Bibliografija

ZAVRNI RADPrvog ciklusa studija

TEHNO-EKONOMSKA ANALIZA SOLARNIH FOTO-NAPONSKIH SISTEMA

STUDENT

Midhat Bajri

MENTOR

dr.sci. Mirza Kuljugi

Tuzla, oktobar 2013. godineUNIVERZITET U TUZLIFAKULTET ELEKTROTEHNIKE

SaetakZbog sve veeg zagaenja okoline u kojoj ivimo, a isto tako i zbog smanjenja zaliha fosilnih goriva, javlja se potreba za proizvodnjom elektrine energije iz obnovljivih izvora. Sunce kao izvor sa najvie potencijala mogue je koristiti za proizvodnju elektrine energije i to uglavnom putem fotonaponskih panela, sainjenih od veeg broja fotonaponskih elija. Da bi se pristupilo projektovanju solarnog fotonaponskog sistema, jako je bitno poznavati sve komponente sistema kao i sistem u cjelini.

Cilj ovog rada je tehno-ekonomska analiza solarnih FN sistema, kako autonomnih tako i sistema povezanih na mreu. S tim u vezi, analizirani su sluajevi sistema povezanog na mreu sa udjelom beskamatnog kredita od 70% i sistema povezanog na mreu sa 100% vlastitim sredstvima. Analiza je raena na konkretnom primjeru objekta, firme PLASTOFLEX d.o.o. Graanica. Na osnovu Zakona o koritenju obnovljivih izvora energije i energetske kogeneracije i na osnovu predpostavki o feed in tarifi elektrine energije, investitor ovakvog solarnog FN sistema moe oekivati fer zaradu, to je detaljno objanjeno u radu.

Za analizu su koritena dva naina. Prvi, analitiki koji u obzir ne uzima sve ulazne podatke i koji je zbog toga dosta grublji. Drugi nain analize izvren je uz pomoc RETScreen softverskog paketa. Ovaj nain daje daleko tanije, jasnije i bre rezultate, te je samim time i pogodniji za primjenu.

Kljune rijei: fotonapon, elija, sistem, analiza

AbstractDue to the increasing pollution of the environment where we live, and also due to the reduction of fossil fuels, there is a need for the production of electricity from some renewable sources. The sun as the source with the highest potential can be used to produce electricity, mainly through photovoltaic panels, made up of a number of photovoltaic cells. To gain access to the design of a solar photovoltaic system, it is very important to know all the components of the system as a whole.

The aim of this work is a techno-economic analysis of solar PV systems, as well as autonomous systems connected to the network. In this respect, the cases of the system connected to a network with a share of interest-free loans of 70% were analysed as well as the system connected to a network with 100% own funds. The analysis was based on a concrete example of a facility, the company Plastoflex Ltd. Gracanica. On the basis of the use of renewable sources of energy and energy cogeneration as well as on the basis of assumptions about the feed in tariff of electricity, the investor of this solar PV system can expect a fair profit, which is explained in detail in this paper.

Two ways are used in this analysis. The first one, the analytical, does not consider all the input data, which makes it a lot more rough and indelicate. Another method of analysis was conducted by using RETScreen software package. This method gives a far more accurate, clearer and faster results, and, therefore, it is more suitable for the implementation.

Keywords: photovoltaics, cell, system, analysis

Sadraj1.0Uvod...1

2.0Suneva energije.....2

3.0Fotonaponska pretvorba.....7

3.1Fotonaponski efekat........7

3.2Predvianja EPIA-e........9

3.3Efikasnost FN elije........11

3.4Ekvivalentna ema FN elije......12

3.4.1Izlazni parametri FN elije.............13

3.4.2Zavisnost parametara FN elije od temperature............19

3.4.3Spektralna osjetljivost FN elije............21

3.5Graa FN elije.......22

3.6Nain izrade i tipovi FN elija........23

3.6.1FN elije izraene od monokristalnog silicija...........24

3.6.2FN elije izraene od polikristalnog silicija..........24

3.6.3FN elije izraene od amorfnog silicija.............24

3.7Modeli FN elija.....25

3.7.1Jednodiodni model FN elije.........25

3.7.2Dvodiodni model FN elije............26

3.7.3Trodiodni model FN elije.............27

3.8FN modul/panel......28

3.8.1Cijena FN panela...........31

4.0Projektovanje FN sistema...32

4.1Intenzitet sunca...........32

4.2Ugao sunca.........33

4.3Uticaj sjene.....34

4.4Radna temperatura..........36

4.5Usklaivanje optereenja........37

4.6Traenje sunca............38

4.7Prednosti FN sistema......38

4.8Fotonaponski sistemi u budunosti........39

4.9Trite FN ureaja......40

4.10Ostali elementi FN sistema.........41

4.10.1Baterija FN sistema..........41

4.10.2Izmjenjiva...........42

4.10.3Regulator punjenja...........43

4.11FN sistem........44

4.11.1Autonomni ili otoni FN sistem...........45

4.11.2Mreni FN system........47

4.11.3Osnovne razlike izmeu autonomnih i mrenih sistema..........49

4.12Postavljanje FN modula......50

4.13Montane konstrukcije........51

4.14Zatita od atmosferskih i induciranih prenapona........52

4.15Orijentacija i ugao nagiba modula......55

5.0Zakonska regulative...57

5.1Zakon o koritenju OIEiEK........60

5.2Pravilnik za izdavanje dozvola.......61

5.3Uredba o koritenju OEIiEK......63

5.4Pogodnosti za vlasnike mikro-postrojenja......64

5.5Garantovana cijena i naknade za OIEiEK......64

5.6Prikaz raspoloivih sredstava za poticaj u 2012 godini......65

5.7Odriva energetska politika u BiH......67

5.7.1Pregled odrivih energetskih politika u EU...........67

5.7.2Analiza sluaja za odrive energetske politike: Slovenija.............68

5.7.3Lekcija za BiH...........69

6.0Tehno-ekonomska analiza FN sistema...70

6.1Analiza trokova ulaganja u fotonaponsku opremu........70

6.2Isplativost projekta......71

6.3Izraun mogue proizvodnje elektrine energije iz budue SE na krovu objekta firme PLASTOFLEX d.o.o. Graanica................72

