Fotonaponski sustavi [Priručnik]

Europska komisija izvrno je tijelo EU.

Vie o projektu na www.ipa-oie.com

FOTONAPONSKI SUSTAVI

Instrument pretpristupne pomoi Obnovljivi izvori energije

Instrument pretpristupne pomoi (eng. Instrument for

Pre-Accession Assistance IPA) pretpristupni je program

za razdoblje od 2007. do 2013. godine koji zamjenjuje

dosadanje programe CARDS, Phare, ISPA i SAPARD.

Osnovni ciljevi ovog programa su pomo u izgradnji

institucija i vladavine prava, ljudskih prava, ukljuujui

i temeljna prava, prava manjina, jednakost spolova i

nediskriminaciju, administrativne i ekonomske reforme,

ekonomski i drutveni razvoj, pomirenje i rekonstrukciju

te regionalnu i prekograninu suradnju.

IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala

doprinosi jaanju gospodarske i socijalne kohezije, te

prioritetima Europske strategije zapoljavanja u podruju

zapoljavanja, obrazovanja, strunog osposobljavanja i

socijalnog ukljuivanja.

Europsku uniju ini 27 zemalja lanica koje su odluile

postupno povezivati svoja znanja, resurse i sudbine.

Zajedniki su, tijekom razdoblja proirenja u trajanju

od 50 godina, izgradile zonu stabilnosti, demokracije

i odrivog razvoja, zadravajui pritom kulturalnu

raznolikost, toleranciju i osobne slobode. Europska

unija posveena je dijeljenju svojih postignua i svojih

vrijednosti sa zemljama i narodima izvan svojih granica.

Prirunik

Ovaj projekt financira Europska unija

Ova publikacija izraena je uz pomo Europske unije. Za sadraj ove publikacije odgovorna je Srednja kola Oroslavje i ne odraava stavove Europske unije.

Ljubomir Majdandi

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

Project financed by the European UnionIMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA: Increasing knowledge and information on Renewables

Projekt je financiran sredstvima Europske unijeIMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Provedbeno tijelo: Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO

Nositelj projekta: Srednja kola Oroslavje

Partneri na projektu: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Grad Oroslavje

Struni suradnici: Darko Cobovi, dipl. ing. Goran Nuskern, dipl. ing.

Autor:Doc. dr. sc. Ljubomir Majdandi, dipl. ing. HSUSE Hrvatska struna udruga za sunevu energiju

Izdava: Tehnika kola Ruera Bokovia u Zagrebu Srednja kola Oroslavje

Tehniki urednik: Mario Lesar, graf. ing.

Dizajn i promocija: Culmena d.o.o.

Web adresa:www.ipa-oie.com

Sadraj

1. UVOD ............................................................................................. 1

2. FIZIKALNE OSNOVE ......................................................................... 6

2.1. Kristali i podjela ............................................................................ 6 2.1.1. isti poluvodii ....................................................................... 7 2.1.2. Poluvodii s primjesama ............................................................. 8

2.2. Poluvodika dioda (PN spoj) .............................................................. 9

2.3. Solarne elije ............................................................................. 10 2.3.1. Poetak razvoja solarnih elija ..................................................... 10 2.3.2. Fotonaponski efekt ................................................................. 11 2.3.3. Izravna pretvorba suneva zraenja u elektrinu energiju ........................ 11

2.4. Izrada solarnih elija ..................................................................... 13

3. SOLARNI FOTONAPONSKI SUSTAVI ................................................... 17

3.1. Samostalni fotonaponski sustavi ......................................................... 17 3.1.1. Hibridni fotonaponski sustavi ...................................................... 18

3.2. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije ........................................................... 19

3.2.1. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mree preko kune instalacije snage do 30 kW ................................... 21

3.2.2. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije snage od 30 kW do 100 kW ...................... 21

3.2.3. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije snage vee od 100 kW ............................ 22

3.3. Fotonaponski sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu .......... 22 3.3.1. Fotonaponski sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku

mreu snage do 10 MW ............................................................ 23 3.3.2. Fotonaponski sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku

mreu snage od 10 MW do 30 MW ................................................ 23 3.3.3. Fotonaponski sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku

mreu snage vee od 30 MW ...................................................... 24

3.4. Ugradnja fotonaponskih modula od tankog filma ....................................... 24

3.5. Fotonaponski moduli na proelju graevina ............................................ 25

3.6. Stakleni krovovi graevina s fotonaponskim modulima ................................ 26

3.7. Nadstrenice za vozila od fotonaponskih modula ....................................... 28

3.8. Fotonaponski moduli ugraeni na autocestama .......................................... 28

3.9. Fotonaponski moduli na zatienim spomenicima kulture .............................. 28

3.10. Fotonaponski sustavi u Republici Hrvatskoj prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije ........................................ 29

3.11. Potrebna povrina za proizvodnju elektrine energije iz fotonaponskih sustava ....... 30

3.12. Sigurnosna zatita fotonaponskih sustava ................................................ 32 3.12.1. Gromobranska instalacija ........................................................... 32 3.12.2. Izjednaenje potencijala ............................................................. 33 3.12.3. Odvodnici prenapona ............................................................... 34 3.12.4. Uzemljivai i sustavi uzemljenja ................................................... 35

3.13. Fotonaponski sustavi u Europi i svijetu .................................................. 35

4. PRORAUN FOTONAPONSKOG SUSTAVA S EKONOMSKOM ANALIZOM .... 38

4.1. Programi za simulaciju, dimenzioniranje i oblikovanje fotonaponskih sustava ........ 38

4.2. Ekonomska analiza i povrat investicije u fotonaponski sustav .......................... 40

DODATAK ......................................................................................... 43

Karte ozraenosti vodoravne plohe ukupnim sunevim zraenjem u Republici Hrvatskoj

1. Uvod

Sunce je glavni izvor elektromagnetskog zraenja koje prolazi atmosferom i neiscrpan je obnov-ljivi izvor energije. Ono daje energiju koja odrava ivot, pokree atmosferu i razliitim sustavi-ma gibanja oblikuje vrijeme i klimu.

Danas se smatra da je Sunce nastalo od nakupine meuzvjezdanog plina koja se poela sai-mati zbog gravitacijskog privlaenja. To je prouzroilo rast temperature te se prvotni izvor energi-je naziva gravitacijsko saimanje. Zbog zagrijavanja je plin poeo zraiti i nastalo je "prasnue". Potvrdu takve hipoteze moemo nai u zvijezdama koje tek nastaju u oblacima meuzvjezdanog plina (tzv. protozvijezde). Kako se "prasnue" saimalo, u jezgri je rasla gustoa i temperatura, pa su u odreenoj fazi saimanja nastali uvjeti za poetak termonuklearne fuzije vodika u helij. Tako je stvoren nov izvor energije, Sunce.

Plin koji se u nuklearnim reakcijama poeo jo vie zagrijavati, dostigao je dovoljan pritisak da izbalansira gravitacijsko privlaenje i tako zaustavi daljnje saimanje. Tim procesom nastalo je Sunce. Procjene starosti Sunca pokazuju da se to zbilo prije oko 5 milijardi godina, a ostaje mu jo toliko dok ne potroi sav raspoloivi vodik za fuziju, to je oko 10 % ukupne koliine vodika na Suncu.

O tome kako su jo uvijek burne reakcije na Suncu najbolje govori podatak da svake sekunde sa suneve povrine u obliku solarnog vjetra odlazi 3 000 tona. Ako bi na taj nain sa Sunca otila cjelokupna tvar, bilo bi potrebno 200 000 milijardi godina. Tako dobivena ogromna koliina energije, termonuklearnim reakcijama u unutranjosti Sunca, ne samo da je stvorila nune uvjete za nastanak i razvoj ivotnog ciklusa na Zemlji, nego nam je podarila i zalihe energije kojima se svakodnevno koristimo kao to su ugljen, nafta i prirodni plin.

Uzmemo li u obzir da Sunce samo u jednoj sekundi oslobodi vie energije nego to je naa ci-vilizacija tijekom svojeg razvoja iskoristila, vanost istraivanja energije Sunca i pretvorbe ener-gije suneva zraenja u korisne oblike energije poprima sasvim novu dimenziju s velikom mogunou rjeavanja problema energetske krize, koja je u svijetu sve prisutnija.

Na slici 1.1. prikazano je godinje sunevo zraenje na povrini Zemlje u usporedbi s godinjom potronjom energije u svijetu, te zalihama fosilnih (ugljen, nafta, plin) i nuklearnih goriva (uran).

godinje sunevozraenje

zalihe ugljena

zalihe nafte

zalihe urana

zalihe plina

godinja potronja energije u svijetu

godinje Sunevo zraenje

Slika 1.1. Godinje sunevo zraenje na povrini zemlje u usporedbi sa zalihama

fosilnih i nuklearnih goriva te godinjom potronjom energije u svijetu (Izvor: Njemaka udruga za sunevu energiju Deutschen Gesellschaft fr Sonnenenergie e.V)

Ljubomir Majdandi: Fotonaponski sustavi [Prirunik] 1

Snaga sunevog zraenja iznosi oko 3,81023 kW, odnosno 3,31027 kWh/god., od ega samo mali dio stigne na zemlju pod prostornim kutom od 32', odnosno 0,53. Do vrha Zemljine atmos-fere dolazi samo pola milijarditog dijela emitirane energije, tj. oko 1,751014 kW ili 1,531018

kWh/god. Ta snaga prelazi vie od 100 000 puta snagu svih elektrana na zemlji kad rade punim kapacitetom. Ogromna je koliina energije od suneva zraenja. Manje od jednog sunanog sata dovoljno je da pokrije cjelokupnu potrebu za energijom gotovo 6,5 milijardi ljudi koji ive na ovom planetu. (Prikazano malom plavom kockicom na slici 1.1.)

Slika 1.1. zorno pokazuje prirodni potencijal energije suneva zraenja. To je velika uta koc-ka, koja je 50 puta vea od zbroja svih zaliha fosilnih i nuklearnih goriva. Trenutano je tehniki potencijal energije suneva zraenja jo uvijek vei od svjetske potronje energije, koja je prika-zana malom plavom kockicom.

Unato tome da se oko 30 % energije suneva zraenja reflektira natrag u svemir, jo uvijek Zemlja od Sunca godinje dobiva oko 1,071018 kWh energije, to je nekoliko tisua puta vie ne-go to iznosi ukupna godinja potronja energije iz svih primarnih izvora.

Energija koju su apsorbirale atmosfera ili povrina Zemlje, pretvara se u toplinsku energiju. Oko 23 % potroi se za isparavanje i nastajanje oborina u atmosferi, a ostatak, oko 47 %, primi Zemlja u obliku ogromne koliine energije. Zagrijavanje prouzrokuje isparavanje vodenih povri-na, stvara vjetrove i morske struje i, to je najvanije, omoguuje ivot.

Zanimljivo je da se tek tisuitim dijelom energije, koja dolazi do tla, koriste biljke u procesu fotosinteze za nastajanje biomase, a ovjeanstvo se uglavnom koristi energijom koju su biljke skupljale milijunima godina i to kroz eksploataciju nafte, ugljena ili prirodnog plina. Neznatan dio energije suneva zraenja uzrokuje nastajanje valova i vodenih strujanja u morima i oceanima te stvaranje vjetra i zranih strujanja u atmosferi, a takoer i zanemariv dio slui u fotosintezi za pro-izvodnju biomase. Udio suneve energije na kopnenoj povrini iznosi samo jednu petinu, a osta-tak suneve energije apsorbiraju mora i oceani.

