VRHOVI KOPAONIKA

Princip rada

Prema kvantnoj fizici svetlost ima dvojni karakter. Svetlost je i čestica i talas. Čestice svetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su čestice bez mase i kreću se brzinom svetlosti. Energijafotona zavisi o njegovoj talasnoj dužini odnosno o frekvenciji. Energiju fotona možemo izračunati Ajnštajnovim zakonom koji glasi:

gde je:

 - Energija fotona

 - Plankova konstanta, iznosi ×

 - Frekvencija fotona

U metalima i uopšte u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno kretati. Da bi od valentnog elektrona nastao slobodni, on mora dobiti energiju koja je veća ili jednaka energiji vezanja. Energija vezanja predstavlja energiju kojom je elektron vezan za atom u nekoj od atomskih veza. U slučaju fotoelektričnog efekta elektron potrebnu energiju dobiva od sudara sa fotonom. Deo energije fotona troši se da bi se elektron oslobodio od uticaja atoma za koji je vezan, a preostali deo energije pretvara se u kinetičku energiju, sada već slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobiveni fotoelektričnim efektom nazivaju se još i fotoelektroni. Energija koja je potrebna da se valentni elektron oslobodi uticaja atoma naziva se rad izlaza  i zavisi o vrsti materijala u kojem se dogodiofotoelektrični efekt. Jednačina koja opisuje ovaj proces glasi:

gde je:

 - Energija fotona

 - Rad izlaza

 - Kinetička energija emitiranog elektrona

Iz gornje jednačine vidljivo je da se elektron neće moći osloboditi ako je energija fotona manja od rada izlaza.

Proces konverzije je zasnovan na fotoelektričnom efektu kojeg je otkrio Hajnrih Rudolf Herc 1887. godine, a prvi ga objasnio Albert Ajnštajn 1905., za šta je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu.

Fotoelektrična konverzija u PN spoju

Da bi dobili električnu energiju fotoelektričnim efektom trebamo imati usmereno kretanje fotoelektrona, odnosno struju. Sve naelektrisane čestice, a tako i fotoelektroni kreću se usmjereno pod uticajem električnog polja.Električno polje koje je ugrađeno u sam materijal nalazi se u poluprovodnicima i to u osiromašenom područjuPN spoja (diode). Za poluprovodnike treba naglasiti da uz slobodne elektrone u njima postoje i šupljine kao nosioci naboja koje su svojevrstan nusprodukt pri nastanku slobodnih elektrona. Šupljina nastaje svaki put kada od valentnog elektrona nastane slobodni elektron i taj proces naziva se generacija, dok se obrnuti proces, kada slobodni elektron popuni prazno mjesto - šupljinu, zove rekombinacija. Ako parovi elektron-šupljina nastanu daleko od osiromašenog područja moguće je da rekombiniraju, prije nego što ih razdvoji električno polje. Parovi koji nastanu uz osiromašeno područje ili u njemu bivaju privučeni, i to šupljine prema P strani poluprovodnika, te elektroni prema N strani poluprovodnika. Zbog toga se fotoelektroni i šupljine u poluprovodniku, nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj način stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sistem spojimo potrošač, poteći će struja i dobiti ćemo električnu energiju.

Na ovakav način sunčane ćelije proizvode napon oko 0.5-0.7 V uz gustonu struje od oko nekoliko desetaka mA/cm² zavisno od snage sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja.

Korisnost fotonaponske solarne ćelije definiše se kao odnos električne snage koju daje FN solarna ćelija i snage sunčevog zračenja. Matematički se to može formulirati relacijom:

gde je:

P_el - Izlazna električna snaga

P_sol - Snaga zračenja (najčešće Sunčevog)

U - Efektivna vrednost izlaznog napona

I - Efektivna vrednost izlazne struje

E - Specifična snaga zračenja (npr. u W/m²)

A - Površina

Korisnost FN solarnih ćelija kreće se od svega nekoliko postotaka do četrdesetak posto. Ostala energija koja se ne pretvori u električnu uglavnom se pretvara u toplotnu i na taj način greje ćeliju. Uopšte porast temperature solarne ćelije utiče na smanjene korisnosti FN ćelije.

Karakteristike pojedinih ćelija

PV ćelije iz silicijuma se izvode u više morfoloških oblika, kao monokristalne, polikristalne i amorfne.

• Monokristalne Si ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m² sunčevog zračenja u 140 W električne energije s površinom ćelija od 1 m². Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluprovodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastopljenog silicijuma i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskoristivosti.

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

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

• Galijum arsenidne (GaAs) ćelije: galijum arsenid je poluprovodnik napravljen iz mešavine galijuma i arsena. Pogodan je za upotrebu u višeslojnim i visoko učinkovitim ćelijama. Širina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne ćelije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbovao sunčeve zrake. Relativno je neosetljiv na toplotu u upoređenju sa Si ćelijama. Zbog visoke cene koristi se u svemirskim programima i u sastavima s koncentrisanim zračenjem gde se štedi na ćelijama. Projekti koncentrisanog zračenja su još u fazi istraživanja. Galijum indijum fosfidna/galijum arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna ćelija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m² sunčevog zračenja u 300 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m².

• Kadmijum telurove (CdTe) ćelije: ovaj tip ćelije može pretvoriti 1000 W/m² sunčevog zračenja u 160 W električne energije sa površinom ćelija od 1 m² u laboratorijskim uslovima. Kadmijum telurid je jedinjenje elementa: metala kadmijuma i polumetala telura. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizičkih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Uprkos navedenim prednostima, zbog kadmijumove otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.

