Toni Radanovič PRIMERJAVA SLEDILNIH IN NEPREMIČNIH SONČNIH ELEKTRARN

Transkripcija

1 Toni Radanovič PRIMERJAVA SLEDILNIH IN NEPREMIČNIH SONČNIH ELEKTRARN Krško, september 2011

2

3 Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa PRIMERJAVA SLEDILNIH IN NEPREMIČNIH SONČNIH ELEKTRARN Študent: Študijski program: Mentor: Somentor: Lektorica: Toni Radanovič UN Energetika red. prof. dr. Josip Voršič doc. dr. Miralem Hadžiselimović Alenka Cizel, prof. Krško, september 2011 I

4

5 ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju red. prof. dr. Josipu Voršiču in somentorju doc. dr. Miralemu Hadžiselimoviću za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomskega dela. Zahvaljujem se tudi podjetju Ključavničarstvo Deržič, Deržič Rudolf, s.p., za pripravljenost posredovanja informacij, potrebnih za diplomsko delo. Posebna zahvala velja staršem in vsem domačim, ki so mi omogočili študij. III

6 PRIMERJAVA SLEDILNIH IN NEPREMIČNIH SONČNIH ELEKTRARN Ključne besede: elektrotehnika, proizvodnja električne energije, sončne elektrarne, sledilniki UDK: (043.2) POVZETEK: Diplomska naloga opisuje nepremične in sledilne sončne elektrarne ter njihove elemente. Vključuje tudi opis osnovnih pojmov fotovoltaike ter delovanja in zgradbe sončnih celic in fotonapetostnih modulov. V nadaljevanju smo se osredotočili predvsem na razlike med nepremičnimi in sledilnimi sončnimi elektrarnami. Predstavljena je sončna elektrarna Deržič, na kateri smo z meritvami primerjali proizvodnjo električne energije glede na sončno obsevanje na nepremičnih modulih in sončnih sledilnikih. Rezultat diplomske naloge je, da smo na praktičnem primeru potrdili, da sončni sledilniki povečajo izkoristek sončne energije do 35 % ali celo več. IV

7 COMPARISON OF TRACKING AND STATIONARY PHOTOVOLTAIC SYSTEMS Key words: electrical engineering, power generation, solar power, solar trackers UDK: (043.2) ABSTRACT: Following dissertation describes the stationary and tracking photovoltaic systems and their components. It also includes a description of the operation and construction of solar cells and photovoltaic modules. Hereafter we focused primarily on differences between stationary and tracking photovoltaic systems. In the represented solar power plant Deržič, we compared measurements of generation of electricity by solar radiation on stationary modules and solar trackers. The result of this dissertation is that we confirmed on a practical case that the solar trackers increase efficiency of solar energy by 35 % or even more. V

8 VSEBINA 1 UVOD SONČNA ENERGIJA SONČNO OBSEVANJE Porazdelitev sončnega sevanja Neposredno in razpršeno (difuzno) sevanje Sončno obsevanje v Sloveniji Merjenje sončnega sevanja Trajanje sončnega obsevanja FOTOVOLTAIKA SONČNE CELICE Zgradba, delovanje in izdelava sončne celice Karakteristike sončnih celic Vrste sončnih celic Prednosti in slabosti sončnih celic FOTONAPETOSTNI MODULI I-U karakteristike modulov RAZSMERNIKI FOTONAPETOSTNI SISTEMI Samostojni fotonapetostni sistemi Omrežni fotonapetostni sistemi SONČNE ELEKTRARNE Nepremične sončne elektrarne Sledilne sončne elektrarne PRIMERJAVA SLEDILNEGA IN NEPREMIČNEGA SISTEMA NA SONČNI ELEKTRARNI DERŽIČ O podjetju Ključavničarstvo Deržič O sončni elektrarni Deržič Dvoosni sledilnik KD32-2X Sončno obsevanje na področju elektrarne Deržič Nepremični del sončne elektrarne Sledilni del sončne elektrarne Pregled razlike med nepremičnim in sledilnim sistemom po mesecih VI

9 11 SKLEP VIRI, LITERATURA PRILOGE Kazalo slik Kazalo tabel Izjava o istovetnosti tiskane in elektronske verzije diplomskega dela in objavi osebnih podatkov avtorja VII

10 UPORABLJENI SIMBOLI E 0 [W/m 2 ] Sončno sevanje λ [nm] Valovna dolžina U os [V] Napetost odprtih sponk I kr [A] Kratkostični tok P max [W] Maksimalna moč I max [A] Maksimalni tok U max [V] Maksimalna napetost U 0 [V] Napetost praznega teka VIII

11 UPORABLJENE KRATICE OVE Obnovljivi viri energije J Jug JZ Jugozahod PV Fotovoltaika Se Selen Si Silicij CdS Kadmijev sulfid Ge Germanij Cu 2 S CdAs CdTe Bakrov sulfid Kadmijev arsenid Kadmijev telurid P Fosfor B Bor SiH 4 Silan CIS Baker indijev diselenid TCO Prevodno oksidna plast ZnO Cinkov oksid SnO 2 Kositrov oksid ITO Indij-kositrov oksid EVA Etil vinil acetat AM Faktor zračne mase DC Enosmerni tok AC Izmenični tok PVC ARSO Polivinil klorid Agencija Republike Slovenije za okolje IX

12 1 UVOD Na svetu iz dneva v dan naraščajo potrebe po električni energiji, zaloge konvencionalnih virov energije pa so iz dneva v dan manjše in onesnaževanje okolja vse večje. Zato postaja pri oskrbi z električno energijo vse bolj pomembno tudi izkoriščanje naravnih in trajnih obnovljivih virov energije, kot so sončno sevanje, voda, veter, biomasa in geotermalna energija. V tej diplomski nalogi se bomo posvetili izrabi energije Sonca, ki je neizčrpen in vedno dostopen, vendar premalo izkoriščen vir energije. Sončno energijo lahko izkoriščamo za ogrevanje ter za neposredno pridobivanje električne energije s pomočjo sončnih celic oziroma fotovoltaiko. V prihodnosti bodo fotovoltaični sistemi postali eden od glavnih stebrov alternativnih virov energije, saj jih uvrščamo med najčistejše načine pridobivanja električne energije. V zadnjih letih se je zanimanje za izgradnjo sončnih elektrarn močno povečalo, saj so naložbe postale bolj zanimive tudi z vidika donosnosti in ne samo z vidika večje neodvisnosti od javnega električnega omrežja ter manjšega onesnaževanja okolja. Sončne elektrarne obratujejo na zelo enostaven način, saj jih lahko postavimo na različne površine (strehe, zemljišča itd.), za njihovo delovanje pa potrebujemo le module sončnih celic, ki sončno energijo sončnega sevanja pretvarjajo v električno. Da bi izkoristili čim več sončnega sevanja, je najbolj pomembno, da so sončni moduli vedno postavljeni pravokotno na sončne žarke. Poznamo nepremične sončne elektrarne, ki so lahko postavljene kot samostojni objekti ali integrirane v že obstoječe objekte ter sledilne sončne elektrarne, pri katerih fotonapetostni moduli sledijo gibanju sonca s pomočjo sledilnikov. Ti so lahko enoosni, kar pomeni, da sledijo soncu po azimutu od vzhoda proti zahodu, ali dvoosni, ki sledijo soncu po azimutu in po kotni višini sonca ter tako skozi celoten dan omogočajo pravokotno vpadanje sončnih žarkov na module. Namen tega diplomskega dela je ugotoviti, v čem se nepremične in sledilne sončne elektrarne med seboj razlikujejo, kar bom preučil na primeru sončne elektrarne Deržič na Velikem Obrežu v Dobovi, ki je sestavljena iz nepremičnega in sledilnega dela. Prvi del zaključnega dela bo zajemal osnovne pojme o izkoriščanju sončne energije in uporabi fotovoltaike ter fotonapetostnih sistemov. Drugi del pa bo zajemal primerjavo in razlike v proizvodnji električne energije nepremičnega in sledilnega sistema elektrarne. S pomočjo meritev, pridobljenih na elektrarni, bomo pokazali, kako je proizvodnja električne energije odvisna od sončnega sevanja. Omejili se bomo samo na nekaj mesecev obratovanja, saj je obravnavana elektrarna postavljena na novo. Cilj diplomskega dela je potrditi trditev iz literature, da imajo elektrarne s sončnimi sledilniki do 35 % večji izkoristek glede proizvodnje električne energije od nepremičnih sončnih elektrarn. Ugotovili bomo, kateri sistemi sončnih elektrarn so boljši, sledilni ali nepremični, ter kateri sistemi se najbolj obrestujejo pri nas. 1

13 2 SONČNA ENERGIJA Ljudje v vsakdanjem življenju potrebujemo poleg tekočih goriv za pogon vozil predvsem še dve drugi obliki energije toploto in električno energijo. Poznamo več vrst obnovljivih virov energije (OVE) in s tem tudi več vrst tehnologij, ki jih pretvarjajo. Eden izmed obnovljivih virov pa še posebej izstopa, to je energija sonca. Sončna energija v svojem najširšem pomenu vsebuje vse energije, ki izhajajo iz Sonca, to so veter, vodna energija, biomasa in energija oceanov. Je energija, ki ne onesnažuje okolja, se obnavlja, je brezplačna in ima največjo gostoto moči izmed vseh OVE. Ljudje uporabljamo sončno energijo, odkar obstajamo. Že pred več tisočletji so naši predniki častili sonce kot božanstvo, kar je razvidno v raznih templjih večine svetovnih religij. Dandanes vemo, da sonce ni bog, ampak le najbližja zvezda Zemlji. Brez sonca na našem planetu ne bi bilo življenja, saj njegovo energijo uporabljajo vsak dan vsa živa bitja, čeprav se včasih tega sploh ne zavedamo. Energijo sonca že stoletja izrabljajo mnogi tradicionalni načini gradnje, v zadnjih desetletjih pa je zanimanje zanjo v razvitih državah zelo naraslo, predvsem zaradi zavedanja, da so drugi energetski viri, kot so fosilna goriva, omejeni. Sončna energija se v okoljih, kjer ni na voljo drugih virov energije, na primer v oddaljenih krajih ali celo v vesolju že močno uporablja. Soncu bi lahko rekli tudi večni jedrski reaktor, saj je praktično neizčrpen OVE (obnovljiv vir energije). Je zelo čist in donosen vir, ki bi nam lahko v prihodnosti zagotovil večino energije za naše potrebe. Energija, ki jo prejmemo od Sonca, je približno krat večja od vse energije, ki jo porabi človek. Sončno energijo lahko pridobivamo in jo izkoriščamo na dva možna načina, s toplotnimi sistemi ali z izkoriščanjem fotonskega učinka. 1. Toplotni sistemi Raba sončne energije s toplotnimi sistemi pomeni rabo s sončnimi kolektorji, v katerih se segrevata voda in zrak za pripravo tople vode in ogrevanje prostorov, bazenov itd. Sončni kolektorji sprejmejo največ sončne energije pod pogojem, da so postavljeni pod kotom od 25 do 45 in so obrnjeni v smeri J ali JZ. Glavni del kolektorja je absorber, ki je navadno iz kovine. Njegova glavna naloga je, da absorbira sončno energijo s pomočjo posebne plasti in da nato prenese toploto iz te plasti na vodo oziroma zrak, ki teče skozi njega. Kolektorje po navadi povežemo skupaj v sistem sončnih kolektorjev, ki ga postavimo na streho ali kje v bližino objekta. 2. Fotonski učinek Izkorišča se za fotosintezo (biopretvorbo), za proizvodnjo biomase, za fotokemično sintezo ter za fotoelektrični učinek (fotovoltaiko). Pri fotovoltaiki se sončno sevanje neposredno pretvarja v enosmerno električno energijo s pomočjo polprevodniških sončnih celic. Te so dokaj nova iznajdba saj so stare samo okoli 25 let, vendar je pri njih prišlo do bistvenega napredka in se uporaba povečuje iz leta v leto. 2