6.4Trokovi opreme i radova FN sistema........77

6.5Isplativost FN sistema na krovu objekta firme PLASTOFLEX.....78

6.6RETScree softverski paket......79

6.7Isplativost izgradnje FN elektrane na objektu PLASTOFLEX izraunata pomou RETScreen softverskog paketa.......81

6.8Rezultati analize......83

6.8.1Projektno finansiranje: 70% kredit + 30% vlastita sredstva..............84

6.8.2Projektno finansiranje: 100% vlastita sredstva..........87

7.0Zakljuak................................................................................................................................89

8.0Bibliografija...........................................................................................................................90

Popis slikaSlika 2.1Pregled potencijala OIE............................................................................................2

Slika 2.2Tehniki potencijal OIE............................................................................................3

Slika 2.3Slijed dogaaja prilikom prolaska suneve energije zraenja od vanjskog ruba Zemljine atmosfere do povrine Zemlje...................................................................4

Slika 2.4Scenario potronje energije do 2060. godine............................................................6

Slika 2.5Predvieni scenarij koritenja primarnom energijom 2100. godine.........................6

Slika 3.1Fotoelektrini efekat.................................................................................................7

Slika 3.2Instalirani FN kapaciteti u Europi zakljuno sa 2012 godinom................................9

Slika 3.3Struktura tipine FN elije........................................................................................12

Slika 3.4Ekvivalentna ema FN elije.....................................................................................12

Slika 3.5UI karakteristika osvjetljene i neosvjetljene FN elije.............................................13

Slika 3.6Uobiajeni prikaz UI karakteristike FN elije..........................................................14

Slika 3.7Zavisnost struje kratkog spoja od intenziteta zraenja..............................................15

Slika 3.8Uticaj otpornosti Rs na oblik UI karakteristike FN elije.........................................16

Slika 3.9Uticaj otpornosti Rp na oblik UI karakteristike FN elije.........................................16

Slika 3.10 Ovisnost strujno naponske karakteristike o jakosti suneva zraenja...................17

Slika 3.11Strujno naponska karakteristika fotonaponske elije.............................................17

Slika 3.12Snaga fotonaponske elije.........................................................................................18

Slika 3.13Promjena UI karakteristike FN elije od temperature..............................................19

Slika 3.14Zavisnost snage FN elije od temperature................................................................20

Slika 3.15Spektralna osjetljivost FN elije...............................................................................21

Slika 3.16Graa FN elije.........................................................................................................22

Slika 3.17Vrste FN elija...........................................................................................................a.) Monokristalni silicij b.) Polikristalni silicij c.) Amorfni silicij23

Slika 3.18Ekvivalentno kolo jednodiodnog modela FN elije i njen simbol............................26

Slika 3.19Dvodiodni model FN elije.......................................................................................26

Slika 3.20Trodiodni model FN elije........................................................................................27

Slika 3.21Presjek FN elije.......................................................................................................28

Slika 3.22Presjek FN panela.....................................................................................................29

Slika 3.23Promjena krivulje strujno-naponske karakteristike kombiniranjem razliitih spojeva fotonaponskih elija.....................................................................................30

Slika 3.24Cijena FN modula do 2013 godine i pretpostavka cijena do 2015 godine...............31

Slika 4.1Efikasnost FN modula u zavisnosti od intenziteta svjetlosti.....................................a) Prikazuje smanjenje sunevog intenziteta sa manjim opadanjem napona;b) Odnos izmeu stupnja djelovanja fotonaponske pretvorbe i sunevog zraenja (Stupanj djelovanja je gotovo konstantan u najveem podruju sunevog zraenja.)32

Slika 4.2Utjecaj stanja u atmosferi i naoblake na intenzitet Suneva zraenja tokom dana...33

Slika 4.3Krivulja Kelley kosinusa FN elije za sunev ugao od 0 do 90.............................33

Slika 4.4Uticaj zasjenjenja elije.............................................................................................a) Pojava sjene na dugakom dijelu niza.b) Snaga opada sve dok sjena ne nadmai kritino ogranienje.35

Slika 4.5Primjer modula od etiri elije s jednom loom elijom...........................................35

Slika 4.6Uticaj temperature na FN modul...............................................................................a) Uticaj temperature na I-U karakteristiku b) Utjecaj temperature na P-U karakteristiku36

Slika 4.7Radne take fotonaponske elije...............................................................................37

Slika 4.8Ovisnost efikasnosti izmjenjivaa o snazi troila......................................................42

Slika 4.9Strujno naponske prilike u sistemu sa MPPT............................................................43

Slika 4.10Izgled jednog FN sistema instaliranog na krovu kue..............................................44

Slika 4.11ema autonomnog FN sistema..................................................................................45

Slika 4.12Autonomni FN sistem...............................................................................................46

Slika 4.13ema mrenog fotonaponskog sistema.....................................................................48

Slika 4.14Mreni FN sistem......................................................................................................49

Slika 4.15Pravilno postavljanje FN modula..............................................................................50

