2.  PRVI ZAÈETKI IN OPIS  SISTEMA

Fotoelektrièni pojav je odkril francoski fizik Bequerel leta 1893. Leta 1954 so v ZDA v Bellovih laboratorijih predstavili silicijevo sonèno celico z izkoristkom 4 %.  Prva uporaba sonènih celic je bila v vesoljski tehniki, leta 1958  so  v ZDA izstrelili prvi satelit (Vanguard I), ki je kot izvor elektriène energije uporabljal sonène celice. Prvi sistemi z moèjo veè kot 100 kW so bili namešèeni v zaèetku  osemdesetih, danes najveèji delujoèi sistemi pa imajo moèi nekaj  MW.

Solarni moduli, (sestavljeni iz serijsko vezanih sonèni celic), pretvarjajo sonèno energijo neposredno v enosmerni elektrièni tok. Sonèni žarki padajo na površino sonènih celic. Na takšen naèin se sevalna primarna energija sonca pretvarja v sekundarno visoko kvalitetno elektrièno energijo. Preobrazba je direktna, brez vmesne preobrazbe v toplotno in mehansko energijo. Zaradi delovanja sonènih žarkov  na kristalno mrežo izbrane snovi se sprosti elektrièni naboj. Pri sevanju zadevajo svetlobni kvanti - fotoni  èelno plošèo polprevodnika, se pri  tem absorbirajo Zaradi tega se  sprostijo elektronski pari, ki pa ostanejo zaradi notranjega elektriènega polja loèeni in s tem povzroèajo elektrièno napetost.

Število uporabljenih solarnih modulov je odvisno od energetskih zahtev uporabnika in od razpoložljive sonène energije (svetlobe). Akumulator shranjuje energijo, ko so jo  proizvedli solarni moduli za èas, ko sonèno sevanje ne zadošèa za potrebe delovanje sistema. Porabniki so elektriène naprave, ki delujejo v solarnem sistemu in se uporabljajo v povezavi z razsmernikom (pretvornikom), ki pretvarja enosmerno napetost akumulatorja v izmenièno. Z njegovo pomoèjo lahko uporabljamo obièajne elektriène naprave, ki delujejo na omrežno napetost.

Regulator  povezuje solarne module, akumulator pa porabnike, kot je prikazano na sliki št.2, obenem pa tudi šèiti akumulator pred prenapolnjenjem in prevelikim izpraznjenjem. Zaradi nizkih napetostih teèejo v solarnih sistemih veliko veèji tokovi kot v obièajnih 220 V instalacijah.

 

3. GLAVNE KOMPONENTE  FOTOVOLTAIÈNEGA  SOLARNEGA SISTEMA

3.1. Solarni moduli

Solarni modul je sestavljen iz sonènih 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 veè vrst sonènih celic. Celice, kjer je èelna in osnovna plošèa iz istega polprevodniškega  materiala  npr. silicija, so homogene sonène celice. Poznane so še heterogene sonène celice in kovinske sonène celice, kjer je èelna plošèa 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 (èrne 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 sonèno sevanje, debelina plasti na steklu je le nekaj milimetrov, kar tanko plastne celice temno rjave barve zelo poceni.

Na  elektriène 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 svinèenim akumulatorjem napetost polnjenja 13 V. Èe 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, èe uporabimo monokristalne celice. V  primeru uporabe amorfnih solarnih celic potrebujemo za napolnitev 12 V akumulatorja najmanj 25 celic.

Elektriène  karakteristike solarnega modula  zavisijo od:

·        površine solarnih celic, saj  je elektrièni tok odvisen od velikosti           površine celic.

·        tehnologije izdelave celic (monokristalne   proizvajajo  veèji tok kot           polikristalne, amorfne pa polovico manj kot monokristalne),

·        toplotne moèi  sonènega sevanja  (z veèanjem intenzitete sonènega           sevanja se veèa tudi  izhodni elektrièni 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  sonènega sevanja (pri siliciju znaša 1,15mm).           Sevanje z veèjo valovno dolžino od mejne povzroèa le segrevanje           solarne celice, pri manjših valovnih dolžinah od mejne pa se pojavlja           višek fotonov, ki prav tako povzroèa segrevanje celice, ne pa           proizvodnje elektriènega toka.  Zgornja meja pretvorbe sonènega           sevanja s silicijevimi celicami je približno 23 %. Z uporabo veè slojnih           celic je možno doseèi izkoristek  pretvorbe že preko  30 %, kar  pa           je zaenkrat  doseženo le v raziskovalnih laboratorijih,

·         oblike celic, ki naj bo takšna, da je vpliv delnega zasenèenja            majhen.

