40
Priručnik Fotonaponski sustavi Ljubomir Majdandžić Ova publikacija izrađena je uz pomoć Europske unije. Za sadržaj ove publikacije odgovorna je Srednja škola Oroslavje i ne odražava stavove Europske unije. Ovaj projekt financira Europska unija

Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

  • Upload
    others

  • View
    32

  • Download
    4

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Europska komisija izvršno je tijelo EU.

Više o projektu na www.ipa-oie.com

Priručnik

Instrument pretpristupne pomoći Obnovljivi izvori energije

Instrument pretpristupne pomoći (eng. Instrument for

Pre-Accession Assistance – IPA) pretpristupni je program

za razdoblje od 2007. do 2013. godine koji zamjenjuje

dosadašnje programe CARDS, Phare, ISPA i SAPARD.

Osnovni ciljevi ovog programa su pomoć u izgradnji

institucija i vladavine prava, ljudskih prava, uključujući

i temeljna prava, prava manjina, jednakost spolova i

nediskriminaciju, administrativne i ekonomske reforme,

ekonomski i društveni razvoj, pomirenje i rekonstrukciju

te regionalnu i prekograničnu suradnju.

IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala

doprinosi jačanju gospodarske i socijalne kohezije, te

prioritetima Europske strategije zapošljavanja u području

zapošljavanja, obrazovanja, stručnog osposobljavanja i

socijalnog uključivanja.

Europsku uniju čini 27 zemalja članica koje su odlučile

postupno povezivati svoja znanja, resurse i sudbine.

Zajednički su, tijekom razdoblja proširenja u trajanju

od 50 godina, izgradile zonu stabilnosti, demokracije

i održivog razvoja, zadržavajući pritom kulturalnu

raznolikost, toleranciju i osobne slobode. Europska

unija posvećena je dijeljenju svojih postignuća i svojih

vrijednosti sa zemljama i narodima izvan svojih granica.

Fotonaponski sustavi

Ljubomir Majdandžić

Ova publikacija izrađena je uz pomoć Europske unije. Za sadržaj ove publikacije odgovorna je Srednja škola Oroslavje i ne odražava stavove Europske unije.

Ovaj projekt fi nancira Europska unija

Page 2: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

IPA Komponenta IV – Razvoj ljudskih potencijala

Program Europske unije za Hrvatsku

Instrument pretpristupne pomoći – Obnovljivi izvori energije

Project fi nanced by the European Union

IMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA:

Increasing knowledge and information on Renewables

Projekt je fi nanciran sredstvima Europske unije

IMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA:

Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Provedbeno tijelo:

Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO

Nositelj projekta:

Srednja škola Oroslavje

Partneri na projektu:

Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu

Grad Oroslavje

Stručni suradnici:

Darko Cobović, dipl. ing.

Goran Nuskern, dipl. ing.

Damir Mileta, dipl. ing.

Zoran Kauzlarić, ing.

Željko Potalec, ing.

Autor:

Doc. dr. sc. Ljubomir Majdandžić, dipl. ing.

HSUSE – Hrvatska stručna udruga za sunčevu energiju

Izdavač:

Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu

Srednja škola Oroslavje

Tehnički urednik:

Mario Lesar, graf. ing.

Dizajn i promocija:

Culmena d.o.o.

Web adresa:

www.ipa-oie.com

Page 3: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Sadržaj 1. UVOD ............................................................................................ 3

2. FIZIKALNE OSNOVE ........................................................................ 4

2.1. Kristali i podjela ........................................................................... 4 2.1.1. Čisti poluvodiči ...................................................................... 4 2.1.2. Poluvodiči s primjesama ............................................................ 5

2.2. Poluvodička dioda (PN spoj) ............................................................. 6

2.3. Solarne ćelije .............................................................................. 7 2.3.1. Početak razvoja solarnih ćelija ...................................................... 7 2.3.2. Fotonaponski efekt .................................................................. 8 2.3.3. Izravna pretvorba sunčeva zračenja u električnu energiju ......................... 8

2.4. Izrada solarnih ćelija ..................................................................... 10

3. SOLARNI FOTONAPONSKI SUSTAVI ................................................... 12

3.1. Samostalni fotonaponski sustavi ......................................................... 13 Akumulatori ........................................................................ 14 Regulatori punjenja .................................................................. 15 MPPT regulatori ..................................................................... 17 3.1.1. Hibridni fotonaponski sustavi ...................................................... 21

3.2. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije ........................................................... 22

3.2.1. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mreže preko kućne instalacije snage do 30 kW ................................... 24

3.2.2. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage od 30 kW do 100 kW ...................... 24

3.2.3. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage veće od 100 kW ............................ 24

3.3. Ugradnja fotonaponskih modula od tankog filma ....................................... 25

3.4. Fotonaponski moduli na pročelju građevina ............................................ 25

3.5. Stakleni krovovi građevina s fotonaponskim modulima ................................ 26

3.6. Fotonaponski sustavi u Republici Hrvatskoj priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije ....................................... 26

3.7. Potrebna površina za proizvodnju električne energije iz fotonaponskih sustava ...... 27

3.8. Sigurnosna zaštita fotonaponskih sustava ............................................... 29 3.8.1. Gromobranska instalacija .......................................................... 29

Page 4: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

3.8.2. Izjednačenje potencijala ............................................................ 30 3.8.3. Odvodnici prenapona .............................................................. 30 3.8.4. Uzemljivači i sustavi uzemljenja .................................................. 31

3.9. Fotonaponski sustavi u Europi i svijetu ................................................. 32

4. PRORAČUN FOTONAPONSKOG SUSTAVA S EKONOMSKOM ANALIZOM ... 33

4.1. Programi za simulaciju, dimenzioniranje i oblikovanje fotonaponskih sustava ....... 33

4.2. Ekonomska analiza i povrat investicije u fotonaponski sustav ......................... 35

Page 5: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

1. Uvod Sunce je glavni izvor elektromagnetskog zračenja koje prolazi atmosferom i neiscrpan je obnov-ljivi izvor energije. Ono daje energiju koja održava život, pokreće atmosferu i različitim sustavi-ma gibanja oblikuje vrijeme i klimu.

Uzmemo li u obzir da Sunce samo u jednoj sekundi oslobodi više energije nego što je naša ci-vilizacija tijekom svojeg razvoja iskoristila, važnost istraživanja energije Sunca i pretvorbe ener-gije sunčeva zračenja u korisne oblike energije poprima sasvim novu dimenziju s velikom mogućnošću rješavanja problema energetske krize, koja je u svijetu sve prisutnija.

godišnje sunčevozračenje

zalihe ugljena

zalihe nafte

zalihe urana

zalihe plina

godišnja potrošnja energije u svijetu

godišnje Sunčevo zračenje

Slika 1.1. Godišnje sunčevo zračenje na površini zemlje u usporedbi sa zalihama

fosilnih i nuklearnih goriva te godišnjom potrošnjom energije u svijetu (Izvor: Njemačka udruga za sunčevu energiju – Deutschen Gesellschaft für Sonnenenergie e.V)

Snaga sunčevog zračenja iznosi oko 3,8⋅1023 kW, odnosno 3,3⋅1027 kWh/god., od čega samo mali dio stigne na zemlju pod prostornim kutom od 32', odnosno 0,53°. Do vrha Zemljine atmos-fere dolazi samo pola milijarditog dijela emitirane energije, tj. oko 1,75⋅1014 kW ili 1,53⋅1018

kWh/god. Ta snaga prelazi više od 100 000 puta snagu svih elektrana na zemlji kad rade punim kapacitetom. Ogromna je količina energije od sunčeva zračenja. (Prikazano plavom kockicom na slici 1.1.)

Slika 1.1. zorno pokazuje prirodni potencijal energije sunčeva zračenja. To je velika žuta koc-ka, koja je 50 puta veća od zbroja svih zaliha fosilnih i nuklearnih goriva. Trenutačno je tehnički potencijal energije sunčeva zračenja još uvijek veći od svjetske potrošnje energije. Manje od jed-nog sunčanog sata dovoljno je da pokrije cjelokupnu potrebu za energijom gotovo 6,5 milijardi ljudi koji žive na ovom planetu (prikazano plavom kockicom).

Unatoč tome da se oko 30 % energije sunčeva zračenja reflektira natrag u svemir, još uvijek Zemlja od Sunca godišnje dobiva oko 1,07·1018 kWh energije, što je nekoliko tisuća puta više ne-go što iznosi ukupna godišnja potrošnja energije iz svih primarnih izvora.

Energija koju su apsorbirale atmosfera ili površina Zemlje, pretvara se u toplinsku energiju. Oko 23 % potroši se za isparavanje i nastajanje oborina u atmosferi, a ostatak, oko 47 %, primi Zemlja u obliku ogromne količine energije. Zagrijavanje prouzrokuje isparavanje vodenih površi-na, stvara vjetrove i morske struje i, što je najvažnije, omogućuje život. Udio sunčeve energije na kopnenoj površini iznosi samo jednu petinu, a ostatak sunčeve energije apsorbiraju mora i oceani.

Zbog toga kažemo da su svi izvori energije, osobito obnovljivi, samo različite pretvorbe i oblici energije sunčeva zračenja.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 3

Page 6: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

2. Fizikalne osnove 2.1. Kristali i podjela Kristali su čvrsta tijela sastavljena od atoma, iona ili molekula u kojima se ponavlja njihov trodi-menzionalni raspored s pravilnom međusobnom udaljenošću tvoreći tzv. kristalnu rešetku. Kristali sa savršeno pravilnom rešetkom idealizacija su dok je u realnoj kristalnoj rešetki geometrijska pravilnost narušena raznim utjecajima (npr. toplinskim, klizanjem i sl.). Promjena strukture utječe na mehanička, toplinska, električna i magnetska svojstva kristala.

Materijali važni za izradu fotonaponskih solarnih ćelija mogu doći u obliku monokristala, po-likristala (multikristala) ili kao amorfne tvari. Ako se čitav aktivni obujam ćelija sastoji od samo jednog kristala, onda je takva ćelija monokristalna. Ako se u procesu rasta kristala većih dimenzi-ja formira više kristala (obično zajednički orijentiranih), i iz takva kristalnog bloka izreže pločica za izradu solarne ćelije, onda takve ćelije nazivamo polikristalnim ili multikristalnim.

Amorfne tvari ne posjeduju pravilan raspored atoma duljeg dosega kao kristali. Ako je veličina kristalića vrlo mala (ispod 2 nm), teško je razlikovati kristalnu od amorfne fa-

ze, jer i amorfne tvari imaju neki pravilan raspored atoma na malu udaljenost (ispod 5 nm). U graničnom području, između ove dvije faze, nalazi se, posebno kod tankih slojeva silicija, tzv. nanokristalna faza (nc-Si) ili mikromorfni materijal. Ona također ima amorfnu fazu, ali se unutar amorfne faze nalaze i sitna kristalna zrnca.

Nanokristalni silicij je jedan od materijala budućnosti za izradu solarnih ćelija. Ima povoljnija svojstva od amorfnog silicija (a-Si) zbog veće pokretljivosti elektrona, povećane apsorpcije fotona u crvenom i infracrvenom području sunčeva spektra i, što je još važnije, zbog znatno veće otpor-nosti prema degradaciji svojih fotoelektroničkih svojstava.

Prema sposobnosti provođenja električne struje materijale možemo podijeliti na vodiče (meta-le), poluvodiče i izolatore. Ovdje specifična električna vodljivost može poprimiti veoma velik ras-pon te za dobre vodiče kao što su metali ona iznosi od 106 do 108 Ω-1m-1, kod izolatora od 10-20 do 10-8 Ω-1m-1, a za poluvodiče je između ovih vrijednosti, tj. od 10-7 do 105 Ω-1m-1.

