Download docx - UVOD · Web viewDifuzno solarno zračenje nastaje raspršenjem direktnog sunčevog zračenja na atomima i molekulama plinova i česticama nečistoća na atmosferi. Ovo zračenje dolazi

Ana

Dža

l ♦ D

IPL

OM

SKI R

AD

♦ 2

019.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBUGEODETSKI FAKULTET

Ana Džal

3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela

Diplomski rad

Zagreb, 2019.


Ana Džal


Diplomski rad

Zagreb, 2019.

I

Ime i prezime Diplomski rad


Na temelju članka 19. Etičkog kodeksa Sveučilišta u Zagrebu i Odluke br. 1_349_11 Fakultetskog vijeća Geodetskog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu, od 26.10.2017. godine (klasa: 643-03/16-07/03), uređena je obaveza davanja „Izjave o izvornosti“ diplomskog rada koji se vrednuju na diplomskom studiju geodezije i geoinformatike, a u svrhu potvrđivanja da je rad izvorni rezultat rada studenata te da taj rad ne sadržava druge izvore osim onih koji su u njima navedeni.

IZJAVLJUJEM

Ja, Ana Džal, (JMBAG: 0007178232), rođena dana 02.11.1995. u Livnu izjavljujem da je moj diplomski rad izvorni rezultat mojeg rada te da se u izradi tog rada nisam koristila drugim izvorima osim onih koji su u njemu navedeni.

U Zagrebu, dana 09.03.2019. _____________________Potpis studenta / studentice

I. AUTOR

Ime i prezime: Ana Džal

Datum i mjesto rođenja: 02. studenog 1995., Livno, Bosna i Hercegovina

II. DIPLOMSKI RAD

Naslov: 3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela

Broj stranica: 76

Broj tablica: 10

Broj slika: 52

Broj bibliografskih podataka: 7 + 17 URL-a

Ustanova i mjesto gdje je rad izrađen: Geodetski fakultet Sveučilišta u Zagrebu

Mentor: prof. dr. sc. Stanislav Frangeš

Komentor: -

Voditelj: izv. prof. dr. sc. Robert Župan

III. OCJENA I OBRANA

Datum zadavanja teme: 17.01.2019.

Datum obrane rada: 28.06.2019.

Sastav povjerenstva pred kojim je branjen diplomski rad:

prof. dr. sc. Stanislav Frangeš

doc. dr. sc. Ivka Kljajić

izv. prof. dr. sc. Robert Župan

I

ZahvalaZahvaljujem svome mentoru, profesoru Frangešu te svome voditelju, profesoru Županu na

dostupnosti tijekom izrade diplomskog rada. Također, zahvaljujem svojim kolegicama,

studenticama Fakulteta elektrotehnike, računarstva i brodogradnje u Splitu te

Elektrotehničkog fakulteta u Sarajevu na ustupljenoj literaturi koja mi je pomogla za izradu

II

Ime i prezime Diplomski rad

teorijskog dijela diplomskog rada. Zahvaljujem svojoj obitelji na strpljenju i pomoći tijekom

studiranja.

ii


Sažetak: Korištenje fosilnih goriva kao izvor energije izazvalo je ogromnu štetu za čovječanstvo i okoliš – od onečišćenja zraka i prirode, pa sve do globalnog zatopljenja. Korištenje obnovljivih izvora energije je vrlo važno ukoliko se želi stagnirati eksponencijalno rastuće globalno zatopljenje i treba što više ukazivati na važnost takvih izvora. Energija se može dobiti izravno od Sunca. Jedan način je izravna pretvorba sunčeve radijacije u električnu energiju preko fotonaponskih ćelija. Grad Livno ima dobar geografski položaj što se tiče količine sunčevog zračenja. Postoji mnogo vrsta solarnih ćelija, a najčešće su korištene one napravljene od kristalnog silicija (monokristalne i polikristalne) zbog mnogih prednosti. Izračunata je solarna radijacija užeg centra grada Livna na dnevnoj, mjesečnoj i godišnjoj razini. Izrađen je 3D model užeg centra grada Livna te su određene lokacije gdje je najbolje postaviti solarne panele. Svakoj zgradi u modelu su pridruženi različiti atributi kao što je solarni potencijal, godišnja potreba za energijom zgrade, isplativost itd. Također su provedene različite analize podataka.

Ključne riječi: globalno zatopljenje, fotonaponske ćelije, solarni potencijal, 3D model, grad Livno, podaci

3D Model of the City Centre of Livno created to present Solar Panels Installation

Abstract: Using fossil fuels for energy has exacted an enormous toll on humanity and the environment – from air and nature pollution to global warming. Renewable energy is one of the most important solutions to global warming and should be pursued as strongly and quickly as possible. Energy can be harnessed directly from the Sun. Photovoltaics, also called solar cells, are electronic devices that convert sunlight directly into electricity. The city of Livno has positive geographic position and large amount of sunlight in that area. While there are dozens of variations of solar cells, the two most common types are those made of crystalline silicon (both monocrystalline and polycrystalline) due to many advantages. Solar radiation for the city of Livno has calculated on daily, monthly and annual period. It has created the 3D model of the city of Livno and determined the location where it is best to set solar panels. For each building in the model of the city are join attributes as solar potential, annual energy consumption of each building, profitability etc. Various data analysis is also performed.

Keywords: global warming, solar cells, solar potential, 3D model, city of Livno, data

Sadrža

III

j

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

2 SUNCE I SUNČEVO ZRAČENJE........................................................................................2

2.1 POTENCIJAL SUNČEVOG ZRAČENJA.......................................................................5

2.2 POLOŽAJ I POTENCIJAL BIH PO PITANJU SOLARNE ENERGIJE........................7

2.3 OSNOVNI PRINCIPI DIREKTNOG ISKORIŠTAVANJA ENERGIJE SUNCA..........8

2.3.1 Fotonaponska pretvorba sunčevog zračenja.............................................................9

2.4 OPTIMALNI KUT INKLINACIJE I AZIMUTA TE ANALIZA SOLARNOG POTENCIJALA GRADA LIVNA ZA 2015. GODINU........................................................15

3 ANALIZA SOLARNOG POTENCIJALA ZA PODRUČJE UŽEG CENTRA GRADA LIVNA..................................................................................................................................19

3.1 ULAZNI PODACI..........................................................................................................19

3.2 USPOREDBA INSOLACIJE ZA PODRUČJE GRADA LIVNA ZA 2015. GODINU PREMA RADU UMIHANIĆA I DR. (2015) TE IZRAČUNATE INSOLACIJE ZA ISTO PODRUČJE U SOFTVERU SAGA GIS 2.1.2......................................................................23

3.3 ANALIZA INSOLACIJE GRADA LIVNA NA GODIŠNJOJ I MJESEČNOJ RAZINI TE ZA SPECIFIČNE DATUME ZA 2019. GODINU..........................................................25

4 VIZUALIZACIJA REZULTATA U OBLIKU 3D MODELA...........................................47

5 ZAKLJUČAK......................................................................................................................70

POPIS LITERATURE..............................................................................................................71

MREŽNI IZVORI.....................................................................................................................71

POPIS SLIKA...........................................................................................................................72

POPIS TABLICA.....................................................................................................................73

POPIS KRATICA.....................................................................................................................74

POPIS OZNAKA......................................................................................................................75

PRILOZI...................................................................................................................................76

IV

Ana Džal 3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela

1 UVOD

U svijetu je prisutna povećana globalizacija. Čak 54% svjetske populacije živi u urbanim područjima. Globalizacija je trend koji je u eksponencijalnom porastu, pa se smatra da će do 2050. godine još 2,5 milijarde ljudi više živjeti u urbanim područjima. Time postotak raste na 66%. Broj gradova s više od 10 milijuna stanovnika će narasti s postojećih 26 na 35 do 2030. godine, većinom na području Azije i Afrike. Ljudi većinom kao izvor energije upotrebljavaju fosilna goriva. Brzi rast svjetske potrošnje energije, ali i brzi rast populacije i gustoće stanovnika, posebno u urbanim područjima izaziva zabrinutost zbog poteškoća u opskrbi stanovništva energijom, iscrpljivanja neobnovljivih izvora energije i većih ekoloških problema. Povećanjem broja stanovnika u gradovima javit će se problemi s dostupnošću energenata, vode, transporta, interneta te ostalih čimbenika koji povećavaju kvalitetu života i privlače stanovništvo u gradove. Svijetu treba sve više i više energije. Zbog stalnog porasta populacije i potrebe za energijom čovječanstvo je u kontinuiranoj potrazi za izvorima energije koji bi privremeno pokrili energetske potrebe. Postoje vremena kad se potražnja za energijom smanji (globalne financijske krize i globalne recesije), ali takvi događaji su prolazni i nakon što završe potreba za energijom je sve veća. Dugoročno gledano, potreba se cijelo vrijeme povećava. Trenutno svijet pokriva svoje energetske potrebe neobnovljivim izvorima energije i to većinom fosilnim gorivima – ugljenom, naftom i prirodnim plinom. Takvi izvori energije, kao što samo ime kaže, u jednom trenutku će biti potrošeni. Fosilna goriva su vrlo štetna za okoliš zbog ispuštanja velike količine ugljičnog dioksida (CO2), zagađenja okoliša u obliku izlijevanja nafte u more i sl. Najgori negativan efekt upotrebe fosilnih goriva je globalno zatopljenje koje je najveći izazov s kojim se čovječanstvo susreće. Isto za sobom nosi niz negativnih efekata – poplave, suše, nagle klimatske promjene, izumiranje biljnih i životinjskih vrsta, probleme u poljoprivredi... Upotreba obnovljivih izvora energije, koja je u nedovoljnom porastu, stagnirala bi rastuće globalno zatopljenje te smanjila štetan utjecaj na okoliš.

Međutim, postoji mnogo razloga zbog kojih su fosilna goriva i dalje dominantni izvori energije u većini država u svijetu. Glavni razlog je to što su isti tradicionalni izvori s dugom poviješću te je teško jednostavno prijeći na nešto potpuno suprotno. Taj problem je postao prisutan i među vodećim političkim silama, a ne samo među stanovništvom individualno. Početna cijena fosilnih goriva koja je niska je još jedan od razloga zašto su ona u upotrebi, a posebno među državama u razvoju. Početna cijena obnovljivih izvora je nešto veća, ali bi brzo postali isplativi. Još jedan razlog je nedovoljna informiranost populacije o problemima koje globalno zatopljenje nosi. Također, fosilna goriva su i dalje popularna zbog slabe tehnološke podrške sektoru obnovljivih izvora energije. Sredstva koja se ulažu u obnovljive izvore energije su mala u odnosu na sredstva koja se izdvajaju za kupovinu, transport, distribuciju fosilnih goriva i sl. Bez dobre financijske podrške u današnjem svijetu je nemoguće postići velik rezultat.

Čistoća obnovljivih izvora energije je glavni razlog zašto bi se trebali koristiti. Drugi glavni razlog je njihova energetska neovisnost. Obnovljive izvore energije možemo podijeliti u dvije glavne kategorije. To su tradicionalni izvori kao što su biomasa i velike hidroelektrane, te novi obnovljivi izvori energije kao što su energija Sunca, vjetra, geotermalna energija i sl. Danas se oko 35% globalne energije dobiva iz obnovljivih izvora. Sunce isporučuje zemlji 15 tisuća puta više energije nego što čovječanstvo uspijeva potrošiti. To znači da, ako bi se samo upotrebljavala energija Sunca, mogle bi se zadovoljiti potrebe čovječanstva 15 puta. Obnovljivi izvori energije bi smanjili emisiju štetnog ugljičnog dioksida, povećali bi energetsku održivost sustava, smanjili bi onečišćenje okoliša i još mnogo toga.

________________________________________________________________________________ 1


2 SUNCE I SUNČEVO ZRAČENJE

Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji. Sastoji se većinom od vodika (oko 75%) i helija, dok manje od 2% čine kisik, neon, željezo i drugi elementi. Sunce je zvijezda klase G2V koja spada u tzv. žute patuljke jer mu je vidljivi dio zračenja najintenzivniji u žuto-zelenom dijelu spektra. Oznaka G2 ukazuje na temperaturu površine Sunca koja iznosi oko 5500°C. Oznaka V pokazuje da Sunce stvara energiju nuklearnom fuzijom u sunčevoj jezgri gdje temperatura doseže oko 15 milijuna °C. Fuzija je proces kod kojeg spajanjem vodikovih atoma nastaje helij, uz oslobađanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helij prelazi oko 600 milijuna tona vodika, pri čemu se masa od oko 4 milijuna tona vodika pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir, pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija se na Suncu odvija već oko 5 milijardi godina.

Oslobođena sunčeva energija se širi u svemir i jedan dio iste dolazi i do Zemlje. Sunčevo zračenje pada okomito na vodoravnu plohu na površini Zemlje samo između obratnica, i to samo dva određena dana u godini (na obratnicama samo jedan dan). Sferičan oblik Zemljine površine smanjuje ozračenje na višim geografskim širinama jer sunčevo zračenje upada pod većim kutom, pa se energija raspodjeljuje na veću površinu. Na Slika 2.1 se vidi važnost geografske širine jer jednaka količina zračenja (A = B) pada na mnogo veću površinu u slučaju B' (više geografske širine), nego u slučaju A' (na ekvatoru). Gustoća energetskog toka po jedinici površine ovisi i o dnevnom hodu Sunca. Ozračenje ovisi o upadnom kutu Sunčevih zraka jer se u podne zračenje podijeli na manjoj površini, nego kad zračenje upada koso. Zemljina površina nije posve ravna pa će različiti dijelovi reljefa primati različite količine sunčevog zračenja (Matić, Z, 2007). Ta raspodjela ima veliku ulogu u brdovitim i planinskim predjelima, a naročito u područjima na višim zemljopisnim širinama, gdje su moguće velike razlike klime na malom prostoru. Zbog skraćenog vegetacijskog razdoblja i naglog pada srednjih temperatura zraka s porastom visine, prisojne (izložene Suncu) padine mogu biti ekonomski daleko važnije od osojnih (sjenovita strana padine).

________________________________________________________________________________ 2


Slika 2.1 Utjecaj sfernosti Zemlje na ozračenje (Matić, Z, 2007)

Sunčevo zračenje koje dospijeva do vanjskog ruba Zemljine atmosfere naziva se ekstraterestičko zračenje. Ekstraterestičko zračenje (iradijacija) opisuje se gustoćom snage, odnosno omjerom snage sunčevog zračenja i jedinične površine ravnine okomite na smjer upadnih sunčevih zraka, a ova veličina naziva se intenzitet zračenja i izražava se u W/m2. Gustoća snage smanjuje se s udaljenosti od izvora zračenja. Zemlja se giba oko Sunca po eliptičnoj putanji, pa se i njihova međusobna udaljenost mijenja. Zbog toga gustoća snage na ulazu u Zemljinu atmosferu nije konstantna. Gustoća snage ektraterestričkog zračenja naziva se solarna konstanta1 i iznosi E0sr = 1367,7 W/m2. Solarna konstanta definirana je kao intenzitet sunčeva zračenja na ravnini površine od jednog metra kvadratnog postavljenoj okomito na smjer upadnih sunčevih zraka na srednjoj udaljenosti Zemlje od Sunca (149,6x106 km), ali izvan zemljine atmosfere. Prije ulaska u Zemljinu atmosferu, spektar sunčeva zračenja obuhvaća širok opseg valnih duljina λ od oko 120 nm do preko 10 μm. U navedenom opsegu obuhvaćeni su ultraljubičasti, vidljivi i infracrveni dio spektra. Na Slika 2.2 prikazane su valne duljine pojedinih dijelova spektra. Zračenje je najveće na valnoj duljini od 480 nm. Ultraljubičasti dio spektra sadrži oko 8%, vidljivi oko 45%, a infracrveni oko 47% ukupne energije zračenja. Maksimum energije zračenja je na valnoj duljini od λ = 0,476 μm.

1 Budući da se udaljenost Zemlje od Sunca mijenja tijekom godine, tako se mijenja i ekstraterestičko zračenje i kreće se od 1307 W/m2 do 1399 W/m2 na površini koja je normalna na smjer zračenja. Ekstraterestičko zračenje na površinu koja je normalna na smjer zračenja za srednju udaljenost Zemlje od Sunca (149,69 milijuna km) naziva se sunčeva (solarna) konstanta. Iako to nije konstanta, nego se mijenja kako se mijenja sunčeva aktivnost, Svjetska meteorološka organizacija je standardizirala solarnu konsantu i ona iznosi E0sr = 1367,7 W/m2.________________________________________________________________________________

3


Slika 2.2 Spektar elektromagnetskog zračenja (URL 1URL 1URL 1)

Od ukupnog sunčevog zračenja koje dopire do vanjskog ruba Zemljine atmosfere oko 23% reflektira se natrag u svemir. Preostali dio zračenja prolazi kroz atmosferu prema površini Zemlje. Za razliku od ektraterestričkog zračenja čije su promjene male, sunčevo zračenje na površini Zemlje je vrlo promjenjivo i ovisi o faktorima kao što su atmosferski utjecaji (uključujući apsorpciju i raspršenje), lokalne promjene u atmosferi (kao što su vodena para, oblaci i smog), geografskom položaju te dobu dana i godine. Prilikom prolaska kroz Zemljinu atmosferu dolazi do apsorpcije i raspršenja sunčevog zračenja. Posljedice ovih pojava su slabljenje intenziteta i promjena spektralnog sadržaja sunčevog zračenja. Slabljenje intenziteta sunčevog zračenja uslijed refleksije, apsorpcije i raspršenja iznosi oko 48% u odnosu na ekstraterestičko zračenje. Spektar sunčevog zračenja koje dolazi do Zemljine površine obuhvaća valne duljine od 300 nm do 2500 nm. Oko 70% ukupnog sunčevog zračenja nesmetano prođe kroz atmosferu. sunčevo zračenje do neke točke na površini Zemlje putuje kroz deblji ili tanji sloj atmosfere. Dužina puta sunčevog zračenja kroz Zemljinu atmosferu ekvivalentira se optičkom masom zraka koja se označava sa m.

Optička masa zraka je omjer stvarne dužine puta koji prolaze upadne zrake najkraćeg mogućeg puta sunčevih zraka kroz atmosferu. Put sunčeva zračenja kroz Zemljinu atmosferu najkraći je kada je Sunce u zenitu. Što je optička masa zraka veća, izraženije je slabljenje sunčevog zračenja prolaskom kroz atmosferu. Vrijednost optičke mase zraka ovisi o kutu visine Sunca γs i atmosferskom tlaku na mjestu promatranja p, koji ovisi o nadmorskoj visini mjesta (Slika 2.3). Ako se zanemari zakrivljenost Zemlje i lom sunčevih zraka u atmosferi, uz pretpostavku da je atmosferski tlak stalan, vrijedi:

m= 1cosϑ s

= 1sin γ s

gdje je:

ϑs – zenitni kut Sunca

γs – kut visine Sunca

U nastavku pogledati Slika 2.3 Visina Sunca i zenitna udaljenost (Smaka, S 2016)________________________________________________________________________________

4


3Slika 2.3 Visina Sunca i zenitna udaljenost (Smaka, S 2016)

Optička masa zraka je m = 0 za ekstraterestičko zračenje. Kad je Sunce u zenitu, odnosno kad sunčeve zrake padaju okomito na površinu mora, tada je m = 1, a u slučaju kad kut između sunčevih zraka i zenita iznosi ϑs = 60° (γs = 30° iznad horizonta), optička masa zraka je m = 2. Ovisnost spektra sunčeva zračenja o optičkoj masi zraka obično se označava sa AMm, pa se ekstraterestičko zračenje označava sa AM0, AM1 je zračenje koje dolazi do površine mora ako je ϑs = 0°, itd.

S obzirom da intenzitet i spektar sunčeva zračenja na površini Zemlje ovise o različitim faktorima, za međusobnu usporedbu solarnih ćelija definirani su standardni uvjeti ispitivanja. Pri ispitivanjima solarnih ćelija i modula koji su namijenjeni instaliranju na Zemlji, kao referentni spektar uzima se AM1,5 raspodjela zračenja. To je zračenje koje dolazi do površine mora ako je kut visine Sunca γs = 41,8°. Za solarne ćelije i module namijenjene korištenju van Zemljine atmosfere, npr. na svemirskim vozilima i letjelicama, referentni spektar je AM0.

Ukupno sunčevo zračenje koje dospijeva do površine Zemlje sastoji se od dvije komponente: direktne i difuzne (raspršene). Direktno solarno zračenje dopire do plohe u obliku paralelnih zraka direktno iz prividnog smjera Sunca. Difuzno solarno zračenje nastaje raspršenjem direktnog sunčevog zračenja na atomima i molekulama plinova i česticama nečistoća na atmosferi. Ovo zračenje dolazi na plohu (uređaj) iz svih smjerova neba, a raste s povećanjem količine vodene pare i čestica nečistoća u atmosferi te oblačnosti. Nakon prolaska kroz atmosferu, sunčevo zračenje (direktno i difuzno) nailazi na tlo, vodenu ili neku drugu površinu. Veći ili manji dio zračenja će se odbiti (reflektirati) ovisno o svojstvima podloge na koju naiđe. Svojstvo podloge da odbije zračenje izražava se koeficijentom refleksije ili albedom. Potpuno bijelo tijelo ima albedo 1 jer potpuno odbija zračenje, a potpuno crno tijelo ima albedo 0. Ako tijelo odbija polovicu zračenja koje pada na njega, znači da ima albedo 0,5. U proračunima se najčešće uzima vrijednost albeda koja odgovara travnatoj površini i iznosi 0,2 (Smaka, S2016).