14 »Sonce pošlje na zemljo v treh urah toliko energije, kot jo človeštvo porabi v enem letu!«[1] 3 SONČNO OBSEVANJE Sonce nas oskrbuje z energijo v obliki sevanja toplote in svetlobe, brez katerih življenje na Zemlji ne bi moglo obstajati. Energija nastaja v jedru sonca s fuzijo vodikovih atomov v helij. Del mase vodika se pretvori v energijo. Z drugimi besedami, Sonce je ogromen jedrski fuzijski reaktor. Ker je Sonce zelo oddaljeno od Zemlje, doseže površino Zemlje le majhen delež (okoli dve milijoninke) sevanja sonca. Ta količina energije je nekje kwh/a. Energetski viri, ki jih uporabljamo predvsem v naši industrijski dobi, so omejeni. Pomanjkanje ponudbe (s tehničnega in ekonomskega vidika), v obliki rezerv nafte in zemeljskega plina, je predvideno v prvi tretjini tega stoletja. Tudi če bi odkrili veliko novih nahajališč, bi bilo fosilnih goriv še vedno za samo nekaj let. 3.1 Porazdelitev sončnega sevanja Intenzivnost sončnega sevanja zunaj zemeljske atmosfere je odvisna od razdalje med Soncem in Zemljo. Med letom se razdalja spreminja od 1, km in 1, km. Kot rezultat se obsevanost E 0 giblje med 1325 W/m 2 in 1412 W/m 2. Povprečna vrednost se označuje kot solarna konstanta: Solarna konstanta: E 0 = 1367 W/m 2 Ta stopnja obsevanosti ni dosežena na zemeljskem površju. Zemljina atmosfera zmanjša sončenje z refleksijo, absorpcijo (z ozonom, vodno paro, kisikom in ogljikovim dioksidom) in sipanjem (povzročajo ga molekule zraka, prašni delci ali onesnaževanje). V lepem vremenu opoldne lahko sevanje na površini Zemlje doseže 1000 W/m 2. Ta vrednost je relativno neodvisna od lokacije. Največje sončenje se pojavi v delno oblačnih in sončnih dneh. Kot posledica sončnega sevanja, ki se odbija mimo oblakov, lahko sončenje doseže do 1400 W/m 2 za krajša obdobja. Če je energija iz sončnega sevanja prikazana skozi leto, to daje letno globalno sevanje v kwh/m 2. Ta vrednost se precej razlikuje glede na regije. Nekatere regije na ekvatorju dosežejo vrednosti, ki presegajo 2300 kwh/m 2 na leto, medtem ko prejme Južna Evropa največ (1700 kwh/m 2 ) letnega sončnega obsevanja. V Evropi obstajajo pomembna sezonska nihanja, ki so vidna predvsem v razliki med poletnim in zimskim sončenjem. 3.2 Neposredno in razpršeno (difuzno) sevanje Sončna svetloba na površini Zemlje vsebuje neposredni del in razpršeni (difuzni) del sevanja. Neposredno sevanje prihaja iz smeri sonca in ne meče temne sence predmetov. Nasprotno, razpršeno (difuzno) sevanje, ki je razpršeno po atmosferi, nima določene smeri. 3

15 Prihaja z vseh strani neba, zato je nebo tako svetlo v vseh smereh. Ob oblačnih dneh prispe do zemeljske površine le razpršeno (difuzno) sevanje. Glede na vremenske razmere in čas dneva (sončne nadmorske višine) se tako sevalna moč kot delež neposrednega in razpršenega sevanja lahko zelo razlikujeta. 3.3 Sončno obsevanje v Sloveniji V Sloveniji je povprečno sončno obsevanje na kvadratni meter horizontalne površine večje od 1000 kwh/m 2. Merjeno desetletno povprečje (med letoma 1993 in 2003) letnega globalnega obsevanja je med 1053 in 1389 kwh/m 2, kar je prikazano na Sliki 3.1, pri čemer polovica Slovenije prejme nekje med 1153 in 1261 kwh/m 2. Obsevanje poljubne nesenčene lokacije v Sloveniji ne odstopa veliko od državnega povprečja, vendar lahko Slovenijo vseeno razdelimo na posamezna področja. Povprečno sončno obsevanje na horizontalno površino v osrednji Sloveniji znaša okoli 1195 kwh/m 2, na Dolenjskem in v severovzhodni Sloveniji okoli 1236 kwh/m 2, večje vrednosti obsevanja, preko 1250 kwh/m 2, lahko opazimo tudi na Kozjanskem in Posavskem hribovju, na Primorskem in Goriškem pa vrednosti presegajo 1300 kwh/m 2. Slika 3.1: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [2] 3.4 Merjenje sončnega sevanja Sončno sevanje se meri bodisi neposredno z uporabo piranometrov ali s fotonapetostnimi senzorji ali posredno z analizo satelitskih posnetkov. Piranometri so izredno natančni senzorji, ki merijo sončno sevanje na ravni površini. Sestavljen je iz dveh polkrožnih steklenih kupol, črne kovinske plošče, ki ima vlogo absorbirne površine, termoelementov, ki se nahajajo pod to ploščo in belega kovinskega ohišja. Sončno sevanje pada skozi 4

16 polkrogle steklene kupole navpično na površino absorberja in ga segreva. Ker je segrevanje neposredno odvisno od obsevanosti, razlika v temperaturi med absorbirno površino in okoljem (natančneje, belim kovinskim ohišjem) omogoča, da lahko izračunamo obsevanost. Temperaturno razliko najdemo preko termoelementov, ki so vezani v serijah. Ti zagotavljajo napetost, ki je sorazmerna z razliko v temperaturi. Z uporabo voltmetra je potem možno dobiti globalno sevanje neposredno iz napetosti in kalibracijskega faktorja. Če je neposredno sevanje prikazano kot okrogla senca, lahko izmerimo razpršeno sevanje. Piranometri dosegajo zelo natančne meritve, ampak ker delajo na toplotni osnovi, se počasi odzivajo. Rezultati hitrih nihanj sevanja niso zajeti zadovoljivo, na primer delno oblačno nebo. Merilna natančnost za daljše obdobje meritev dosega povprečno na leto okoli 0,8 odstotka. Slika 3.2: Piranometer [3] Fotonapetostni senzorji stanejo veliko manj kot piranometri. Na splošno so uporabljena tipala iz kristalnega silicija. Fotonapetostni senzor je sestavljen iz sončne celice, ki zagotavlja trenutno sorazmerno obsevanost. Vendar zaradi spektralne občutljivosti teh senzorjev nekaterih komponent sončnega sevanja ni mogoče natančno izmeriti. Sončna celica ne more meriti dolgovalovnega infrardečega sevanja. Glede na kalibracijo in oblikovanje senzorja dosega merilna natančnost povprečno na leto okoli 2 do 5 odstotkov. Natančnost, boljšo od 4 odstotkov, je mogoče doseči s kalibracijo in uporabo lepljenih temperaturnih senzorjev za temperaturno kompenzacijo. 5

17 Slika 3.3: Fotonapetostni senzor [4] 3.5 Trajanje sončnega obsevanja Trajanje sončnega obsevanja merimo z optičnimi pripravami, imenovanimi heliografi. Heliograf je najpreprostejši merilnik sončnega sevanja, drugače ga imenujemo tudi Campbell-Stokesova krogla. Sestavljen iz krogelne leče in podstavka, na katerem je pritrjen registrirni trak heliogram. Krogelna leča zbira sončne žarke v svojem gorišču in izžiga sled na heliogramu, kar ponazarja vsakodnevno trajanje sončnega sevanja. Trajanje sončnega obsevanja so v Sloveniji začeli meriti leta 1947 v Mariboru in 1948 v Ljubljani, tako so nastale prve baze podatkov o sončnem obsevanju v Sloveniji. Leta 2004 pa so trajanje sončnega obsevanja merili že na 22 meteoroloških postajah. Slika 3.4: Heliogram optična naprava, ki meri trajanje sončnega obsevanja [5] 6

18 4 FOTOVOLTAIKA Fotovoltaika (PV angl.»photovoltaics«), tehnologija, ki pretvarja sončno svetlobo v električno energijo, je eden od najhitreje rastočih sektorjev industrije obnovljivih virov energije. Ta je že dobro uveljavljena v številnih državah in kaže, da bo postala ena od ključnih tehnologij 21. stoletja predvsem zato, ker pomembno prispeva k trajnostni oskrbi z električno energijo in pri tem nič ne obremenjuje okolja. Fotovoltaika velja za najbolj sprejemljiv obnovljiv vir, ki ga odlikujejo ekološka sprejemljivost, neslišnost delovanja, zanesljivost, nezahtevno vzdrževanje, modularnost, razpršenost, robustnost in cenovna konkurenčnost. Beseda fotovoltaika je sestavljena iz dveh besed. Iz grške besede "phos", ki pomeni svetlobo in besede "volt", ki predstavlja enoto električne napetosti. Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo energije svetlobe oziroma energijo fotonov v električno energijo. Pretvorba se izvrši v različnih sončnih celicah, ki so povezane v fotonapetostne module kot neločljiva celota in so skupaj osnovni gradnik vsakega fotonapetostnega sistema. Pri fotovoltaiki gre za pretvorbo svetlobe v električno energijo, na podlagi fotonskega učinka. Tu sodelujeta tako neposredno kot tudi razpršeno (difuzno) sončno sevanje. Učinkovitost pretvorbe svetlobe v električno energijo je zelo odvisna od tipa sončnih celic ter pogojev delovanja. Razpon učinkovitosti pretvorbe sega od le nekaj odstotkov pri najbolj cenenih celicah ali modulih pa do celo preko 40 odstotkov pri najbolj zahtevnih in najdražjih izvedbah. Fotovoltaika se je razvila v velik, inovativen in trajnostno naravnan gospodarski sektor, ki celemu svetu in tudi Sloveniji ponuja veliko možnosti za razvoj novih naprednih tehnologij izrabe obnovljivih virov energije. Cilj Evrope je do leta 2020 zagotoviti 12 % električne energije iz sonca v celotnem naboru električne energije. Sončevo obsevanje Zemlje za krat presega potrebe človeštva po vsej primarni energiji. Drugače povedano, vsako uro Sonce na Zemljo pošlje toliko energije, kot jo človeštvo porabi v enem letu. Analize najuglednejših svetovnih analitičnih hiš kažejo, da bo do leta 2020 fotovoltaika cenovno konkurenčna konvencionalnim energetskim virom na 90 odstotkih evropskega trga. In vse to z že obstoječo tehnologijo brez dodatnih novih tehnoloških prebojev. Pri vsakokratni podvojitvi svetovne proizvodnje cena fotonapetostnih modulov upade za 22 %. Že danes je fotovoltaika na nekaterih trgih konkurenčna konvencionalnim virom. [6] 7

