2. PRVI ZAČETKI IN OPIS SISTEMA
Fotoelektrični pojav je odkril francoski fizik Bequerel leta 1893.
Leta 1954 so v ZDA v Bellovih laboratorijih predstavili silicijevo
sončno celico z izkoristkom 4 %. Prva uporaba sončnih celic je bila
v vesoljski tehniki, leta 1958 so v ZDA izstrelili prvi satelit
(Vanguard I), ki je kot izvor električne energije uporabljal sončne
celice. Prvi sistemi z močjo več kot 100 kW so bili nameščeni v začetku
osemdesetih, danes največji delujoči sistemi pa imajo moči nekaj
MW.
Solarni moduli, (sestavljeni iz serijsko vezanih sončni celic),
pretvarjajo sončno energijo neposredno v enosmerni električni tok.
Sončni žarki padajo na površino sončnih celic. Na takšen način se
sevalna primarna energija sonca pretvarja v sekundarno visoko kvalitetno
električno energijo. Preobrazba je direktna, brez vmesne preobrazbe
v toplotno in mehansko energijo. Zaradi delovanja sončnih žarkov
na kristalno mrežo izbrane snovi se sprosti električni naboj. Pri
sevanju zadevajo svetlobni kvanti - fotoni čelno ploščo polprevodnika,
se pri tem absorbirajo Zaradi tega se sprostijo elektronski pari,
ki pa ostanejo zaradi notranjega električnega polja ločeni in s tem
povzročajo električno napetost.
Število uporabljenih solarnih modulov je odvisno od energetskih
zahtev uporabnika in od razpoložljive sončne energije (svetlobe).
Akumulator shranjuje energijo, ko so jo proizvedli solarni moduli
za čas, ko sončno sevanje ne zadošča za potrebe delovanje sistema.
Porabniki so električne naprave, ki delujejo v solarnem sistemu in
se uporabljajo v povezavi z razsmernikom (pretvornikom), ki pretvarja
enosmerno napetost akumulatorja v izmenično. Z njegovo pomočjo lahko
uporabljamo običajne električne naprave, ki delujejo na omrežno napetost.
Regulator povezuje solarne module, akumulator pa porabnike, kot
je prikazano na sliki št.2, obenem pa tudi ščiti akumulator
pred prenapolnjenjem in prevelikim izpraznjenjem. Zaradi nizkih napetostih
tečejo v solarnih sistemih veliko večji tokovi kot v običajnih 220
V instalacijah.
3. GLAVNE KOMPONENTE FOTOVOLTAIČNEGA SOLARNEGA SISTEMA
3.1. Solarni moduli
Solarni modul je sestavljen iz sončnih celic, kjer s serijsko vezavo
posameznih celic v dobimo višje napetosti (vsaka silicijeva celica
proizvede pri dobri osvetlitvi 0,4 V enosmerne napetosti).
Znanih je več vrst sončnih celic. Celice, kjer je čelna in osnovna
plošča iz istega polprevodniškega materiala npr. silicija, so homogene
sončne celice. Poznane so še heterogene sončne celice in kovinske
sončne celice, kjer je čelna plošča iz tanke kovine npr. Si/Al.
Glede na kristalno strukturo solarne celice delimo na monokristalne,
polikristalne in amorfne.
V praksi se najpogosteje uporabljajo celice iz monokristalnega silicija (črne monokristalne), ki so precej drage glede
izdelave, izkoristek znaša 15 do 18 %.
Polikristalne modre celice iz Silicija so cenejše
in imajo izkoristek med 12 in 14 %.
Amorfne silicijeve celice so najcenejše, imajo
izkoristek 5 do 8 %. Amorfni silicij zelo dobro absorbira sončno sevanje,
debelina plasti na steklu je le nekaj milimetrov, kar tanko plastne
celice temno rjave barve zelo poceni.
