SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

DIPLOMSKI RAD br. 131

MODELIRANJE PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE IZ ENERGIJE

SUNCA

Ivan Karlović

Zagreb, rujan 2008.

Ivan Karlović

0036397852

i

Sažetak

U ovom diplomskom radu je razmatran utjecaj različitih izvora solarnih podataka

na modeliranje fotonaponskog sustava i predviđanje proizvodnje električne

energije iz fotonaponskog sustava. Razmatrane su tri različite lokacije u Republici

Hrvatskoj. Za svaku od te tri lokacije je proveden proračun u besplatnom

računalnom simulacijskom programu HOMER. Podaci potrebni za proračun,

globalna ozračenost na horizontalnu plohu, indeks prozirnosti i optimalni kut

nagiba, preuzeti su iz četiri različita izvora. Radi lakše usporedbe konačnih

rezultata, konfiguracija fotonaponskog sustava je u svim slučajevima bila ista.

Usporedba rezultata očekivano pokazuje da proizvodnja električne energije

najviše ovisi o lokaciji gdje je instaliran fotonaponski sustav, ali i da utjecaj solarnih

podataka iz različitih izvora nije nezanemariv.

ii

Sadržaj

1. Uvod .......................................................................................................... 1

2. Solarna energija ........................................................................................ 3

2.1. Najvažniji pojmovi ............................................................................... 3

2.2. Mjerenje sunčevog zračenja ............................................................... 4

2.3. Iskorištavanje energije Sunca ............................................................. 6

2.3.1. Solarni kolektori - pripremanje vruće vode i zagrijavanje ............. 7

2.3.2. Fotonaponske ćelije - direktna pretvorba sunčeve energije u

električnu energiju ........................................................................................... 8

2.3.3. Fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim

postrojenjima ................................................................................................... 9

3. Fotonaponske ćelije ................................................................................ 11

3.1. Princip rada ...................................................................................... 11

3.2. Vrste fotonaponskih ćelija ................................................................. 14

3.2.1. FN ćelije od monokristalnog (c-Si) silicija ................................... 14

3.2.2. FN ćelije izrađene od polikristalnog (p-Si) silicija ....................... 16

3.2.3. FN ćelije izrađene od amorfnog (a-Si) silicija ............................. 17

3.2.4. Polikristalne tankoslojne FN ćelije .............................................. 19

3.2.5. Monokristalne tankoslojne FN ćelije i multijunction struktrue ..... 21

4. Fotonaponski sustavi ............................................................................... 23

4.1. Fotonaponski modul ......................................................................... 23

4.2. Ostale komponente ........................................................................... 24

4.3. Vrste FN sustava .............................................................................. 25

5. HOMER ................................................................................................... 28

5.1. Simulacija ......................................................................................... 30

5.2. Optimizacija ...................................................................................... 32

iii

5.3. Analiza osjetljivosti ............................................................................ 32

6. Izvori podataka ........................................................................................ 34

6.1. NASA – Surface meteorology and solar energy database ................ 34

6.2. RETScreen – clean energy project analysis software ....................... 38

6.3. PV GIS – Photovoltaic Geographical Information System ................ 42

6.4. DHMZ – Državni Hidrometeorloški Zavod ........................................ 47

7. Projektni zadatak ..................................................................................... 49

7.1. Zadatak ............................................................................................. 49

7.2. Definiranje parametara FN sustava i mreže u HOMER-u ................. 50

7.2.1. Definiranje parametara mreže .................................................... 50

7.2.2. Definiranje parametara fotonaponskog modula .......................... 54

7.2.3. Definiranje parametara pretvarača ............................................. 56

7.2.4. Definiranje troškova projekta ...................................................... 58

7.2.5. Definiranje podataka o intenzitetu Sunčeva zračenja ................ 59

8. ZAGREB ................................................................................................. 62

8.1. Zagreb 1: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka NASA .................... 62

8.2. Zagreb 2: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka RETScreen ........... 64

8.3. Zagreb 3: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka PVGIS ................... 67

8.4. Zagreb 4: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka DHMZ ................... 70

8.5. Usporedba rezultata za grad Zagreb ................................................ 73

9. SENJ ....................................................................................................... 79

9.1. Senj 1: Lokacija grad Senj, izvor podataka NASA ............................ 79

9.2. Senj 2: Lokacija grad Senj, izvor podataka RETScreen ................... 80

9.3. Senj 3: Lokacija grad Senj, izvor podataka PV GIS .......................... 81

9.4. Senj 4: Lokacija grad Senj, izvor podataka DHMZ ............................ 82

9.5. Usporedba rezultata za grad Senj .................................................... 83

iv

10. SPLIT ...................................................................................................... 89

10.1. Split 1: Lokacija grad Split, izvor podataka NASA ............................. 89

10.2. Split 2: Lokacija grad Split, izvor podataka RETSCreen ................... 90

10.3. Split 3: Lokacija grad Split, izvor podataka PV GIS .......................... 91

10.4. Split 4: Lokacija grad Split, izvor podataka DHMZ ............................ 92

10.5. Usporedba rezultata za grad Split ..................................................... 93

11. Zaključak ................................................................................................. 99

12. Literatura ............................................................................................... 100

v

Popis oznaka i kratica

FN fotonaponski PV engl. photovoltaic HOMER engl. Hybrid Optimization Model for Electric Renewables SSE engl. Surface meteorology and Solar Energy PVGIS engl. Photovoltaic Geographical Information System RH Republika Hrvatska WRDC engl. World Radiation Data Centre DHMZ Državni Hidrometeorološki Zavod ZG Zagreb ST Split PU Pula NREL engl. National Renewable Energy Laboratory NASA engl. National Aeronautics and Space Administration SRB engl. Surface Radiation Budget ISCCP engl. International Satellite Cloud Climatology Project POWER engl. Prediction Of Worldwide Energy Resource GEOS4 engl. Goddard Earth Observing System – version 4 CERES engl. Canadian renewable energy wind and solar resources SAMSON engl. Solar and Meteorological Surface Observation Network CLINO engl. Climatological Normals SOLAREC engl. Solar Electricity Action ESRA engl. European Solar Radiation Atlas USGS SRTM engl. United States Geological Survey – Shuttle Radar

Topography Mission GISCO engl. Geographic Information System of the European

Commission VMAP0 engl. Vector Map Level 0 ESRI engl. Environmental Systems Research Institute SMO Svjetska meteorološka organizacija GMT engl. Greenwich Mean Time MPPT engl. Maximum Power Point Tracking DC istosmjerna struja (engl. direct current) AC izmjenična struja (engl. alternating current)

vi

Popis tablica

Tablica 1. Tarifni modeli za kupce na niskom naponu [28] ............................... 51

Tablica 2. Visine tarifnih stavki [29] .................................................................. 52

Tablica 3. Investicijski troškovi fotonaponskog sustava [30] ............................ 56

Tablica 4. Troškovi investicije, rada i održavanja pretvarača [30] .................... 57

Tablica 5. Podaci koje je potrebno upisati ........................................................ 62

Tablica 6. Podaci koje HOMER automatski preuzima s interneta (Zagreb) ..... 62

Tablica 7. Ulazni podaci (ZG, DHMZ) .............................................................. 70

Tablica 8. Usporedba rezultata (Zagreb) .......................................................... 73

Tablica 9. Usporedba proizvodnje električne energije (Zagreb) ....................... 75

Tablica 10. Ulazni podaci (SENJ, DHMZ) ........................................................ 82

Tablica 11. Usporedba rezultata (Senj) ............................................................ 83

Tablica 12. Usporedba proizvodnje električne energije (Senj) ......................... 85

Tablica 13. Ulazni podaci (ST, DHMZ) ............................................................. 92

Tablica 14. Usporedba rezultata (Split) ............................................................ 93

Tablica 15. Usporedba proizvodnje električne energije (Split) ......................... 95

vii

Popis slika

Slika 1. Utjecaj atmosfere na upadno Sunčevo zračenje [1] .............................. 4

Slika 2. Piranometar [3] ...................................................................................... 5

Slika 3. Solarni kolektor [6] ................................................................................. 7

Slika 4. Fotonaponske ćelije [7] .......................................................................... 8

Slika 5. „Power tower“ [8] ................................................................................... 9

Slika 6. Shema „Power Tower“ elektrane [9] .................................................... 10

Slika 7. Fotoelektrična konverzija u PN spoju [11] ........................................... 12

Slika 8. Struktura i izgled monokristalne (c-Si) ćelije [12] ................................. 15

Slika 9. Polikristalna FN ćelija (p-Si) [14] ......................................................... 16

Slika 10. Fleksibilni FN moduli od amorfnog silicija (a-Si) [15] ......................... 17

Slika 11. Struktura amorfne (a-Si) ćelije [12] .................................................... 18

Slika 12. Struktura polikristalne tankoslojne FN ćelije [12] ............................... 20

Slika 13. Struktura multijunciton FN ćelije i proces apsorbiranja svjetlosti [12] 21

Slika 14. FN ćelija od Galij-Arsenida [18] ......................................................... 22

Slika 15. Presjek FN modula [19] ..................................................................... 23

Slika 16. Samostalni FN sustav [21] ................................................................. 26

Slika 17. Mrežni FN sustav [21] ........................................................................ 27

Slika 18. Veza između procesa simulacije, optimizacije i analize osjetljivosti [22]

............................................................................................................................. 29

Slika 19. Primjeri mikroenergetskih sustava u HOMER-u [22] ......................... 31

Slika 20. SSE web stranica (http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/) ........................ 35

Slika 21. Primjer mreže [24] ............................................................................. 36

Slika 22. SSE baza podataka dostupna preko Interneta iz HOMER-a ............. 37

Slika 23. RETScreen sučelje ............................................................................ 39

Slika 24. Mjerne postaje diljem svijeta [25] ...................................................... 40

viii

Slika 25. PV GIS web sučelje [26] .................................................................... 42

Slika 26. WRDC mjerne postaje (1964-1993) [26] ........................................... 43

Slika 27. Godišnja ozračenost na horizontalnu plohu za RH [26] ..................... 46

Slika 28. Karta glavnih meteoroloških postaja [27] ........................................... 47

Slika 29. Prikaz komponenti fotonaponskog sustava u HOMER-u ................... 50

Slika 30. Prikaz tarife ....................................................................................... 52

Slika 31. „PV inputs“ prozor ............................................................................. 54

Slika 32. „Converter inputs“ prozor ................................................................... 57

Slika 33. Prikaz troškova projekta .................................................................... 58

Slika 34. Primjer podataka za grad Zagreb ...................................................... 59

Slika 35. Srednja godišnja ukupna ozračenost vodoravne plohe [1] ................ 60

Slika 36. Godišnji prikaz globalnog Sunčevog zračenja za grad Zagreb .......... 61

Slika 37. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, NASA) ............................ 63

Slika 38. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, NASA) ........................ 63

Slika 39. Podaci za grad Zagreb (RETScreen) ................................................ 64

Slika 40. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, RETScreen) ................................. 65

Slika 41. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, RETScreen) ................... 66

Slika 42. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, RETScreen) ................ 66

Slika 43. Podaci za grad Zagreb (PV GIS) ....................................................... 67

Slika 44. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, PV GIS) ....................................... 68

Slika 45. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, PV GIS) .......................... 69

Slika 46. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, PV GIS) ...................... 69

Slika 47. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, DHMZ) ......................................... 71

Slika 48. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, DHMZ) ........................... 72

Slika 49. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, DHMZ) ........................ 72

Slika 50. Usporedba indeksa prozirnosti (Zagreb) ........................................... 74

ix

Slika 51. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Zagreb) ........................... 74

Slika 52. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Zagreb) ..................................... 75

Slika 53. Mjesečna proizvodnja električne energije (Zagreb) ........................... 77

Slika 54. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Zagreb) ... 77

Slika 55. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema

DHMZ proračunu (Zagreb) ................................................................................... 78

Slika 56. Ulazni podaci (SENJ, NASA) ............................................................. 79

Slika 57. Ulazni podaci (SENJ, RETScreen) .................................................... 80

Slika 58. Ulazni podaci (SENJ, PV GIS) .......................................................... 81

Slika 59. Usporedba indeksa prozirnosti (Senj) ................................................ 84

Slika 60. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Senj) ............................... 84

Slika 61. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Senj) ......................................... 85

Slika 62. Mjesečna proizvodnja električne energije (Senj) ............................... 87

Slika 63. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Senj) ....... 87

Slika 64. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema

DHMZ proračunu (Senj) ....................................................................................... 88

Slika 65. Ulazni podaci (ST, NASA) ................................................................. 89

Slika 66. Ulazni podaci (ST, RETScreen) ........................................................ 90

Slika 67. Ulazni podaci (ST, PVGIS) ................................................................ 91

Slika 68. Usporedba indeksa prozirnosti (Split) ................................................ 94

Slika 69. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Split) ............................... 94

Slika 70. Relativna razlika ozračenosti ( u %) (Split) ........................................ 95

Slika 71. Mjesečna proizvodnja električne energije (Split) ............................... 97

Slika 72. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Split) ....... 97

Slika 73. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema

DHMZ proračunu (Split) ....................................................................................... 98

Uvod

1

1. Uvod

Većina oblika energije na Zemlji nastala je djelovanjem Sunčevog zračenja.

Vjetar i sve vodne snage, energija valova i biomasa koja nastaje u procesu

fotosinteze, posljedica su Sunčevog zračenja. Ugljen, nafta i prirodni plin su fosilna

goriva, nastala iz nekad žive tvari, biljaka i životinja, koji su fotosintezom pretvarali

Sunčevo zračenje u biomasu. Tijekom milijuna godina, pod posebni uvjetima u

Zemljinoj kori, takva biomasa se u procesima pougljenjivanja i bitumeniziranja

pretvorila u ugljen, naftu i prirodni plin. Fosilna goriva su neobnovljivi oblici

energije, njihove su rezerve ograničene i jednog dana će biti iscrpljene. [1]

U novije vrijeme sve se više pažnje usmjerava na iskorištavanje Sunčeve

energije što je posljedica sve jasnije spoznaje brojnih nedostataka

konvencionalnih izvora. Jedan od najzanimljivijih načina iskorištavanja Sunčeve

energije je njezina izravna pretvorba u električnu energiju pomoću fotonaponskih

ćelija temeljena na fotonaponskom efektu – kada se Sunčevo zračenje apsorbira u

fotonaponskoj ćeliji, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila tako

da se ćelija obasjana Sunčevim zračenjem može upotrijebiti kao izvor električne

energije.

Primjena fotonaponskih ćelija započela je 50.-ih godina prošlog stoljeća i bila je

vezana uz svemirska istraživanja. One su se tada pokazale kao idealno rješenje

za opskrbu svermirskih letjelica električnom energijom. Njihovu masovniju

primjenu onemogućavala je izrazito visoka cijena. Energetska kriza 1973. godine

rezultirala je intenzivnijim istraživanjima i ispitivanjima fotonaponskih ćelija u

zemaljskim primjenama. Tada su, naime, postali sagledivi problemi energije u

budućnosti i javila se potreba za pronalaskom novih energetskih izvora.

Danas su još uvijek najčešće korišteni izvori energije fosilna goriva: ugljen,

nafta i prirodni plin. Njihovi su najveći nedostaci ekološke prirode jer

sagorijevanjem fosilnih goriva dolazi do onečišćenja zraka čime štetno utječu na

biljni i životinjski svijet i na zdravlje ljudi. Osim toga, uzrokuju nakupljanje

stakleničkih plinova u atmosferi što dovodi do klimatskih promjena i globalnog

zagrijavanja, tzv. „efekt staklenika“. Konačno, s porastom broja ljudi rastu i zahtjevi

Uvod

2

za energijom te se fosilna goriva sve više crpe, tj. njihove se zalihe ubrzano

smanjuju.

Sve su to razlozi zbog kojih alternativni izvori energije, pa tako i Sunčeva

energija, postaju sve zanimljiviji za iskorištavanje. Sunčevo zračenje je gotovo

neiscrpan izvor energije koja se fotonaponskom pretvorbom pomoću

fotonaponskih ćelija izravno pretvara u električnu energiju bez zagađenja okoliša,

buke i pokretnih dijelova. Fotonaponske ćelije su pouzdane u radu, imaju vijek

trajanja od 20-ak i više godina i zahtijevaju minimalno održavanje. Glavni im je

nedostatak još uvijek previsoka cijena zbog koje nisu konkurentne

konvencionalnim izvorima, ali im cijena ipak konstantno pada. Istraživanja koja se

provode uglavnom su orijentirana na pojednostavljenje tehnologije proizvodnje i

pronalazak novih materijala te bi na taj način sniženjem cijene i povećanjem

efikasnosti fotonaponskih ćelija bio otvoren put njihovoj masovnijoj primjeni.

Iako je trenutno doprinos fotonaponskih ćelija energetskim potrebama

zanemariv, one imaju vrlo važnu ulogu u mnogim primjenama. Primjerice, danas je

primjena fotonaponskih ćelija nezaobilazna u satelitima i svemirskim letjelicama.

Njihove zemaljske primjene uglavnom su ograničene na mjesta gdje nisu dostupni

drugi izvori električne energije kao što su udaljeni telekomunikacijski sustavi (npr.

na otocima), svjetionici, sustavi za navodnjavanje i dr. [2]

Fotonaponske ćelije su izuzetno pouzdani, dugotrajni i tihi uređaji za

proizvodnju električne energije, naročito pogodni za osiguravanje napajanja na

izdvojenim lokacijama bez pristupa elektroenergetskoj mreže, a korištenjem

Sunčeve energije smanjuje se potreba za fosilnim gorivima, kao i onečišćenje

okoliša prouzročeno njihovim izgaranjem. [1]

Solarna energija

3

2. Solarna energija

2.1. Najvažniji pojmovi

Ozračenje (iradijancija) je gustoća energetskog toka Sunčevog zračenja i

jednaka je omjeru energetskog toka Sunčevog zračenja i površine plohe okomite

na smjer tog zračenja. Jedinica za ozračenje je vat po četvornom metru (W/m2).