Zbog toga kaemo da su svi izvori energije, osobito obnovljivi, samo razliite pretvorbe i ob-lici energije suneva zraenja. (Slika 1.2.)

Slika 1.2. Razliite pretvorbe i oblici energije suneva zraenja

injenica je da su konvencionalni izvori energije (ugljen, nafta, plin, nuklearna goriva) ogra-nieni i iscrpljivi, a energetski sektor veim je dijelom uzrok emisije SO2, NOx, te osobito stakle-nikog plina ugljikova dioksida CO2, koji najveim dijelom doprinosi globalnom zatopljenju i klimatskim promjenama. Stoga je prijeko potrebno osigurati sklad suvremenog naina ovjekova ivota i stupnja tehnolokog napretka, tehnocivilizacije 21. stoljea, s prirodom i odrivim razvo-jem, za dobrobit sadanjih i buduih narataja.

Implementacija novih kurikuluma: Poveanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije2

Upravo zbog gore navedenih spoznaja energija se mora dobivati iz novih izvora energije, kao to su suneva 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., to je vano za gospodarski i energetski sustav svake zemlje. Prijeko je potrebno da ti novi izvori energije budu u skladu sa zatitom okolia i odrivim razvojem bez emisije tetnih tvari.

Kako sa stajalita odrivog razvoja u energetici moraju biti usklaeni ekonomski i ekoloki ci-ljevi drutva, ovom se knjigom eli ukazati na to kako se upravo koritenjem sunevom energije moe dobiti dovoljna koliina prijeko potrebne energije. Tako e se ostvariti gospodarski rast bez naruavanja ekolokog sustava, kao prirodne zajednice svih ivih bia ovog planeta, a prije svih ovjeka. To emo i praktino pokazati.

Suneva energija bi, kao izrazito prihvatljiv obnovljivi izvor energije, u bliskoj budunosti mogla postati glavni nositelj ekoloki odrivoga energetskog razvoja. Zbog toga se intezivno is-trauju novi postupci i procesi pretvorbe suneve energije u elektrinu, toplinsku ili energiju hla-enja, to e biti objanjeno u sljedeim poglavljima ove knjige.

Konano, uzmemo li u obzir visoku cijenu klasine energije, a i cijena barela nafte uestalo raste, stoljetno crpljenje tradicionalnih fosilnih izvora energije, te sve stroe ekoloke zakone i propise, moemo zakljuiti kako e koritenje suneve energije, uz zatitu okolia, postati posao budunosti.

Tehniki potencijal energije suneva zraenja koji padne na neku graevinu (zgradu), slika 1.3., nekoliko je puta vei od potreba takve zgrade za energijom. Na tritu ve postoje tehniki ureaji i oprema kvalitetne tehnike razine, s prihvatljivom cijenom, za pretvorbu energije sune-va zraenja u elektrinu, toplinsku ili u energiju hlaenja. Time je postignuta udobnost boravka u takvoj zgradi, smanjen je uvoz energenata, osigurana je sigurna opskrba i znatno je smanjen nega-tivan utjecaj na okoli iz energetskog sektora.

Slika 1.3. Ogroman potencijal energije suneva zraenja pada na svaku graevinu

Razliite su procjene o koritenju suneve energije u Hrvatskoj. Neke su pesimistine, druge suvie optimistine, ali zajedniko im je da e se poveati njihov udio u buduoj energetskoj pot-ronji. Takoer je sigurno, to se vie novca i truda uloi u razvoj i potporu toj tehnologiji, bit e


djelatvornija njihova primjena, to u konanici vodi otvaranju novih radnih mjesta u malim i sred-njim poduzeima. Mnoge su zemlje izradile, i prihvatile, ostvarenje takvih rjeenja i ulaganja kao opu korist i gospodarski isplativo ulaganje, posebno nakon ubrzanoga tehnolokog razvoja i nji-hove masovne primjene.

Naalost, trenutano se Republika Hrvatska, iako ima izrazito povoljne uvjete za uporabu sun-eve energije, i to neusporedivo povoljnije od mnogih drugih zemalja, nalazi na samom dnu Eu-rope po ugraenom broju takvih sustava, te se moe rei da u Hrvatskoj nije iskoritena kompara-tivna prednost u pogledu pretvorbe energije suneva zraenja u elektrinu, toplinsku ili energiju hlaenja.

Teoretski potencijal energije suneva zraenja daleko je vei od ostalih obnovljivih izvora energije, kao na primjer biomase, vodenih snaga i snage vjetra, koji su takoer samo posljedica ili neki oblik pretvorbe suneve energije.

Tehniki iskoristiv potencijal suneve energije, dakle onaj koji se danas tehniki i tehnoloki moe iskoristiti za pretvorbu energije suneva zraenja u elektrinu, toplinsku ili energiju hlae-nja, jo je uvijek vei od ukupne svjetske potronje energije. (Slika 1.4.)

600

100 100 30

0

100

200

300

400

500

600

1Sunevo zraenje biomasa vodena snaga snaga vjetra

teoretski potencijal, EJ/god. 2 500 000 100 000 158 100

tehniki iskoristiv potencijal, EJ/god.

EJ = 1018 J = 280 TWh = 280 109 kWh

Slika 1.4. Teoretski i tehniki potencijal obnovljivih izvora energije

Temeljem pouzdanih simulacija potronje energije procjenjuje se da e ukupna potronja energije u 2050. godini iznositi oko 1190 EJ. Zanimljivo je da e udio obnovljivih izvora energije, vjerojatno prvi put, biti vei od konvencionalnih (klasinih) izvora energije. (Slika 1.5.)

S obzirom na to da se energetika 21. stoljea temelji na obnovljivim izvorima energije, uz stroge ekoloke mjere, predvieni scenarij koritenja primarnom energijom 2100. godine uglav-nom e se sastojati od kombinacije (razliitih) istih izvora energije meu kojima suneva energi-ja ima vodeu ulogu. (Slika 1.6.)

Za Republiku Hrvatsku je od iznimne vanosti koritenje suneve energije i ona mora biti ivo zainteresirana za taj obnovljivi izvor energije te ui u podruje znanja i mudrosti koritenja sune-vom energijom kao to je to u zemljama Europske unije.


Hrvatska je zemlja raznolikog prirodnog bogatstva i ljepote, jo uvijek istog okolia, iste vode i zraka te istog mora, s 1185 velikih i malih otoka. Stoga opskrba elektrinom energijom pomou fotonaponskih modula i toplinske energije za grijanje i pripremu potrone tople vode po-mou solarnih toplinskih sustava, nema alternative, poglavito za male i velike otoke, priobalje, zaobalje, a i cijelu Hrvatsku.

0

100

30

310

50

435

135

565

380

565

620 570

0

100

200

300

400

500

600

700

1 2 3 4 5 6

obnovljivi izvori energijekonvencionalni izvori energije

1960 1980 2000 2020 2040 2060

potro

nja

ene

rgije

, EJ

EJ = 1018 J = 280 TWh = 280 109 kWh

Slika 1.5. Rast obnovljivih izvora energije i udio u ukupnoj potronji energije do 2060.godine

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1000

nafta ugljen plinhidroelektrane biomasa (tradicionalno) biomasa (suvremeno) vjetroelektrane sol. termoelek. i fotonapon solarni kolektori ostali obnovljivi izvori geotermalna

EJ/goEJ = 1018 J = 280 TWh = 280 109 kWh

Slika 1.6. Predvieni scenarij koritenja primarnom energijom 2100. godine


2. Fizikalne osnove

2.1. Kristali i podjela Kristali su vrsta tijela sastavljena od atoma, iona ili molekula u kojima se ponavlja njihov trodi-menzionalni raspored s pravilnom meusobnom udaljenou tvorei tzv. kristalnu reetku. Kristali sa savreno pravilnom reetkom idealizacija su dok je u realnoj kristalnoj reetki geometrijska pravilnost naruena raznim utjecajima (npr. toplinskim, klizanjem i sl.). Promjena strukture utjee na mehanika, toplinska, elektrina i magnetska svojstva kristala.

Materijali vani za izradu fotonaponskih solarnih elija mogu doi u obliku monokristala, po-likristala (multikristala) ili kao amorfne tvari. Ako se itav aktivni obujam elija sastoji od samo jednog kristala, onda je takva elija monokristalna. Ako se u procesu rasta kristala veih dimenzi-ja formira vie kristala (obino zajedniki orijentiranih), i iz takva kristalnog bloka izree ploica za izradu solarne elije, onda takve elije nazivamo polikristalnim ili multikristalnim.

Amorfne tvari ne posjeduju pravilan raspored atoma duljeg dosega kao kristali. Obino nasta-ju ako se rastaljeni materijal vrlo brzo hladi, tako da se molekule ne stignu organizirati u termodi-namiki stabilnija kristalna stanja. Drugi je nain da se pravilna kristalna reetka nekog materijala oteti vanjskim utjecajem, npr. usaivanjem (implantacijom) ubrzanih iona koji ih, zbog sudara s atomima mete, izbacuju iz vorova reetke. Pritom e povrinski slojevi mete postati amorfni sa-mo ako je temperatura mete previe niska da bi izbaeni atomi kasnije mogli difundirati natrag na svoje poetne poloaje.

Industrijski su vanije tehnologije dobivanja tankih amorfnih filmova putem depozicije ras-praivanjem ("sputtering") ili depozicijom iz pare kemijskih reaktanata (CVD) na neke povrinu podloge. Ako se temperatura podloge dri dovoljno niskom, deponirani atomi na povrini nee imati dovoljno energije da difundiraju uzdu povrine i nau na njoj mjesto s ureenom kristal-nom strukturom. Svaka od ovih tehnika depozicije ima specifinu temperaturu podloge, ispod koje se dobiva amorfni film, a naprotiv, zagrijavanjem na vie temperature, amorfne tvari prela-ze u polikristalne.

Ako je veliina kristalia vrlo mala (ispod 2 nm), teko je razlikovati kristalnu od amorfne fa-ze, jer i amorfne tvari imaju neki pravilan raspored atoma na malu udaljenost (ispod 5 nm). U graninom podruju, izmeu ove dvije faze, nalazi se, posebno kod tankih slojeva silicija, tzv. nanokristalna faza (nc-Si) ili mikromorfni materijal. Ona takoer ima amorfnu fazu, ali se unutar amorfne faze nalaze i sitna kristalna zrnca.

Nanokristalni silicij je jedan od materijala budunosti za izradu solarnih elija. Ima povolj-nija svojstva od amorfnog silicija (a-Si) zbog vee pokretljivosti elektrona, poveane apsorpcije fotona u crvenom i infracrvenom podruju suneva spektra i, to je jo vanije, zbog znatno ve-e otpornosti prema degradaciji svojih fotoelektronikih svojstava. Vrlo je povoljno da se takav materijal moe proizvesti samo mijenjamjem proizvodnin parametara u postojeim pogonima za depoziciju a-Si, metodom CVD, stimuliranom plazmom (PECVD), pri razmjerno niskim tempe-raturama.