Širina zabranjenog pojasa energija, odnosno energijska širina zabranjene vrpce (Eg) kod polu-vodiča iznosi oko 1 eV, kod metala ispod ove vrijednosti, a kod izolatora je veća od 6-10 eV. Kod izolatora je valentni pojas ispunjen elektronima, vodljivi je pojas prazan i ne postoji gibanje elek-tričnog naboja primjenom električnog polja. Najviši pojas energija kod metala samo je djelomično 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 električnom polju, a kako postoje u velikom broju, električna vodljivost je velika.

Stanje kod poluvodiča slično je onome kod izolatora, osim što su tamo u značajnijem broju uvedeni dodatni elektroni i šupljine u kristalu, ali još uvijek manjem od broja prisutnih atoma, pa je tako i njihova vodljivost manja nego kod metala (vodiča).

Električni vodič je materijal koji obiluje slobodnim elektronima pa stoga dobro provodi elek-tričnu struju (zlato, srebro, bakar, aluminij, ugljen, otopine soli, kiselina i lužina).

Električni su izolatori materijali koji gotovo nemaju slobodnih elektrona pa stoga ne provode električnu struju. (porculan, staklo, mramor, azbest, guma, papir, prešpan, fiber, pamuk, PVC ma-sa i dr.).

2.1.1. Čisti poluvodiči Čisti su poluvodiči oni koji se sastoje od atoma samo jednog elementa, bez ikakvih primjesa, ili koji sadrže tako malo primjesa (nečistoća) da one ne utječu na njihove karakteristike. Atomi u kri-stalnoj rešetki poluvodiča povezani su međusobno kovalentnom vezom.

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije4

Page 7: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

elektron šupljina

vodljiva vrpca

valentna

Eg

T= 0 K T > 0 K

Slika 2.1. Energijski dijagram čistog poluvodiča

2.1.2. Poluvodiči s primjesama Ako se čistom poluvodiču (npr. Si) dodaju primjese, onda se od čistog silicija dobije p-tip odnos-no n-tip poluvodiča. Atomi primjesa imaju 3, odnosno 5 valentnih elektrona.

Ako se atom silicija (Si) u kristalnoj rešetki zamijeni peterovalentnim atomom fosfora (P), njegova četiri valentna elektrona popune kovalentne veze s ostalim atomima silicija. Peti elektron u suvišku neće biti zadržan u kemijskoj vezi, jer za njega na raspolaganju nema praznih stanja, pa ga jedino atom fosfora još privlači slabom kulonskom vezom koja se lako prekida, npr. termičkom pobudom (agitacijom). Taj elektron udaljen od atoma fosfora ima na raspolaganju samo slobodna stanja u pojasu vodljivosti, a ostavlja primjesu fosfora jednostruko pozitivno nabijenom. Potrebna energija za odvajanje elektrona zove se energija za ionizaciju primjese, a atom fosfora je donor, jer "donira" vodljivi elektron rešetki, a silicij je tada N-tipa.

Kod kristalne rešetke s trovalentnim primjesama, primjerice s atomom bora (B), dolazi do manjka u valentnim elektronima. Tri elektrona popunjavaju kovalentne veze s trima od četiriju susjednih atoma silicija, no četvrti atom ima samo jednoelektronsku vezu, tj. nastala je šupljina. Na sličan način kao kod primjese fosfora, šupljina je vezana slabom kulonskom silom na atom bora. Ako se od njega udalji, četvrta se kovalentna veza oko indija popuni, i indij ostane s jednos-trukim negativnim nabojem. Tako su elementi 3. skupine, kao primjese u siliciju akceptori jer mogu primiti elektrone i tako uvesti šupljine u valentni pojas, odnosno silicij postaje P-tipa.

Donori i akceptori uvode lokalizirane energijske nivoe u zabranjeni pojas energije, i to donori blizu dna vodljivog pojasa, a akceptori iznad vrha valentnog pojasa koji se lako ionizira pa tako znatno poraste električna vodljivost N-odnosno P-tipa, a N-tip sadrži mnogo više negativnih nosi-laca naboja (elektrona) nego pozitivnih (šupljina). Elektroni su većinski, a šupljine manjinski no-sioci naboja. Kod P-tipa stanje je obrnuto i šupljine su većinski nosioci naboja.

Neke primjese iz drugih skupina periodnog sustava elemenata (kao npr. litij), ulaze u rešetku silicija ili germanija u međuprostorni položaj, djelujući tako kao donori. Pored tih elementarnih poluvodiča postoje i poluvodički spojevi III. i V. skupine ili II. i VI. skupine, kao što su npr. 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. Slična razmatranja vrijede i za II.-VI. poluvodičke spojeve.

Učinci nestehiometrije

Razlog za uvođenje donora i akceptora u elementarne poluvodiče i poluvodičke spojeve, mogu biti i defekti u kristalnoj rešetki kao što su praznine i međuprostorni atomi. Kod spojeva može do-ći do nestehiometrije, zbog praznog mjesta u rešetki jedne od komponenti spoja ili zbog viška je-dne komponente u međuprostornom položaju. Na primjer, u pomalo ionskoj rešetki CdS, donorski centar može nastati uhvatom jednog ili više elektrona na mjestu anionske praznine sumpora. Kako je ovdje u suvišku kadmij, da bi se sačuvala električka neutralnost kristala, dva se elektrona moraju dodati za svaki ion sumpora u manjku. Blizu te praznine postoji čisti pozitivni naboj koji ponovno privlači dodatne elektrone oko tog centra. Oslobađanjem uhvaćenih elektrona, oni iz praznine ulaze

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 5

Page 8: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

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

Temperaturna ovisnost električne vodljivosti Jedna od posebnih karakteristika poluvodiča je promjena električne vodljivosti s promjenom tem-perature. Kod metala električna vodljivost normalno opada s porastom temperature zbog sve veće frekvencije sudara elektrona s titrajima rešetke. Naprotiv, kod poluvodiča u određenom tempera-turnom području vodljivost s temperaturom naglo raste. Pri niskim su temperaturama elektroni (šupljine) uhvaćeni u primjesnim i defektnim centrima i vodljivost je mala. S porastom temperatu-re sve se veći broj tih centara ionizira, a oslobođeni nosioci sve više sudjeluju u procesu vođenja električne struje. Kada su svi ionizirani, vodljivost ponovno počinje pomalo opadati, kao kod me-tala. Kod još viših temperatura dolazi do drugog naglog porasta vodljivosti zbog pobude intrinsič-kih nosilaca naboja, izravno preko zabranjenog pojasa (vrpce).

Opća jednadžba za broj elektrona u vodljivoj vrpci približno je dana sljedećim izrazom: ( )f c /

c e E E k Tn N −= gdje je:

Nc – gustoća stanja elektrona u vodljivoj vrpci, 1/m3 Ec – energija dna vodljive vrpce, J, eV Ef – Fermijeva energija, J k – Boltzmannova konstanta, (1,3806·10-23 J/K) T – termodinamička temperatura, K

2.2. Poluvodička dioda (PN-spoj) Sunčana je ćelija u biti PN-spoj (poluvodička dioda). PN-spoj nastaje kada se jednom dijelu kris-tala čistog poluvodiča dodaju trovalentne (akceptorske) primjese, tako da nastane p-tip poluvodi-ča, a drugom dijelu peterovalentne (donorske) primjese, te nastaje n-tip poluvodiča. Na granici između tih dvaju područja (PN-spoj), kao posljedica gradijenta koncentracije, nastaje difuzija elektrona iz n-područja prema p-području i šupljina iz p-područja prema n-području. Fermijeva je energijska razina Ef na sredini jer je broj elektrona u vodljivoj vrpci jednak broju šupljina u valen-tnoj vrpci (slika 2.2.).

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

elektron šupljina elekt

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

vodljiva vrpca

valentna

Slika 2.2. Energijski dijagram za čisti poluvodič

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

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije6

Page 9: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Koncentracija šupljina na p-strani ne mora biti jednaka koncentraciji elektrona na n-strani. Ako je, na primjer, n-strana znatno jače dopirana primjesama od p-strane, bit će znatno jača struja elektrona preko p-n spoja nego struja šupljina kad je dioda vezana u propusnom smjeru, tako da dolazi do injekcije elektrona u p-područje.

Veza između vanjskog napona U i jakosti struje Id kroz PN-spoj, tzv. I,U-karakteristika diode, može se prikazati jednadžbom:

( )/d z e 1eU kTI I= −

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

2.3. Solarne ćelije

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

Kako je proizvodna cijena prvih solarnih ćelija bila vrlo visoka, one svoju prvu komercijalnu primjenu 1958. godine nisu našle na Zemlji, nego u svemirskim istraživanjima na satelitima, (sli-ka 2.3.). Tek je naftna kriza 70-ih godina prošlog stoljeća "prizemljila" te uređaje. Tad se prvi put uočilo da ne postoje neograničene zalihe fosilnih goriva te da treba potražiti i razviti nove, obnov-ljive energetske izvore.

Slika 2.3. Svemirski satelit opskrbljen solarnim ćelijama

Unatoč znatnijim ulaganjima u istraživanje i razvoj solarne fotonaponske cijena solarnih ćeli-ja, odnosno fotonaponskih sustava, i dalje je visoka i oni su komercijalno konkurentni drugim uo-bičajenim izvorima električne struje samo u određenim podučjima primjene, tj. tamo gdje nema u

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 7

Page 10: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

blizini električne mreže. Međutim, vodeći svjetski energetičari procijenili su da će upravo fotona-ponska tehnologija u 21. stoljeću dominirati u zadovoljavanju potreba za električnom energijom, zbog opadanja raspoloživih zaliha konvencionalnih goriva.

U posljednjih nekoliko godina svjedoci smo dosad nezapamćenog godišnjeg porasta u proiz-vodnji solarnih ćelija i modula od preko 60 %, a jedinični kapaciteti pojedinih novosagrađenih proizvodnih pogona već prelaze 50 MW.

U pojedinim zemljama, a i u našoj, ozakonjene su stimulativne financijske mjere za otkup u mrežu tako prozvedene električne energije, što omogućuje snažan poticaj za sve veće korištenje i primjenu novih obnovljivih izvora energije.

2.3.2. Fotonaponski efekt Godine 1839. Edmond Becquerel (1820.-1891.) otkriva fotonaponski efekt. On je to opisao kao proizvodnju električne struje kada se dvije ploče platine ili zlata urone u kiselu, neutralnu ili luž-natu otopinu te izlože na nejednolik način sunčevu zračenju. Bilo mu je 19 godina kada je to mo-gao učiniti u laboratoriju svojega oca Antoine-Cesara, uglednog znanstvenika koji je radio na području elektrokemije, fiziologije, meteorologije i poljoprivrede. Edmond Becquerel je 1868. godine objavio važan rad pod naslovom "Svjetlost, njezino porijeklo i njezini efekti".

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

Nakon Becquerelova otkrića prošlo je više od 40 godina da bi tek 1883. godine Charles Fritts načinio prvu pravu solarnu ćeliju deponirajući na poluvodički selen tanki sloj zlata. Tako je ostva-rio potencijalnu barijeru na kontaktu metal-poluvodič.

2.3.3. Izravna pretvorba sunčeva zračenja u električnu energiju Kad se solarna (sunčana) ćelija osvijetli, odnosno kada apsorbira sunčevo zračenje, fotonapon-skim se efektom na njezinim krajevima pojavljuje elektromotorna sila (napon) i tako solarna ćelija postaje izvorom električne energije.

Pri praćenju emisije i apsorpcije sunčeva zračenja (elektromagnetskih valova) zračenje se može promatrati kao snop čestica, tzv. fotona. Tako je, na primjer, za proračun fotostruje solarne ćelije potrebno poznavati tok fotona koji upadaju na ćeliju. Svaki foton nosi određenu količinu energije. Cjelokupni raspon zračenja koje nastaje u svemiru nazivamo elektromagnetskim spektrom.