19 5 SONČNE CELICE Francoski fizik Alexandre-Edmond Becquerel je leta 1838 odkril, da se med dvema elektrodama v elektrolitu lahko pojavi napetost, če je ena od elektrod izpostavljena sončnemu sevanju, ta pojav imenujemo fotoelektrični pojav in je posledica delovanja elektromagnetnega valovanja (IR svetlobe, UV rentgenskih in gama žarkov) na električno nabite delce snovi. Fotoefekt je pojav, na katerem temelji delovanje sončnih celic. Okoli 40 let kasneje sta iznajdbo nadaljevala Adams in Day, ki sta leta 1876 z uporabo selena (Se), katerega sta izpostavila sončnemu obsevanju opazila, da se lahko fotonapetostni pojav pojavi tudi v trdni snovi. S tem sta postavila osnovo danes znanim sončnim celicam. Nekaj let kasneje (leta 1883) pa je Charles Fritts izdelal prvo sončno celico iz plošče selena (Se), prekritega s prosojnim filmom zlata, ta je imela izkoristek okoli 0,1 do 0,2 %. Čeprav se je uporaba sončnih celic za izvore majhnih moči pokazala kot uspešna, se sončne celice niso obdržale zaradi visokih cen. Hiter razvoj sončnih celic je omogočilo odkritje sončne celice iz silicija v Bellovih laboratorijih v ZDA leta Dosegli so do 6-krat višje izkoristke v primerjavi z najboljšo takratno selensko celico. Poleg tega je silicij drugi najbolj razširjen element v zemeljski skorji, saj ga je kar 28 %. Prvo večjo uporabo so sončne celice doživele leta 1958, ko so v vesolje izstrelili satelit Vanguard 1. Ta je imel majhno polje sončnih celic za napajanje radijskega oddajnika. Cena sončnih celic, ki so jih tedaj uporabili, je bila približno $ za vsak watt moči celic. Sončne celice so do sredine 70-ih let praktično uporabljali samo v vesoljski tehniki, šele v zadnjih ih letih so spet postale aktualne za širšo uporabo. 5.1 Zgradba, delovanje in izdelava sončne celice Sončna celica je glavni element fotonapetostnega sistema. Da bi razumeli delovanje sončnih celic, se moramo seznaniti z osnovnimi gradniki sončne celice. Sončne celice so izdelane iz različnih polprevodnih snovi. Polprevodniki so snovi, ki postanejo prevodni, ko so obsijani s svetlobo ali toplotnim sevanjem, so snovi, katerih električna prevodnost je med prevodnostjo kovin in izolatorjev. Najpomembnejša njihova lastnost je, da pod določenimi pogoji prevajajo tok samo v eni smeri, torej delujejo kot diode. Več kot 95 % vseh sončnih celic je dandanes narejenih iz silicija (Si). Polprevodnost pa lahko izkoristimo tudi pri nekaterih drugih materialih in snoveh, kot so na primer kadmijev sulfid (CdS), germanij (Ge), bakrov sulfid (Cu 2 S), kadmijev arsenid (CdAs) in kadmijev telurid (CdTe). 8

20 Sončna celica je sestavljena iz (Slika 5.1): 1. Zgornjega kontakta 2. N-tipa silicija 3. Mejne plasti 4. P-tipa silicija 5. Spodnjega kontakta Slika 5.1: Shema delovanja in zgradbe silicijeve sončne celice [7] Vsak atom silicija v kristalni rešetki je razporejen tako, da se okoli njega nahajajo še štirje sosednji atomi. Slika kristalne rešetke s štirivalentnimi atomi silicija je prikazana na sliki (Slika 5.2). Če je silicij popolnoma čist, imenujemo ga tudi intrinsik, je sam slab prevodnik, zato ga dopiramo. Dodamo mu primesi in s tem zelo povečamo prevodnost. Če mu dodamo darovalec (donor), na primer fosfor (P), ki je petvalentni kemijski element, se štirje elektroni povežejo s silicijevim atomom, peti elektron pa ostane prost in se giblje skozi kristalno rešetko ter tako poveča prevodnost. Ker ima elektron negativen električni naboj, pravimo takemu siliciju n-tip polprevodnik. Če pa dodamo siliciju trovalentni element ali sprejemnik (akceptor), na primer bor (B), potem na mestu sprejemnika v kristalni rešetki manjka elektron. Pojavi se prosta vrzel, ki ima pozitivne nosilce električnega naboja. Takemu siliciju pravimo p-tip polprevodnik. Sončna celica je torej zgrajena iz dveh tankih plasti p- in n-tipa silicija. Slika 5.2: Kristalna rešetka silicija ter n- in p-tip polprevodnega silicija [8] 9

21 V silicijevem atomu se elektroni nahajajo v valenčnem pasu (Slika 5.3). Ko atom vzbudimo, preide elektron v prevodni pas, v valenčnem pasu pa za seboj pusti vrzel. Za to je potrebna energija, ki jo merimo in izražamo v elektronskih voltih (ev). Energija za polprevodne materiale, ki jih uporabljamo v sončnih celicah, znaša med 1 in 1,5 ev. Torej, atome lahko vzbudimo s fotoni, ki imajo primerno energijo oziroma valovno dolžino. Da vzbudimo atom silicija, je potrebna energija za vzbujeno stanje 1,12 ev, to energijo imajo fotoni z valovno dolžino 1,15 μm. Intrinsik oziroma čisti polprevodni silicij ima samo nekaj elektronov v prevodnem pasu, na primer kovine pa precej več, saj so boljši prevodniki. [8] Slika 5.3: Valenčni in prevodni energijski pas [8] Ko združimo dve različni plasti dopiranega silicija, torej polprevodni silicij z viškom elektronov in vrzeli, dobimo napetostno stopnico, tako imenovani p-n spoj. V p-n spoju se oblikujeta različna valenčna in prevodna pasova. S tem se vzpostavi električno polje. To polje zadrži prodiranje elektronov iz n-sloja v p-sloj ter obratno, prodiranje vrzeli iz p- sloja v n-sloj (Slika 5.4). Slika 5.4: Spoj n- in p-tipa polprevodnega silicija; levo energijska pasova; desno ujeti elektroni in vrzeli v zaporni plasti [8] S tem ko na zgornji strani n-sloja izdelamo rešetkasto kovinsko elektrodo, ki ne pokriva več kot 5 % površine in tako minimalno vpliva na prodiranje fotonov v notranjost celice, nastane sončna celica. Boljšo absorpcijo fotonov zagotavlja tudi maloodbojna plast, s katero je prevlečena površina. Na spodnji strani celice (p-tip polprevodnik) je celotna površina pokrita s kovinsko površino oziroma elektrodo. Zaradi električnega polja v zaporni plasti p-n sloja so elektroni in vrzeli v mirovanju, vse dokler celica ni obsijana. 10

22 S tem ko je sončna celica obsijana, absorbirani fotoni z dovolj veliko energijo vzbudijo atome. Fotoni, ki imajo manjšo energijo (večjo valovno dolžino λ), potujejo skozi sončno celico, fotoni, ki imajo večjo energijo (manjšo valovno dolžino λ), pa povzročijo prehod elektrona v prevodni pas, vendar se višek energije pretvori v toploto. To zmanjša učinkovitost sončne celice. Elektroni v prevodnem stanju p-tipa polprevodnika se premaknejo navzdol v n-tip, nastale vrzeli v n-tipu polprevodnika pa potujejo v p-tip. Torej elektrone in vrzeli loči električno polje (Slika 5.5). [8] Slika 5.5: Delovanje Si sončne celice; zaporna plast v sončni celici ločuje elektrone in vrzeli [8] Vrzeli potujejo proti p-elektrodi spodaj, elektroni pa k n-elektrodi na vrhu celice. Ko je tokokrog med elektrodama sklenjen, potujejo elektroni po vodniku in se ob p-elektrodi združijo z vrzelmi. Napetostna ovira v p-n spoju zagotavlja napetost, ki je potrebna za pridobivanje električne energije. Pri silicijevih celicah je ta napetost teoretično 0,7 V, to lastnost sončna celica ohranja, tudi če ni obsijana s sončnim sevanjem. Ravno obratno pa se dogaja z električnim tokom, saj ta sorazmerno narašča z osvetlitvijo sončne celice. Izhodna moč sončne celice in izkoristek se povečata s tem, ko je sončna celica usmerjena čim bolj pravokotno proti soncu ali z dodajanjem koncentratorjev svetlobe in leč. Vendar pri procesu povečevanja izhodne moči obstajajo omejitve. Celice se na ta način bolj grejejo, z gretjem pada izhodna napetost, posledično pa upada tudi moč sončne celice, zato je treba sončne celice hladiti. 5.2 Karakteristike sončnih celic Sončne celice so polprevodniške diode, zato je za njih značilna diodna karakteristika. Ta navaja razmerje med tokom in napetostjo, ki ju proizvaja sončna celica pri različnih električnih upornostih tokokroga, ki spaja elektrodi sončne celice. Vse obratovalne točke povezuje krivulja moči oziroma tako imenovana I-U karakteristika. Za lažjo medsebojno primerjavo sončnih celic so izdelali mednarodne standarde za pogoje preizkušanja sončnih celic. 11