Ploha (uređaj) postavljena pod određenim kutom u odnosu na Zemljinu površinu, pored direktnog i difuznog zračenja, prima i zračenje odbijeno od tla, vode ili okolnih predmeta. Dakle, ukupno (globalno) sunčevo zračenje koje dopire do nagnute plohe sastoji se od tri komponente:

direktno sunčevo zračenje koje upada na plohu, difuzno sunčevo zračenje koje dolazi do dijela neba koji se nalazi iznad plohe, odbijeno (reflektirano) zračene koje dolazi od tla, vodenih površina i okolnih predmeta.

________________________________________________________________________________ 5


Ukupna količina sunčevog zračenja na horizontalnu površinu naziva se ukupno ili globalno zračenje. Globalno zračenje se sastoji od direktnog, difuznog i odbijenog sunčevog zračenja. Mjerna jedinica globalnog zračenja je W/m2.

Drugi, šire prihvaćen pojam u znanstvenim krugovima je insolacija, odnosno trajanje sunčeve insolacije. Pojam insolacija odnosi se na gustoću sunčevih zraka na određenoj površini, uz određenu orijentaciju, kroz određeno vrijeme. Proizvod ukupnog zračenja i vremena daje nam insolaciju. Mjeri se u Wh/k2 ili kWh/m2. Energija sunčevog zračenja koja dopire do površne Zemlje ovisi u prvom redu od trajanja insolacije (broju sunčanih sati), dok trajanje insolacije ovisi od geografske širine i od godišnjeg doba. Podaci o energiji sunčevog zračenja najčešće su prikazani kao prosječne vrijednosti. Prosječna mjesečna ili godišnja energija sunčevog zračenja na nekoj lokaciji dobiva se kao aritmetička sredina za sve dane u promatranom mjesecu odnosno godini (Umihanić i dr., 2015).

2.1 POTENCIJAL SUNČEVOG ZRAČENJA

Konvencionalni izvori energije (ugljen, nafta, plin, nuklearna goriva) ograničeni su i iscrpljivi, a energetski sektor većim je dijelom uzrok emisije SO2, NIx te osobito stakleničkog plina CO2, koji najvećim dijelom doprinosi globalnom zagrijavanju i klimatskim promjenama. Globalno zagrijavanje za sobom nosi niz negativnih posljedica kao što su poplave, suše, požare, otapanje ledenjaka, izumiranje biljnih i životinjskih vrsta, probleme u poljoprivredi i dr (Slika 2.4). Onečišćenje okoliša je još jedan negativni efekt korištenja tradicionalnih izvora energije. Upotrebom fosilnih goriva također se drastično smanjuje ukupna površina šuma u svijetu te imaju negativan utjecaj na zdravlje ljudi. Svijetu treba sve više i više energije. Povećanje populacije je u porastu te sve više ljudi želi živjeti u velikim gradovima. Predviđa se da će do 2050. godine još dvije i pol milijarde ljudi više živjeti u urbanim područjima, a broj gradova s više od 10 milijuna stanovnika će narasti s postojećih 26 na 38 do 2030. godine, od kojih je većina na području Azije i Afrike. Zbog toga će se javiti problemi s dostupnošću energenata te će se narušiti ekološki održiv energetski razvoj. Jedan od načina stagniranja eksponencijalno rastućeg globalnog zatopljenja, smanjenja onečišćenja okoliša te smanjenja upotrebe ograničenih izvora fosilnih goriva je korištenje obnovljivih izvora energije.

Slika 2.4 Negativni efekti korištenja konvencionalnih izvora energije (URL 2)

Obnovljive izvore energije možemo podijeliti u dvije glavne kategorije: tradicionalne obnovljive izvore energije poput biomase i velikih hidroelektrana, te na nove obnovljive izvore energije poput energije Sunca, energije vjetra, geotermalne energije itd. Iz obnovljivih izvora energije danas se ________________________________________________________________________________

6


dobiva skoro 35% ukupne svjetske energije. Ostatak energetskih potreba se pokriva upotrebom neobnovljivih izvora energije i to uglavnom fosilnih goriva (ugljen, nafta, prirodni plin). Postoji više razloga zašto su fosilna goriva i dalje dominantni izvori energije. Prvi razlog je jer su to tradicionalni izvori s drugom poviješću, drugi jer je početna cijena ovakve vrste izvora energije niska te konačno treći razlog jer slaba tehnološka podrška sektoru obnovljivih izvora energije. Čistoća obnovljivih izvora energije je glavni argument zašto bi se trebalo zagovarati upotreba istih. Drugi važan argument je njihova energetska neovisnost. Sunčeva energija bi, kao izrazito prihvatljiv obnovljivi izvor energije, u bliskoj budućnosti mogla postati glavni nositelj ekološki održivog energetskog razvoja. Tehnički potencijal energije sunčeva zračenja koji padne na neku građevinu nekoliko je puta veći od potreba takve zgrade za energijom, a može se vršiti pretvorba energije sunčeva zračenja u električnu ili termičku energiju. Teoretski, potencijal energije sunčeva zračenja daleko je veći od ostalih obnovljivih izvora energije (Slika 2.5).

Slika 2.5 Potencijal energije sunčevog zračenja (Smaka, S2016)

Tehnički iskoristiv potencijal sunčeve energije, dakle onaj koji se danas tehnički i tehnološki može iskoristiti za pretvorbu energije sunčeva zračenja u električnu i termičku, još je uvijek veći od ukupne svjetske potrošnje energije. Točnije, godišnja insolacija (120 000 TW) je 7500 veća od ukupne energetske potrošnje (Barbir, F., 2017). Prema Smaka, Si (2016), simulacije potrošnje energije pokazuju da će do 2050. godine ukupna potrošnja energije iznositi oko 1190 EJ. To znači da će udio obnovljivih izvora energije biti veći od konvencionalnih (klasičnih) izvora energije. Osim toga, predviđeno je da će se korištenje primarnom energijom 2100. godine uglavnom sastojati od kombinacije različitih čistih izvora energije među kojima sunčeva energija ima vodeću ulogu.

2.2 POLOŽAJ I POTENCIJAL BIH PO PITANJU SOLARNE ENERGIJE

Na Slika 2.6 je prikazana karta prosječnih vrijednosti godišnje količine zračenja (kWh) po m2 u Europi. Bosna i Hercegovina ima prosječnu godišnju količinu zračenja veću u odnosu na sjevernu Europu. Ako se usporedi takav solarni potencijal s drugim europskim zemljama (Njemačka, Poljska, Švedska i sl.) koje značajno koriste sunčevu energiju, Bosna i Hercegovina čiji je kapacitet 10% - 30% veći od kapaciteta navedenih zemalja ne iskorištava dovoljno isti. Prema istraživanjima, potencijal solarne energije u BiH su oko 70,5 milijuna GWh/godišnje. Dakle, BiH ima povoljan geografski položaj što se tiče potencijala sunčeve energije. ________________________________________________________________________________

7


Bosna i Hercegovina leži u pojasu prosječne ozračenosti (JI Europa) čije se godišnje vrijednosti kreću u granicama od 1600 kWh/m2 do 1800 kWh/m2 za južne dijelove i u granicama od 1200 kWh/m2 do 1600 kWh/m2 za sjeverne dijelove (Slika 2.6).

Slika 2.6 Prosječne vrijednosti godišnje količine zračenja na horizontalnu plohu za područje Europe (od 2004. do 2010. godine) (URL 3)

Ukoliko promotrimo Slika 2.7, možemo zaključiti da će zbog različite količine zračenja, za različite dijelove BiH, biti i različita proizvodnja, odnosno dobit električne energije. Grad Livno se nalazi u jugozapadnoj BiH što je gotovo najpovoljniji položaj što se tiče insolacije. Godišnja količina sunčeve energije je za to područje između 1350 kWh/m2 i 1201450 kWh/m2 što je vrijednost pri vrhu skale prosječne godišnje ozračenosti čitave BiH. Jedino krajnja južna područja imaju veću količinu sunčeve energije po m2. U Bosni i Hercegovini vrijednost dnevne količine zračenja na horizontalnu površinu kreću se od 3,2 kWh/m2 (Bosanski Brod) do 4,3 kWh/m2 (Trebinje).

________________________________________________________________________________ 8


Slika 2.7 Potencijal sunčeve energije u BiH s vrijednostima globalnog zračenja (URL 3)

2.3 OSNOVNI PRINCIPI DIREKTNOG ISKORIŠTAVANJA ENERGIJE SUNCA

Sunčeva energija koja dospije na površinu Zemlje djelomično se može iskoristiti za aktivno dobivanje toplinske i električne energije. Dakle, postoje dva osnovna načina pretvorbe sunčeve energije u neki drugi oblik energije:

toplinska pretvorba – pretvorba sunčeve energije u toplinsku energiju (solarni kolektori), fotonaponska pretvorba – direktna pretvorba sunčeve u električnu energiju (solarni paneli).

U nastavku ćemo se fokusirati na korištenje fotonaponskih ćelija (fotonaponska pretvorba), pa će ostali načini korištenja sunčeve energije biti opisani samo ukratko (toplinska pretvorba).

Sunčani toplovodni sustav je glavni dio bilo kojeg toplinskog solarnog sustava. Kolektor apsorbira energiju sunčevog zračenja i pretvara je u termičku energiju tj. u toplinu. Toplina se nadalje može iskoristiti za zagrijavanje vode ili zraka, odnosno za njihovo hlađenje. Pretvorba sunčeve energije u toplinsku temelji se na apsorpciji sunčeve svjetlosti koja upada na površinu kolektora. Količina apsorbirane energije ovisi o spektralnoj razdiobi svjetlosti i karakteristikama materijala od kojih je izrađena površina. Najveća količina sunčeve energije koja se pretvara u toplinu u solarnim kolektorima (oko 50%) sadržana je u vidljivom dijelu spektra sunčeva zračenja s valnim duljinama između 400 nm i 750 nm. Toplinski solarni kolektori mogu se podijeliti na različite načine, a najčešće se dijele prema mogućnosti zakretanja i radnoj temperaturi. Koriste se uglavnom za grijanje bazena i prostorija. Pločasti sunčevi kolektori pružaju godišnju efikasnost do 60%, a kao radni fluid koriste vodu ili propilen glikol. Vakuumski solarni kolektori imaju iste navedene karakteristike, osim što kao radni medij koriste i alkohol. Postoje i sustavi za hlađenje pomoću sunčeve energije. Navedeni sustavi su pogodniji za hladne klime s manjom insolacijom (Dović,D.2017).

________________________________________________________________________________ 9


Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona. Fokusiranje se postiže pomoću mnogo leća ili češće pomoću zrcala složenih u tanjur ili konfiguraciju tornja. Do sada su napravljeni demonstracijski sustavi koji imaju izlaznu snagu iznad 10 MW. Ti sustavi imaju mogućnost rada preko noći i u slučaju nepovoljnih vremenskih uvjeta.

2.3.1 Fotonaponska pretvorba sunčevog zračenja

Direktna konverzija sunčeve energije u električnu energiju događa se u solarnim (sunčevim, foronaponskim) ćelijama. Rad takvih ćelija temelji se na principu fotoelektričnog efekta. Odnosno, kad se sunčevo zračenje apsorbira u solarnoj ćeliji, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila tako da se ćelija obasjana sunčevim zračenjem može koristiti kao izvor električne energije (Kulišić, P.).

Primarni ciljevi koji se postavljaju pri istraživanjima solarnih ćelija su povećanje faktora korisnosti pretvorbe sunčeve energije u električnu i smanjenje cijene komercijalno dostupnih solarnih ćelija. Solarne ćelije izrađuju se od različitih tipova poluvodičkih materijala, koji mogu biti složeni u različite strukture. Ipak, do danas je tehnologija proizvodnje solarnih ćelija temeljena na kristalnom siliciju ostala dominantna jer je, zahvaljujući primjeni u elektroničkoj industriji, ova tehnologija dosta raširena i poznata, a dokazana je i njena pouzdanost.

Elektromagnetsko zračenje Sunca ima dualnu prirodu, odnosno ponaša se kao val i kao čestica foton). Fotoni su čestice bez naboja koje se u vakuumu kreću brzinom svjetlosti, te posjeduju energiju. U metalima i poluvodičima postoje elektroni koji su valentni (vezani u atome) ili slobodni. Valentni elektron postaje slobodan kada dobije energiju jednaku ili veću od energije veze. Energija veze predstavlja energiju kojom je elektron vezan za atom u nekoj od atomskih veza. U slučaju fotonaponskog efekta, valentni elektron postaje slobodan pri sudaru s fotonom ako je energija fotona veća od energije veze elektrona, pri čemu se preostali dio energije pretvara u kinetičku energiju slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobiveni fotonaponskim efektom nazivaju se fotoelektroni. Energija veze elektrona ovisi o vrsti materijala. Ako je energija fotona manja od energije veze, elektron se neće osloboditi, pa je poželjno da materijal u kojem se odvija pretvorba energije Sunca u električnu energiju ima što manju energiju veze.

Solarna ćelija je u osnovi spoj P i N tipa poluvodiča. Na Slika 2.8 je prikazan poprečni presjek silicijeve solarne ćelije. Na površini pločice P tipa poluvodiča difundirane su primjese (npr. fosfor), tako da na tankom površinskom sloju nastane područje N tipa poluvodiča. Da bi se skupili slobodni elektroni nastali nakon sudara s fotonima iz sunčeva zračenja, na prednjoj površini ćelije nalazi se metalni kontakt u obliku rešetke koja pokriva do 5% površine, tako da gotovo ne utječe na apsorpciju sunčevog zračenja. Stražnja strana ćelije u potpunosti je prekrivena metalnim kontaktom. Prednja površina ćelije može biti prekrivena prozirnim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svjetlosti (Smaka, S2016).

________________________________________________________________________________ 10


Slika 2.8 Solarna ćelija kao spoj P i N tipa poluvodiča (Kulišić, P.1991)

P tip poluvodiča ima visoku koncentraciju šupljina, koje su nositelji pozitivnog naboja, i nisku koncentraciju elektrona. N tip poluvodiča ima visoku koncentraciju elektrona i vrlo nisku koncentraciju šupljina. Spajanjem P i N tipa poluvodiča javlja se difuzno kretanje većinskih nositelja naboja, odnosno proces prijelaza pokretnih naboja koji nastaje kao posljedica razlike u koncentracijama na različitim mjestima. Naboji će se kretati od mjesta veće koncentracije prema mjestu manje koncentracije, odnosno elektroni se difuzno počinju kretati sa N strane na P stranu, a šupljine se difuzno kreću sa P strane na N stranu.

Međutim, nakon prijelaza većinskih nositelja na suprotnu stranu, oni nailaze na veliku koncentraciju nositelja suprotnog predznaka. Kad se susretnu suprotni nositelji, elektron i šupljina, oni se rekombiniraju: elektron popuni šupljinu i oboje prestaju postojati kao slobodni nositelji. Zato će i s jedne i s druge strane oko mjesta kontakta nastati područje u kojemu je znatno smanjena koncentracija slobodnih nositelja naboja. Ovo područje se zove osiromašeno područje. U blizini kontakta na N strani ostaju pozitivni donorski ioni, a na P strani ostaju negativni akceptorski ioni. Između ovih naboja formira se električno polje kontakta orijentirano od N prema P strani. Kada nakon sudara valentnog elektrona s fotonom nastupi proces prijelaza valentnog elektrona u slobodno stanje, kao nusproizvod nastaje i šupljina. Ako par elektron-šupljina nastane daleko od osiromašenog područja PN spoja, moguće je da se rekombiniraju prije nego ih razdvoji električno polje kontakta. Međutim, par koji nastane uz osiromašeno područje ili u njemu, izložen je djelovanju električnog polja kontakta uslijed kojeg dolazi do privlačenja šupljine prema P strani poluvodiča, a elektrona prema N strani poluvodiča. Dakle, fotoelektroni i šupljine u poluvodičima gomilaju se na suprotnim krajevima i na taj način stvara se razlika potencijala, odnosno napon na krajevima spoja. Dakle, kad se solarna ćelija osvijetli, kontakt na P-dijelu postaje pozitivan, a na N-dijelu negativan. Ako se taj spoj priključi na vanjsko električno trošilo, npr. otpornik ili sijalica, dolazi do usmjerenog kretanja elektrona u jednom smjeru, odnosno proizvodnje električne energije. Na trošilu se električna energija pretvara u neki drugi oblik energije, pri čemu elektroni raspršuju dio energije i vraćaju se u počeno stanje tako da cijeli proces može ponovno započeti. Dakle, s obzirom da se elektroni uvijek kreću u jednom smjeru, solarna ćelija izložena sunčevom zračenju se ponaša kao izvor istosmjerne struje. Na Slika 2.9 je prikazan princip rada solarne ćelije (Kulišić,P.1991).

________________________________________________________________________________ 11


Slika 2.9 Princip rada solarne ćelije (Smaka, S2016)

Postoje različiti faktori koje je moguće izračunati, kao što je faktor ispune solarne ćelije ili faktor korisnosti. U svrhu ovog rada, zanimljiv je posljednje navedeni faktor. Faktor korisnosti solarne ćelije η definira se kao odnos maksimalne električne snage ćelije i ukupne snage sunčevog zračenja koje pada na ćeliju:

η=I m ×Um

G× A=

F ×U ok × I ks

G × A

gdje je:

Im – struja u točki maksimalne snage

Iks – struja kratkog spoja

Um – napon u točki maksimalne snage

Uok – napon otvorenog kruga

F – faktor ispune solarne ćelije

G – intenzitet sunčevog zračenja

A – površina solarne ćelije

Faktor korisnosti solarne ćelije je veći što je faktor ispune2 bliži jedinici i što je veći iznos struje kratkog spoja.

Promjena intenziteta ozračenja (iradijacije) značajno utječe na U-I karakteristiku3 ćelije. Intenzitet ozračenja ovisi o čitavom nizu parametara kao što su kut upada sunčevih zraka, doba dana i godine, utjecaj atmosferskih prilika, zasjenjivanje ćelije od strane okolnih objekata i sl. Promjena snage solarne ćelije u ovisnosti o iradijaciji prikazana je na Slika 2.10. Maksimalna snaga približno linearno ovisi o intenzitetu sunčevog zračenja.

2 Faktor ispune solarne ćelije predstavlja omjer površine pravokutnika čije su stranica Um i Im i pravokutnika sa stranicama Uok i Iks. Faktor ispune pokazuje koliko se realna solarna ćelija približava idealnoj, odnosno koliki je utjecaj serijske otpornosti ćelije. Njegova vrijednost je obično između 0,7 i 0,9, a ovisi ov kvaliteti PN sloja i unutrašnjoj otpornosti ćelije.3 U-I karakteristika predstavlja radno područje solarne ćelije u kojem ćelija proizvodi električnu energiju.________________________________________________________________________________

12


Slika 2.10 Ovisnost snage solarnih ćelija o intenzitetu sunčeva zračenja (Smaka, S2016)

Pri većim vrijednostima serijske otpornosti dolazi do smanjenja faktora korisnosti ćelije. Temperatura solarne ćelije može doseći vrlo visoke vrijednosti ako je intenzitet sunčevog zračenja veći, ako su više temperature okolnog zraka i ako je u pitanju nedostatak vjetra.

Razvoj solarnih ćelija je prošao kroz tri generacije, koje karakterizira korištenje sljedećih poluvodičkih materijala i tehnologija:

prva generacija – solarne ćelije temeljene na korištenju monokristalnog silicija (c-Si) i polikristalnog silicija (p-Si),

druga generacija – tankoslojne ili tanki film (thin-film) solarne ćelije temeljene na korištenju amorfnog silicija (a-Si) i spojevima poluvodičkih materijala kao što su galij-arsenid (GaAs), bakar-indij-galij-selenid (CIGSe) i kadmij-telurid (CdTe) te organske i hibridne solarne ćelije,

treća generacija – višespojne (kaskadne, multi-junction) solarne ćelije, ćelije s međupojasevima, ćelije s vrućim nosiocima, ćelije s pretvorbom sunčevog spektra itd.

Pogledati Slika 2.11.

Slika 2.11 Neki od tipova fotonaponskih ćelija

U Tablica 2.1 su prikazane neke karakteristike navedenih tipova solarnih ćelija. Sukladno istim, u praksi su najčešće korištene monokristalne, polikristalne i tankoslojne fotonaponske ćelije.

