба да израчунамо вредности осунчаности. За тако нешто, имамо неколико избора. Највећу употребну

СЛИКА 25. Приказ програма Photovoltaic GIS

вредност имају програми : RET SCREEN12, као и PVWATTS13 и на крају, програм у који податке шаљу и метеоролошке станице у Србији, а то је програм Европске комисије, одсека

12 http://www.retscreen.net 13 http://rredc.nrel.gov/solar/calculators/PVWATTS/version1


27

за обновљиве изворе Photovoltaic Geographical Information System14. Пошто PVWATTS није могуће користити за Чачак (већ у Србији само за Београд), користићемо друга два. На слици 25 приказан је почетни екран програма PVGIS, и уносе се следећи параметри : TАБЕЛА 4

Параметар Могућности Одабрано по пројекту

PV tehnology - crystalline silicon - CIS - CdTe

crystalline silicon

Installed peak power [W] 3 Estimated system losses

[%] 0 – 100 12

Mounting position - Free standing - Building mounted

Free standing

Slope [˚] 0 – 90 21 Azimuth [˚] 0 – ±90 0

Tracking options 2 –axis Помоћу ове апликације добићемо неколико ставки, приказаних на слици испод :

Ed – просечна дневна производња ел. ене-ргије [kWh] за дати систем ; Em – просечна месечна производња ел. ене-ргије [kWh] за дати систем ; Hd – просечна дневна осунчаност [kWh·m-2] ; Hm – просечна месечна осунчаност [kWh·m-2] Нама је најбитнији податак Total for year из колоне Em. Из ње видимо да из нашег система назначене снаге 3 kWp, добијамо 3550 kWh. Угао β под којим ћемо држати плоче фото-напонских модула накренуте ка југу, рачу-намо по обрасцу (5.3) :

90 43°53′ 23,45 69,43°, што пре-дставља највећи угао који ће Сунце заузети најдужег дана у години, у односу на хориз-онт у области Чачка.

90 69,43 21° Дакле, при овом углу се има прав упадни угао зрака, у најдужем дану године. СЛИКА 26. Израчунате вредности из програма PVGIS Свакако да је најбоље да постоје уређаји за механичко померање плоча и праћење кретања Сунца у циљу што веће ефикасности, али овде то није узето у обзир због велике цене система. Како је зграда облика Г, на ламели чија је дужа страна усмерена ка југу биће искоришћена кровна површина за постављање фотонапонског система и соларног колектора. Како та ламела није у потпуности усмерена 14 http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php


28

дужом страном у правцу исток – запад, већ заузима азимутни угао од око 16˚ у правцу запада. На слици 22 је приказан утицај угла азимута на умањење осветљаја плоча. Приказано је да до 45˚ готово да нема утицаја у неком већем обиму, па нећемо умањивати енергију добијену овим путем услед угла азимута15. Ако уважимо укупни степен искоришћења од 90%, имамо енергију од 3195 kWh.

7.2 Одабир панела Ако по сопственој жељи одаберемо монокристалне панеле произвођача Zhejiang University, модел ZDNY-80C, који има 80 W снаге, потебно нам је 3200/80 = 40 панела. Од овог броја панела, по 20 ћемо везати на ред и онда те две групе по 20, повезати паралелно. Карактеристике једног панелу су следеће :

Номинална снага : 80 W

Димензије : 1194 542 35

Ефикасност : ∙ ∙ ,

12,36%

Напон : 12 V

Струја : 6 А

Напон празног хода VMPP : 22 V

Струја кратког споја IMPP16

: 6,8 А

Максимални напон низа панела : 600 V

Tемпературни коефицијент : - 0,43 % /˚C

Напонски температурни коефицијент : - 0,107 V/ ˚C Укупна површина која је потребна за постављање колекторских плоча је 40 ∙ 0,64725,88 . То је доста мање од расположиве површине равног крова, па је могуће поставити панеле. Ако претпоставимо да ће да температура панела услед сунчевог загревања бити у опсегу од 10 до 70 , потребно је да одредимо утицај промене температуре на напон који производе фотонапонске ћелије по образцу (5.5) :

ć ∙ ∙ 25 ć

јер се очекује да ће постојати одступање у вредности истог у односу на напон у пробним околностима. Зато се рачунају :

Максимални напон празног хода : 22 0,107 17 ∙ 25 10 25,75

Минимални напон MPP : 12 0,107 ∙ 25 70 7,185

Максимални напон MPP : 12 0,107 ∙ 25 10 15,75

Ради сигурности, потребно је димензионисати опрему која се користи, занапон око 20% виши од напона празног хода и то је 1,2 ∙ 22 26,4 25,75 , што је и више од максималног напона празног хода уз утицај температуре.