Ozračenost (iradijacija) je gustoća dozračene energije koja u promatranom

vremenu upadne na jediničnu površinu plohe. Dobiva se integriranjem ozračenja

po vremenu, a jedinica za ozračenost je vat sat po četvornom metru (Wh/m2) ili

džul po četvornom metru (J/m2). Ovisno o promatranom vremenskom intervalu

ozračenost se često naziva satna, dnevna, mjesečna ili godišnja.

Trajanje osunčavanja (skraćeno samo osunčavanje, trajanje sijanja Sunca,

insolacija) je razdoblje u kojem je izravno Sunčevo ozračenje veće od 120 W/m2.

Osunčavanje se mjeri u satima.

Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca možemo smatrati da se Sunčevo

zračenje prije ulaska u atmosferu sastoji od snopa paralelnih elektromagnetskih

valova. Na putu kroz atmosferu Sunčevo zračenje slabi jer se apsorbira zbog

interakcija s plinovima i vodenom parom i raspršuje na molekulama plinova i

česticama prašine. Zbog toga Sunčevo zračenje do tla dospijeva kao izravno i kao

raspršeno zračenje. Na slici 1. je prikazana bilanca Sunčevog zračenja na putu

kroz atmosferu.

Izravno (direktno) Sunčevo zračenje dolazi izravno iz prividnog smjera Sunca.

Raspršeno (difuzno) Sunčevo zračenje nastaje raspršenjem Sunčevog

zračenja u atmosferi i do tla dopire iz svih smjerova neba.

Ukupno (globalno) Sunčevo zračenje na vodoravnoj plohi sastoji se od

izravnog i raspršenog Sunčevog zračenja. Nagnuta ploha osim izravnog i

raspršenog zračenja prima i od tla odbijeno Sunčevo zračenje.

Solarna energija

4

Odbijeno (reflektirano) Sunčevo zračenje je dio Sunčevog zračenja koji se

odbije od tla ili vodenih površina. Ukupno sunčevo zračenje na nagnutu plohu

sastoji se od izravnog, raspršenog i od tla odbijenog zračenja. [1]

Slika 1. Utjecaj atmosfere na upadno Sunčevo zračenje [1]

2.2. Mjerenje sunčevog zračenja

Solarna energija

5

Mjerenje Sunčevog zračenja obuhvaća kratkovalno zračenje koje prolazi kroz

atmosferu kao izravno ili raspršeno zračenje te dugovalno zračenje Zemlje i

atmosfere. Za praktično korištenje energije Sunčevog zračenja važna su mjerenja

ukupnog, raspršenog i izravnog ozračenja vodoravne plohe. Najčešće se mjeri

trajanje sijanja Sunca iz kojeg se u nedostatku mjerenja Sunčevog zračenja može

procijeniti ozračenost.

Ukupno (globalno) Sunčevo zračenje na vodoravnu plohu iz prostornog kuta 2π

steradijana sastoji se od zračenja koje ploha izravno primi s površine Sunčevog

diska i raspršenog zračenja neba. Instrument koji mjeri zračenje iz prostornog kuta

2π steradijana na plohu u valnom području između 0,3 do 3,0 µm je piranometar

(slika 2).

Slika 2. Piranometar [3]

Na idealno odabranoj lokaciji instrument ne bi trebao registrirati zračenje

odbijeno od tla i okolnih predmeta, niti imati prepreke više od 5° u području gdje

Sunce izlazi i zalazi. Ukupne prepreke ne bi smjele smanjiti vidno polje

instrumenta više od 0,5 steradijana.

Piranometri mogu imati termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili

bimetalne elemente kao osjetnike. Kako su trajno izloženi atmosferskim utjecajima

moraju biti čvrste izvedbe i otporni na korozivne utjecaje vode i vlažnog zraka.

Prijemnik zračenja mora biti hermetički zatvoren ili imati sustav za odvodnju

kondenzirane vlage u kučištu. Vlaga se obično uklanja pomoću silika gela kojeg je

Solarna energija

6

potrebno redovito mijenjati. Silika gel je vrlo higroskopan (dobro upija vlagu iz

okoline) materijal kojem se obično dodaje vrlo mala količina kobaltnog klorida (0,5-

1%) koji promijeni boju iz plave u ružičasto kada upije vlagu. Boja silika gela se

može vidjeti kroz prozirni plastični spremnik na instrumentu i kada prijeđe u

ružičasto silika gel treba zamijeniti.

U upotrebi su najčešće termoelektrični piranometri koji koriste toplinske

osjetnike koji proizvode napon na principu termoelektričnog efekta (pojava da se

pri uzajamnom djelovanju svjetlosti i tvari mijenjaju električna svojstva tvari) u

funkciji upadnog Sunčevog zračenja. Toplinski detektor smješten je ispod

dvostruke kupole koja ga štiti od prodora vlage i smanjuje dugovalno zračenje iz

samog instrumenta, toplinski izolira detektor i sprječava njegovo hlađenje. [3]

2.3. Iskorištavanje energije Sunca

Sunce se sastoji uglavnom od vodika i helija, a Sunčeva energija posljedica je

nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C.

U unutrašnjosti Sunca vodik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helij što

rezultira oslobađanjem velikih količina energije. Ova se energija u vidu svjetlosti i

topline širi u svemir pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje.

Osnovni pristupi direktnog iskorištavanja energije Sunca su: grijanje i fotoefekt.

Solarna energija

7

2.3.1. Solarni kolektori - pripremanje vruće vode i zagrijavanje prostorija

Slika 3. Solarni kolektor [6]

Solarni kolektori pretvaraju sunčevu energiju u toplinsku energiju vode (ili neke

druge tekućine). Sistemi za grijanje vode mogu biti ili otvoreni, u kojima voda koju

treba zagrijati prolazi direktno kroz kolektor na krovu, ili zatvoreni, u kojima su

kolektori popunjeni tekućinom koja se ne smrzava (npr. antifriz). Zatvoreni sustavi

mogu se koristiti bilo gdje, čak i kod vanjskih temperatura ispod nule. Tijekom

dana, ako je lijepo vrijeme, voda može biti grijana samo u kolektorima. Ako vrijeme

nije lijepo, kolektori pomažu u grijanju vode i time smanjuju potrošnju struje.

Solarni kolektori su vrlo korisni i kod grijanja bazena. U tom slučaju temperatura

vode je niska i jednostavnije je održavati temperaturu pomoću otvorenih sistema

grijanja. [5]

Solarna energija

8

2.3.2. Fotonaponske ćelije - direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju

Slika 4. Fotonaponske ćelije [7]

Fotonaponske ćelije su poluvodički elementi koji direktno pretvaraju energiju

sunčeva zračenja u električnu energiju. Efikasnost im je od 5% za jeftinije izvedbe

s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek ekonomski

neisplativi zbog previsoke cijene. Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao

samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor

energije koriste se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i

udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije. [5]

Solarna energija

9

2.3.3. Fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim postrojenjima

Slika 5. „Power tower“ [8]

Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona. Na slici 5. je prikazana konfiguracija tipa "Power Tower". "Power tower" konfiguracije koriste kompjuterski kontrolirano polje zrcala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj. U centralnom tornju se energija dobivena fokusiranjem prenosi na medij koji omogućava skladištenje te energije za kasniju upotrebu. Kao medij koristi se rastopljena sol zbog velikog toplinskog kapaciteta. Slika 6. prikazuje shemu „Power Tower“ elektrane. Do sada su napravljeni demonstracijski sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ti novi sustavi imaju i mogućnost rada preko noći i u lošem vremenu tako da spremaju vruću tekućinu u vrlo efikasni spremnik (neka vrsta termo boce). Kada nema dovoljno energije od Sunca, sistemi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu se bez većih problema prebaciti na prirodni plin ili neki drugi izvor energije. To je moguće jer Sunce koristimo za grijanje tekućine, a kad nema sunca zagrijemo tekućinu na neki drugi način. Problem kod fokusiranja je veliki potrebni prostor za elektranu, ali to se rješava tako da se elektrana radi npr. u pustinji. U pustinjama je ionako snaga sunčeva zračenja najizraženija. Veliki problem je i cijena zrcala i sustava za fokusiranje. [5]

Solarna energija

10

Slika 6. Shema „Power Tower“ elektrane [9]

Tekuća sol temperature 290°C se pumpa iz „hladnog“ spremnika u centralni

toranj gdje prolazi kroz prijamnik i zagrijava se na 565°C, te se zatim sprema u

„topli“ spremnik. Kada elektrana dobije zahtjev za proizvodnju električne energije,

vruća se sol pumpa u generator pare koji proizvodi pregrijanu paru za klasični

sustav turbina/generator temeljen na Rankineovom kružnom procesu. Sol se zatim

iz generatora pare vraća u „hladni“ spremnik ili se ponovno zagrijava u centralnom

tornju. Ovisno o potrebama, spremnici mogu imati dovoljan kapacitet da osiguraju

rad turbine do 13 sati na punoj snazi. [9]

Fotonaponske ćelije

11

3. Fotonaponske ćelije

3.1. Princip rada

Prema kvantnoj fizici svjetlost ima dvojni karakter. Svjetlost je i čestica i val.

Čestice svjetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su čestice bez mase mirovanja i gibaju

se brzinom svjetlosti. Energija fotona ovisi o njegovoj valnoj duljini odnosno o

frekvenciji. Energiju fotona možemo izračunati Planckovim zakonom koji glasi:

gdje je:

E - Energija fotona

h - Planckova konstanta, iznosi h = 6.626×10 − 34Js

- Frekvencija fotona

U metalima i općenito u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili

slobodni. Valentni elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu

slobodno gibati. Da bi od valentnog elektrona nastao slobodni, on mora dobiti

energiju koja je veća ili jednaka energiji vezanja. Energija vezanja predstavlja

energiju kojom je elektron vezan za atom u nekoj od atomskih veza. U slučaju

fotoelektričnog efekta elektron potrebnu energiju dobiva od sudara sa fotonom.

Dio energije fotona troši se da bi se elektron oslobodio od utjecaja atoma za koji je

vezan, a preostali dio energije pretvara se u kinetičku energiju, sada već

slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobiveni fotoelektričnim efektom nazivaju

se još i fotoelektroni. Energija koja je potrebna da se valentni elektron oslobodi

utjecaja atoma naziva se rad izlaza Wi, i ovisi o vrsti materijala u kojem se dogodio

fotoelektrični efekt. [11]

Fotonaponske ćelije

12

Jednadžba koja opisuje ovaj proces glasi:

gdje je:

- Energija fotona

Wi, - Rad izlaza

Ekin - Kinetička enerija emitiranog elektrona

Iz gornje jednadžbe vidljivo je da se elektron neće moći osloboditi ako je

energija fotona manja od rada izlaza..

Slika 7. Fotoelektrična konverzija u PN spoju [11]

Da bi dobili električnu energiju fotoelektričnim efektom trebamo imati usmjereno

gibanje fotoelektrona, odnosno struju. Sve nabijene čestice, a tako i fotoelektroni

gibaju se usmjereno pod utjecajem električnog polja. Električno polje koje je

ugrađeno u sam materijal nalazi se u poluvodičima i to u osiromašenom području

PN spoja (diode). Za poluvodiče treba naglasiti da uz slobodne elektrone u njima

postoje i šupljine kao nosioci naboja koje su svojevrstan nusprodukt pri nastanku

slobodnih elektrona. Šupljina nastaje svaki put kada od valentnog elektrona

Fotonaponske ćelije

13

nastane slobodni elektron i taj proces naziva se generacija, dok se obrnuti proces,

kada slobodni elektron popuni prazno mjesto - šupljinu, zove rekombinacija. Ako

parovi elektron-šupljina nastanu daleko od osiromašenog područja moguće je da

se rekombiniraju, prije nego što ih razdvoji električno polje. Parovi koji nastanu uz

osiromašeno područje ili u njemu bivaju privučeni, i to šupljine prema P strani

poluvodiča, te elektroni prema N strani poluvodiča. Zbog toga se fotoelektroni i

šupljine u poluvodičima, nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj način

stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sustav spojimo trošilo, poteći će struja i

dobiti ćemo električnu energiju.

Na ovakav način sunčane ćelije proizvode napon od oko 0.5-0.7 V uz gustoću

struje od oko nekoliko desetaka mA/cm2 ovisno o snazi sunčevog zračenja, ali i o

spektru zračenja.

Korisnost fotonaponske solarne ćelije definira se kao omjer električne snage

koju daje FN solarna ćelija i snage sunčevog zračenja. Matematički se to može

formulirati relacijom:

gdje je:

Pel - Izlazna električna snaga

Psol - Snaga zračenja (najčešće Sunčevog)

U - Efektivna vrijednost izlaznog napona

I - Efektivna vrijednost izlazne struje

E - Specifična snaga zračenja (npr. u W/m2)

A - Površina

Korisnost FN solarnih ćelija kreće se od svega nekoliko postotaka do

četrdesetak posto. Ostala energija koja se ne pretvori u električnu uglavnom se

pretvara u toplinsku i na taj način grije ćeliju. Općenito porast teperature solarne

ćelije utječe na smanjene korisnosti FN ćelije. [11]

Fotonaponske ćelije

14

3.2. Vrste fotonaponskih ćelija Fotonaponske ćelije mogu biti izrađene od različitih tipova poluvodičkih

materijala, koji mogu biti složeni u različite strukture s ciljem postizanja što bolje

efikasnosti pretvorbe. Za izradu fotonaponskih ćelija koriste se sljedeći poluvodički

materijali i tehnologije:

• Silicij (Si) – monokristalni silicij (c-Si), polikristalni silicij (p-Si), amorfni

silicij(a-Si)

• Polikristalni tankoslojni materijali (polikristalni tanki film) – CIS spoj

poluvodičkih materijala (Bakar-Indij-Diselenid), CdTe (Kadmij-Telurid),

tankoslojni silicij (većinom amorfni silicij)

• Monokristalni tankoslojni materijali (monokristalni tanki film) – većinom

izvedeni od Galij-Arsenida (Ga-As)

• Multijunction strukture materijala – kombinacije raznih poluvodičkih

materijala [12]

3.2.1. FN ćelije od monokristalnog (c-Si) silicija

Sunčeve ćelije izrađene od monokristalnog silicija imaju tzv. homojunction

strukturu, što znači da se sastoje od istog materijala koji je modificiran tako da je

na jednoj strani ćelije p-sloj, a na drugoj n-sloj Si poluvodiča. Unutar ćelije, p-n

spoj lociran je tako da se maksimum sunčevog zračenja apsorbira blizu spoja.

Površina takvih ćelija ovisi o presjeku monokristala od kojeg se proizvode, iznosi

od 5 do 10 cm, debljina im je od 200 do 300 μm. Napon takvih ćelija je od 0.55 do

0.70 V. Teorijska efikasnost im je oko 22%, dok je stvarna efikasnost oko 15%.

Jedina mana ćelija izrađenih od monokristalnog silicija je visoka proizvodna

cijena, zbog složenog i neefikasnog procesa proizvodnje. Najpouzdanije metode

proizvodnje monokristalnog silicija su Czochralski (Cz) te Float-zone (FZ)

procesi, dok se u zadnje vrijeme sve više koristi tzv. Ribbon growth tehnologija.

Czochralski metodom, silicij visoke čistoće se zagrijava na velikoj temperaturi

dok se ne rastali. Potom se na površinski dio rastaljenog silicija koji se nalazi u

Fotonaponske ćelije

15

cilindričnom kalupu dodaje zrnce monokristalnog silicija. Dok se zrno polagano

uzdiže iz kalupa, atomi rastaljenog silicija zgušnjuju se u strukturu dodanog zrnca,

odnosno monokristalnu strukturu.

Float-zone poces proizvodi čistiju kristalnu strukturu no Czochralski proces

budući da ne sadrži posudu za taljenje. U float-zone procesu poluga sačinjena od

silicija visoke čistoće postavlja se iznad monokristalnog zrna te se propušta kroz

elektromagnetsku zavojnicu. Magnetsko polje zavojnice inducira električno polje

unutar poluge, posljedica čega je zagrijavanje i topljenje površinskog spoja između

poluge i zrna. Pošto se zavojnica polagano uzdiže, unutar spoja poluge i zrna

formira se monokristalni silicij koji "raste prema gore". Czochralski i Float-zone

procesi proizvode monokristalni silicij u obliku kalupa ili podloge, koje je potrebno

razrezati u tanke pločice pri čemu se 20% skupog materijala gubi (piljevina). Kao

alternativa navedenim tehnologijama pojavila se Ribbon growth tehnologija.

Ribbon growth proces započinje sa dva monokristalna Si zrnca koji rastu te

zauzimaju površinu tankog okvira dok se polagano izvlače iz posude sa tekućim

silicijem. Kada je okvir izvučen iz posude, iz njega se vadi gotova tanka pločica.