Na električne karakteristike solarnega modula vpliva število
solarnih celic v modulu. Vsaka celica pri dobri osvetlitvi proizvede
približno 0,4 V enosmerne napetosti. Tako potrebujemo za sistem
z 12 V svinčenim akumulatorjem napetost polnjenja 13 V. Če se akumulator
popolnoma sprazni, je potrebna napetost polnjenja približno 16 V,
ker moramo še kompenzirati padce napetosti v instalaciji. Akumulator
napolnimo z najmanj 33 zaporedno vezanimi solarnimi celicami, če
uporabimo monokristalne celice. V primeru uporabe amorfnih solarnih
celic potrebujemo za napolnitev 12 V akumulatorja najmanj 25 celic.
Električne karakteristike solarnega modula zavisijo od:
· površine solarnih celic,
saj je električni tok odvisen od velikosti površine celic.
· tehnologije izdelave
celic (monokristalne proizvajajo večji tok kot polikristalne, amorfne
pa polovico manj kot monokristalne),
· toplotne moči sončnega
sevanja (z večanjem intenzitete sončnega sevanja se veča tudi izhodni
električni tok).
· temperature modula
(da ohranimo solarne celice hladne, moramo pri montaži zagotoviti
cirkulacijo zraka okoli modulov, zato proizvajalci podajajo karakteristike
modulov pri temperaturi 25 °C ali tudi 28 °C,
· valovne dolžine sončnega
sevanja (pri siliciju znaša 1,15mm). Sevanje z večjo valovno dolžino
od mejne povzroča le segrevanje solarne celice, pri manjših valovnih
dolžinah od mejne pa se pojavlja višek fotonov, ki prav tako povzroča
segrevanje celice, ne pa proizvodnje električnega toka. Zgornja meja
pretvorbe sončnega sevanja s silicijevimi celicami je približno 23
%. Z uporabo več slojnih celic je možno doseči izkoristek pretvorbe
že preko 30 %, kar pa je zaenkrat doseženo le v raziskovalnih laboratorijih,
· oblike celic, ki naj
bo takšna, da je vpliv delnega zasenčenja majhen.
V primeru, da imamo vgrajene takšne module, da lahko spreminjamo
naklonski kot modula in ga obračamo proti soncu, je takšna izvedba
zelo draga. Če pa dodatno uporabljamo zrcala in zbiralne leče, ki
povečujejo intenziteta sončnega sevanja preko 1000 W/m2,
je slabost takšnega načina, da lahko pride do pregrevanja celic in
tako je potrebno dodatno hlajenje, kar tudi podraži izvedbo
Odlike dobrih modulov so tudi te, da so odporni na vremenske vplive
(mraz, vročina, toča, slana, morski zrak) in imajo "počasno
staranje" , kar pomeni, da znaša garantirana moč po petih letih
še vedno 90 % začetne moči.
3.2. Regulatorji
Solarni polnilni regulator je osrednji del električne solarne naprave
in ima nalogo regulirati polnjenje akumulatorjev iz solarnih celic,
preprečuje povratni tok, signalizira stanje akumulatorja. Stroški
vloženi v nakup akumulatorja so smiselni, če akumulatorju zagotovimo
polno življenjsko dobo, zato je primerno, da izvedemo ustrezno zaščito
pred prenapolnjenjem in prevelikim izpraznjenjem .
Zaščita akumulatorja je izvedena na način, da regulator polnjenja
odklopi sončne celice od akumulatorja, ko je dosežena maksimalna dopustna
napetost in se s tem prepreči škodljiva
prenapolnitev. V primeru, ko se akumulator prazni in napetost
akumulatorja pade pod dovoljeno spodnjo mejo, regulator izključi
vse porabnike in s tem zaščiti akumulator. Nekateri porabniki, kot
halogenska žarnica, hladilnik, elektromotor, itd, zahtevajo ob vklopu
kratkotrajni tokovni sunek, ki za trenutek zniža napetost akumulatorja.
Da v tem primeru ne pride do nepotrebnega izklopa, je delovanje zaščite
zakasnjeno. Ko napetost po razbremenitvi in ponovnem napolnjenju naraste,
se porabniki spet vključijo.
Glede na izvedbo regulatorje delimo linearne in stikalne.