15 уколико се у програму PVGIS унесе азимутни угао од 16˚, добија се енергија од 3530 kWh 16 MPP - maximum power point – радна тачка у којој се има максимална одата снага 17 ć ∙ 36 ∙ 2,97

,ć0,107


29

7.2.1 Електриче особине низа панела

Напон MPP : 20 ∙ 12 240

Струја MPP : 2 ∙ 6 12

Максимална струја кратког споја : 1,25 ∙ 6,8 8,5

Максимални напон празног хода : 20 ∙ 26,4 528

Минимални напон MPP : 20 ∙ 7,185 143,7

Максимални напон MPP : 20 ∙ 15,75 314,5

7.3 Oдабир инвертора Пошто је у питању релативно мала енергија која се производи, одабраћемо инвертор базиран на PWM технологији, једнофазни. За овај случај, користићемо инвертор који је конструисан за рад и конверзију из система соларних модула. То је инвертор произвођача Danfoss, модел ULX 3600. Ово је једнофазни инвертор који има могућност софтверског праћења MPP. Овај инвертор има следеће особине :

DC улаз : o Номинална снага 3600 W o Номинални напон 310 V o Радни напон 180 – 350 V o Минимални напон искључења 100 V o Максимални напон на улазу 600 V

AC излаз : o Номинални напон 235±5% V o Учестаност 50±5 Hz o Максимална снага 3300 W

Kао што видимо, овај инвертор се добро уклапа у могућности овог фотонапонског система. Са ценом од 1100€ + пдв, спада у средњи ценовни опсег професионалних дуготрајних инвертора.

7.4 Димензионисање каблова Пошто је двадесет панела везано на ред, неопходно их је повезати + на – употребом једножилних изолованих каблова дужине 1 m. Један панел производи струју од 6А па је могуће користити проводник са попречним пресеком од 2,5 mm2. Tакав проводник уколико је израђен према IEC стандарду, мора имати изолацију способну да издржи напон од 600/1000 V, и струју од 35 А (за два суседна проводника). Пошто се проводници који повезују панеле у низ, могу загрејати Сунцем до температуре спољшности од 70˚C, неопходно је умањити преносни капацитет струје услед утицаја температуре, по образцу :

0,9 ∙ 0,91 ∙ 35 29 где је 0,9 фактор корекције за постављање проводника у кабловске цеви. И овакав преносни капацитет проводника од 29A је већи од струје кратког споја од 1,25 ∙ 6,8 8,5 . Неопходно


30

је повезати кућишта од панела проводником за уземљивање од 2,5 mm2. Пошто је предвиђено повезивање панела на ред, тиме се постиже излазни напон од 240 V, који је опасан по живот. Због тога је у близини панела неопходно предвидети прекидаче који ће искључивати каблове који повезују низ панела са инвертором.

СЛИКА 27. Шема везе фотонапонских панела, инвертора и разводне табле

Између низа фотонапонских колектора, преко прекидача, воде два проводника до инвертора. То су трожилни каблови са попречним пресеком од 2,5 mm2, oд којих су две жиле предвиђене за + и – пол, док је трећa жила намењена за уземљење. Како ће се проводници од оба низа касније спојити код инвертора, онда их је потребно заштити од спољних утицаја. Удаљеност од прекидача до инвертора је 3 m.

7.5 Провера на пад напона Да би се осигурали да немамо превелики губитак енергије на отпорности проводника неопходно је да се уверимо да пад напона неће бити мањи од 3%. Дужине проводника су :

спој панела у низ : 20 1 ∙ 1 19

спој панела и прекидача : 15

спој прекидача и инвертора : 3 Пад напона се рачуна помоћу :

+

‐

прекидачи

инвертор

разводна табла

ГКП

1

низ панела

⁄ 3 2,5

⁄ 3 2,5


31

∆ %∙ ∙ 2 ∙ ∙ 2 ∙

∙∙ 100

3200 0,02118 ∙ 19 0,018 ∙ 2 ∙ 15 0,018 ∙ 2 ∙ 32,5 ∙ 240

∙ 100 2,32%

Закључујемо да су проводници добро димензионисани.