Prema sposobnosti provoenja elektrine struje materijale moemo podijeliti na vodie (meta-le), poluvodie i izolatore. Ovdje specifina elektrina vodljivost moe poprimiti veoma velik ras-pon te za dobre vodie kao to su metali ona iznosi od 106 do 108 -1m-1, kod izolatora od 10-20 do 10-8 -1m-1, a za poluvodie je izmeu ovih vrijednosti, tj. od 10-7 do 105 -1m-1.

irina zabranjenog pojasa energija, odnosno energijska irina zabranjene vrpce (Eg) kod polu-vodia iznosi oko 1 eV, kod metala ispod ove vrijednosti, a kod izolatora je vea od 6-10 eV. Kod izolatora je valentni pojas ispunjen elektronima, vodljivi je pojas prazan i ne postoji gibanje elek-trinog naboja primjenom elektrinog polja. Najvii pojas energija kod metala samo je djelomino


ispunjen, ili puni pojasevi prekrivaju jedan prazni, a postoji barem jedan valentni elektron po ato-mu u tim pojasevima. Ti se elektroni mogu slobodno gibati u elektrinom polju, a kako postoje u velikom broju, elektrina vodljivost je velika.

Stanje kod poluvodia slino je onome kod izolatora, osim to su tamo u znaajnijem broju uvedeni dodatni elektroni i upljine u kristalu, ali jo uvijek manjem od broja prisutnih atoma, pa je tako i njihova vodljivost manja nego kod metala (vodia).

Elektrini vodi je materijal koji obiluje slobodnim elektronima pa stoga dobro provodi elek-trinu struju. Elektrini vodii mogu biti metali (zlato, srebro, bakar, aluminij i dr.), ugljen za et-kice elektromotora i elektroliti (otopine soli, kiselina i luina).

Elektrini su izolatori materijali koji gotovo nemaju slobodnih elektrona pa stoga ne provode elektrinu struju. Elektrini izolatori mogu biti neorganskog (porculan, staklo, mramor, azbest i dr.) ili organskog podrijetla (guma, papir, prepan, fiber, pamuk, PVC masa i dr.).

2.1.1. isti poluvodii isti su poluvodii oni koji se sastoje od atoma samo jednog elementa, bez ikakvih primjesa, ili koji sadre tako malo primjesa (neistoa) da one ne utjeu na njihove karakteristike. Atomi u kri-stalnoj reetki poluvodia povezani su meusobno kovalentnom vezom.

Na slici 2.1. prikazan je energijski dijagram istog poluvodia. Na termodinamikoj nuli va-lentna je vrpca popunjena elektronima, a vodljiva vrpca je prazna. Izmeu valentne i vodljive vrp-ce nalazi se energijska irina zabranjene vrpce poluvodia Eg. O irini te vrpce ovise razliita svojstva poluvodia.

elektron upljina

vodljiva vrpca

valentna

Eg

T= 0 K T > 0 K

Slika 2.1. Energijski dijagram istog poluvodia

Pri temperaturama veim od 0 K termikom pobudom se oslobode elektroni iz meuatomskih veza. Time se istodobno stvore parovi elektron-upljina s jednakim brojem elektrona u vodljivoj vrpci i upljina u valentnoj vrpci (slika 10.2.). To znai da je u istom poluvodiu broj upljina u valentnoj vrpci jednak broju elektrona u vodljivoj vrpci.

Ako se primijeni elektrino polje, oni e se gibati u suprotnim smjerovima. Ako se susretnu, elektron e popuniti kovalentnu vezu i pasti u valentni pojas. Taj se proces naziva rekombinacija. to je temperatura via, poveat e se njihov broj i elektrina vodljivost. Takoer i pri sobnoj temperaturi mogu elektroni iz valentne vrpce prelaziti u vodljivu. Kako je koncentracija elektrona jednaka koncentraciji upljina, njihov je umnoak za odreeni poluvodi konstantan i ovisi samo o temperaturi.

Osim toplinskom uzbudom elektroni mogu prelaziti iz valentne vrpce u vodljivu, ozraiva-njem elektromagnetskim valovima (apsorpcija fotona) ili radioaktivnim zraenjem. Energija fotona pritom mora biti vea od irine zabranjenog pojasa Eg. Tako uzrokovana vodljivost nazi-va se fotovodljivost.


Raspodjelu elektrona u doputene nivoe opisuje Fermijeva funkcija:

( ) ( )f1

e 1E E kTf E

=

+

gdje je: E energija doputenog stanja, J Ef Fermijeva energija, J k Boltzmannova konstanta, (1,380610-23 J/K) T termodinamika temperatura, K

2.1.2. Poluvodii s primjesama Ako se istom poluvodiu (npr. Si) dodaju primjese, onda se od istog silicija dobije p-tip odnos-no n-tip poluvodia. Atomi primjesa imaju 3, odnosno 5 valentnih elektrona.

Ako se atom silicija (Si) u kristalnoj reetki zamijeni peterovalentnim atomom fosfora (P), njegova etiri valentna elektrona popune kovalentne veze s ostalim atomima silicija. Peti elektron u suviku nee biti zadran u kemijskoj vezi, jer za njega na raspolaganju nema praznih stanja, pa ga jedino atom fosfora jo privlai slabom kulonskom vezom koja se lako prekida, npr. termikom 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 reetki, a silicij je tada N-tipa.

Kod kristalne reetke s trovalentnim primjesama, primjerice s atomom bora (B), dolazi do manjka u valentnim elektronima. Tri elektrona popunjavaju kovalentne veze s trima od etiriju susjednih atoma silicija, no etvrti atom ima samo jednoelektronsku vezu, tj. nastala je upljina. Na slian nain kao kod primjese fosfora, upljina je vezana slabom kulonskom silom na atom bora. Ako se od njega udalji, etvrta se kovalentna veza oko indija popuni, i indij ostane s jednos-trukim negativnim nabojem. Tako su elementi 3. skupine, kao primjese u siliciju akceptori jer mogu primiti elektrone i tako uvesti upljine 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 elektrina vodljivost N-odnosno P-tipa, a N-tip sadri mnogo vie negativnih nosi-laca naboja (elektrona) nego pozitivnih (upljina). Elektroni su veinski, a upljine manjinski no-sioci naboja. Kod P-tipa stanje je obrnuto i upljine su veinski nosioci naboja.

Neke primjese iz drugih skupina periodnog sustava elemenata (kao npr. litij), ulaze u reetku silicija ili germanija u meuprostorni poloaj, djelujui tako kao donori. Pored tih elementarnih poluvodia postoje i poluvodiki spojevi III. i V. skupine ili II. i VI. skupine, kao to su npr. Ga-As 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. Slina razmatranja vrijede i za II.-VI. poluvodike spojeve.

Uinci nestehiometrije

Razlog za uvoenje donora i akceptora u elementarne poluvodie i poluvodike spojeve, mogu biti i defekti u kristalnoj reetki kao to su praznine i meuprostorni atomi. Kod spojeva moe do-i do nestehiometrije, zbog praznog mjesta u reetki jedne od komponenti spoja ili zbog vika je-dne komponente u meuprostornom poloaju. Na primjer, u pomalo ionskoj reetki CdS, donorski centar moe nastati uhvatom jednog ili vie elektrona na mjestu anionske praznine sumpora. Kako je ovdje u suviku kadmij, da bi se sauvala elektrika neutralnost kristala, dva se elektrona moraju dodati za svaki ion sumpora u manjku. Blizu te praznine postoji isti pozitivni naboj koji ponovno privlai dodatne elektrone oko tog centra. Oslobaanjem uhvaenih elektrona, oni iz praznine ulaze


u vodljivi pojas i doprinose elektrinoj vodljivosti (dvostruki donori). Kako je za to potrebna neto veae energija ionizacije, donorski nivoi navedenih centara nalaze se zbog atoma primjesa neto dublje u zabranjenom pojasu.

Temperaturna ovisnost elektrine vodljivosti Jedna od posebnih karakteristika poluvodia je promjena elektrine vodljivosti s promjenom tem-perature. Kod metala elektrina vodljivost normalno opada s porastom temperature zbog sve vee frekvencije sudara elektrona s titrajima reetke. Naprotiv, kod poluvodia u odreenom tempera-turnom podruju vodljivost s temperaturom naglo raste. Pri niskim su temperaturama elektroni (upljine) uhvaeni u primjesnim i defektnim centrima i vodljivost je mala. S porastom temperatu-re sve se vei broj tih centara ionizira, a osloboeni nosioci sve vie sudjeluju u procesu voenja elektrine struje. Kada su svi ionizirani, vodljivost ponovno poinje pomalo opadati, kao kod me-tala. Kod jo viih temperatura dolazi do drugog naglog porasta vodljivosti zbog pobude intrinsi-kih nosilaca naboja, izravno preko zabranjenog pojasa (vrpce).

Opa jednadba za broj elektrona u vodljivoj vrpci priblino je dana sljedeim izrazom: ( )f c /

c eE E k Tn N =

gdje je: Nc gustoa stanja elektrona u vodljivoj vrpci, 1/m3 Ec energija dna vodljive vrpce, J, eV Ef Fermijeva energija, J k Boltzmannova konstanta, (1,380610-23 J/K) T termodinamika temperatura, K

2.2. Poluvodika dioda (PN-spoj) Sunana je elija u biti PN-spoj (poluvodika dioda). PN-spoj nastaje kada se jednom dijelu kris-tala istog poluvodia dodaju trovalentne (akceptorske) primjese, tako da nastane p-tip poluvodi-a, a drugom dijelu peterovalentne (donorske) primjese, te nastaje n-tip poluvodia. Na granici izmeu tih dvaju podruja (PN-spoj), kao posljedica gradijenta koncentracije, nastaje difuzija elektrona iz n-podruja prema p-podruju i upljina iz p-podruja prema n-podruju. Fermijeva je energijska razina Ef na sredini jer je broj elektrona u vodljivoj vrpci jednak broju upljina u valen-tnoj vrpci (slika 2.2.).

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

elektron upljina elekt

---------------------------------------------------- Ef (F

vodljiva vrpca

valentna

Slika 2.2. Energijski dijagram za isti poluvodi

Bitno je svojstvo PN-spoja njegovo ispravljako djelovanje, tj. lake vodi struju kad je p-podruje 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 proputa struju samo u jednom smjeru. Ako se na PN-spoj prikljui izvor vanjskog napona u propusnom smjeru, tako da je pozitivan pol na


p-strani a negativan na n-strani, protekne struja elektrona iz n-podruja prema p-podruju i uplji-na iz p-podruja prema n-podruju.

Koncentracija upljina na p-strani ne mora biti jednaka koncentraciji elektrona na n-strani. Ako je, na primjer, n-strana znatno jae dopirana primjesama od p-strane, bit e znatno jaa struja elektrona preko p-n spoja nego struja upljina kad je dioda vezana u propusnom smjeru, tako da dolazi do injekcije elektrona u p-podruje.

Veza izmeu vanjskog napona U i jakosti struje Id kroz PN-spoj, tzv. I,U-karakteristika diode, moe se prikazati jednadbom:

( )/d z e 1eU kTI I= gdje je:

Id struja diode (jakosti struje kroz PN-spoj), A Iz struja zasienja, A e elementarni naboj, (1,602176462 10-19 C) U elektrini napon, V k Boltzmannova konstanta, (1,3806 10-23 J/K) T termodinamika temperatura, K

2.3. Solarne elije

2.3.1. Poetak razvoja solarnih elija Prvu solarnu (silicijevu) eliju otkrio je 1941. godine Russell Ohl, no njezina djelotvornost pret-vorbe bila je ispod 1 %. Skupina istraivaa u Bell Laboratories u New Yorku (Pearson, Fuller i Chapin) 1954. godine izradila je silicijevu solarnu eliju s djelotvornou od 6 % i prvi solarni modul pod imenom Bellova solarna baterija.