________________________________________________________________________________ 13

točka maksimalne snage


Tablica 2.1 Karakteristike različitih tipova solarnih ćelija

Tip solarne ćelije Faktor korisnosti [%] Neke karakteristike

c-Si 14 - 18 najčešće korištene u praksi, proizvode više energije, okrugle

pločice, silicij čest element u prirodi, niska cijena proizvodnje

p-Si 10 -13 brža i jeftinija proizvodnja polikristalnog silicija, pravokutne

pločice, silicij čest element u prirodi, niska cijena proizvodnje

s-Si 10,5 (u laboratorijskim uvjetima)

10 (u početnom stanju)

6-8 (u stabilnom stanju)

faktor korisnosti se smanjuje kroz vremenski period nakon prvog

izlaganja sunčevoj svjetlosti, niži faktor korisnosti, koriste se u opremi gdje je potrebna mala električna snaga (ručni satovi,

džepni kalkulatori i sl.)

CdTe 16,5 dobra svojstva i jeftina proizvodnja ali se ne koriste radi sumnji u kancerogenost kadmija

(teški metal)

CIGSe 22,6 (u laboratorijskim uvjetima)

15 (u komercijalnim svrhama)

CIGSe ima visok koeficijent apsorpcije, pa je potreban tanak

sloj materijala

GaAs 44,4 (kad je sunčevo zračenje fokusirano)

30 (kad zračenje nije fokusirano)

galij je rijedak element u prirodi, a arsen kancerogen, visok

koeficijent apsorpcije

Izlazni napon i snaga jedne solarne ćelije su relativno mali. S ciljem postizanja viših napona i osiguranja potrebne snage, gotove solarne ćelije se međusobno spajaju električki, postavljaju na nosivu površinu i tako formiraju solarni moduli. Solarni paneli se potom konstruiraju električkim spajanjem solarnih modula i njihovim postavljanjem u kućište. Više serijski spojenih solarnih panela čine solarnu matricu. U nastavku pogledati Slika 2.12.

________________________________________________________________________________ 14


Slika 2.12 Solarna ćelija < modul < panel < matrica

Postoji mnogo čimbenika koji utječu na rad i efikasnost fotonaponskih sustava što ima za posljedicu i utjecaj na proizvodnju električne energije, odnosno energetsku dobit. Ti faktori su vezani za geografski položaj lokacije od interesa, odnosno za klimatske uvjete i za prostornu orijentaciju fotonaponskih sustava. U klimatske uvjete spadaju: broj sunčanih dana u godini, stanje atmosfere (vedro, poluoblačno, oblačno) i zagađenost atmosfere. S obzirom da se na njih ne može utjecati, posebnu pažnju treba posvetiti prostornoj orijentaciji fotonaponskih sustava. Prostorna orijentacija, odnosno pozicija fotonaponskih sustava definirana je preko nekoliko kutova u odnosu na Zemlju i Sunce. To su kut azimuta i kut inklinacije (Slika 2.13). Kut nagiba površine ili inklinacija je kut između površine solarnog prijamnika i horizontalne ravnine (na Slika 2.13– β). Kut orijentacije površine ili azimut je kut između pravca juga i projekcije n' prave normale n (na Slika 2.13– γ).

Slika 2.13 Optimalni kutovi inklinacije i azimuta za postavljanje fotonaponskog sustava

________________________________________________________________________________ 15


2.4 OPTIMALNI KUT INKLINACIJE I AZIMUTA TE ANALIZA SOLARNOG POTENCIJALA GRADA LIVNA ZA 2015. GODINU

Prema radu Umihanić i dr., (2015) za grad Livno (lokacija: 43°49'35'' sjeverno te 17°00'37'' istočno) optimalan kut inklinacije iznosi 30° te kut azimuta 3°. Proizvodnja električne energije je najveća kad je količina sunčevog zračenja koje dospijeva do fotonaponskog sustava najveća moguća. Da bi to bilo realizirano, fotonaponski sustav treba postaviti u optimalan položaj prema Suncu. Optimalan položaj je funkcija geografskog položaja i različit je za različite lokacije na Zemlji. Također, isti je funkcija vremena, odnosno doba dana i godine. Pomoću softvera PVGIS Umihanić i dr. (2015) su izračunali prethodno navedene kutove inklinacije i azimuta te su isti uzeti kao fiksni. Nominalna snaga fotonaponskog sustava je 1 kW. PVGIS pruža popis solarnih energetskih resursa i procjenu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih sustava temeljen na geografskoj karti u Europi, Africi i jugozapadnoj Aziji. Kao optimalni solarni paneli su korišteni kadmij telurid (CdTe) tipovi panela zbog toga što imaju najmanju emisiju štetnih plinova u životnom ciklusu te zbog toga što je utrošak energije za proizvodnju CdTe modula najmanji od svih fotonaponskih modula. Konačno, parametri koji su korišteni za izračun proizvodnje električne energije za grad Livno su:

nominalna snaga fotonaponskog sustava 1 kW (CdTe) procijenjeni gubici zbog temperature i slabog zračenja: 1,3% (koristeći lokalne temperature

okoline) procijenjeni gubitak zbog efekta refleksije: 2,9% ostali gubitci (kablovi, invertor i sl.): 14,0% kombinirani gubici fotonaponskog sustava: 17,5%

Na Slika 2.14 je prikazana simulacija proizvodnje električne energije za različite dijelove BiH po mjesecima.

Slika 2.14 Grafički prikaz moguće proizvodnje električne energije iz fotonaponskog sustava snage 1 kW po mjesecima za različite dijelove BiH (Umihanić i dr., 2015)

Na Slika 2.15 je dan grafički prikaz moguće proizvodnje električne iz fotonaponskog sustava na godišnjem nivou za nekoliko gradova u BiH.

________________________________________________________________________________ 16


Slika 2.15 Moguća proizvodnja električne energije fotonaponskih sustava od 1 kW za različite lokacije u BiH

Ukoliko analiziramo rezultate istraživanja navedenog rada vidimo da je proizvodnja električne energije fotonaponskog sustava snage 1 kW za grad Livno oko 1350 kWh/m2, što je gotovo najviše za sve analizirane gradove (osim Trebinja i Mostara). Ukoliko pogledamo Slika 2.14 i razmotrimo proizvodnju električne energije po mjesecima, optimalni rezultati su za razdoblje između srpnja i kolovoza (oko 170 kWh/m2), a najmanja iskoristivost Sunca kao izvora energija je u mjesecu prosincu (negdje oko 50 kWh/m2) za grad Livno. Ukupna količina energije godišnje je zapravo zbroj količine energije po mjesecima. Navedeni rezultati su reprezentativni za 2015. godinu.

Navedeni rad će pomoći pri izradi ovog diplomskog rada. Jedan od podataka koji će nam koristiti je prosječna količina energije svih mjeseci koja je zapravo aritmetička sredina podataka za svaki mjesec kroz broj mjeseci u godini. Jedan podatak je zapravo količina energije za jedan mjesec za fotonaponski panel snage 1 kW. Moguće je koristiti aritmetičku sredinu jer je graf proizvodnje električne energije približno simetričan (Slika 2.14). Međutim, izračunat ćemo i medijan podataka, tj. vrijednost koja je točno u sredini svih vrijednosti, odnosno od ukupnih podataka postoji 50% podataka koji imaju veću, te 50% podataka koji imaju manju vrijednost od iste.

Promotrimo grafički prikaz na slici 2.14. Količina energije po mjesecima redom iznosi: siječanj – 55 kWh, veljača – 65 kWh, ožujak – 110 kWh, travanj – 125 kWh, svibanj – 140 kWh, lipanj – 150 kWh, srpanj – 170 kWh, kolovoz – 160 kWh, rujan – 140 kWh, listopad – 110 kWh, studeni – 65 kWh, prosinac – 50 kWh.

Prosječna reprezentativna mjesečna količina energije, kao aritmetička sredina podataka za svaki mjesec, za fotonaponski panel snage 1 kW iznosi:

količinaenergije u siječnju (kWh )+…+količinaenergije u prosincu (kWh)brojmjeseci ugodini

=55 kWh+…+50 kWh12

≈ 110kWh

To je identično količini energije za mjesec ožujak. Uzet ćemo u obzir datum 1.3. jer je to količina energije za početak mjeseca te koja raste prema mjesecu travnju (promatrati graf na Slika 2.14. Također će biti izrađene karte za datume s minimalnom količinom energije te maksimalnom količinom energije (1.12. i 1.7.). Godišnja količina energije za grad Livno iznosi oko 1350 kWh za fotonaponski panel snage 1 kW.

Medijan podataka iznosi 117,5 kWh. Ista je vrijednost izračunata u softveru Microsoft Excel ________________________________________________________________________________

17


pomoću naredbe MODE. Ta je vrijednost količine energije točno između ožujka i travnja, te će se u ovom slučaju kao reprezentativni datum smatrati 15.3. Budući da je očekivana sunčeva radijacija slična kao i za datum 1.3. nema smisla provoditi analizu za oba datuma.

Prethodno navedena analiza se odnosi na 2015. godinu. U poglavlju će se odraditi ista analiza ali za 2019. godinu te će se provesti usporedba rada Umihanić i dr., (2015) te analize u softveru SAGA GIS 2.1.2 s ulaznim podacima prikazanim u Tablica 3.2.

Na web-izvoru Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) također je moguće jednostavno dobiti informacije o optimalnom kutu inklinacije i azimuta za postavljanje solarnih panela te prosječnu količinu sunčevog zračenja za cijelu godinu s intervalom od 1 mjesec (URL 16). Potrebne su samo koordinate lokacije. Na Slika 2.16 su prikazani rezultati dobiveni na prethodno navedenom izvoru s unesenim koordinatama grada Livna za 2019. godinu.

Slika 2.16 Analiza na web-izvoru PVGIS

________________________________________________________________________________ 18


Vidimo da su rezultati analize u PVGIS-u slični prethodno objašnjenom radu. Rezultati se odnose na 2019. godinu. Optimalan kut inklinacije je 34°. U nastavku će se provesti slična analiza. Dakle, cilj je dobiti količinu sunčevog zračenja po mjesecima, količinu zračenja za specifične datume te rezultate vizualizirati. U PVGIS-u su dostupni samo numerički podaci. Podatak o inklinaciji bit će korišten u daljnjoj analizi.

________________________________________________________________________________ 19


3 ANALIZA SOLARNOG POTENCIJALA ZA PODRUČJE UŽEG CENTRA GRADA LIVNA

3.1 ULAZNI PODACI

Jedan od ulaznih podataka za izračun solarnog potencijala je digitalni model reljefa. Postoje različiti komercijalni izvori satelitskih snimki koji daju dobru rezoluciju. Primjer su pankromatske snimke rezolucije 0,46 i 8-kanalne multispektralne snimke rezolucije 1,84 m koje nudi komercijalni satelit za promatranje Zemlje – WorldView-2. Međutim, besplatno dostupne satelitske snimke je moguće pronaći na stranicama USGS (URL 5). Na tom izvoru direktno su dostupni besplatni digitalni modeli reljefa koji su jedan od ulaznih podataka za analizu solarnog potencijala u slobodnom softveru SAGA GIS 2.1.2.

Konkretno, za izračun rastera insolacije koristit ćemo jedan od dva digitalna modela reljefa za područje od interesa. U obzir su uzeti SRTM-1 DMR koji pruža rezoluciju od 1'' (30 x 30 m) te ASTER DMR koji pruža istu rezoluciju. Pretraživanjem različitih besplatno dostupnih snimki zaključeno je da ova dva DMR-a pružaju najbolju rezoluciju. Osim toga koristit ćemo besplatne satelitske snimke Sentinel-2 čiji određeni kanali (konkretno drugi, treći, četvrti i osmi – Slika 3.17) pružaju rezoluciju od 10 x 10 m. Sentinel-2 snimke će nam poslužiti u doprinosu detaljnosti prikaza.

ASTER je napredni višespektralni optički senzor lansiran na NASA-inoj svemirskoj letjelici Terra. Senzor ASTER pokriva 14 spektralnih područja (od vidljivog do infracrvenog). Dodatni senzor koji pokriva blisko infracrveno područje i prikuplja podatke o reljefu s razlučivošću od 15 m dodan je na stražnji dio letjelice. Globalni DMR ASTER pokriva područje Zemlje između 85°S i 53°J u razlučivosti od 1''. Visine iz globalnog DMR-a ASTER dane su u geografskom koordinatnom sustavu i referencirane na horizontalni datum WGS84, dok su poljem ubrzanja sile teže povezane preko vertikalnog datuma EGM96. Do sada su javno publicirane dvije inačice globalnog DMR-a ASTER. Prva inačica daje razlučivost od 1'' te vertikalnu točnost od ±20 m. Veću vertikalnu točnost pruža druga inačica, a ona iznosi oko ±17 m. ASTER se distribuira u obliku granula koje sadrže dvije datoteke: visine i ocjenu točnosti. Svaka granula opisuje područje 1° (3601 x 3601 vrijednosti visina). Datoteka s ocjenama točnosti sadrži informacije o broju stereosnimaka za svaku vrijednost visine. Primjerice, u područjima malom prekrivenošću oblacima i visokog prioriteta korišten je veći broj stereosnimaka, dok su se u područjima jake naoblake i planina koristile samo dvije snimke (Varga, M., Bašić T., 2013)

Misija SRTM bila je prva satelitska misija koja je rezultirala izradom globalnog digitalnog DMR-a visoke razlučivosti s pokrivenošću od 60°S do 56°J geografske širine i prikupljanjem interferometrijskih podataka za oko 80% površine Zemlje. SRTM radar je letio na približno 233 m nadmorske visine. Predstavlja napredak kvalitete i detaljnosti DMR-ova. Neke globalne DMR inačice napravljene su iz prikupljenih podataka uključujući i modele SRTM-1 razlučivosti 30 x 30 m ili 1'', SRTM-3 razlučivosti 90 x 90 m ili 3'', SRTM-15 razlučivosti 500 x 500 m ili 15'' te SRTM-30 razlučivosti 900 x 900 m ili 30''.

Svaka Sentinel misija zasnovana je na konstelaciji od dva satelita kako bi bio ispunjen zahtjev pokrivenosti satelitima. U Sentinel misije su ugrađene različite tehnologije poput instrumenata za snimanje radarskih i multisprektralnih snimaka za praćenje zemlje, oceana i atmosfere i sl. Svim Sentinel misijama i satelitima na kojima se zasniva Copernicus program, upravlja Europska svemirska agencija. Sentinel-2, kao jedna od šest misija, je polarno orbitalna multispektralna misija ________________________________________________________________________________

20


snimanja visoke rezolucije za praćenje zemljišta i daje snimke vegetacije, pokrova tla i vode, unutarnjih vodenih tokova i obalnih područja. Sentinel-2 također dostavlja informacije za servise hitnih slučajeva. Sentinel-2A lansiran je 23. lipnja 2015, a Sentinel-2B 7. ožujka 2017. godine. Ovi su sateliti postavljeni u razmaku od 180°.

Slika 3.17 Kanali Sentinel-2 snimki rezolucije 10 x 10 m



Ostali ulazni podaci koje zahtijeva softver SAGA GIS 2.1.2 su (URL 6): lokacija u stupnjevima, minutama i sekundama, konstanta snage solarnog zračenja, vremensko razdoblje u kojem nas zanima količina solarnog zračenja te visina atmosfere, tlak vodene pare u zraku te vremenska rezolucija analize. Već smo prethodno utvrdili da konstanta solarnog zračenja iznosi E0sr = 1367,7 W/m2. Za naše područje visina atmosfere iznosi 12 km, a tlak vodene pare u zraku je 10 mbar-a. Za lokaciju su uzete koordinate centra grada Livna (Umihanić i dr., 2015), a vremenska rezolucija analize 30 minuta. Također su potrebni datumi minimalne, maksimalne i srednje količine sunčevog ________________________________________________________________________________

21


zračenja za grad Livno. Ti datumi su izračunati u poglavlju 2.3.2. Ulazni podaci za softver SAGA GIS pregledno su predstavljeni u Tablica 3.2 Ulazni parametri za analizu insolacije grada Livna usoftveru SAGA GIS.Tablica 3.2 Ulazni parametri za analizu insolacije grada Livna u softveru SAGA GIS

Softver SAGA GIS 2.1.2

Podloga (razlučivost)SRTM-1 Global DEM (30 x 30 m)

Sentinel-2 satelitske snimke (10 x 10 m)

Ulazni parametri Vrijednost parametra

tlak vodene pare 10 mbar

konstanta solarnog zračenja 1367,7 W/m2

visina atmosfere 12000 m

koordinate lokacije

(Livno - centar)

43°49'35'' SGŠ

17°00'37'' IGD

vremenska rezolucija analize 30 minuta

datum minimalne / maksimalne / prosječne količine sunčevog zračenja 1.12. / 1.7. / 1.3.

Prvi korak je preuzimanje podloge za kasniju obradu, tj. SRTM-1 DMR-a i Sentinel-2 satelitskih snimki u GeoTiff formatu sa stranice U.S. Geological Survey. Preuzete su Sentinel-2 snimke za datum 24.3.2019. jer je prekrivenost oblacima bila manja od 1%, za razliku od primjerice datuma 3.4.2019. kada je prekrivenost oblacima bila iznad 99%. Parametri preuzetih rastera prikazani su u Tablica 3.3 Parametri SRTM-1 DMR-a i Tablica 3.4.Tablica 3.3 Parametri SRTM-1 DMR-a i njihova vrijednost (URL 5)

Parametar Vrijednost parametra

ID objekta SRTM1N43E017V3

Datum snimanja 11-FEB-00

Datum objave 23-SEP-14

Rezolucija 1-ARC

SZGŠ kuta 44°00'00.00"N

SZGD kuta 17°00'00.00"E

SIGŠ kuta 44°00'00.00"N

SIGD kuta 18°00'00.00"E

JIGŠ kuta 43°00'00.00"N

JIGD kuta 18°00'00.00"E

________________________________________________________________________________ 22


JZGŠ kuta 43°00'00.00"N

JZGD kuta 17°00'00.00"E

Tablica 3.4 Parametri Sentinel-1 satelitske snimke i njihova vrijednost

Parametar Vrijednost parametra

ID objekta L1C_T33TXJ_A010687_20190324

T095522

Datum početka snimanja 2019-03-24T09:55:22.688Z

Datum kraja snimanja 2019-03-24T10:07:42.281Z

Broj snimka T33TXJ

Prekrivenost oblacima .7585

Agencija ESA

Platforma SENTINEL-2B

Posrednik SGS_

Broj snimke posrednika L1C_T33TXJ_A010687_20190324

T095522

Broj orbite 79

Smjer orbite Descending Orbit

Verzija softvera 02.07

Datum objave 2019-03-24T13:34:30.000000Z

Geodetski datum WGS84

Projekcija UTM

UTM zona 33N

EPSG kod 32633

Rezolucija 10, 20, 60

Jedinica METER

Srednjak zenitnog kuta 44.4236864953294

Srednjak azimuta 158.252279756845

Srednja geografska širina 43°44'34.56"N

Srednja geografska dužina 16°55'25.47"E

________________________________________________________________________________ 23

https://lta.cr.usgs.gov/DD/Sentinel2.html#platform


3.2 USPOREDBA INSOLACIJE ZA PODRUČJE GRADA LIVNA ZA 2015. GODINU PREMA RADU UMIHANIĆA I DR. (2015) TE IZRAČUNATE INSOLACIJE ZA ISTO PODRUČJE U SOFTVERU SAGA GIS 2.1.2

U radu navedenom u naslovu postoje gotovi izračuni količine sunčeve energije za područje grada Livna za 2015. godinu. Zadatak je dobiti količinu energije za svaki mjesec za isto područje, ali za 2019. godinu. Nakon toga potrebno je provesti usporedbu količine energije po mjesecima za 2015. godinu i 2019. godinu te usporedbu ukupne godišnje količine sunčeve energije te je li došlo do nekih promjena.

U Tablica 3.5 su prikazani rezultati analize koja je provedena u softveru SAGA GIS 2.1.2 uz pomoć modula Potential Incoming Solar Radiation. Analiza je provedena za područje šireg centra grada Livna za 2019. godinu. Kao podloga korišten je DMR Sentinel-2 misije rezolucije 10 x 10 m. Ostali ulazni podaci prikazani su u Tablica 3.2. Rasteri nisu prikazani jer su nam potrebni samo brojčani podaci o količini sunčeve energije za svaki mjesec radi vizualizacije u obliku grafa. Očekivana je veća količina sunčeve energije nego 2015. godine zbog eksponencijalno rastućeg globalnog zatopljenja, ali slično kretanje iste. Posljedično, ne očekuje se identičan grafički prikaz kao što je prikazan u radu Umihanić i dr., (2015).Tablica 3.5 Količina sunčeve energije po mjesecima za 2019. i 2015. godinu te razlika

Mjesec Prosječna insolacija

(kWh/m2) – SAGA GIS

2.1.2

Prosječna insolacija

(kWh/m2) – Umihanić i

dr. (2015)

Razlika (kWh)

siječanj 55 55 0

veljača 60 65 +5

ožujak 100 110 +5

travanj 130 125 -5

svibanj 160 140 -20

lipanj 180 150 -30

srpanj 190 170 -20

kolovoz 175 160 -20

rujan 145 140 -5

listopad 105 110 +5

studeni 60 65 +5

prosinac 40 50 +10

Podsjetimo se, prema radu Umihanić i dr. (2015), ukupna godišnja količina sunčeve energije iznosi 1350 kWh/m2. Prosječna mjesečna količina sunčeve energije, kao aritmetička sredina količine energije po mjesecima je 110 kWh/m2 što odgovara količini sunčeve energije za mjesece ožujak i listopad. Zbog toga se ta dva mjeseca mogu uzeti kao reprezentativna prilikom različitih proračuna.