7.6 Одабир заштитних елемената Ако користимо шему везе која предложена на слици 27, пошто проводници који повезују панеле и прекидаче, а затим прекидаче и инвертор, издржавају струју која је већа и од струје кратког споја, онда поменуте проводнике није потребно штити осигурачима. За осигурање од појаве пренапона, могуће је уградити уређај за заштиту од пренапона SPD, као заштитни елемент од евентуално индукованих струја услед атмосферских пражњења. Пожељно је уградити бројило активне енергије, ради евидентирања произведене електричне енергије. Са стране инвертора за наизменичну струју потребно је уградити прекидач са аутоматским осигурачем. На разводној табли предвиђен је одвод који се штити термомагнетном склопком за максималну струју 3200/240=13,33 А, усвајамо 16 А.

7.7 ЕКОНОМСКА АНАЛИЗА ИСПЛАТИВОСТИ Да би се овај систем израдио, потребно је купити следеће елементе : ТАБЕЛА 5 ред. број назив тип мера количина цена износ

1 соларни панели ZDNY-80C ком 40,00 22.000,00 880.000,002 инвертор Danfoss ULX 3600 ком 1,00 112.000,00 112.000,003 метална конструкција кутија 20х30 mm 6m ком 8,00 700,00 5.600,004 проводници Draka 3x2,5mm² дужни m 30,00 60,00 1.800,005 проводници Draka 1x2,5mm² дужни m 20,00 20,00 400,006 прекидачи двоположајни 0 и 1 ком 2,00 700,00 1.400,007 каналице 32х15 mm дужни m 30,00 70,00 2.100,00

укупно 1.003.300,00цена са пдв 18% 1.183.894,00

Ако користимо курс на дан 3.11.2011 од 101,92 динара за 1 €, онда је вредност инвестиције 11.721,00 €, од цене са пдв-ом. То је инвестициона цена, док је финансијска цена она без пдв-а,јер је пдв одбитна ставка по амортизационој стопи од 10% годишње, дакле 9.933,00 €. Како се порез приликом набавке мора платити, онда ћемо рачунати као да је цела инвестиција са пдв-ом. Приликом прорачуна економске исплативости, користићемо програм RETSCREEN.

18 Проводници који повезују панеле се загревају услед спољне температуре па им се мора кориговати отпорност

по образцу : 0,018 ∙ 1 0,004 70 25 0,021∙


32

Потребно је унети корисничке податке, да би се добио прорачун. На основном екрану треба у пољу Tip projekta одабрати Snaga. У пољу Tehnologija треба одабрати Fotonaponske ćelije. Поља Tip mreže и Tip analize оставити како стоје. Потом је потребно одабрати поље Pogledati klimatske uslove za lokaciju. Овде је потребно одабрати локацију где се налази фотонапонски систем. Пошто немамо Чачак,

одабраћемо најближе понуђено место, а то је Краљево, где се налази метеоролошка станица која је у мрежи међународног метеоролошког удружења. Након овог дела, потребно

СЛИКА

28.

Приказ попуњеног

енергетског

модела фотонапонскоог система


33

је променити картицу (језичак) и одабрати Energetski model. У том пољу треба попунити као што је приказано на слици испод, и добићемо анализу исплативости инвестиције, којуприказује графикон зелене боје. Као што се види са слике, инвестиција ће се са подацима који су унети, исплатити тек након 21 године, а за то имамо неколико разлога :

1. висок степен инфлације за нашу земљу 2. високе и неповољне камате на новчани дуг (претпоставио сам учешће Факултета

од 20% а остало на кредит) 3. ниска цена струје, јер није намењено да Факултет предаје енергију већ да

компензује ону коју конзумира, а она већ има нереално ниску вредност. Ако би се ова енергија предавала локалној електродистрибуцији, према условима Уредбе о мерама подстицаја за производњу елетричне енергије коришћењем обновљивих извора енергије, која предвиђа предајну цену по feed-in тарифи од 23 евроцента по киловат-часу, отплатни дијаграм би изгледао овако :

СЛИКА 29. Приказ промене исплативости након промене тарифног става за струју

У првом случају, након експлоатационог века фотонапонског система, остварили смо приход око 7500 €, што представља 64% инвестиције, док у другом имамо 22000 €, односно 187% инвестиције. У оба случаја инвестиција је исплатива.


34

8. СОЛАРНИ КОЛЕКТОРИ Соларни колектори представљају механичке конструкције, које услед загревања од Сунчевог зрачења, имају могућност преношења топлоте на загревани медијум, и служе за обезбеђивање топле санитарне воде. Састоје се од вакуумираних плоча (слика 30) и бојлера за измењивање топлоте (слика 31). Захваљујући највећем топлотном капацитету воде од 4,19 kJ/(kg K), употреба воде за загревање је врло практична.