Slika 4.16Montane izvedbe FN sistema..................................................................................a) postavljanje modula na nosivi stupb) postavljanje modula na konstrukciju montiranu na tlu52

Slika 4.17Zatita FN sistema uzemljenjem i odvodnicima prenapona......................................53

Slika 4.18FN sistem na kui sa gromobranskom instalacijom..................................................54

Slika 4.19Varijante zakreta konstrukcije ..................................................................................a) fiksna montaab) sezonsko (runo) zakretanje po elevaciji c) automatsko zakretanje u jednoj osi po azimutud) automatsko zakretanje u obje ose55

Slika 6.1Objekat firme PLASTOFLEX..................................................................................72

Slika 6.2Pozicioniranje FN panela na krovu objekta firme PLASTOFLEX..........................73

Slika 6.3Prosjena mjesena proizvodnja elektrine energije.................................................76

Slika 6.4Prosjena mjesena suma globalnog zraenja po kvadratnom metru.......................76

Slika 6.5Izgled RETScreen softverskog alata.........................................................................80

Popis tablicaTabela 1:Instalirani kapaciteti u Europi zakljuno sa 2012 godinom.....................................10

Tabela 2:Izraun otkupnih cijena elektrine energije iz solarnih elektrana prije usvajanja Zakona o koritenju OIEiEK...................................................................................58

Tabela 3:Otkupne cijene za FN elektrane u RS-u...................................................................59

Tabela 4:Tarifni kojeficijenti prije usvajanja Zakona o koritenja OIEiEK u FBiH..............63

Tabela 5:Sredstva prikupljena od strane Operatora u 2012 godini........................................65

Tabela 6:Proizvodnja iz SE u 2012 godini............................................................................66

Tabela 7:Poticanje proizvodnje iz SE u 2012 godini.............................................................66

Tabela 8:Dijelovi i dimenzije objekta.....................................................................................72

Tabela 9:Mjeseni prosjeci dnevnih temperatura, difuzne i globalne ozraenosti horizontalno nagnute povrine na lokaciji Graanice..............................................75

Tabela 10:Ukupni predpostavljeni trokovi FN elektrane na krovu objekta firme PLASTOFLEX........................................................................................................77

Tabela 11:Financijski i drugi ulazni parametri za solarnu FN elektranu na krovu objekta firme PLASTOFLEX...............................................................................................82

Tabela 12:Predpostavljeni trokovi odravanja sistema godinje............................................83

Tabela 13:Procjena prihoda napravljena na osnovu procjene godinje proizvodnje................83

Tabela 14:Financijska isplativost solarne FN elektrane na krovu firme PLASTOFLEX sa 70% udjela kredita...................................................................................................85

Tabela 15:Kumulativni tok novca po godinama u sistemu sa 70% kredita..............................86

Tabela 16:Financijska isplativost solarne FN elektrane na krovu firme PLASTOFLEX sa 0% udjela kredita.....................................................................................................87

Tabela 17:Kumulativni tok novca kroz godine u sistemu sa 0% kredita..................................88

Popis skraenicaFNFotonaponski (sistem)

DCIstosmjerni (napon/struja)

BiHBosna i Hercegovina

OIEObnovljivi izvori energije

EPIAEuropean Photovoltaic industry Association

UINaponsko-strujna (karakteristika)

c-SiMonokristalni silicij

p-SiPolikristalni silicij

a-SiAmorfni silicij

FZFloat zone

CzCzochralski

TETermoelektrana

NENuklearna elektrana

MPPTMaximum power-point tracking system

ACNaizmjenini (napon/struja)

EN 60364-7-712Norma Evropske Unije (Elektrina instalacija fotonaponskog sistema)

EN 61173Norma Evropske Unije (zatita od prenapona nastalih u FN sistemu)

EN 62, 305Standard Evropske Unije (gromobrani)