________________________________________________________________________________ 24


Ukupna godišnja količina sunčeve energije za 2019. godinu iznosi 1400 kWh/m2 i predstavlja zbroj količine sunčeve energije za svaki mjesec. Prosječna količina sunčeve energije, kao aritmetička sredina uzoraka je približno 115 kWh/m2. Uzorci predstavljaju količinu sunčeve energije za svaki mjesec (tablica) te se zbroj količine sunčeve energije (godišnja količina energije) podijeli s brojem mjeseci da bi se dobio odgovarajući rezultat. Tolika količina sunčeve energije odgovara datumu između ožujka i travnja. Količina sunčeve energije za ožujak iznosi 100 kWh te prema travnju raste do 130 kWh po m2, pa će se kao reprezentativan datum prilikom kasnijih izračuna koristiti 15.3.2019. To je datum s prosječnom mjesečnom količinom sunčeve energije.Promotrimo Tablica 3.5. Možemo zaključiti da je ukupna količina sunčeve energije za 2019. godinu nešto viša nego za 2015. godinu. Taj podatak možemo povezati s eksponencijalno rastućim globalnim zatopljenjem. Također moguće je zaključiti da postoje veće oscilacije u količini sunčeve energije za zimske u odnosu na ljetne mjesece. Maksimalna količina sunčeve energije je za mjesec srpanj i ona iznosi 190 kWh/m2 dok je u prosincu 40 kWh/m2 te je za 2019. godinu to najveća razlika u količini sunčeve energije i ona iznosi 150 kWh/m2. Za 2015. godinu razlika između mjeseca s maksimalnom količinom sunčeve energije – srpnja te mjeseca s minimalnom količinom sunčeve energije – prosinca je manja i iznosi 120 kWh/m2. To je jedan primjer u kojem uočavamo veću oscilaciju količine sunčeve energije između toplijih i hladnijih mjeseci. Posljedično, za 2019. godinu je veća količina sunčeve energije u ljetnim mjesecima nego za 2015. godinu, te niža količina sunčeve energije u hladnijim mjesecima nego za 2015. godinu. Također, potrebno je napomenuti da se za maksimum količine sunčeve energije uzima jedan dan u mjesecu, obično prvi dan. Tako je reprezentativan datum za maksimalnu količinu sunčeve energije 1.7.2019, a za minimalnu 1.12.2019. te će se ti datumi koristiti u kasnijoj obradi i analizi u softveru. Moguće je provesti analizu za čitav mjesec, međutim to zahtjeva mnogo vremena i memorije, a rezultati su gotovo identični.Na Slika 3.20 je prikazan graf kretanja količine sunčeve energije

________________________________________________________________________________ 25


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Graf kretanja količine sunčeve energije po mjesecima za 2019. i 2015. godinu

količina sunčeve energije (2019)

količina sunčeve energije (2015)

mjesec u godini

količ

ina

sunč

eve

ener

gije

(kW

H)

Slika 3.20 Graf kretanja količine sunčeve energije po mjesecima

Iz grafa možemo zaključiti da je kretanje sunčeve energije za 2015. i 2019. godinu slično te je pravilnog simetričnog oblika. Graf raste prema ljetnim mjesecima gdje vrijednosti dostižu svoj maksimum te padaju prema zimskim mjesecima i vrijednosti se prema kraju godine podudaraju s onim na početku godine. Već je objašnjena količina sunčeve energije po mjesecima te razlika u 2015. i 2019. godini. Ovim grafom se samo nastoji prikazati kretanje energije. Možemo također zaključiti da je kretanje u mjesecima na početku i na kraju godine identično za 2015. i 2019. godinu, a da se nešto više razilazi u ljetnim mjesecima, gdje je za 2019. godinu prikazana veća količina sunčeve energije. Razlika je uočljiva i na kraju godine, gdje je manja količina sunčeve energije za 2019. godinu, ali je ta razlika vrlo mala. Već je rečeno da se veće oscilacije u količini sunčeve energije u posljednje vrijeme te nešto veća ukupna količina sunčeve energije mogu povezati s globalnim zatopljenjem koje kao posljedicu ima različite klimatske promjene – nešto toplija ljeta i moguće hladnije zime.

Još je potrebno napomenuti da se kao mjesečna količina sunčeve energije nije uzimala niti maksimalna niti minimalna količina energije nego srednja bliže maksimalnom. To je iz razloga što će se paneli uglavnom nastojati postaviti na plohe okrenute prema jugu i na materijale s manjim albedom. Međutim, to neće uvijek biti moguće, pa zbog toga u obzir nisu uzete maksimalne količine sunčeve energije. Također, može dođi do manje insolacije od predviđene za određeni mjesec i mnogi drugi razlozi. Zbog toga je najbolje uzeti onu količinu energije koja je nešto viša od mjesečnog prosjeka.

3.3 ANALIZA INSOLACIJE GRADA LIVNA NA GODIŠNJOJ I MJESEČNOJ RAZINI TE ZA SPECIFIČNE DATUME ZA 2019. GODINU

Nakon prikupljanja podataka, u softveru SAGA GIS 2.1.2 izrežemo SRTM-1 digitalni model reljefa na područje od interesa (centar grada Livna). Potrebno je skinuti tri susjedna DMR-a, jer se područje grada Livna nalazi točno na rubovima tih rastera. Zatim spojimo te rastere naredbom

________________________________________________________________________________ 26


mosaicking u istom softveru. Da bismo na učitanim rasterima odredili centar i granice grada Livna sa stranice Overpass Turbo (URL 7) preuzmemo vektorske podatke. Ključ i vrijednost ključa koje ćemo koristiti na stranici za preuzimanje vektorskih podataka, po algoritmu key=value, je place=town (URL 8). Kao rezultat dobijemo vektorski objekt tipa linestring u GeoJSON formatu. Taj podatak učitamo u QGIS te ga nakon uređivanja i odvajanja samo granica od interesa spremimo u HTRS96/TM koordinatnom sustavu radi daljnje obrade, jer je i projekt u istom sustavu.

Daljnju analizu provodimo u početnom softveru – SAGA GIS 2.1.2. Podloga za provedbu analize je digitalni model reljefa naveden u Tablica 3.2. Prvo ćemo za područje cijelog grada Livna provesti analizu prosječne godišnje insolacije koristeći modul Potential Annual Insolation (URL 9).

Prije pokretanja modula, potrebno je napomenuti kakve rezultate očekujemo. Za to će nam trebati albedo različitih tvari (Tablica 3.6) te reljef i satelitska snimka grada Livna (Slika 3.21). Nije nužno provoditi klasifikaciju područja pomoću softvera radi sigurnosti utvrđivanja je li na nekom području uistinu šuma ili možda niska vegetacija, jer je odabrano područje osobno dobro poznato i sa sigurnošću je moguće utvrditi gdje je šuma, gdje naselje i sl. Satelitska snimka je preuzeta sa softvera Google Earth Pro. Na snimci možemo razlučiti većinom ravničarsko područje. U središtu je gusta koncentracija zgrada i cesta. Na sjeveru snimke možemo prepoznati krške oblike te šumu. Posljedično, potreban nam je albedo asfalta, betona, krovnog pokrova, trave i šume. Albedo (bjelina) (znak A), fizikalna veličina koja opisuje odražavanje svjetlosti s površine tijela koja sama ne svijetle, omjer toka zračenja odražene svjetlosti prema toku zračenja svjetlosti koja je pala na tijelo. Potpuno bijelo tijelo odrazilo bi svu svjetlost i imalo albedo jednak jedan, a apsolutno crno tijelo ne bi odrazilo ništa i imalo bi albedo jednak nuli. Mjerna je jedinica albeda broj jedan (URL10). Odnosno, neka tijela odbijaju više svjetlosti, a druga suprotno apsorbiraju više te odbijaju manje svjetlosti. Sukladno tome očekivana godišnja količina sunčeve energije je različita za područje šume, niske vegetacije, krovova kuća i sl.

________________________________________________________________________________ 27

http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=12813




Slika 3.21 Satelitski prikaz grada Livna (Google Earth Pro)

Tablica 3.6 Albedo različitih tvari

Materijal, tvar, tijelo Vrijednost albeda (%)

šuma 5-10

trava 25-30

snijeg 80

asfalt 5-20

krovni pokrov 10-15

U Tablica 3.6 su prikazane vrijednosti albeda za različite tvari. Vidimo da najveći albedo ima snijeg te ćemo tu očekivati najmanju količinu sunčeve energije. Najmanji albedo imaju krovni pokrov i šuma te ćemo na područjima prekrivenim šumom i naseljem očekivati veću godišnju količinu sunčeve energije. Konkretno, prema slici očekujemo na rubnim područjima gdje su šuma i naselja u Livnu veću količinu sunčeve energije. Budući da je u središtu većinom ravnica prekrivena travom tu očekujemo manju količinu sunčeve energije prilikom analize insolacije na području od interesa. Na ovaj način je moguće povezati količinu sunčeve energije i albedo te predvidjeti rezultate. Rezultati analize prikazani su na Slika 3.22.

________________________________________________________________________________ 28


Slika 3.22 Rezultati analize u softveru za 2019. godinu

Vidimo da je najveća količina sunčeve energije u rubnim područjima grada Livna koja prekrivaju šume i niska vegetacija. Kao što je već spomenuto, u središnjem dijelu je Livanjsko polje, odnosno ravničarsko područje gdje je podloga trava koja upija nešto manju količinu sunčeve energije, pa je i insolacija niža. Količina sunčeve energije je prosječna godišnja. Da su, primjerice, izolirane samo površine okrenute ka jugu i šumu godišnja količina sunčeve energije bi bila veća, točnije maksimalna. Također, da je računata količina sunčeve samo za travnata područja i područja okrenuta ka sjeveru, ista bi bila mnogo manja, odnosno minimalna. Također, razlike bi se pojavile da je račun proveden samo za zimske ili samo za ljetne mjesece. Zbog toga je ovaj prikaz reprezentativan, te je godišnja količina sunčeve energije realna i prosječna jer su u obzir uzeti svi mjeseci u godini te svi materijali i sve površine bez obzira na orijentaciju. U nastavku će biti obrađeno uže područje, odnosno centar grada gdje uglavnom prevladavaju zgrade. Na taj način ćemo vidjeti kolika je količina sunčeve energije ovisno o tome radi li se o materijalu krova zgrada, asfaltu, betonu, vegetaciji i sl. Točnije, analiza će biti nešto detaljnija. Prethodna analiza dala je općenite rezultate. Naseljenog područja i cesta nema mnogo. Isti se nalaze na donjem rubu Livanjskog polja te na granici između polja i planina na rubovima. Zbog toga su rezultati uglavnom generalizirani te je izračun proveden ovisno o reljefu (Slika 3.23) i pokrovu (šuma, trava), a naselje i ceste su neprimjetni u odnosu na područje i količina insolacije nad tim područjima je prilikom izračuna pridružena insolaciji za oblike i pokrove koji prevladavaju.

________________________________________________________________________________ 29


Slika 3.23 Reljef grada Livna

Na Slika 3.24 je prikazano područje koje će biti detaljnije obrađeno u smislu izračuna količine sunčevog zračenja. Područje obuhvaća širi centar grada Livna. Na Slika 3.25 vidimo da se područje uglavnom sastoji od zgrada, cesta i nešto manje vegetacije. Prema tablici, očekivana je nešto veća insolacija za područje prekriveno šumom, manja za područje prekriveno zgradama i asfaltom te najmanja za područje prekriveno travom.

________________________________________________________________________________ 30


Slika 3.24 Područje šireg centra grada Livna koje će se obrađivati (pravokutnik)

Slika 3.25 Uvećano područje obrade

________________________________________________________________________________ 31


Prilikom izračuna insolacije na manjem području od interesa korištene su Sentinel-2 satelitske snimke rezolucije 10 x 10 m. Potrebno je koristiti takve snimke jer se analizira manje područje i potreban je detaljniji prikaz koji ne bi bio postignut ukoliko bi koristili SRTM-1 satelitske snimke rezolucije 30 x 30 m kao u prethodnoj analizi za cijeli grad. Uočeno je da je izračun sunčeve radijacije na neki način generaliziran te da je insolacija za područja na kojima je naselje izračunata kao da se tu nalazi trava. Razlog tomu je niža rezolucija satelitskih snimki te jer je područje naselja površinom neznatno u odnosu na polje koje većinski prevladava.

Parametri podloge koja je korištena navedene su u Tablica 3.4. Ostali ulazni podaci koje zahtijeva softver SAGA GIS 2.1.2 su (URL 6): lokacija u stupnjevima, minutama i sekundama, konstanta snage solarno zračenja, vremensko razdoblje u kojem nas zanima količina solarnog zračenja te visina atmosfere, tlak vodene pare u zraku te vremenska rezolucija analize. Već smo prethodno utvrdili da konstanta solarnog zračenja iznosi E0sr = 1367,7 W/m2. Za naše područje visina atmosfere iznosi 12 km, a tlak vodene pare u zraku je 10 mbar-a. Za lokaciju su uzete koordinate centra grada Livna (Umihanić i dr, 2015), a vremenska rezolucija analize 30 minuta. Također su potrebni datumi minimalne, maksimalne i srednje količine sunčevog zračenja za grad Livno. Ponovimo, analiza će se provesti za datume s maksimalnom i minimalnom količinom sunčeve energije na horizontalnu plohu, za godinu 2019. To su 1.7.2019. i 1.12.2019. Također izračunat je datum sa srednjom količinom sunčeva zračenja uzimajući u obzir podatke za čitavu godinu, a to je 15.3.2019. godine. Izračunat je mod svih uzoraka u softveru Microsoft Excel, za 2015. godinu i zanimljivo je da se podudara s aritmetičkom sredinom uzoraka za 2019. godinu. Uzorke predstavljaju količine sunčeva zračenja za svaki mjesec. Mod uzoraka je ona količina sunčevog zračenja koja odgovara datumu 15.3. Potrebno je još napomenuti da se navedene količine energije odnose na fotonaponski panel snage 1 kW. Ulazni podaci za softver SAGA GIS 2.1.2 pregledno su predstavljeni u Tablica 3.2 Ulazni parametri za analizu insolacije grada Livna u softveru SAGAGIS.

Mjesečna količina energije za fotonaponski panel snage 1 kW, za mjesec srpanj iznosi oko 190 kW te je 1.7.2019. ujedno i uzet kao reprezentativan datum s maksimalnom količinom sunčeve energije po površini. Analiza je provedena u softveru SAGA GIS 2.1.2 a vizualni prikaz je dorađen u softveru QGIS 2.14.12 Essen. Dodani vektorski podaci s OSM-a (URL 11) te su isti uređeni da bi prikaz bio jasniji te da bi analiza bila lakša. Dodane su ceste i imena glavnih, pridružene su im duljine te su uklonjene najkraće. Dodani su i poligoni te su uklonjeni svi koji nisu zgrade (šuma, parking, livada i sl.). Ceste su ostavljene radi utvrđivanja ovisnosti albeda asfalta o insolaciji, a zgrade jer su oni glavni elementi za izračun insolacije i kasniju izradu 3D modela i postavljanja solarnih panela.

Na sljedećim slikama vidimo prikaz maksimalne količine sunčeve energije za područje šireg centra grada Livna. Izračunata je difuzna insolacija (Slika 3.27), direktna insolacija (Slika 3.28) te potom globalna radijacija. Raster globalne radijacije dobijemo zbrajanjem vrijednosti piksela rastera direktne i difuzne insolacije pomoću Raster Calculator alata u QGIS-u. Koristi se naredba SUM da bi zbrojili vrijednosti piksela i dobili konačnu radijaciju.

Energija Sunca dijeli se na dvije komponente: direktno zračenje i difuzno zračenje. Direktno zračenje je onaj dio zračenja koji dopire do površine Zemlje izravno iz prividnog smjera Sunca, dok difuzno zračenje nastaje raspršenjem sunčevih zraka u atmosferi na molekulama i česticama prašine te dolazi na površinu Zemlje iz svih smjerova neba. Globalno zračenje je zbroj direktnog i difuznog zračenja te je ono koje se uzima pri proračunu potrebne površine kolektora.

________________________________________________________________________________ 32


Slika 3.26 Maksimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – difuzna radijacija (1.7.2019.)

________________________________________________________________________________ 33


________________________________________________________________________________ 34


Slika 3.27 Maksimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – direktna radijacija (1.7.2019.)

________________________________________________________________________________ 35


Slika 3.28 Maksimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – globalna radijacija (1.7.2019.)

________________________________________________________________________________ 36


Slika 3.29 Količina sunčeve energije za svaki piksel

Promotrimo li raster difuzne insolacije (Slika 3.27), možemo povezati vrijednost sunčeve insolacije s određenim materijalima. Prije toga je preporučljivo promotriti sliku, da bi ustanovili gdje je točno šuma, gdje naselje i sl. Rasteri insolacije i slika prikazuju identično područje, a vektorski slojevi su dodani radi orijentacije i lakše analize. Dakle, već je utvrđeno da zgrade imaju manji albedo nego šuma, pa je veća količina sunčeve energije na području gdje je šuma, nego u središnjem dijelu gdje su smještene zgrade. To će biti velika pomoć u predviđanju količine sunčeve energije na nekom području i je li ista dovoljna primjerice za potrebe neke zgrade u potrošnji energije i sl. Drugi raster (Slika 3.27) nam prikazuje direktnu insolaciju. Iz prikaza možemo zaključiti da je veća količina sunčeve energije u područjima okrenutim prema jugu, jugozapadu i jugoistoku, nego u područjima orijentiranim prema sjeveru. Površine prema jugu primaju veću količinu sunčeve energije, što je dnevno približno 7,8 kWh, a površine okrenute ka sjeveru oko 6,8 kWh sunčeve energije po m 2. Neki prosjek je 7,3 kWh/m2 i on se može uzeti kao prosječna dnevna količina energije za mjesec srpanj, budući da je prikaz prilično homogen. Točnije, jednako je ploha okrenutih sjeveru i jugu i gotovo cijeli prikaz je trava i naseljeno područje. Malo je šume na ovom prikazu koja bi podigla količinu sunčevog zračenja, pa je prikaz prilično reprezentativan. To je značajna pomoć u utvrđivanju na koju stranu krova zgrade je potrebno postaviti solarne panele. Naravno, budući da se grad nalazi na sjevernoj polutci s koordinatama koje su prikazane u tablici, najlogičnije je da se paneli orijentiraju upravo prema jugu, jugozapadu ili jugoistoku, ovisno o orijentaciji individualne zgrade i mogućnosti postavljanja istih. Na taj način analizirani DMR na slici će uvelike pomoći u odabiru orijentacije postavljanja panela. Konačno, analizirani DMR na Slika 3.28 prikazuje globalnu radijaciju koja se dobije zbrajanjem vrijednosti piksela rastera difuzne radijacije podložne atmosferi i atmosferskim uvjetima te direktne radijacije od Sunca. Globalna radijacija se uzima kao reprezentativna i vrijednosti koje ista pokazuje se smatraju najvjerodostojnijim te će se koristiti za daljnju analizu. Na rasteru globalne radijacije (Slika 3.28) vidimo da je veća količina sunčeve radijacije na područjima prekrivenim šumom te orijentiranim prema jugu, jugoistoku ili ________________________________________________________________________________

37


jugozapadu. Količina sunčeve energije kreće se između 6,79 i 7,83 kWh te su vrijednosti podjednako raspoređene po cijelom području i vlada homogenost, izuzev područja šuma. Zbog toga se kao maksimalna dnevna količina sunčeve energije može uzeti 7,83 kWh/m2 , a datum u kojem se postiže takva količina energije je 1.7. Međutim, govorimo samo o određenom dobu dana, tj. trenutku kad je postignuta minimalna, odnosno maksimalna količina sunčeve energije. Odnosno, maksimalna količina sunčeve energije odnosi se samo za područja prekrivena šumom i okrenutim ka jugu. 6,8 kWh bi bila količina energije za područja okrenuta ka sjeveru i travnata područja. Zbog toga je 7,3 kWh prosječna vrijednost za čitav dan i za sve materijale. Također, moguće se za svaki piksel informirati o vrijednosti globalne, direktne ili difuzne insolacije u jedinici kWh, pa tako odrediti količinu sunčeve energije za neki specifičan detalj koji nas zanima (Slika 3.29 Količinasunčeve energije za svaki piksel).

________________________________________________________________________________ 38


Slika 3.30 Minimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – difuzna radijacija (1.12.2019.)

________________________________________________________________________________ 39


Slika 3.31 Minimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – direktna radijacija (1.12.2019.)

________________________________________________________________________________ 40


Slika 3.32 Minimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – globalna radijacija (1.12.2019.)