СЛИКА 30. Соларни колектор СЛИКА 31. Бојлер – измењивач

Овакав систем је предвиђен за припрему топле санитарне воде и подршку систему централног грејања. Према личном избору, предвиђено је два колектора, површине 2,46 m2 као и бојлер измењивач, запремине 300 литара. Цена оваквог система износи : ТАБЕЛА 6 ред.број назив тип мера количина цена износ

1 колектор REHAU површина 5,92 28.000,00 165.760,00

2 бојлер-

измењивач REHAU Ком 1 75.000,00 75.000,00

3 пратећи материјал

10.000,00 10.000,00

250.760,00 Укупно са пдв-ом 18% : 295.900,00

Према званичном курсу на дан 3.11.2011, ово износи 2960 €.

8.1 Технички опис Овај систем је потребно поставити на кровну конструкцију под нагибом од 45˚. Потребно је извести прикључак ка бојлеру – измењивачу, који се налази у тоалету на другом спрату. Кроз кровну плочу извести две цеви, пречника 2'', топлотно изоловати и повезати са колектором и бојлером. Уколико је потребно интензивно загревање бојлера, потребно је у коло воде повезати пумпу у потисни вод. У супротном, није потребна. По жељи, могуће је поставити мерне уређаје температуре топле воде из колектора и притиска.


35

8.2 Економска анализа исплативости Као и код анализе исплативости фотонапонског система, користићемо програм RETSCREEN ради утврђивања новчаних токова. Потребно је попунити следећа поља, на првој страни основног екрана : у пољу Tip projekta одабрати Grejanje. У пољу Tehnologija треба одабрати Solarni grejač vode. Поља Tip mreže и Tip analize оставити како стоје. Потом је потребно одабрати поље Pogledati klimatske uslove za lokaciju. Овде је потребно одабрати локацију где се налази фотонапонски систем. Пошто немамо Чачак, одабраћемо најближе понуђено место, а то је Краљево. Након овог дела, потребно је променити картицу (језичак) и одабрати Energetski model. На слици испод дат је приказ попуњених параметара за потребе прорачуна, као и резултат економске анализе :

СЛИКА 32. Приказ економске анализе енергетског модела за соларни колектор

Као што се види са слике 33, ова инвестиција исплатиће се за 9,4 година и јасно је да са овом стопом инфлације и камате, тај период јесте велики. Али све једно, након истека периода инвестиције од 15 година, приход по основу уштеде на потрошњи електричне енергије износи 4000 €, што износи 135% инвестиције. Дакле, ова инвестиција је исплатива.


36

СЛИКА 33. Приказ економске анализе енергетског модела за соларни колектор, наставак


37

9. ЗАКЉУЧАК

Oвим дипломским радом , покушно је да се прикаже на који начин функционишу соларне ћелије. Овај рад у једном већем обиму се бави теоријским аспектима рада соларних ћелија (фотонапонских система), али исто тако и практични елементи нису занемарени .

У раду је приказан практичан начин прорачуна електричне енергије добијене из фотонапонских система, са посебним освртима на економску исплативост инвестиције у два случаја . Први случај је случај потрошње електричне енергије у самом објекту који на којем се налази систем, а други је кад би се енергија предавала локалној електродистрибуцији.

Такође, у једном мањем обиму су обрађени и соларни колектори, који због природе свог рада нису обрађени у значајнијој мери јер не припадају електротехничкој струци .

10. ЛИТЕРАТУРА [1] Др Владица Мијаиловић, Дистрибуирани извори енергије, Академска мисао, Београд , 2011 [2] Борис Лабудовић, Обновљиви извори енергије, Енергетика маркетинг, Загреб, 2002 [3] Antonio Luque, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, John Willey and sons London , 2009 [4] Solar energy international, Photovoltaics: Design and Installation Manual, Cannada 2006 [5] France Lansier, Photovoltaic Engineering Handbook, A.Hillger , 1990 [6] Rogger A. Messenger, Photovoltaic system engineering, CRC Press, 2002 [7] Stuart R. Wenham, Applied photovoltaics, University of California, 2011 [8] Photovoltaic plants, ABB [9] Удружени истраживачки центар Европске комисије : http://re.jrc.ec.europa.eu/esti/index_en.htm [10] http://en.wikipedia.org/wiki/Photovoltaic_system

Documents

Fotonaponski Sistemi i Solarni Kolektori