23 Glavni med njimi so: Gostota sončnega ali umetnega sevanja 1000 W/m 2 Spekter umetnega sevanja enak sončnemu spektru pri faktorju zračne mase AM 1,5 Temperatura okolice 25 C Karakteristika vsake sončne celice ima nekaj značilnih podatkov, kot so: Napetost odprtih sponk (U os ): je največja napetost pri preskusnih pogojih ob sklenjenem tokokrogu. Kratkostični tok (I kr ): je največji tok, ki teče pri preskusnih pogojih ob sklenjenem tokokrogu, brez električne upornosti. Največja moč (P max ): je največja (maksimalna) moč sončne celice, določimo jo kot produkt Pmax = Imax Umax, (5.1) kjer je: I max maksimalni tok U max maksimalna napetost Slika 5.6: I-U karakteristika sončne celice in karakteristika moči sončne celice [10] Električna moč sončne celice je produkt napetosti in toka, zato je moč za vsako točko na I- U karakteristiki različna. Največjo vrednost moči imenujemo vršna moč (peak power). Označimo jo z W p (Watt peak). Dosežena je pri idealnih vrednostih sončnega sevanja 1000 W/m 2 in temperaturi okolice 25 C. Pri večjem sončnem sevanju je moč celice večja, pri višjih temperaturah pa manjša. V tej obratovalni točki je tudi izkoristek največji, saj je določen z razmerjem med električno močjo sončne celice ter sončnim sevanjem na njeno površino. 12

24 5.3 Vrste sončnih celic Dandanes poznamo več vrst sončnih celic, ki se razlikujejo po zgradbi in uporabljenem polprevodniškem materialu. Večina celic na trgu je izdelana iz silicija, ki je glavni in za enkrat še edini element za masovno izdelavo sončnih celic. Ima veliko dobrih lastnosti, zato je najpogosteje uporabljen polprevodnik. Monokristalne silicijeve sončne celice Monokristalne silicijeve sončne celice so celice z najvišjimi izkoristki, saj dosegajo v serijski proizvodnji od 15 do 18 % v laboratorijih pa tudi do 25 %. Monokristalna tehnologija je zelo draga, zato pride v poštev predvsem za posebne uporabnike. Celice so izdelane iz monokristalnega silicija, katerega pridobivamo iz čistega silicija z dvema postopkoma: Metoda Czochralskega V tej metodi silicij pridobivamo iz taline v indukcijski peči z grafitno oblogo pri temperaturi 1415 C. Na palico nanesemo silicijev kristal določene orientacije, nato z vrtenjem palice v talini kristal narašča. Hitrost vrtenja palice znaša nekje od 10 do 40 obratov na minuto, pomikanje po dolžini pa med 1 mikrometrom in 0,1 milimetrom na sekundo. Tako lahko izdelamo palice premera 30 cm in dolžine nekaj metrov. Vse skupaj poteka v inertni atmosferi, morebitne nečistoče pa zgorijo oziroma se izločajo v talini. [11] Conska rafinacija Prednost tega postopka je v večji čistoči silicija, z njim pa lahko izdelamo palico silicija premera 10 cm in dolžine 1 m. Prav tako tudi ta postopek poteka v inertni atmosferi, pri čemer indukcijski grelec potuje vzdolž palice in tali silicij, pri čemer pri ohlajanju nastaja monokristal silicija. Bloki monokristalnega ali polikristalnega silicija se nato žagajo in obdelujejo do končne oblike sončnih celic, vendar gre že samo pri žaganju v izgubo okoli polovica materiala. [11] Struktura monokristala je zelo podobna diamantni, saj v njegovi strukturi ni napak. Monokristal je urejena kristalna mreža silicijevih atomov, in vsak atom je vezan s štirimi sosednjimi silicijevimi atomi. 13

25 Polikristalne silicijeve celice Na trgu je v uporabi več polikristalnih sončnih celic, saj so skoraj polovico cenejše od monokristalnih. Dosegajo izkoristke nekje od 13 do 16 %, v laboratorijih tudi do 21 %. Postopek izdelave je podoben izdelavi monokristalnih celic. Polikristalni silicij pridobivamo iz silicija, ki ga segrevamo na 1500 C in nato ohlajamo na 1412 C, kar je tik nad strdiščem materiala. Pri ohlajanju nastaja blok polikristalnega silicija vlaknaste strukture, dimenzij cm. Pri polikristalnem siliciju je zgradba v delu materiala urejena, vendar ni usklajena z zgradbo v drugem delu materiala. Polikristalni silicij se od monokristalnega razlikuje po tem, da je sestavljen iz več posameznih kristalov in nima urejene kristalne mreže, zato se pojavljajo strukturne in površinske napake. Amorfne silicijeve sončne celice Amorfni in kristalni silicij se razlikujeta v tem, da silicijevi atomi niso razporejeni v enakomernih in natančnih razdaljah. Te razdalje so slučajne in to zelo vpliva na lastnosti in strukturo materiala. Amorfni silicij pridobivamo v visokofrekvenčnih pečeh v delnem vakuumu. Skozi te peči ob prisotnosti električnega polja visokih frekvenc prepihujemo pline, kot je silan (SiH 4 ), s pomočjo katerih v silicij dodajamo bor ali fosfor. [11] Celice iz amorfnega silicija dosegajo izkoristke v serijski proizvodnji nekje med 6 in 8 %, v laboratorijskih pogojih tudi do 12 %. Slabost teh celic je neodpornost na svetlobo in s tem je povezano zmanjševanje izkoristka, že po nekaj mesecih se lahko izkoristek zmanjša skoraj za polovico. Amorfne silicijeve sončne celice so sestavljene iz nekaj mikronov debele plasti amorfnega silicija z dodatkom vodika (a-si:h). Amorfni silicij ima v primerjavi s kristalnim precej neurejeno strukturo, vendar bolje absorbira sončno sevanje kot kristalni silicij. Z dodajanjem vodika se zmanjša električna upornost amorfnega silicija, to pa omogoča, da mu lahko dodajamo darovalce (donorje) in sprejemnike (akceptorje). Energija, ki je potrebna za vzbuditev atoma amorfnega silicija znaša 1.75 ev. Amorfni silicij se nanaša na nosilno plast (steklo, polimeri, nerjavna pločevina itd.) v komorah, kjer pri temperaturi okoli 300 C prehajata iz plazme silana (SiH 4 ) na podlago v tankih slojih silicij in vodik. Izdelava amorfnih silicijevih celic je veliko cenejša kot izdelava kristalnih sončnih celic in tudi precej energetsko varčnejša. Tak postopek omogoča nenehno nalaganje slojev na podlago in s tem izdelavo celic zelo velikih površin. Tankoplastne sončne celice Od leta 1990 dalje se je povečal razvoj tankoplastnih procesov za proizvodnjo sončnih celic. V teh se fotoaktivni polprevodniki uporabljajo kot tanke plasti na poceni podlagi (v večini primerov steklo). Uporabljene metode vključujejo naparjevanje, procese pršenja (katodno pršenje) in elektrolitske kopeli. Kot polprevodniški materiali se uporabljajo amorfni silicij, baker indijev diselenid (CIS) in kadmijev telurid (CdTe). Zaradi visoke absorpcije svetlobe iz teh materialov so plasti tanjše od 0,001 mm, teoretično dovolj za pretvarjanje sončne svetlobe. Materiali so bolj odporni na okužbe s tujimi atomi. V 14

26 primerjavi s proizvodno temperaturo do 1500 C za kristalne silicijeve celice tankoplastne celice potrebujejo temperaturo samo med 200 C in 600 C. Manjša poraba materiala in energije ter sposobnost visoke avtomatizirane proizvodnje ponujata veliko možnosti za prihranke v primerjavi s tehnologijo kristalnega silicija. Tankoplastne celice niso omejene v formatu standardnih velikosti, kot so to na primer kristalne celice. Teoretično je mogoče substrat razrezati na kakršne koli velikosti in prevleči s polprevodniškim materialom. Ker pa so lahko v serijo za notranje ožičenje povezane le celice iste velikosti, so iz praktičnih razlogov pogoste le pravokotne oblike. Celice dosegajo izkoristke od 9 do 11 %, v laboratorijih tudi do 16 %. Nadaljnja značilnost tankoplastnih celic, ki jih opredeljujemo glede na kristalne celice je način, s katerim so med seboj povezane. Medtem ko so kristalne sončne celice spajkane skupaj od celice do celice (zunanja povezava), so tankoplastne celice med seboj povezane monolitno med prevlačenjem in procesom plastenja. Celice so električno ločene in med seboj povezane s pomočjo strukturiranja faze, v kateri je vsaka plast celice rezana na trakovom podobne posamezne celice. To ustvarja tanke transparentne utore med posameznimi celicami. Da bi dosegli tako velik izkoristek energije, kot je to mogoče, so te narejene tako tanko, kot je le mogoče in so komaj vidne s prostim očesom. Lahko se uporabljajo kot oblikovni element in so namerno povečane. Širši kanali so med celicami, bolj prozorne so. Polprozoren optični učinek je mogoče zagotoviti tudi z oblikovanjem dodatnih kanalov, pravokotno na trakove celice. Električni stik je narejen na hrbtni strani z neprozorno kovinsko prevleko. Na sprednji strani se sooča s svetlobo, ta funkcija je izpolnjena z zelo prozornim in prevodnim kovinskim oksidnim slojem, imenovanem prozorna prevodno oksidna plast (TCO). Tipični materiali TCO vključujejo cinkov oksid (ZnO), kositrov oksid (SnO 2 ) in indij-kositrov oksid (ITO). TCO plasti so pomemben dejavnik pri stroških proizvodnje tankoplastnih celic. Druge vrste Nove tehnologije nam dandanes omogočajo izdelavo različnih sončnih celic, ki so temelj fotonapetostnih sistemov. Trend razvoja novih sončnih celic stremi predvsem k temu, da bi ustvarili sončne celice z visokim izkoristkom, nizko ceno in iz okolju prijaznih materialov. Znani so že različni primeri novih solarnih celic, nekatere izmed njih so šele v fazi razvoja. Organske solarne celice: Danes gre trend razvoja sončnih celic v več različnih smeri, ena izmed izjemno zanimivih postaja razvojna smer organskih sončnih celic, torej celic, ki so izdelane iz organskih materialov in je njihovo površino mogoče pobarvati. Nekatere organske sončne celice je mogoče namestiti na katerokoli površino, ki je izpostavljena sončnemu obsevanju. Poznani so primeri, kjer so celice nameščene na obleke, nahrbtnike, avtomobile, ali tudi na hišo. Zaradi posebne zgradbe je mogoče nadzorovati njihovo velikost in debelino. Najnovejše izmed njih so uporabne predvsem za polnjenje manjših električnih naprav, predvsem novih pametnih telefonov in so zagotovo zanimiv vir pridobivanja električne energije manjših moči. 15

27 Solarne celice izdelane z nanotehnološkimi procesi: Te celice proizvajajo nekajkrat več električne energije kot klasične silicijeve. Imajo izjemno visok izkoristek glede na površino sončne celice, vendar je njihova slabost zahteven in drag tehnološki proces. Polimerne solarne celice. Quatom dots solarne celice. Hibridne solarne celice. Fotokemične električne celice (gretz-cerjeve celice). Termokemične solarne celice. Solarne celice, zasnovane na ogljikovih nanocevkah. Solarne celice iz grafena. 2% 3% 49% 12% 34% CdTe, CIS Si-film Amorfne Si Polikristalne Si Monokristalne Si Slika 5.7: Delež posameznih tehnologij sončnih celic [8] 16