Ovakva tehnologija nema velikih gubitaka materijala, ali zato kvaliteta

monokristalnog silicija nije na visini Cz ili FZ procesa. Da bi proizveli monokristalnu

fotonaponsku ćeliju, tanke pločice dobivene bilo kojim od navedenih procesa se

prvo dopiraju kako bi dobili p-tip, odnosno n-tip poluvodiča. Potom se presvlače

antirefleksijskim sredstvom te im se dodaju električni kontakti. Struktura tipične

monokristalne (c-Si) ćelije te stvarni izgled prikazani su na slici 8. [12]

Slika 8. Struktura i izgled monokristalne (c-Si) ćelije [12]

Fotonaponske ćelije

16

3.2.2. FN ćelije izrađene od polikristalnog (p-Si) silicija

Identično c-Si ćelijama, FN ćelije izrađene od polikristalnog silicija imaju tzv.

homojunction strukturu. Suprotno monokristalnom siliciju, polikristalni silicij

sačinjen je od više malih kristala, zbog čega dolazi do pojave granica. Granice

priječe tok elektronima te ih potiču na rekombiniranje sa šupljinama što rezultira

smanjenjem izlazne snage takvih ćelija.

Polikristalinski silicij moguće je proizvesti na više načina, najraširenije metoda

sastoji se od izlijevanja tekućeg silicija u kalup, koji se ostavlja da se zgusne u

četvrtasti oblik poput cigle. Krajnja količina kristala i nečistoća unutar četvrtastog

oblika ovisi o brzini hlađenja. Rasijecanjem četvrtastog oblika (cigle) dobiju se

tanke pločice. Postupak dobivanja polikristalne Si sunčeve ćelije identičan je

postupku kod c-Si ćelija. Isto tako, presjek p-Si sunčeve ćelije identičan je

presjeku c-Si ćelije (slika 8). Jedina razlika je u obliku p-Si ćelija, koje su

četvrtaste (zbog kalupa) stoga se mogu bolje složiti u PV module. [13]

Slika 9. Polikristalna FN ćelija (p-Si) [14]

Proces proizvodnje ćelija od polikristalnog silicija je znatno jeftiniji od procesa

proizvodnje monokristalnih ćelija, ali p-Si fotonaponske ćelije imaju manju

efikasnost od c-Si ćelija. Teorijska efikasnost im je oko 18%, a stvarna između 10 i

13%.

Fotonaponske ćelije

17

3.2.3. FN ćelije izrađene od amorfnog (a-Si) silicija

Atomi unutar amorfnih materijala nisu složeni u nikakvu posebnu strukturu,

odnosno ne formiraju kristalnu strukturu. Također, amorfni materijali sadrže velik

broj strukturnih defekata te lošu povezanost atoma, što znači da atomi nemaju

susjeda sa kojim bi se mogli povezati. Zbog navedenog razloga elektroni će

rekombinirati sa šupljinama umjesto da "uđu" u strujni krug. Budući da defekti

limitiraju tok električne struje, ovakve vrste materijala su inače neprihvatljive u

elektroničkim napravama. Defekti se mogu djelomično ukloniti ako se u amorfni

silicij ugradi mala količina vodika. Posljedica takvog tretiranja amorfnog silicija je

kombiniranje atoma vodika sa atomima amorfnog silicija koji nemaju susjeda (nisu

vezani) tako da elektroni mogu nesmetano putovati kroz materijal.

Amorfni silicij upija sunčevo zračenje 40 puta efikasnije od monokristalnog

silicija, tako da sloj debljine 1 μm može upiti oko 90% energije sunčevog zračenja,

naravno kada je obasjan. Upravo to svojstvo amorfnog silicija bi moglo sniziti

cijenu PV tehnologije. Ostale prednosti amorfnog silicija također su ekonomskog

karaktera, primjerice amorfni silicij je moguće proizvesti na niskim temperaturama

te može biti položen na jeftine podloge (plastika, staklo, metal i sl.) što ga čini

idealnim za integriranje PV tehnologije kao sastavni dio objekata. [12]

Slika 10. Fleksibilni FN moduli od amorfnog silicija (a-Si) [15]

Fotonaponske ćelije

18

Zbog jedinstvenog svojstva amorfnog silicija, sunčeve a-Si ćelije izrađene su

tako da imaju ultra tanak (0.008 μm) gornji p-sloj, deblji (0.5 do 1 μm) intristični

(nedopirani) i-sloj te izrazito tanak (0.02 μm) donji n-sloj. Takav struktura sunčeve

ćelije naziva se p-i-n struktura. Budući da je gornji p-sloj ultra tanak te relativno

transparentan većina svjetlosti proći će direktno kroz njega na i-sloj gdje će

generirati slobode elektrone. p sloj i n sloj proizvedeni dopiranjem amorfnog silicija

(a-Si) stvoriti će električno polje kroz cijelu intrističnu površinu te će inducirati

kretanje elektrona kroz i-sloj. Struktura ćelije sačinjene od amorfnog silicija (a-Si)

ćelije te primjena istoga prikazani su slikom 11.

Slika 11. Struktura amorfne (a-Si) ćelije [12]

Najveći nedostatak PV ćelijama izrađenima od amorfnog silicija je nestabilnost.

Zbog djelovanja Staebler-Wronski efekta izlazna snaga a-Si ćelija se nakon prvog

izlaganja sunčevoj svjetlosti smanjuje kroz određeni vremenski period. Djelovanje

efekta rezultira gubicima izlazne snage od 20% dok se u konačnici a-Si ćelija ne

stabilizira. Valja napomenuti da a-Si ćelije po podjeli spadaju u tzv. tankoslojne

materijale. Teorijska efikasnost a-Si ćelija je oko 11.5%, a stvarna efikasnost je

oko 7% (i manje). [12]

Fotonaponske ćelije

19

3.2.4. Polikristalne tankoslojne FN ćelije Termin "tankoslojni", točnije "tanki film" odnosi se na tehnologiju polaganja

filma, a ne na debljinu filma (sloja), pošto se tankoslojne FN ćelije polažu u

izrazito tankim, uzastopnim slojevima atoma, molekula ili iona. Sunčeve ćelije

izrađene tehnologijom tankog filma imaju mnogo prednosti naspram ćelija

izrađenih klasičnim metodama, primjerice:

• pri izradi tankoslojnih ćelija koristi se puno manje materijala budući da

debljina takvih ćelija varira od 1 do 10 μm, dok su klasične Si ćelije

debljine 100 – 300 μm

• tankoslojne ćelije proizvode se automatiziranim, besprekidnim

procesima te se mogu polagati na jeftine podloge (staklo, nehrđajuči

čelik, plastika i sl.)

• zbog fleksibilnosti proizvodne tehnologije polaganja slojeva tankog filma,

ćelija standardnih dimenzija (125 mm x 125 mm) te modul sačinjen kao

jedna velika ćelija (75 cm x 150 cm) mogu se proizvesti istom

aparaturom

• ćelijama izrađenim tehnologijom tankog filma nije potrebna metalna

mreža za gornji kontakt (kao kod c-Si ćelija), već koriste tanki sloj

transparentnog vodljivog oksida

• slojevi tankog filma polažu se na odabranu podlogu uključujući

antirefleksijski sloj te transparentni vodljivi sloj oksida, čime se skraćuje

proces proizvodnje

Polikristalne tankoslojne ćelije proizvode se od malih kristalnih zrna poluvodičkih materijala. Materijali koji se koriste za izradu polikristaklnih tankoslojnih ćelija imaju drugačija svojstva nego silicijski poluvodički materijali. Stoga se za stvaranje električnog polja unutar ćelije koriste dva različita poluvodička materijala, a takva struktura ćelija naziva se heterojunction struktura. Tipična polikristalna ćelija izrađena tehnologijom tankog filma ima jako tanak (manji od 0.1 μm) gornji sloj n-tipa koji se naziva "window" sloj (u doslovnom prijevodu sloj koji djeluje kao prozor). Uloga gornjeg (window) sloja je fokusiranje sunčevog zračenja i to samo visokoenergetskog dijela spektra. Stoga mora biti jako tanak te imati dovoljno širok energetski procjep (2.8 eV ili više) kako bi propustio što veću količinu energije sunčevog zračenja donjem (apsobirajućem)

Fotonaponske ćelije

20

sloju. Donji (apsorbirajući) sloj većinom je dopirani p-tip poluvodiča, a obično se nalazi ispod "window" sloja. Poluvodički materijal p-sloja mora biti visoko apsorbirajućeg karaktera te pritom imati prikladan energetski procjep (band gap) kako bi se dobile veće vrijednosti napona ćelije. Ipak, donji p-sloj je jako tanak, debljine od 1 do 2 μm. Struktura opisane polikristalne tankoslojne sunčeve ćelije te izgled krajnjeg proizvoda (low-cost) prikazani su na slici 12.

Slika 12. Struktura polikristalne tankoslojne FN ćelije [12]

Bakar-Indij-Diselenid (CuInSe2 ili CIS), polikristalni tankosloji materijal koji

ima ekstremno veliko svojstvo apsorbiranja, što znači da će 99% sunčeve

svjetlosti obasjane na sunčevu ćeliju napravljenu od CIS tankog filma biti upijeno.

CIS ćelije obično imaju heterojunction strukturu, gornji ili "window" sloj najčešće

je od Kadmij-Sulfida dok se donjem (apsorbirajućem) sloju često dodaju male

količine Galija kako bi se poboljšala efikasnost (CIGS struktura). Teorijska

efikasnost ovakvih ćelija je oko 15%, stvarna efikasnost je puno manja.

Kadmij-Teluirid (CdTe), polikristalni tankoslojni koji materijal ima gotovo

idealan energetski procjep od 1.44 eV te veliko svojstvo apsorbiranja. Iako se

najčešće koristi u PV napravama bez dodavanja drugih materijala, relativno je

lagano postići leguru sa Cinkom ili Živom kako bi poboljšali svojstva naprave. Isto

kao i kod CIS tankih filmova, CdTe filmovi mogu se polagati na jeftine podloge

(plastika, staklo i sl.). CdTe ćelije imaju homojunction strukturu, sa Kadmijevim-

Sulfidom kao gornjim "window" n-slojem. Za antirefleksijski sloj ali i transparentni

vodljivi sloj koristi se tanki sloj oksida. Zbog unutarnjeg otpora p-tipa CdTe

materijala, CdTe materijal se postavlja kao intristični sloj dok se kao p-tip

materijala koristi Cink-Telurid (ZnTe). Teorijska efikasnost ovakvih ćelija je oko

15%, stvarna efikasnost je puno manja. [12]

Fotonaponske ćelije

21

3.2.5. Monokristalne tankoslojne FN ćelije i multijunction struktrue Monokristalne tankoslojne FN ćelije većinom su izrađene od Galij-Arsenida.

Galij-Arsenid (Ga-As) je poluvodič sastavljen od dva elementa: galija i arsena.

Galij (Ga) je produkt taljenja određenih materijala, posebice aluminija (Al) i zinka

(Zn) te je kao takav rijeđi od zlata. Arsen nije rijedak kemijski element, ali je

otrovan. Osim što se koristi u PV tehnologiji, Ga-As se koristi kod LED dioda,

lasera te ostalih elektroničkih naprava koji koriste svjetlost. Ćelije sačinjene od

Galij-Arsenida uglavnom imaju tzv. multijunction struktru koja se često naziva i

kaskadnom strukturom.

Multijunction strukturom sunčeve ćelije postiže se visoka efikasnost

pretvorbe budući da se obuhvaća veći dio solarnog spektra. U tipičnoj

multijunction strukturi, ćelije sa različitim energetskim procjepima su poslagane

jedna iznad druge na takav način da sunčeva svjetlost prvo pada materijal sa

najvećim energetskim procjepom. Fotoni koji nisu apsorbirani u prvoj ćeliji se

prenose na drugu ćeliju koja upija visoko-energetski dio preostalog sunčevog

zračenja za vrijeme čega ostaje transparentna za nisko-energetske fotone.

Ovakav selektivni proces apsorbiranja se nastavlja do zadnje ćelije koja ima

najmanji energetski procjep. Pri "slaganju" multijunction strukture ćelije se mogu

spajati mehaničkim putem ili se prilikom proizvodnje polažu u slojevima te na

koncu spajaju u kaskadnu strukturu. Struktura multijunction ćelije te selektivni

proces apsorbiranja svjetlosti prikazani su na slici 13.

Slika 13. Struktura multijunciton FN ćelije i proces apsorbiranja svjetlosti [12]

Većina istraživanja kaskadnih struktura foskusira se na ćelijama od Galij-

Arsenida kao jednom (ili svim) od komponenti takve strukture. Teorijska efikasnost

Fotonaponske ćelije

22

takvih ćelija bila bi iznad 35%, ali pod djelovanjem fokusiranog sunčevog

zračenja. Dakle, poluvodički materijal Galij-Arsenid prikladan je kod visoko

efikasnih sunčevih ćelija te ćelija koje imaju multijunction strukturu i to zbog

sljedećih razloga:

• energetski procjep od 1.43 eV je gotovo idealan za visoko-efikasne

sunčeve ćelije

• zbog izrazito visokog svojstva apsorbiranja, sunčeve ćelije izrađene od

Ga-As debljine su nekoliko mikrometara, naspram Si ćelija koje su

debljine 100 μm i više

• za razliku od Si ćelija, Ga-As sunčeve ćelije su relativno neosjetljive na

temperaturu (temperature Ga-As ćelija mogu biti izrazito visoke)

• legure Ga-As sa aluminijom, fosforom, antimonom ili indijem zadržavaju

svojstva Ga-As što omogućava fleksibilnost pri dizajnu takvih ćelija

• Ga-As je izrazito otporan na oštećenja izazvana sunčevim zračenjem, pa

je zbog toga ali i izrazito visoke efikasnosti idealan za svemirske

aplikacije

Najveća mana Galij-Arsenida je visoka cijena monokristalnih Ga-As slojeva.

Zbog toga se Ga-As ćelije pretežito koriste u koncentratorskim sustavima, gdje je

površina ćelije svega 0.25 cm2. U koncentratorskim sustavima, zbog visoko-

efikasne pretvorbe cijena Ga-As sunčevih ćelija je konkurentna klasičnim

sunčevim ćelijama. Teorijska efikasnost takvih ćelija je 28%, dok je stvarna

efikasnost 17%. [12]

Slika 14. FN ćelija od Galij-Arsenida [18]

Fotonaponski sustavi

23

4. Fotonaponski sustavi

4.1. Fotonaponski modul Sunčana ćelija proizvodi mali napon, reda veličine 0,5 V uz gustoću struje oko

20 mA/cm2. Da bi se dobio odgovarajući napon odnosno snaga, ćelije se spajaju

serijski i paralelno. Tako se dobivaju moduli sunčanih ćelija u obliku ploče

(modula, panela) na kojoj su ćelije učvršćene i zaštićene od atmosferskih i drugih

utjecaja. Moduli se slažu jedan do drugog u fotonaponske ravne kolektore,

a kolektori zajedno s ostalim potrebnim elementima (pretvarači, regulatori, inverteri

i sl.) tvore fotonaponski sustav.

Pojedinačne FN ćelije se povezuju serijski, paralelno ili najčešće kombinacijom

oba načina. Time se postiže željena vršna snaga (npr. 75, 100, 120 W) i radni

napon modula (obično 12 ili 24 V). Pakiranje FN ćelija u veće tzv.

fotonaponske module provodi se i zbog osiguravanja zaštite od atmosferskih i

fizičkih oštećenja. Današnji vijek trajanja FN modula je preko 20 godina.

Slika 15. Presjek FN modula [19]

Veća FN postrojenja (reda veličine 1 MW) pretpostavljanju cijela polja paralelno

spojenih nizova serijski spojenih FN modula, pri čemu se serijskim spajanjem

postiže potreban napon postrojenja, a paralelnim spajanjem osigurava potrebna

struja. [19]

Fotonaponski sustavi

24

4.2. Ostale komponente

Osim solarnih kolektora fotonaponski sustav čine i:

• potporne strukture za module – mogu biti i pomične, koje slijede kretanje

sunca po jednoj ili dvije osi, te fiksne

• prekidači – za prekidanje struje iz FN modula i za prekidanje struje

iz pretvarača, u slučaju kvara ili tijekom održavanja

• regulator napajanja - regulatori DC napona pretvaraju promjenljivi

istosmjerni napon solarnih modula u precizno kontrolirane napone kojima

se puni i održava baterija te napajaju istosmjerna trošila. Napon

baterije automatski se podešava ovisno o tipu, stanju napunjenosti i

temperaturi baterije, dok se napon trošila održava konstantnim

• akumulatorske baterije (za sustave sa akumulacijom električne energije

iz FN modula) - najvažniji zahtjev na baterije u solarnim sustavima

je povećana izdržljivost u cikličkom režimu. Drugi bitan zahtjev je što

veći stupanj djelovanja, odnosno da je što manja razlika između

dobivene energije iz baterije tijekom pražnjenja i utrošene energije

tijekom punjenja

• brojila služe za praćenje stanja FN sustava – proizvodnja električne

energije, količina energije predana u mrežu, stanje baterija i dr.

• pretvarač (izmjenjivač) – pretvara izlazni napon FN modula (12 ili

24V) u izmjenični napon od 230 V uobičajen u kućanstvima.

Postoje pretvarači projektirani za korištenje sa akumulatorskim

baterijama i oni koji se povezuju direktno na mrežu [19]

Fotonaponski sustavi

25

4.3. Vrste FN sustava

Fotonaponski sustavi predstavljaju integriran skup FN modula i ostalih

komponenata, projektiran tako da Sunčevu energiju izravno pretvara u električnu

energiju kojom se osigurava rad određenog broja trošila, samostalno ili zajedno s

pričuvnim izvorom.