________________________________________________________________________________ 41


Mjesečna količina energije za fotonaponski panel snage 1 kW, za mjesec prosinac iznosi oko 40 kW te je 1.12. ujedno i uzet kao reprezentativan datum s minimalnom količinom sunčeve energije po površini. Promotrimo li raster difuzne insolacije (Slika 3.30), možemo povezati vrijednost sunčeve insolacije s određenim materijalima. Prije toga je preporučljivo promotriti sliku, da bi ustanovili gdje je točno šuma, gdje naselje i sl. Dakle, već je utvrđeno da zgrade imaju manji albedo nego šuma, pa je veća količina sunčeve energije na području gdje je šuma, nego u središnjem dijelu gdje su smještene zgrade. To će biti velika pomoć u predviđanju količine sunčeve energije na nekom području i je li ista dovoljna primjerice za potrebe neke zgrade u potrošnji energije i sl. Površine prema jugu primaju veću količinu sunčeve energije, što je dnevno približno 2,2 kWh, a površine okrenute ka sjeveru oko 0,2 kWh po m2 sunčeve energije. Neki prosjek je 1,1 kWh/m2 i on se može uzeti kao prosječna dnevna količina energije za mjesec prosinac, budući da je prikaz prilično homogen. Točnije, jednako je ploha okrenutih sjeveru i jugu i gotovo cijeli prikaz je trava i naseljeno područje. Malo je šume na ovom prikazu koja bi podigla količinu sunčevog zračenja, pa je prikaz prilično reprezentativan. Drugi raster (Slika 3.31) nam prikazuje direktnu insolaciju. Iz prikaza možemo zaključiti da je veća količina sunčeve energije u područjima okrenutim prema jugu, jugozapadu i jugoistoku, nego u područjima orijentiranim prema sjeveru. To je značajna pomoć u utvrđivanju na koju stranu krova zgrade je potrebno postaviti solarne panele. Analizirani DMR na Slika 3.32 prikazuje globalnu radijaciju koja se dobije zbrajanjem vrijednosti piksela rastera difuzne radijacije podložne atmosferi i atmosferskim uvjetima te direktne radijacije od Sunca. Globalna radijacija se uzima kao reprezentativna i vrijednosti koje ista pokazuje se smatraju najvjerodostojnijim te će se koristiti za daljnju analizu. Na rasteru globalne radijacije vidimo da je veća količina sunčeve radijacije na područjima prekrivenim šumom te orijentiranim prema jugu, jugoistoku ili jugozapadu. Količina sunčeve energije kreće se između 0,16 i 2,16 kWh te su vrijednosti podjednako raspoređene po cijelom području i vlada homogenost, izuzev područja šuma. Zbog toga se kao minimalna dnevna količina sunčeve energije može uzeti 0,16 kWh, a datum u kojem se postiže takva količina energije je je 1.12. Međutim, govorimo samo o određenom dobu dana, tj. trenutku kad je postignuta minimalna, odnosno maksimalna količina sunčeve energije. Odnosno, minimalna količina sunčeve energije, 0,16 kWh odnosi se samo za područja prekrivena travom i okrenutim ka sjeveru. 2,16 kWh bi bila količina energije za područja okrenuta prema jugu i prekrivena šumom. Zbog toga je 1,2 kWh prosječna vrijednost za čitav dan i za sve materijale. Također, moguće se za svaki piksel informirati o vrijednosti globalne, direktne ili difuzne insolacije u jedinici kWh, pa tako odrediti količinu sunčeve energije za neki specifičan detalj koji nas zanima (Slika 3.29 Količina sunčeve energije za svaki piksel). Ukoliko usporedimo minimalnu količinu energije, s maksimalnom za datum 1.7.2019. vidimo da je razlika između minimalne i maksimalne količine sunčeve energije na nekom području za dva specifična datuma gotovo 7,7 kWh i to je ujedno najveća moguća razlika u količini sunčeve energije na određenom području za dva različita dana. Za datum 1.7. prosječna količina sunčeve energije u čitavom danu je oko 7,3 kWh, a za datum 1.12. oko 1,2 kWh. Posljedično, razlika u količini sunčeve energije za ta dva specifična dana je oko 6,1 kWh. Takva razlika je vjerodostojnija, jer je uzeta u obzir prosječna količina sunčeve energije za čitav dan, a ne samo za trenutak kada ista doseže svoj minimum, odnosno, maksimum.

U nastavku će za datum 15.3. te za čitav mjesec ožujak biti obrađeno područje još užeg centra grada Livna (Slika 3.33). To je iz razloga što je prethodnom analizom utvrđeno da je to datum s prosječnom dnevnom količinom sunčeve energije čitave godine. Osim toga, na slici možemo razlučiti samo zgrade i travnato područje, pa će se dobiti još vjerodostojnija količina sunčeve energije za područje zgrada u centru. Također, s takvim manjim područjem obrade brže se računa količina sunčeve energije za čitav mjesec.

________________________________________________________________________________ 42


Slika 3.33 Centar grada kao područje obrade

Mjesečna količina energije za fotonaponski panel snage 1 kW, za mjesec ožujak iznosi oko 115 kW te je 15.3. ujedno i uzet kao reprezentativan datum s prosječnom količinom sunčeve energije po površini. Promotrimo li raster direktne insolacije (Slika 3.34), možemo povezati vrijednost sunčeve insolacije s određenim materijalima. Prije toga je preporučljivo promotriti sliku, da bi ustanovili gdje je točno travnata površina, a gdje su smještene zgrade. Pretpostavka je, prema već prethodno utvrđenom, da će područja prekrivena zgradama upijati veću količinu sunčeve energije. Količina sunčeve energije na području centra grada Livna, za reprezentativan datum 15.4, smatra se najvjerodostojnijom prosječnom dnevnom količinom sunčeve energije. Površine prema jugu, jugoistoku i jugozapadu primaju veću količinu sunčeve energije, što je dnevno približno 4,56 kWh, a površine okrenute ka sjeveru oko 4,42 kWh sunčeve energije. Prosjek za čitav dan je 4,5 kWh i on se može uzeti kao prosječna dnevna količina energije za mjesec ožujak, budući da je prikaz prilično homogen (Slika 3.36). Točnije, jednako je ploha okrenutih sjeveru i jugu i gotovo cijeli prikaz je trava i naseljeno područje. Malo je šume na ovom prikazu koja bi podigla količinu sunčevog zračenja, pa je prikaz prilično reprezentativan. Drugi raster (Slika 3.35) nam prikazuje difuznu insolaciju. Promotrimo li Slika 3.33, možemo zaključiti da je u središtu naselje, a oko naselje travnato područje. U skladu s pretpostavkom, veća količina sunčeve energije je koncentrirana u središtu i teži ka 4,56 kWh, odnosno, maksimalnoj količini sunčeve energije za datum 15.4. Količina sunčeve energije opada prema rubu gdje se uglavnom nalazi travnato područje. Također, moguće je zaključiti da je manja razlika između maksimalne i minimalne dnevne količine sunčeve energije za ovaj datum, nego primjerice za 1.7. ili 12.4. kada razlike iznose 1-2 kWh. U ovom slučaju je razlika tek nešto više od 0,1 kWh i to je još jedan od razloga zašto je ovaj datum te količina sunčeve energije za isti uzeta kao reprezentativna prosječna dnevna količina sunčeve energije za čitavu godinu.

Promotrimo li raster mjesečne količine sunčevog zračenja (Slika 3.37), možemo zaključiti slično. Već je izračunato da je prosječna mjesečna količina sunčevog zračenja za ožujak 115 kWh. Taj prosjek je izračunat iz minimalne količine sunčevog zračenja za taj mjesec te maksimalne količine sunčevog zračenja za isti mjesec. Minimalna količina sunčevog zračenja se odnosi na travnatu podlogu i područja okrenuta prema sjeveru, te na period prve polovice mjeseca ožujka i teži prema 85 kWh , a maksimalna na područja zgrada , okrenuta prema jugu te period druge polovice ožujka i teži prema 148 kWh.

________________________________________________________________________________ 43


Slika 3.34 Prosječna dnevna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – direktna radijacija (15.3.2019.)

________________________________________________________________________________ 44


Slika 3.35 Prosječna dnevna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – difuzna radijacija (15.3.2019.)

________________________________________________________________________________ 45


Slika 3.36 Prosječna dnevna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – globalna radijacija (15.3.2019.)

________________________________________________________________________________ 46


Slika 3.37 Prosječna mjesečna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – globalna radijacija (1.3.2019. – 1.4.2019.)

________________________________________________________________________________ 47


Prema prethodno provedenoj analizi, moguće je zaključiti da je 15.3.2019. godine reprezentativan datum prosječne dnevne količine sunčeva zračenja za 2019. godinu. Mjesec ožujak je reprezentativan za prosječnu mjesečnu količinu sunčeva zračenja. Taj zaključak je proizašao iz izračuna količine sunčeva zračenja za svaki mjesec te traženja aritmetičke sredine uzoraka. Uzorke predstavlja mjesečna količina sunčevog zračenja te se ista podijeli s brojem mjeseci u godini. Kao rezultat, prosječna mjesečna količina sunčeve energije je 115 kWh/m2. Takva količina energije se postiže sredinom mjeseca ožujka jer količina sunčeve energije od 1.3. do 1.4.2019. raste od 100 do 130 kWh/m2. Iz istog razloga, datum 15.3.2016. smatra se reprezentativnom dnevnom količinom sunčevog zračenja za 2019. godinu. Ako usporedimo podatke za 2019. godinu s podacima za 2015. godinu (Umihanić i dr., 2015), možemo zaključiti da je ukupna godišnja količina sunčeve energije, za 2019. godinu, veća za preko 50 kWh i iznosi 1405 kWh po m2. Porast insolacije je povezan s eksponencijalno rastućim globalnim zatopljenjem koje za sobom nosi niz klimatskim promjena, kao što su toplija ljeta. Zbog toga je i najveća razlika u količini sunčeve energije između 2015. i 2019. godine upravo u ljetnim mjesecima. Ta razlika je u najtoplijem mjesecu čak 30 kWh/m2 u korist 2019. godine. Također, jedan od zaključaka je da je veća količina energije koncentrirana u područjima okrenutim prema jugu, jugoistoku i jugozapadu, nego prema sjeveru. Također, insolacija se može povezati s albedom. Najmanji albedo imaju travnate površine, pa je tu koncentracija sunčeve energije manja nego u šumskim područjima gdje je maksimalna. Veći albedo od šumskih i manji od travnatih područja imaju područja prekrivena zgradama i cestama (asfalt, beton, cigla), pa je na istim područjima srednja količina sunčevog zračenja. Analize su rađene za jedan dan, pa se insolacija uglavnom vezala za ta dva faktora. Međutim, odrađena je i analiza za čitav mjesec ožujak za kojeg smo već rekli zbog čega je specifičan. U tom slučaju, kad je vremenski interval obrade veći moguće je količinu energije povezati i s razdobljem u mjesecu. Na taj način veća je količina energije na kraju nego na početku mjeseca. Ova prethodno navedena tri faktora će uvelike pomoći u odabiru konkretne lokacije na zgradi gdje će se postaviti solarni panel. Ukoliko je moguće, trebao bi biti postavljen na južnoj plohi krova zgrade, na materijalu sa što manjim albedom. Budući da je rad predviđen za cijelu godinu, za izračun se uzima prosječna dnevna količina sunčeve energije od 4,5 kWh, odnosno mjesečna od 115 kWh po metru kvadratnom. Na taj način se odabire broj panela ovisno o potrebama te zgrade i sl. O navedenom će u sljedećim poglavljima biti više detalja. Jedan dan i jedan mjesec se uzimaju u obzir jer bi bilo nepraktično računati količinu energije za svaki mjesec i tomu prilagođavati postavljanje solarnih panela (razlika zimi i ljeti). Također, nemoguće je točno predvidjeti količinu sunčeve energije dogodine zbog eksponencijalno rastućeg globalnog zatopljenja. Zbog toga je potreban prosjek za izračun financija i sl, a u ljetnom i zimskom periodu će se koristiti različit broj panela ovisno o potrebama za potrošnjom energije. Primjerice zimi je potrebno više energije zbog grijanja, a insolacija je slabija. Vjerojatno je zbog toga potrebno koristiti više panela nego ljeti kad je insolacija veća, a i potrebe za energijom su manje. Kao što je već rečeno, ova prosječna količina sunčeve energije se koristi da bi se predvidjele financije, odabir određene vrste solarnih panela i neki drugi parametri.

Prosječna godišnja količina sunčeve energije za površine okrenute prema sjeveru je oko 1000 kWh (85 kWh je minimum za mjesec ožujak), a za površine okrenute prema jugu je oko 1800 kWh po m2. Paneli će se nastojati postaviti na područja s maksimalnim iskorištavanjem sunčeve energije. Međutim, to neće uvijek biti moguće i praktično, pa je godišnji prosjek od 1405 kWh prilično reprezentativan, ako se ti uvjeti uzmu u obzir.

Još je potrebno napomenuti da se kao mjesečna količina sunčeve energije nije uzimala niti maksimalna niti minimalna količina energije nego srednja bliže maksimalnom. To je iz razloga što će se paneli uglavnom nastojati postaviti na plohe okrenute prema jugu i na materijale s manjim albedom. Međutim, to neće uvijek biti moguće, pa zbog toga u obzir nisu uzete maksimalne

________________________________________________________________________________ 48


količine sunčeve energije. Također, može dođi do manje insolacije od predviđene za određeni mjesec i mnogi drugi razlozi. Zbog toga je najbolje uzeti prosjek za čitavu godinu i prosjek za mjesec koji teži ka maksimumu.

________________________________________________________________________________ 49


4 VIZUALIZACIJA REZULTATA U OBLIKU 3D MODELA

Intenzitet sunčevog zračenja je nestalan, ovisi o godišnjem dobu, meteorološkim prilikama i geografskom položaju. Već je utvrđeno da je u ljetnim mjesecima veća količina sunčevog zračenja te da ista po mjesecima u godini gotovo pravilno raste, dostiže maksimum u mjesecu srpnju te pravilno pada prema kraju godine. Utvrđena je ovisnost količine sunčeve energije o albedu pojedinih materijala, te je zaključak da područja prekrivena šumom i zgradama upijaju više energije nego prekrivena travom. Također, Livno se nalazi na dobroj lokaciji što se tiče solarnog potencijala. Utvrđeno je da je prosječna godišnja količina sunčeve energije oko 1400 kWh po m2, a na najozračenijim područjima – krovovi okrenuti prema jugu i jugoistoku, šumska područja, može godišnje iznositi gotovo 1800 kWh/m2 sunčeve energije. Dakle, položaj na jugoistoku Europe te jugozapadu Bosne i Hercegovine čini taj grad dobro pozicioniranim što se tiče insolacije. U odnosu na Europu i BiH je po takvim podacima u gotovo samom vrhu (Slika 2.6), a u svijetu ga takvi podaci smještaju negdje u središte (Slika 4.38).

Slika 4.38 Insolacija u svijetu

Kod projektiranja solarnih sustava, nužno je poznavati količinu dozračene sunčeve energije. Zbog razlike u dozračenosti na manjim područjima – razlike postoje i u samom centru grada, postoji razlika u odabiru vrste i broja kolektora. Također, postoji ovisnost o vrsti zgrade i potrebama za energijom iste.

Prvi korak pri izradi 3D modela užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela je preklapanje rastera globalne insolacije za mjesec ožujak (Slika 3.37) i tlocrta zgrada te pridruživanje insolacije rastera svakoj zgradi na način prikazan na Slika 3.29. Već je utvrđeno da je prosječna mjesečna količina sunčeve energije oko 115 kWh/m2 i da je njen minimum oko 85 kWh i mjesečni maksimum oko 150 kWh po metru kvadratnom. Zgrade, koje su orijentirane jugoistok – sjeverozapad, specificira veća količina sunčeve energije koja teži prema mjesečnom maksimumu. Uglavnom, količina sunčeve energije za takve zgrade i za stranu krova okrenutu prema jugoistoku (ako je u pitanju kosi krov) iznosi oko 130 do 140 kWh po m2. Zgrade koje su orijentirane u smjeru sjeveroistok-jugozapad upijaju nešto manju količinu sunčeve energije koja teži prema 100 kWh po ________________________________________________________________________________

50


m2. Ta se količina uglavnom kreće oko 110 do 120 kWh po kvadratu, što je i mjesečni prosjek i ista se odnosi na stranu krova orijentiranu na jugozapad. Gledajući sveobuhvatno, razlike postoje, ali nisu velike te ukoliko se zbroji mjesečna insolacija uzimajući u obzir čitav krov, za svaku zgradu je godišnja količina sunčeve energije po metru kvadratnom gotovo jednaka i varira oko prosjeka za 2019. godinu – 1405 kWh/m2.

Na ovaj način je utvrđeno na koju je stranu krova za svaku zgradu u centru Livna optimalno postaviti solarne panele i kolika je prosječna mjesečna količina sunčevog zračenja za svaku. To su dva atributa koja će biti pridružena 3D modelu, ali i koji će uvelike pomoći vizualizaciji. Orijentacija svakog krova je vidljiva na satelitskoj snimci područja od interesa (Slika 4.39).

Slika 4.39 Određivanje orijentacije krova zgrade

Drugi korak je zapravo terenski dio. Da bi izrada 3D modela bila uspješna potrebno je poznavati visinu zgrade i nagib krova. Visine zgrada su određene pomoću besplatne aplikacije Smart Measure za Android uređaje (Slika 4.40). Aplikacija je instalirana na Huawei Mate p20 Lite mobilni uređaj te je zahvaljujući dobroj kameri, senzorima u uređaju koji omogućuju mjerenje visine te sustavu pozicioniranja koji je osposobljen za GPS, GLONASS i BeiDou satelite visina nakon kalibracije izmjerena s točnošću od oko 30 do 50 cm što je dovoljno za svrhu izrade modela. Kalibracija je provedena tako što je najnižoj točki zgrade pridružena visina od 0 m, visina uređaja je 1,5 m te je horizontalna linija preklopljena s donjom stranicom prednje plohe zgrade. Kalibracija je izvršena za svaku zgradu posebno radi sigurnosti. Visine su zaokružene na cm.

________________________________________________________________________________ 51

s

SZ

JISI

JZ


Slika 4.40 Smart Measure Android aplikacija za mjerenje udaljenosti i visine

Također, visine su dodatno provjerene pomoću jednostavnog građevinskog lasera za mjerenje udaljenosti (Slika 4.41). Izmjerene su i visine krova. Izračunat je nagib krova iz podataka o visini krova, visini zgrade do početne linije krova. Nagib krova je podatak koji je potreban prilikom postavljanja solarnih panela. Osim toga, postoje zgrade s ravnim krovom gdje je nužno postaviti panele pod određenim kutom. Minimalni nagib krova za krovove prekrivene crijepom je 17° te takvi krovovi imaju veći nagib, od onih primjerice prekrivenim limom gdje je minimalni dozvoljeni nagib 7°. Materijali od kojih su izrađeni krovovi zgrada također su vidljivi na satelitskim snimkama.

________________________________________________________________________________ 52


Slika 4.41 Jednostavan građevinski laser za mjerenje udaljenosti

Na taj su način prikupljene visine svih zgrada od interesa i nagib krova svake zgrade. Preuzeti su vektorski podaci s OSM-a te su isti uređeni i ukoliko je potrebno, neki su ponovno vektorizirani prema satelitskim snimkama područja od interesa – Google Satellite. Satelitske snimke su preuzete direktno u softveru QGIS Essen 2.14.12. Na taj način uređeni tlocrti zgrade i iz istih lako izmjerimo duljine rubova zgrade pomoću alata Izmjeri liniju u QGIS-u. Ovako dobiveni podaci su dovoljni za izradu jednostavnog 3D modela građevina u centru grada.

Sljedeći korak je određivanje godišnje količine sunčevog zračenja po m2 za svaku građevinu. Jednostavno se pomnoži mjesečna količina količine radijacije s brojem mjeseci u godini. Prosječna mjesečna količina zračenja izračunata je na rasteru globalne radijacije za mjesec ožujak (Slika3.37). Podaci o količini radijacije (kWh/m2) se pridruže svakom objektu (vektorizirani tlocrti zgrada) u softveru QGIS Essen 2.14.12. Također moguće se informirati o količini radijacije za bilo koju stranu građevine po principu objašnjenom ispod Slika 3.29. Za prosječnu mjesečnu količinu sunčevog zračenja pridružene srednje vrijednosti s područja strane krova orijentirane prema jugu za objekte s ravnim krovom te JI i JZ za građevine s kosim krovom jer su sve na području od interesa orijentirane JI-SZ ili JZ-SI. Na tim stranama je veća količina zračenja nego na stranama orijentiranim prema sjeveru te će se na tim stranama pokušati postaviti solarni paneli ukoliko ne postoji druga prepreka (dimnjaci, prozori i sl.). Mjesečna količina radijacije objekata kreće se od 110 pa do 140 kWh/m2. Već smo spomenuli da je mjesečni prosjek za 2019. godinu 115 kWh/m2. Neke zgrade imaju veći stupanj ozračenosti, neke manji jer se mogu nalaziti u zaklonici i sl. Međutim, vrijednosti se kreću oko mjesečnog prosjeka.