28 5.4 Prednosti in slabosti sončnih celic V nadaljevanju so opisane nekatere izmed prednosti in slabosti izkoriščanja sončne energije in uporabe sončnih celic. Izkoriščanje sončne energije in uporaba sončnih celic imata določene prednosti pred konvencionalnimi in alternativnimi izvori energije. [12] Sončna energija je brezplačna, neizčrpna, pač toliko, kolikor je neizčrpno Sonce, in pri spreminjanju v električno energijo ne uničuje okolja, ne povzroča eksplozij, ne povzroča sevanja in sploh je okolje manj obremenjeno kot pri uporabi drugih izvorov energije. Modularna izgradnja komponent ponuja elastičnost pri prilagajanju na različne porabnike in istočasno omogoča masovno proizvodnjo. Inštaliranje in rokovanje s sončnimi celicami je enostavno tako, da so dostopne tudi deželam v tretjem svetu. Pri energijski pretvorbi ni gibajočih se delov, kemičnih reakcij in ne potrebujemo hladilnih naprav, zato se lahko uporabljajo v vsakem okolju. Življenjska doba sončnih celic je več kot 20 let. Sedaj, ko poznamo prednosti sončnih celic, se lahko vprašamo tudi po slabostih in pomanjkljivostih, ki še zdaleč niso zanemarljive in jih moramo upoštevati. [12] Še vedno visoka cena, ki kljub visoki in dolgi življenjski dobi omogoča rentabilnost le v posebnih pogojih delovanja. Sončna energija je energija majhnih moči in centrale večjih zmogljivosti terjajo velike površine, pokrite s sončnimi celicami. Nizek je čas izkoriščenosti električnih central iz sončnih celic. Na primer v 12 mesecih se izgubi polovico časa ponoči in četrtino podnevi zaradi neugodnih vremenskih pogojev. Tako bi morali električno energijo, pridobljeno v elektrarnah na sončne celice, nadomestiti z energijo iz omrežja. To pomeni, da bi bila za vsako sončno električno centralo potrebna še rezervna konvencionalna električna centrala, kar bi ceno tako pridobljene energije bistveno povečalo. Uporaba akumulatorjev v sklopu s sončnimi celicami. Pri akumulatorjih so težave z življenjsko dobo, ki je odvisna od pogostosti praznjenja in polnjenja. Pravo vrednost bodo omogočili šele akumulatorji z uporabo novih tehnologij, ki bodo lahki in ceneni. 17

29 Pri poznavanju prednosti in slabosti sončne energije in sončnih celic ugotovimo, da je prednosti več v primerjavi s slabostmi in lahko rečemo, da je izkoriščanje sončne energije s sončnimi celicami eden izmed najboljših virov električne energije. Čeprav se dandanes še ne uporablja v velikem obsegu, imajo sončne celice potencial, da proizvedejo več električne energije, ki je trenutno potrebna po vsem svetu. 6 FOTONAPETOSTNI MODULI Sončne celice, ki jih poznamo, proizvajajo napetost okrog 0,5 V in tok okrog 200 A/m 2. Da bi dobili primerno napetost oziroma moč, združujemo celice zaporedno in vzporedno. Tako dobimo module sončnih celic v obliki plošče (panel), na katero so celice pritrjene in zaščitene pred atmosferskimi in drugimi okoljskimi vplivi. Pri zaporedni vezavi celic (vezanju v niz) spajkamo prednje (negativne) kontakte celic z zadnjimi (pozitivnimi) kontakti naslednje celice. Posamezne celice so razmaknjene za nekaj milimetrov (Slika 6.1). Slika 6.1: Združevanje celic [14] V serijski proizvodnji se uporabljajo avtomatski stroji za sestavljanje nizov. V večini standardnih modulov je v nize povezanih po 36 ali 72 celic, ki se umestijo med površino kaljenega stekla in posebne EVA (etil vinil acetat) folije, ki preprečuje oksidacijo, vdor zračne vlage ter ščiti pred UV sončnim spektrom. Ta postopek se imenuje laminiranje, sam laminat pa se obdela po posebnem postopku v vakuumu. Robovi konstrukcije se zatem zatesnijo z aluminijasto folijo, na hrbtno stran modula pa se montira priključna doza. Vse skupaj je po navadi uokvirjeno v aluminijast okvir, velikosti 1,6 m 0,8 m (nove velikosti so tudi že 2,15 m 1,25 m), vendar je okvir lahko tudi jeklen ali plastičen (Slika 6.2). 18

30 Slika 6.2: Zgradba fotonapetostnega modula [14] Sončni moduli so razviti za uporabo na in v zgradbah, zato niso samo tehnične komponente za pretvarjanje energije, ampak tudi kot prilagodljiv material v harmoniji z zgradbo in vgrajen v njen obod. To zahteva module različnih oblik, kakovosti in namena uporabe. Poznamo transparentne izvedbe modulov s prosojnimi celicami, vgrajenimi med dvema folijama in dvema kaljenima stekloma, ki so primerni za vgradnjo v fasade in izolacijska okna. V zadnjem času so vedno bolj popularni tudi tako imenovani tankoplastni fotonapetostni moduli, amorfni moduli. Amorfne sončne celice so v tem primeru nanesene na nosilni material po posebnem postopku. Amorfni moduli imajo sicer manjše izkoristke kot moduli iz kristalnih celic, vendar je njihova prednost dobro delovanje tudi ob slabši osvetljenosti in pri razpršenem (difuznem) sevanju. Največje težave pri modulih se pojavijo, če pride do senčenja. Za to je poskrbljeno z vzporedno vezanimi diodami, ki so vezane vsake 18 do 20 celic. Diode omogočajo, da ostali nizi, ki niso osenčeni, delujejo normalno naprej, po navadi so nameščene v spojnih omaricah. Moduli s 36 do 40 celic imajo tako dve vzporedni diodi, moduli z 72 celicami pa štiri. Moduli, ki jih uporabljamo v sončnih elektrarnah, imajo, poleg standardnih nazivnih napetosti (12 V, 24 V, 48 V), tudi še različne druge nazivne napetosti. Njihovi električni podatki, ki jih navajajo proizvajalci, veljajo oziroma so izmerjeni pri standardnih preskusnih pogojih. Ti veljajo za vse vrste modulov ne glede na tip celic oziroma izvedbo modula. Električni podatki za posamezne module se podajajo pri temperaturi okolice 25 ºC, vrednosti sončnega sevanja 1000 W/m² in vrednosti zračne mase AM = 1,5. Eno izmed najpogostejših vprašanj, ki se tičejo sončnih elektrarn, je, koliko sončnih modulov moramo med seboj povezati, da dosežemo želeni rezultat. Odgovora na to vprašanje seveda ni, saj moramo najprej vedeti, koliko elektrike sploh želimo proizvesti in za kaj jo bomo uporabili. Nato se šele odločimo, kakšne module bomo kupili. Vsi moduli nimajo enakih lastnosti in so zato tudi različno efektivni. 19

31 6.1 I-U karakteristike modulov Celice v modulih povežemo zaporedno ali vzporedno, s čimer povečujemo napetost oziroma tok. Pogosta je predvsem zaporedna vezava za doseganje primerne napetosti. Na Sliki 6.3 je prikazano, kako se pri zaporedni vezavi spremeni I-U karakteristika. Napetost se poveča, tok pa ostane stalen. Slika 6.3: Zaporedna vezava celic [14] Pri modulih večjih moči so nizi celic vezani vzporedno. Na Sliki 6.4 je prikazana sprememba I-U karakteristike pri vzporedni vezavi. Poveča se tok, napetost pa ostane stalna. Slika 6.4: Vzporedna vezava celic [14] Električne parametre modulov podajajo proizvajalci pri standardnih pogojih, kot tok kratkega stika I sc, napetost praznega teka U 0 in z največjo močjo P max oz. P MPP z največjim odstopanjem ±10 %, vendar fotonapetostni sistemi zelo redko obratujejo pri standardnih 20

32 pogojih. Moč in I-U karakteristika modula sta odvisni od gostote moči sončnega sevanja in temperature. V toku dneva je obsevanost najizrazitejši parameter, ki vpliva na I-U karakteristiko sončne celice. Če pade obsevanost za polovico, pade za polovico tudi proizvedena električna energija. 7 RAZSMERNIKI Omrežni razsmerniki ali inverterji so vezni členi med nizom fotonapetostnih modulov in izmeničnim omrežjem. Enosmerni tok (DC), ki ga proizvajajo moduli, pretvarjajo v izmenični tok (AC) ter ga prilagodijo napetostno in frekvenčno omrežju zgradbe ali javnemu omrežju. Razsmerniki lahko pretvarjajo 12 V v 220 V napetost, kakor tudi iz 24 V ali 48 V napetost. Če hočemo v samostojnih fotonapetostnih sistemih uporabiti navadne električne uporabnike, ki delujejo na 220 V napetosti, moramo pri napajanju iz akumulatorjev uporabiti razsmernik. Pri delovanju pretvornika napetosti se pojavljajo izgube, saj razsmernik že za svoje delovanje potroši določeno energijo. Moč, ki jo ima razsmernik za fotonapetostni sistem, je seveda odvisna od moči porabnikov. Razsmernik ima pri trajni obremenitvi deklarirano moč, kar pomeni, da mora biti moč pri trajni obremenitvi vedno nekoliko višja, kakor je moč vseh porabnikov, ki bodo istočasno priključeni. Upoštevati je treba tudi, da se na primer pri zagonu motorjev, hladilnikov, porabi tudi do 7-krat večja moč, kot pa je deklarirana za te porabnike. Omrežje oddaja električen signal v obliki sinusne krivulje, zato je pomembno, da je oblika električnega signala, ki ga oddaja razsmernik, čim bolj podobna sinusoidi. S tem se poveča verjetnost, da bo porabnik, ki je priključen na razsmernik, deloval brez težav. V primeru omrežnih sončnih elektrarn igra zelo pomembno vlogo predvsem spremljanje in nadzor delovanja sistema. Napake v sistemu se namreč ne odražajo na očiten način (kot je na primer prenehanje delovanja neke naprave), zato jih je včasih zelo težko opaziti neposredno. Sončna elektrarna zato vsebuje centralno enoto, ki zbira in kontrolira podatke o delovanju sistema. Da lahko priklopimo sončno elektrarno na javno električno omrežje, moramo uporabiti enega ali več omrežno vodenih razsmernikov, ki so popolnoma avtomatski. To pomeni, da se ob zadostni količini sončnega sevanja avtomatsko sinhronizirajo z omrežjem in oddajajo energijo v omrežje, ko pa zaradi pomanjkanja sončnega sevanja (ponoči) ni zadostne moči, se razsmerniki sami izklopijo iz omrežja in ugasnejo. V sistemih sončnih elektrarn lahko razsmernike priključimo na več različnih načinov. Poznamo način z enim centralno vodenim razsmernikom, verižni način, način "master slave" ter zelo redki način razsmernik modul. Za uporabo pri manjših sistemih se uporabljata predvsem verižni in razsmernik-modul način. Pri večjih sistemih pa uporabimo način z enim centralno vodenim razsmernikom, pri katerem lahko uporabimo ali en večji razsmernik ali več manjših razsmernikov, ki so povezani s posameznimi polji solarnih modulov. 21