V primeru, da imamo vgrajene takšne module, da lahko spreminjamo naklonski kot modula in ga obraèamo proti soncu, je takšna izvedba zelo draga. Èe pa dodatno uporabljamo zrcala in zbiralne leèe, ki poveèujejo intenziteta  sonènega sevanja preko 1000 W/m², je slabost takšnega naèina, 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, vroèina, toèa, slana, morski zrak) in  imajo  "poèasno staranje" , kar pomeni, da znaša garantirana moè po petih letih  še vedno 90 % zaèetne moèi.

3.2. Regulatorji

Solarni polnilni regulator je osrednji del elektriène solarne naprave in ima nalogo regulirati polnjenje akumulatorjev iz solarnih celic, prepreèuje povratni tok, signalizira stanje akumulatorja. Stroški vloženi v nakup akumulatorja so  smiselni, èe akumulatorju zagotovimo  polno življenjsko dobo, zato je primerno, da izvedemo   ustrezno zašèito  pred prenapolnjenjem  in prevelikim izpraznjenjem .

Zašèita akumulatorja  je izvedena na naèin, da regulator polnjenja odklopi sonène celice od akumulatorja, ko je dosežena maksimalna dopustna napetost in se s  tem prepreèi škodljiva

prenapolnitev. V  primeru, ko   se akumulator prazni in napetost akumulatorja pade pod dovoljeno spodnjo mejo, regulator   izkljuèi vse porabnike in s tem zašèiti 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 zašèite zakasnjeno. Ko napetost po razbremenitvi in ponovnem napolnjenju naraste, se porabniki spet vkljuèijo.

Glede na izvedbo  regulatorje delimo linearne in stikalne.

Linearni ali enostopenjski regulatorji pa so lahko:

·        serijski  -  izklopijo  polnjenje, ko je dosežena konèna  polnilna          napetost,

·        paralelni - uporabljamo jih  pri majhnih solarnih sistemih, kjer so          polnilni tokovi iz modulov manjši kot 20 A. Regulacijski del je          sestavljen iz moènostnega tranzistorja, ki je vzporedno vezan z          akumulatorjem. Pri slabši osvetljnosti (ponoèi) zaporna dioda          prepreèi povratni tok iz akumulatorja v modul. Sam naèin regulacije          povzroèa veliko oddajanje toplote, zato je potrebno poskrbeti za          hlajenje in odvajanje toplote.

Stikalni regulatorji delujejo na principu, da izkljuèijo doloèeno vejo polja solarnih modulov, ko polnilni tok naraste èez doloèeno vrednost. Uporabljajo se v veèjih sistemih, moduli so izkljuèeni toliko èasa, dokler polnilni tok zopet ne pade.

Novejši polnilni regulatorji imajo vgrajena že integrirana vezja, izdelana posebej za solarno tehniko. Regulatorje  je možno prikljuèiti  na raèunalnik, delovanje in možne napaka pa spremljati na prikazovalniku. Regulatorji imajo vgrajeno tudi zašèito pred velikimi tokovi, napetostmi in temperaturami, napaèno polariteto, kratkim stikom in dinamièno zašèito 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 fotovoltaiènih  sistemih uporabljamo  akumulatorje za shranjevanje med dnevom pridobljene elektriène energije za kasnejšo rabo. Akumulator deluje v dveh režimih in sicer:

·        plitva praznjenja v sonènih dneh,

·        globoka praznjenja med obdobji slabšega vremena in pozimi.

Uporabljamo takšne akumulatorje, ki jih lahko polnimo in praznimo.  V  ta namen uporabljamo  svinèeno – kislinske in nikelj – kadmijeve. Zahteve, ki jih mora izpolnjevati solarni akumulator so:

·        dolga življenjska doba,

·        vzdržljivost in veèkratno  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.

Znaèilnosti svinèenih 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 ,èe pustimo celico dalj èasa izpraznjeno.          Sulfatizacija se  lahko pojavi  tudi v primeru,  èe ima  elektrolit          preveliko koncentracijo  ali tudi, èe znaša stalna delovna          temperatura nad 45 °C.

·         èe   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 naèin          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 zmrzišèe že pri - 20 °C.

3.4. Elektrièna instalacija v  fotovoltaiènih solarnih sistemih

Zaradi nizkih napetosti (12 do 14 V) teèejo v sistemih veliko veèji tokovi, zato je so potrebni za solarne sisteme  veèji preseki elektriènih vodnikov, kot to velja za enako moè pri napetosti 220 V.  Prav tako je pomembna polariteta prikljuèkov.V praksi se uporabljajo kabli z veè 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) doloèimo tako da:

·        se preveè ne segrevajo in  ne pride do vžiga,

·        ne povzroèijo prevelike izgube napetosti,

·        nimajo prevelike upornosti, kajti obièajna instalacijska varovalka          mora ob kratkem stiku hitro pregoreti (pri izraèunanem 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 prikljuèku akumulatorja,

·        pravilna namestitev akumulatorja (temperatura od 0 do 30°C,          zraènost, prepreèen dostop otrokom),

·        vtiènice in vtièi morajo biti takšne izvedbe, da jih ne moremo          zamenjati z vtiènicami za 220 V  napetost,

·        ozemljitev ali povezava s strelovodno napeljavo.