FERKRegulatorna komisija za elektrinu energiju Federacije Bosne i Hercegovine

OIEiKObnovljivi izvori energije i kogeneracija

OIEiEKObnovljivi izvori energije i energetska kogeneracija

RSRepublika Srpska

FBiHFederacija Bosne i Hercegovine

NOS BiHNezavisni operator sistema Bosne i Hercegovine

KMKonvertibilna marka

EUEvropska Unija

EEEnergetska efikasnost

APEEAkcioni plan za energetsku efikasnost

APOIEAkcioni plan za obnovljive izvore energije

SADSjedinjene Amerike drave

IRRInterna stopa povrata

PVGISPhotovoltaic Geographical Information System

VTVisoka tarifa

MTMala tarifa

SESolarna elektrana

1.0 UvodIzvori energije koje trenutno koristimo su nestabilni, prljavi i zagauju nau planetu Zemlju. Mi moda i preivimo to trovanje, ali e doi trenutak kada e ti izvori presuiti. S toga je jako bitno da na vrijeme obezbijedimo dovoljno energije iz obnovljivih izvora. Sunce ima najvei potencijal i na neki nain je povezano sa svim obnovljivim izvorima. Zbog toga je bitno razvijati solarnu tehniku i poticati proizvodnju iz solarnih fotonaponskih sistema. Mogua su dva naina iskoritenja suneve energije. Prvi je putem solarnih kolektora, gdje se suneva energija koristi iskljuivo kao toplotna energija. Drugi nain je uz pomo fotonaponskih (FN) panela koji uz pomo sunevih estica (fotona) proizvode DC napon. Poslije se ovakvi sistemi mogu koristiti kao autonomni, kada su potrebne baterije za skladitenje energije i kao sistemi povezani na distributivnu mreu. Takvi sistemi se opet mogu podijeliti na sisteme sa feed in tarifom ili net metering sisteme. Net metering sistem je zastupljen na podruju Amerike, dok se feed in tarifni sistemi preteno koriste na europskom kontinentu. Kod nas u BiH jo uvijek nisu usvojene feed in tarifne cijene, ali je za oekivati da se iste usvoje u skorijem vremenskom periodu. Za svaki od ovih solarnih FN sistema, bilo da je rije o autonomnom ili sistemu povezanom na mreu je potrebno provesti odreenu tehno-ekonomsku analizu na osnovu koje investitor moe uvidjeti isplativost izgradnje jednog takvog sistema. Autonomni sistemi su isplativi samo na mjestima gdje nema distributivne mree, kada je za samu mreu potrebno jako puno investirati. Solarni FN sistemi mogu se postaviti na razne povrine, a najee se postavljaju na krovove kua i fabrika, te na taj nain investitoru donose zaradu bez da utiu na izvravanje drugih aktivnosti. Za tehno-ekonomsku analizu solarnih FN sistema postoji jako puno softverskih alata i analitikih rauna. Neki od njih su skupi i dodatno podiu cijenu FN sistema, dok su analitiki rauni grubi i neprihvatljivi za ozbiljnije projekte. RETScreen softverski paket je potpuno besplatan i nudi veliki broj pogodnosti za donoenje investicionih odluka. S tim u vezi, sve se ee koristi u analizama isplativosti i na taj nain doprinosi promociji OIE i poticaju gradnje sistema iji se rad zasniva na OIE.

Uvod2.0 77

3.0 Suneva energijaObnovljivi izvori energijesu izvorienergijekoji se dobivaju iz prirode te se mogu obnavljati. Veinatehnologija obnovljivih izvora energijese na direktan ili indirektan nain napaja izSunca. Kada su u pitanju izvori energije, solarna ima najvie prednosti iz vie razloga. Suneva svjetlost izaziva temperaturne promjene koje pokreu vjetrove i okeanske struje, ivot biljaka i ivotinja koje su neophodne za koritenje biomase, a neophodna je i za odravanje vodenog ciklusa rijeka i mora. Iako ima mnogo mjesta na kojima nema fosilnih goriva ili urana, nema nijedne zemlje na svijetu koja nema Suneve svjetlosti.Mogunosti dobivanja eneregije iz obnovljivih energetskih izvora jo nisu do kraja ispitane, pa pogledajmo koliki je taj potencijala. Na pitanje koliko to energije moemo dobiti? Kratak odgovor glasi: i vie nego to nam je potrebno. Da bismo pojasnili, pogledajmo koliko energije troimo i koliko nam razliitih energetski izvora stoji na raspolaganju, kako je pokazano na slici 2.1.

Slika 2.1 Pregled potencijala OIEIzvor: www.ekologija.baovjeanstvo trenutno troi jednake koliine energije kao to bi se dobilo sagorijevanjem deset milijardi tona uglja svake godine. Zamislimo da je sva ta energija predstavljena u obliku tamne male lopte. Crna je, jer energija koju trenutno troimo je izuzetno tetna po okoli, prljava, neodriva, neobnovljiva i opasna. Zadrimo ovu misao, a umjesto crne, zamislimo lijepu, utu loptu koja nam otkriva nevjerovatni potencijal solarne energije na naoj planeti: 2850 puta vie energije nego to trenutno koristimo godinje. Ove divne sfere ine ogromni potencijal zelene energije i ukazuju na to da je teoretski potencijal ovih obnovljivih izvora 3078 puta vea koliina energije nego to je sad koristimo (preko tri hiljade puta vie energije nego to e nam ikada biti potrebno). Sve to bez prljavih i opasnih fosilnih goriva i nuklearne energije. Pravo pitanje je da li zaista moemo dostii tako visok nivo energetske proizvodnje? Naalost, odgovor je ne. Ove brojke su isto teorijske. Tehniki potencijal obnovljive energije, tj. koliina energije koju zaista moemo dobiti modernom tehnologijom, a ne samo ekajui na budue tehnoloke napretke prikazana je na slici 2.2.

Slika 2.2 Tehniki potencijal OIEIzvor: www.ekologija.baVidimo dakle da postoji realna ansa da moemo proizvesti skoro est puta vie energije nego to nam je potrebno, koristei se samo sadanjom tehnologijom i bez potrebe za bilo kakvim napretkom u nauci ili inenjerstvu.Energija sa Sunca do Zemlje dolazi u obliku sunevog zraenja. Na putu kroz zemljinu atmosferu sunevo zraenje slabi zbog meusobnog djelovanja sa plinovima i parom iz atmosfere, te do zemljine povrine dolazi intenzivno i raspreno. Izravno ili direktno sunevo zraenje dolazi direktno iz smjera Sunca, a raspreno ili difuzno zraenje na zemlju dospijeva iz svih smjerova.

Kada uzememo u obzir direktno i raspreno zraenje gledano na ravnoj povrini, tada govorimo o ukupnom zraenju. Ukupna koliina suneva zraenja na okomitu povrinu naziva se globalno zraenje. Mjerna jedinica globalnog zraenja je . Ako se radi o nagnutoj plohi tada za ukupno zraenje treba direktnom i rasprenom dodati jo i odbijeno ili reflektirano zraenje. Odbijeno zraenje dobija se od tla ili od vodenih povrina na zemlji.Najvea komponenta sunevog zraenja je direktna, pa bi najvee ozraenje trebalo traiti na povrini okomitoj na pravac sunevih zraka. Najvee ozraenje u svakom trenutku mogue je jedino, ako se s navedenom povrinom konstantno prati kretanje Sunca na nebu.Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca moe se smatrati da se sunevo zraenje prije ulaska u atmosferu sastoji od snopa paralelnih elektromagnetskih talasa. Zbog meudjelovanja s plinovima i esticama u atmosferi sunevo zraenje se moe upiti (oko 18 %), odbiti (oko10 %) ili vie manje nesmetano proi kroz atmosferu (oko 70 %). Slijed dogaaja prilikom prolaska suneve energije zraenja od vanjskog ruba Zemljine atmosfere do povrine Zemlje prikazan je prema slici 2.3. Direktno sunevo zraenje je kratkotalasnog karaktera, u sunanom danu i oituje se kao kombinacija ukastog svjetlosnog snopa i toplote. Valja napomenuti da direktno sunevo zraenje ne utie na povienje temperature zraka nego ga osjeamo kao toplotu na tijelu.

