Solarni i fotonaponski sustavi

Solarni fotonaponski sustavi grabe autonomne solarne energije sustava ( Otok kompleks) jetrajna - ili privremeno - odvajanje od javne mreže . To može biti potrebno nekoliko razloga : bilo zato što nema snage dostupan , ili implementirati backup sustav koji potrošač instalacija u kratkom vremenu odvojena od one u slučaju nestanka struje u javnoj mreži . Uz pomoć baterije i izmjenjivače Island je otok Sustav je konstruiran na temelju konvencionalne AC naponu za održavanje opskrbu kućanstva obično u roku od nekoliko milisekundi . Takvi sustavi backup , oni također povećati self- potrošnja u konvencionalnim mreža povezanih solarnih elektrana -Danneiskorištena snaga Prvi je spasio tada će se koristiti kasnije ako je potrebno . Nekadašnji top- grid sustavi, koji su djelovali kontinuirano bez mrežne veze , na temelju manjih aplikacija operirane od 12 ili 24 volti DC napona potrošača instalacije . U biti , takav sustav se sastoji od četiri komponente:solarne generatore , zadužen kontrolera , baterije i potrošači . Sve ove komponente sustava treba prilagoditi ovom profilu opterećenja od električnih trošila prema skladno kako bi se osigurala visoku učinkovitost .

Regulatori foto napona (DC kontroleri)

Svaki električni sustav s akumulatorom u kojemu su strujne i naponske značajke osnovnog izvora promjenljive ovisno o radnim uvjetima, mora imati odgovarajući regulator napona. Taj sklop regulira struju punjenja, štiti priključenje uređaje od prevelikog napona i struje a može imati i pokazivač trenutnog stanja napunjenosti akumulatora.
Solarni regulatori DC napona pretvaraju promjenjljivi istosmjerni napon solarnih ćelija u precizno kontrolirane fotonaponske module napone kojima se puni i održava baterija te napajaju istosmjerna trošila. Napon baterije automatski se podešava ovisno o tipu, stanju napunjenosti i temperaturi baterije, dok se napon trošila održava konstantnim.

Planiranje i prilagodba fotonaponskih sustava

Jedan kvadratni metar fotonaponskih solarnih ćelija može proizvesti do 150 W bez održavanja snage do trideset godina. Oni će čak i raditi na difuzno svjetlo kad su oblačni dani, ali sa manje izlazne snage. Napon proizveden fotonaponskim panelom ostaje približno isti bez obzira na vrijeme, ali jakost i snaga će varirati.
Najvažniju varijablu koju treba imati na umu pri planiranju fotonaponskih solarnih instalacija je izlazna snaga, koje će uglavnom ovisiti o četiri faktora:

1. maksimalna snaga modula (mjereno u peak-vatima ili Wp)
2. intenzitet svjetlosti
3. broj sati izloženosti suncu
4. kut izlaganja suncu

Od fotonaponske ćelije do fotonaponskog modula

Fotonaponski sustavi su po prirodi modularni, od jedinica od nekoliko vata, preko
autonomnih sustava od nekoliko kW, do centraliziranih elektrana u megavatnom području.
Fotonaponski modul čini više elektricno povezanih ćelija u jednom kućištu zaštićenih od
atmosferskih utjecaja. Fotonaponski moduli odnosno sustavi čine niz više modula (od dva do nekoliko tisuća) ovisno o potrebnoj snazi.

Pojedine ćelije se slažu u veće cjeline s ciljem osiguranja prikladnog napona i struje za različite aplikacije.
Povezivanje ćelija može biti izvedeno na dva načina:

 Paralelno– paralelnim spajanjem dolazi do povećanja jakosti struje s povećanjem površine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodič, analogno i za (-) vodiče.

 Serijski – serijskim spajanjem dolazi do povećanja napona s povećanjem površine, izvodi se tako da se naizmjenično spajaju (+) i (-) pol ćelija u nizu.

Pažljivo s naručivanjem solarnih sistema

Kod odabira samog proizvoda potrebno je voditi računa o tehničkim karakteristikama opreme:

 Efikasnosti
 Temperaturnoj osjetljivosti
 Osjetljivosti na zasjenjenje
 Degradaciji efikasnosti
 Zauzeću površine m2/kW (neto panel, bruto ovisno o nagibu/zakretanju)
 Garanciji za opremu (trajanje i sadržaj garancije, osiguranje garantnih uvjeta…)
 Realnim cijenama s obzirom na mjesto isporuke, carinske troškove i sl.
 Uvjetima plaćanja, rokovima isporuke

Karakteristike pojedinih fn ćelija

Fotonaponski moduli odnosno fn čelije ćelije iz silicija se izvode u više morfoloških oblika, kao monokristalne, polikristalne i amorfne. Monokristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti.

Polikristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Proizvodnja ovih ćelija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina na čijim granicama se pojavljuju greške, zbog čega solarna ćelija ima manju iskoristivost.

Amorfne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 μm, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Međutim iskoristivost amorfnih ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade.