3.5. Merilni sistemi v  fotovoltaiènih solarnih  sistemih

Da dobimo podatke o delovanju solarnega sistema, med regulator in akumulator vežemo ampermeter in voltmeter. Ampermeter podnevi kaže tok, ki teèe iz solarnih modulov v akumulator, zveèer pa kaže tok porabnikov (v primeru istoèasnega polnjenja in porabe pa kaže razliko toka, ki teèe v akumulator in iz njega).

Iz prikazane napetosti, ki jo kaže voltmeter, lahko ocenimo napolnjenost  akumulatorja.

4. MOŽNOSTI UPORABE FOTOVOLTAIÈNIH  SISTEMOV

Kjer iz kakršnih razlogov nimamo možnosti za oskrbo z elektrièno energijo iz javnega  elektriènega omrežja, bodisi da gre za objekte ali vozila (navtika, cestne avto hiše)   lahko postavimo manjše fotovoltaiène  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 letališèih in pristanišèih ter podobno. Z enostavnimi sistemi pa lahko poskrbimo na primer za razsvetljavo vikendov, vrtnih lop ter kot dodaten vir elektriène energije na  osamljenih objektih v hribih oziroma  na odroèni lokacijah.

Za potrebe gospodinjstva so najzanimivejši manjši sistemi, (svetilke, èrpalke za èrpanje vode ali centralno kurjavo, hladilnik, TV). Porabnike  je možno prikljuèiti direktno (preko regulatorja), èe gre za izvedbe z 12 V napajanjem, ali  pa preko razsmernika (pretvornika), èe gre za porabnike, ki so prikljuèeni na izmenièno omrežno napetost.

Veèji sistemi so lahko povezani tudi z elektriènim omrežjem, kamor bi lahko  oddali  višek elektriène energije. Shema sistema povezanega z elektriènim omrežjem je prikazana na sliki št.4.

Vir: www.pvresources.com / copyright Helios Technology 

Na regulator lahko prikljuèimo  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 odloèamo za fotovoltaiène  solarne  module, je pomembno, da izberemo primerno lokacijo ( streha, zid, tla) ter da je solarni modul èimbolj izpostavljena sonènim žarkom.

Pred nakupom fotovoltaiènega sistema  moramo tudi vedeti, kakšni porabniki bodo nanj prikljuèeni, zato moramo izraèunati potrebno prikljuèno moè porabnikov, doloèiti režim porabe (celodnevno, samo zveèer, ob vikendih).

Za praktièni 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  izraèunamo in doloèimo:

·        moè porabnikov (svetilke, radio, èrpalka, 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 moèi T_max = 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 fotovoltaiènega solarnega sistema skupno s akumulatorjem in regulatorjem znaša približno150.000 do  200.000 SIT.

5. PRIHODNOST FOTOVOLTAIÈNIH SISTEMOV

V prihodnosti  se prièakuje,  da bodo fotovoltaièni sistemi postali  eni od stebrov obnovljivih virov energije, èeprav bomo še nekaj èasa odvisni od zemeljskega plina, olja, premoga in jedrske energije. Pri vkljuèitvi v velika omrežja je fotovoltaika še daleè od gospodarnosti. Drugaèe je pri malih naseljih, ki se razvijajo v  mesta. Veè kot dve milijardi ljudi  ni prikljuèeno na  elektrièna omrežja. V prihodnosti se zato predvideva, da oskrbo z elektrièno energijo, lahko tem ljudem omogoèijo le obnovljivi viri, ki bodo znatno cenejši  kot prikljuèitev na  že instalirana  omrežja. V zadnjih dveh do treh  letih so se modulski sistemi razširili po celem svetu, skupna instalirana moè  je znašala približno 150  MW.

Zadnje raziskave uglednih institucij  kažejo,   da bo po letu 2010  letno povpraševanje po  fotovoltiènih sistemih med 1500 in 2000 MW. Raèuna se, da bo letni tržni delež okoli 22 %, kar je razvidni iz slike 5.

 

Tudi  Evropa noèe zaostajati, saj je Evropska skupnost  v Beli knjigi zapisala še višje stopnje rasti. Do leta 2010  se naèrtuje instaliran uèinek 3000 MW, kar  znaša 30 % letno rast. Da bo to možno doseèi, so bodo morali stroški izdelave sonèni 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 sodelujoèih 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.