Slika 2.3 Slijed dogaaja prilikom prolaska suneve energije zraenja od vanjskog ruba Zemljine atmosfere do povrine ZemljeIzvor: Diplomski rad Tehnoekonomska analiza fotonaponskih sustava Kuterovac Ivan, Sveuilite Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Difuzno rasprivanje zraenja ili refleksija sadri vie kratkotalasne nego dugotalasne energije sunevog zraenja. Tu pojavu izazivaju molekule plinova i estica koje se nalaze u atmosferi. Naime, kada energija zraenja na svom putu dopre do molekule plina ili estice pobuuje je na titranje i zraenje, ime postaje izvor elektromagnetskog zraenja specifine talasne duine. Primljenu energiju molekula, odnosno estica predaje nejednako u svim smjerovima. Dio se odbija nazad u svemir a dio se raspruje na Zemlji. Svojstvo podloge da odbija zraenje moe se izraziti koeficijentom refleksije ili albedom. Potpuno bijelo tijelo imalo bi albedo 1,0 jer bi potpuno odbijalo sunevo zraenje (snijeg), a potpuno crno tijelo imalo bi albedo nula. Najea vrijednost albeda bila bi 0,2 (travnata povrina) i ta se vrijednost najee uzima pri izraunima.

ire prihvaeni pojam u znanstvenoj zajednici je insolacija, odnosno trajanje suneve insolacije. Pojam insolacija odnosi se na gustou sunevih zraka na odreenoj povrini uz odreenu orijentaciju kroz odreeno vrijeme. Mjeri se u ili . Umnoak ukupnog zraenja sa vremenom daje nam insolaciju. Energija sunevog zraenja koja dopire do povrine Zemlje ovisi u prvom redu o trajanju insolacije (trajanju sijanja Sunca, odnosno broju sunanih sati), dok trajanje insolacije zavisi o zemljopisnoj irini i o godinjem dobu.

Snaga sunevog zraenja iznosi oko , odnosno , od ega samo mali dio stigne na zemlju pod prostornim uglom od 32', odnosno 0,53. Do vrha Zemljine atmosfere dolazi samo pola milijarditog dijela emitirane energije, tj. oko ili Ta snaga prelazi vie od 100.000 puta snagu svih elektrana na zemlji kad rade punim kapacitetom. Ogromna je koliina energije od suneva zraenja. Manje od jednog sunanog sata dovoljno je da pokrije cjelokupnu potrebu za energijom gotovo 6,5 milijardi ljudi koji ive na ovom planetu.

Unato tome da se oko 30 % energije suneva zraenja reflektira natrag u svemir, jo uvijek

Zemlja od Sunca godinje dobiva oko energije, to je nekoliko tisua puta vie nego to iznosi ukupna godinja potronja energije iz svih primarnih izvora.

Energija koju su apsorbirale atmosfera ili povrina Zemlje, pretvara se u toplinsku energiju. Oko 23 % potroi se za isparavanje i nastajanje oborina u atmosferi, a ostatak, oko 47 %, primi Zemlja u obliku ogromne koliine energije. Zagrijavanje prouzrokuje isparavanje vodenih povrina, stvara vjetrove i morske struje i, to je najvanije, omoguuje ivot. Zanimljivo je da se tek tisuitim dijelom energije, koja dolazi do tla, koriste biljke u procesu fotosinteze za nastajanje biomase. Udio suneve energije na kopnenoj povrini iznosi samo jednu petinu, a ostatak suneve energije apsorbiraju mora i oceani.

Sadanji izvori energije su prljavi i nestabilni te truju nau planetu. Moda i preivimo to trovanje, ali e doi dan kad e ti izvori presuiti. Temeljem pouzdanih simulacija potronje energije procjenjuje se da e ukupna potronja energije u 2050. godini iznositi oko 1.190 EJ. Zanimljivo je da e udio obnovljivih izvora energije, vjerojatno prvi put, biti vei od konvencionalnih (klasinih) izvora energije (Slika 2.4). S obzirom na to da se energetika 21. stoljea temelji na obnovljivim izvorima energije, uz stroge ekoloke mjere, predvieni scenarij koritenja primarnom energijom 2100. godine uglavnom e se sastojati od kombinacije (razliitih) istih izvora energije meu kojima suneva energije ima vodeu ulogu. (Slika 2.5)

Slika 2.4 Scenario potronje energije do 2060 godineIzvor: Ljubomir Majdandi: Fotonaponski sustavi [Prirunik]

Slika 2.5. Predvieni scenarij koritenja primarnom energijom 2100 godineIzvor: Ljubomir Majdandi: Fotonaponski sustavi [Prirunik]

Suneva energija4.0 5.0 Fotonaponska pretvorbaEnergija sunevog zraenja izravno se moe koristiti za proizvodnju elektrine energije fotonaponskim (FN) odnosno sunevim elijama. Termin photovoltaic prvi puta je upotrebljen krajem 19. stoljea, nastao je spojem rijei photo (gr. svjetlo) i volt (po Alessandru Volti). U doslovnom prijevodu termin photovoltaic znai "struja iz svjetla" i upravo takav prijevod najbolje opisuje princip rada fotonaponskih elija pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu energiju putem fotonaponskog efekta.