33 Slika 7.1: Omrežni razsmernik [16] 8 FOTONAPETOSTNI SISTEMI Fotonapetostni sistem je sestavljen iz večjega števila modulov s sončnimi celicami, električnih vodnikov in ustreznega kontrolnega sistema. Lahko vsebuje tudi razsmernik (inverter), s katerim pretvarjamo enosmerno napetost, ki jo proizvajajo celice, v izmenično. S tem je omogočena priključitev naprav, ki jih uporabljamo v vsakdanjem življenju. V stavbah, ki niso priključene na javno električno omrežje (vikendi, koče v gorah itd.), lahko uporabljamo dodatne baterije za shranjevanje energije. Z razsmernikom lahko proizvedeno električno energijo pošiljamo neposredno v omrežje in jo prodajamo raznim distribucijskim podjetjem. Glede na uporabo lahko fotonapetostne sisteme razdelimo na manjše samostojne enosmerne sisteme (DC), samostojne sisteme z razsmernikom (DC-AC) in sončne elektrarne, ki so priključene na javno omrežje. 8.1 Samostojni fotonapetostni sistemi Ti sistemi predvsem omogočajo delovanje električnih naprav v krajih, ki so oddaljeni od javnega električnega omrežja ali pa bi bila napeljava javnega omrežja do tja predraga. Ločimo nekaj osnovnih vrst samostojnih fotonapetostnih sistemov. Direktni fotonapetostni sistemi Porabniki takih sistemov se napajajo direktno iz solarnih modulov. Takšen sistem ne vsebuje akumulatorskih baterij in obratuje le, kadar je prisotna zadostna količina sončnega sevanja (predvsem poleti in popoldanske ure). Take sisteme uporabljajo pri črpanju vode, raznih ventilacijskih sistemih itd. 22

34 Samostojni enosmerni fotonapetostni sistemi (DC) Proizvedena električna energija iz modulov se shranjuje v akumulatorskih baterijah za čas, ko je sončno sevanje prešibko za delovanje sistema, ponoči ali ob slabem vremenu. Akumulatorske baterije pred prenapolnjenjem in pred prevelikim izpraznjenjem so zaščitene s solarnim regulatorjem. Porabniki delujejo na enosmerno akumulatorsko napetost, tipično 12 V ali 24 V. Samostojni fotonapetostni sistemi z razsmernikom (DC-AC) Pri izmeničnih fotonapetostnih sistemih enosmerno akumulatorsko napetost s pomočjo razsmernikov pretvarjamo v izmenično napetost (230 V). S tem je omogočena uporaba običajnih električnih naprav, ki delujejo na omrežno napetost. Fotonapetostni sistemi s pomožnim generatorjem Sistemi s pomožnim generatorjem so enaki kot samostojni, le da ob konicah porabe električne energije akumulator dopolnjujemo s pomočjo motornega generatorja preko polnilnika akumulatorjev. Poznamo enosmerne in izmenične. Predvsem vikendi, razne planinske in lovske koče, oddaljena bivališča, avtodomi in avtoprikolice, čolni, cestna in morska signalizacija so tipični primeri uporabe samostojnih enosmernih in izmeničnih fotonapetostnih sistemov ter sistemov s pomožnim generatorjem. 8.2 Omrežni fotonapetostni sistemi Omrežni fotonapetostni sistemi oziroma sončne elektrarne so sistemi, povezani z javnim električnim omrežjem. Pri takšnih sistemih so moduli preko omrežnega razsmernika priključeni na javno električno omrežje. Omrežni razsmernik pretvarja enosmerno napetost, ki jo proizvedejo sončne celice, v izmenično napetost sinusne oblike, ki je sinhronizirana z napetostjo javnega električnega omrežja, priključeno na določen objekt. Električno energijo, ki jo proizvedejo sončne celice, lahko porabimo za lastne potrebe, viške pa preko števca električne energije prodamo v javno električno omrežje. S sončnimi elektrarnami, priključenimi na javno omrežje, se srečujemo predvsem v urbanih okoljih. Poznamo sončne elektrarne, ki so nameščene na strehah ali so arhitektonsko integrirane v objekt, kjer so kriteriji za energetsko učinkovitost podrejeni izgledu, ali pa elektrarne, kjer so moduli nameščeni na sledilnikih sonca sledilne sončne elektrarne. Glavni elementi sončnih elektrarn so sestavljeni iz dveh večjih sklopov. Prvega predstavljajo fotonapetostni moduli, ki so srce vsake sončne elektrarne in imajo vlogo pretvarjanja elektromagnetnega valovanja sonca v enosmerni električni tok in napetost. Drugi sklop pa predstavljajo elektroenergetski elementi, ki služijo uporabi proizvedene električne energije za posamezne namene (Slika 8.1). [19] 23

35 1. FOTONAPETOSTNI MODULI Fotonapetostni moduli zbirajo sončno energijo in jo pretvarjajo v električni tok. 2. RAZSMERNIK Pretvarja enosmerni tok v izmenični tok, ki ga lahko potem uporabljamo za pogon naprav v našem domu. 3. ELEKTRIČNA OMARICA Omarica, ki napaja vsa vezja v našem domu. 4. AC OBREMENITVE Ko solarni modul enkrat pretvori sončno energijo v električni tok, ki je bil pretvorjen iz enosmernega toka (DC) v izmenični tok (AC), se lahko uporablja za pogon električnih naprav v našem domu. 5. ŠTEVEC. 6. JAVNO OMREŽJE. Slika 8.1: Sončna elektrarna [19] 9 SONČNE ELEKTRARNE Sončne elektrarne predstavljajo velika polja modulov sončnih celic, nameščenih v naravi in na stavbah, priključenih v javno električno omrežje. Večinoma njihova proizvodnja električne energije močno presega lastno rabo. Poznamo nepremične in sledilne sončne elektrarne. 9.1 Nepremične sončne elektrarne Nepremične sončne elektrarne so lahko postavljene kot samostojni objekti ali integrirane v že obstoječe objekte. Veliko takšnih elektrarn je nameščenih na strehah stanovanjskih hiš, hlevov, proizvodnih hal ter v velikih nakupovalnih središčih. Pri takšnih postavitvah ter postavitvah prostostoječih elektrarn na zemljiščih je zelo pomemben naklon modulov. Najboljše je, da so strehe oziroma konstrukcije, na katerih so moduli, obrnjene na jug, njihov naklon pa 30. Pri teh pogojih so elektrarne najbolj učinkovite in omogočajo največji možni izplen. 24

36 Za namestitev modulov na nepremičnih elektrarnah sicer veljajo nekatera splošna priporočila, opisana v nadaljevanju: Da bi dosegli največjo izhodno moč poleti, naj bo naklon fotonapetostnih modulov enak geografski širini (za Slovenijo je to 46 ). Da bi dosegli največjo izhodno moč pozimi, naj bo naklon fotonapetostnih modulov enak geografski širini +15 (max. +20 ). Takšna namestitev pride v poštev predvsem v primerih, ko je zimska poraba električne energije večja od poletne porabe. Tak tipičen primer je razvetljava, za katero pozimi porabimo precej več energije. Naklonske kote fotonapetostnih modulov lahko nastavljamo tudi ročno. To pride v poštev predvsem pri majhnih sistemih, kjer lahko module, če je to seveda možno, namestimo tako, da njihovo lego spreminjamo štirikrat letno, in sicer: o Marca namestimo sončne celice pod naklonom, ki je enak geografski širini ( = 46 ). o Maja naklon korigiramo na geografsko širino 10, (46 10 = 36 ). o Septembra ponovno namestimo sončne celice pod naklonom, ki je enak geografski širini ( = 46 ). o Novembra pa naklon korigiramo na geografsko širino +10, ( = 56 ). S takšnim nameščanjem sončnih celic dosežemo maksimalen izkoristek fotonapetostnega sistema skozi vse leto. Poznamo več različnih izvedb nepremičnih sončnih elektrarn in nekaj izmed teh izvedb je opisanih v nadaljevanju. Sončne elektrarne na strehah objektov Pri postavitvah sončnih elektrarn na strehah objektov je potrebno izhajati iz omejitev razpoložljive strešne površine. K sreči so nakloni streh v slovenskem prostoru zelo primeri za postavitev sončnih elektrarn. Strešna površina mora biti orientirana pretežno na jug, tudi orientacija proti jugozahodu ali jugovzhodu daje zadovoljive rezultate. Ker so površine relativno majhne in jih želimo čim bolje izkoristiti praviloma izberemo monokristalne ali polikristalne module. Prav tako ne smemo pozabiti na strelovodne zaščite, ki so za sončne elektrarne zakonsko predpisane. Najpogosteje se izvede nov strelovodni sistem, saj ga večina objektov nima. Statična trdnost obstoječih ostrešij običajno ni problematična in tudi pri priključitvi sončnih elektrarn na omrežje ni pričakovati težav, saj obstoječa omrežja z lahkoto prenesejo priklop takšnih elektrarn. Za vsako vrsto kritine obstajajo ustrezni tipi pritrditve, zato vrsta kritine ne predstavlja nobenih omejitev. 25

37 Slika 9.1: Sončna elektrarna na strehi [21] Integrirane izvedbe sončnih elektrarn namesto strešne kritine ali fasade Integrirane sončne elektrarne so z električnega vidika identične navadnim. Razlike so v tem, da pri integriranih elektrarnah fotonapetostni moduli nadomeščajo kritino. To zahteva, da je celotno fotonapetostno polje vodotesno, kar omogočajo posebni profili in tesnila s katerimi dosežemo vodotesnost. Fotonapetostni moduli lahko prevzemajo tudi vlogo fasade na objektih. Pri integriranih sončnih elektrarnah moramo biti pozorni predvsem na vpliv povečane temperature zaradi slabšega odvajanja toplote iz fotonapetostnih modulov. Med solarnimi moduli in streho je potrebno izvesti tako imenovani zračni most. Kljub vsemu je izkoristek nekaj odstotkov nižji. Posebnost integriranih sončnih elektrarn v Sloveniji je, da se jim po uredbi o obnovljivih virih prizna +15 % dodatek pri odkupni ceni, vendar je za to potrebno pridobiti gradbeno dovoljenje, zato se običajno postopek izgradnje takšnih elektrarn podaljša za nekaj mesecev. Slika 9.2: Sončna elektrarna, integrirana v streho [22] 26