Galij arsenidne (GaAs) ćelije: galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija i arsena. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama. Projekti koncentriranog zračenja su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2.

Kadmij telurijeve (CdTe) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m2 u laboratorijskim uvjetima. Kadmij teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbogo fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

Novi materijali omogućuju iskorištavanje šireg spektra sunčevog zračenja. Efikasne fotonaponske ćelije koriste višestruke poluvodiće s fiksnim energetskim šupljinama (npr. ćelija s trostrukim spojem GaInP/GaAs/Ge). Cilj je iskoristiti što veci dio sunčevog spektra Fotonaponske celije s višetrukim spojevima mogle bi imati stupanj djelovanja i do 50%.

Građa solarnih ćelija

Solana ćelija je PN-spoj (poluvodička dioda). Poluvodička dioda je građena od N i P poluvodiča. Pritom je jedan od poluvodiča vrlo tanak i na njega upada sunčeva svijetlost.
Slika 3.3. Prikaz fizikalne građe solarne ćelije

U silicijskoj fotonaponskoj ćeliji na površini pločice P-tipa silicija difundirane su primjese, npr. Fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane područje N-tipa poluvodiča. Da bi se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčeva zračenja, na prednjoj površini se nalazi metalna rešetka, a stražnja strana je prekrivena metalnim kontaktom. Rešetkasti kontakt na prednjoj strani načinjen je tako da ne prekrije više od 5% površine, te on gotovo i ne utječe na apsorpciju sunčeva zračenja. Prednja površina ćelije moče biti prekrivena i prozirnim antirefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svijetlosti i tako povećava djelotvornost ćelije.

Solarna fotonaponska energija

Fotonaponski sustavi predstavljaju integriran skup fotonaponskih (FN) modula i ostalih komponenata, projektiran tako da primarnu Sunčevu energiju izravno pretvara u konačnu električnu energiju kojom se osigurava rad odreĎenog broja istosmjernih ili izmjeničnih trošila, samostalno ili zajedno s pričuvnim izvorom.
Glavne komponente koje čine fotonaponski sustav su:
1. fotonaponski moduli (ćelije)
2. regulatori napona (DC kontroleri)
3. DC/AC pretvarači (inverteri-izmjenjivači)
4. akumulatori

Sunčeva energija

Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji. Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje 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 nekih 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.

Sunčeva energija u užem smislu podrazumijeva količinu energije koja je prenesena Sunčevim zračenjem, a izražava se u J. Sunčeva se energija u svojem izvornom obliku najčešće koristi za pretvorbu u toplinsku energiju za sustave pripreme potrošne tople vode i grijanja (u europskim zemljama uglavnom kao dodatni energent ) te u solarnim elektranama, dok se za pretvorbu u električnu energiju koriste fotonaponski sustavi.
Sunčevo zračenje je kratkovalno zračenje koje Zemlja dobiva od Sunca. Izražava se u W/m2, a ovisno o njegovom upadu na plohe Zemlje može biti:

- neposredno: zračenje Sunčevih zraka
- difuzno zračenje neba: raspršeno zračenje cijelog neba zbog pojava u atmosferi
- difuzno zračenje obzorja: dio difuznog zračenja koji zrači obzorje
- okosunčevo difuzno (cirkumsolarno) zračenje: difuzno zračenje bliže okolice Sunčevog diska koji se vidi sa Zemlje
- odbijeno zračenje: zračenje koje se odbija od okolice i pada na promatranu plohu

Solarna energija je najtrajniji stalni izvor energije na zemlji

Godišnja solarna radijacija koja pada na Zemlju je oko 3 400 000 EJ (E - exa), što je ogroman količina, višestruko veća od svih predvđenih neobnovljivih izvora. A ipak se u svijet 80% energije dobiva iz fosilnih goriva. Sa njihovom upotrebom je povezano mnogo rizika i nedostataka: od infrastrukture od zagađivanja, a da ne govorimo o ekonomskim i političkim krizama prouzrokovanim nedostatkom tih energenata. Stoga je stav nacionalnih i internacionalnih institucija i organizacija, a i mišljenje svijetske javnosti da treba sve više iskorištavati prihvatljivije izvore energije kao što je sunčeva energija. Europska Unija je objavila plan kako će se do 2020. godine 20% svoje energije dobivati iz obnovljivih izvora. Njemačka agencija WBGU iznijela je analize o potrebama i potencijalu razvitka potrošnje energije. Vidljivo je da će snaga Sunca u budućnosti imati veliki doprinos u ukupnoj potrošnji. To je moguće uz veliki napredak znanosti i tehnologije zadnjih desetljeća i uz daljnja istraživanja. Do 2100. godine nafta, plin, ugljen i atomska energija činiti će 15% svijetske potrošnje dok će fotonaponska i toplinska pretvorba sunčeve energije činiti oko 70% zahvaljujući fotonaponskim modulima. Da bi se te dugoročne analize pokazale točnima potrebno je provoditi energetski efikasnu i intenzivnu politiku koja će doprinijeti da se obnovljivi izvori energije sve više koriste.