Elektromagnetska zračenja uzajamno se razlikuju jedino po frekvenciji. Svjetlost nastaje kada se električni naboji kreću u elektromagnetskom polju. Atom odašilje svjetlost kada je neki od nje-govih elektrona potaknut dodatnom energijom izvana. Zračenje pobuđenih elektrona predočavamo valom. Svjetlost manje energije ima manju frekvenciju ili učestalost, no veću valnu duljinu, a ona s više energije ima veću frekvenciju ali manju valnu duljinu.

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

ocE h v hλ

= =

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

λ – valna duljina, μm

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije8

Page 11: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

0,15 mm 2-5 mm

0,2 μm

300 μm

antirefleksijski sloj

- prednji kontakt u obliku rešetke

+ stražnji metalni kontakt

N- područje

P- područje

svjetlost, hv

Slika 2.4. Silicijeva solarna ćelija

U silicijevoj su solarnoj ćeliji, prikazanoj na slici 2.4., na površini pločice P-tipa silicija difun-dirane primjese, npr. fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane područje N-tipa polu-vodiča. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčava zračenja, na prednjoj površini ćelije nalazi se metalna rešetka koja ne pokriva više od 5 % površine, tako da gotovo ne utječe na apsorpciju sunčeva zračenja. Stražnja strana ćelije prekrivena je metalnim kontaktom. Da bi se povećala djelotvornost ćelije, prednja površina ćelije može biti prekrivena prozirnim pro-turefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svjetlosti.

Kada se solarna ćelija osvijetli, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila, tj. napon. Tako solarna ćelija postaje poluvodička dioda, tj. PN-spoj, i ponaša se kao ispravljački uređaj koji propušta struju samo u jednom smjeru.

Slika 2.5. Nastanak parova elektron-šupljina u solarnoj ćeliji

Kada se solarna ćelija, odnosno PN-spoj osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elek-tron-šupljina. Ako apsorpcija nastane daleko od PN-spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Me-đutim, nastane li apsorpcija unutar, ili blizu PN-spoja, unutrašnje električno polje, koje postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu. Elektron se giba prema N-strani, a šup-ljina prema P-starni. Zbog skupljanja elektrona i šupljina na odgovarajućim suprotnim stranama PN-spoja dolazi do pojave elektromotorne sile na krajevima solarne ćelije, (slika 2.5.).

Kada se solarna ćelija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, kao što je prikazano na slici 2.6., proteći će električna struja, a solarna ćelija postaje izvorom električne energije.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 9

Page 12: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

PN-spoj

struja

Slika 2.6. Solarna ćelija kao izvor električne energije

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

Tablica 2.1. Temeljni parametri solarnih ćelija Vrsta ćelije Uok, V Jks, mA/cm2 η monokristalna-Si ćelija polikristalna-Si ćelija amorfna-Si ćelija 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 ćelija Solarne ćelije, kao rijetko koja tehnologija, danas imaju znatno ubrzan tehnološki napredak u istra-živanju materijala za izradu solarnih ćelija i pronalasku novih koncepata i procesa njihove proizvo-dnje. Silicij, kao osnovni materijal za izradu solarnih ćelija, apsolutno dominira, s udjelom od oko 98 %, i to pretežino u tehnologiji kristalnog silicija. Uglavnom prevladava tehnologija proizvodnje monokristalnog silicija dobivenog tzv. Czochralskim postupkom ili tehnologijom lebdeće zone (engl. float zone). Proizvodnja je monokristalnog silicija skuplja, no učinkovitost ćelija je veća.

Najveći je tehnološki nedostatak kristalnog silicija je svojstvo da je poluvodič s tzv. neizrav-nim zabranjenim pojasom, zbog čega su potrebne razmjerno velike debljine aktivnog sloja kako bi se u najvećoj mjeri iskoristila energije sunčeva zračenja.

Nova tehnologija, koja uključuje primjenu trakastog silicija, ima prednost što je u procesu pro-izvodnje izbjegnuta potreba rezanja vafera, čime se gubi i do 50 % materijala. Međutim, kvaliteta i mogućnost proizvodnje nije takva da bi primjena te tehnologije prevladala u bliskoj budućnosti.

U novoj tehnologiji tankog filma primjenjuju se poluvodiči s tzv. izravnim zabranjenim poja-som i njihove debljine mogu biti znatno manje, uz bitno manji utrošak materijala, što obećava nisku cijenu i mogućnost proizvodnje velikih količina ćelija.

Solarne ćelije tankog filma pripadaju trećoj generaciji solarnih ćelija, a postoji nekoliko ekspe-rimantalnih poluvodičkih materijala poput bakar-indij-galij-selenida (CIGSS), bakar-indij-diselenida (CIS) ili kadmijeva telurida (CdTe) te organskih materijala, no u masovnu su proizvo-dnju ušle solarne ćelije izrađene od tankog filma silicija (TFSi). Izvode se postavljanjem tankih slojeva (filmova) poluvodičkih materijala na podlogu (tzv. supstrat). Takva izvedba solarnih ćelija

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije10

Page 13: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

je vrlo zahvalna, jer omogućava njihovu fleksibilnost u odnosu na klasične, krute, solarne ćelije, a to omogućava njihovu širu primjenu. Međutim, njihova je dosadašnja učinkovitost 7 do 10 %, što je znatno manje od klasičnih silicijevih solarnih ćelija.

Danas se na tržištu mogu naći različite silicijeve solarne ćelije, različitih boja i dimenzija. Uobi-čajene su dimenzije 10 cm × 10 cm, 12,5 cm × 12,5 cm, 15 cm × 15 cm, 21 cm × 21 cm, (slika 2.7.).

Slika 2.7. Kristalne ćelije različitih boja i dimenzija

Udio tehnologije tankog filma (amorfni silicij, CdTe, CIS, CIGSS), unatoč znatnim naporima uloženim u istraživanja, ostao je vrlo skroman, za sada svega oko 6 %.

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

Slika 2.9. Amorfna silicijeva ćelija

Slika 2.10. Solarna ćelija od kadmijeva telurida (CdTe)

Zabrinutost je prisutna zbog toga što proces proizvodnje nekih fotonaponskih ćelija zahtijeva otrovne metale poput žive, olova i kadmija, a uz to proces proizvodnje rezultira i stvaranjem ug-ljikova dioksida koji je staklenički plin i uglavnom je odgovoran za učinak globalnog zatopljenja. Prema jednoj studiji pod naslovom "Emisije iz fotonaponskog životnog ciklusa" (engl. Emissions

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 11

Page 14: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

from Photovoltaic Life Cycles) postupak proizvodnje i životni ciklus fotonaponskih ćelija proiz-vode mnogo manje onečišćenja zraka od tradicionalnih tehnologija s fosilnim gorivima. Rezultati su tih istraživanja pokazali su da proizvodnja električne energije iz solarnih ćelija smanjuje koli-činu onečišćenja zraka za oko 90 % u odnosu na proizvodnju iste količine električne energije ko-rištenjem fosilnih goriva. Studija je također pokazala da tehnologija tankog filma kadmijeva telurida (engl. thin-film cadmium telluride) ima najmanju emisiju štetnih plinova u životnom cik-lusu, zbog toga što je utrošak energije za proizvodnju takvog modula najmanji od svih fotonapon-skih modula.

Slika 2.11. Fotonaponski sustavi koji prate kretanje Sunca i moduli s visoko koncentrirajućim optičkim sustavom

Izrada solarnih ćelija je dosta složen tehnološki proces, pa je stoga cijena solarnih ćelija još uvijek dosta visoka. Međutim, posljednjih godina cijena solarnih ćelija pada, uz poboljšanje ka-rakteristika.

U novije vrijeme tehnički su se usavršile visoko učinkovite solarne ćelije, tzv. koncentrirajuće solarne ćelije. Obično se ugrađuju na fotonaponske sustave koji prate kretanje Sunca (engl. Trac-king System). Stupanj je djelovanja tih ćelija oko 35 %, a modula oko 25 %. Bilježi se znatan po-rast ugradnje fotonaponskih sustava koji prate kretanje Sunca (engl. Tracking) i koji imaju module od optičkih koncentrirajućih sustava CPV, (slika 2.11.).

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

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

Fotonaponski sustavi koji nisu priključeni na mrežu, odnosno samostalni sustavi, mogu biti sa ili bez pohrane energije, što će ovisiti o vrsti primjene i načinu potrošnje energije, i hibridni susta-vi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, dizelskim generatorom ili gorivnim člancima.

Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu mogu biti izravno priklju-čeni na javnu elektroenergetsku mrežu ili priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko ku-ćne instalacije.

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije12

Page 15: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

fotonaponski (FN) sustavi

samostalni sustavi

izravno priklju čeni na javnu mrežu

priključeni na mrežu

bez pohrane hibridni sustavi sa pohranom

priklju čeni na javnu mrežu preko

kućne instalacije

obični uređaji

male primjene

AC samostalni sustavi

DC samostalni sustavi

pomo ću vjetroagregata

pomo ću kogeneracije

pomo ću dizel generatora

pomo ću gorivnih član.

Slika 3.1. Osnovna podjela fotonaponskih sustava

3.1. Samostalni fotonaponski sustavi Kao što je već rečeno, solarni fotonaponski (FN) sustavi koji nisu priključeni na mrežu (engl. off-grid) često se nazivaju i samostalnim sustavima (engl. stand-alone systems), a mogu biti sa ili bez pohrane energije, i hibridni sustavi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, gorivnim člancima ili dizelskim generatorom.

Temeljne komponente samostalnoga fotonaponskog sustava, slika 3.2.: 1. fotonaponski moduli (obično spojeni paralelno ili serijski-paralelno) 2. regulator punjenja 3. akumulator 4. trošila 5. izmjenjivač (ako trošila rade na izmjeničnu struju)

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

e pretvorba sunčeva zračenja, odnosno svjetlosne energije u električnu e pretvorba električne energije u kemijsku i, obrnuto, kemijske u električnu

fotonaponski moduli regulator punjenja

akumulator

trošila

Slika 3.2. Samostalni fotonaponski sustav za trošila na istosmjernu struju

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 13

Page 16: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

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

Akumulatori Za spremanje energije u otočnim sustavima koristimo akumulatorske baterije. Otočni sustavi se često koriste kao hibridni sustavi koji imaju nekoliko izvora energije: fotonaponske module, vjet-roturbine ili hidroturbine.

Posebno konstruirane grupe solarnih akumulatora (battery bank) s natapajućim elektrolitom ili gelom koji imaju malu samopotrošnju od oko 3% mjesečno, s oznakom SOLAR, a mogu izdržati više ciklusa punjenja i pražnjenja, te imaju veća otpornost na duboko pražnjenje.

Parametri koji utječu na trajnost baterija/akumulatora e Mehanička oštećenja e Previsok napon punjenja baterijskog bloka e Prenizak napon punjenja baterijskog bloka e Sulfatizacija baterije – zbog cikličkog rada baterija dolazi do stvaranja olovnog sulfata na

pločama akumulatora (sulfatizacija). Ako nakon pražnjenja ubrzo dođe do punjenja baterija, sloj će se razgraditi. Ako se baterija dugo ne puni sloj sulfata će se povećati te se više neće moći razgraditi, a baterija će trajno izgubiti kapacitet.

e Pražnjenje baterije – solarne baterije se svakodnevno pune i prazne te svaki dan postoji dotok i odvod energije. Da se osigura višednevno korištenje sustava kada ne postoji dotok energije potrebno je osigurati visoki kapacitet baterija.

e Temperatura baterije – temperatura baterije različita od nominalne temperature smanjuje životni vijek baterije. Solarna GEL baterija će pri 20 °C imati vijek trajanja oko 12 godina, dok će kod 30 °C pasti na 6 godina, a daljnjim povećanjem temperature do 40 °C vijek trajanja pada na 3 godine. Kod niskih temperatura ispod 0 °C može doći do smrzavanja gela u bateriji te trajnog smanjivanja kapaciteta baterije.

e Baterije akumuliraju energiju tijekom perioda punjenja, a koriste se kao izvor energije tijekom perioda pražnjenja, kada moduli nisu aktivni. Interval između jednog perioda punjenja i pražnjenja naziva se ciklus. Ciklički način rada sustava skraćuje životni vijek baterije. Dodatni zahtjev baterija je što veći stupanj djelovanja i što manja razlika između dobivene energije iz baterije tijekom pražnjenja i utrošene energije tijekom punjenja.