Kako je proizvodna cijena prvih solarnih elija bila vrlo visoka, one svoju prvu komercijalnu primjenu 1958. godine nisu nale na Zemlji, nego u svemirskim istraivanjima na satelitima, (sli-ka 2.3.). Tu je njihova cijena bila prihvatljiva, u odnosu na sve ostale visoke trokove. Tek je naf-tna kriza 70-ih godina prolog stoljea "prizemljila" te ureaje. Tad se prvi put uoilo da ne postoje neograniene zalihe fosilnih goriva te da treba potraiti i razviti nove, obnovljive ener-getske izvore.

Slika 2.3. Svemirski satelit opskrbljen solarnim elijama


Unato znatnijim ulaganjima u istraivanje i razvoj solarne fotonaponske tehnologije u poslje-dnjih desetak godina, danas je cijena solarnih elija, odnosno fotonaponskih sustava, i dalje visoka i oni su komercijalno konkurentni drugim uobiajenim izvorima elektrine struje samo u odree-nim podujima primjene, tj. tamo gdje nema u blizini elektrine mree. Meutim, vodei svjetski energetiari, a i najvee naftne tvrtke, procijenili su da e upravo fotonaponska tehnologija u 21. stoljeu dominirati u zadovoljavanju potreba za elektrinom energijom, zbog opadanja raspoloi-vih zaliha konvencionalnih goriva.

U posljednjih nekoliko godina svjedoci smo dosad nezapamenog godinjeg porasta u proiz-vodnji solarnih elija i modula od preko 60 %, a jedinini kapaciteti pojedinih novosagraenih proizvodnih pogona ve prelaze 50 MW. U prijelaznom razdoblju od desetak godina otvara se novo trite za fotonaponske sustave u graevinarstvu, gdje oni, kao graevni elementi, mogu na-domjestiti klasine krovove i fasade u novim zgradama (tzv. BIPV) ili poboljati toplinsku izola-ciju na postojeim objektima, generirajui pritom elektrinu energiju za potronju na licu mjesta ili za isporuku elektrinoj mrei.

U pojedinim zemljama, a i u naoj, ozakonjene su stimulativne financijske mjere za otkup u mreu tako prozvedene elektrine energije, to omoguuje snaan poticaj za sve vee koritenje 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 elektrine struje kada se dvije ploe platine ili zlata urone u kiselu, neutralnu ili lu-natu otopinu te izloe na nejednolik nain sunevu zraenju. Bilo mu je 19 godina kada je to mo-gao uiniti u laboratoriju svojega oca Antoine-Cesara, uglednog znanstvenika koji je radio na podruju elektrokemije, fiziologije, meteorologije i poljoprivrede. Edmond Becquerel je 1868. godine objavio vaan rad pod naslovom "Svjetlost, njezino porijeklo i njezini efekti".

Njegovo otkrie u to doba nije pobudilo preveliki interes, ali nije bilo zaboravljeno sve do da-nanjih dana, kada je na 150. godinjicu Europska unija ustanovila nagradu koja nosi njegovo ime i dodjeljuje se jedanput godinje za najistaknutiji doprinos razvoju fotonaponske pretvorbe sune-ve energije. Edmondov sin Henry, nuklearni fiziar, prvi je francuski nobelovac i njemu u ast nazvana je SI-izvedena jedinica aktivnosti radioaktivne tvari becquerel (Bq).

Nakon Becquerelova otkria prolo je vie od 40 godina da bi tek 1883. godine Charles Fritts nainio prvu pravu solarnu eliju deponirajui na poluvodiki selen tanki sloj zlata. Tako je ostva-rio potencijalnu barijeru na kontaktu metal-poluvodi.

2.3.3. Izravna pretvorba suneva zraenja u elektrinu energiju Kada se solarna (sunana) elija osvijetli, odnosno kada apsorbira sunevo zraenje, fotonapon-skim se efektom na njezinim krajevima pojavljuje elektromotorna sila (napon) i tako solarna elija postaje izvorom elektrine energije.

Pri praenju emisije i apsorpcije suneva zraenja (elektromagnetskih valova) zraenje se moe promatrati kao snop estica, tzv. fotona. Tako je, na primjer, za proraun fotostruje solar-ne elije potrebno poznavati tok fotona koji upadaju na eliju. Svaki foton nosi odreenu kolii-nu energije. Cjelokupni raspon zraenja koje nastaje u svemiru nazivamo elektromagnetskim spektrom.

Elektromagnetska zraenja uzajamno se razlikuju jedino po frekvenciji. Svjetlost nastaje kada se elektrini naboji kreu u elektromagnetskom polju. Atom odailje svjetlost kada je neki od nje-govih elektrona potaknut dodatnom energijom izvana. Zraenje pobuenih elektrona predoava-mo valom. Svjetlost manje energije ima manju frekvenciju ili uestalost, no veu valnu duljinu, a ona s vie energije ima veu frekvenciju ali manju valnu duljinu.


Dakle, fotoni su estice bez naboja koje se gibaju brzinom svjetlosti co. Energija fotona prika-zana je Einsteinovom relacijom:

ocE h v h

= =

gdje je: h Planckova konstanta, (6,625 10-34 Js) v frekvencija promatranoga elektromagnetskog zraenja, 1/s co brzina svijetlosti, (3 108 m/s) valna duljina, m

0,15 mm 2-5 mm

0,2 m

300 m

antirefleksijski sloj

- prednji kontakt u obliku reetke

+ stranji metalni kontakt

N- podruje

P- podruje

svjetlost, hv

Slika 2.4. Silicijeva solarna elija

U silicijevoj su solarnoj eliji, prikazanoj na slici 2.4., na povrini ploice P-tipa silicija difun-dirane primjese, npr. fosfor, tako da na tankom povrinskom sloju nastane podruje N-tipa polu-vodia. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunava zraenja, na prednjoj povrini elije nalazi se metalna reetka koja ne pokriva vie od 5 % povrine, tako da gotovo ne utjee na apsorpciju suneva zraenja. Stranja strana elije prekrivena je metalnim kontaktom. Da bi se poveala djelotvornost elije, prednja povrina elije moe biti prekrivena prozirnim pro-turefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju suneve svjetlosti.

Kada se solarna elija osvijetli, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila, tj. napon. Tako solarna elija postaje poluvodika dioda, tj. PN-spoj, i ponaa se kao ispravljaki ureaj koji proputa struju samo u jednom smjeru.

Slika 2.5. Nastanak parova elektron-upljina u solarnoj eliji


Kada se solarna elija, odnosno PN-spoj osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elek-tron-upljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Me-utim, nastane li apsorpcija unutar, ili blizu PN-spoja, unutranje elektrino polje, koje postoji u osiromaenom podruju, odvaja nastali elektron i upljinu. Elektron se giba prema N-strani, a up-ljina prema P-starni. Zbog skupljanja elektrona i upljina na odgovarajuim suprotnim stranama PN-spoja dolazi do pojave elektromotorne sile na krajevima solarne elije, (slika 2.5.).

Kada se solarna elija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti elije spojeni s vanjskim troilom, kao to je prikazano na slici 2.6., protei e elektrina struja, a solarna elija postaje izvorom elektrine energije.

PN-spoj

struja

Slika 2.6. Solarna elija kao izvor elektrine energije

U tablici 2.1. dani su temeljni parametri solarnih elija, kao napon otvorenog kruga Uok, gus-toa struje kratkog spoja Jks i stupanj djelovanja elije. Izraeni su uglavnom od materijala koji se danas koriste za izradu elija.

Tablica 2.1. Temeljni parametri solarnih elija

Vrsta elije Uok, V Jks, mA/cm2 monokristalna-Si elija polikristalna-Si elija amorfna-Si elija CdS / Cu2S CdS / CdTe GaAlAs / GaAs GaAs

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 elija Solarne elije, kao rijetko koja tehnologija, danas imaju znatno ubrzan tehnoloki napredak u istra-ivanju materijala za izradu solarnih elija i pronalasku novih koncepata i procesa njihove proizvo-dnje. Silicij, kao osnovni materijal za izradu solarnih elija, apsolutno dominira, s udjelom od oko 98 %, i to preteino u tehnologiji kristalnog silicija. Uglavnom prevladava tehnologija proizvodnje monokristalnog silicija dobivenog tzv. Czochralskim postupkom ili tehnologijom lebdee zone (engl. float zone). Proizvodnja je monokristalnog silicija skuplja, no uinkovitost elija je vea.

Najvei je tehnoloki nedostatak kristalnog silicija je svojstvo da je poluvodi s tzv. neizrav-nim zabranjenim pojasom, zbog ega su potrebne razmjerno velike debljine aktivnog sloja kako bi se u najveoj mjeri iskoristila energije suneva zraenja.


Nova tehnologija, koja ukljuuje primjenu trakastog silicija, ima prednost to je u procesu pro-izvodnje izbjegnuta potreba rezanja vafera, ime se gubi i do 50 % materijala. Meutim, kvaliteta i mogunost proizvodnje nije takva da bi primjena te tehnologije prevladala u bliskoj budunosti.

U novoj tehnologiji tankog filma primjenjuju se poluvodii s tzv. izravnim zabranjenim poja-som i njihove debljine mogu biti znatno manje, uz bitno manji utroak materijala, to obeava nisku cijenu i mogunost proizvodnje velikih koliina elija.

Solarne elije tankog filma pripadaju treoj generaciji solarnih elija, a postoji nekoliko ekspe-rimantalnih poluvodikih materijala poput bakar-indij-galij-selenida (CIGSS), bakar-indij-diselenida (CIS) ili kadmijeva telurida (CdTe) te organskih materijala, no u masovnu su proizvodnju ule solarne elije izraene od tankog filma silicija (TFSi). Izvode se postavljanjem tankih slojeva (fil-mova) poluvodikih materijala na podlogu (tzv. supstrat). Takva izvedba solarnih elija je vrlo zahvalna, jer omoguava njihovu fleksibilnost u odnosu na klasine, krute, solarne elije, a to omoguava njihovu iru primjenu. Meutim, njihova je dosadanja uinkovitost 7 do 10 %, to je znatno manje od klasinih silicijevih solarnih elija.

Slika 2.7. Kristalne elije razliitih boja i dimenzija

Danas se na tritu mogu nai razliite silicijeve solarne elije, razliitih boja i dimenzija. Uobi-ajene 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 znatnim naporima uloenim u istraivanja, ostao je vrlo skroman, svega oko 6 %. Meutim, snaan rast proizvodnje solarnih elija s kristalnim silicijem moe prouzroiti porast cijene i nestaicu sirovog silicija, pa je mogu i vei proboj tehnologije tankog filma u budunosti.

Na slici 2.8. prikazana je solarna elija od bakar-indij-diselenida (CIS), na slici 2.9. prikazana je solarna elija od amorfnog silicija, a na slici 2.10. solarna elija od kadmijeva telurida (CdTe).