Zatim se za svaku građevinu, sukladno njenoj vrsti, odredi prosječna godišnja potrošnja energije. Veća je potrošnja energije industrijskih i poslovnih zgrada nego stambenih. Osim toga, da bi se izračunala ukupna potrošnja energije jedne stambene zgrade pomnoži se broj kućanstava u toj zgradi s prosječnom godišnjom potrošnjom energije jednog kućanstva. Također, ako se u zgradi nalazi kafić, restoran ili neki drugi poslovni prostor dodaje se i prosječna godišnja potrošnja električne energije istog. Podaci o prosječnoj godišnjoj potrošnji električne energije kućanstva u BiH su dostupni na službenim stranicama Agencije za statistiku BiH (URL 12). Na istom izvoru je moguće pronaći i druge podatke, kao što su prosječan broj članova domaćinstva, prosječna površina stambene jedinice koja se grije, energenti koji se uglavnom koriste za određenu vrstu grijanja i sl. U svrhu ovog rada zanimljiv je samo dio o prosječnoj godišnjoj potrošnji energenata po domaćinstvu i to električne energije kao energenta. Prosječna godišnja potrošnja električne energije po

________________________________________________________________________________ 53


domaćinstvu u BiH iznosi oko 4500 kWh. Nema većih razlika u potrošnji energije u domaćinstvima u urbanim centrima i ruralnim i poluurbanim područjima u Bosni i Hercegovini. Ukoliko se promatra prosječna godišnja potrošnja u urbanim centrima po domaćinstvu u Republici Srpskoj je oko 15% veća u usporedbi s Federacijom BiH, dok je prosječna potrošnja u ruralnim i poluurbanim područjima izjednačena (URL 12). Točni podaci o prosječnoj godišnjoj potrošnji električne energije po domaćinstvu u kWh prikazani su u tablici.Tablica 4.7 Prosječna godišnja potrošnja električne energije po domaćinstvu (URL 12)

Područje Električna energija [kWh/dom]

Bosna i Hercegovina 4568,2

Federacija BiH 4483,8

Republika Srpska 4700,4

Brčko distrikt BiH 4906,0

Podaci o prosječnoj godišnjoj potrošnji električne energije kafića, restorana, pošte, trgovina i sl. nisu dostupni na službenim stranicama. Postoje različite veličine restorana, kafića, trgovina te je teže odrediti neku jedinstvenu prosječnu vrijednost za primjerice sve kafiće u BiH. Kafići u centru grada Livna su prosječno iste, srednje veličine i troše gotovo jednako energije. Isto vrijedi za trgovine (manje), dok od ostalih objekata možemo izdvojiti Hrvatsku poštu, hotel Dinaru, Narodno sveučilište Livno, Općinu Livno, Županijski sud i Zavod za zdravstveno osiguranje. Restorani su vrlo mali i troše jednako energije kao jedan srednji kafić. Zbog toga su potrebni podaci o mjesečnoj potrošnji električne energije za ljetno i zimsko doba godine u KM. Zatim, nužni su podaci o cijeni jednog kWh energije.

Cijena 1 kWh prema nižoj tarifi za kućanstvo je 0,12 KM, prema višoj 0,16, a srednja vrijednost je 0,14 KM/kWh. Cijena industrijske struje je 0,24 KM/kWh. Prosječni mjesečni račun (uzimajući u obzir račune za zimu koji su iznosom viši te račune za ljeto koji su iznosom niži) za kafiće u Livnu je uglavnom 400 KM (oko 1520 kn), osim za nekoliko manjih za koje je niži mjesečni iznos, za Hrvatsku poštu je 2250 KM (oko 8550 kn) te za Zavod za zdravstveno osiguranje oko 800 KM (3040 kn) itd. Dakle, za stambene objekte proračun će se raditi koristeći srednju vrijednost jednog kWh u KM za kućanstvo. Ukoliko je u pitanju vrlo malo kućanstvo, prosječna godišnja potrošnja energije je za 25% ili čak duplo manja od prosječne godišnje potrošnje električne energije za srednje kućanstvo. U centru nema velikih kućanstava te su sva srednje veličine i jedno male koje troši duplo manje električne energije. Za ostale objekte, koje možemo kategorizirati u poslovne, koristit će se industrijska cijena jednog kWh prilikom izračuna. Prema formulama (2) i (3) je moguće izračunati prosječnu godišnju potrošnju električne energije u kWh za sve objekte koji se nalaze u centru grada, uključujući i već objašnjene – stambene. Pogledati Tablica 4.8

god . potrošnjael . en . objekta (kWh )=¿ prosj .mjesečna potrošnja el . en . ( KM )cijena kWhu KM ( indust , kućanst )

∗12mj .

*

pr .mj . potrošnja el . en . ( KM )=pros . mj . potrošnja el. en . ljeti ( KM )+ pro .mj . potrošnja el. en . zimi(KM )

2

________________________________________________________________________________ 54


Tablica 4.8 Godišnja potrošnja električne energije objekata u centru Livna

objektprosj. potr. el.

en. za čitavu god. (KM) / (kn) kW

h/K

Min

dust

rijs

ki

kWh/

KM

kuća

nstv

o

mjesečna potrošnja el. en.

(kWh)

godišnja potrošnja el. en.

(kWh) = mjesečna

potrošnja el. en. (kWh) * 12

mjesecisrednji kafić/mali

restoran 4800/18240 0,24 1666 20000

manji kafić 3600/13680 0,24 1250 15000

trgovina/ljekarna 4300/16416 0,24 1500 18000

hotel Dinara 18000/68400 0,24 6250 75000

restoran Dinara 28800/109440 0,24 10000 120000

HT Eronet 27000/102600 0,24 9375 112500

Zavod za zdravstveno osiguranje 9600/36480 0,24 3333 40000

Općina Livno 19200/72960 0,24 6666 80000

Županijski sud 14400/54720 0,24 5000 60000

Narodno sveučilište Livno 16800/63840 0,24 5833 70000

Hrvatska pošta d.o.o 12000/45600 0,24 4166 50000

kućanstvo/kućanstvo u zgradi 4483/17035 0,14 2668 32000

manje kućanstvo/manje

kućanstvo u zgradi

3362/12775 (manje 25%)/

2241/8515 (manje 50%)

0,14 2001/1333 24000/16000

________________________________________________________________________________ 55


Sljedeći korak je određivanje vrste fotonaponske ćelije koja bi bila optimalna za određenu zgradu. U poglavlju 2.3.1 je detaljnije objašnjen postupak fotonaponske pretvorbe sunčevog zračenja, odnosno izravna pretvorba sunčeve u električnu energiju. Općenito prednosti korištenja solarnih panela (fotonaponskih ćelija) kao izravnog načina iskorištavanja energije sunca su niski troškovi održavanja, laka ugradnja, energetska neovisnost, to što nema buke i pokretnih dijelova, vizualno ne narušavaju izgled okoliša. Nedostaci su veće vrijednost početne investicije, ali isplate se u roku od nekoliko godina. Popravci su skuplji i ne postoji proizvodnja električne energije tijekom noći – zbog toga postoje različite vrste baterija i akumulatora. U Tablica 2.1 su objašnjene karakteristike različitih tipova solarnih panela. Najčešće korišteni u praksi su monokristalne i polikristalne fotonaponske ćelije (Slika 4.42). Monokristalne proizvode više energije od polikristalnih, odnosno imaju veći faktor korisnosti (14-18 %). Polikristalne su specifične po nešto nižoj cijeni, ali i nižoj efikasnosti – od 13 do 13 %. Ostali tipovi fotonaponskih ćelija imaju određene nedostatke zbog kojih se ne koriste u svrhu dobivanja električne energije za potrebe kućanstva ili poslovne zgrade. Jedan od nedostataka je niska efikasnost, pa se koriste u uređajima kojima treba malo energije (džepni kalkulatori, satovi). Drugo, mogu se izrađivati od galija koji je vrlo rijedak element u prirodi, pa bi proizvodnja panela bila skupa za razliku od monokristalnih i polikristalnih čiji je temeljni materijal silicij – čest element u prirodi. Treće, neke vrste sadrže kadmij te postoje sumnje u kancerogenost tog elementa.

Slika 4.42 Monokristalne i polikristalne fotonaponske ćelije (URL 13. )

Budući da monokristalni solarni paneli imaju veću stopu efikasnosti isporučuju veću izlaznu snagu. Zbog toga zahtijevaju manje prostora u odnosu na polikristalne. Većina proizvođača nudi garanciju iznad 25 godina, pa sve do 30. Rade bolje u uvjetima slabog osvjetljenja u usporedbi s drugim vrstama panela. Polikristalni paneli su jeftiniji te imaju niži stupanj efikasnosti. Posljedično, potrebno je pokriti veću površinu prostora da bi nastala ista solarna energija kao i kod monokristalnih panela. Zbog toga imaju i niži stupanj prostorne efikasnosti.

Polikristalni paneli su zbog niže cijene (do 20 % niža cijena u odnosu na monokristalne) i manje prostorne efikasnosti pogodne za projekte s velikim krovnim prostorom ili velikim prostorom na zemlji. Također, minimalni su troškovi instalacije. Zbog toga, u svrhu diplomskog rada, najvećim zgradama u centru grada Livna pridružen je atribut polikristalne kao vrste solarnih panela koji bi bili optimalni. Takve panele bi bilo moguće postaviti na zgradu HT Eroneta, Narodnog sveučilišta, nebodera i sl. Monokristalni paneli su savršeni za male krovove zbog svoje prostorne efikasnosti i većeg faktora korisnosti. Odnosno, na istoj površini se dobije veća količina sunčeve energije. ________________________________________________________________________________

56


Međutim, potrebno je izdvojiti više novca za montažu istih. Na Slika 4.43 je prikazana potrebna površina za istu snagu različitih vrsta modula koji imaju različit stupanj efikasnosti (Tablica 2.1) (URL 15).

Slika 4.43 Potrebna površina za smještaj fotonaponskih modula snage 1 kW

Još bolje rješenje je ugradnja solarne (fotonaponske) elektrane koja osim monokristalnih ili polikristalnih solarnih panela u cijenu uključuje i mrežni pretvarač određene snage, nosače za krov, kablove, konektore i ostalu sitnu opremu te montažu i puštanje u pogon (Slika 4.44). Kad bi se nabavljali posebno paneli, zatim sva oprema te platila montaža i puštanje u pogon cijena bi bila mnogo veća nego cijena solarne elektrane koja uključuje sve to. Što je snaga solarne elektrane veća to je i veći popust. Zato kad su u pitanju vrlo mali objekti koji zahtijevaju vrlo malo energije, primjerice kućanstva koja troše oko 3000 kWh energije godišnje ugradnja solarne elektrane nije isplativa. Tek solarna elektrana snage 5 kW postaje isplativa. Moguće je zaključiti da od svih navedenih objekata kućanstva troše najmanje energije. Snaga u kW svih kućanskih uređaja jednog prosječnog kućanstva je od 5 do 7 kW. Na taj način se odredi snaga solarne elektrane koja bi se trebala postaviti. Ako uređaji u kućanstvu imaju prosječnu snagu 5 kW potrebno je ugraditi elektranu od 5 kW. Srednji kafić troši oko 4 puta više energije te uređaji u istom imaju prosječnu snagu 4 puta veću, pa je i potrebno ugraditi elektranu od 20 kW. Kad su svi uređaji u objektu istovremeno uključeni snaga može biti i veća pa bi u tom slučaju moglo nestati struje. Međutim, to nije slučaj u praksi te svi uređaji ne rade uvijek istovremeno. Zbog toga je potrebno promatrati prosjek ili priključiti solarnu elektranu iste snage kao što je bio i prethodni priključak na elektroenergetski sustav. Što je potreba zgrade za energijom veća, potrebno je ugraditi elektranu veće snage. Najveće zgrade imaju maksimalni popust na solarnu elektranu. Primjerice snaga solarne elektrane od 2 kW je oko 5230 KM te je iz toga cijena 1 kW oko 2620 KM. Za objekt koji troši tako malo energije isplativije je pojedinačno ugraditi solarne panele te bi cijena zasebnih panela zajedno s odvojenom cijenom opreme i montaže bila oko 3500 KM. Međutim zgrade koje zahtijevaju više energije i primjerice ugradnju elektrane od 100 kW pojedinačno bi na panele bez opreme i montaže bilo potrebno gotovo 120000 KM dok bi solarna elektrana s opremom, montažom i puštanjem u pogon cijenom iznosila nešto manje od cijene samo panela. Kad je u pitanju elektrana od 100 kW cijena 1 kW bi iznosila oko manje od 1200 KM što je i više nego duplo manje od gotovih elektrana najmanje snage. Na taj način možemo uočiti kako s količinom cijena pada. Ukoliko je poznata količina energije u kWh koju troši jedna zgrada moguće je istu povezati sa snagom u kW tako da je

________________________________________________________________________________ 57


snaga od jednog kW približna količini energije od oko 900 kWh. Na taj način ili usporedbom s prethodnim priključkom je najlakše odrediti snagu buduće solarne elektrane.

Slika 4.44 Oprema fotonaponske elektrane

Općenito fotonaponska elektrana ili solarna elektrana je fotonaponski sustav koji ima mrežni sustav, a to znači da proizvedenu električnu energiju predaje u elektroenergetski sustav, za razliku od samostalnog ili otočnog sustava u kojima proizvedenu električnu energiju najčešće skladištimo u baterije ili akumulatore. Fotonaponske elektrane omogućuju izravnu pretvorbu sunčeve energije u električnu energiju. Način rada fotonaponskog sustava, kao što je već rečeno, temelji se na fotonaponskom efektu. Osnovni elektronički elementi u kojima se događa fotonaponska pretvorba nazivaju se sunčane ćelije koje su povezane u veće cjeline koje se zovu fotonaponski moduli, a oni su povezani u fotonaponske ploče. Proces je detaljno objašnjen u poglavlju 2.3.1.

Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije pripadaju distribuiranoj proizvodnji električne energije (Slika 4.45). Dakle, oni omogućuju povezivanje na sustave priključene uglavnom na niskonaponsku razinu elektroenergetskog sustava. Primjena ovakvih sustava je uglavnom na krovove građevina (kose ili ravne) te fasade građevina. Jednostavnije rečeno, ukoliko je u određenom mjesecu proizvedena veća količina električne energije, višak se prodaje javnom elektroenergetskom sustavu. Ukoliko je potreba za energijom veća u odnosu na dobivenu (najčešće zimi) potrebno je platiti dodatnu količinu energije koja se crpi iz javnog elektroenergetskog sustava.

Temeljne komponente fotonaponskog sustava, priključenog na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije prikazane su na Slika 4.45. To su fotonaponski moduli (1), spojna kutija sa zaštitnom opremom (2), kablovi istosmjernog razvoda (3), glavna sklopka za odvajanje (4), izmjenjivač da/ac (5), kablovi izmjeničnog razvoda (6) te brojila predane i preuzete električne energije (7). Fotonaponski moduli, spojeni serijski ili serijski-paralelno, proizvode istosmjernu struju i međusobno su povezani kabelima u nizove, tzv. višekontaktnim konektorskim sustavom. Svi kabeli koji dolaze od nizova fotonaponskih modula uvode se u razdjelni ormarić modula, odnosno spojnu kutiju nizova modula sa svoj zaštitnom opremom, ponajprije odvodnicima prenapona i istosmjernim prekidačima. Iz razdjelnog ormarića se dovodi od svake grupe fotonaponskih modula, razvode kabelima istosmjernog razvoda preko glavne sklopke za odvajanje prema solarnim izmjenjivačima. Solarni izmjenjivači pretvaraju istosmjernu struju solarnih modula u izmjenični napon reguliranog iznosa i frekvencije, sinkroniziran s naponom i frekvencijom mreže te se nastala izmjenična struja prenosi kabelima izmjeničnog razvoda do kućnog priključka na elektroenergetsku mrežu, odnosno električnog ormarića gdje su smještena brojila električne

________________________________________________________________________________ 58


energije. Brojila električne energije, smještena u ormariću brojila registriraju proizvedenu energiju predanu u mrežu i potrošenu energiju preuzetu iz mreže. Fotonaponski sustav priključen na javnu mrežu preko kućne instalacije je u paralelnom pogonu s distribucijskom mrežom, a namijenjen je za napajanje trošila u obiteljskoj kući, a višak električne energije odlazi u elektrodistribucijsku mrežu. Kad solarni moduli ne proizvode dovoljno električne energije, napajanje trošila u kućanstvu nadopunjuje se preuzimanjem energije iz mreže (Slika 4.46). S obzirom na to da instalirani fotonaponski sustavi priključeni na javnu mrežu preko kućne instalacije proizvode najviše električne energije sredinom dana, oni podmiruju vlastite potrebe i dobrim dijelom rasterećuju elektroenergetski sustav što može biti od velike važnosti u područjima gdje je slaba elektroenergetska mreža.

Slika 4.45 Princip rada solarnog sustava priključenog na javnu elektroenergetsku mrežu

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

- proizvodi se ekološki čista električna energija bez onečišćenja okoliša, - sva se pretvorba energije obavljala u blizini mjesta potrošnje,- nema gubitaka energije u prijenosu i distribuciji,- pouzdanost i sigurnost opskrbe,- troškovi održavanja postrojenja znatno su niži od održavanja centraliziranih proizvodnih

objekata,- lokacije za instalaciju fotonaponskih sustava u odnosu na velike centralizirane proizvodne

sustave, jednostavnije je, lakše i brže pronaći,- jednostavna i brza instalacija te puštanje u pogon.

________________________________________________________________________________ 59


Slika 4.46 Brojila predane i preuzete električne energije (URL 15)

U većini se zemalja Europe, s obzirom na instaliranu snagu, fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije mogu podijeliti na one do 30 kW te od 30 kW do 100 kW i na kraju preko 100 kW. Na našim područjima vrijedi podjela prema instaliranoj snazi do 10 kW, od 10 kW do 30 kW te preko 30 kW. Promotriti sliku (URL 15).

Slika 4.47 Solarni krov u Španskom (Zagreb) snage 10 kW (lijevo) te zračna luka u Munchenu (snaga 475 kW) (desno) (URL 15)

Fotonaponske ćelije zimi funkcioniraju samo u niskoenergetskim kućama. U kućama standardnog nivoa gradenje i toplinske izolacije teško je zadovoljiti sve potrebe za energijom pomoću samo sunčeve energije. Zimi je sunčevo zračenje oko 5 puta manje, a potreba za energijom je nekoliko puta veća. Zbog toga se proizvodnja električne energije kombinira s nekim drugim izvorima energije (biomasa, lož-ulje) te priključkom na javni elektroenergetski sustav. Moguće je koristiti i baterijske spremnike ili akumulatore i tako osigurati sigurnost tijekom zime da kućanstvo neće ostati bez električnog napajanja. Također moguće je prodati višak energije. Međutim, to zahtijeva optimizaciju fotonaponskog sustava te dodatne početne investicije uz instalaciju fotonaponske elektrane. Isplativost je zagarantirana, ali je ona produžena u odnosu na korištenje same fotonaponske elektrane. Zbog toga se korisnik mora odlučiti između većeg početnog ulaganja u baterijski spremnik ili dodatnim plaćanjem električne energije svake godine zimi. Cijena električne energije je u BiH najniža u odnosu na sve zemlje Europe, pa je nekoliko manjih računa za struju lakše financijski podnošljivo od velikog početnog ulaganja u baterijski spremnik te optimizacije elektrane. Ali, baterijskim spremnicima bi se pridonijelo očuvanju okoliša, a i isplatili bi se nakon nekoliko godina, pa uistinu računa za struju ne bi bilo do krajnjeg vijeka trajanja elektrane, a to je oko 35 godina.

Solarni paneli su funkcionalni i tijekom hladnih zimskih dana. Zapravo, paneli efikasnije rade na nižim temperaturama, poput onih tijekom proljeća i jeseni. Razlog zbog kojeg je ljeti proizvodnja ________________________________________________________________________________

60


električne energije preko solarnih panela veća je jer je broj sunčanih dana veći, pa je i veća količina sunčevog zračenja, a ne zato što je toplije. Solarni paneli proizvode električnu energiju od sunčevog zračenja, a ne topline, pa postoji ovisnost o broju sunčanih dana, a ne temperaturama. Tijekom ljeta je minimalan broj oblačnih dana pa je sunčeva radijacija učestalija te je proizvodnja energije veća nego zimi koju karakterizira velik broj oblačnih dana. Grad Livno, iako se ističe vrlo hladnim zimama, broj sunčanih dana tijekom godine je među najvećim u BiH, pa je i broj sunčanih dana zimi veći nego u ostalim gradovima, što pridonosi većoj količini energije zimi od strane solarnih panela.

Također, grad Livno karakterizira veća količina snijega tijekom zime te snježni pokrivač može biti veći i od jednog metra. Tada je proizvodnja sunčeve energije minimalna. Zbog toga je u gradovima koje karakterizira planinska klima potrebno postaviti panele pod što većim kutom da bi snijeg jednostavno skliznuo s panela. Maksimalna brzina vjetra u Livnu je oko 130 km/h, pa je panele moguće postaviti i pod kutom od 45° koji trpi vjetar snage do 150 km/h. Međutim radi sigurnosti kut postavljanja na ravne krovove će biti 35-40° koji je također optimalan za veće količine snijega.