Olovo-kristal baterije imaju nešto veću otpornost na sulfatizaciju, otpornost na duboko praž-njenje i izrazito niske i visoke temperature.

Različitim povezivanjem baterija ostvaruje se traženi izlazni radni napon i kapacitet baterijske grupe.

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije14

Page 17: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Serijskim povezivanjem baterija povećava se izlazni napon V, dok se paralelnim poveziva-

njem povećava kapacitet baterijskog bloka u Ah odnosno povećava se izlazna struja bloka Bateri-je se povezuju da se postigne izlazni napon od 12 V, 24 V te 48 V ovisno o uređajima koji se napajaju iz sustava te ovisno o električnim karakteristikama izvora električne energije.

Regulatori punjenja Regulator punjenja je dio foto-naponskog sustava koji kontrolira punjenje akumulatorskih baterija kod otočnog sustava (stand-alone) odnosno sustava koji nije priključen na elektroenergetski sus-tav (off-grid). Njegova glavna funkcija je zaštita baterije od:

e prepunjavanja e predubokog pražnjenja Kvaliteta regulatora punjenja produžuje životni vijek akumulatorskih baterija koje su najskup-

lji dio samostalnog foto-naponskog sustava. Regulatori punjenja s jedne stane mjere napon i struju FN modula, a s druge strane napon akumulatora. Neke izvedbe regulatora mjere temperaturu oko-line i na temelju nje mijenjaju prag punjenja akumulatora.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 15

Page 18: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Prema načinu punjenja dijelimo ih na regulatore sa: e Konstantnim punjenjem koje dijelimo na:

– linearne regulatore – pulsno širinska regulatore (PWM)

e Cikličkim punjenjem (on-off) – regulator puni dok napon na akumulatoru ne postigne napon punog akumulatora, te nakon detekcije napunjenosti prekine punjenje. Punjenje se nastavlja kada napon na akumulatoru padne ispod namještene razine.

Prema načinu izvedbe dijelimo regulatore s obzirom na smještaj tranzistora koji regulira pu-njenje na paralelne i serijske

e Paralelni regulator punjenja (regulatori manje snage)

Paralelni tranzistor sa FN modulom je isklopljen kada regulator puni akumulatorsku bateriju, a

kada je baterija puna tada tranzistor uklopi i kratko spoji FN modul, te punjenje prestaje. Na tran-zistoru nastaju veliki gubici snage koje zagrijavaju tranzistor kojem moramo osigurati kvalitetno hlađenje. Osim toga ukoliko je akumulatorska baterija puna, a FN modul radi punom snagom tada gubimo svu proizvedenu energiju, a zbog prolaska struje kratkog spoja kroz FN modul dodatno zagrijavamo modul, a moguće je i uništenje FN modula. Blok-dioda ima ulogu onemogućavanja protjecanja struje kroz FN modul kada je napon na modulu manji od napon akumulatorske baterije odnosno po noći. Tranzistor za uklapanje i isklapanje trošila osigurava zaštitu akumulatora da ne dođe po dubokog pražnjenja odnosno isključuje trošilo kada napon na akumulatoru padne ispod dozvoljene granice.

e Serijski regulatori punjenja (češće se koriste)

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije16

Page 19: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Tranzistor za uključenje i isključenje punjenja nalazi se serijski povezan sa FN modulom i akumulatorom, te upravljanjem tim tranzistorom mijenjamo struju punjenja. Ukoliko tranzistor radi tako da možemo podešavati struju punjenja tada moramo osigurati kvalitetno hlađenje tranzi-stora, jer se na njemu gubi višak snage koji generira FN modul, a ne koristi za punjenje akumula-tora. Ukoliko tranzistor radi u sklopnom režimu rada tada se na njemu ne gubi velika snaga i potrebno mu je manje hladilo. Blok-dioda i tranzistor za uklapanje i isklapanje trošila imaju istu funkciju kao i kod paralelnih regulatora.

MPPT regulatori Novija tehnologija regulatora zasnovana je na praćenju točke maksimalne snage (maximum power point tracking), te iz engleskog naziva proizlazi skraćenica MPPT.

FN modul snage 60 Wp daje na stezaljkama napon od 16,63 V i struju od 3,6 A što daje snagu 59,87 W što je ujedno maksimalna snaga FN modula.

Kada priključimo akumulator (koji na svojim stezaljkama ima napon 12V) na FN modul preko regulatora punjenja, snaga uz struju od 3,6 A padne na 43,2 W (12·3,6) pa je razlika u snazi FN modula (59,87 W) i snazi punjenja (43,2 W) iznosi 16,67 W. Izraženo u postocima ona iznosi 27 % od maksimalne snage FN modula i predstavlja gubitke. Ukoliko je akumulator dublje ispra-žnjen (na svojim stezaljkama ima manji napon od 12V) razlika u snazi je veća pa su i gubici veći.

Takvo razmatranje dovodi do zaključka da je potrebno usavršiti postojeće regulatore punjenja tako da se koristi regulator punjenja koji može transformirati snagu i raditi na točki maksimalne snage. MPPT regulatori posjeduju DC/DC pretvarač koji u prvom stupnju transformira DC napon iz FN modula u AC napon, kojeg transformira ponovno u DC napon prilagođen akumulatoru ali uz veću struju punjenja.

Na taj način na akumulatoru dobivamo napon od 12 V ali struja punjenja iznosi 4,9 A pa sna-ga punjenja je 59,87W i kompletno je iskorištena. MPPT regulatori rade na prekidnom modu rada na frekvencijama od 20-80KHz, te je efikasnost samog regulatora od 92 do 97 %. U ljetnom peri-odu rada mogu povećati učinak za 20 do 35 %, dok u zimskom periodu od 10 do 15 %.

Blok shema MPPT regulatora:

Ugradni solarni regulatori WMO

Dimenzije (D × V × Š)

WMO 150: 110 × 75 × 45 mm

WMO 300: 110 × 75 × 70 mm

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 17

Page 20: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Tip regulatora Nazivni napon Struja sol. panela Struja punjenja baterije Kat.br. WMO 150 – 12 12 VDC 9 A 13 A 21001213 WMO 150 – 24 24 VDC 4,5 A 6,5 A 42002406 WMO 300 – 12 12 VDC 18 A 25 A 21001225 WMO 300 – 24 24 VDC 9 A 13 A 42002412

Nazivna snaga : 150 W ili 300 W Priključci: baterije, solarnih panela, potrošača Vrste rada: punjenje baterije, podnaponsko odspajanje-blokiranje potrošača Tip baterije: 12 V ili 24 V , bilo kojeg kapaciteta Najveći napon punjenja baterije: 13,8 V ili 27,6 V Najmanji napon pražnjenja baterije: 10,5 V ili 21,0 V Tip solarnih panela: 12 V ili 24 V mono/polikristalni, do nazivne snage regulatora Najveća struja punjenja: do 150 % najveće struje solarnih panela Tip potrošača: 12 V ili 24 V Najveća struja potrošača: 10 A Za struje potrošača veće od 10 A: spojiti svitak releja na priključke potrošača, a potrošač

preko kontakata, ili koristiti minus pol priključka za blokadu rada potrošača Uključenje/isključenje potrošača: napon baterije 11,5/10,5 V ili 23,0/21,0 V Signalizacija: 4 × LED (punjenje, napunjeno, potrošač uključen/isključen) Priključnica: 4 mm2 Mjesto ugradnje: ormarić, zid, nosiva ploča, pričvršćenjem na TS 35 – nosač Temperaturni opseg u radu: −25 do +60 °C

Solarni regulatori tipa WMO – tehnički opis

1. Namjena Solarni regulatori tipa WMO namijenjeni su povećanju iskoristivosti elektro-solarnih sustava na-pajanja. Osnovna zadaća regulatora je da se prilikom punjenja baterije iz solarnih panela postavi napon solarnih ćelija u točku maksimalne iskoristivosti snage. Kod 95% mono/polikristalnih ćelija optimalna točka za nazivni napon 12 V kreće se između 17,0 i 17,5 V, ovisno o tipu i proizvođa-ču. Ako nije zatraženo drugačije programiranje, regulatori su postavljeni na taj raspon napona će-lija. Baterije koje se koriste u solarnim sustavima preko 95 % su zatvorenog tipa, bez tekućeg elektrolita, s preporučenim naponom održavanja za nazivni napon 12 V između 13,6 i 13,8 V. Ako nije zatraženo drugačije programiranje napon maksimalnog punjenja i održavanja kreće se u tom rasponu. Regulatoru je dodana funkcija zaštite baterije od prevelikog pražnjenja. Tu funkciju je najbolje koristiti kao elektroničku blokadu većih potrošača ili za upravljanje svitaka releja na čijim su kontaktima potrošači veće snage. Razlog takove preporuke je što veće struje potrošača koje bi se zatvarale preko regulatora i zajedničkih baterijskih vodova unose grešku mjerenja na-pona baterije u osnovnoj funkciji regulatora. Kod 24 V nazivnog napona navedeni iznosi napona su u pravilu dvostruki.

2. Projektiranje Kod projektiranja solarnih sustava treba voditi računa o nekoliko važnih faktora. Prvi je odabir snage regulatora. Kao što proizvođači elektroničkih komponenti daju jamstvo traj-nosti ovisnu o stupnju opterećenja komponente, isto vrijedi za uređaje. Npr. ugrađeni elektrolitski kondenzatori imaju jamstvo trajnosti 50000 sati na temperaturi od 40 °C , ali 5000 sati na 85 °C. Za uređaj vrijedi da će uz 100 % opterećenja i gornja radnu temperaturu okoline srednje vrijeme između kvara (MTBF) biti cca 2000 h, a ako se optereti sa cca 65 % snage i osigura da temperatu-ra okoline ne prelazi 40 °C to vrijeme se povećava 10-20 puta.

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije18

Page 21: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Drugi važan faktor je temperatura okoline. Regulator je svojim položajem ugradnje (redne ste-zaljke s donje strane) predviđen za prirodno hlađenje. Vrlo visoki stupanj korisnosti 97-98 % kod nazivnog opterećenja ne stvara velike gubitke i zagrijavanje uređaja. Otvori na kućištu osigurava-ju dostatno hlađenje za deklarirani radni opseg temperature. Kada se regulator ugrađuje u ormar treba voditi računa da ukupno zagrijavanje (opreme u ormaru) ne podigne temperaturu izvan že-ljenih granica (ne više od 40-45°C). Ožičenja prema bateriji i solarnim ćelijama trebaju osigurati što manju razliku napona između priključaka na regulatoru i baterijskih priključaka, odnosno priključaka na solarnim panelima, jer regulator mjeri napone na svojim priključcima i prema tim izmjerama optimizira punjenje. Ideal-no bi bilo da ni pri maksimalnoj struji ta razlika nije veća od 0,1 V na 12 V nazivnom naponu. Tada je osiguran veliki stupanj iskoristivosti MPPT sustava.