Ovisno o načinu rada, postoje tri vrste FN sustava:

1. samostalni (autonomni), za čiji rad mreža nije potrebna

2. mrežni, spojeni na električnu mrežu:

o pasivni, kod kojih mreža služi kao pričuvni izvor

o aktivni, kod kojih mreža može pokrivati manjkove, ali i preuzimati

viškove električne energije iz FN modula

3. hibridni, koji su zapravo samostalni povezani s drugim (obnovljivim)

izvorima.

Samostalni (autonomni) sustavi za svoj rad ne zahtijevaju spoj na električnu

mrežu. Kada kod njihove primjene električnu energiju treba isporučivati tijekom

noći ili u razdobljima s malim intenzitetom Sunčevog zračenja nužan je

akumulator, tj. baterija koji služi kao spremnik električne energije. Tom se sklopu

mora dodati regulator za kontrolirano punjenje i pražnjenje baterije, a dodavanjem

istosmjerno-izmjeničnog pretvornika (=12 V / ∼230 V) autonomni sustavi mogu

zadovoljiti i sve vrste tipičnih mrežnih potrošača, kao što su perilice, hladnjaci,

crpke, hidrofori, motori, televizori, radioaparati, računala, usisavači, mali kućni

aparati i druga trošila. [20]

Takvi su sustavi pogodni za osiguravanje potrebnih količina električne energije

za udaljene (izolirane) potrošače kao što su ruralna (izolirana) ili primorska vikend-

naselja te za brojne pojedinačne objekte različitih namjena (npr. razne vrste

signalizacija i upozorenja, rasvjetu, telekomunikacijske releje, svjetionike, sustave

nadgledanja itd).

Fotonaponski sustavi

26

1. FN ćelije

2. DC/AC

3. Akumulator

(baterija)

4. Potrošači

Slika 16. Samostalni FN sustav [21]

Pasivni mrežni FN sustavi električnu mrežu koriste samo uvjetno, u

razdobljima kada FN moduli ne mogu proizvesti dovoljne količine električne

energije, primjerice noću kada su istodobno akumulatori električne energije prazni.

U današnjim izvedbama akumulatorske baterije su opcija koja je sve manje

popularna obzirom da je potrebno sustav dodatno dimenzionirati obzirom na

njih a stvaraju i dodatni periodički trošak svakih nekoliko godina jer

akumulatorske baterije treba mijenjati. Pasivni sustav stoga može biti korišten

kako bi se štedjela energija tijekom dana (skuplja tarifa). [20]

Aktivni mrežni FN sustavi mrežu koriste interaktivno, uzimajući energiju iz

mreže u slučaju većih potreba ili vraćajući je u slučaju viškova električne energije

proizvedene u FN modulima. Ovisno o načinu spajanja, ovakvi sustavi mogu

svu proizvedenu energiju iz fotonaponskim modula isporučivati izravno u

mrežu, ili je isporučivati samo ukoliko postoji višak nakon zadovoljavanja lokalne

potrošnje.

Fotonaponski sustavi

27

1. FN ćelije

2. DC/AC

3. Mreža

4. Potrošači

Slika 17. Mrežni FN sustav [21]

Hibridni FN sustavi nastaju povezivanjem samostalnih (osobito većih) s

drugim alternativnim izvorima električne energije, kao što su vjetroagregati,

hidrogeneratori, pomoćni plinski ili dizelski agregati. Takva rješenja daju veću

sigurnost i raspoloživost isporuke električne energije te omogućavaju manje

kapacitete akumulatora kao spremnika električne energije. Kod rješenja koja

koriste plinske i dizelske agregate sustavi se dimenzioniraju tako da se agregati

koriste optimalan broj sati u godini čime se štedi gorivo, smanjuju troškovi

održavanja i produljava vijek trajanja. [20]

HOMER

28

5. HOMER „HOMER Micropower Optimization Model“ je kompjuterski model razvijen od

strane američkog laboratorija za obnovljivu energiju (U.S. National Renewable

Energy Laboratory – NREL), a osnovna zadaća mu je pomoći u modeliranju

mikroenergetskih (micropower) sustava i olakšati usporedbu širokog spektra

tehnologija za proizvodnju energije.

HOMER modelira stvarno ponašanje energetskog sustava i trošak njegovog

životnog ciklusa, koji je zapravo zbroj troškova instalacije i održavanja

energetskog sustava kroz cijeli njegov životni vijek. HOMER omogućuje

projektantu usporedbu velikog broja različitih projektantskih rješenja na temelju

njihovih tehničkih i ekonomskih karakteristika. Također pomaže u razumijevanju i

kvantitativnom određivanju rezultata koji su posljedica nesigurnosti i promjena u

ulaznim podacima.

Micropower sustav (mikroenergetski sustav) je sustav koji proizvodi električnu

energiju, a moguće i toplinsku, za potrošača u neposrednoj blizini. Takav sustav

može koristiti razne kombinacije tehnologija za proizvodnju i pohranjivanje

električne energije, te može biti autonoman ili priključen na elektroenergetsku

mrežu. Primjer takvog sustava je i fotonaponski sustav (vrste FN sustava opisane

su u poglavlju 4.). Elektrane koje su priključene na visokonaponsku mrežu ne

ubrajamo u mikropower sustave. HOMER ima mogućnost modeliranja autonomnih

micropower sustava i onih spojenih na mrežu. Također ti sustavi mogu potrošača

opskrbljivati i električnom i toplinskom energijom, a mogu biti sačinjeni iz bilo koje

kombinacije fotonaponskih modula, vjetroagregata, malih hidrogeneratora,

generatora na biomasu, mikroturbina, gorivnih ćelija, baterija i spremnika vodika.

Projektiranje i analiza mikroenergetskog sustava može biti vrlo zahtjevan

proces zbog velikog broja projektantskih mogućnosti i nesigurnosti oko ključnih

parametara, kao što su veličina opterećenja, dostupnost izvora energije i buduće

cijene goriva. Obnovljivi izvori energije još više pridonose kompleksnosti jer se

njihova proizvodnja energije može povremeno prekidati ili čak potpuno izostati,

ovisno o dobu dana, atmosferskim prilikama, godišnjem dobu i sl. HOMER

uspješno savladava i te izazove.

HOMER

29

HOMER obavlja tri osnovne zadaće: simulacija, optimizacija i analiza

osjetljivosti. U procesu simulacije, HOMER modelira izvedbu određene

konfiguracije mikroenergetskog sustava svakog sata u godini kako bi odredio

njizinu tehničku izvedivost i cijenu životnog ciklusa. U procesu optimizacije,

HOMER simulira mnogo različitih konfiguracija sustava u potrazi za onom koja

zadovoljava tehničke uvjete pri najnižoj cijeni životnog ciklusa. U procesu analize

osjetljivosti, HOMER izvodi monogobrojne optimizacije unutar područja ulaznih

pretpostavki kako bi procijenio posljedice nesigurnosti ili promjena ulaznih

podataka. Optimizacija određuje optimalnu vrijednost varijabli nad kojima

projektant sustava ima kontrolu, kao što je npr. kombinacija komponenti koje tvore

sustav, te njihova veličina i količina. Analiza osjetljivosti pomaže u procjeni

posljedica nesigurnosti ili promjena varijabli nad kojima projektant nema kontrolu,

kao što su npr. prosječna brzina vjetra ili buduća cijena goriva.

Slika 18. Veza između procesa simulacije, optimizacije i analize osjetljivosti [22]

Slika 18. nam prikazuje vezu između simulacije, optimizacije i analize

osjetljivosti. Elipsa optimizacije obuhvaća elipsu simulacije što predstavlja

činjenicu da se jedna optimizacija sastoji od višestrukih simulacija. Slično, elipsa

analize osjetljivosti obuhvaća elipsu optimizacije jer se jedna analiza osjetljivosti

sastoji od višestrukih optimizacija. [22]

HOMER

30

5.1. Simulacija

Osnovna mogućnost HOMER-a je simuliranje dugoročnog pogona

mikroenergetskog sustava. Njegove dodatne mogućnosti, optimizacija i analiza

osjetljivosti, ovise o mogućnosti simulacije. Proces simulacije određuje kako bi se

pojedina konfiguracija sustava (kombinacija komponenti sustava određenih

veličina) i strategija upravljanja koja definira kako te komponente rade zajedno,

ponašali u određenom vremenskom periodu.

HOMER može simulirati širok raspon konfiguracija mikroenergetskog sustava,

sastavljen od fotonaponskih ćelija, jednog ili više vjetroagregata, male

hidroturbine, do tri generatora, akumulatora (baterija), ad-dc pretvarača,

elektrolizera i spremnika za vodik. Sustav može biti autonoman ili priključen na

mrežu, te može potrošače opskrbljivati ac i dc električnom strujom i toplinskom

energijom. Nekoliko takvih primjera prikazano je na sljedećoj stranici, Slika 18.

Proces simulacije ima dva cilja. Prvi je odrediti da li je sustav izvediv. HOMER

pretpostavalja da je sustav izvediv ako može adekvatno opskrbljivati potrošača

električnom i toplinskom energijom, te zadovoljava sve ostale zahtjeve korisnika.

Drugi cilj je predvidjeti cijenu mikroenergetskog sustava tijekom životnog vijeka, to

je zbroj instalacijskih troškova i troškova održavanja sustava.

Na slici 19. prikazano je nekoliko primjera mikroenergetskih sistema (temeljenih

na solarnoj energiji) modeliranih u HOMER-u.

Sustav FN ćelije – baterija

napaja trošilo

HOMER

31

Sustav FN ćelije – vodik u

kojem elektrolizer pretvara

višak solarne energije u

vodik koji se sprema u

spremnik vodika kako bi se

mogao koristiti u gorvnoj

ćeliji kada nema dovoljno

solarne energije.

FN sustav sa pretvaračem

spojen na mrežu

Slika 19. Primjeri mikroenergetskih sustava u HOMER-u [22]

HOMER

32

5.2. Optimizacija

Za razliku od simulacijskog procesa koji modelira određenu konfiguraciju

sustava, optimizacijski proces određuje najbolju moguću konfiguraciju sustava. U

HOMERU, najbolja moguća ili optimalna, konfiguracija sustava je ona koja

zadovoljava sve uvjete korisnika pri najnižoj tržišnoj cijeni. Postupak određivanja

optimalne konfiguracije može uključivati donošenje odluke o kombinaciji

komponenti od kojih sustav treba biti sastavljen, o veličini i količini pojedinih

komponenti, te o tzv. „dispatch strategiji“ (pravila prema kojima sustav funkcionira,

puni baterije). U optimizacijskom procesu HOMER simulira mnogo različitih

konfiguracija sustava, odbacuje neizvedive (one koje ne zadovoljavaju uvjete

korisnika), a one koje su izvedive rangira prema cijeni. Konfiguraciju sa najnižom

cijenom uzima kao optimalnu.

Cilj optimizacijskog procesa je odrediti optimalnu vrijednost svake odlučujuće

varijable koja je od interesa projektantu. Odlučujuća varijabla je ona varijabla koju

projektant može mijenjati i za koju HOMER analizira cijeli niz njezinih mogućih

vrijednosti. Odlučujuće varijable u HOMER-u su primjerice: veličina fotonaponskih

ćelija, broj vjetroagregata, veličina pojedinog generatora, kapacitet i broj baterija,

veličina ac-dc pretvarača, veličina elektrolizera te veličina spremnika za vodik.

Optimizacija pomaže projektantu da iz velikog broja mogućih konfiguracija

sustava pronađe optimalnu konfiguraciju.

5.3. Analiza osjetljivosti

U poglavlju 5.2. opisan je proces optimizacije u kojem HOMER pronalazi

optimalnu konfiguraciju sustava za određeni niz ulaznih pretpostavki. U ovom

poglavlju opisan je proces analize osjetljivosti u kojem HOMER izvodi višestruke

optimizacije, za svaku koristeći drugi niz ulaznih pretpostavki. Analiza osjetljivosti

pokazuje koliko su izlazni rezultati osjetljivi na promjene u ulaznim

pretpostavkama.

HOMER

33

Kod analize osjetljivosti, korisnik HOMER-a unosi cijeli niz vrijednosti za samo

jednu ulaznu varijablu. Varijabla za koju je korisnik unio višestruke vrijednosti zove

se varijabla osjetljivosti. Skoro svaka ulazna numerička varijabla u HOMER-u koja

nije odlučujuća varijabla može biti varijabla osjetljivosti. Primjerice: cijena

električne struje u mreži, cijena goriva, realna kamatna stopa, životni vijek

fotonaponskih ćelija ili cijelog sustava itd.

Korisnik može provesti analizu osjetljivosti s bilo kojim brojem varijabli

osjetljivosti. Svaka kombinacija vrijednosti varijabli osjetljivosti definira poseban

slučaj osjetljivosti. Npr., ako korisnik definira šest vrijednosti za cijenu električne

struje iz mreže i četiri vrijednosti za kamatnu stopu, dobiju se 24 (dvadesetčetiri)

različita slučaja osjetljivosti. HOMER zatim izvodi zaseban proces optimizacije za

svaki pojedini slučaj osjetljivosti.

Osnovna funkcija analize osjetljivosti je eleminiranje nesigurnosti. Ako je

projektant nesiguran u vrijednost određene varijable, lako može unjeti nekoliko

vrijednosti koje pokrivaju cijeli raspon i vidjeti kako rezultati variraju diljem tog

raspona.

Analiza osjetljivosti se koristi i za rješavanje brojnih drugih problema. Primjerice,

projektant može analizirati različite ustupke i odgovoriti na pitanja kao što je:

Koliko je potrebno povećati investicijske troškove da bi postigli 50% ili 100%

proizvodnje iz obnovljivih izvora? Zatim, energetičar može odrediti koje su

tehnologije, ili pak kombinacije tehnologija, optimalne za različite uvjete rada.

Analitičar tržišta može odrediti pri kojoj cijeni, pri kojim uvjetima, proizvod može

konkurirati alternativnim proizvodima. Zatim, koji stupanj poticaja je potreban da bi

se stimuliralo tržište za određenu tehnologiju ili pak, koliki treba biti porez za

ispušne plinove da bi se ekonomija okrenula čišćim tehnologijama i sl. [22]

Izvori podataka

34

6. Izvori podataka U ovom poglavlju opisani su izvori podataka korišteni u proračunima. To su:

NASA – Surface meteorology and solar energy database, RETScreen – Clean

Energy Project Analysis Software, PV GIS – Photovoltaic Geographical

Information System i DHMZ – Državni Hidrometeorološki Zavod.

6.1. NASA – Surface meteorology and solar energy database

NASA dugi niz godina podupire satelitske sustave i istraživanja koja daju važne

podatke potrebne za proučavanje klime i klimatskih procesa. Ti podaci uključuju

dugoročne procjene meteoroloških veličina i tokove solarne energije na površini

Zemlje. Takvi ali i modelirani podaci pokazali su se dovoljno točnima da pružaju

pouzdane solarne i meteorološke podatke potrebne za istraživanje regija gdje su

površinska mjerenja rijetka ili uopće ne postoje. Također nude dvije jedinstvene

mogućnosti – podaci su globalni i vremenski neprekinuti. Ove dvije važne

karakteristike utječu na stvaranje jako velikih arhiva podataka koje mogu biti

nespretne za komercijalnu upotrebu, osobito kod novih korisnika koji su neiskusni

ili nemaju dovoljno resursa za upotrebu tako velikih količina podataka. Osim toga

baze podataka sadržane u raznim NASA arhivama su često u formatima koji su

prezahtjevni za nove korisnike. Kako bi poticala komercijalnu upotrebu solarnih i

meteoroloških podataka, NASA je podržavala, a i dalje podržava, razvoj „Surface

meteorology and solar energy (SSE)“ baze podataka koje su posebno dizajnirane

za potrebe projektiranja fotonaponskih sustava i sustava temeljenih na obnovljivim

izvorima energije. Jednako važna je i dostupnost podacima pa su SSE podaci

dostupni putem interneta preko jednostavnog sučelja (slika 19).

Izvorna web stranica sa SSE podacima, s namjerom pružanja jednostavnog

pristupa podacima potrebnim za industriju koja se bavi obnovljivim izvorima

energije (npr. solarna energija i energija vjetra), javnosti je postala dostupna 1997.

godine. Solarni i meteorološki podaci sadržani u prvoj verziji temeljili su se na

„NASA / World Climate Research Program, version 1.1, Surface Radiation Budget

(SRB)“ znanstvenim podacima iz 1993. godine, te podacima iz „International

Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP)“. Ovaj inicijalni pristup pokazao se

ograničenim zbog znanstvene terminologije koja nije bila kompatibilna sa

Izvori podataka

35

terminologijom / parametrima korištenim u industriji za projektiranje energetskih

sustava temeljenih na obnovljivim izvorima energije. Nakon konzultacija s

industrijom, 1999. godine javnosti je postala dostupna „SSE Release 2“ verzija sa

parametrima posebno prilagođenim potrebama zajednice koja se bavi obnovljivim

izvorima energije. Kasnije nadogradnje SSE također su rađene u dijalogu s

potencijalnim kupcima što je rezultiralo ažuriranjem parametara koristeći novije

NASA-ine podatke, ali i uvođenjem novih parametara prema željama krajnjih

korisnika. [24]

Slika 20. SSE web stranica (http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/)

Izvori podataka

36

Projekt „Prediction Of Worldwide Energy Resource (POWER)“ je započet 2003.

godine kako bi se unaprijedile kasnije verzije SSE, ali i stvorila nova baza

podataka (iz novih satelitskih promatranja) koja bi se mogla primjeniti i na druge

industrije. „POWER“ trenutno obuhvaća SSE bazu podataka usklađenu za

industriju temeljenu na obnovljivim izvorima energije, ali i za zajednicu koja se bavi

održivom izgradnjom, te bioenergetskom / poljoprivrednom industrijom. Općenito,

temeljni podaci iz parametara korištenih u svim ovim industrijama su isti – solarno

zračenje i meteorologija, uključujući temperature i vlagu zraka, te brzine vjetra.