Slika 2.8. Solarna elija od bakar-indij-diselenida (CIS)

Slika 2.9. Amorfna silicijeva elija

Slika 2.10. Solarna elija od kadmijeva telurida (CdTe)

Iako su neki znanstvenici zabrinuti zbog mogueg negativnog utjecaja proizvodnje solarnih elija na okoli, ta se tehnologija svrstava u tehnologije 21. stoljea za dobivanje elektrine ener-gije. Zabrinutost je prisutna zbog toga to proces proizvodnje nekih fotonaponskih elija zahtijeva otrovne metale poput ive, olova i kadmija, a uz to proces proizvodnje rezultira i stvaranjem ug-ljikova dioksida koji je stakleniki plin i uglavnom je odgovoran za uinak globalnog zatopljenja.

Prema jednoj studiji pod naslovom "Emisije iz fotonaponskog ivotnog ciklusa" (engl. Emis-sions from Photovoltaic Life Cycles) postupak proizvodnje i ivotni ciklus fotonaponskih elija proizvode mnogo manje oneienja zraka od tradicionalnih tehnologija s fosilnim gorivima.

To je istraivanje bilo dosta opseno i istraivai su prikupili podatke o isputanju tetnih pli-nova od 13 proizvoaa solarnih elija iz Europe i SAD-a u razdoblju od 2004. do 2006. godine. Istraivanje je ukljuilo etiri glavna komercijalna tipa solarnih elija: polikristalni silicij, monok-ristalni silicij, trakasti silicij i tanki film kadmijeva telurida (CdTe). Rezultati su tih istraivanja ak i optimistiniji nego to su se znanstvenici nadali i pokazali su da proizvodnja elektrine energije iz solarnih elija smanjuje koliinu oneienja zraka za oko 90 % u odnosu na proizvod-nju iste koliine elektrine energije koritenjem fosilnih goriva. Zakljuak je studije, ukupno gle-dajui, da sve fotonaponske tehnologije pridonose znatno manjim tetnim isputanjima po kWh od tradicionalnog naina proizvodnje elektrine energije pomou fosilnih goriva.

Studija je takoer pokazala da tehnologija tankog filma kadmijeva telurida (engl. thin-film ca-dmium telluride) ima najmanju emisiju tetnih plinova u ivotnom ciklusu, veinom zbog toga to je utroak energije za proizvodnju takvog modula najmanji od svih fotonaponskih modula.

Slika 2.11. Fotonaponski sustavi koji prate kretanje Sunca i moduli s visoko koncentrirajuim optikim sustavom

Izrada solarnih elija je dosta sloen tehnoloki proces, pa je stoga cijena solarnih elija jo uvijek dosta visoka. Meutim, posljednjih godina cijena solarnih elija pada, a poboljavaju im se


i karakteristike u laboratorijskim istraivanjima. Da bi se cijena solarnih elija bitno smanjila, pot-rebno je pojednostaviti s jedne strane izradu, a s druge strane koristiti druge, jeftinije materijale.

U novije vrijeme tehniki su se usavrile visoko uinkovite solarne elije, tzv. koncentrirajue solarne elije. Obino se ugrauju na fotonaponske sustave koji prate kretanje Sunca (engl. Trac-king System). Stupanj je djelovanja tih elija oko 35 %, a modula oko 25 %. Biljei se znatan po-rast ugradnje fotonaponskih sustava koji prate kretanje Sunca (engl. Tracking) i koji imaju module od optikih koncentrirajuih sustava CPV, (slika 2.11.).

Takoer sustavi koji prate kretanje Sunca, tracking sustavi, mogu imati module od standardnih monokristalnih ili polukristalnih silicijevih solarnih elija ili tankog filma.

Na slici 2.12. prikazan je u vanijim fazama postupak proizvodnje solarnih elija. Takoer je dan postupak montae solarnih elija u solarni modul i na kraju primjena solarnih modula, npr. postavljanjem na krov graevine, kao dio fotonaponskog sustava za dobivanje elektrine energije.

kristalni silicij (kvarcni pijesak)

proizvodnja kristalnog silicija Tiegelziehovim ili Czochralskijevim procesom oblikovanje ingota rezanje ingota na vafere difuzija fosfora (dobivanje PN-spoja) sitotisak (stranji i prednji kontakt)

gotova solarna elija

spajanje solarnih elija

laminiranje (laminat)

postavljanje solarnih elija u okvir

gotov solarni modul

solarni moduli u primjeni

Slika 2.12. Postupak proizvodnje solarnih elija i solarnog modula


3. Solarni fotonaponski sustavi

Solarni fotonaponski sustavi (FN) mogu se podijeliti na dvije osnovne skupine: fotonaponski sus-tavi koji nisu prikljueni na mreu (engl. off-grid), a esto se nazivaju i samostalnim sustavima (engl. stand-alone systems), i fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu (engl. on-grid), (slika 3.1.).

fotonaponski (FN) sustavi

samostalni sustavi

izravno priklju eni na javnu mreu

prikljueni na mreu

bez pohrane hibridni sustavi sa pohranom

priklju eni na javnu mreu preko

kune instalacije

obini ureaji

male primjene

AC samostalni sustavi

DC samostalni sustavi

pomo u vjetroagregata

pomo u kogeneracije

pomo u dizel generatora

pomo u gorivnih lan.

Slika 3.1. Osnovna podjela fotonaponskih sustava

Fotonaponski sustavi koji nisu prikljueni na mreu, odnosno samostalni sustavi, mogu biti sa ili bez pohrane energije, to e ovisiti o vrsti primjene i nainu potronje energije, i hibridni susta-vi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, dizelskim generatorom ili gorivnim lancima.

Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu mogu biti izravno priklju-eni na javnu elektroenergetsku mreu ili prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko ku-ne instalacije.

3.1. Samostalni fotonaponski sustavi Kao to je ve reeno, solarni fotonaponski (FN) sustavi koji nisu prikljueni na mreu (engl. off-grid) esto 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 lancima ili dizelskim generatorom.

Temeljne komponente samostalnoga fotonaponskog sustava, slika 3.2.: 1. fotonaponski moduli (obino spojeni paralelno ili serijski-paralelno) 2. regulator punjenja 3. akumulator 4. troila

5. izmjenjiva (ako troila rade na izmjeninu struju)


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

e pretvorba suneva zraenja, odnosno svjetlosne energije u elektrinu e pretvorba elektrine energije u kemijsku i, obrnuto, kemijske u elektrinu

fotonaponski moduli regulator punjenja

akumulator

troila

Slika 3.2. Samostalni fotonaponski sustav za troila na istosmjernu struju

Fotonaponska pretvorba energije suneva zraenja, odnosno svjetlosne energije u elektrinu, odvija se u solarnoj eliji, dok se u akumulatoru obavlja povratni (reverzibilni) elektrokemijski proces pretvorbe, povezan s nabijanjem (punjenjem) i izbijanjem (pranjenjem) akumulatora. U troilima se elektrina energija pretvara u razliite oblike, kao primjerice mehaniku, toplinsku, svjetlosnu ili neku drugu energiju. Troilo je definirano snagom, naponom i strujom.

3.1.1. Hibridni fotonaponski sustavi Solarni fotonaponski sustavi mogu biti izvedeni i kao hibridni sustavi s vjetroagregatom, kogene-racijom, gorivnim lancima ili, najee, generatorom na dizel ili biodizel gorivo.

fotonaponski moduli DC troila generator AC troila

regulatori punjenja

akumulatori

D

C sa

birn

ica

ispravlja ac/dc

izmjenjiva dc/ac

Slika 3.3. Shema samostalnoga hibridnog fotonaponskog sustava s generatorom

Kod tih sustava se elektrinom energijom proizvedenom solarnim modulima ili vjetroagrega-tom, prvotno napajaju troila, a viak energije se pohranjuje u tzv. solarne akumulatore. U sluaju


da ne postoje uvjeti za proizvodnju elektrine energije solarnim modulima ili vjetroagregatom, izvor za napajanje istosmjernih ili izmjeninih troila e biti akumulator. U sluaju da ni akumula-tor vie nema energije za napajanje troila, ukljuuje se generator na dizel ili biodizel gorivo.

Na slici 3.3. prikazana je shema samostalnog hibridnog fotonaponskog sustava s generatorom za napajanje troila na istosmjernu (dc) ili izmjeninu struju (ac).

3.2. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu mreu preko kune instalacije pripadaju distribuiranoj proizvodnji elektrine energije. Dakle, oni omoguuju povezivanje distribuiranih sustava na cen-tralizirane sustave, odnosno sustave prikljuene uglavnom na niskonaponsku razinu elektroener-getskog sustava.

Temeljne komponente fotonaponskog sustava, prikljuenog na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije prikazane su na slici 3.4. To su:

1. fotonaponski moduli 2. spojna kutija sa zatitnom opremom 3. kablovi istosmjernog razvoda 4. glavna sklopka za odvajanje 5. izmjenjiva dc/ac 6. kablovi izmjeninog razvoda 7. brojila predane i preuzete elektrine energije

Slika 3.4. Fotonaponski sustav prikljuen na javnu mreu preko kune instalacije

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


mari modula (2) odnosno spojnu kutiju nizova modula sa svom zatitnom opremom, ponajprije odvodnicima prenapona i istosmjernim prekidaima. Iz razdijelnog ormaria se dovodi od svake grupe fotonaponskih modula, razvode kabelima istosmjernog razvoda (3) preko glavne sklopke za odvajanje (4) prema solarnim izmjenjivaima (5). Solarni izmjenjivai pretvaraju istosmjernu struju solarnih modula u izmjenini napon reguliranog iznosa i frekvencije, sinkroniziran s napo-nom i frekvencijom mree, te se nastala izmjenina struja prenosi kabelima izmjeninog razvoda (6) do kunog prikljuka na elektroenergetsku mreu, odnosno elektrinog ormaria, gdje su smjetena brojila elektrine energije. Brojila elektrine energije (7), smjetena u ormariu brojila, registriraju proizvedenu energiju predanu u mreu i potroenu energiju preuzetu iz mree.

Fotonaponski sustav prikljuen na javnu mreu preko kune instalacije je u paralelnom pogo-nu s distribucijskom mreom, a namijenjen je za napajanje troila u obiteljskoj kui, a viak elek-trine energije odlazi u elektrodistribucijsku mreu.

Kad solarni moduli ne proizvode dovoljno elektrine energije, napajanje troila u kuanstvu nadopunjuje se preuzimanjem energije iz mree, slika 3.5. S obzirom na to da instalirani fotona-ponski sustavi prikljueni na javnu mreu preko kune instalacije proizvode najvie elektrine energije sredinom dana, oni podmiruju vlastite potrebe i dobrim dijelom rastereuju elektroener-getski sustav, to moe biti od velike vanosti u podrujima gdje je slaba elektroenergetska mrea.

fotonaponski moduli

izmjenjivadc/ac

brojilo predane el. energije

brojilo preuzete el. energije

prikljuak na mreu

troila

javna mrea

Slika 3.5. Brojila predane i preuzete elektrine energije

Prednosti fotonaponskih sustava, kao distribuirane proizvodnje elektrine energije, spojenih na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije su sljedee:

e proizvodi se ekoloki ista elektrina energija bez oneienja okolia e sva se pretvorba energije obavljala u blizini mjesta potronje e nema gubitaka energije u prijenosu i distribuciji e pouzdanost i sigurnost opskrbe e trokovi odravanja postrojenja znatno su nii od odravanja centraliziranih

proizvodnih objekata e lokacije za instalaciju fotonaponskih sustava u odnosu na velike centralizirane

proizvodne sustave, jednostavnije je, lake i bre pronai e jednostavna i brza instalacija te putanje u pogon

Vie fotonaponskih modula koji mogu biti serijski i/ili paralelno povezani oblikuju tzv. solarni generator odreene nazivne snage koja se oznaava u Wp, kWp ili MWp. Fotonaponski moduli proizvode istosmjernu struju dc (engl. direct current), obino s naponom 12 ili 24 V. Solarni izmjenjivai, slika 3.6., pretvaraju istosmjernu struju modula u izmjeninu, sinkroniziranu s napo-nom i frekvencijom mree.