3. Montaža Regulator se montira na letvicu TS-35 , u položaju da su redne stezaljke s donje strane a LED di-ode s gornje strane. Nosiva letvica TS-35 može se pričvrstiti na zid, nosivu ploču ili stranicu or-mara. Ako se projektira veće opterećenje regulatora poželjno je radi hlađenja ostaviti minimalno 50 mm s boka i 100 mm s gornje i donje strane slobodnog prostora za hlađenje. Idealno bi bilo ostvariti efekt dimnjaka u prostoru otvora na kućištu. Priključne kablove trebalo bi pričvrstiti ve-zicama ili kanalima na nosivu ploču da svojom težinom ne trgaju priključna mjesta. Montaža re-gulatora na TS-35 letvicu obavlja se tako da se odvijačem nategne opruga s donje strane kućišta, prisloni kućište na letvicu i otpusti opruga.

4. Priključenja Priključenje se može izvesti žicom punog profila do 6 mm2, ili pletenom žicom do 4 mm2. Radi smanjivanja mogućnosti zamjene polariteta poželjno je žice kodirati bojom izolacije. Presjeci žica i njihove duljine odabiru se prema ranije spomenutim kriterijima. Preporučeni redoslijed i način spajanja priključnih kabela je slijedeći:

1. Spojiti prvo negativni pol baterije (najčešće s plavom ili crnom izolacijom). Poželjno je prije priključenja pozitivnog pola baterije (najčešće s crvenom izolacijom) otpornikom od nekoliko desetaka Ω i nekoliko W napuniti elektrolite na baterijskoj strani regulatora, da ne dođe do iskre prilikom direktnog priključivanja. Preporuka je prvo spojiti kabele na strani regulatora i provjeriti da koja žica nije izazvala kontakt sa suprotnim polom, a zatim na strani baterije. Regulator spojen na baterijski napon automatski proradi i kontrolira dalje sve procese. Pali se zelena LED podatka o spojenosti tereta na baterijski napon ako je baterijski napon unutar podešenih granica napunjenosti. U suprotnom gori crvena LED i potrošač nije priključen.

2. Sljedeći priključak je plus pol solarnih panela, a nakon toga minus pol panela. Ponovo voditi računa o polaritetu. Ako na ćelijama postoji foto-napon poteći će struja punjenja i pali se žuta LED koja označava punjenje. Napon na priključnicama regulatora pri tome treba biti u spomenutim granicama (npr. 17,0-17,5 V kod nazivnog napona 12 V). Kada se baterija napuni pali se zelena LED koja označava napunjenost baterija, a napon na priključnicama solarnog panela raste prema maksimalnom naponu panela.

3. Posljednje priključenje je na rednim stezaljkama potrošača, ako se koristi prema preporučenim izvedbama.

Zbog prirode rada i regulacije, solarni regulator se može koristiti isključivo za punjenje ba-terija iz solarnih ćelija. Nikako se ne smije priključivati na druge izvore napajanja jer to može dovesti do neregularnog rada i oštećenja uređaja.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 19

Page 22: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Opcija Na gornjoj strani regulatora izveden je konektor za korekciju MPPT napona. Spajanjem potenciometra od 100 k na konektor i smanjivanjem vrijednosti otpora spušta se točka MPPT napona. Ta se funkcija može koristiti za upravljanje mikro-upravljačem, ili temperaturnu korekciju radne točke stavljanjem odgovarajućeg temperaturno osjetljivog otpornika.

Vodovi Temperatura na kojoj rade FN moduli je za 30-45 ºC viša od temperature okoline, pa tako i vodo-vi koji povezuju FN module i regulator punjenja izvoženi su povišenoj temperaturi. Zbog toga izolacija kabla mora biti napravljena od materijala koji radi na temperaturi od +90 ºC, ali isto tako i zimi na temperaturama od −20 ºC i niže. Osim toga proračun presjeka kabla mora uzeti u obzir povišenu temperaturu kojoj je izložen. Za otočne sustave preporučaju se sljedeći padovi napona:

e dopušteni pad napona između akumulatora i regulatora punjenja >1 % (tipično 0,65 %), e dopušteni pad napona između FN modula i regulatora punjenja >3 %, e dopušteni pad napona između regulatora punjenja i DC potrošača >7 %.

Osnovna formula iz koje se kreće sa proračunom je:

lRs

δ= ⋅ odnosno ( )1 2lR Ts

δ α= ⋅ + − 0⎡ ⎤⎣ ⎦

gdje je: δ – specifični otpor, Ω · mm2/m l – duljina vodiča, m S – presjek vodiča, mm2 R – otpor, Ω α – temperaturni koeficijent otpora T – temperatura

Naziv Oznaka Specifični otpor δ (Ω mm2/m)

Specifična vodljivost λ (S m/mm2)

Temperaturni koeficijent 1/ºC

Bakar Cu 0,0172 58 0,0039 Aluminij Al 0,0270 37 0,0040

Formula izvedena iz prethodne za presjek vodiča koja uzima u obzir oba vodiča i udaljenost:

100% % %%

100

l l l I l I l IS S S S SU UR UI

δ δδ δUδ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

= ⋅ ⇒ = ⋅ ⇒ = ⇒ = ⇒ =⋅ ⋅ ⋅⋅

⋅ ⋅

za dva vodiča (jedan za + pol, drugi za – pol) formula glasi

200%MPP

l ISU

δ⋅ ⋅ ⋅=

⋅ ili 200

% MPP

l ISU λ

⋅ ⋅=

⋅ ⋅

U formulama nije uzet u obzir utjecaj temperature na otpor. Otpor se povećava te na temperaturi od 90 ºC poveća se 27 %, te ga je potrebno kompenzirati povećanjem presjeka kabla. Najveće dopušteno opterećenje za 12 V sisteme uz dozvoljeni pad napona >1 % u ovisnosti o uda-ljenosti i presjeku vodiča:

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije20

Page 23: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Presjek vodiča (mm2) Udaljenost (m) 4 6 10 16 25 35 50 1 160 240 400 645 1005 1410 2015 2 80 120 200 320 500 705 1005 3 50 80 130 215 335 470 670 4 40 60 100 160 250 350 500 5 30 45 80 125 200 280 400

10 15 20 40 60 100 140 200 15 10 15 25 40 65 90 130 20 8 12 20 32 50 70 100 30 4 8 12 20 32 46 66

Najveće dopušteno opterećenje za 12V sisteme uz dozvoljeni pad napona >3% u ovisnosti o uda-ljenosti i presjeku vodiča:

Presjek vodiča (mm2) Udaljenost (m)

2,5 4 6 10 16 25 35 1 480 725 1205 1935 3020 4230 6045 2 240 360 600 965 1510 2115 3020 3 160 240 400 645 1005 1410 2015 4 120 180 300 480 755 1055 1510 5 95 145 240 385 600 845 1205

10 45 70 120 190 300 420 600 15 30 45 80 125 200 280 400 20 24 36 60 96 150 210 300 30 16 24 40 64 100 140 200

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

Kod tih sustava se električnom energijom proizvedenom solarnim modulima ili vjetroagrega-tom, prvotno napajaju trošila, a višak energije se pohranjuje u tzv. solarne akumulatore. U slučaju da ne postoje uvjeti za proizvodnju električne energije solarnim modulima ili vjetroagregatom, izvor za napajanje istosmjernih ili izmjeničnih trošila će biti akumulator. U slučaju da ni akumula-tor više nema energije za napajanje trošila, uključuje se generator na dizel ili biodizel gorivo.

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

fotonaponski moduli DC trošila generator AC trošila

regulatori punjenja

akumulatori

D

C sa

birn

ica

ispravljač ac/dc

izmjenjivač dc/ac

Slika 3.3. Shema samostalnoga hibridnog fotonaponskog sustava s generatorom

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 21

Page 24: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

3.2. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije Fotonaponski sustavi priključeni na javnu mrežu preko kućne instalacije pripadaju distribuiranoj proizvodnji električne energije i priključeni su uglavnom na niskonaponsku razinu elektroener-getskog sustava.

Fotonaponski moduli (1), spojeni serijski ili serijski-paralelno, proizvode istosmjernu struju i međusobno su povezani kabelima u nizove, tzv. višekontaktnim (engl. multi contact) konektor-skim sustavom. Svi kabeli koji dolaze od nizova fotonaponskih modula uvode se u razdijelni or-marić modula (2) odnosno spojnu kutiju nizova modula sa svom zaštitnom opremom, ponajprije odvodnicima prenapona i istosmjernim prekidačima. Iz razdijelnog ormarića se dovodi od svake grupe fotonaponskih modula, razvode kabelima istosmjernog razvoda (3) preko glavne sklopke za odvajanje (4) prema solarnim izmjenjivačima (5). Solarni izmjenjivači pretvaraju istosmjernu struju solarnih modula u izmjenični napon reguliranog iznosa i frekvencije, sinkroniziran s napo-nom i frekvencijom mreže, te se nastala izmjenična struja prenosi kabelima izmjeničnog razvoda (6) do kućnog priključka na elektroenergetsku mrežu, odnosno električnog ormarića, gdje su smještena brojila električne energije. Brojila električne energije (7), smještena u ormariću brojila, registriraju proizvedenu energiju predanu u mrežu i potrošenu energiju preuzetu iz mreže.

Sustav priključen na javnu mrežu preko kućne instalacije je u paralelnom pogonu s distribucij-skom mrežom, napaja trošila u obiteljskoj kući, a višak električne energije odlazi u mrežu.

Temeljne komponente fotonaponskog sustava, priključenog na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije prikazane su na slici 3.4. To su:

1. fotonaponski moduli 2. spojna kutija sa zaštitnom opremom 3. kablovi istosmjernog razvoda 4. glavna sklopka za odvajanje 5. izmjenjivač dc/ac 6. kablovi izmjeničnog razvoda 7. brojila predane i preuzete električne energije

Slika 3.4. Fotonaponski sustav priključen na javnu mrežu preko kućne instalacije

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije22

Page 25: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Kad solarni moduli ne proizvode dovoljno električne energije, napajanje trošila u kućanstvu nadopunjuje se preuzimanjem energije iz mreže, slika 3.5. S obzirom na to da instalirani fotona-ponski sustavi priključeni na javnu mrežu preko kućne instalacije proizvode najviše električne energije sredinom dana, oni podmiruju vlastite potrebe i dobrim dijelom rasterećuju elektroener-getski sustav, što može biti od velike važnosti u područjima gdje je slaba elektroenergetska mreža.

fotonaponski moduli

izmjenjivačdc/ac

brojilo predane el. energije

brojilo preuzete el. energije

priključak na mrežu

trošila

javna mreža

Slika 3.5. Brojila predane i preuzete električne energije

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

e proizvodi se ekološki čista električna energija bez onečišćenja okoliša e sva se pretvorba energije obavljala u blizini mjesta potrošnje e nema gubitaka energije u prijenosu i distribuciji e pouzdanost i sigurnost opskrbe e troškovi održavanja znatno su niži od održavanja centraliziranih proizvodnih objekata e lokacije za instalaciju fotonaponskih sustava u odnosu na velike centralizirane proizvodne

sustave, jednostavnije je, lakše i brže pronaći e jednostavna i brza instalacija te puštanje u pogon Više fotonaponskih modula koji mogu biti serijski i/ili paralelno povezani oblikuju tzv. solarni

generator određene nazivne snage koja se označava u Wp, kWp ili MWp. Fotonaponski moduli proizvode istosmjernu struju dc (engl. direct current), obično s naponom 12 ili 24 V. Solarni izmjenjivači, slika 3.6., pretvaraju istosmjernu struju modula u izmjeničnu, sinkroniziranu s napo-nom i frekvencijom mreže.