Idealna orijentacija solarnog panela je prema jugu. Takvu orijentaciju je moguće postići na ravnim krovovima. Međutim, na kosim krovovima orijentacija je već unaprijed određena orijentacijom krova. Veća količina sunčeve energije je karakteristična na stranama krova okrenutim prema jugu, jugoistoku i jugozapadu. Ako je orijentacija krova SI-JZ ili SZ-JI veća količina energije je na strani okrenutoj prema JZ, odnosno JI što smo i dokazali analizom objašnjenom u 4. poglavlju diplomskog rada. Međutim, ponekad postoje prepreke kao što su prozori i dimnjaci, pa je panele potrebno rasporediti drugačije. Za svaki grad je pomoću solarnog panela moguće izračunati optimalni kut postavljanja istog za određeno doba godine (URL 14. ). Također, u radu Umihanić idr., (2015) određena je optimalna inklinacija od 30° te azimut od 3° što predstavlja orijentaciju gotovo prema jugu (Slika 2.13). Osim toga u softveru PVGIS idealna inklinacija za područje Livna za 2019. godinu je 34°. Kosi krovovi zgrada su uglavnom orijentirani JI-SZ ili JZ-SJ. Paneli se u 3D modelu nastoje vizualizirati na strani okrenutoj prema JI ili JZ jer je tu količina sunčevog zračenja veća, osim ako to nije fizički moguće. Paneli se postavljaju pod istim kutom pod kojim je i nagib krova, a on se kreće od 15° do 45° što je ujedno i preporučljiv kut postavljanja panela. Najčešći nagib krova je oko 40° što je prema solarnom kalkulatoru (URL 14. ) i optimalan nagib za cijelu godinu. Na ravnom krovu paneli se orijentiraju prema jugu te je na nižim zgradama idealan nagib panela oko 40°-45° što je i dobro radi lakšeg čišćenja snijega te na neboderu koji je najviša zgrada oko 35° jer se tu očekuju učestalija i jača strujanja zraka (Slika 4.48).

________________________________________________________________________________ 61


Slika 4.48 Princip postavljanja solarnih panela na kosom (lijevo) i ravnom (desno) krovu

Postoje dvoosni sustavi, tj. moduli koji prate putanju Sunca i na taj način pomiču svoju orijentaciju i nagib. Idealan azimut za grad Livno bi bio oko 3°, a nagib bi se pomicao ovisno o dobu godine, odnosno, sam bi pratio putanju Sunca. Na taj način bi se maksimalno iskoristila sunčeva energija. Međutim, takvi sustavi su dosta skuplji te su u radu obrađeni samo fiksni jednoosni sustavi koji se nastoje postaviti u optimalan položaj.

Iz rastera globalne radijacije (Slika 3.37) za mjesec ožujak te preklopom istog s prostornim položajem zgrada koji je određen vektorizacijom sa satelitskih snimki moguće je odrediti mjesečnu količinu sunčevog zračenja za svaku zgradu pojedinačno na optimalnoj strani krova. Princip određivanja prikazan je na Slika 3.29. Pomnožimo li tu količinu sunčevog zračenja s brojem mjeseci u godini dobijemo godišnju količinu sunčevog zračenja po metru kvadratnom na određenom dijelu krova (onaj dio krova s najvećom količinom sunčevog zračenja). Podaci o mjesečnoj i godišnjoj količini insolacije za svaku zgradu prikazani su u tablici. Efikasnost monokristalnih panela je 16% (srednja vrijednost), a efikasnost polikristalnih panela je 12% (srednja vrijednost) (Tablica 2.1). Prema podacima Federalnog hidrometeorološkog zavoda (URL 4.), broj sunčanih dana u godini za grad Livno je 2250, a broj sati dnevnog svjetla je oko 4500 godišnje. Realna količina energije godišnje po metru kvadratnom je puno manja te je istu moguće izračunati iz prethodno navedenih podataka na sljedeći način:

realna količina energije(kWhm2 )=godišnja količina sunčeve energije na najpovoljnijim površinama (kWh

m2 )×

×broj sunčanih sati godišnje u Livnubroj sati dnevnog svjetla godišnje u Livnu

× efikasnost panela (0-1)

Potrebna površina solarnih panela (m2) za objekt od interesa dobije se tako da se godišnja potrošnja električne energije objekta (kWh) podijeli s realnom količinom energije (kWh/m2). Ukoliko podijelimo potrebnu površinu solarnih panela s površinom pojedinog modula dobijemo broj modula.

Kao primjer su uzeti monokristalni i polikristalni moduli snage 50 W. Površina jednog monokristalnog je 0,5 m2, a površina jednog polikristalnog 0,7 m2 za istu količinu energije. Polikristalni moduli su pridruženi većim zgradama jer su jeftiniji i zauzimaju veću površinu od monokristalnih koji su pridruženi manjim zgradama. Oni su također skuplji, ali i efikasniji što značajno poboljšava realnu količinu sunčeve energije zgrade. Solarne elektrane mogu sadržavati module veće snage (najčešće 240 W za polikristalne te 250 W za monokristalne) pa je broj modula u elektrani manji, ali ista je količina dobivene energije te konačni efekt. Međutim isplativost je veća ukoliko se koriste solarne elektrane.________________________________________________________________________________

62


Isplativost za pojedini objekt moguće je izračunati iz podataka o prosječnoj godišnjoj potrošnji električne energije u KM te podataka i cijeni solarne elektrane za isti objekt. Prosječna godišnja potrošnja električne energije se dobije tako da se godišnja potrošnja električne energije zgrade u kWh pomnoži s cijenom jednog kWh energije u KM ovisno o tome radi li se o industrijskoj struji ili struji za potrebe kućanstva čija je cijena niža. Podijeli se cijena elektrane u KM s godišnjim računom za struju u KM te se dobije broj godina za koji se isplati ugradnja elektrane. Naravno, cijela elektrana se može platiti odjednom, međutim da bi izračunali isplativost, promatra se da se vrijednost solarne elektrane u KM isplaćuje u mjesečnim ratama jednake vrijednosti kao jedan mjesečni račun za struju. Jamstvo na elektranu je i do 35 godina, a isplativost na način kao da nastavljamo plaćati račune za struju dok ne pokrijemo cijenu elektrane je od 5 do 11 godina, ovisno o zgradi. Potrebno je naglasiti da poslovne zgrade i zgrade koje sadrže više poslovnih nego stambenih prostora imaju bolju isplativost jer je cijena 1 kWh za poslovne objekte veća od 1 kWh za kućanstvo. Cijena 1 kWh za kućanstvo je 0,14 KM, a za industriju 0,24 KM. Dakle to je razlika od 0,1 KM te je mjesečni račun za istu količinu električne energije poslovnog objekta za 10% skuplji od stambenog objekta.

Zamislimo da jedan objekt troši mjesečnu količinu energije od 500 kWh, odnosno godišnje 6000 kWh. Na isti je potrebno ugraditi elektranu snage 7 kW čija je cijena oko 9200 KM. Mjesečni račun za struju po industrijskoj tarifi je 120 KM što je godišnje 1440 KM, a po tarifi za kućanstvo 70 KM, odnosno 840 KM godišnje. Dakle isplativost poslovnog objekta je ta 1,7 puta brža od isplativosti stambenog objekta. Međutim, to je način pristupa da se nastavi s mjesečnom ratom ukupne vrijednosti solarne elektrane koja odgovara dotadašnjem mjesečnom računu za struju u KM.

Ako je vijek trajanja elektrane 35 godina, a isplativost, primjerice 8 godina, to znači da je određeni objekt 27 godina oslobođen plaćanja računa za struju. Međutim, ukoliko je potreba za električnom energijom veća od dobivene, potrebno je nadoplatiti javnom elektroenergetskom sustavu za razliku u potrebnoj količini energije (najčešće zimi). Također višak energije je moguće prodati. Posljedično, određeni objekt je oslobođen plaćanja energije dok solarna elektrana traje, ali uvijek mogu postojati nepredviđeni troškovi i dobici. Ipak, takvi troškovi su vrijednošću minimalni u odnosu na stvarnu dobit i isplativost. Također, moguće je koristiti i baterije za akumulaciju energije, koji su zapravo dodatna investicija i tako se isplativost umanji. Ali nakon toga, računi za struju uistinu ne postoje te ne postoji strah od manjka energije za određeni zimski mjesec. Osim toga, višak energije se može prodati, ali potrebno je modificirati solarnu elektranu prije ugradnje akumulacijske baterije. Članovi svakog objekta moraju individualno odrediti koji način im bolje odgovara. Prethodno su objašnjeni svi atributi koji će biti izračunati/istraženi te pridruženi svakom objektu (zgradi) u modelu grada Livna. Atributi su pridruženi svakom objektu te prikazani u Tablica 4.9 s nastavkom u Tablica 4.10.

Ljudskom oku je zanimljivije, privlačnije i jasnije sve što je sličnije realnom svijetu. 3D model je najzanimljiviji i najjasniji oblik prijenosa informacija. Klasični prikazi podataka često ne zadovoljavaju sve potrebe korisnika. Zbog toga su 3D prikazi našli svoju primjenu u modeliranju prostora koji nas okružuje te pridruživanje različitih informacija modeliranim objektima. Razvoj tehnologije i široka upotreba slobodno dostupnih podataka omogućuje gotovo svakom da modelira prostor oko sebe u nekom softveru. Softveri za modeliranje postaju sve napredniji, kompleksniji i dostupniji.

3D model je izrađen u komercijalnom softveru ArcScene 10.4.1. ArcScene je dio ESRI-jevog programskog paketa za kreiranje karata, izvođenje prostornih analiza, upravljanje geografskim podacima i objavu dobivenih rezultata (URL 17.). ArcScene omogućuje pridruživanje niza atributa

________________________________________________________________________________ 63


svakom izrađenom modelu u obliku atributne tablice. Također omogućuje različite geoprostorne analize.

Za izradu 3D modela užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela prethodno je potrebno provesti niz radnji. Dio su radnje na terenu gdje su nam potrebne visine zgrada te iz njih izračunat nagib svakog krova. Zatim, u QGIS-u Essen 2.14.12 izrađeni su tlocrti objekata od interesa, vektoriziranjem prema satelitskim snimkama ili preuzimanjem vektorskih podataka s OSM-a. U SAGI GIS 2.1.2 provedena je analiza solarnog potencijala te su kao rezultat dobiveni numerički podaci količine solarnog potencijala (kWh/m2) za područje od interesa na dnevnoj, mjesečnoj i godišnjoj razini. Podaci o količini radijacije pridruženi su svakoj zgradi. U Microsoft Excelu 2013 su izračunati još neki atributi koji su prethodno objašnjeni te prikazani u atributnoj tablici. Konačno izrađen je 3D model objekata u užem centru grada Livna u softveru SketchUp Pro 2018. Taj softver je jednostavan za izradu 3D modela na bilo kojoj razini detaljnosti prikaza i estetskoj razini. U svrhu ovog rada dovoljno je bilo izraditi jednostavan model s minimalnom razinom detalja. ArcScene 10.4.1 podržava niz formata (.dwg, .dxf, .dae...). Model je iz SketchUp-a pohranjen u .dae (COLLADA) formatu jer je to format kojeg podržavaju i ArcScene 10.4.1 i SketchUp Pro 2018. COLLADA je format za interaktivne 3D aplikacije te je identificirana .dae ekstenzijom.

________________________________________________________________________________ 64


Tablica 4.9 Atributi objekata od interesa koji su pridruženi 3D modelu

Zgr

ada

Vrs

ta

zgra

de

Bro

j ku

ćans

tava

Vis

ina

obje

kta

[m]

Nag

ib

krov

a [°

]

Ori

jent

acija

kr

ova

Opt

imal

ni

polo

žaj

pane

la n

a kr

ovu

Mje

sečn

a ko

ličin

a en

ergi

je p

o m

etru

kv

adra

tno

m n

a to

m

dije

lu k

rova

[k

Wh]

God

išnj

a ko

ličin

a en

ergi

je p

o m

2 tom

di

jelu

kro

va

[kW

h]

Vrs

ta

pane

la

(50

W)

Kut

po

stav

ljanj

a pa

nela

[°]

Bro

j m

odul

a

Nar. sveuč. poslovna 0 8,5/6 15/20 JI-SZ/SI-JZ JI/JZ 125 1500 polikrist. 15/20 1111Zavod za zdr.

osig.poslovna 0 9 0 ravan J 115 1380 monokrist. 40 725

K2 stambena 1 6,5 40 JI-SZ JI 135 1620 monokrist. 40 69Otok poslovna 0 4 25 ravan JI 120 1440 monokrist. 25 39

Relaxstambeno-poslovna

2 7 40 JI-SZ JI 130 1560 monokrist. 40 144

Dong Fangstambeno-poslovna

6 11,5 15 JI-SZ JI 105 1260 monokrist. 15 712

Kaktusstambeno-poslovna


42stambeno-poslovna


Stambena zgrada

stambena 2 11,3 30 JI-SZ JI 115 1380 monokrist. 30 162

Timestambeno-poslovna


Net Comstambeno-poslovna


Stambena zgrada

stambena 1 6 0 ravan J 117 1404 monokrist. 45 40

Fontanastambeno-poslovna

1 6,5 40 SI-JZ SI 115 1380 monokrist. 40 312

Why Bluestambeno-poslovna

8 10 30 JI-SZ SI 115 1380 polikrist. 30 1128

Stambena zgrada

stambena 1 10 30 JI-SZ SI 120 1440 monokrist. 30 78

________________________________________________________________________________ 65


Zgr

ada

Vrs

ta

zgra

de

Bro

j ku

ćans

tava

Vis

ina

obje

kta

[m]

Nag

ib

krov

a [°

]

Ori

jent

acija

kr

ova

Opt

imal

ni

polo

žaj

pane

la n

a kr

ovu

Mje

sečn

a ko

ličin

a en

ergi

je p

o m

etru

kv

adra

tnom

na

tom

di

jelu

kro

va

[kW

h]

God

išnj

a ko

ličin

a en

ergi

je p

o m

2 tom

di

jelu

kro

va

[kW

h]

Vrs

ta

pane

la

(50

W)

Kut

po

stav

ljanj

a pa

nela

[°]

Bro

j m

odul

a

ZiF 2 6,5 40 SI-JZ SI 115 1380 monokrist. 40 325Stambena

zgradastambena 3 6,5 40 SI-JZ SI 123 1476 monokrist. 40 304

Li-Pekstambeno-poslovna

2 9 40 SI-JZ JZ 113 1356 monokrist. 40 432

Li-Pharmastambeno-poslovna

1 6,5 30 SI-JZ/JI-SZ JZ/JI 125 1500 monokrist. 30 408

Svjetlo Riječistambeno-poslovna

4 9 30 SI-JZ SI 130 1560 polikrist. 30 616

Adidas stambena 1 8 0 ravan J 123 1476 monokrist. 45 152Hotel Dinara (s) poslovna 0 13,5 0 ravan J 130 1560 polikrist. 45 1145Hotel Dinara (r) poslovna 0 13,5 0 ravan JJZ 140 1680 polikrist. 45 1701

HT Eronet poslovna 0 12 0 ravan JJZ 130 1560 polikrist. 45 1717Hrvatska pošta

d.o.oposlovna 0 7 20 SI-JZ JZ 125 1500 monokrist. 20 833

Stambena zgrada

stambena 4 9 15 JI-SZ JI 125 1500 monokrist. 15 299

Oxygenstambeno-poslovna


Općina Livno poslovna 0 15,5 30 SI-JZ/JI-SZ JZ/JI 120 1440 polikrist. 30 1323

Suncestambeno-poslovna

1 7,5 45 JI-SZ SZ 120 1440 monokrist. 45 338

Space poslovna 2 17 25 ISI-JZJ ISI/J 130 1560 monokrist. 25 464

Cristallostambeno-poslovna

8 12,5 20 SI-JZ JZ 135 1620 monokrist. 20 817

Grafosstambeno-poslovna


Kelavastambeno-poslovna


________________________________________________________________________________ 66


Zgr

ada

Vrs

ta z

grad

e

Bro

j ku

ćans

tava

Vis

ina

obje

kta

[m]

Nag

ib k

rova

[°

]

Ori

jent

acija

kr

ova

Opt

imal

ni

polo

žaj

pane

la n

a kr

ovu

Mje

sečn

a ko

ličin

a en

ergi

je p

o m

etru

kv

adra

tnom

na

tom

dije

lu

krov

a [k

Wh]

God

išnj

a ko

ličin

a en

ergi

je p

o m

2

tom

dije

lu

krov

a [k

Wh]

Vrs

ta p

anel

a (5

0 W

)

Kut

po

stav

ljanj

a pa

nela

[°]

Bro

j mod

ula

Neboderstambeno-poslovna

32 30/3,5 0 ravan J 130 1560 polikrist. 35 2701

Sting stambena 14 14,5 0 ravan J 125 1500 monokrist. 35 817Stambena

zgradastambena 3 8,5 35 SI-JZ/JI-SZ JZ/JI 125 1500 monokrist. 35 225

Pivnica Livnostambeno-poslovna

20 14,5 20 JI-SZ SZ 125 1500 polikrist. 20 1188

Zlatarnastambeno-poslovna


Jazvostambeno-poslovna

1 7,5 45 SI-JZ/JI-SZ JZ/JI 125 1500 monokrist. 45 491

Korzostambeno-poslovna


Stambena zgrada

stambena 4 5 40 JI-SZ JI 125 1500 monokrist. 40 299

Županijski sud poslovna 0 16,5 35 SI-JZ JZ 120 1440 polikrist. 35 992

Mesnica Davorstambeno-poslovna


________________________________________________________________________________ 67


Tablica 4.10 Nastavak na Tablica 4.9

Zgr

ada

Povr

šina

m

odul

a [m

2 ]

Cije

na

mod

ula

[KM

]

Efik

asno

st

pane

la [%

]

God

išnj

a po

troš

nja

elek

trič

ne

ener

gije

zg

rade

[k

Wh]

Rea

lna

količ

ina

ener

gije

po

m2 [k

Wh]

Potr

ebna

po

vrši

na

sola

rnih

pa

nela

[m2]

Sola

rna

elek

tran

a [k

W]

Uku

pna

cije

na

mod

ula

(bez

op

rem

e.

mon

taže

i pu

štan

ja u

po

gon)

[K

M]

Cije

na

sola

rne

elek

tran

e +

osta

la

opre

ma,

m

onta

ža i

pušt

anje

u

pogo

n [K

M]

Jam

stvo

[god

]

Ispl

ativ

ost

[god

]

Nar. sveuč. 0,7 76,3 0,12 70000 90 777,8 100 84795,3 118421,1 35 6,5Zavod za zdr. osig.