38 Sončne elektrarne na ravnih strehah Zelo pogosto se sončne elektrarne postavljajo na večjih strešnih površinah, kot so na primer strehe raznih proizvodnih hal, trgovskih centrov. Tovrstni objekti imajo običajno ravno streho ali pa imajo strehe zelo majhen naklon. V takšnih primerih se fotonapetostni moduli namestijo v tako imenovano žagasto postavitev. Orientacija strehe je pri takšnih postavitvah manj pomembna, saj imamo možnost, da s pomočjo rotacije konstrukcij, na katerih so moduli, obrnemo naravnost proti jugu. Na pločevinastih strehah se konstrukcije privijačijo, na strehah s PVC ali bitumensko membrano pa module skupaj s konstrukcijo le položimo in obtežimo. Pred tem je nujno potrebno preveriti statično trdnost ostrešja, še posebej pri starejših objektih. Razsmerniki v takšnih primerih so lahko centralni ali tako imenovani string razsmerniki. V vsakem primeru jih poskušamo namestiti znotraj objektov, če pa to ni mogoče, se razsmerniki z zaščito lahko namestijo tudi na strehi. Slika 9.3: Sončna elektrarna na ravni strehi [23] Tovrstne sončne elektrarne lahko dosežejo moči, večje od 100 kw, zato lahko elektrodistribucijsko podjetje zahteva, da se za ta namen nadgradi tudi priključek na omrežje. Do moči 1 MW lahko takšne elektrarne zgradimo brez gradbenega dovoljenja. 27

39 Prostostoječe izvedbe sončnih elektrarn Poznamo tudi prostostoječe izvedbe sončnih elektrarn. Če hočemo graditi takšno elektrarno, je potrebno pred pričetkom gradnje najprej preveriti ustrezno namembnost zemljišča. Postavitev sončnih elektrarn na kmetijskih zemljiščih namreč ni možna. V vsakem primeru moramo za sončno elektrarno na zemljišču pridobiti potrebno gradbeno dovoljenje in ostala soglasja. Posebna pozornost pri takšnih elektrarnah je namenjena zasnovi nosilnih konstrukcij, ker morajo biti te prilagojene geološki strukturi tal. Kadar imamo na razpolago velike površine, lahko uporabimo tudi tankoslojne fotonapetostne module, ki imajo sicer nižji izkoristek, vendar so, gledano na enoto moči, cenejši od ostalih. Uporabimo lahko centralne razsmernike ali string razsmernike, v vsakem primeru pa bo potrebna posebna transformatorska postaja za priklop na srednjo napetost distribucijskega omrežja. Slika 9.4: Prostostoječa nepremična sončna elektrarna [23] Elektrarne, ki stojijo na zemljiščih, je potrebno ograditi in zavarovati zaradi zunanjih vplivov. V Sloveniji je za postavitev sončnih elektrarn na zemljišču predpisana letna kvota 5 MW, ki omejuje tovrstno gradnjo. 28

40 9.2 Sledilne sončne elektrarne Posebna izvedba sončnih elektrarn so sledilne sončne elektrarne, pri katerih fotonapetostni moduli sledijo gibanju sonca. S sledilnimi sistemi elektrarnam povečamo izkoristek tudi do 40 %, saj zagotovimo, da so moduli vedno obrnjeni proti soncu. Takšni sistemi pa imajo tudi svoje slabosti, predvsem imamo tu v mislih drage investicije in vzdrževanje sledilnikov. Sončni sledilniki lahko delujejo po že vnaprej znanem programu za sledenje soncu, takšne imenujemo pasivni sledilniki, ali pa sledijo soncu s pomočjo senzorjev, imenujemo jih aktivni sledilniki. Poznamo dve vrsti sledenja soncu, enoosno in dvoosno. Slika 9.5: Grafični prikaz poteka moči pri fiksnem, enoosnem in dvoosnem sledilniku [26] Čedalje več sončnih elektrarn je zgrajenih iz sledilnikov, to pa zato, ker se z njimi pridobi očitno več energije, ne glede na večjo začetno investicijo. Trenutno na svetu deluje na stotine takšnih sistemov, eden največjih se nahaja v Španiji, PV Archivel, ki je sestavljen iz 210 dvoosnih sledilnikov. 29

41 Enoosno sledenje Enoosni sledilniki imajo konstrukcijo z enim pogonom, ta običajno omogoča sledenje soncu po azimutu (vzhod zahod). Mehanizem enoosnega sledilnega sistema sestavljajo glavni (večji) in sledilni (manjši) modul ter enosmerni elektromotor z mehanizmom za vrtenje nosilnega droga. Sledilni modul je pravokotno orientiran na glavni modul, njegova naloga pa je napajanje enosmernega elektromotorja. Sledilni modul je sestavljen iz dveh modulov, ki sta združena s hrbtnima stranema in električno povezana. Ena stran modula napaja motor v času sledenja poti sonca od vzhoda do zahoda, druga stran pa zagotovi povratek sistema v izhodiščno stanje po sončnem vzhodu. Modula sta neposredno vezana na elektromotor in ga napajata, dokler je vsaj eden od njiju dovolj osvetljen. Z vrtenjem sistema se osvetlitev sledilnega modula zmanjša, zato se vrtenje začasno zaustavi. Glavni modul je pravokoten na sledilna modula, zato je njegova orientacija optimalna glede na vpadno sončno sevanje. Slika 9.6: Konstrukcija enoosnega sončnega sledilnika [24] Enoosni sistemi so priporočljivi predvsem za majhne površine sledilnikov (do 12 modulov), za večje pa so priporočljivejši dvoosni sistemi, ker je korigiranje osi pri teh sistemih zelo zahtevno. Enoosni sistemi za sledenje dosegajo od 15 do 20 % boljši izkoristek glede na nepremične sisteme in so na voljo že po dokaj nizkih cenah. Poleg povečanja donosnosti je njihova prednost tudi bolj privlačna zunanjost. 30

42 Dvoosno sledenje Dvoosni sledilnik sonca ima konstrukcijo z dvema pogonoma, enega za sledenje soncu po azimutu (vzhod zahod), drugega za sledenje po kotni višini sonca. Za pogonski sistem lahko uporabimo motor ali termohidravlični sistem. Pri takšnem sledenju je površina z moduli vedno pravokotna na sončne žarke. Z dvoosnimi sledilniki lahko pridobimo od 30 do 35 % več električne energije, kot z nepremičnimi sistemi. Dvoosni sledilnik deluje tako, da module vedno prilagodi pravokotno na vpadni kot sončnih žarkov. Ko pa se sonce zakrije, se premikanje konstrukcije ustavi in se nato ob pojavu naslednjih sončnih žarkov nadaljuje, saj elektronika s senzorjem zazna svetlobo ter vklopi svoj motor in sončni sprejemnik se obrne proti soncu. Če pa sonce zakrijejo oblaki, konstrukcija s pomočjo posebne sončne celice poišče najsvetlejši oblak in se obrne proti njemu. Odvisno od nastavljene natančnosti sledenja. Pri postavitvah sledilnikov moramo biti predvsem pozorni na njihovo medsebojno oddaljenost, saj se ne smejo med seboj zasenčiti oziroma jih ne smejo zasenčiti nobene stavbe ali drevesa. Zelo pomembno za senčenje je tudi, da imajo sledilniki čim manjšo višino ter čim večjo dolžino površine z moduli. Slika 9.7: Konstrukcija dvoosnega sončnega sledilnika [24] Dvoosni sledilni sistemi so glede na enoosne bolj zapleteni za gradnjo, kar pa pomeni tudi višje stroške. Zahtevajo gibljivo konstrukcijo, ki lahko prenese visoke obremenitve glede vetra in neurij. Pred različnimi vremenskimi vplivi so sledilniki zaščiteni tako, da se ali ugasnejo ali postavijo v vodoravni položaj. Slabost takšnega sistema je, da lahko pride do napak na pogonih, takrat konstrukcija ostane na istem mestu, kar pa pomeni manjši izplen, vse dokler se napake ne odpravijo. 31

43 10 PRIMERJAVA SLEDILNEGA IN NEPREMIČNEGA SISTEMA NA SONČNI ELEKTRARNI DERŽIČ 10.1 O podjetju Ključavničarstvo Deržič Podjetje je bilo ustanovljeno leta 1995, ko je Deržič R. starejši s samozaposlitvijo ustanovil lastno dejavnost ključavničarstva na terenu z namenom izdelave kovinsko-ključavničarskih izdelkov. Iskanje novih poslovnih priložnosti, delovna vnema in vztrajnost so privedli do uvedbe programa izdelave protipožarnih vrat in podbojev po naročilu in s tem omogočili prilagoditev vsem situacijam, ki jih srečamo v gradbeništvu. Z leti prisotnosti na trgu so se tako razvili v sodobno podjetje za proizvodnjo protipožarnih vrat in podbojev, ograj iz nerjavečega jekla ter ostalih ključavničarskih izdelkov, ki je prvotno imelo sedež v domači garaži in na terenu, danes pa vse to poteka v moderno opremljenem proizvodnem objektu. Danes je podjetje uveljavljeno na zahtevnih evropskih trgih in izven njih, kjer so kupce prepričali z visoko kvaliteto izdelkov, hitrim odzivnim časom in zanesljivostjo, kar jim omogočajo najnovejši proizvodni stroji. Svoje izdelke proizvajajo na osnovi posameznih naročil za znanega kupca. Z dodatnim povečanjem proizvodnih kapacitet v letu 2006 sedaj trgu ponosno ponujajo izdelke, ki so namenjeni vsem vrstam objektov (bloki, hoteli, proizvodni objekti, bolnišnice, vrtci, šole, stanovanjske hiše itd.). Njihova pomembna prednost je v hitri prilagodljivosti dani situaciji in ponudbi, saj lahko naredijo vrata, ki jih velika podjetja s serijsko proizvodnjo ne zagotovijo v dovolj kratkem času. [13] Slika 10.1: Sedež podjetja Ključavničarstvo Deržič [13] Leta 2011 so v podjetju predstavili rešitev za preureditev zasutih deponij po Sloveniji. Predstavili so nov izdelek iz njihove proizvodnje, dvoosni sledilnik sonca KD32-2X, ki je primeren za postavitev sončnih elektrarn na zasute deponije in katerega pomembna 32