Linearni ali enostopenjski regulatorji pa so lahko:
· serijski - izklopijo
polnjenje, ko je dosežena končna polnilna napetost,
· paralelni - uporabljamo
jih pri majhnih solarnih sistemih, kjer so polnilni tokovi iz modulov
manjši kot 20 A. Regulacijski del je sestavljen iz močnostnega tranzistorja,
ki je vzporedno vezan z akumulatorjem. Pri slabši osvetljnosti (ponoči)
zaporna dioda prepreči povratni tok iz akumulatorja v modul. Sam način
regulacije povzroča veliko oddajanje toplote, zato je potrebno poskrbeti
za hlajenje in odvajanje toplote.
Stikalni regulatorji delujejo na principu, da izključijo
določeno vejo polja solarnih modulov, ko polnilni tok naraste čez
določeno vrednost. Uporabljajo se v večjih sistemih, moduli so izključeni
toliko časa, dokler polnilni tok zopet ne pade.
Novejši polnilni regulatorji imajo vgrajena že
integrirana vezja, izdelana posebej za solarno tehniko. Regulatorje
je možno priključiti na računalnik, delovanje in možne napaka pa
spremljati na prikazovalniku. Regulatorji imajo vgrajeno tudi zaščito
pred velikimi tokovi, napetostmi in temperaturami, napačno polariteto,
kratkim stikom in dinamično zaščito pred prenapolnjenjem in izpraznjenjem.
S vgrajenim programom lahko regulatorji stalno spremljajo napetosti
pri polnjenju akumulatorjev in s tem tudi ohranjamo življenjsko
dobo akumulatorjev. Možna je tudi avtomatska prilagoditev napetosti
z 12 do 24 V.
Na sliki št.3 je prikazana vezava regulatorja oziroma
regulacija polnjenja v enojnem solarnem sistemu.
3.3 Akumulatorji
V fotovoltaičnih sistemih uporabljamo akumulatorje za shranjevanje
med dnevom pridobljene električne energije za kasnejšo rabo. Akumulator
deluje v dveh režimih in sicer:
· plitva praznjenja v
sončnih dneh,
· globoka praznjenja
med obdobji slabšega vremena in pozimi.
Uporabljamo takšne akumulatorje, ki jih lahko polnimo in praznimo.
V ta namen uporabljamo svinčeno – kislinske in nikelj – kadmijeve.
Zahteve, ki jih mora izpolnjevati solarni akumulator so:
· dolga življenjska doba,
· vzdržljivost in večkratno
globoko praznjenje do spodnje mejne napetosti,
· majhno samopraznenje,
· dober izkoristek pri
polnjenju,
· sposobnost akumuliranja
majhnih tokov,
· majhna izguba vode
v daljšem obdobju,
· minimalno vzdrževanje,
· zanesljivost in majhna
temperatura delovanja.
Značilnosti svinčenih akumulatorjev:
· najnižja napetost praznjenja
znaša 1, 75 V/celico,
· napetost napolnjenja
znaša v praksi 2,4 V /celico,
· pri povsem napolnjeni
celici gostota elektrolita znaša 1,2 do 1,3 g/cm3,
· možen pojav sulfatizacije
,če pustimo celico dalj časa izpraznjeno. Sulfatizacija se lahko
pojavi tudi v primeru, če ima elektrolit preveliko koncentracijo
ali tudi, če znaša stalna delovna temperatura nad 45 °C.
· če se akumulator
na videz hitro polni, pri tem pa nam merjenje gostote elektrolita
kaže, da je stanje napolnjenosti akumulatorja še vedno nizko, so to
že prvi znaki pojava sulfatizacije,
· pri obratovalnih temperaturah
nad 30 °C moramo uporabiti elektrolit z manjšo koncentracijo kisline,
ker na ta način zmanjšujemo stopnjo sulfatizacije,
· pri temparaturi pod
0 °C lahko elektrolit v prazni celici zmrzne,
· povsem koncentrIrana
kislina zmrzne pri - 50 °C, pri 20 % napolnjenosti pa je zmrzišče
že pri - 20 °C.