Meteorološki podaci se nalaze na mreži od 1 stupanj zemljopisne dužine sa 1

stupanj zemljopisne širine koja prekriva cijelu zemaljsku kuglu (64 800) područja.

Slika 21. nam pokazuje detaljan primjer mreže koja pokriva Englesku. Podaci se

generiraju koristeći „NASA Goddard Earth Observing System – version 4

(GEOS4) Multiyear Assimilation Timeseries Data“. GEOS4 baza podataka ima

mrežu 1.25 stupnjeva zemljopisne dužine sa 1 stupanj zemljopisne širine

(odprilike: 79x11 km). Da bi dobili područja 1x1 stupanj koristi se bilinearna

interpolacija.

Slika 21. Primjer mreže [24]

Podaci o solarnoj energiji generiraju se koristeći Pinker / Laszlo kratkovalni

algoritam. Podaci o oblacima se uzimaju iz „International Sattelite Cloud

Climatology Project DX (ISCCP)“ baze podataka. ISCCP DX podaci su na mreži

gdje je efektivno jedan piksel 30x30 kilometara. Izlazni podaci se generiraju na

Izvori podataka

37

umetnutoj mreži koja sadrži 44 016 područja. Umetnuta mreža ima rezoluciju od

jednog stupnja zemljopisne širine globalno i rezoluciju zemljopisne dužine u

rasponu od jednog stupnja u tropima i subtropima do 120 stupnjeva na polovima.

Ovo se zatim pretvara u mrežu 1x1 stupanj (360 dužina sa 180 širina).

Točnost – općenito se smatra da su kvalitetno mjereni podaci točniji od

podataka generiranih iz satelitskih opažanja. Međutim, nesigurnost mjerenja zbog

netočne kalibracije, operativnih nesigurnosti ili rupa u podacima su nepoznati za

podatke iz mjernih postaja. 1989. godine „World Climate Research Program“ je

procijenio da većina rutinski upravljanih mjernih postaja ima krajnje nesigurnosti

između 6 i 12%. Specijalizirane, visokokvalitetne mjerne postaje imaju točnost

veću za nekoliko postotaka. To vrijedi za lokaciju na kojoj meteorološka postaja

mjeri, a na mjestima dalje točnost procjene je manja. [24]

NASA – surface meteorology and solar energy baza podataka dostupna je

direktno on-line preko Interneta iz HOMER-a (Slika 22.), a koristi se i u

RETScreen bazi podataka.

Slika 22. SSE baza podataka dostupna preko Interneta iz HOMER-a

Izvori podataka

38

6.2. RETScreen – clean energy project analysis software RETScreen International Clean Energy Project Analysis Software je alat za

potporu odlučivanju u projektima za korištenje obnovljivih izvora energije razvijen

doprinosom brojnih stručnjaka iz državne uprave, industrije i akademske

zajednice. Softver, dostupan svima besplatno, može se koristiti diljem svijeta za

procjenu proizvodnje energije i ušteda, troškove tijekom životnog vijeka projekata,

smanjenje emisija, financijsku isplativost i rizike za razne tipove tehnologija

energetske učinkovitosti i tehnologija obnovljive energije. Softver također uključuje

baze podataka proizvoda, troškova i klimatoloških podataka, te detaljni online

korisnički priručnik.

RETScreen softver je razvijen s namjerom da pojednostavi svladavanje

prepreka pri implementaciji čistih energetskih tehnologija u pripremnoj fazi

procjene izvedivosti. On pruža dokazanu metodologiju za usporedbu

konvencionalnih i čistih energetskih tehnologija. Analitičar se zato može fokusirati

na pripremnu studiju izvedivosti, a ne gubiti vrijeme na razvoj metodologije; u

kombinaciji s minimalnim potrebnim ulaznim podacima i ugrađenim bazama

podataka (klimatski podaci i podaci o proizvodima), softver daje brzu i točnu

analizu koja uobičajeno košta otprilike jednu desetinu iznosa studije sa posebno

razvijenom metodologijom. To omogućuje odabir između više potencijalnih

projekata tako da se oni najpovoljniji mogu identificirati, dalje analizirati i

implementirati.

Svi modeli čistih energetskih tehnologija u RETScreen softveru imaju

zajedničko sučelje i slijede standardni pristup koji omogućava donošenje odluka

sa pouzdanim rezultatima. Svaki model uključuje integrirani proizvod, baze

podataka (podaci o cijenama, klimatski podaci) i detaljni online priručnik. Sve to

pomaže u drastičnom reduciranju potrebnog vremena i troškova za pripremne

studije izvedivosti. RETScreen softver nije dizajniran samo za projektnu analizu

već pruža i korisne informacije o čistim energetskim tehnologijama i na taj način

podiže svijest o njihovim mogućnostima i primjenama. To također pomaže

korisniku da dobije ispravnu sliku i osjećaj kada je ispravno koristiti određenu

tehnologiju. [25]

Izvori podataka

39

Slika 23. RETScreen sučelje

RETScreen softver koristi meteorološke i podatke o proizvodu kao ulazne

podatke za razne tehnološke modele kako bi odredio količinu energije koju

dobivamo (ili uštedimo) pojedinim projektom, ili kako bi izračunao druge važne

parametre (npr. toplinska opterećenja). Dodatni podaci koji se odnose na troškove

i druge financijske parametre su potrebni kako bi se odredila različita financijska

gledišta projekta. Sakupljanje ovih vrsta podataka za svaki pojedini projekt može

trajati jako dugo i biti vrlo skupo. RETScreen softver integrira niz baza podataka

kako bi to izbjegao i olakšao implementaciju čistih energetskih projekata diljem

svijeta. Međutim, korisnik može bilo kada unositi podatke iz drugih izvora.

Izvori podataka

40

RETScreen koristi meteorološke podatke za cijelu površinu Zemlje iz dva

izvora: meteorološki podaci iz mjernih postaja diljem svijeta i NASA-ni satelitski

meteorološki podaci.

Meteorološki podaci iz mjernih postaja

diljem svijeta direktno su ugrađeni u

RETScreen softver. Ta baza podataka (RETScreen International Weather

Database) uključuje mjerenja preko 4700 mjernih postaja diljem svijeta dobivenih

iz 20 različitih izvora za period od 1961. do 1990. godine. Slika 24. prikazuje sve

mjerne postaje korištene u RETScreen-u.

Slika 24. Mjerne postaje diljem svijeta [25]

Budući da su podaci uzeti iz niza različitih izvora, originalni podaci nisu vidljivi

već su svi podaci iz svih izvora sakupljeni u jedistvenu bazu. Npr, podaci su

homogenizirani tako da se za sve lokacije koriste SI mjerne jedinice, bez obzira na

originalne mjerne jedinice. Također, ovisno o izvoru, neke su varijable izračunate

iz drugih veličina (npr. relativna vlažnost se može izračunati iz minimalne i

maksimalne vlažnosti).

Pri stvaranju ove jedinstvene baze korišteno je preko 20 različitih izvora.

Međutim nisu svi izvori jednako zastupljeni. Npr. neki izvori imaju ograničenu

prostornu pokrivenost (npr. pokrivaju samo jednu zemlju), ili su pak manje

pouzdani nego drugi izvori za istu lokaciju, te su stoga korišteni samo kao

posljednja opcija ako nema pouzdanijih podataka. Najznačajniji izvori su:

Izvori podataka

41

• Environment Canada (1993). Canadian Climate Normals, 1961-1990.

Ova knjiga (6 vol.) daje veliku količinu podataka i korištena je za većinu

Kanadskih postaja (osim podataka za solarno zračenje i vjetar)

• Environment Canada (1998). The Canadian renewable energy wind and

solar resources (CERES). Ovaj CD-ROM sadrži podatke za solarno

zračenje i vjetar za sve dostupne Kanadske postaje.

• Numerical Logics Inc. (1998). Monthly averages of solar radiation and

sunshine derived from data from the World Radiation Data Centre

(WRDC) Online Archive (1964-1993). Prosjeci za solarno zračenje su

izračunati iz podataka pohranjenih u WRDC; u RETSCreen bazu su

uključene samo postaje sa pet i više godina mjerenja.

• National Climatic Data Center and National Renewable Energy

Laboratory (1993). Solar and Meteorological Surface Observation

Network (SAMSON) 1961-1990. Version 1.0. Ova tri CD-ROMa su

primarni izvor podataka, uključujući solarno zračenje, za lokacije u

Sjedinjenim Američkim Državama. Mjesečni prosjeci su izračunati iz

satnih vrijednosti sadržanih na CD-ROMu.

• World Meteorological Organization (1996). Climatological Normals

(CLINO) for the period 1961-1990. Ovaj jako veliki dokument sadrži

informacije dostavljene od članica za različite klimatske parametre. Broj

uključenih parametara zavisi o zemlji članici. Neke slabije razvijene

zemlje mogu sadržavati samo jedan parametar, a razvijenije zemlje

najčešće dostavljaju vrijednosti za sve parametre potrebne za

RETSCreen bazu podataka. [25]

NASA satelitski meteorološki podaci za bilo koju lokaciju na Zemlji dostupni su

u RETScreen softveru preko „NASA Surface Meteorology and Solar Energy

(SSE)“ baze podataka. Ova je baza podataka korisna alternativa kada nisu

dostupni podaci iz mjernih postaja na Zemlji za određenu lokaciju. U RETScreen-u

se nalazi direktan link na NASA-inu internet stranicu, korisnik samo treba kopirati

željene podatke. Ovaj izvor podataka detaljno je opisan u prethodnom poglavlju

(poglavlje 6.1., str. 35) i dostupan je iz HOMER-a on-line preko Interneta.

Izvori podataka

42

6.3. PV GIS – Photovoltaic Geographical Information System

Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) pruža popis solarnih

energetskih resursa i procjenu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih

sustava temeljen na geografskoj karti u Europi, Africi i jugozapadnoj Aziji. On je

dio „SOLAREC“ (Solar Electricity Action) akcije koja doprinosi implementaciji

obnovljivih izvora energije u Europskoj Uniji kao održivog i dugoročnog izvora

energije.

Slika 25. PV GIS web sučelje [26]

Diljem Europe postoji nekoliko stotina meteoroloških mjernih postaja gdje se

direktno ili indirektno mjeri solarno zračenje (Slika 26. prikazuje mrežu „WRDC-

world radiation data centre“ mjernih postaja). Kako bi se iz ovih mjerenja dobile

prostorne baze podataka koriste se različite interpolacijske tehnike. U planinskim

područjima dodatne informacije iz satelitskih snimaka mogu poboljšati kvalitetu

interpolacije solarnog zračenja.

Izvori podataka

43

Prostorno neprekinute vrijednosti ozračenosti mogu se dobiti izravno iz

geostacionarnih satelita. Obrada satelitskih podataka daje manje pouzdane

vrijednosti (u usporedbi s onima mjernim na tlu), ali prednost je dostupnost

podataka za ogromne prostore s vremenskom rezolucijom od 0.5 do 12 sati. Nova

generacija satelita i novi modeli obrade pružaju podatke na još većim prostornim i

vremenskim rezolucijama (veličina dijela mreže od 1x1 km, svakih 15 min –

Meteosat 8) tako da se mogu koristiti energetske vremenske prognoze i

fotonaponsko promatranje velikog stupnja.

Slika 26. WRDC mjerne postaje (1964-1993) [26]

Da bi se u obzir uzele prostorne varijacije solarnog zračenja u područjima

dinamičnog reljefa koristimo modele solarnog zračenja integrirane sa geografskim

informacijskim sistemima (GIS). Modeli solarnog zračenja objedinjuju empirijske i

fizički temeljene jednadžbe kako bi pružili brzu i točnu procjenu zračenja iznad

velikih područja, uzimajući u obzir nagib tla, orijentaciju i efekte zasjenjenja.

Spajanje modela solarnog zračenja sa GIS sustavima i sustavima za obradu slika

Izvori podataka

44

povećava sposobnost korištenja različitih ekoloških i socio-ekonomskih podataka,

sposobnost suradnje sa drugim modelima, te sposobnost razvoja scenarija.

Vrsta podataka spremljena u PVGIS bazi podataka za sljedeće regije:

1. Europski subkontinent

2. Mediteranski bazen, Afrika i jugozapadna Azija

Baza podataka sadrži tri grupe rasterskih slojeva rezolucije 1 km x 1 km:

Europski subkontinent

1. geografski podaci: digitalni model visine, administrativne granice, gradovi

2. prostorno neprekinuti klimatski podaci:

− dnevna ozračenost horizontalne plohe

− omjer difuznog i globalnog ozračenja

− optimalni kut nagiba FN modula za maksimizaciju iskorištenja

energije

3. regionalni prosjeci za izgrađena područja:

− godišnja suma ozračenosti (horizontalna, vertikalna i optimalno

nagnuta ploha)

− godišnja suma predviđene proizvodnje električne energije

(horizontalna, vertikalna i optimalno nagnuta ploha)

− optimalni kut nagiba FN modula za maksimizaciju iskorištenja

energije kroz cijelu godinu

Baza podataka sadrži prve dvije grupe rasterskih slojeva kao i za Europski

subkontinent (navedeno iznad) rezolucije 2 km x 2 km.

Mediteranski bazen, Afrika i jugozapadna Azija

Izvori podataka

45

Osnovni izvori podataka korišteni za razvoj PVGIS baze podataka:

1. Mjesečni prosjeci ukupne dnevne globalne i difuzne ozračenosti,

mjerene i izračunate za 566 meteoroloških postaja na tlu

rasprostranjenih po cijeloj regiji, za period 1981.-1990., podaci su

sakupljeni unutar ESRA (European Solar Radiation Atlas) projekta

Europski subkontinent:

2. „Linke turbidity“ dobiven iz globalne baze podataka (Remund et al.

2003), dostupan iz SoDa (Solar radiation Data)

3. Digitalni model visine sa rezolucijom 1x1 km; dobiven iz USGS SRTM

podataka (United States Geological Survey – Shuttle Radar

Topography Mission)

4. „CORINE land cover“ sa rezolucijom 100x100 m

5. „Global land cover 2000“ sa rezolucijom 1x1 km

6. GISCO baza podataka (Geographic Information System of the

European Commission)

7. VMAP0 (Vector Map Level 0) i ESRI (Environmental Systems

Research Institute) podaci

1. HelioClim-1 baza podataka (dostupna preko SoDa - Solar radiation

Data). Sastoji se od dnevnih zbrojeva globalnog horizontalnog

ozračenja izračunatog iz „Meteosat Prime“ satelitskih snimaka.

Vrijednosti su za period 1985-2004. godine

Mediteranski bazen, Afrika i jugozapadna Azija:

2. „Linke turbidity“ dobiven iz globalne baze podataka (Remund et al.

2003), dostupan iz SoDa (Solar radiation Data)

3. Digitalni model visine sa rezolucijom 1x1 km; dobiven iz USGS SRTM

podataka (United States Geological Survey – Shuttle Radar

Topography Mission)

4. „Global land cover 2000“ sa rezolucijom 1x1 km

5. VMAP0 (Vector Map Level 0) podaci [26]

Izvori podataka

46

Slika 27. Godišnja ozračenost na horizontalnu plohu za RH [26]

Izvori podataka

47

6.4. DHMZ – Državni Hidrometeorloški Zavod Državni hidrometeorološki zavod je temeljna ustanova za meteorologiju i

hidrologiju na području Hrvatske. Osnovan je uredbom Vlade Narodne Republike

Hrvatske (NRH) 27. kolovoza 1947. godine. Dio kadrova i opreme preuzet je od

Geofizičkog zavoda i tadašnjeg Ministarstva građevine NRH, koji su do tada

obavljali dio poslova iz djelokruga meteorologije i hidrologije (mjerenja, prognoze

itd.). Do osamostaljenja Hrvatske tj. do 1991. djeluje kao republička ustanova, a

nakon toga kao državna. DHMZ u ime države Hrvatske obavlja međunarodnu

suradnju nakon 1992. godine kada Hrvatska postaje članicom Svjetske

meteorološke organizacije (SMO).

Slika 28. Karta glavnih meteoroloških postaja [27]

Temeljna djelatnost DHMZ-a su meteorološka motrenja (mjerenja i opažanja),

prijenos podataka i njihova daljnja obrada. Taj proces, sustavno započet na

području Hrvatske još sredinom 19. stoljeća, neprestano se razvija. Motrenja se na

Izvori podataka

48

nekoliko stotina meteoroloških postaja diljem Hrvatske obavljaju po jedinstvenim

mjerilima koje propisuje SMO. U novije vrijeme sve je više automatskih postaja

koje danonoćno mjere i bilježe meteorološke elemente (temperaturu, tlak i

vlažnost zraka, smjer i brzinu vjetra itd.) te ih putem složenih telekomunikacijskih

sustava automatski prenose u središnji telekomunikacijski centar DHMZ-a

smješten u Zagrebu. O ispravnosti i točnosti mjernih uređaja brine se Meteorološki

laboratorij koji je ovlašten za ispitivanje i izdavanje certifikata za mjerila u DHMZ-u,

kao i mjerila vanjskih korisnika. Dio mjerenih podataka šalje se u međunarodnu

razmjenu, a veći dio se zadržava unutar DHMZ-a, gdje se podvrgava daljnjoj

kontroli i obradi na elektroničkim medijima s brzim pristupom.