44 prednost je podstavek, ki je plavajoč in zato niso potrebni nobeni zahtevni posegi v zemljo. Na ta način dajejo degradiranim območjem popolnoma novo vsebino. Dvoosni sledilnik omogoča horizontalno in vertikalno sledenje soncu. Na ta način so sončne celice vedno obrnjene proti soncu in fotonapetostni moduli prejmejo več energije, ker sončni žarki padajo pravokotno na njihovo površino. V podjetju resnično želijo, da se njihov projekt postavitve sončnih sledilnikov na zaprta odlagališča odpadkov razširi na celotno Slovenijo in tudi širše, zato so na svojem zemljišču postavili največjo sončno elektrarno v Sloveniji z dvoosnimi sledilniki sonca, ki so jih razvili in jih izdelujejo v lastni proizvodnji. V podjetju se zavedajo, da jim brez skupnega interesa gospodarstva, lokalnih in državnih oblasti ne bo uspelo. Pospešiti želijo predvsem spreminjanje prostorskih načrtov, s katerimi bi omogočili postavljanje sončnih elektrarn na zaprtih odlagališčih odpadkov in poenostaviti pridobivanje gradbenih dovoljenj za postavitev sončnih elektrarn na zemljiščih O sončni elektrarni Deržič Podjetje Deržič je dokumentacijo za izvedbo lastne sončne elektrarne uredilo v približno štirih mesecih, nepremični del sončnih modulov se nahaja na strehi obrata, na zemljišču ob obratu pa so postavljeni dvoosni sončni sledilniki. V času poskusnega obratovanja so analize pokazale, da je učinkovitost modulov, ki sledijo soncu, pri pridobivanju električne energije do 35 % večja kot pri statičnem sistemu modulov. Podjetje v prihodnje načrtuje postavitev sončne elektrarne na področju sanirane deponije v Dobovi, kajti njihov proizvod, na plavajoči podstavek pritrjeni dvoosni sledilnik sonca, omogoča postavitev sončnih elektrarn tudi na neutrjena zemljišča, kot so zaprta odlagališča odpadkov. Slika 10.2: Sončna elektrarna Deržič [13] 33

45 Gre za elektrarno s skupno močjo 580 kwp. Na strehi proizvodnega objekta je 648 modulov. Moč te elektrarne je 155,25 kwp. Na zemljišče zraven objekta je postavljenih 90 sledilnikov, na katerih je skupno 1800 modulov, ki dajejo skupno moč 432 kwp. Ocenjujejo, da bo na leto proizvedene okoli 750 MWh električne energije, kar pomeni, da bi lahko oskrbeli 180 povprečnih štiričlanskih slovenskih družin, saj po podatkih Statističnega urada Republike Slovenije takšna družina porabi 4000 kwh električne energije na leto. Celotna investicija elektrarne je znašala okoli evrov. Po mnenju podjetja Deržič je zelo pomemben vidik sončne elektrarne, da ne onesnažuje okolja, saj ga ne obremenjuje z izpusti CO 2. Zavedajo se namreč, da je potrebno z okoljem skrbno ravnati in ga varovati. S proizvodnjo 1 kwh električne energije s pomočjo sončne energije prihranimo 0,6 kg emisije CO 2, kar pomeni, da bodo s pomočjo sončne elektrarne prihranili 1250 ton CO 2 na leto. Za primerjavo drevo v svojem življenju veže približno 1 tono CO 2. [13] V podjetju so elektrarno postavili tudi v raziskovalne namene. Na enem izmed sledilnikov so nameščeni senzorji, s katerimi spremljajo temperaturo, hitrost vetra in moč sončnega sevanja. Z vsemi razsmerniki imajo povezavo, preko katere lahko na svetovnem spletu vsak trenutek opazujejo delovanje elektrarne. Prvi pomemben podatek, ki ga dobijo na osnovi programa, je pridobljena električna energija po posameznem dnevu. Celotni sistem je bil vzpostavljen 10. maja in od takrat se spremljajo proizvodnja. Na idealen dan (z veliko sonca) so proizvedli čez 4500 kwh električne energije. Na sončni elektrarni Deržič so uporabljeni moduli E-2000 avstrijskega podjetja Energetica Energietechnick GmbH ter razsmerniki Fronius IG Plus 150 V-3 podjetja Fronius International GmbH Dvoosni sledilnik KD32-2X V podjetju Deržič so razvili svoj dvoosni sledilnik sonca KD32-2X, ki je izdelan v visokokvalitetni proizvodnji, kar dokazuje certifikat ISO Po katalogu je največja površina modulov 32 m 2. Konstrukcija sledilnika je visoka 5,5 m, njena teža je okoli kg, vgrajena pa ima tudi dva linearna elektromotorja, ki delujeta pri napetosti 24 V in sta napajana iz proizvedene energije. Takšna konstrukcija omogoča enostavno in hitro montažo sledilnika. Za izdelavo tega so uporabljeni visokokvalitetni materiali, ki zagotavljajo dolgo življenjsko dobo. Konstrukcija je dimenzijsko prilagodljiva in primerna za fotonapetostne module različnih proizvajalcev. [13] Postavitev njihovega sledilnika ne zahteva posebnih posegov v zemljo, saj ima plavajoč podstavek, katerega obtežba ne dosega več kot 0,5 kg/cm². Zato je primeren za postavitev na neutrjene površine, kot so zaprta odlagališča odpadkov in ostala zemljišča. 34

46 Slika 10.3: Zgradba dvoosnega sledilnika KD32-2X [13] V primeru vzdrževalnih del in čiščenja (prah, listi, iztrebki itd.) je dostop do modulov enostaven. KD32-2X je sposoben prenašati težke vremenske razmere (veter, dež, sneg), saj ima vgrajeno zaščito pred vetrom, kar pomeni, da se avtomatsko postavi v vodoravni položaj, v katerem so udari vetra najmanjši. Sledenje soncu ima elektronika sledilnika vnaprej sprogramirano z astronomskim programom, lahko se pa vgradijo svetlobni senzorji za sledenje soncu, ki sami iščejo najmočnejši vir svetlobe. Oba načina zagotavljata, da so sončne celice vedno obrnjene proti soncu in tako fotonapetostni moduli prejmejo več energije. Sledilnik zagotavlja od 30 % do 35 % višjo proizvodnjo električne energije Sončno obsevanje na področju elektrarne Deržič Za postavitev sončne elektrarne je pomembno, da z izbiro ustrezne lokacije izkoristimo čim daljši čas osončenja. Sončno obsevanje in posledično produktivnost sončne elektrarne sta tako odvisna od območja, na katerem se elektrarna nahaja in usmerjenosti sončne elektrarne. V Sloveniji imajo različna območja različno intenziteto osončenosti. Sončna elektrarna Deržič se nahaja v kraju Veliki Obrež v okolici Dobove. V Tabeli 10.1 je prikazana mesečna energija globalnega sončnega obsevanja na območju Novega mesta, kjer je najbližje merilno mesto obravnavani sončni elektrarni. Podatki za Novo mesto so pridobljeni od ARSO do konca meseca avgusta za leto

47 Tabela 10.1: Energija globalnega sončnega obsevanja v kwh/m 2, Novo mesto Mesec Novo mesto (ARSO) Jan 31,21 Feb 52,69 Mar 98,24 Apr 148,07 Maj 191,13 Jun 181,37 Jul 176,98 Avg 196,56 Sep / Okt / Nov / Dec / Slika 10.4: Diagram sončne poti za Veliki Obrež [25] 36

48 10.5 Nepremični del sončne elektrarne Del sončne elektrarne je postavljen na strehi leta 2006 zgrajenega proizvodnega obrata podjetja. Streha je velika 1254 m 2 in ima naklon 16, azimutni kot je približno 30 proti vzhodu. Na njej je postavljenih 648 modulov skupne moči 155,25 kwp. Na Sliki 10.5 je prikazana streha objekta, na katerem sedaj stoji sončna elektrarna. Slika 10.5: Streha proizvodnega obrata podjetja Deržič [29] V Tabeli 10.2 so prikazane količine mesečno proizvedene električne energije na nepremičnem sistemu elektrarne skupne moči 155,25 kwp, in sicer teoretično po programu PV Potential estimation utility in dejansko izmerjeno s števcem v elektrarni. Tabela 10.2: Mesečno proizvedena električna energija na nepremičnem sistemu elektrarne PV Potential estimation utility Dejansko izmerjeno Mesec Sevanje [kwh/m 2 ] Energija [kwh] Energija [kwh] Jan 44, / Feb 62, / Mar 98, / Apr / Maj ,93 Jun ,06 Jul ,34 Avg ,87 Sep / Okt 82, / Nov 48, / Dec 33, / 37

49 10.6 Sledilni del sončne elektrarne Večji del sončne elektrarne je postavljen na zemljišču zraven proizvodnega obrata podjetja. Zemljišče je veliko 8200 m 2. Na njem je postavljenih 90 sledilnikov KD32-2X, na katerih je skupno 1800 modulov, ki dajejo skupno moč 432 kwp. Na vsakem od sledilnikov je po 20 modulov modela E-2000 avstrijskega proizvajalca Energetica. Na Sliki 10.6 je prikazano zemljišče, na katerem so postavljeni dvoosni sončni sledilniki. Slika 10.6: Zemljišče, na katerem so postavljeni sledilniki [29] V Tabeli 10.3 so prikazane količine mesečno proizvedene električne energije na sledilnem sistemu elektrarne skupne moči 432 kwp, in sicer teoretično po programu PV Potential estimation utility in dejansko izmerjeno s števcem v elektrarni. Na sledilnem sistemu je tudi vremenska postaja, ki meri hitrost vetra in sončno sevanje. Tabela 10.3: Mesečno proizvedena električna energija na sledilnem sistemu elektrarne PV Potential estimation utility Dejansko izmerjeno Mesec Sevanje [kwh/m 2 ] Energija [kwh] Sevanje [kwh/m 2 ] Energija [kwh] Jan 68, / / Feb 91, / / Mar / / Apr / / Maj , ,65 Jun , ,79 Jul , ,37 Avg , ,26 Sep / / Okt / / Nov 70, / / Dec 49, / / 38

50 10.7 Pregled razlike med nepremičnim in sledilnim sistemom po mesecih Za analizo obeh sistemov sem uporabil podatke iz dveh razsmernikov, in sicer razsmernika 2 (INV 2) ter razsmernika 32 (INV 32). Na razsmernik 2 je priključenih 60 nepremičnih modulov, ki ležijo na strehi objekta, na razsmernik 32 pa je priključenih 60 modulov, montiranih na treh dvoosnih sledilnikih. Za lažjo primerjavo sem uporabil povprečje pridobljene električne energije iz enega nepremičnega modula in enega modula na sledilniku, glede na energijo sončnega sevanja. Sončna elektrarna Deržič obratuje od 10. maja 2011, zato bom predstavil izsledke naslednjih 4 mesecev. Slika 10.7: Razsmernik Fronius IG Plus 150 V-3 [30] 39