5.1 Fotonaponski efekatPojava koja ima za posljedicu oslobaanje slobodnih nosioca naboja pod djelovanjem svjetlosti te stvaranje elektrinog toka naziva se fotonaponski efekt, koji je prikazan prema slici 3.1. Prvi korak prema slici 2.1 prikazuje stanje fotonaponske elije prije nego to se p-tip i n-tip poluprovodnika spoje. Iako su oba poluvodika materijala elektriki neutralna, spajanjem p-tipa i n-tipa poluprovodnika nastaje takozvani p-n spoj koji za posljedicu ima stvaranje elektrinog polja. U trenutku kada se n-tip Si poluprovodnika i p-tip Si poluprovodnika spoje, viak elektrona od strane n-tipa kree se ka p-tip strani.

Slika 3.1 Fotoelektrini efekatIzvor: Diplomski rad Tehnoekonomska analiza fotonaponskih sustava Kuterovac Ivan, Sveuilite Josipa Jurja Strossmayera u OsijekuRezultat navedenih dogaaja je nagomilavanje pozitivnog naboja na n-tip strani elije, odnosno nagomilavanje negativnog naboja na p-tip strani elije (korak 2). Kada fotoni pogode fotonaponsku eliju oni se mogu reflektirati, proi direktno kroz nju ili biti apsorbirani. Samo apsorbirani fotoni daju energiju za proizvodnju struje. Kada poluprovodnik apsorbira dovoljno svjetla elektroni se istiskuju iz atoma materijala, sele se ka prednjem (negativnom) kontaktu elije dok se u isto vrijeme upljine kreu u suprotnom smjeru ka donjem (pozitivnom) kontaktu elije gdje oekuju elektrone (korak 3). Napon na vanjskim kontaktima p-n spoja moe se povezati sa potroaima pri emu e se stvarati naboj i tei DC struja sve dok postoji upadni tok svjetlosti (korak 4).

Na ovakav nainsunane elijeproizvodenaponoko 0,5 0,7 V uzgustou strujeod oko nekoliko desetaka , ovisno o snazi sunevog zraenja i spektruzraenja.Premakvantnoj fizicisvjetlostima dvojni karakter. Svjetlost je i estica i val. estice svjetlosti nazivaju sefotoni. Energijafotona ovisi o njegovojvalnoj duljiniodnosno ofrekvenciji. Energiju fotona moemo izraunatiEinsteinovimzakonom koji glasi:

3.1.

Izvor: www.hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energijagdje je:EEnergija fotona

hPlanckova konstanta

Frekvencija fotona

Umetalimai openito umateriji,elektronimogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni elektroni vezani su uzatom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno kretati. Da bi od valentnog elektrona nastao slobodni, on mora dobitienergijukoja je vea ili jednaka energiji vezivanja. Energija vezivanja predstavlja energiju kojom jeelektronvezan za atom u nekoj od atomskih veza. U sluajufotoelektrinog efektaelektron potrebnu energiju dobija od sudara safotonom. Dio energije fotona troi se da bi se elektron oslobodio od uticaja atoma za koji je vezan, a preostali dio energije pretvara se ukinetiku energiju sada ve slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobijeni fotoelektrinim efektom nazivaju se jo i fotoelektroni. Energija koja je potrebna da se valentni elektron oslobodi uticaja atoma naziva se rad izlazaWii ovisi o vrsti materijala u kojem se dogodiofotoelektrini efekat. Jednainakoja opisuje ovaj proces glasi:

3.2.

Izvor: www.hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energijagdje je:hEnergija fotona

WiIzlazni rad

EkinKinetika energija emitiranog elektrona

Fotonaponska pretvorba

Iz jednaine 3.2. vidljivo je da seelektronnee moi osloboditi ako je energija fotona manja odrada izlaza. Proces konverzije je zasnovan nafotoelektrinom efektukojeg je otkrioHeinrich Rudolf Hertz1887. godine, a prvi ga objasnioAlbert Einstein, za to je 1921. godine dobioNobelovu nagradu.

5.2 Predvianja EPIA-eEPIA ( eng. Eureopean Photovoltaic Industry Association) predvia da e fotonaponska tehnologija do 2020 godine pokriti 12 % potronje elektrine energije u Europskoj uniji, a do 2040 godine ak 28 %. Takoer su iznijeli podatak da je 2008 g. u industriji fotonaponske tehnologije radilo 130 000 radnika izravno i 60 000 neizravno. Njihova procjena je da e 2020. godine raditi oko 1,4 milijona radnika, a 2030. godine ak 2,2 milijona radnika na podruju fotonaponskih sistema.