Slika 3.6. Izmjenjivač, njemačkog proizvođača SMA, (lijevo) i izmjenjivač,

austrijskog proizvođača Fronius, (desno)

U većini se zemalja Europske unije, s obzirom na instaliranu snagu, fotonaponski sustavi prik-ljučeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne 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.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 23

Page 26: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

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

Prva značajnija primjena fotonaponskih sustava počela je ugradnjom FN sustava na krovove građevina (kose ili ravne) ili ugradnjom u fasa-de građevina. To su u početku bili sustavi ma-njih snaga do 30 kWp, spojeni na javnu mrežu preko kućne instalacije, (slika 3.7.). Zemlje pre-dvodnice u ugradnji fotonaponskih sustava, ko-je su omogućile slobodan pristup otvorenoj javnoj mreži i predaju električne energije po povlaštenoj cijeni, bile su Njemačka, Austrija, Švicarska, Danska i SAD. Slika 3.7. Zermatt, Švicarska, snaga 11,5 kWp

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

Slika 3.8. Ministarstvo gospodarstva

Njemačke, Berlin, snaga 100 kWp

Slika 3.9. Vatrogasna postaja, Gifhorn, Njemačka, snaga 60,86 kWp

3.2.3. Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije snage veće od 100 kW Usavršavanjem rada manjih fotonaponskih sustava počeli su se na građevinama ili neposredno u njihovoj blizini ugrađivati i sustavi većih snaga, i do 1 MWp, spojeni na javnu mrežu preko posto-jeće tzv. kućne mreže. Takva je npr. zračna luka u Münchenu, Njemačka, sl. 3.10., s instaliranim fotonaponskim modulima snage 475 kWp. Za ugradnju većih fotonaponskih sustava na raspola-ganju su velike kose ili ravne površine stambenih građevina, proizvodnih hala, sportskih dvorana i sl. Na sl. 3.11. prikazana je dvoranu za audijencije pape Pavla VI. u Vatikanu, snage 220 kWp.

Slika 3.10. Zračna luka u Münchenu,

snaga 475 kWp

Slika 3.11. Papina prijemna dvorana, Vatikan, snaga 220 kWp

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije24

Page 27: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

3.3. Ugradnja fotonaponskih modula od tankog filma U novije vrijeme, pored dominantne ugradnje fotonaponskih modula od monokristalnog i polikris-talnog silicija, sve se više ugrađuju i fotonaponski moduli s tankim filmom od različitih materijala kao što su amorfni silicij, CdTe, CIS, CIGSS i drugi. Na slici 3.12. prikazana su dva primjera ug-radnje fotonaponskih modula od tankog filma kadmijeva telurida (CdTe).

Slika 3.12. Primjeri ugradnje fotonaponskih modula od tankog filma kadmijeva telurida (CdTe)

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

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

Slika 3.13. Fotonaponski moduli od polikristalnog

silicija na južnom pročelju zgrade Slika 3.14. Toranj dizala od providnih solarnih modula, Kulturni centar, Constance, Švicarska

Na slici 3.13. prikazana je građevina koja na svome pročelju ima ugrađene fotonaponske mo-dule od polikristalnog silicija, a na slici 3.14. toranj dizala Kulturnog centara Constance u Švicar-skoj, koji na južnom pročelju tornja ima ugrađene providne (transparentne) module od solarnih ćelija bez protureflektirajućeg zaštitnog sloja.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 25

Page 28: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

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

Znamo da na pročelja zgrada kao i na krovove (ravne ili kose), tijekom cijele godine dolazi velika količina sunčeva zračenja koja se može iskoristiti za dobivanje električne energije. Dakle, pročelja i krovovi u budućnosti neće samo štititi od vjetra i padalina, nego će postati i sustavi za proizvodnju toplinske i električne energije.

Slika 3.15. Krov Epiphanias krstionice,

Hannover, Njemačka Slika 3.16. Zimski vrt s poluprovidnim

modulima od tankog filma

Na slici 3.15. prikazan je krov krstionice Epiphanias u Hannoveru u Njemačkoj, koji se sastoji od modula s izolacijskim staklom, a na slici 3.16. prikazan je jedan zimski vrt s poluprovidnim (engl. semi-transparent) modulima od tankog filma amorfnog silicija [120].

3.6. Fotonaponski sustavi u Republici Hrvatskoj priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije Temeljem Uredbe o minimalnom udjelu električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora ener-gije i kogeneracije, a čija se proizvodnja potiče, u Republici Hrvatskoj donesena je niz zakonskih i podzakonskih propisa, kao štu su Pravilnik o korištenju obnovljivih izvora energije i kogeneracije, Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije, Uredba o naknadama za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije i Pravilnik o stjecanju statusa povlaštenog proizvođača električne energije.

Slika 3.17. Fotonaponski sustav,

Kadina Glavica, Drniš, snaga 6,12 kWp Slika 3.18. Fotonaponski sustav,

Čakovec, snaga 6,72 kWp

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije26

Page 29: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Dakle, navedenim zakonskim i podzakonskim propisima od 1. srpnja 2007. godine stekli su se uvjeti da svi oni koji žele ugraditi fotonaponski sustav mogu dobiti status povlaštenog proizvođa-ča električne energije, i tako dobiti naknadu za isporučenu električnu energiju u javnu elektroe-nergetsku mrežu. Do sada je u Hrvatskoj instalirano oko desetak fotonaponskih sustava, uglavnom manjih snaga, koji su spojeni na javnu elektroenergetsku mrežu. Neki od tih sustava prikazani su na slikama od 3.17. do 3.20. Većina prikazanih fotonaponskih sustava u tijeku je ishođenja potre-bne dokumentacije glede stjecanja statusa povlaštenog proizvođača električne energije, nakon če-ga slijedi Ugovor o otkupu električne energije s hrvatskim operatorom tržišta energije.

Slika 3.19. Solarni krov u Španskom,

Zagreb, snaga 9,59 kWp Slika 3.20. Solarna elektrana u Rijeci,

snaga 9,9 kWp

3.7. Potrebna površina za proizvodnju energije iz fotonaponskih sustava Ovisno o tome kakvi su fotonaponski moduli, odnosno jesu li izrađeni od monokristalnih ili polik-ristalnih ćelija ili su moduli od tankog filma (CIS), (CIGSS) (CdTe) ili amorfnog silicija, bit će potrebna i različita površina za određenu snagu pojedinog modula, slika 3.21.

Potrebna površina za smještaj fotonaponskih modula bitna je za manje fotonaponske sustave u kojima želimo na što manjoj površini, ili površini koja nam stoji na raspolaganju, dobiti što je moguće veću snagu fotonaponskog sustava, a time i više električne energije.

monokristalne ćelije 7 m2 – 9 m2

ćelije visokog stupnja djelovanja 6 m2 – 7 m2

polikristalne ćelije 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 3.21. Potrebna površina za smještaj fotonaponskih modula snage 1 kWp

Na slici 3.22. dana je usporedba potrebne površine za proizvodnju električne energije od 270 TWh iz različitih izvora energije. Uočljivo je da za istu količinu proizvedene električne energije najmanju površinu zauzima korištenje sunčeve energije, bilo u solarnim termoelektranama ili foto-naponskim modulima.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 27

Page 30: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

2832

36422

105218

28328

8094

0100002000030000400005000060000700008000090000

100000110000120000

1Solar Vjetar Biomasa Nafta Plin

km2

Slika 3.22. Usporedba potrebne površine za proizvodnju električne energije iz različitih izvora

Bez obzira na to je li riječ o fotonaponskom sustavu izravno spojenom na javnu mrežu ili spo-jenom na javnu mrežu preko kućne mreže, najvažnija i trenutačno najskuplja komponenta cijelog sustava su fotonaponski moduli.

Ostale komponente fotonaponskog sustava (spojna kutija sa zaštitnom opremom, kabeli isto-smjernog razvoda, glavna sklopka za odvajanje, izmjenjivač dc/ac, kabeli izmjeničnog razvoda, brojila predane i preuzete električne energije) još su uvijek ispod 50 % od ukupne investicije.

Na slici 3.23. prikazan je udio cijene modula u ukupnoj cijeni fotonaponskog sustava iz 2004. godine, kao i realna predviđanja od 2010. godine do 2050. godine. U 2004. godini cijena modula iznosila je oko 3 eura po vatu vršne snage (€/Wp), dok je ostatak sustava, odnosno ostale kompo-nente fotonaponskog sustava, iznosio oko 2 €/Wp.

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

Dugoročno se predviđa da će ukupna cijena fotonaponskog sustava (moduli i ostala oprema sustava) iznositi oko 0,5 €/Wp, što će dati daleko najpovoljniju proizvodnu cijenu električne 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 3.23. Udio cijene modula u ukupnoj cijeni fotonaponskog sustava

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije28

Page 31: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

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

3.8.1. Gromobranska instalacija Grom nastaje kratkotrajnim pražnjenjem statičkog atmosferskog elektriciteta između oblaka i zem-lje, a ima napon od sto milijuna volti, jakost nekoliko desetaka tisuća ampera, u razdoblju od 1 do 100 milisekundi, uz naglo zagrijavanje zraka do 30 000 °C, uslijed čega nastaje grmljavina. Grm-ljavina se čuje nakon munje ili bljeska, zbog jakog zagrijavanja i ekspanzije zraka unutar kanala munje. Izbijanje atmosferskog elektriciteta ima svjetlosne (linijska munja, trakasta munja, loptasta munja, munja sijevalica), akustičke (grmljavina) i mehaničke učinke. Zapravo su, munja i grom dio iste pojave, samo se munja vidi prije nego što se čuje grom jer svjetlo putuje brže od zvuka.

S obzirom na to da su fotonaponski sustavi obično instalirani na krovovima kuća ili na velikim slobodnim površinama, to u začetku povećava vjerojatnost od udara groma (atmosferskih prena-pona). Da bi se tijekom životnog vijeka osigurao siguran i neprekidan rad fotonaponskog sustava, potrebno je predvidjeti cjelokupnu zaštitu od atmosferskih i induciranih prenapona već prilikom projektiranja fotonaponskog sustava, a mjere zaštite sustavno provoditi tijekom montaže.

Posljedice udara groma na fotonaponske module osjetit će se i na ostaloj električnoj opremi i uređajima zbog električne povezanost između fotonaponskog sustava i električne instalacije u građevini. Zaštita fotonaponskih sustava od atmosferskih i induciranih prenapona mora biti u skladu s normama Europske unije: EN 60364-7-712 (električna instalacija fotonaponskog susta-va), EN 61173 (zaštita od prenapona nastalih u fotonaponskom sustavu), EN 62305 (gromobrani) i EN 62305-2 (očekivani rizici oštećenja fotonaponskih sustava).

Slika 3.24. Fotonaponski sustav i gromobranska instalacija građevine

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

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 29

Page 32: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

u dvama osnovnim oblicima: kao šipka ili kao uže. Drugi je zadatak gromobranske instalacije da prihvaćenu struju groma sigurno odvede od hvataljke u zemlju. Za to se postavlja jedan ili više odvoda. Oni moraju izdržati zagrijavanje uzrokovano prolaskom struje groma kroz njih. Treća im je zadaća da se struja groma što bolje odvede u zemlju. Za to služe uzemljivači koji se ukapaju u zemlju i spajaju na odvod. Njihov otpor mora biti što manji kako bi i pad napona na njima zbog prolaska struje groma bio što manji. Odvod gromobrana ima upravo taj napon i ako on nije do-voljno malen, mogu nastati preskoci s odvoda prema drugim predmetima u blizini, pogotovo oni-ma koji su uzemljeni na drugačiji način, kao npr. vodovodne ili plinske instalacije.

Da se ne bi dogodili takvi povratni preskoci, nastoji se otpor uzemljenja, a time i pad napona na njemu, izvesti što manjim. Često se i provodi mjera izjednačavanja potencijala. To znači da se električki povežu uzemljivač i metalni dijelovi koji dolaze iz okoline. Na taj su način spriječeni preskoci koji bi mogli nastati zbog razlike napona na gromobranu i drugim uzemljenim dijelovima.