Slika 3.6. Izmjenjiva, njemakog proizvoaa SMA, (lijevo) i izmjenjiva,

austrijskog proizvoaa Fronius, (desno)

U veini se zemalja Europske unije, s obzirom na instaliranu snagu, fotonaponski sustavi prik-ljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune 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 insta-liranoj snazi do 10 kW, od 10 kW do 30 kW i preko 30 kW.

3.2.1. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije snage do 30 kW Prva znaajnija primjena fotonaponskih sustava poela je ugradnjom FN sustava na krovove grae-vina (kose ili ravne) ili ugradnjom u fasade graevina. To su u poetku bili sustavi manjih snaga do 30 kWp, spojeni na javnu mreu preko kune instalacije, (slike 3.7. i 3.8.). Zemlje predvodnice u ugradnji fotonaponskih sustava, koje su omoguile slobodan pristup otvorenoj javnoj mrei i preda-ju elektrine energije po povlatenoj cijeni, bile su Njemaka, Austrija, vicarska, Danska i SAD.

Slika 3.7. Salem, SAD, snaga 8,4 kWp Slika 3.8. Zermatt, vicarska, snaga 11,5 kWp

3.2.2. Fotonaponski sustavi prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije snage od 30 kW do 100 kW

Slika 3.9. Ministarstvo gospodarstva

Njemake, Berlin, snaga 100 kWp Njemaka, snaga 60,86 kWp Slika 3.10. Vatrogasna postaja, Gifhorn,


3.2.3. Fo na javnu elekt preko kune instalacije snage vee od 100 kW

ili neposredno u W , spojeni na javnu mreu preko posto-

tonaponski sustavi prikljueni roenergetsku mreu

Usavravanjem rada manjih fotonaponskih sustava poeli su se na graevinama njihovoj blizini ugraivati i sustavi veih snaga, i do 1 M pjee tzv. kune mree. Taka je, primjerice zrana luka u Mnchenu, Njemaka, slika 3.11., s insta-liranim fotonaponskim modulima snage 475 kWp.

Slika 3.11. Zrana luka u Mnchenu,

snaga 475 kWSlika 3.12. Proizvodna hala, Memmingen,

Njemaka, snaga 950 kWp

Za ugradnju ve kih sustava na raspolagan e povrine stambenih graevina, proizvodnih hala, sportskih dvorana, ugostiteljskih objekata i sl. Na slici 10.

p

ih fotonapons ju su velike kose ili ravn

12. prikazani su fotonaponski moduli na proizvodnoj hali u Memmingenu, u SR Njemakoj, instalirane snage 950 kWp, a na slici 3.13. prikazan je jedan fotonaponski solarni krov u mjestu Rivesaltes u Francuskoj instalirane snage 850 kWp. Ovdje treba istaknuti i dvoranu za audijencije pape Pavla VI. u Vatikanu, snage 220 kWp, slika 3.14.

Slika 3.13. Solarni krov, Rivesaltes,

Francuska, snaga 850 kW Slika 3.14. Papina prijemna dvorana,

Vatikan, snaga 220 kW

3.3. Fotonaponski sustavi izravno prikljueni na javnu

a i pratee op-

karakteristina vea snaga i uglavnom se instaliraju na veim povrinama. Obino zahtijevaju od

p p

elektroenergetsku mreu Razvojem trita fotonaponske tehnologije, primjerice elija, modula, izmjenjivareme, poinju se FN sustavi ugraivati ne samo na graevinama ili u njihovoj neposrednoj blizini, nego i na slobodnim povrinama u blizini elektroenergetske mree, te gradnjom djela elektroener-getske mree do prikljuka na nisku, srednju ili visoku razinu napona elektroenergetskog sustava.

Ti su sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu i svu proizvedenu elektri-nu energiju predaju u elektroenergetski sustav, kao to je prikazano na slici 3.15. Za te je sustave


30 do 40 m2 povrine za jedan kW snage, to je oko tri do etiri puta vie u odnosu na kristalne module, ili est puta vie u odnosu na module od tankog filma, instalirane na kosim krovovima.

fotonaponski moduli

izmjenjiva dc/ac

brojilo predane elektrine energije javna

elektroenergetska mrea

Slika 3.15. Fotonaponski sustav izravno prikljuen na javnu elektroenergetsku mreu

3.3.1. Fotonaponski sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku mrNa slici 3.16. prikazan je ktroener-

7. prikazana je lirana u mjestu Villar de Cuenca u panjolskoj, snage 9,8 MWp.

eu snage do 10 MW jedan vei fotonaponski sustav izravno prikljuen na javnu ele

getsku mreu, instaliran u mjestu Heusden u Belgiji, snage 4,7 MWp, a na slici 3.1jedna vea solarna elektrana insta

Slika 3.16. Solarni park, Heusden,

Belgija, snaga 4,7 MWp Slika 3.17. Solarna elektrana, Villar de Cuenca,

panjolska, snaga 9,8 MWp

3.3.2. rikljue mre 30 MW U posljednje se vrijeme irom svijeta mogu vidjeti solarne elektrane veih snaga, ak i preko

vedenu elektri-nu energiju predaju u elektroenergetski sustav.

Fotonaponski sustavi izravno pu snage od 10 MW do

ni na javnu elektroenergetsku

10 MWp, koje su izravno prikljuene na javnu elektroenergetsku mreu i svu proiz

Slika 3.18. Solarni park Zeithain,

u Njemakoj, snaga 12 MWp Slika 3.19. Solarni park Almeria,

u panjolskoj, snaga 15 MWp


Jedan vei solarni park izravno prikljuen na javnu elektroenergetsku mreu prikazan je na slici 3.18. Taj solarni park, nazvan "Zeithain", nalazi se u mjestu Zeithain u saveznoj dravi Sach-sen u Njemakoj i ima instaliranu snagu 12 MWp. Na slici 3.19. prikazan je solarni park "Almeria" koji se nalazi u istoimenom mjestu u panjolskoj, a nazivne je snage 15 MWp.

3.3.3. Fotonaponski sustavi izravno prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu snage vee od 30 MW Na slici 3.20. prikazan je jedan veliki solarni park snage 40 MWp, nazvan "Waldpolenz", a instali-ran je u mjestu Brandis, na mjestu nekadanje vojne zrane luke, u saveznoj dravi Sachsen u Nje-makoj. Instalirani su moduli od tankog filma tvrtke First Solar na povrini 110 hektara, to odgo-vara veliini oko 200 nogometnih terena. Oekuje se godinja proizvodnja od 40 milijuna kWh elektrine i oko 25 000 to ioksida. Cij

energije i pri tome e se utedjet na staklenikog plina ugljikova dena investicije iznosila je 130 milijuna eura.

Slika 3.20. Solarni park Waldpolenz, Brandis, Njemaka, snaga 40 MWp

Slika 3.21. Solarni park Lieberoser, Turnow-Preilack, Njemaka, snaga 53 MWp

Na slici 3.21. prikazana je fotonaponska elektrana snage 53 MWp, nazvana Solarni park Lie-beroser Heide, do sada najvea u Njemakoj. Nalazi se u mjestu Turnow-Preilack, na nekada-njem vojnom poligonu u Brandenburgu. Oekuje se godinja proizvodnja od 52 milijuna kWh elektrine energije i pri tome e se utedjeti preko 30 000 tona ugljikova dioksida. Cijena investi-cije iznosila je 160 milijuna eura.

3.4. Ugradnja fotonaponskih modula od tankog filma U novije vrijeme, pored dominantne ugradnje fotonaponskih modula od monokristalnog i polikris-talnog silicija, sve se vie ugrauju i fotonaponski moduli s tankim filmom od razliitih materijala kao to S i drugi. Na slici 3.22. prikazana su dva primjera ug-radnje fo ma kadm

su amorfni silicij, CdTe, CIS, CIGStonaponskih modula od tankog fil ijeva telurida (CdTe).

Slika 3.22. Primjeri ugradnje fotonaponskih modula od tankog filma kadmijeva telurida (CdTe)


ko bre padati u odnosu na fotonaponske module od monokristalnog i polikristalnog silicija. To e prema prognozi Europs-kog udruenja industrije fotonapona (EPIA), zacijelo u budunosti poveati udio ugraenih fotona-ponskih modula tankog filma sa skromnih 10 % na predvienih 25 % do 2013. godine

3.5. Fotonaponski moduli na proelju graevina Jedno je od vanijih podruja primjene fotonaponskih modula i suvremena, energetski uinkovita arhitektura povezana s dizajnom u arhitekturi. Dizajn proelja daje posebnu karakteristiku izgledu graevina. Energetski uinkovita arhitektura vezana je na novu odredbu Europskog parlamenta, a odnosi se na sve lanice Europske unije, prema kojoj nakon 2018. godine svaka zgrada mora proi-zvesti vie energije nego to je potroi.

Oekuje se da e cijena fotonaponskih modula od tankog filma, zbog znatno manjeg utroka ma-terijala za izradu elija i mogunosti proizvodnje velikih koliina elija, dale

Slika 3.23. Fotonaponski moduli od polikristalnog

silicija na junom proelju zgrade Slika 3.24. Proelje zgrade

sa CIC modulima

Na slici 3.23. prikazana je graevina koja na svome proelju ima ugraene fotonaponske mo-dule od polikristalnog silicija, a na slici 3.24. prikazana je zgrada koja na svome proelju ima ug-raene solarne module od solarnih elija tankog filma bakar-indij-diselenida (CIS).

Slika 3.25. Toranj dizala od providnih

solarnih modula, Kulturni centar, Constance, vicarska

Slika 3.26. Zgrada Udruenja za gradnju drvetom, moduli staklo-staklo i izolacijsko

staklo, Mnchen, Njemaka


Na slici 3.25. prikazan je toranj dizala Kulturnog centara Constance u vicarskoj, koji na ju-nom proelju tornja ima ugraene providne (transparentne) module od solarnih elija bez protu-reflektirajueg zatitnog sloja, a na slici 3.26. prikazana je zgrada Njemakog udruenja za gradnju drvetom sa sjeditem u Mnchenu u Njemakoj, s proeljem od ugraenih solarnih modu-la u tehnologiji staklo-staklo i izolacijsko staklo.

Slika 3.27. Zgrada ije je proelje

obloeno solarnim modulima, Slika 3.28. Stubite tornja zgrade

CeramKobe, Japan

ique, providni moduli s izolacijskim staklom, Maastricht, Nizozemska

Na slici 3.27. prikazana je jedna zgrada ije je proelje obloeno solarnim modulima u gradu Kobe u Japanu, a na slici 3.28. prikazano je stubite tornja zgrade Ceramique u Maastrichtu u Ni-zozemskoj na kojemu su ugraeni providni moduli s izolacijskim staklom.