Slika 3.2. Instalirani FN kapaciteti u Europi zakljuno sa 2012 godinomIzvor: European Photovoltaic Industry Association (EPIA), Global market outlook for photovolaics 2013-2017 Sa vie od 17 GW novih instaliranih FN kapaciteta u 2012 godini (poreenja radi u 2011 godini, instalirani kapaciteti su bili 22,4 GW), Europa je poveala svoj kapacitet na oko 70 GW. Ovaj napredak se prvenstveno moe pripisati poveanju kapaciteta na dva trita a to su trite Njemake koja je poveala kapacitete za 7.604 MW i Italije sa 3.438 MW. Neke od Europskih drava su u 2012 godini instalirale manje kapaciteta nego li u 2011 godini, a takva je primjerice Francuska koja je u 2012 instalirala 1.079 MW dok je u 2011 instalirala 1.756 MW novih kapaciteta. I Italija je meu njima jer je u 2012 godini instalirala ak 2,75 manje nego u 2011 godini. Meutim i to je veliki doprinos ukupnom instaliranom kapacitetu Europe kada su FN sistemi u pitanju. DravaUkupno u 2011Zakljuno sa 2011Ukupno u 2012Zakljuno sa 2012Ukupno w/stanovniku u 2012

Austrija9218823041850

Belgija9962.0515992.650241

Bugarska105141767908123

Hrvatska0,20,222,20,51

Kipar390911

eka Republika61.9591132.072196

Danska101637839470

Estonija0,10,200,20,1

Finska11010,2

Francuska1.75629241.0794.00361

Njemaka7.48524.8077.60432.411398

Grka4266249121.536144

Maarska34040,4

Irska33031

Italija9.45412.9233.43816.361273

Litvanija0,10,3662

Luksemburg53003059

Malta101201229

Holandija5814112526616

Norveka00,100,10,02

Poljska13470,1

Portugal471954924422

Rumunija2426302

Slovaka3215081552395

Slovenija468111719897

panija4724.8892765.166110

vedska4118192

vicarska10521620041653

Turska17290,1

Ukraina1881911823738

Ujedinjeno Kraljevstvo8139049251.82929

Bosna I Hercegovina000,450,450,1

Tabela 1: Instalirani kapaciteti u Europi (MW) zakljuno sa 2012 godinomIzvor: European Photovoltaic Industry Association (EPIA), Global market outlook for photovolaics 2013-2017Fotonaponska pretvorba

Svakako da treba spomenuti veliki napredak na ovom polju Ujedinjenog Kraljevstva koje je povealo kapacitete za 925 MW, Grke sa 912 MW, Bugarske sa 767 MW novih instaliranih kapaciteta i slino. Iz tabele 1. moe se primijetiti da Njemaka prednjai kada su u pitanju instalirani FN paneli. Za razliku od Njemake, BiH ima mnogo povoljniju insolaciju, ali i slabo razvijeno trite to je jedan od preduslova za adekvatnu proizvodnju elektrine energije iz FN sistema. Takoer treba napomenuti da Turska ima mnogo povoljnije uslove i od BiH, ali iz nekog razloga u toj dravi jo uvijek vjeruju drugim izvorima energije te zakljuno sa 2012 godinom proizvode svega 9MW elektrine energije iz FN sistema. Nama susjedna drava Hrvatska, naglo je poela da ulae u FN sisteme te je ostvarila veliki napredak za vrlo kratko vrijeme.Oekuje se da e taj talas FN sistema uskoro stii i na podruje BiH, te je jako bitno da ga spremno doekamo. Slovenci su po tom pitanju mnogo bolji te zakljuno sa 2012 godinom imaju instaliranih 198 MW FN sistema to je po stanovniku oko 97 W. Italija je primjerice do unazad par godina bila drava koja je najvie uvozila elektrinu energiju od svih evropskih drava. U zadnjih par godina ostvarili su veliki napredak u izgradnji FN sistema to je smanjilo trokove uvoza elektrine energije i bitno popravilo stanje u samoj dravi.

5.3 Efikasnost FN elijeEfikasnost fotonaponske solarne elije definira se kao omjer elektrinesnagekoju ona daje i snagesunevogzraenja. Matematikise to moe formulisatirelacijom:

3.3.

Izvor: www.hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energijagdje je:PelIzlazna elektrina snaga

Psol Snaga sunevog zraenja

UEfektivna vrijednost izlaznognapona

I Efektivna vrijednost izlaznestruje

ESpecifina snaga zraenja

A Povrina

Idealna osvijetljena fotonaponska elija moe se smatrati kao strujni izvor s paralelnom diodom. Pretpostavljamo da je foto struja proporcionalna toku fotona koji dopiru do elije.Fotonaponska pretvorba

Slika 3.3 Struktura tipine FN elijeIzvor: Diplomski rad Tehnoekonomska analiza fotonaponskih sustava Kuterovac Ivan, Sveuilite Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku5.4 Ekvivalentna ema FN elijeOsvjetljena FN elija ponaa se kao izvor stalne struje. Njena ekvivalentna ema prikazana je na slici 3.4. Izvor stalne struje paralelno je spojen sa diodom. Serijski otpor RS predstavlja otpornost p-n spoja. Zavisi od materijala od koga je izgraena FN elija i poeljno je da bude to manji. Paralelni otpor RP potie od mikrodefekata i neistoa unutar FN elije i zavisi od osobina elije i veinom je dovoljno veliki da ga moemo smatrati beskonanim. Tipine vrijednosti za Rs i RP, za silicijumske FN elije iznose:

3.4.

Slika 3.4 Ekvivalentna ema FN elijeIzvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuFotonaponska pretvorba

Na osnovu date ekvivalentne eme FN elije i uz odreena zanemarenja ( Rs=0 i Rp ), moe se napisati jednaina izlazne struje I:

3.5.

Izvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom Sarajevu gdje je:I0inverzna struja zasienja diode

Ifgenerisana fotostruja

U, Iizlazni napon i struja, respektivno

5.4.1 Izlazni parametri FN elijeNa slici 3.5 prikazana je UI karakteristika neosvjetljene i osvjetljene FN elije. Prva (oznaena crvenom bojom) je tzv. tamna karakteristika, a to je zapravo karakteristika obine poluprovodnike diode. Najvaniji dio karakteristike se nalazi u etvrtom kvadrantu, jer je to radno podruje elije kada se iz nje dobija elektrina energija.