3.4. Električna instalacija v fotovoltaičnih solarnih sistemih
Zaradi nizkih napetosti (12 do 14 V) tečejo v sistemih veliko večji
tokovi, zato je so potrebni za solarne sisteme večji preseki električnih
vodnikov, kot to velja za enako moč pri napetosti 220 V. Prav tako
je pomembna polariteta priključkov.V praksi se uporabljajo kabli z
več izoliranimi vodniki in izolirane žice, položene v cev.
Dopustna izguba napetosti v 12 V sistemih je lahko med solarnimi
moduli in regulatorjem do 3 %, med regulatorjem in akumulatorjem
do 1 % in med regulatorjem in porabniki do 7 %.
Presek vodnika |
Žice, položene v cevi |
Kabli |
Življenjska doba pri 5% praznjenju |
23 let |
58 let |
1,5 mm2 |
16 A |
20 A |
2,5 mm2 |
21 A |
27 A |
4 mm2 |
27 A |
36 A |
6 mm2 |
35 A |
47 A |
10 mm2 |
48 A |
65 A |
16 mm2 |
65 A |
87 A |
Preseke (debeline žic) določimo tako da:
· se preveč ne segrevajo
in ne pride do vžiga,
· ne povzročijo prevelike
izgube napetosti,
· nimajo prevelike upornosti,
kajti običajna instalacijska varovalka mora ob kratkem stiku hitro
pregoreti (pri izračunanem toku mora pregoreti najkasneje v 1 sekund).
Nizka napetost nas ne seme premotiti, zato ne smemo o pozabiti na
varnost. K dobri varnosti prispevajo:
· dobro izolirani vodniki,
· brezhibni spoji žic,
· zadostni preseki vodnikov,
· varovanje z varovalkami
ali odklopniki, prilagojenimi preseki vodnikov.
· varovalka na priključku
akumulatorja,
· pravilna namestitev
akumulatorja (temperatura od 0 do 30°C, zračnost, preprečen dostop
otrokom),
· vtičnice in vtiči morajo
biti takšne izvedbe, da jih ne moremo zamenjati z vtičnicami za 220
V napetost,
· ozemljitev ali povezava
s strelovodno napeljavo.
3.5. Merilni sistemi v fotovoltaičnih solarnih sistemih
Da dobimo podatke o delovanju solarnega sistema, med regulator in
akumulator vežemo ampermeter in voltmeter. Ampermeter podnevi kaže
tok, ki teče iz solarnih modulov v akumulator, zvečer pa kaže tok
porabnikov (v primeru istočasnega polnjenja in porabe pa kaže razliko
toka, ki teče v akumulator in iz njega).
Iz prikazane napetosti, ki jo kaže voltmeter, lahko ocenimo napolnjenost
akumulatorja.
4. MOŽNOSTI UPORABE FOTOVOLTAIČNIH SISTEMOV
Kjer iz kakršnih razlogov nimamo možnosti za oskrbo z električno
energijo iz javnega električnega omrežja, bodisi da gre za objekte
ali vozila (navtika, cestne avto hiše) lahko postavimo manjše fotovoltaične
sisteme. Pri nas najdemo takšne sisteme najpogosteje v planinskih
postojankah, prometni signalizaciji. S temi sistemi pa lahko z elektriko
oskrbujemo tudi druge zahtevnejše porabnike, kot so telekomunikacije,
alarmne i signalizacijske naprave na letališčih in pristaniščih ter
podobno. Z enostavnimi sistemi pa lahko poskrbimo na primer za razsvetljavo
vikendov, vrtnih lop ter kot dodaten vir električne energije na osamljenih
objektih v hribih oziroma na odročni lokacijah.
Za potrebe gospodinjstva so najzanimivejši manjši sistemi, (svetilke,
črpalke za črpanje vode ali centralno kurjavo, hladilnik, TV). Porabnike
je možno priključiti direktno (preko regulatorja), če gre za izvedbe
z 12 V napajanjem, ali pa preko razsmernika (pretvornika), če gre
za porabnike, ki so priključeni na izmenično omrežno napetost.
Večji sistemi so lahko povezani tudi z električnim omrežjem, kamor
bi lahko oddali višek električne energije. Shema sistema povezanega
z električnim omrežjem je prikazana na sliki št.4.