3.6. Stakleni krovovi graevina s fotonaponskim modulima Od posebne su vanosti u arhitekturi stakleni krovovi s integriranim fotonaponskim modulima.

Slika 3.29. Krov Epiphanias krstionice, Slika 3.30. Zimski vrt s polupro

Hannover, Njemaka vidnim

modulima od tankog filma


Znamo da na proelja zgrada kao i na krovove (ravne ili kose), tijekom cijele godine dolazi velika koliina suneva zraenja koja se moe iskoristiti za dobivanje elektrine energije. Dakle, proelja i krovovi u budunosti nee samo tititi od vjetra i padalina, nego e postati i sustavi za proizvodnju toplinske i elektrine energije.

Na slici 3.29. prikazan je krov krstionice Epiphanias u Hannoveru u Njemakoj, 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].

Slika 3.31. Krov starakog doma, Slika 3.32. Sveuilite za

Strassen, Luksemburg primijenjenu

znanost, Bonn, Njemaka

Na slici 3.31. prikazan je krov starakog doma u Strassenu u Luksemburgu, koji se sastoji od modula s izolacijskim staklom, a na slici 3.32. prikazan je krov Sveuilita za primijenjenu zna-nost u Bonnu u Njemakoj, izveden od modula s izolacijskim staklom.

Slika 3.3Ministarstva unu ke

oku ska

ekoloku gradnju u gradu Boxtelu u Nizozemskoj, koji se takoer sastoji od izvedenih modula u tehnologiji staklo-staklo.

3. Akademija za usavravanje tarnjih poslova Njema

Slika 3.34. Informacijski centar za ekolgradnju, Boxtel, Nizozem

Na slici 3.33. prikazan je krov koji se sastoji od modula izraenih u tehnologiji staklo-staklo, Akademije za usavravanje Ministarstva unutarnjih poslova Njemake u saveznoj dravi Rhine-Westphalia, a na slici 3.34. prikazan je krov Informacijskog centra za


3.7. Nadstrenice za vozila od fotonaponskih modula Velike slobodne neiskoritene povrine nalaze se na parkiralinim mjestima, a mogle bi se iskoris-titi za postavljanje nadstrenica, koje, osim to mogu tititi od Sunca, kie, tue i snijega, mogu posluiti i za dobivanje elektrine energije. (Slika 3.35. i 3.36.)

S obzirom na to da se u blizini takvih objekata nalaze i graevine koje troe elektrinu energi-ju, odnosno ve postoji elektrodistribucijska mrea, ugraeni fotonaponski sustavi mogu se izrav-no prikljuiti na javnu elektroenergetsku mreu preko tzv. kune instalacije. Takoer je mogue, i o tome se razmilja, da vozila koja imaju elektrini pogon izravno pune svoje akumulatore stru-jom proizvedenom s fotonaponske plaajui odgovarajuim etonima, novcem ili karticom.

Slika 3.35. Manja nadstrenica od fotonaponskih modula

Slika 3.36. Mjesta za parkiranje veeg trgovakog centra s fotonaponskim modulima

3.8. Fotonaponski moduli ugraeni na autocestama Na slici 3.37. prikazan je dio autoceste A 92 u Njemakoj na kojoj je u duini 1,2 km na junom kraku ugraeno 600 kW fotonaponskih modula za proizvodnju elektrine energije i predaju u jav-nu elektroenergetsku mreu.

Sl 1,2 km

Na slici 3.38. je prikazan je dio autoceste u vicarskoj, s ugraenih 100 kW fotonaponskih mo-reu.

ijesne batine, pokazuju primjeri na slikama 3.39. i 3.40. Zacijelo je

ika 3.37. Autocesta (A 92) u duinisa 600 kW FN modula, Njemaka

Slika 3.38. Autocesta sa 100 kW FN modula, vicarska

dula za proizvodnju elektrine energije i predaju u elektroenergetsku m

3.9. Fotonaponski moduli na zatienim spomenicima kulture Da se fotonaponski sustavi mogu ugraivati i na zatienim spomenicima kulture ili unutar za-tienih podruja kulturno-pov


jedna od vanih zatienih graevina i dvorana za audijencije Pavla VI. u Vatikanu, no ona, una-to tome, na svome krovu ima fotonaponske module snage 220 kWp. (Sliku 3.14.)

Slika 3.39. Fotonaponski moduli na krovu

crkve kao zatienoga kulturnog dobra Slika 3.40. Fotonaponski moduli na zvoniku

crkve, Steckborn, vicarska

a je niz zakon-skih i podzakonskih propisa, kao tu su Pravilnik o koritenju obnovljivih izvora energije i koge-neracije, Tarifni sustav za proizvodnju elektrine energije iz obnovljivih izvora energije i koge-neracije, Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje elektrine energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije i Pravilnik o stjecanju statusa povlatenog proizvoaa elektrine energije.

Dakle, navedenim zakonskim i podzakonskim propisima od 1. srpnja 2007. godine stekli su se uvjeti da svi oni koji ele ugraditi fotonaponski sustav mogu dobiti status povlatenog proizvoa-a elektrine energije, i tako dobiti naknadu za isporuenu elektrinu energiju u javnu elektroe-nergetsku mreu.

Do sada je u Hrvatskoj instalirano oko desetak fotonaponskih sustava, uglavnom manjih sna-ga, koji su spojeni na javnu elektroenergetsku mreu. Neki od tih sustava prikazani su na slikama od 3.41. do 3.46. Veina prikazanih fotonaponskih sustava u tijeku je ishoenja potrebne doku-mentacije glede stjecanja statusa povlatenog proizvo i Ugov im operatorom

3.10. Fotonaponski sustavi u Republici Hrvatskoj prikljueni na javnu elektroenergetsku mreu preko kune instalacije Temeljem Uredbe o minimalnom udjelu elektrine energije proizvedene iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije, a ija se proizvodnja potie, u Republici Hrvatskoj donesen

aa elektrine energije, nakon ega slijed trita energije. or o otkupu elektrine energije s hrvatsk

Slika 3.41. Fotonaponski sustav, Kadina Glavica, Drni, snaga 6,12 kWp

Slika 3.42. Fotonaponski sustav, akovec, snaga 6,72 kWp


Slika 3.43. Fotonaponski sustav,

Metkovi, snaga 9,69 kWp Slika 3.44. Fotonaponski sustav kue Stilin,

Zagreb, snaga 36,1 kWp

Slika 3.45. Solarni krov u panskom,

Zagreb, snaga 9,59 kWp Slika 3.46. Solarna elektrana u Rijeci,

snaga 9,9 kWp

3.11. Potrebna povrina za proizvodnju energije iz fotonaponskih sustava Ovisno o tome kakvi su fotonaponski moduli, odnosno jesu li izraeni od monokristalnih ili polik-ristalnih elija ili su moduli od tankog filma (CIS), (CIGSS) (CdTe) ili amorfnog silicija, bit potrebna i nagu pojedi

e razliita povrina za odreenu s nog modula, slika 3.47.

monokristalne elije 7 m2 9 m2

elije visokog stupnja djelovanja 6 m2 7 m2

polikristalne elije 7,5 m2 10 m2

bakar-indij-diselenid (CIS) 9 m2 11 m2

kadmijev telurid (CdTe) 12 m2 17 m2

amorfni silicij 14 m2 20 m2

Slika 3.47. Potrebna povrina za smjetaj fotonaponskih modula snage 1 kWp


Potr kih modula ave u kojima elimomogue veu snagu fotonaponskog sustava, a time i vie elektrine energije.

ju elektrine energije od 270 je da za istu koliinu proizvedene elektrine energije

ebna povrina za smjetaj fotonapons na to manjoj povrini, ili povrini koja nam stoji na raspolaganju, dobiti to je

bitna je za manje fotonaponske sust

Na slici 3.48. dana je usporedba potrebne povrine za proizvodnTWh iz razliitih izvora energije. Uoljivo najmanju povrinu zauzima koritenje suneve energije, bilo u solarnim termoelektranama ili foto-naponskim modulima.

2832

36422

105218

28328

8094

0100002000030000400005000060000700008000090000

100000110000120000

1Solar Vjetar Biomasa Nafta Plin

km2

Slika 3.48. Usporedba potrebne povrine za proizvodnju elektrine energije iz razliitih izvora

Bez obzira na to je li rije o fotonaponskom sustavu izravno spojenom na javnu mreu ili spo-jenom na javnu mreu preko kune mree, najvanija i trenutano najskuplja komponenta cijelog sustava su fotonaponski moduli.

Ostale komponente fotonaponskog sustava (spojna kutija sa zatitnom opremom, kabeli isto-smjernog razvoda, glavna sklopka za odvajanje, izmjenjiva dc/ac, kabeli izmjeninog razvoda, brojila predane i preuzete elektrine energije) jo 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 predvianja od 2010. godine do 2050. godine. U 2004. godini cijena modula iznosila je oko 3 eura po vatu vrne snage (/Wp), dok je ostatak sustava, odnosno ostale kompo-nente fotonaponskog sustava, iznosio oko 2 /Wp.

Tijekom idueg razdoblja jasno se vidi da e cijena fotonaponskih modula, kao i ostalih kom-ponenti sustava padati. Tako e 2020. godine cijena modula iznositi oko 1 /Wp dok e isto toliko iznositi i ostale komponente fotonaponskog sustava. Ve 2030. godine cijene e pasti za 50 % u odnosu na 2020. godinu, tako da e cijena modula iznositi oko 0,5 /Wp, koliko i ostale kompo-nente fotonaponskog sustava.

Dugorono se predvia da e ukupna cijena fotonaponskog sustava (moduli i ostala oprema sustava) iznositi oko 0,5 /Wp, to e dati daleko najpovoljniju proizvodnu cijenu elektrine ener-gije u odnosu na bili kojo izvor energije, bio on obnovljiv ili neobnovljiv.


0

1

2

3

4

5

6

2004 2010 2020 2030 2050

Ostatak sustava

Moduli/Wp

Slika 3.49. Udio cijene modula u ukupnoj cijeni fotonaponskog sustava

3.12Svaki bi objekt morao imati gromobransku instalaciju, temeljni uzemljiva i odvodnike prenapona na

irnica za izjednaenje potencijala.

ke (grmljavina) i mehanike uinke. Zapravo su,

g vijeka osigurao siguran i neprekidan rad fotonaponskog sustava, pot

loj elektrinoj opremi i ureajima zbog elektrine povezanost izmeu fotonaponskog sustava i elektrine instalacije u gra-evini. Zatita fotonaponskih sustava od atmosferskih i induciranih prenapona mora biti u skladu s normama Europske unije: EN 60364-7-712 (elektrina instalacija fotonaponskog sustava), EN 61173 (zatita od prenapona nastalih u fotonaponskom sustavu), EN 62305 (gromobrani) i EN 62305-2 (oekivani rizici oteenja fotonaponskih sustava).