Kod postavljanja fotonaponskih modula na krov kuće s postojećom gromobranskom instalaci-jom, oštećenje se fotonaponskog sustava minimizira dopuštenom udaljenošću između fotonapon-skih modula i gromobranske instalacije, kao što prikazuje slika 3.24. Udaljenost između fotonaponskih modula i gromobranske instalacije na krovu treba biti veća od 0,5 m. Ako nije mo-guće ostvariti udaljenost veću 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 konstrukcijskim okvirom fotonaponskih modula.

3.8.2. Izjednačenje potencijala Izjednačenje potencijala je galvansko povezivanje svih metalnih masa. Vodič za izjednačenje po-tencijala priključuje sve metalne vodove objekta na sabirnicu za izjednačenje potencijala. Pri tome postoji mogućnost da se međusobno spaja više vodova koji se onda priključuju preko glavnog vo-diča za izjednačenje potencijala na sabirnicu izjednačenja potencijala. Vodič za izjednačenje po-tencijala označava se kao zaštitni vodič zelenožutom bojom.

Glavno izjednačenje potencijala obuhvaća cijeli objekt, a izvodi se zbog sprječavanja unošenja opasnih vanjskih potencijala u objekt, zbog sprječavanja pojave razlike potencijala u objektu u kojem uvijek postoji velik broj instalacija s vodljivim dijelovima koje nije moguće međusobno izolirati. Kada se u zgradi izvede glavno izjednačenje potencijala, cijela zgrada čini jedan siguran sustav u kojemu je mala vjerojatnost pojave opasnih napona dodira. U svakom objektu mora pos-tojati sabirnica za izjednačenje potencijala i na nju se spajaju svi vodljivi dijelovi: zaštitni vodiči PE, PEN vodiči i glavni zemljovod, uzemljenja, cijevi i metalni dijelovi drugih instalacija u zgradi kao i metalni dijelovi konstrukcije zgrade. Glavno se izjednačenje potencijala izvodi vodičima čiji presjek ne smije biti manji od polovice presjeka najvećega zaštitnog vodiča u objektu, ni manji od 6 mm2 za Cu, a ne mora biti ni veći od 25 mm2 za Cu.

3.8.3. Odvodnici prenapona Prenapon se javlja u slučaju izravnog udara groma u objekt, udara groma u fazni ili dozemni vo-dič dalekovoda, atmosferskog izbijanja oblak-oblak ili induciranog napona u sekciji niskog napo-na. Odvodnici prenapona predstavljaju zaštitu od atmosferskih izboja za mrežno vezani izmjenivač, kao i za ostalu opremu koja se nalazi u objektu.

Mrežno vezani izmjenjivač štiti se od atmosferskih pražnjenja, koja se mogu pojaviti na okvirima fotonaponskih modula koji su postavljeni na krovu građevine, odvodnikom prenapona na istosmjernoj DC strani, što je na slici 3.25. označeno brojem 1. Odvodnici prenapona na izmjeničnoj strani AC štite mrežno vezani izmjenjivač i ostala trošila u građevini od prenapona koji dolaze iz električne mreže, što je na slici 3.25. označeno brojem 5 ili 3. Odvodnici prenapona na istosmjernoj DC strani odabiru se prema naponu praznog hoda fotonaponskog izvora (ukupnog broja spojenih modula). Odvodnici prenapona na istosmjernoj i na izmjeničnoj strani, kao i okviri fotonaponskih modula, spajaju se na sabirnicu za izjednačenje potencijala.

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije30

Page 33: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Slika 3.25. Zaštita fotonaponskog sustava uzemljenjem i odvodnicima prenapona

Ako je udaljenost između priključno sabirničkog polja fotonaponskih modula i izmjenjivača DC/AC manja od 25 m, preporučuje se da se samo na jednom mjestu ugradi odvodnik prenapona. Na slici 3.25. prikazan je fotonaponski sustav s ugrađenim odvodnicima prenapona u neposrednoj blizini izmjenjivača i priključnog sabirničkog polja fotonaponskih modula. Dakle, zaštita mora biti osigurana ne samo na izlaznoj strani izmjenjivača, nego i na izlaznoj strani fotonaponskih modula. Na primjeru TN-S sustava, sl. 3.25., vod faze L i neutralnog vodiča N preko AC odvodnika prena-pona spojeni su sa zaštitnim vodičem PE. PE vodič je spojen na sabirnicu za izjednačenje potenci-jala, a ona je spojena na gromobransku instalaciju koja vodi na uzemljivač građevine. Na slici su prikazane dvije grupe DC odvodnika prenapona. Prva se grupa postavlja neposredno u spojnoj ku-tiji fotonaponskih modula i odvodi atmosferski prenapon s fotonaponskih modula u uzemljivač. Druga se grupa postavlja na kraju istosmjernog kabela prije spajanja na mrežno vezani izmjenjivač. Ona štiti mrežno vezani izmjenjivač od induciranog napona u sekciji niskog napona.

3.8.4. Uzemljivači i sustavi uzemljenja Bitan dio gromobranske instalacije je i uzemljivač. On mora dobro provesti struju groma u zem-lju, uz što manji otpor. Otpor ovisi o karakteristikama tla u koje se ukopava uzemljivač i o geome-triji samog uzemljivača. Karakteristika tla bitna za izvedbu uzemljivača jest specifični otpor, a on se definira kao otpor koji struji pruža kocka od homogenog tla stranica od 1 m. Ako je specifični otpor veći, onda se mora ići na izvedbu uzemljivača većih dimenzija, kako bi se ukupni otpor smanjio. Ako konstrukcija fotonaponskih modula nije vodljivo spojena s gromobranskom instala-cijom ili kuća nema gromobransku instalaciju, potrebno je konstrukciju fotonaponskih modula izravno spojiti s uzemljenjem.

Uzemljivači najčešće dolaze u sljedećim izvedbama: trakasti (u obliku metalne trake koja se zakapa u zemlju, a traka je najčešće od pocinčanog čelika, rjeđe od bakra), štapni (u obliku metal-ne šipke ili cijevi koja se ukopa okomito u zemlju) i temeljni (metalni vodiči koji se postavljaju u temelje objekta i preko velike površine betona dolaze u kontakt s okolnom zemljom).

Prilikom prolaska struje kroz uzemljivač i njezina daljnjeg rasprostiranja kroz zemlju, stvara se na zemlji raspodjela potencijala najčešće u obliku tzv. potencijalnog lijevka. To znači da je po-tencijal najviši uz sam uzemljivač, a s povećanjem udaljenosti od uzemljivača naglo opada. To je logično, jer struja pravi najveći pad napona dok se rasprostire na malom području oko uzemljiva-ča. Kad od njega malo odmakne, ima pred sobom mnogo veću površinu i stoga manji otpor pa su i padovi napona manji.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 31

Page 34: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

3.9. Fotonaponski sustavi u Europi i svijetu Tržište fotonaponskih sustava imalo je do sada snažan rast, što će se sigurno nastaviti i u sljede-ćim godinama. Do kraja 2009. godine u svijetu je instalirano blizu 23 GW fotonaponskih sustava, slika 3.26. U ugradnji fotonaponskih sustava prednjači Europa u kojoj je instalirano 16 GW i koja obuhvaća oko 70 % ukupno instaliranih sustava, zatim slijedi Japan sa 2,6 GW, SAD sa 1,6 GW a ostalo otpada na ostatak svijeta.

1166 1428 1761 2229 28233924

53236929

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 2007 2008 2009

snag

a, M

W

Slika 3.26. Godišnja ukupna snaga u svijetu instaliranih fotonaponskih sustava

Europsko udruženje industrije fotonapona EPIA (engl. European Photovoltaic Industry Asso-ciation), koje broji preko 200 tvrtki predviđa (a sve što su do sada prognozirali, znatno je i nad-mašeno) da će solarna fotonaponska tehnologija do 2020. godine pokriti 12 % u Europskoj uniji potrošene električne energije, a 2040. godine čak 28 %. Također su iznijeli podatak da je 2008. godine u industriji fotonaponske tehnologije izravno radilo 130000 radnika te posredno još 60000. Njihova je procjena da će 2020. godine raditi oko 1,4 milijuna radnika, a 2030. godine čak 2,2 milijuna radnika na području fotonaponskih sustava.

Udio Europe na tržištu 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 Južna Koreja s 2 % (168 MW) i Kina s također 2 % (160 MW). Na ostatak svijeta odnosi se preostalih 4 % (309 MW), slika 3.27.

Europa; 78%

Japan; 7%

USA; 7%

Južna Koreja; 2%

Ostatak svijeta; 6%

Slika 3.27. Tržišni udjeli fotonaponskih sustava u svijetu 2009. godine

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije32

Page 35: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

U svijetu je 2009. god. instalirano 7,2 GW fotonaponskih sustava. Ovome je znatan doprinos dalo snažno razvijeno europsko tržište fotonaponske tehnologije. U Europskoj uniji instalirano je 2009. godine 5,6 GW, što je 78 % ukupno instaliranih fotonaponskih sustava te godine u svijetu.

U Europi dominira Njemačka, koja je 2009. godine instalirala novih 3800 MW, što je 53 % fotonaponskih sustava instaliranih u svijetu, odnosno 68 % instaliranih fotonaponskih sustava u Europi te godine. Njemačka, s ukupno 10 000 MW fotonaponskih sustava, uvjerljivo je na prvom mjestu, ne samo u Europi nego i u svijetu. Iza Njemačke s 3800 MW u 2009. godini dolazi Italija sa 730 MW, Češka Republika s 411 MW, Belgija s 292 MW, Francuska s 185 MW itd.

U slučaju veće političke odgovornosti prema globalnom zatopljenju i klimatskim promjenama te uz političku potporu fotonaponskim tehnologijama, europsko bi tržište fotonapona zabilježilo rast sa 5,6 GW u 2009. godini na 13,5 GW u 2014. godini.

4. Proračun fotonaponskog sustava s ekonomskom analizom 4.1. Programi za simulaciju, dimenzioniranje i oblikovanje fotonaponskih sustava Postoji više programa kojima se može simulirati rad fotonaponskih sustava kao što su PV f-Chart, DASTPVPS, Greenius, Homer, PVcad, PV Design Pro, PVS, PV*Sol, PVSYST, SOLDIM, So-lEm, Sunny Design SMA i mnogi drugi. Većina navedenih programa može se međusobno uspo-ređivati jer se temelje na istim ulaznim parametrima. Postoje detaljne usporedbe simulacija s rezultatima mjerenja provedenim na stvarnom radu fotonaponskih sustava. Pri simulacijama mo-žemo mijenjati ulazne parametre te tako istraživati i procjenjivati različite konfiguracije fotona-ponskih sustava s obzirom na dugoročno dobivenu električnu energiju.

Bitan je PVGIS sustav (engl. Photovoltaic Geographical Information System) koji daje proc-jenu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih sustava na temelju zemljovida u Europi, Africi i jugozapadnoj Aziji, gdje postoje stotine meteoroloških mjernih postaja gdje se izravno ili neizravno mjeri sunčevo zračenje. On je dio SOLAREC (engl. Solar Electricity Action) akcije koja doprinosi primjeni obnovljivih izvora energije u Europskoj uniji kao održivog i dugoročno sigurnog izvora energije.

Vrste podataka spremljene u PVGIS bazi podataka za Europu sadrže tri grupe razina rezolucije 1 × 1 km, a to su: zemljopisni podaci (administrativne granice, gradovi), klimatski podaci (dnevna ozračenost horizontalne plohe, omjer difuznog i globalnog ozračenja, optimalni kut nagiba FN modula za maksimalno iskorištenje energije) i regionalni prosjeci za izabrana područja (godišnja suma ozračenosti, godišnja proizvodnja električne energije, optimalni kut nagiba FN modula kroz cijelu godinu).