Vir: www.pvresources.com
/ copyright Helios Technology
Na regulator lahko priključimo porabnike, ki so deklarirani za
nazivno napetost 12 ali 24 V.
Zaradi visokih cen razsmernikov (pretvornikov) je pri manjših sistemih
ceneje uporabljati porabnike za enosmerni tok (kjer je to seveda možno),
kot pa razsmernike, ki so najpogosteje najdražji del sistema.
V primeru, ko se odločamo za fotovoltaične solarne module, je
pomembno, da izberemo primerno lokacijo ( streha, zid, tla) ter da
je solarni modul čimbolj izpostavljena sončnim žarkom.
Pred nakupom fotovoltaičnega sistema moramo tudi vedeti, kakšni
porabniki bodo nanj priključeni, zato moramo izračunati potrebno priključno
moč porabnikov, določiti režim porabe (celodnevno, samo zvečer, ob
vikendih).
Za praktični primer poglejmo vikend, ki ga obiskujemo od marca do
oktobra, solarni moduli so nagnjeni za 40 stopinj proti vodoravni
površini.
Iz tabele porabnikov izberemo najbolj potraten mesec (npr.oktober)
ter izračunamo in določimo:
· moč porabnikov (svetilke,
radio, črpalka, TV ) …160 W
· poraba toka na mesec…………………………..
270 Ah
· avtomobilski akumulator………………
12 V in 150 Ah
· mesec z najmanj energije:
………………oktober, 100 ur
· faktor poslabšanja
(nagib modula 30 °, senca od 9.do 10 ure, staranje modula) f =
0,77
· število ur polne moči
Tmax = 0,77 x 100 = 77 ur
· skupni tok solarnih
modulov Im = 270/77 = 3,59 A
· solarni modul 50 W,
ki daje tok 3,3 A
· število solarnih modulov
n = 1 ( 3,59/3,3 = 1,08 )
Približna cena zgoraj navedenega fotovoltaičnega solarnega sistema
skupno s akumulatorjem in regulatorjem znaša približno150.000 do
200.000 SIT.
5. PRIHODNOST FOTOVOLTAIČNIH SISTEMOV
V prihodnosti se pričakuje, da bodo fotovoltaični sistemi postali
eni od stebrov obnovljivih virov energije, čeprav bomo še nekaj časa
odvisni od zemeljskega plina, olja, premoga in jedrske energije. Pri
vključitvi v velika omrežja je fotovoltaika še daleč od gospodarnosti.
Drugače je pri malih naseljih, ki se razvijajo v mesta. Več kot dve
milijardi ljudi ni priključeno na električna omrežja. V prihodnosti
se zato predvideva, da oskrbo z električno energijo, lahko tem ljudem
omogočijo le obnovljivi viri, ki bodo znatno cenejši kot priključitev
na že instalirana omrežja. V zadnjih dveh do treh letih so se modulski
sistemi razširili po celem svetu, skupna instalirana moč je znašala
približno 150 MW.
Zadnje raziskave uglednih institucij kažejo, da bo po letu 2010
letno povpraševanje po fotovoltičnih sistemih med 1500 in 2000 MW.
Računa se, da bo letni tržni delež okoli 22 %, kar je razvidni
iz slike 5.
Tudi Evropa noče zaostajati, saj je Evropska skupnost v Beli knjigi
zapisala še višje stopnje rasti. Do leta 2010 se načrtuje instaliran
učinek 3000 MW, kar znaša 30 % letno rast. Da bo to možno doseči,
so bodo morali stroški izdelave sončni celic znatno zmanjšati, zato
veliko podjetij že aktivno sodeluje pri razvoju in optimiranju silicijeve
celice, na razvoju tanko plastne celice ter pri razvoju pigmentne
celice, na bazi Rutenija (tako imenovane "nano" solarne
celice). Veliko sodelujočih podjetij je že doseglo visoko avtomatiziranost
proizvodnje celic z letno kapaciteto 15 do 25 MW.
Nobenega dvoma torej ni, da prihodnost pripada obnovljivim virom
energije, ki naj bi do sredine tega stoletja že pokrivali okoli 50
% svetovne potrebe po energiji.