Glavne meteorološke postaje su meteorološke postaje s 2 do 5 profesionalnih

meteoroloških motritelja koje imaju ograđeno motrilište i radni prostor (najčešće

samostalni objekat) i obavljaju motrenja ili registraciju svih meteoroloških

elemenata tijekom 24 sata, prema propisima Svjetske meteorološke organizacije i

Državnog hidrometeorološkog zavoda.

Na većinu postaja uvedene su i automatske meteorološke postaje, koje tijekom

24 sata obavljaju mjerenja jednoga ili više meteoroloških elemenata i dio su

informacijskog sustava DHMZ-a. Za te postaje obavlja se operativna kontrola

podataka koja uključuje kontrolu potpunosti, kontrolu konzistencije i prostornu

kontrolu. Svi podaci, uključujući i podatke s automatskih postaja arhiviraju se na

medijima za računalnu obradu. Putem korisničkih programa mogu se isporučivati

podaci za različite namjene. [27]

Projektni zadatak

49

7. Projektni zadatak

7.1. Zadatak Usporediti utjecaj različitih izvora podataka pri projektiranju fotonaponskog

sustava spojenog na mrežu, za tri različite lokacije u Republici Hrvatskoj. Zadane

lokacije su:

• Grad Zagreb

• Grad Senj

• Grad Split

Prilikom simuliranja potrebno je koristiti podatke za ukupno (globalno) Sunčevo

zračenje na okomitu plohu, indeks prozirnosti (clearness index) i godišnji optimalni

kut β iz četiri različita izvora podataka:

• NASA – Surface Meteorology and Solar Energy Database

• PVGIS – Photovoltaic Geographical Information System

• RETscreen – Clean Energy Project Analysis Software

• DHMZ – Državni Hidrometeorološki Zavod (Matić, Zdeslav: „Sunčevo

zračenje na području Republike Hrvatske, Priručnik za korištenje

Sunčevog zračenja“, Energetski institut Hrvoje požar, Zagreb, 2007.)

Usporediti količinu proizvedene električne energije, te isplativost fotonaponskog

sustava spojenog na mrežu, s iznosom poticaja prema tarifnom pravilniku za

proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije.

Projektni zadatak

50

7.2. Definiranje parametara FN sustava i mreže u HOMER-u

Budući da će se u svim proračunima koristiti isti fotonaponski sustav potrebno je

točno definirati sve parametre fotonaponskog sustava i mreže koji su potrebni za

simulaciju.

Slika 29. Prikaz komponenti fotonaponskog sustava u HOMER-u

7.2.1. Definiranje parametara mreže

Klikom na ikonu „Grid“ ( ) otvara se izbornik „Grid inputs“ u kojem

definiramo parametre mreže. Za definiranje parametara mreže potrebno je unijeti

tri vrste podataka:

• Tarife („Rates“), gdje definiramo cijenu električne energije iz mreže

• Emisije („Emissions“), gdje unosimo faktore emisije za električnu energiju

iz mreže

• Napredne postavke („Advanced“), gdje unosimo određene napredne

varijable

Moguće je definirati maksimalno šesnaest tarifa i uz pomoć dijagrama lako

odrediti vremenske periode u kojima se koristi pojedina tarifa. Svaka tarifa može

imati različite vrijednosti slijedećih varijabli:

Projektni zadatak

51

1. Cijena energije („Power price“)

2.

– energija kupljena iz mreže u $/kWh.

Cijena električne energije za Republiku Hrvatsku izražena je u tablici 1.

Sukladno odluci Vlade RH (Narodne novine br. 70/2008), od 1. srpnja

2008. godine primjenjuju se nove tarifne stavke za proizvodnju, prijenos,

distribuciju i opskrbu električnom energijom.

Prodajna tarifa („Sellback rate“)

3.

– cijena koju komunalna služba plaća za

kupljenu energiju. Pri mrežnom mjerenju, ova tarifa se odnosi samo na

prekomjernu proizvodnju energije u sustavu. Poticajna cijena za

isporučenu električnu energiju iz solarne elektrane instalirane snage do

uključivo 10 kW iznosi 3,40 kn/kWh (tablica 2.).

Tarifa zahtjeva („Demand rate“)

Tablica 1. Tarifni modeli za kupce na niskom naponu [

– mjesečna pristojba koja se plaća

komunalnoj službi na osnovi vršnog mjesečnog zahtjeva za električnom

energijom.

28]

Kategorija kupaca Tarifni model

Tarifni element

Radna energija

Naknada za mjernu uslugu i opskrbu

JT [kn/kWh]

VT [kn/kWh]

NT [kn/kWh] [kn/mj]

Kućanstvo* Niski napon

Plavi 0,71

- - 16,00

(0,87) (19,52)

Bijeli - 0,75 0,38 16,00

(0,92) (0,46) (19,52)

Narančasti 0,93

- - - (1,13)

Crni 0,31

- - 5,40

(0,38) (6,59) Napomene: * Iznosi u zagradama izraženi su s PDV-om, zaokruženi na dvije decimale. ** Uz tarifne stavke objavljene u ovoj tablici, svi kupci plaćaju i posebnu naknadu za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora u iznosu od 0,0089 kn/kWh.

RASPORED DNEVNIH TARIFA:

• zimsko računanje vremena: VT od 07-21 sat, NT od 21-07 sati • ljetno računanje vremena: VT od 08-22 sata, NT od 22-08 sati

Projektni zadatak

52

Visine tarifnih stavki za postrojenja priključena na distribucijsku mrežu koja

koriste OIE za proizvodnju električne energije instalirane električne snage do 1

MW prikazane su u Tablici 2.

Tablica 2. Visine tarifnih stavki [29]

Postrojenja Visina tarifne stavke [kn/kWh]

Solarne elektrane

Instalirane snage do 10 kW 3,40 Instalirane snage 10 - 30 kW 3,00

Instalirane snage veće od 30 kW 2,10 Hidroelektrane 0,69 Vjetroelektrane 0,64

U svrhu simulacije korišten je plavi tarifni model sa jedinstvenom cijenom

električne energije od 0,87 kn/kWh (ovaj podatak nije relevantan za našu analizu

jer sustav ne koristi el. en. iz mreže). Budući da HOMER računa s vrijednostima

električne energije u $/kWh, cijena elektirčne je pretvorena iz kn/kWh u $/kWh

prema tečajnoj listi Hrvatske narodne banke. Na dan 08.07.2008. srednji tečaj

dolara iznosio je 1 $ = 4,6042 kn.

Slika 30. Prikaz tarife

Projektni zadatak

53

Mrežno mjerenje („Net metering“) je obračunska shema prema kojoj

komunalna služba dopušta prodaju električne energije u mrežu po maloprodajnoj

tarifi. Efektivno i najčešće doslovno, pri prodaji električne energije u mrežu, mjerač

ide unatrag. Na kraju obračunskog razdoblja (mjesečno ili godišnje razdoblje)

naplaćuje se količina kupljene energije iz mreže (kupljena energija minus

prodana). Ako na kraju obračunskog razdoblja „kupljena energija“ ima negativnu

vrijednost, znači da je količina prodane energije veća nego količina kupljene

energije u obračunskom razdoblju. Prema tome komunalna služba plaća

otkupljenu energiju prema prodajnoj tarifi.

Emisije („Emissions“), na ovoj stranici se unose faktori emisija za dostupnu

električnu energiju. Vrijednosti tih faktora ovise o načinu proizvodnje električne

energije u određenoj okolini. U okolini gdje se većina električne energije proizvodi

iz ugljena, te će vrijednosti biti relativno visoke, jer sagorijevanje ugljena rezultira

visokim emisijama štetnih plinova. Prirodni plin rezultira manjim emisijama, dok

nuklearne elektrane i hidroelektrane imaju emisije štetnih plinova virtualno jednake

nuli.

Napredne postavke („Advanced“) sadrže dvije dodatne ekonomske ulazne

varijable i dvije ulazne varijable koje se odnose na maksimalnu vrijednost snage

koja može teći od i prema mreži.

• Trošak međupovezanosti („Interconnection charge“) je pristojba koja se

plaća pri spajanju sustava na mrežu, a omogućava sustavu da bude

priključen na mrežu. Ovaj je trošak uključen u investicijske troškove. (0 $)

• Trošak pripravnosti („Standby charge“) je godišnja pristojba koja se plaća

zbog omogućavanja opskrbe priključenog sustava rezervnom energijom

iz mreže. Ovo je godišnja cijena koja se može naplaćivati za rezervnu

snagu, a u ovoj se analizi zanemaruje. (0 $/god)

Budući da je naš fotonaponski sustav priključen samo na mrežu obje vrijednosti

su nula (0).

• Prodajni i kupovni kapaciteti; maksimalni zahtjev mreže je maksimalna

količina snage koja može biti predana iz mreže. To je varijabla odluke

zbog utjecaja troškova zahtjeva. Ako je zahtijevana tarifa nije jednaka

nuli, potrebno je precizirati vrijednost jednaku ili veću od vršnog

Projektni zadatak

54

opterećenja, plus najmanje jednu vrijednost koja je manja od vršnog

opterećenja. HOMER će izračunati optimalnu vrijednost. Maksimalna

vrijednost prodaje je najveća količina snage koja može biti prodana

natrag u mrežu.

Prodajni i kupovni kapaciteti su podešeni na vrijednost 10 kW.

7.2.2. Definiranje parametara fotonaponskog modula

Budući da HOMER nema specificirane tipove fotonaponskih modula, prilikom

odabira modula nije bitno koju vrstu tehnolgije odaberemo. To je nedostatak, ali

HOMER je prvenstveno optimizacijski alat koji traži najisplativiju kombinaciju

komponenti sustava na osnovi unesenih podataka.

Klikom na ikonu „PV“ ( ) otvara se prozor „PV Inputs“ u kojem podešavamo

parametre fotonaponskog modula.

Slika 31. „PV inputs“ prozor

Projektni zadatak

55

Životni vijek („Lifetime“), podatak koji je naveden u tehničkim specifikacijama

PV modula. Pretpostavljeni životni vijek FN modula je između 20 i 30 godina. U

proračunu je uzet životni vijek od 25 godina.

Faktor gubitaka („Derating factor“), je mjera gubitaka FN mreže prilikom

proizvodnje električne energije. Gubici su često uzrokovani visokim

temperaturama ambijenta, nepravilnim ožičenjem, nanosima prašine i slično. U

proračunu faktor gubitaka iznosi 95%, što znači da proizvodnja električne energije

FN modula odstupa 5% od nazivne vrijednosti.

Kut nagiba modula („Slope“), kut pod kojim su moduli ugrađeni u odnosu na

horizontalu. U proračunu mijenjamo optimalni kut ovisno o korištenom izvoru

podataka.

Sustav praćenja kretanja Sunca („Tracking system“) je ponuđen kao opcija.

U slučaju odabira takvog sustava potrebno je između ponuđenih opcija naznačiti

kakvu vrstu tehnologije praćenja kretanja Sunca želimo koristiti. U proračunu ne

koristimo ovu opciju jer su naši fotonaponski moduli ugrađeni pod fiksnim kutom.

Azimut („Azimuth“) služi kao pokazatelj zakrenutosti FN mreže. Da bi se

dobio maksimum iz FN mreže postavljene pod fiksnim kutom ona mora biti

orijentirana prema jugu. Za sjevernu zemljinu polutku azimut je najčešće 0°.

Koeficijent refleksije tla („Ground reflectance) ili albedo je svojstvo podloge

da odbija zračenje. Potpuno bijelo tijelo imalo bi albedo 1 jer bi potpuno odbijalo

Sunčevo zračenje, a potpuno crno tijelo imalo bi albedo 0. Najčešće se koristi

koeficijent refleksije travnate površine koji iznosi 0,2.

Za potrebe simulacije korišteni su fotonaponski moduli Solaris, nazivne snage

125 W i nazivnog napona 12 V. Iako ova stavka nije bitna pri energetskom

izračunu, predstavlja bitnu varijablu pri izračunu investicijskih troškova. U

investicijske troškove ubrajamo i MPPT regulator napona, te kutni krovni nosač

modula. Tablica 3.

U troškove održavanja treba uključiti i trošak zamjene MPPT regulatora napona

čiji je radni vijek 15 godina, dok je životni vijek cijelog sustava 25 godina (dakle

400 $ kroz 25 godina, tj. 16 $/god).

Projektni zadatak

56

Tablica 3. Investicijski troškovi fotonaponskog sustava [30]

Fotonaponski sustav Pn=500W

Jedinična cijena

[kn/kom] Komada

Investicijski troškovi

Troškovi rada i

održavanja

[kn] [$] [$/god]

Solarni modul Solaris 125 W 5060 4 20240 4395 0

Regulator napona BZ 500 W 12-48 V LCD MPPT

1840 1 1840 400 16

Kutni krovni nosač 350 4 1400 305 0

Ukupno: 23480 5100 400

7.2.3. Definiranje parametara pretvarača

Svaki sustav koji koristi izmjenične (AC) i istosmjerne (DC) komponente

zahtjeva pretvarač. Potrebno je odrediti nazivnu snagu pretvarača (u kW),

investicijske troškove (u $), troškove zamjene (u $), te troškove rada i održavanja

(u $/god). Prema smjeru pretvorbe energije pretvarači se dijele na izmjenjivače i

ispravaljače.

Osnovne postavke pretvarača se definiraju klikom na ikonu „Converter“ (

) u prozoru „Converter inputs“.

Izmjenjivač („Inverter“) – pretvara istosmjernu komponentu u izmjeničnu.

Potrebni podaci:

• Životni vijek („Lifetime“) – očekivano vrijeme rada izmjenjivača je 15

godina.

• Efikasnost („Efficiency“) – efikasnost pretvorbe istosmjerno u izmjenično

(u %)

• Izmjenjivač radi istovremeno s AC generatorom – potrebno je staviti

kvačicu, tj. uključiti opciju.

Projektni zadatak

57

Ispravljač („Rectifier“) – pretvara izmjeničnu komponentu u istosmjernu.

Potrebni podaci:

• Snaga povezana s izmjenjivačem („Capacity relative to inverter“) –

nazivna snaga ispravljača u odnosu na izmjenjivač (u %)

• Efikasnost („Efficiency“) – efikasnost pretvorbe izmjenično u istosmjerno

U projektu su korišteni pretvarači dostupni na hrvatskom tržištu.

Efikasnost pretvorbe je 94%, a životni vijek im je 15 godina.

Slika 32. „Converter inputs“ prozor

Tablica 4. Troškovi investicije, rada i održavanja pretvarača [30]

Nazivna snaga [W] Investicijski

troškovi Troškovi zamjene [$]

Troškovi rada i održavanja [$/god]

[$] [kn] 500 185 850 185 0

Projektni zadatak

58

7.2.4. Definiranje troškova projekta Homer može računati troškove sa unesenim podacima (npr. godišnja kamatna

stopa, životni vijek cijelog sustava, fiksni troškovi, penali zbog nemogućnosti

proizvodnje) za svaki sustav posebno.

Ove parametre unosimo klikom na ikonu „Economics“ ( ) u

„Economic inputs“ prozoru.

• Realna kamatna stopa („Annual real interest rate“) – kamatna stopa

korigirana za inflaciju. Koristi se za svođenje troškova investicije na

godišnje vrijednosti. U projektu koristimo realnu kamatnu stopu od 5%.

• Životni vijek projekta („Project lifetime“) – vremensko razdoblje, tj. broj

godina rada sustava. Kao životni vijek projekta pretpostavljen je životni

vijek fotonaponskih modula od 25 godina.

• Početni investicijski trošak („System fixed capital cost“) – trošak na

početku projekta, bez obzira na veličinu sustava. U našem slučaju to

iznosi 1300 $. U tu vrijednost uključeno je postavljanje fotonaponskog

sustava, spajanje komponenti, materijal i dr.

• Troškovi rada i održavanja („System fixed O&M cost“) – ovi troškovi su

godišnji troškovi koji se ponavljaju svake godine i malo ovise o veličini

sustava. U projektu ovi troškovi iznose 10 $/god.

Slika 33. Prikaz troškova projekta

Projektni zadatak

59

7.2.5. Definiranje podataka o intenzitetu Sunčeva zračenja

Podaci o intenzitetu Sunčevog zračenja potrebni su za proračun proizvodnje

električne energije fotonaponske mreže. Klikom na ikonu „Solar resource“ (

) otvaramo prozor „Solar resource inputs“ u kojem definiramo

podatke o intenzitetu Sunčeva zračenja (slika).

Dva su načina unošenja podataka u program. HOMER može podatke dohvatiti

automatski putem interneta iz „NASA – surface meteorology and solar energy“

baze podataka, dovoljno je upisati samo zemljopisnu širinu i dužinu željene

lokacije, te vremensku zonu. Drugi način je ručno unošenje podataka za ukupno

(globalno) Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu i indeks prozirnosti.

Slika 34. Primjer podataka za grad Zagreb

Projektni zadatak

60

Ukupno (globalno) Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu („Global horizontal radiation“) predstavlja najvažniju varijablu pri solarnim proračunima.

Ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu je mjera intenziteta Sunčevog

zračenja na površini Zemlje. Po definiciji, ukupno Sunčevo zračenje je zbroj

doprinosa direktnog (ekstraterestičkog) zračenja, raspršenog (atmosferskog)

zračenja i odbijenog (reflektiranog) zračenja sa površine Zemlje. Najveći doprinos

globalnom zračenju na horizontalnu plohu daje direktno zračenje Sunca koje je

najizraženije za vrijeme „bistrog neba“, odnostno lijepog vremena. Indikator

izrazito dobrog direktnog Sunčevog zračenja je pojava sjene.