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

Pomoću simulacijskog programa PVS razvijenog na Fraunhofer institutu za solarnu energiju (engl. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE) u Freiburgu, u Njemačkoj, može se si-mulirati rad fotonaponskog sustava, koristeći ulazne parametre lokacije na kojoj je instaliran FN sustav, odabrane module i izmjenjivač dc/ac, slika 4.1.

Navedeni program proračunava, za određenu lokaciju, koliko električne energije može dati in-stalirani fotonaponski sustav, koliko se od toga može izravno iskoristiti, koliko se električne ener-gije predaje u mrežu, koliki je solarni stupanj pokrivanja u odnosu na potrošnju električne energije

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 33

Page 36: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

te koliko energije treba uzeti iz mreže da bi se zadovoljile energetske potrebe zgrade, ako se radi o FN sustavu priključenom na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije.

Slika 4.1. Temeljna shema simulacijskog programa PVS

Navedeni program provodi simulaciju za određenu lokaciju na temelju ulaznih parametara FN sustava (snaga FN generatora, vrsta modula, kut nagiba, tip i snaga izmjenjivača dc/ac) i godišnje potrošnje zgrade prema dijagramu opterećenja. Nakon provedene simulacije dobiva se izvješće s rezultatima simulacije. Ti su rezultati mjesečne i godišnje prosječne veličine sunčeva zračenja na horizontalnu plohu, sunčeva zračenja na kut nagiba krova, stupnja djelovanja FN sustava, stupnja djelovanja dc/ac izmjenjivača, omjera učinkovitosti i solarni stupanj pokrivanja.

Slika 4.2. Odabir modula simulacijskim programom Sunny Design; V1.31, SMA

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije34

Page 37: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Slika 4.2. prikazuje izbornik odabira vrste i broja modula za određenu lokaciju na kojoj je in-staliran fotonaponski sustav, kao i kut nagiba i azimut modula simulacijskog programa Sunny De-sign; V1.31 tvrtke SMA iz Njemačke. Bitno je napomenuti da se za lokaciju mogu odabrati razne zemlje i gradovi diljem Europe i svijeta. Također se mogu uzeti različite vrste modula od različitih proizvođača te s određenim brojem fotonaponskih modula dobiti željenu snagu FN sustava.

Navedeni programi uglavnom provode simulaciju, tj. dimenzioniranje fotonaponskog sustava za određenu lokaciju, na temelju ulaznih parametara sustava, kao što su snaga FN generatora, vrs-ta modula i kut nagiba modula, vrsta i snaga izmjenjivača. Nakon provedene simulacije dobiva se završno izvješće s rezultatima simulacije.

4.2. Ekonomska analiza i povrat investicije u fotonaponski sustav Pored navedenih simulacijskih programa postoje i jednostavniji načini pomoću kojih se dovoljno precizno, a brzo, može izračunati godišnja proizvedena električna energija iz instaliranoga fotona-ponskog sustava. Zbog toga ćemo definirati neke temeljne pojmove, kao omjer učinkovitosti.

Bitan je pokazatelj fotonaponskog sustava, pored stupnja djelovanja modula i stupnja djelova-nja izmjenjivača, omjer učinkovitosti fotonaponskog sustava. Omjer učinkovitosti PR (engl. Per-formance Ratio) definira se kao omjer između stvarno dobivene električne energije fotonaponskog sustava i električne energije na ulazu u sustav. Taj se omjer kreće između 70 % i 85 % i veći je za bolje fotonaponske sustave. e Omjer učinkovitosti PR:

st

FN

EPRE

=

Est – stvarno dobivena energija iz fotonaponskog sustava, kWh EFN – dobivena energija iz fotonaponskih modula, kWh e Dobivena energija iz fotonaponskih modula:

FN Z m mE E Aη= ⋅ ⋅ kWh

EZ – upadna energija sunčeva zračenja na module, kWh/m2

ηm – stupanj djelovanja modula Am – površina modula, m2

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

Rješenje: Za navedene gradove uzet ćemo srednju dnevnu ozračenost prema jugu nagnute plohe pod kutom od 30° i azimutom 0° (vidi Majdandžić; Solarni sustavi – Teorijske osnove, projektiranje, ugrad-nja i primjeri izvedenih projekata pretvorbe energije sunčevog zračenja u električnu, toplinsku i energiju hlađenja, Nakladnik Graphis d.o.o., Zagreb). Grubo možemo uzeti upadnu energiju sun-čeva zračenja za navedene gradove sa karte srednje godišnje ozračenosti vodoravne plohe ukup-nim sunčevim zračenjem u Republici Hrvatskoj (vidi: Dodatak).

Temeljem zadanih parametara, a pomoću gore navedenih jednadžbi, možemo izračunati elek-tričnu energiju koju će godišnje dati fotonaponski sustav nazivne snage 10 kWp instaliran u neko-liko gradova u Republici Hrvatskoj. Ti su rezultati, kao i specifična godišnja proizvedena električna energija za navedene gradove, prikazani u tablici 4.1.

Ljubomir Majdandžić: Fotonaponski sustavi [Priručnik] 35

Page 38: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Tablica 4.1. Dobivena električna energija iz fotonaponskog sustava nazivne snage 10 kWp instaliranoga u nekoliko gradova u Republici Hrvatskoj

grad upadna energija sunčeva

zračenja na nagnute module, EZ, kWh/m2

dobivena energija iz fotonaponskih modula,

EFN, kWh

dobivena el. energija izfotonaponskog sustava,

Est, kWh

specifična godišnja proizvedena el. energija

kWh/kWp Zagreb 1 370 14 248 11 398 1 140 Zadar 1 660 17 264 13 811 1 381 Varaždin 1 330 13 832 11 066 1 107 Split 1 720 17 888 14 310 1 431 Sisak 1 350 14 040 11 232 1 123 Rijeka 1 470 15 288 12 230 1 223 Pula 1 580 16 432 13 146 1 315 Osijek 1 370 14 248 11 398 1 140 Hvar 1 780 18 512 14 810 1 481 Dubrovnik 1 710 17 784 14 227 1 423

Povrat investicije u fotonaponski sustav instaliran u Zagrebu Godišnja naknada za isporučenu električnu energiju u elektroenergetsku mrežu:

11 398 kWh × 3,7718 kn/kWh* = 42 990,98 kuna Procjena ukupne investicije:

262 500,00 kuna (3 500,00 €/kW) Vrijeme otplate fotonaponskog sustava:

262 500,00 / 42 990,98 = 6,1 godina *cijena električne energije iz sunčane elektrane (fotonaponskoga sustava) instalirane snage do uk-ljučivo 10 kW u 2010. godini Ugovor o otkupu električne energije sklapa se na razdoblje od 12 godina.

Povrat investicije u fotonaponski sustav instaliran u Zadru Godišnja naknada za isporučenu električnu energiju u elektroenergetsku mrežu:

13 811 kWh × 3,7718 kn/kWh* = 52 092,33 kuna Procjena ukupne investicije:

262 500,00 kuna (3500,00 €/kW) Vrijeme otplate fotonaponskog sustava:

262 500,00 / 52 092,33 = 5 godina *cijena električne energije iz sunčane elektrane (fotonaponskoga sustava) instalirane snage do uk-ljučivo 10 kW u 2010. godini Ugovor o otkupu električne energije sklapa se na razdoblje od 12 godina.

Povrat investicije u fotonaponski sustav instaliran u Splitu Godišnja naknada za isporučenu električnu energiju u elektroenergetsku mrežu:

14 310 kWh × 3,7718 kn/kWh* = 53 974,46 kuna Procjena ukupne investicije:

262 500,00 kuna (3 500,00 €/kW) Vrijeme otplate fotonaponskog sustava:

262 500,00 / 53 974,46 = 4,8 godina *cijena električne energije iz sunčane elektrane (fotonaponskoga sustava) instalirane snage do uk-ljičivo 10 kW u 2010. godini Ugovor o otkupu električne energije sklapa se na razdoblje od 12 godina.

Napomena: Ovo vrijeme otplate vrijedi u slučaju da su uložena vlastita financijska sredstva, a ako su sredstva dobivena od banke, vrijeme otplate fotonaponskog sustava u tom slučaju kreće se između 8 i 12 godina, ovisno o dogovorenim kamatama.

Implementacija novih kurikuluma: Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije36

Page 39: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

IPA Komponenta IV – Razvoj ljudskih potencijala

Program Europske unije za Hrvatsku

Instrument pretpristupne pomoći – Obnovljivi izvori energije

Project fi nanced by the European Union

IMPLEMENTATION OF NEW CURRICULA:

Increasing knowledge and information on Renewables

Projekt je fi nanciran sredstvima Europske unije

IMPLEMENTACIJA NOVIH KURIKULUMA:

Povećanje znanja i informacija o obnovljivim izvorima energije

Provedbeno tijelo:

Agencija za strukovno obrazovanje i obrazovanje odraslih, Odjel DEFCO

Nositelj projekta:

Srednja škola Oroslavje

Partneri na projektu:

Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu

Grad Oroslavje

Stručni suradnici:

Darko Cobović, dipl. ing.

Goran Nuskern, dipl. ing.

Damir Mileta, dipl. ing.

Zoran Kauzlarić, ing.

Željko Potalec, ing.

Autor:

Doc. dr. sc. Ljubomir Majdandžić, dipl. ing.

HSUSE – Hrvatska stručna udruga za sunčevu energiju

Izdavač:

Tehnička škola Ruđera Boškovića u Zagrebu

Srednja škola Oroslavje

Tehnički urednik:

Mario Lesar, graf. ing.

Dizajn i promocija:

Culmena d.o.o.

Web adresa:

www.ipa-oie.com

Page 40: Ljubomir Majdandžić Fotonaponski sustavi

Europska komisija izvršno je tijelo EU.

Više o projektu na www.ipa-oie.com

Priručnik

Instrument pretpristupne pomoći Obnovljivi izvori energije

Instrument pretpristupne pomoći (eng. Instrument for

Pre-Accession Assistance – IPA) pretpristupni je program

za razdoblje od 2007. do 2013. godine koji zamjenjuje

dosadašnje programe CARDS, Phare, ISPA i SAPARD.

Osnovni ciljevi ovog programa su pomoć u izgradnji

institucija i vladavine prava, ljudskih prava, uključujući

i temeljna prava, prava manjina, jednakost spolova i

nediskriminaciju, administrativne i ekonomske reforme,

ekonomski i društveni razvoj, pomirenje i rekonstrukciju

te regionalnu i prekograničnu suradnju.

IPA Komponenta IV Razvoj ljudskih potencijala

doprinosi jačanju gospodarske i socijalne kohezije, te

prioritetima Europske strategije zapošljavanja u području

zapošljavanja, obrazovanja, stručnog osposobljavanja i

socijalnog uključivanja.

Europsku uniju čini 27 zemalja članica koje su odlučile

postupno povezivati svoja znanja, resurse i sudbine.

Zajednički su, tijekom razdoblja proširenja u trajanju

od 50 godina, izgradile zonu stabilnosti, demokracije

i održivog razvoja, zadržavajući pritom kulturalnu

raznolikost, toleranciju i osobne slobode. Europska

unija posvećena je dijeljenju svojih postignuća i svojih

vrijednosti sa zemljama i narodima izvan svojih granica.

Fotonaponski sustavi

Ljubomir Majdandžić

Ova publikacija izrađena je uz pomoć Europske unije. Za sadržaj ove publikacije odgovorna je Srednja škola Oroslavje i ne odražava stavove Europske unije.

Ovaj projekt fi nancira Europska unija