Slika 3.5 UI karakteristika osvjetljene i neosvjetljene FN elijeIzvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuZbog toga se obino i crta samo to podruje, tj. etvrti kvadrant, uzimajui vrijednosti struje pozitivnima (Slika 3.6). Povrina rafiranog pravougaonika, UmIm, odgovara maksimalnoj snazi koju elija moe dati.

Slika 3.6 Uobiajeni prikaz UI karakteristike FN elijeIzvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuJedan od najvanijih parametara FN elije jeste njena elektromotorna sila, tj. napon na njenim krajevima u sluaju praznog hoda. Kada se stavi I=0 u jednainu (3.5.), dobija se napon praznog hoda:

3.6.

Izvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuNa osnovu datog izraza (3.6.) vidi se da napon praznog hoda Uph raste sa porastom If, a opada sa poveanjem I0. Poto inverzna struja zasienja diode I0 raste sa poveanjem temperature, slijedi da sa porastom temperature opada napon praznog hoda. U uslovima kada serijski otpor nije zanemariv, dobija se:

3.7.

Izvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuElektromotorna sila FN elije zavisi od fotostruje (koja raste sa porastom nivoa zraenja) i od struje zasienja diode za koju je poeljno da je to manja. Vaan podatak za eliju je i struja kratkog spoja Iks, tj. jaina struje u sluaju kada su krajevi elije kratko spojeni. Kada se u jednaini (3.5.) stavi da je U=0, dobijamo da je struja kratkog spoja jednaka fotostruji:Iks=If

3.8.

Izvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuPromjena intenziteta zraenja (iradijacije) bitno utie na UI karakteristiku elije (Slika 3.7). Struja kratkog spoja praktino je proporcionalna intenzitetu zraenja.

3.9.

Slika 3.7 Zavisnost struje kratkog spoja od intenziteta zraenjaIzvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom Sarajevu

Za razliku od struje kratkog spoja, napon praznog hoda se mijenja po logaritamskoj funkciji sa intenzitetom zraenja. Ako se zraenje smanji dva puta (sa 1.000 na 500 ) struja kratkog spoja smanji se dva puta, a napon praznog hoda oko 5%. Kao to je ve reeno, svaka FN elija ima sopstvenu otpornost, koja se moe ekvivalentirati preko serijskog i paralelnog otpora. UI karakteristika FN elije itekako zavisi od vrijednosti ove dvije otpornosti. Ovaj uticaj se moe zanemariti u sluaju da je serijski otpor mnogo puta manji od karakteristinog otpora elije RsRk. U realnom modelu FN elije (Slika 3.4) potrebno je uzeti u obzir serijski Rs i paralelni otpor Rp. Jednaina izlazne struje realne elije je:

3.10.

Izvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuNa osnovu izraza (3.10.) na slijedee dvije slike bie prikazano kako promjena pomenutih otpornosti utiu na UI karakteristiku FN elije.

Slika 3.8 Uticaj otpornosti Rs na oblik UI karakteristike FN elijeIzvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuSa slike 3.8 se moe uoiti da postojanje male vrijednosti serijske otpornosti Rs, itekako degradira UI karakteristiku FN elije. Zbog toga je veoma bitno prilikom projektovanja same FN elije voditi rauna da ta otpornost bude to je mogue manja.Paralelna otpornost Rp je reda nekoliko stotina oma, pa se sa slike 3.9 moe vidjeti da prisustvo paralelne otpornosti ne utie mnogo na oblik UI karakteristike FN elije.

Slika 3.9 Uticaj otpornosti Rp na oblik UI karakteristike FN elijeIzvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuStruja zasienja diode moe se eksperimentalno odrediti primjenjujui napon u mraku i mjerei struju koja odlazi u elije. Ova struja esto se naziva struja mraka ili obrnuta struja zasienja diode. Na ovaj se nain dobivaju dvije granine take u strujno-naponskoj karakteristici FN elije, a ostale se take dobiju mjerenjem. Postoji i ovisnost ove karakteristike u odnosu na jainu suneva zraenja (Slika 3.10).

Slika 3.10 Ovisnost strujno naponske karakteristike o jakosti suneva zraenjaIzvor: Diplomski rad Tehnoekonomska analiza fotonaponskih sustava Kuterovac Ivan, Sveuilite Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Slika 3.11 Strujno naponska karakteristika fotonaponske elijeIzvor: Diplomski rad Tehnoekonomska analiza fotonaponskih sustava Kuterovac Ivan, Sveuilite Josipa Jurja Strossmayera u OsijekuSnaga koju daje fotonaponska elija dobija se kao proizvod napona i struje:

3.11.

Izvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom Sarajevu

Slika 3.12 Snaga fotonaponske elijeIzvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom SarajevuMaksimalna snaga koju idealna elija moe dati Pm=UmIm oznaena je na slici 3.12 rafiranom povrinom. Raunski se moe odrediti traenjem pravougaonika sa najveom povrinom. Maksimalna snaga FN elije moe se izraziti i preko napona praznog hoda i struje kratkog spoja:

3.12.

Izvor: Diplomski rad Pretvaranje energije sunevog zraenja u elektrinu fotonaponski sistemi Nenad Jovani, Elektrotehniki fakultet univerziteta u Istonom Sarajevugdje je:

3.13.

Ovaj odnos je poznat kao faktor ispune ili filing faktor FN elije. To je odnos povrine pravougaonika sa stranicama Um i Im, i pravougaonika sa stranicama Uph i Iks (obino vai da je 0,7