Slika 35. Srednja godišnja ukupna ozračenost vodoravne plohe [1]

Projektni zadatak

61

Mjera ukupnog (globalnog) Sunčevog zračenja ukoliko se radi o trenutnom

izntenzitetu zračenja je W/m2. Mjera koja se najčešće koristi je srednja dnevna

vrijednost izražena u kWh/m2 dnevno, što znači da je vrijednost globalno

Sunčevog zračenja na horizontalnu plohu mjerena (izračunata) kroz određeni

vremenski period (1 h) na određenoj površini plohe (1m2) te je predstavljena kao

aritmetička sredina srednjih dnevnih vrijednosti za pojedini mjesec.

Slika 36. Godišnji prikaz globalnog Sunčevog zračenja za grad Zagreb

Indeks prozirnosti („Clearness index“) predstavlja mjeru bistrine atmosfere.

Definiran je kao omjer ukupnog Sunčevog zračenja i ekstraterestičkog zračenja, a

proračunava se za satne, dnevne ili mjesečne vrijednosti. Indeks prozirnosti je

bezdimenzionalan broj, po vrijednosti između 0 i 1. Pri lijepom, sunčanom

vremenu indeks prozirnosti ima visoku vrijednost, dok pri oblačnom vremenu ima

nisku vrijednost. Tipične vrijednosti su između 0.25 i 0.75. Za potrebe simulacije

dovoljno je unijeti globalno zračenje na okomitu plohu ili indeks prozirnosti za

željenu lokaciju, a HOMER proračunava varijablu koja nije unesena pomoću

zemljopisne širine. [31]

ZAGREB

62

8. ZAGREB

8.1. Zagreb 1: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka NASA

Podatke potrebne za proračun HOMER automatski preuzima s interneta iz

„NASA – surface meteorology and solar energy database“. Mi samo upisujemo

zemljopisnu širinu i dužinu na kojoj se nalazi grad zagreb, te vremensku zonu.

Tablica 5. Podaci koje je potrebno upisati

Zagreb Zemljopisna širina 45 48' Zemljopisna dužina 15 57 ' Vremenska zona GMT +01:00

Tablica 6. Podaci koje HOMER automatski preuzima s interneta (Zagreb)

Zagreb Zemljopisna širina: 45 48' ; Zemljopisna dužina: 15 57 '

Mjesec Indeks prozirnosti

Globalno sunčevo zračenje na

horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]

Optimalni godišnji kut [°]

Siječanj 0.437 1.420

45.8°

Veljača 0.496 2.330 Ožujak 0.502 3.440 Travanj 0.456 4.170 Svibanj 0.494 5.360 Lipanj 0.498 5.770 Srpanj 0.537 6.010

Kolovoz 0.534 5.210 Rujan 0.482 3.670

Listopad 0.423 2.250 Studeni 0.393 1.400 Prosinac 0.407 1.150

Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.

ZAGREB

63

Slika 37. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, NASA)

Slika 38. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, NASA)

ZAGREB

64

8.2. Zagreb 2: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka RETScreen

Podatke potrebne za proračun uzimamo iz RETScreen-a i unosimo u HOMER.

(Slika 40.)

Slika 39. Podaci za grad Zagreb (RETScreen)

ZAGREB

65

Slika 40. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, RETScreen)

Slika 40. prikazuje procijenjene vrijednosti za indeks prozirnosti na temelju

podataka za ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu. Dakle, dovoljno je u

HOMER unijeti podatke za ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu

dobivene iz RETScreen-a, te on onda računa vrijednosti indeksa prozirnosti.

U RETScreen-u ne postoji podatak za optimalni godišnji kut, već samo naputak

da je kut koji daje godišnji maksimum jednak zemljopisnoj širini. On iznosi 45.8°.

Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.

ZAGREB

66

Slika 41. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, RETScreen)

Slika 42. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, RETScreen)

ZAGREB

67

8.3. Zagreb 3: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka PVGIS

Podatke potrebne za proračun uzimamo iz PV GIS-a i unosimo u HOMER.

(Slika 44.)

Slika 43. Podaci za grad Zagreb (PV GIS)

ZAGREB

68

Slika 44. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, PV GIS)

HOMER, na temelju podataka za ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu

plohu iz PV GIS-a, računa vrijednosti indeksa prozirnosti. Budući da nam PV GIS

daje vrijednost za optimalni kut, koristimo taj podatak a ne onaj koji HOMER

automatski računa. Godišnji optimalni kut iznosi 33°.

Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.

ZAGREB

69

Slika 45. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, PV GIS)

Slika 46. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, PV GIS)

ZAGREB

70

8.4. Zagreb 4: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka DHMZ

Podatke potrebne za proračun unosimo u HOMER. Posebno valja naglasiti

veliku razliku optimalnog godišnjeg kuta u odnosu na ostale izvore podataka.

Tablica 7. Ulazni podaci (ZG, DHMZ)

Zagreb Zemljopisna širina: 45 49 ' ; Zemljopisna dužina: 15 59 '

Mjesec Indeks prozirnosti

Globalno sunčevo zračenje na

horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]

Optimalni godišnji kut [°]

Siječanj 0.299 0.970

24.16°

Veljača 0.347 1.630 Ožujak 0.431 2.950 Travanj 0.461 4.220 Svibanj 0.489 5.310 Lipanj 0.502 5.820 Srpanj 0.537 6.010

Kolovoz 0.515 5.030 Rujan 0.512 3.900

Listopad 0.436 2.320 Studeni 0.326 1.160 Prosinac 0.131 0.730

ZAGREB

71

Slika 47. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, DHMZ)

Kako je opisano i u prethodnim poglavljima, HOMER računa indekse prozirnosti

na temelju unesenih podataka za globalno Sunčevo zračenje na horizontalnu

plohu. Izvor podataka je u ovom slučaju „Zdeslav Matić – Sunčevo zračenje na

području Republike Hrvatske, Priručnik za energetsko korištenje Sunčevog

zračenja“ (DHMZ). Također koristimo i podatak za optimalni godišnji kut.

Vrijednost optimalnog godišnjeg kuta iznosi 24.16° .

ZAGREB

72

Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.

Slika 48. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, DHMZ)

Slika 49. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, DHMZ)

ZAGREB

73

8.5. Usporedba rezultata za grad Zagreb Tablica 8. Usporedba rezultata (Zagreb)

Izvor podataka Mjesec Indeks

prozirnosti

Ukupno zračenje na horizontalnu

plohu [kWh/m2]

Godišnji optimalni

kut [°]

Relativna razlika ozračenosti u

odnosu na DHMZ [kWh/m2]

Relativna razlika

ozračenosti u odnosu na DHMZ [%]

1. NASA

Siječanj 0,437 1,420

45.8

+0,45 +46 Veljača 0,496 2,330 +0,70 +43 Ožujak 0,502 3,440 +0,49 +17 Travanj 0,456 4,170 -0,05 -1 Svibanj 0,494 5,360 +0,05 +1 Lipanj 0,498 5,770 -0,05 -1 Srpanj 0,537 6,010 0 0

Kolovoz 0,534 5,210 +0,18 +4 Rujan 0,482 3,670 -0,23 -6

Listopad 0,423 2,250 -0,07 -3 Studeni 0,393 1,400 +0,24 +21 Prosinac 0,407 1,150 +0,42 +57

2. RETScreen

Siječanj 0,280 0,940

45.8

-0,03 -3 Veljača 0,366 1,760 +0,13 +8 Ožujak 0,408 2,830 -0,12 -4 Travanj 0,453 4,170 -0,05 -1 Svibanj 0,498 5,420 +0,11 +2 Lipanj 0,485 5,620 -0,2 -3 Srpanj 0,528 5,920 -0,09 -1

Kolovoz 0,497 4,880 -0,15 -3 Rujan 0,487 3,750 -0,15 -4

Listopad 0,442 2,400 +0,08 +3 Studeni 0,334 1,230 +0,07 +6 Prosinac 0,265 0,780 +0,05 +7

3. PV GIS

Siječanj 0,360 1,170

33

+0,2 +21 Veljača 0,407 1,910 +0,28 +17 Ožujak 0,418 2,860 -0,09 -3 Travanj 0,438 4,010 -0,21 -5 Svibanj 0,463 5,030 -0,28 -5 Lipanj 0,459 5,320 -0,5 -9 Srpanj 0,506 5,670 -0,34 -6

Kolovoz 0,502 4,900 -0,13 -3 Rujan 0,487 3,710 -0,19 -5

Listopad 0,423 2,250 -0,07 -3 Studeni 0,337 1,200 +0,04 +3 Prosinac 0,297 0,839 +0,11 +15

4. DHMZ

Siječanj 0,299 0,970

24.16

0 0 Veljača 0,347 1,630 0 0 Ožujak 0,431 2,950 0 0 Travanj 0,461 4,220 0 0 Svibanj 0,489 5,310 0 0 Lipanj 0,502 5,820 0 0 Srpanj 0,537 6,010 0 0

Kolovoz 0,515 5,030 0 0 Rujan 0,512 3,900 0 0

Listopad 0,436 2,320 0 0 Studeni 0,326 1,160 0 0 Prosinac 0,259 0,730 0 0

Usporedba ulaznih podataka:

ZAGREB

74

Slika 50. Usporedba indeksa prozirnosti (Zagreb)

Slika 51. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Zagreb)

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

inde

ks p

rozi

rnos

ti

mjeseci u godini

Usporedba indeksa prozirnosti

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Uku

pno

zrač

enje

na

horiz

onta

lnu

ploh

u [k

Wh/

m2

dnev

no]

mjeseci u godini

Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u kWh/m2)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

ZAGREB

75

Slika 52. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Zagreb)

Iz grafova vidimo da su najveće razlike u odnosu na DHMZ, koji smo uzeli kao

referencu, kod NASA podatka, a najmanje kod RETScreen podataka.

Tablica 9. Usporedba proizvodnje električne energije (Zagreb)

-15

-5

5

15

25

35

45

55

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Uku

pno

zrač

enje

na

horiz

onta

lnu

ploh

u [%

]

mjeseci u godini

Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u postocima)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

ZAGREB

76

Izvor podataka Mjesec

Mjesečna proizvodnja

[kWh]

Godišnja proizvodnja

[kWh]

Relativna razlika mjesečne proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]

Relativna razlika godišnje proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]

1. NASA

Siječanj 41

671

+115

+11

Veljača 50 +85 Ožujak 64 +28 Travanj 59 -3 Svibanj 69 -7 Lipanj 68 0 Srpanj 75 -1

Kolovoz 73 +3 Rujan 60 -3

Listopad 43 +5 Studeni 34 +48 Prosinac 33 +154

2. RETScreen

Siječanj 21

593

+11

-2

Veljača 33 +18 Ožujak 50 0 Travanj 59 -3 Svibanj 70 -5 Lipanj 66 -13 Srpanj 74 -10

Kolovoz 68 -7 Rujan 61 -2

Listopad 47 +15 Studeni 28 +22 Prosinac 16 +23

3. PV GIS

Siječanj 28

603

+47

0

Veljača 36 +33 Ožujak 50 0 Travanj 58 -5 Svibanj 69 -7 Lipanj 68 -11 Srpanj 76 -7

Kolovoz 71 -3 Rujan 61 -2

Listopad 42 +2 Studeni 26 +13 Prosinac 18 +38

4. DHMZ

Siječanj 19

603

0

0

Veljača 27 0 Ožujak 50 0 Travanj 61 0 Svibanj 74 0 Lipanj 76 0 Srpanj 82 0

Kolovoz 73 0 Rujan 62 0

Listopad 41 0 Studeni 23 0 Prosinac 13 0

ZAGREB

77

Slika 53. Mjesečna proizvodnja električne energije (Zagreb)

Slika 54. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Zagreb)

10

20

30

40

50

60

70

80

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mje

sečn

a pr

oizv

odnj

a [k

Wh]

mjeseci u godini

Mjesečna proizvodnja električne energije

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mje

sečn

a pr

oizv

odnj

a [%

]

mjeseci u godini

Mjesečna razlika proizvodnje električne energije u odnosu na DHMZ (u postocima)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

ZAGREB

78

Slika 55. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima

prema DHMZ proračunu (Zagreb)

Najveću godišnju proizvodnju dobivamo koristeći NASA-ine podatke što je i

očekivano jer oni najviše odstupaju od reference (DHMZ).

+11%

-2%

0% 0%

540

560

580

600

620

640

660

680G

odiš

nja

proi

zvod

nja

[kW

h]

Godišnja proizvodnja električne energije

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SENJ

79

9. SENJ

9.1. Senj 1: Lokacija grad Senj, izvor podataka NASA

Podatke potrebne za proračun HOMER direktno peuzima on-line preko

Interneta iz NASA-ine baze podataka.

Slika 56. Ulazni podaci (SENJ, NASA)

Optimalni kut: 45°

SENJ

80

9.2. Senj 2: Lokacija grad Senj, izvor podataka RETScreen

Slika 57. Ulazni podaci (SENJ, RETScreen)

Optimalni kut: 45°

SENJ

81

9.3. Senj 3: Lokacija grad Senj, izvor podataka PV GIS

Slika 58. Ulazni podaci (SENJ, PV GIS)

Optimalni kut: 35°

SENJ

82

9.4. Senj 4: Lokacija grad Senj, izvor podataka DHMZ

Tablica 10. Ulazni podaci (SENJ, DHMZ)

Senj Zemljopisna širina: 44 59 ' ; Zemljopisna dužina: 14 54 '

Mjesec Indeks prozirnosti

Globalno sunčevo zračenje na

horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]

Optimalni godišnji kut [°]

Siječanj 0.379 1.290

27.98°

Veljača 0.470 2.280 Ožujak 0.481 3.360 Travanj 0.509 4.700 Svibanj 0.525 5.720 Lipanj 0.543 6.290 Srpanj 0.576 6.460

Kolovoz 0.550 5.410 Rujan 0.542 4.190

Listopad 0.505 2.760 Studeni 0.381 1.420 Prosinac 0.355 1.060

Optimalni kut: 27.98°

SENJ

83

9.5. Usporedba rezultata za grad Senj Tablica 11. Usporedba rezultata (Senj)

Izvor podataka Mjesec Indeks

prozirnosti

Ukupno zračenje na horizontalnu

plohu [kWh/m2]

Godišnji optimalni

kut [°]

Relativna razlika ozračenosti u

odnosu na DHMZ [kWh/m2]

Relativna razlika

ozračenosti u odnosu na DHMZ [%]

1. NASA

Siječanj 0,420 1,42

45

+0,13 +10 Veljača 0,483 2,33 +0,05 +2 Ožujak 0,494 3,44 +0,08 +2 Travanj 0,452 4,17 -0,53 -11 Svibanj 0,493 5,36 -0,36 -6 Lipanj 0,498 5,77 -0,52 -8 Srpanj 0,536 6,01 -0,45 -7

Kolovoz 0,531 5,21 -0,20 -4 Rujan 0,476 3,67 -0,52 -12

Listopad 0,413 2,25 -0,51 -18 Studeni 0,378 1,40 -0,02 -1 Prosinac 0,388 1,15 +0,09 +8

2. RETScreen

Siječanj 0,467 1,59

45

+0,30 +23 Veljača 0,528 2,56 +0,28 +12 Ožujak 0,563 3,93 +0,57 +17 Travanj 0,556 5,13 +0,43 +9 Svibanj 0,593 6,46 +0,74 +13 Lipanj 0,615 7,13 +0,84 +13 Srpanj 0,656 7,36 +0,90 +14

Kolovoz 0,645 6,34 +0,93 +17 Rujan 0,605 4,68 +0,49 +12

Listopad 0,538 2,94 +0,18 +7 Studeni 0,432 1,61 +0,19 +13 Prosinac 0,429 1,28 +0,22 +21

3. PV GIS

Siječanj 0,405 1,38

35

+0,09 +7 Veljača 0,439 2,13 -0,15 -7 Ožujak 0,473 3,30 -0,06 -2 Travanj 0,481 4,44 -0,26 -6 Svibanj 0,499 5,43 -0,29 -5 Lipanj 0,539 6,25 -0,04 -1 Srpanj 0,580 6,51 +0,05 +1

Kolovoz 0,577 5,67 +0,26 +5 Rujan 0,546 4,22 +0,03 +1

Listopad 0,475 2,60 -0,16 -6 Studeni 0,406 1,51 +0,09 +6 Prosinac 0,355 1,06 0 0

4. DHMZ

Siječanj 0,379 1,29

27.98

0 0 Veljača 0,470 2,28 0 0 Ožujak 0,481 3,36 0 0 Travanj 0,509 4,70 0 0 Svibanj 0,525 5,72 0 0 Lipanj 0,543 6,29 0 0 Srpanj 0,576 6,46 0 0

Kolovoz 0,550 5,41 0 0 Rujan 0,542 4,19 0 0

Listopad 0,505 2,76 0 0 Studeni 0,381 1,42 0 0 Prosinac 0,355 1,06 0 0

Usporedba ulaznih podataka:

SENJ

84

Slika 59. Usporedba indeksa prozirnosti (Senj)

Slika 60. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Senj)

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

inde

ks p

rozi

rnos

ti

mjeseci u godini

Usporedba indeksa prozirnosti

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Uku

pno

zrač

enje

na

horiz

onta

lnu

ploh

u [k

Wh/

m2

dnev

no]

mjeseci u godini

Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u kWh/m2)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SENJ

85

Slika 61. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Senj)

Tablica 12. Usporedba proizvodnje električne energije (Senj)

Izvor Mjesec Mjesečna Godišnja Relativna razlika Relativna razlika

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Uku

pno

zrač

enje

na

horiz

onta

lnu

ploh

u [%

]

mjeseci u godini

Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u postocima)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SENJ

86

podataka proizvodnja [kWh]

proizvodnja [kWh]

mjesečne proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]

godišnje proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]

1. NASA

Siječanj 39

661

+30

-6

Veljača 48 +14 Ožujak 63 +7 Travanj 59 -14 Svibanj 69 -13 Lipanj 68 -16 Srpanj 75 -15

Kolovoz 73 -8 Rujan 59 -13

Listopad 42 -19 Studeni 33 +10 Prosinac 32 +33

2. RETScreen

Siječanj 45

814

+50

+16

Veljača 55 +31 Ožujak 75 +27 Travanj 74 +7 Svibanj 84 +6 Lipanj 84 +4 Srpanj 92 +5

Kolovoz 90 +14 Rujan 79 +16

Listopad 61 +17 Studeni 39 +30 Prosinac 37 +54

3. PV GIS

Siječanj 35

700

+17

0

Veljača 41 -2 Ožujak 59 0 Travanj 64 -7 Svibanj 74 -6 Lipanj 79 -2 Srpanj 86 -2

Kolovoz 82 +4 Rujan 70 +3

Listopad 50 -4 Studeni 34 +13 Prosinac 25 +4

4. DHMZ

Siječanj 30

701

0

0

Veljača 42 0 Ožujak 59 0 Travanj 69 0 Svibanj 79 0 Lipanj 81 0 Srpanj 88 0

Kolovoz 79 0 Rujan 68 0

Listopad 52 0 Studeni 30 0 Prosinac 24 0

SENJ

87

Slika 62. Mjesečna proizvodnja električne energije (Senj)

Slika 63. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Senj)

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mje

sečn

a pr

oizv

odnj

a [k

Wh]

mjeseci u godini

Mjesečna proizvodnja električne energije

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mje

sečn

a pr

oizv

odnj

a [%

]

mjeseci u godini

Mjesečna razlika proizvodnje električne energije u odnosu na DHMZ (u postocima)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SENJ

88

Slika 64. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema DHMZ proračunu (Senj)

Najveću proizvodnju električne energije dobivamo koristeći RETScreen

podatke, a najmanju koristeći NASA podatke.