Kod gromobranske instalacije imamo nekoliko bitnih elemenata u zatiti zgrada i drugih obje-kata od udara groma. Prvi je element hvataljka. To je najistureniji dio gromobrana i njegova je zadaa da na sebe privue i preuzme udarac groma i tako zatiti objekat ispod sebe. Pojavljuje se

. Sigurnosna zatita fotonaponskih sustava

izmjeninoj strani, a ako graevina ima i solarne fotonaponske module, tada bi odvodnike prenapona morala imati i na istosmjernoj strani. Na gromobransku instalaciju, odnosno na temeljni uzemljiva, vezana je sab

3.12.1. Gromobranska instalacija Grom nastaje kratkotrajnim pranjenjem statikog atmosferskog elektriciteta izmeu oblaka i zemlje, a ima napon od sto milijuna volti, jakost nekoliko desetaka tisua ampera, u razdoblju od 1 do 100 milisekundi, uz naglo zagrijavanje zraka do 30 000 C, uslijed ega nastaje grmlja-vina. Grmljavina se uje nakon munje ili bljeska, zbog jakog zagrijavanja i ekspanzije zraka unutar kanala munje. Izbijanje atmosferskog elektriciteta ima svjetlosne (linijska munja, trakas-ta munja, loptasta munja, munja sijevalica), akusti

munja i grom dio iste pojave, samo se munja vidi prije nego to se uje grom jer svjetlo pu-tuje bre od zvuka.

S obzirom na to da su fotonaponski sustavi obino instalirani na krovovima kua ili na velikim slobodnim povrinama, to u zaetku poveava vjerojatnost od udara groma (atmosferskih prena-pona). Da bi se tijekom ivotno

rebno je predvidjeti cjelokupnu zatitu od atmosferskih i induciranih prenapona ve prilikom projektiranja fotonaponskog sustava, a mjere zatite sustavno provoditi tijekom montae.

Posljedice udara groma na fotonaponske module osjetit e se i na osta


u dvama osnovnim oblicima: kao ipka ili kao ue. Drugi je zadatak gromobranske instalacije da prihvaenu struju groma sigurno odvede od hvataljke u zemlju. Za to se postavlja jedan ili vie odvoda. Oni moraju izdrati zagrijavanje uzrokovano prolaskom struje groma kroz njih. Trea im je zadaa da se struja groma to bolje odvede u zemlju. Za to slue uzemljivai koji se ukapaju u zemlju i spajaju na odvod. Njihov otpor mora biti to manji kako bi i pad napona na njima zbog prolaska struje groma bio to manji. Odvod gromobrana ima upravo taj napon i ako on nije do-voljno malen, mogu nastati preskoci s odvoda prema drugim predmetima u blizini, pogotovo oni-ma koji su uzemljeni na drugaiji nain, 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 to manjim. esto se i provodi mjera izjednaavanja potencijala. To znai da se elektriki poveu uzemljiva i metalni dijelovi koji dolaze iz okoline. Na taj su nain sprijeeni preskoci koji bi mogli nastati zbog razlike napona na gromobranu i drugim uzemljenim dijelovima.

Slika 3.50. Fotonaponski sustav i gromobranska instalacija graevine

za izjednaenje potencijala. Pri tome pos

Kod postavljanja fotonaponskih modula na krov kue s postojeom gromobranskom instalaci-jom, oteenje se fotonaponskog sustava minimizira doputenom udaljenou izmeu fotonapon-skih modula i gromobranske instalacije, kao to prikazuje slika 3.50. Udaljenost izmeu fotonaponskih modula i gromobranske instalacije na krovu treba biti vea od 0,5 m. Ako nije mo-gue ostvariti udaljenost veu od 0,5 m, potrebno je fotonaponske module vodljivo spojiti s gro-mobranskom instalacijom koja je spojena s uzemljenjem, da struja udara groma ne bi tekla kon-strukcijskim okvirom fotonaponskih modula.

3.12.2. Izjednaenje potencijala Izjednaenje potencijala je galvansko povezivanje svih metalnih masa. Vodi za izjednaenje po-tencijala prikljuuje sve metalne vodove objekta na sabirnicu

toji mogunost da se meusobno spaja vie vodova koji se onda prikljuuju preko glavnog vo-dia za izjednaenje potencijala na sabirnicu izjednaenja potencijala. Vodi za izjednaenje po-tencijala oznaava se kao zatitni vodi zelenoutom bojom.


i vodiima iji pre

dalekovoda, atmosferskog izbijanja oblak-oblak ili induciranog napona u sekciji niskog napona. Odvodnici prenapona predstavljaju zatitu od atmosferskih izboja za mreno vezani izmjeniva, kao i za ostalu opremu koja se nalazi u objektu.

Mreno vezani izmjenjiva titi se od atmosferskih pranjenja, koja se mogu pojaviti na okvirima fotonaponskih modula koji su postavljeni na krovu graevine, odvodnikom prenapona na istosmjernoj DC strani, to je na slici 3.50. oznaeno brojem 1. Odvodnici prenapona na izmjeninoj strani AC tite mreno vezani izmjenjiva i ostala troila u graevini od prenapona koji dolaze iz elektrine mree, to je na slici 3.50. oznaeno 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 izmjeninoj strani, kao i okviri fotonaponskih modula, spajaju se na sabirnicu za izjednaenje potencijala.

Ako je udaljenost izmeu prikljuno sabirnikog polja fotonaponskih modula i izmjenjivaa DC/AC manja od 25 m, preporuuje se da se samo na jednom mjestu ugradi odvodnik prenapona. Na slici 3.51. prikazan je fotonaponski sustav s ugraenim odvodnicima prenapona u neposrednoj blizini izmjenjivaa i prikljunog sabirnikog polja fotonaponskih modula. Dakle, zatita mora biti osigurana ne samo na izlaznoj strani izmjenjivaa, nego i na izlaznoj strani fotonaponskih modula.

Glavno izjednaenje potencijala obuhvaa cijeli objekt, a izvodi se zbog sprjeavanja unoenja opasnih vanjskih potencijala u objekt, zbog sprjeavanja pojave razlike potencijala u objektu u kojem uvijek postoji velik broj instalacija s vodljivim dijelovima koje nije mogue meusobno izolirati. Kada se u zgradi izvede glavno izjednaenje potencijala, cijela zgrada ini jedan siguran sustav u kojemu je mala vjerojatnost pojave opasnih napona dodira. U svakom objektu mora pos-tojati sabirnica za izjednaenje potencijala i na nju se spajaju svi vodljivi dijelovi: zatitni vodii PE, PEN vodii i glavni zemljovod, uzemljenja, cijevi i metalni dijelovi drugih instalacija u zgradi kao i metalni dijelovi konstrukcije zgrade. Glavno se izjednaenje potencijala izvod

sjek ne smije biti manji od polovice presjeka najveega zatitnog vodia u objektu, ni manji od 6 mm2 za Cu, a ne mora biti ni vei od 25 mm2 za Cu.

3.12.3. Odvodnici prenapona Prenapon se javlja u sluaju izravnog udara groma u objekt, udara groma u fazni ili dozemni vodi

Slika 3.51. Zatita fotonaponskog sustava uzemljenjem i odvodnicima prenapona


mora dobro provesti struju groma u zem- mora biti to manji. Taj otpor ovisi o karakteristikama zemljita

, kako bi se ukupni otpor smanjio.

ja kroz zemlju, stvara se n

13.13. Fotonaponski sustavi u Europi i svijetu Trite fotonaponskih sustava imalo je do sada snaan rast, to e se sigurno nastaviti i u sljede-im godinama. Do kraja 2009. godine u svijetu je instalirano blizu 23 GW fotonaponskih sustava, slika 3.52. U ugradnji fotonaponskih sustava prednjai Europa u kojoj je instalirano 16 GW i koja obuhvaa oko 70 % ukupno instaliranih sustava, zatim slijedi Japan sa 2,6 GW, SAD sa 1,6 GW a ostalo otpada na ostatak svijeta.

Europsko udruenje industrije fotonapona EPIA (engl. European Photovoltaic Industry Asso-ciation), koje broji preko 200 tvrtki u svijetu koje se bave industrijom fotonaponske tehnologije (95 % europskih tvrtki, odnosno 80 % svjetskih), dalo je jasnu poruku i predvianja do 2014. go-dine, s pogledom i do 2020. odnosno 2040. godine.

EPIA predvia (a sve to su do sada prognozirali, znatno je i nadmaeno) da e solarna fotona-ponska tehnologija do 2020. godine pokriti 12 % u Europskoj uniji potroene elektrine energije, a 2040. godine ak 28 %. Takoer su iznijeli podatak da je 2008. godine u industriji fotonaponske tehnologije izravno radilo 130 000 radnika te posredno jo 60 000. Njihova je procjena da e 2020. godine raditi oko 1,4 milijuna radnika, a 2030. godine ak 2,2 milijuna radnika na podruju fotonaponskih sustava.

Udio Europe na tritu fotonaponskih sustava u 2009. godini iznosio je 78 % (5618 MW), za-tim slijedi SAD (477 MW) sa 7 % i Japan (484 MW) sa 7 % te Juna Koreja s 2 % (168 MW) i Kina s tako lika 3.53.)

Na primjeru TN-S sustava, kako prikazuje slika 3.51., vod faze L i neutralnog vodia N preko AC odvodnika prenapona spojeni su sa zatitnim vodiem PE. PE vodi je spojen na sabirnicu za izjednaenje potencijala, a ona je spojena na gromobransku instalaciju koja vodi na uzemljiva graevine. 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 uzemljiva. Druga se grupa postavlja na kraju istosmjernog kabela prije spajanja na mreno vezani izmjenjiva. Ona titi mreno vezani izmjenjiva od induciranog napona u sekciji niskog napona.

3.12.4. Uzemljivai i sustavi uzemljenja Bitan dio gromobranske instalacije je i uzemljiva. Onlju, drugim rijeima njegov otporu koje se ukopava uzemljiva i o geometriji samog uzemljivaa. Karakteristika zemljita bitna za izvedbu dobrog uzemljivaa jest specifini otpor tla, a on se definira kao otpor koji struji prua kocka od homogenog zemljita s veliinom stranica od 1 m. Ako je specifini otpor vei, onda se mora ii na izvedbu uzemljivaa veih dimenzija

Ako konstrukcija fotonaponskih modula nije vodljivo spojena s gromobranskom instalacijom ili sama kua nema gromobransku instalaciju, potrebno je konstrukciju fotonaponskih modula iz-ravno spojiti s uzemljenjem.

Uzemljivai najee dolaze u sljedeim izvedbama: trakasti (u obliku metalne trake koja se zakapa u zemlju, a traka je najee od pocinanog elika, rjee od bakra), tapni (u obliku metal-ne ipke ili cijevi koja se ukopa okomito u zemlju) i temeljni (metalni vodii koji se postavljaju u temelje objekta i preko velike povrine betona dolaze u kontakt s okolnom zemljom).

Prilikom prolaska struje kroz uzemljiva i njezina daljnjeg rasprostirana zemlji raspodjela potencijala najee u obliku tzv. potencijalnog lijevka. To znai da je po-

tencijal najvii uz sam uzemljiva, a s poveanjem udaljenosti od uzemljivaa naglo opada. To je logino, jer struja pravi najvei pad napona dok se rasprostire na malom podruju oko uzemljiva-a. Kad od njega malo odmakne, ima pred sobom mnogo veu povrinu i stoga manji otpor pa su i padovi napona manji.

er 2 % (160 MW). Na ostatak svijeta odnosi se preostalih 4 % (309 MW). (S


1166 1428 17612229 2823

39245323

6929

9360

15677

22893

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

26000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2

Documents

Fotonaponski sustavi [Priručnik]