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 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 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.