-6%

+16%

0% 0%

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900G

odiš

nja

proi

zvod

nja

[kW

h]

Godišnja proizvodnja električne energije

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SPLIT

89

10. SPLIT

10.1. Split 1: Lokacija grad Split, izvor podataka NASA

Slika 65. Ulazni podaci (ST, NASA)

Optimalni kut: 43.5°

SPLIT

90

10.2. Split 2: Lokacija grad Split, izvor podataka RETSCreen

Slika 66. Ulazni podaci (ST, RETScreen)

Optimalni kut: 43.5°

SPLIT

91

10.3. Split 3: Lokacija grad Split, izvor podataka PV GIS

Slika 67. Ulazni podaci (ST, PVGIS)

Optimalni kut: 36°

SPLIT

92

10.4. Split 4: Lokacija grad Split, izvor podataka DHMZ

Tablica 13. Ulazni podaci (ST, DHMZ)

Split Zemljopisna širina: 43 31' ; Zemljopisna dužina: 16 26 '

Mjesec Indeks prozirnosti

Globalno sunčevo zračenje na

horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]

Optimalni godišnji kut [°]

Siječanj 0.470 1.710

30.6°

Veljača 0.523 2.650 Ožujak 0.530 3.800 Travanj 0.527 4.930 Svibanj 0.555 6.070 Lipanj 0.598 6.940 Srpanj 0.619 6.960

Kolovoz 0.601 5.960 Rujan 0.588 4.640

Listopad 0.583 3.310 Studeni 0.486 1.920 Prosinac 0.448 1.440

Optimalni kut: 30.6°

SPLIT

93

10.5. Usporedba rezultata za grad Split Tablica 14. Usporedba rezultata (Split)

Izvor podataka Mjesec Indeks

prozirnosti

Ukupno zračenje na horizontalnu

plohu [kWh/m2]

Godišnji optimalni

kut [°]

Relativna razlika ozračenosti u

odnosu na DHMZ [kWh/m2]

Relativna razlika

ozračenosti u odnosu na DHMZ [%]

1. NASA

Siječanj 0,478 1,740

43.5

+0,03 +2 Veljača 0,515 2,610 -0,04 -2 Ožujak 0,539 3,860 +0,06 +2 Travanj 0,510 4,770 -0,16 -3 Svibanj 0,550 6,010 -0,06 -1 Lipanj 0,591 6,850 -0,09 -1 Srpanj 0,630 7,080 +0,12 +2

Kolovoz 0,610 6,050 +0,09 +2 Rujan 0,574 4,530 -0,11 -2

Listopad 0,500 2,840 -0,47 -14 Studeni 0,440 1,740 -0,18 -9 Prosinac 0,442 1,420 -0,02 -1

2. RETScreen

Siječanj 0,522 1,900

43.5

+0,19 +11 Veljača 0,532 2,700 +0,05 +2 Ožujak 0,564 4,040 +0,24 +6 Travanj 0,562 5,250 +0,32 +6 Svibanj 0,607 6,640 +0,57 +9 Lipanj 0,630 7,310 +0,37 +5 Srpanj 0,639 7,190 +0,23 +3

Kolovoz 0,642 6,370 +0,41 +7 Rujan 0,624 4,930 +0,29 +6

Listopad 0,632 3,590 +0,28 +8 Studeni 0,544 2,150 +0,23 +12 Prosinac 0,510 1,640 +0,20 +14

3. PV GIS

Siječanj 0,456 1,660

36

-0,05 -3 Veljača 0,477 2,420 -0,23 -9 Ožujak 0,525 3,760 -0,04 -1 Travanj 0,539 5,040 +0,11 +2 Svibanj 0,559 6,110 +0,04 +1 Lipanj 0,585 6,780 -0,16 -2 Srpanj 0,643 7,230 +0,27 +4

Kolovoz 0,630 6,250 +0,29 +5 Rujan 0,611 4,820 +0,18 +4

Listopad 0,547 3,110 -0,20 -6 Studeni 0,460 1,820 -0,10 -5 Prosinac 0,426 1,370 -0,07 -5

4. DHMZ

Siječanj 0,470 1,710

30.6

0 0 Veljača 0,523 2,650 0 0 Ožujak 0,530 3,800 0 0 Travanj 0,527 4,930 0 0 Svibanj 0,555 6,070 0 0 Lipanj 0,598 6,940 0 0 Srpanj 0,619 6,960 0 0

Kolovoz 0,601 5,960 0 0 Rujan 0,588 4,640 0 0

Listopad 0,583 3,310 0 0 Studeni 0,486 1,920 0 0 Prosinac 0,448 1,440 0 0

Usporedba ulaznih podataka:

SPLIT

94

Slika 68. Usporedba indeksa prozirnosti (Split)

Slika 69. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Split)

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

inde

ks p

rozi

rnos

ti

mjeseci u godini

Usporedba indeksa prozirnosti

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Uku

pno

zrač

enje

na

horiz

onta

lnu

ploh

u [k

Wh/

m2

dnev

no]

mjeseci u godini

Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u kWh/m2)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SPLIT

95

Slika 70. Relativna razlika ozračenosti ( u %) (Split)

Tablica 15. Usporedba proizvodnje električne energije (Split)

Izvor podataka Mjesec

Mjesečna proizvodnja

[kWh]

Godišnja proizvodnja

[kWh]

Relativna razlika mjesečne proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]

Relativna razlika godišnje proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]

-15

-10

-5

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Uku

pno

zrač

enje

na

horiz

onta

lnu

ploh

u [%

]

mjeseci u godini

Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u postocima)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SPLIT

96

1. NASA

Siječanj 47

781

+40

-3

Veljača 53 +16 Ožujak 71 +14 Travanj 68 -1 Svibanj 78 -4 Lipanj 80 -5 Srpanj 88 0

Kolovoz 85 +5 Rujan 74 +10

Listopad 56 +7 Studeni 41 +16 Prosinac 40 +32

2. RETScreen

Siječanj 53

873

+40

9

Veljača 56 +16 Ožujak 75 +14 Travanj 76 -1 Svibanj 86 -4 Lipanj 85 -5 Srpanj 90 0

Kolovoz 90 +5 Rujan 82 +10

Listopad 78 +7 Studeni 54 +16 Prosinac 49 +32

3. PV GIS

Siječanj 42

800

-10

0

Veljača 47 -9 Ožujak 68 -3 Travanj 74 -11 Svibanj 82 -12 Lipanj 84 -3 Srpanj 95 0

Kolovoz 90 +2 Rujan 80 +4

Listopad 62 -6 Studeni 41 +16 Prosinac 36 +8

4. DHMZ

Siječanj 42

802

0

0

Veljača 50 0 Ožujak 68 0 Travanj 72 0 Svibanj 83 0 Lipanj 88 0 Srpanj 93 0

Kolovoz 87 0 Rujan 76 0

Listopad 65 0 Studeni 42 0 Prosinac 36 0

SPLIT

97

Slika 71. Mjesečna proizvodnja električne energije (Split)

Slika 72. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Split)

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mje

sečn

a pr

oizv

odnj

a [k

Wh]

mjeseci u godini

Mjesečna proizvodnja električne energije

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

-20

-10

0

10

20

30

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mje

sečn

a pr

oizv

odnj

a [%

]

mjeseci u godini

Mjesečna razlika proizvodnje električne energije u odnosu na DHMZ (u postocima)

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

SPLIT

98

Slika 73. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema DHMZ proračunu (Split)

Za Split najveću proizvodnju el. energije dobivamo koristeći RETScreen

podatke, a najmanju koristeći NASA podatke.

-3%

+9%

0% 0%

720

740

760

780

800

820

840

860

880G

odiš

nja

proi

zvod

nja

[kW

h]

Godišnja proizvodnja električne energije

NASA

RETScreen

PV Gis

DHMZ

Zaključak

99

11. Zaključak Pri projektiranju fotonaponskog sustava projektant se susreće sa mnogim

nesigurnostima. Jedna od njih je i podatak o Sunčevom zračenju za odabranu lokaciju. U ovom radu promatrane su tri lokacije u Republici Hrvatskoj. To su: grad Zagreb, grad Senj i grad Split. Za svaku od te tri lokacije korišteni su podaci o Sunčevom zračenju iz četiri različita izvora. Budući da su podaci različiti za svaki izvor i svaku lokaciju, nameće se nekoliko pitanja – koji izvor podataka je najpouzdaniji? Koji podaci predviđaju najveću proizvodnju električne energije a koji najmanju, te kolika je uopće ta razlika? Ova analiza daje odgovore na ta pitanja, a do njih dolazimo pomoću računalnog simulacijskog programa HOMER u kojem je provedena energetsko-ekonomska analiza za sve lokacije i sve izvore podataka. Fotonaponski sustav vršne snage 500 W je u svim slučajevima isti kako bi što lakše uočili utjecaj različitosti podataka o Sunčevom zračenju i optimalnom kutu nagiba na proizvedenu električnu energiju.

Za grad Zagreb najveće oscilacije ulaznih podatka u odnosu na referentni izvor (DHMZ) su za NASA podatke, a to se direktno odražava i na godišnju proizvodnju električne energije. Tako je za NASA podatke izračunata čak 11% veća proizvodnja el. en. u odnosu na referencu, a to nikako nije zanemarivo.

Za grad Senj najveće oscilacije ulaznih podataka u odnosu na DHMZ su za NASA i RETScreen podatke. Zbog toga NASA podaci daju 6% manju, a RETScreen čak 16% ili 113 kWh veću godišnju proizvodnju el. en. u odnosu na referentni izvor podataka. Zanimljivo je primjetiti da i PVGIS ulazni podaci također osciliraju (iako u manjoj mjeri), a daju gotovo identičnu godišnju proizvodnju električne energije.

Za grad Split, slično kao i u prethodnom primjeru, od reference najviše odstupaju NASA i RETScreen podaci. Proizvodnja el. en. za NASA podatke je 3% manja od reference, a za RETScreen podatke 9% veća. PVGIS podaci također odstupaju od reference, ali kao i u prethodnom primjeru, daju gotovo istu godišnju proizvodnju električne energije.

Iz dobivenih rezultata vidljivo je da u većini slučajeva ulazni podaci, a zbog toga i mjesečna i godišnja proizvodnja električne energije, osciliraju ovisno o izvoru podataka. Oscilacije su mnogo veće na mjesečnoj,ali prisutne su i na godišnjoj razini. To je iznimno važno za samostalne fotonaponske sustave, ali i za mrežu kada bi se ukupna instalirana snaga solarnih elektrana znatno povećala. Dakle, izvore podataka, tj. njihovu pouzdanost, itekako treba imati u vidu pri projektiranju sustava jer godišnja proizvodnja električne energije od +/-10ak posto može značiti razliku između isplativosti i neisplativosti sustava.

Literatura

100

12. Literatura 1. Matić, Zdeslav: „Sunčevo zračenje na području Republike Hrvatske –

Priručnik za energetsko korištenje Sunčevog zračenja“, Energetski institut Hrvoje Požar, Zagreb, 2007.

2. Betti, T: „Optimalni kut nagiba fotonaponskog panela“, diplomski rad, Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Split, 2001.

3. Energetski institut Hrvoje Požar: „Obnovljivi izvori energije“, s interneta, http://www.eihp.hr/hrvatski/e_obnovljivi.htm, lipanj 2008.

4. Kulišić, P; Vuletin, J; Zulim, I: „Sunčane ćelije“, Školska knjiga, Zagreb, 1994.

5. Izvori energije, s interneta, http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html, srpanj 2008.

6. Dnevnik.hr, s interneta, http://dnevnik.hr/vijesti/gospodarstvo/pocela-proizvodnja-tople-vode-preko-solarnih-kolektora.html, srpanj 2008.

7. Energetika.net, s interneta, http://www.energetika-net.hr/skola/oie/sunceva-energija/sunceva-energija-osnove, srpanj 2008.

8. Solar energy, s interneta, http://alterenergy.co.nz/pg5.html, srpanj 2008.

9. Solarpaces.org, s interneta, http://www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_tower.pdf, rujan 2008.

10. Moja energija, s interneta, http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/knjiznica/skola_energetike/15_sunceva_energija, srpanj 2008.

11. Wikipedia, s interneta, http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_%C4%87elija, srpanj 2008.

12. Bilić, Z: „Napajanje udaljenog stambenog objekta pomoću energije vjetra i sunčevog zračenja“, diplomski rad, Elektrotehnički fakultet Osijek, Osijek, 2006.

13. Cvrk, I: „Optimiranje korištenja solarne energije fotonaponskom pretvorbom“, diplomski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb, 2008.

14. Wikimedia, s interneta, http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:4inch_poly_solar_cell.jpg, srpanj 2008.

15. Nasa.gov, s interneta, http://sbir.nasa.gov/SBIR/successes/ss/206text.html, srpanj 2008.

Literatura

101

16. Powerlab, s interneta, http://powerlab.fsb.hr/OsnoveEnergetike/udzbenik/7_poglavlje/index.htm, srpanj 2008.

17. Deparsolar, s interneta, http://www.deparsolar.com/en_sayfa1.asp?id=412, srpanj 2008.

18. Photovoltaics.sandia.gov, s interneta, http://photovoltaics.sandia.gov/docs/PVFSCGallium_Arsenide_Solar_Cells.htm, srpanj 2008.

19. Lugarić, L: „Mrežni fotonaponski sustavi za kućanstva“, diplomski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb, 2007.

20. Energetika.net, s interneta, http://energetika-net.hr/skola/oie/sunceva-energija/fotonaponski-sustavi, srpanj 2008.

21. Prosolarco.com, s interneta, http://www.prosolarco.com/New_prosolar/solarbasicspvs.htm, srpanj 2008.

22. Farret, F; Godoy Simoes, M: „Integration of Alternative Sources of Energy“ – 15. poglavlje, IEEE, John Wiley & Sons, 2006.

23. „Solar Energy Technologies Program“ – podpoglavlje 4.1., U.S. DoE Energy Efficiency and Renewable Energy, 2004.

24. „NASA Surface meteorology and Solar Energy - A renewable energy resource web site“, s interneta, http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/, kolovoz 2008.

25. RETScreen International, s interneta, http://www.retscreen.net/ang/home.php, kolovoz 2008.

26. Photovoltaic geographical inforation system, s interneta, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/, kolovoz 2008.

27. Državni Hidrometeorološki Zavod, s interneta, http://meteo.hr/, kolovoz 2008.

28. HEP ODS - Tarifni modeli, s interneta, http://www.hep.hr/ods/kupci/tarifni.aspx, srpanj 2008.

29. Narodne novine: „Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije“, članak 4., s interneta, http://www.nn.hr/clanci/sluzbeno/2007/1082.htm, srpanj 2008.

30. Omnibus d.o.o.: „Cjenik solarne opreme“, s interneta, http://www.omnibus.hr/cjenik_solarne_opreme.htm, srpanj 2008.

31. „HOMER – Getting started guide (HOMER Help)“, s interneta, https://analysis.nrel.gov/homer/includes/downloads/HOMERGettingStarted210.pdf, kolovoz 2008.