0,5 94,7 0,16 40000 110,4 362,3 60 68649,9 71052,6 35 7,5

K2 0,5 94,7 0,16 4483 129,6 34,6 5 6554,1 8539,5 35 11

Otok 0,5 94,7 0,16 2241,5 115,2 19,5 - 3686,7 - 30 10

Relax 0,5 94,7 0,16 8966 124,8 71,8 10 13612,3 17078,9 35 11

Dong Fang 0,5 94,7 0,16 35864 100,8 355,8 45 67413,5 64828,9 35 9,5

Kaktus 0,5 94,7 0,16 23966 124,8 192,0 25 36385,6 32675,4 35 6,5

42 0,5 94,7 0,16 26898 129,6 207,5 30 39324,6 39210,5 35 7Stambena

zgrada0,5 94,7 0,16 8966 110,4 81,2 10 15387,9 17078,9 35 11

Time 0,5 94,7 0,16 22483 108,48 207,3 25 39269,3 32675,4 35 6,5

Net Com 0,5 94,7 0,16 19483 110,4 176,5 20 33437,6 26140,3 35 6Stambena

zgrada0,5 94,7 0,16 2241,5 112,32 20,0 - 3781,2 - 30 10

Fontana 0,5 94,7 0,16 17242 110,4 156,2 18 29590,7 23526,2 35 6

Why Blue 0,7 76,3 0,12 65400 82,8 789,9 80 86112,0 94736,8 35 6,5Stambena

zgrada0,5 94,7 0,16 4483 115,2 38,9 5 7373,4 8539,5 35 11

Stambena zgrada

0,5 94,7 0,16 17932 110,4 162,4 20 30775,7 26140,3 35 7

Stambena zgrada

0,5 94,7 0,16 17932 118,08 151,9 20 28774,1 26140,3 35 9

Li-Pek 0,5 94,7 0,16 23449 108,48 216,2 25 40956,6 32675,4 35 7

Li-Pharma 0,5 94,7 0,16 24483 120 204,0 25 38657,4 32675,4 35 7,5

________________________________________________________________________________ 68


Zgr

ada

Povr

šina

m

odul

a [m

2 ]

Cije

na

mod

ula

[KM

]

Efik

asno

st

pane

la [%

]

God

išnj

a po

troš

nja

elek

trič

ne

ener

gije

zg

rade

[kW

h]

Rea

lna

količ

ina

ener

gije

po

m2

[kW

h]

Potr

ebna

po

vrši

na

sola

rnih

pa

nela

[m2]

Sola

rna

elek

tran

a [k

W]

Uku

pna

cije

na m

odul

a (b

ez o

prem

e.

mon

taže

i pu

štan

ja u

po

gon)

[KM

]

Cije

na so

larn

e el

ektr

ane

+ os

tala

op

rem

a,

mon

taža

i pu

štan

je u

po

gon

[KM

]

Jam

stvo

[god

]

Ispl

ativ

ost

[god

]

Svijetlo Riječi

0,7 76,3 0,12 40347 93,6 431,1 60 46995,0 71052,6 35 8,5

Adidas 0,5 94,7 0,16 8966 118,08 75,9 10 14387,0 17078,9 35 9,5Hotel

Dinara (s)0,7 76,3 0,12 75000 93,6 801,3 100 87357,8 118421,1 35 6,5

Hotel Dinara (r)

0,7 76,3 0,12 120000 100,8 1190,5 130 129788,8 153947,4 35 5

HT Eronet 0,7 76,3 0,12 112500 93,6 1201,9 120 131036,7 142105,3 35 5Hrvatska

pošta d.o.o0,5 94,7 0,16 50000 120 416,7 60 78947,4 71052,6 35 6

Stambena zgrada

0,5 94,7 0,16 17932 120 149,4 20 28313,7 26140,3 35 9

Oxygen 0,5 94,7 0,16 19483 120 162,4 20 30762,6 26140,3 35 6Općina Livno

0,7 76,3 0,12 80000 86,4 925,9 100 100946,8 118421,1 35 6

Sunce 0,5 94,7 0,16 19483 115,2 169,1 20 32044,4 26140,3 35 6

Space 0,5 94,7 0,16 28966 124,8 232,1 30 43976,7 39210,5 35 7

Cristallo 0,5 94,7 0,16 52932 129,6 408,4 70 77386,0 82894,7 35 7,5

Grafos 0,5 94,7 0,16 24483 124,8 196,2 25 37170,5 32675,3 35 6

Kelava 0,5 94,7 0,16 34483 129,6 266,1 40 50413,7 47368,4 35 6

Neboder 0,7 76,3 0,12 177000 93,6 1891,0 200 206164,4 223684,2 35 6,5

Sting 0,5 94,7 0,16 49000 120 408,3 60 77368,4 71052,6 35 9Stambena

zgrada0,5 94,7 0,16 13500 120 112,5 15 21315,8 19605,3 35 7,5

Pivnica Livno

0,7 76,3 0,12 74830 90 831,4 100 90646,2 118421,1 35 9

Zlatarna 0,5 94,7 0,16 12483 110,4 113,1 15 21423,9 19605,3 35 7,5

Jazvo 0,5 94,7 0,16 29483 120 245,7 35 46552,1 41447,4 35 6

________________________________________________________________________________ 69


Zgr

ada

Povr

šina

m

odul

a [m

2 ]

Cije

na

mod

ula

[KM

]

Efik

asno

st

pane

la [%

]

God

išnj

a po

troš

nja

elek

trič

ne

ener

gije

zg

rade

[kW

h]

Rea

lna

količ

ina

ener

gije

po

m2

[kW

h]

Potr

ebna

po

vrši

na

sola

rnih

pa

nela

[m2]

Sola

rna

elek

tran

a [k

W]

Uku

pna

cije

na m

odul

a (b

ez o

prem

e.

mon

taže

i pu

štan

ja u

po

gon)

[KM

]

Cije

na so

larn

e el

ektr

ane

+ os

tala

op

rem

a,

mon

taža

i pu

štan

je u

po

gon

[KM

]

Jam

stvo

[god

]

Ispl

ativ

ost

[god

]

Korzo 0,5 94,7 0,16 19483 124,8 156,1 20 29579,5 26140,3 35 6Stambena

zgrada0,5 94,7 0,16 17932 120 149,4 20 28313,7 26140,3 35 9

Županijski sud

0,7 76,3 0,12 60000 86,4 694,4 70 75710,1 82894,7 35 5,5

Mesnica Davor

0,5 94,7 0,16 38966 110,4 353,0 45 66875,3 64828,9 35 7,5

________________________________________________________________________________ 70


Postoji više vrsta 3D modela kao što su digitalni model reljefa (DMR), digitalni model površine (DMP), digitalni model terena (DMT), digitalni model zgrada (DMZ)... U ovom slučaju izrađen je digitalni model zgrada. Takav model nastaje prikupljanjem podataka o izgrađenim objektima i najbolje se može opisati kao skup pojedinačnih 3D objekata.

Razina detalja (LOD) predstavlja opis grafičkog sadržaja elemenata, odnosno modela za fazu za koju se projekt izrađuje. Model je izrađen u LOD 2.1 razini detalja (Slika 4.49).

Slika 4.49 LOD razine detalja

Model je učitan u ArcScene 10.4.1. Prethodno izrađena atributna tablica u Microsoft Excelu 2013 je također učitana kao tablica u ArcScene 10.4.1. Svakom objektu kojem je prethodno pridružen identifikacijski broj (ID) u QGIS-u dok je razina objekta bila 2D. U atributnoj tablici su također postavljeni jednaki ID-ovi objekata te su u softveru ArcScene operatorima JOIN i „=“ pridruženi odgovarajući atributi iz Tablica 4.9 i Tablica 4.10 odgovarajućem objektu.

Na Slika 4.50 prikazan je konačan 3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela. Na sljedećoj slici (Slika 4.52) prikazano je kako se odabirom bilo kojeg objekta može informirati o istom kroz niz atributa koji su identični atributima u Tablica 4.9 i Tablica 4.10. Na svakom objektu je prikazan optimalan raspored i nagib panela na najpogodnijoj plohi te potrebna površina istih (Slika 4.51). Na taj se način korisnici mogu informirati i o estetskom učinku fotonaponskih panela na individualnom objektu.

________________________________________________________________________________ 71


Slika 4.50 Konačan 3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela

________________________________________________________________________________ 72


Slika 4.51 Optimalan raspored, položaj i nagib panela

Slika 4.52 Odabir jednog objekta i pridruženi atributi

________________________________________________________________________________ 73


5 ZAKLJUČAK

Cilj diplomskog rada je izraditi jednostavan 3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela. Motivacija za izradu modela je bilo sve veće onečišćenje okoliša i porast globalnog zatopljenja upotrebom fosilnih goriva te slaba informiranost ljudi o tim problemima u gradu Livnu. Problemi se mogu riješiti prelaskom na obnovljive izvore energije, a posebno energije Sunca. Model do kojeg je potrebno doći provedbom niza radnji detaljno objašnjenih u radu je jedan zanimljiv način prijenosa tako važnih informacija. Potrebno je provesti analizu količine sunčevog zračenja na dnevnoj, mjesečnoj i godišnjoj razini, prikupiti podatke terenski, izraditi tlocrte građevina, informirati se o cijenama električne energije za različite korisnike, istražiti potrošnju električne energije različitih vrsta zgrada, usporediti podatke za poslovne i stambene objekte te konačno izraditi objekt. Osim što je praktični dio rada izrađen u već korištenim softverima kroz prethodne godine studiranja, proučen je i softver ArcScene 10.4.1. koji je koristan u 3D modeliranju te analizi geoprostornih podataka.

Postoji još jedan razlog izrade takvog modela, a to je da se korisnici lako mogu informirati o upotrebi energije Sunca kao jedne vrste obnovljivih izvora energije. Moguće je prikupiti informacije o cijeni jednog panela, čitave elektrane, isplativosti, jamstva, količine energije svakog objekta (poslovnog i stambenog) i sl.

Usporedbom količine radijacije za 2015. i 2019. godinu donesen je zaključak da je veća količina zračenja u 2019. godini. Najveća razlika u količini radijacije u 2019. u odnosu na 2015. godinu je u razdoblju od travnja do rujna u korist 2019. godine. To je zapravo jedan od dokaza da je globalno zatopljenje uistinu u porastu. Razlike u insolaciji nisu zanemarive. Promatrajući iz drugog kuta gledanja to je korisno jer veća radijacija znači i više energije. 3D modelom i samim radom se nastoji pokazati da, primjerice postavljanje solarnih panela nije apstraktan problem. Očite su mnoge prednosti, kao što je smanjenje onečišćenja okoliša, brza isplativost nakon što se postave paneli i sl. Razvoj tehnologije je u porastu i lako se prelazi s jedne razine tehnologije ne neku višu. To ne bi trebao biti problem ni s upotrebom energije. Jednostavno se trebaju širiti informacije o dostupnosti i isplativosti, kako financijskoj tako i ekološkoj o ovakvoj vrsti izvora energije. Primjerice, moguće je izraditi vlastitu elektranu određene snage te nakon što se ista isplati moguće je prodavati energiju javnom elektroenergetskom sustavu grada i na taj način zaraditi.

Cilj rada je i postignut. Model je izrađen te ga je moguće promatrati kao jedan oblik prijenosa vrlo važnih informacija koje utječu na budućnost populacije na globalnoj razini.

________________________________________________________________________________ 74


POPIS LITERATURE

Barbir, F., (2017): Obnovljivi izvori energije i održivi razvoj. Predavanja. Sveučilište u Splitu – Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Split

Dović, D., (2017): Solarni toplinski sustavi. Predavanja. Sveučilište u Zagrebu – Fakultet strojarstva i brodogradnje, Zagreb

Kulišić, P., (1991): Sunčana energija i energija vjetra. Školska knjiga, Zagreb

Matić, Z., (2007): Sunčevo zračenje na području Republike Hrvatske. Priručnik za energetsko korištenje Sunčevog zračenja – Sveučilište u Splitu

Smaka, S., (2016): Energija Sunca. Predavanja. Sveučilište u Sarajevu – Elektrotehnički fakultet, Sarajevo

Umihanić i dr., (2015): Usporedna analiza proizvodnje električne energije fiksnih fotonaponskih sustava u različitim dijelovima BiH. Stručni članak – Tehnički glasnik 9, 2(2015), 128-135

Varga, M., Bašić T., (2013): Procjena kvalitete i usporedba globalnih digitalnih modela reljefa na ozemlju Republike Hrvatske. Pregledni znanstveni rad. Sveučilište u Zagrebu – Geodetski fakultet

MREŽNI IZVORI

URL 1. https://www.pmf.unizg.hr/ (26.3.2019.)

URL 2. https://climate.nasa.gov/resources/global-warming/ (27.3.2019.)

URL 3. https://solargis.com/ (29.3.2019.)

URL 4. http://www.fhmzbih.gov.ba/podaci/klima (7.4.2019.)

URL 5. https://earthexplorer.usgs.gov/? (8.4.2019.)

URL 6 http://www.saga-gis.org/saga_tool_doc/2.2.2/ta_lighting_2.html (9.4.2019.)

URL 7. https://overpass-turbo.eu/ (10.4.2019.)

URL 8. https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Map_Features (10.4.2019.)

URL 9. http://www.saga-gis.org/saga_tool_doc/6.3.0/ta_lighting_7.html (16.4.2019.)

URL 10. http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?id=1376 (16.4.2019.)

URL 11. https://www.openstreetmap.org/ (23.4.2019.)

URL 12. http://www.bhas.ba/saopstenja/2015/APED_2015_001_01_BA.pdf (20.5.2019.)

URL 13. http://hr.solarsystem-supplier.com/solar-panels/monocrystalline-solar-panels/monocrystalline-solar-panels-60-solar-cells.html (24.5.2019.)

URL 14. http://www.calculationsolar.com/calculate.php# (24.5.2019.)

URL 15. http://www.solarni-paneli.hr/pdf/01_handbook_fotonapon.pdf (24.5.2019.)

URL 16. http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ (27.5.2019.)

URL 17. http://desktop.arcgis.com/en/arcmap/ (27.5.2019.)

________________________________________________________________________________ 75

http://desktop.arcgis.com/en/arcmap/

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

http://www.solarni-paneli.hr/pdf/01_handbook_fotonapon.pdf

http://www.calculationsolar.com/calculate.php

http://hr.solarsystem-supplier.com/solar-panels/monocrystalline-solar-panels/monocrystalline-solar-panels-60-solar-cells.html

http://hr.solarsystem-supplier.com/solar-panels/monocrystalline-solar-panels/monocrystalline-solar-panels-60-solar-cells.html

http://www.bhas.ba/saopstenja/2015/APED_2015_001_01_BA.pdf

https://www.openstreetmap.org/

http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?id=1376

http://www.saga-gis.org/saga_tool_doc/6.3.0/ta_lighting_7.html

https://wiki.openstreetmap.org/wiki/Map_Features

https://overpass-turbo.eu/

http://www.saga-gis.org/saga_tool_doc/2.2.2/ta_lighting_2.html

https://earthexplorer.usgs.gov/?

http://www.fhmzbih.gov.ba/podaci/klima

https://solargis.com/

https://climate.nasa.gov/resources/global-warming/

https://www.pmf.unizg.hr/


________________________________________________________________________________ 76


POPIS SLIKA

Slika 2.1 Utjecaj sfernosti Zemlje na ozračenje (Matić, 2007)............................................................2

Slika 2.2 Spektar elektromagnetskog zračenja (URL 1)......................................................................3

Slika 2.3 Visina Sunca i zenitna udaljenost (Smaka, 2016).................................................................4

Slika 2.4 Negativni efekti korištenja konvencionalnih izvora energije (URL 2).................................6

Slika 2.5 Potencijal energije sunčevog zračenja (Smaka, 2016)..........................................................6

Slika 2.6 Prosječne vrijednosti godišnje količine zračenja na horizontalnu plohu za područje Europe (od 2004. do 2010. godine) (URL 3)....................................................................................................7

Slika 2.7 Potencijal sunčeve energije u BiH s vrijednostima globalnog zračenja (URL 3).................8

Slika 2.8 Solarna ćelija kao spoj P i N tipa poluvodiča (Kulišić, 1991)............................................10

Slika 2.9 Princip rada solarne ćelije (Smaka, 2016)...........................................................................11

Slika 2.10 Ovisnost snage solarnih ćelija o intezitetu sunčeva zračenja (Smaka, 2016)...................12

Slika 2.11 Neki od tipova fotonaponskih ćelija.................................................................................12

Slika 2.12 Solarna ćelija < modul < panel < matrica.........................................................................14

Slika 2.13 Optimalni kutovi inklinacije i azimuta za postavljanje fotonaponskog sustava...............14

Slika 2.14 Grafički prikaz moguće proizvodnje električne energije iz fotonaponskog sustava snage 1 kW po mjesecima za različite dijelove BiH (Umihanić i dr., 2015)..................................................15

Slika 2.15 Moguća proizvodnja električne energije fotonaponskih sustava od 1 kW za različite lokacije u BiH.....................................................................................................................................16

Slika 2.16 Analiza na web-izvoru PVGIS..........................................................................................17

Slika 3.1 Kanali Sentinel-2 snimki rezolucije 10 x 10 m...................................................................20



Slika 3.4 Graf kretanja količine sunčeve energije po mjesecima.......................................................24

Slika 3.5 Satelitski prikaz grada Livna (Google Earth Pro)...............................................................26

Slika 3.6 Rezultati analize u softveru za 2019. godinu......................................................................27

Slika 3.7 Reljef grada Livna...............................................................................................................28

Slika 3.8 Područje šireg centra grada Livna koje će se obrađivati (pravokutnik)..............................29

Slika 3.9 Uvećano područje obrade....................................................................................................29

Slika 3.10 Maksimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – difuzna radijacija (1.7.2019.)..........................................................................................................................31

Slika 3.11 Maksimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – direktna radijacija (1.7.2019.)..........................................................................................................................32

________________________________________________________________________________ 77


Slika 3.12 Maksimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – globalna radijacija (1.7.2019.)..........................................................................................................................33

Slika 3.13 Količina sunčeve energije za svaki piksel.........................................................................34

Slika 3.14 Minimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – difuzna radijacija (1.12.2019.)........................................................................................................................36

Slika 3.15 Minimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – direktna radijacija (1.12.2019.)........................................................................................................................37

Slika 3.16 Minimalna dnevna količina sunčeve energije na području grada Livna – globalna radijacija (1.12.2019.)........................................................................................................................38

Slika 3.17 Centar grada kao područje obrade.....................................................................................40

Slika 3.18 Prosječna dnevna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – direktna radijacija (15.3.2019.)..........................................................................................................41

Slika 3.19 Prosječna dnevna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – difuzna radijacija (15.3.2019.)...........................................................................................................42

Slika 3.20 Prosječna dnevna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – globalna radijacija (15.3.2019.)..........................................................................................................43

Slika 3.21 Prosječna mjesečna količina sunčeve energije čitave godine na području grada Livna – globalna radijacija (1.3.2019. – 1.4.2019.).........................................................................................44

Slika 4.1 Insolacija u svijetu...............................................................................................................47

Slika 4.2 Određivanje orijentacije krova zgrade................................................................................48

Slika 4.3 Smart Measure Android aplikacija za mjerenje udaljenosti i visine...................................49

Slika 4.4 Jednostavan građevinski laser za mjerenje udaljenosti.......................................................50

Slika 4.5 Monokristalne i polikristalne fotonaponske ćelije (URL 13).............................................53

Slika 4.6 Potrebna površina za smještaj fotonaponskih modula snage 1 kW....................................54

Slika 4.7 Oprema fotonaponske elektrane..........................................................................................55

Slika 4.8 Princip rada solarnog sustava priključenog na javnu elektroenergetsku mrežu.................56

Slika 4.9 Brojila predane i preuzete električne energije (URL 15)....................................................57

Slika 4.10 Solarni krov u Španskom (Zagreb) snage 10 kW (lijevo) te zračna luka u Munchenu (snaga 475 kW) (desno) (URL 15).....................................................................................................57

Slika 4.11 Princip postavljanja solarnih panela na kosom (lijevo) i ravnom (desno) krovu..............58

Slika 4.12 LOD razine detalja............................................................................................................67

Slika 4.13 Konačan 3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela.....68

Slika 4.14 Optimalan raspored, položaj i nagib panela......................................................................69

Slika 4.15 Odabir jednog objekta i pridruženi atributi.......................................................................69

POPIS TABLICA

Tablica 2.1 Karakteristike različitih tipova solarnih ćelija.................................................................13________________________________________________________________________________

78


Tablica 3.1 Ulazni parametri za analizu insolacije grada Livna u softveru SAGA GIS....................21

Tablica 3.2 Parametri SRTM-1 DMR-a i njihova vrijednost (URL 5)..............................................21

Tablica 3.3 Parametri Sentinel-1 satelitske snimke i njihova vrijednost...........................................22

Tablica 3.4 Količina sunčeve energije po mjesecima za 2019. i 2015. godinu te razlika..................23

Tablica 3.5 Albedo različitih tvari......................................................................................................26

Tablica 4.1 Prosječna godišnja potrošnja električne energije po domaćinstvu (URL 12).................51

Tablica 4.2 Godišnja potrošnja električne energije objekata u centru Livna.....................................52

Tablica 4.3 Atributi objekata od interesa koji su pridruženi 3D modelu...........................................61

Tablica 4.4 Nastavak na tablicu 5.2...................................................................................................64

POPIS KRATICA

AM – Air Mass

ASTER – Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer

DMP – digitalni model površine

DMR – digitalni model reljefa

DMT – digitalni model terena

DMZ – digitalni model zgrada

COLLADA – COLLAborative Design Activity

EGM96 – Earth Gravitational Model

ESRI – Environmental Systems Research Institute

GeoTIFF – Georeferenced Tagged Image File Format

G2V – zvijezda ''žuti patuljak''

IGD – istočna geografska dužina

J - jug

JI - jugoistok

JZ - jugozapad

KM – konvertibilna marka

kn – hrvatska kuna

LOD – Level of Detail

NASA – National Aeronautics and Space Administration

PVGIS – Photovoltaic Geographical Information System

S – sjever

SGŠ – sjeverna geografska širina

________________________________________________________________________________ 79


SI -sjeveroistok

SRTM – Shuttle Radar Topography Mission

SZ – sjeverozapad

USGS – U.S. Geological Survey

WGS84 – World Geodetic System 84

2D – dvije dimenzije

3D – tri dimenzije

POPIS OZNAKA

CO2 – ugljikov (IV) oksid

GWh – gigavatsat

km – kilometar

kWh – kilovatsat

mbar – milibar

MW – megavat

nm – nanometar

NOx (x = 0,5 – 2) – dušikovi oksidi

SO2 – sumporov (IV) oksid

TV – teravat

Wh – vatsat

W/m2 – vat po metru kvadratnom

λ – valna duljina

μm – mikrometar

1'' – jedna lučna sekunda

1° - jedan stupanj

________________________________________________________________________________ 80


PRILOZI

Naziv datoteke Opis

3D model užeg centra grada Livna za potrebe postavljanja solarnih panela.docx

Diplomski rad (Microsoft Word 2013)

Atributna tablica i podaci mjerenja.xlsx Istraženi, izmjereni i prikupljeni podaci te atributi (Microsoft Excel 2013)

Tlocrt zgrada Datoteka sa tlocrtima zgrada u .shp, .dxf, .qpj, .prj i .cpg formatu (QGIS

Essen 2.14.12)

Rasteri solarne radijacije SPRM, XML, SGRD, MGRD, PRJ, SDAT datoteke solarne radijacije na dnevnoj,

mjesečnoj i godišnjoj razini (SAGA GIS 2.1.2)

COLLADA datoteke .dae datoteke objekata (SketchUp Pro 2018)

Topografija grada Livna PDF datoteka reljefa grada Livna

Insolacija, reljef i područje obrade .jpg datoteke navedenog

PVGIS Solarna radijacija i inklinacija na godišnjoj razini grada Livna (PDF datoteka)

________________________________________________________________________________ 81