Povezivanje ćelija u veće celine

Povezivanje ćelija može biti izvedeno na dva načina:

1. Paralelno– paralelnim spajanjem dolazi do povećanja jačine struje s povećanjem površine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodič, analogno i za (-) vodiče.
2. Serijski – serijskim spajanjem dolazi do povećanja napona s povećanjem površine, izvodi se tako da se naizmjenično spajaju (+) i (-) pol ćelija u nizu.

Planiranje i prilagođavanje sastava

Jedan kvadratni metar fotonaponskih solarnih panela može proizvesti do 150 W bez održavanja snage do trideset godina. Oni će čak i raditi na difuzno svetlo kad su oblačni dani, ali sa manje izlazne snage. Napon proizveden fotonsponskim panelom ostaje približno isti bez obzira na vreme, ali jačina (A) i snaga (W) će varirati. Najvažniju varijablu koju treba imati na umu pri planiranju fotonaponskih solarnih instalacija je izlazna snaga, koje će uglavnom zavisiti o četiri faktora:

1. maksimalna snaga vašeg panela
2. intenzitet svetlosti
3. broj sati izloženosti suncu i
4. ugao izlaganja suncu

Rad pri intenzivnom dnevnom svetlu

Maksimalna snaga P_max panela izražava se u Wp, znači koliko vati (W) će panel proizvoditi u optimalnim uslovima, tj. u podne na direktnu sunčevu svetlost po hladnom vremenu. Maksimalni intenzitet sunca je 1,000 W/m². Sledeći faktori utiču na količinu sunca, a time i na produktivnost fotonaponskih panela:

1. Vremenski uslovi (oblaci, magla i sl.)
2. Kako je sunce visoko na nebu
3. Broj sunčanih dana

Prvi faktor se često pomalo olako shvaća, 50 W panela bi trebao proizvesti 50 W za svaki sat od sunca 1,000 W / m². Paneli će proizvesti oko pola tog iznosa (25 vata svaki sat) kada su izloženi do 1/2 svetla (500 W / m²). Difuzno svetlo koje prolazi kroz tanke oblake moglo bi davati oko 300 W / m². U vrlo lošim vremenskim uslovima s debelim, tamnim oblacima, intenzitet svetlosti mogao bi pasti na 100 W / m² i proizvesti samo 5 W po satu.

Drugi faktor, visina sunca iznad horizonta varira od godišnjeg doba. Kada je sunce vrlo visoko u nebo (leto), njegovi zraci putuju kroz atmosferu brže na kraće udaljenosti, nego kad je nisko na nebu (zimi). Sunčevi zraci su raspršene sve više i tim više postaju difuzni prilikom prolaska kroz maglu ili zagađenja. Mesto koje dobiva puno sunca u 9. mjesecu moglo bi biti zasenjeno od novembra do januara zbog prepreka (drveće, dimnjaci, krovova i sl.).

Treći faktor stvara najveći problem za one koji ne žive u blizini ekvatora, odnosno razlika u broju sunčanih sati između godišnjih doba.

Optimalno okretanje panela prema Suncu

Uvijek je najbolje da se paneli usmere prema jugu sa idealnim uglom nagiba zavisno od geografskog položaja i doba godine. Sunčevi zraci trebaju padati strmo na panel. Idealna situacija u Evropi je da imamo krov okrenut prema jugu s uglom između 40 i 60 stupnjeva, ili, još bolje, ravni krov ili površinu na kojem možemo panele podesiti po volji. Može se odstupati od ovih vrednosti ako je to neophodno ili iz estetskih razloga, da bi ih uklopili u postojeće arhitektonske strukture. Budućnost fotonaponskih sistema zavisiće će u velikoj meri o skladnoj integraciji panela u gradnji zgrada.

Solarne ćelije su poluprovodničke strukture koje konvertuju Sunčevo zračenje, u širokom talasnom opsegu, u električnu energiju. Sama solarna ćelija jeste sastavljena od većeg broja dioda, pn spojeva, koje rade u četvrtom kvadrantu I-V izlazne karakteristike. Fotonaponska konverzija generiše par elektron-šupljina pod dejstvom upadne svetlosti, energija fotona je dovoljna za prelazak elektrona iz valentne zone u provodnu. Solarne ćelije se mogu povezati redno, paralelno, ili kombinovano, sve zavisi od projektovane snage ćelije. Napon koji se dobija na izlazu zavisi od tipa ćelije i može biti 0.3-0.7V, uz gustinu struje od oko nekoliko desetina mA/cm² zavisno od snage sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja. Dakle, rade u direktnom režimu ali sa negativnim smerom struje,

 ...Solarni paneli su skup solarnih celija, koje kada se izloze svetlosti, na svojim krajevima daju odredjeni napon, najcesce 12V, 24V i 48V, koji se moze koristiti za punjenje akumulatorskih baterija i kasnije za namensku upotrebu. . U vecini slucajeva to je idealno a ponekad i jedino resenje za mesta i objekte gde je veoma tesko ili nemoguce obezbediti klasicnu elektricnu energiju.....Elektricna energija tako dobijena je u daljem toku eksploatacije potpuno besplatna, ne racunajuci zamenu akumulatora svakih nekoliko godina (kao kod automobila). Dodatna automatika u smislu kontrole punjenja i praznjenja, resava i taj problem obezbedjujuci maksimalan radni vek jednog akumulatora. Proizvode se sa naponom od 12V i 24V i snage od 2W do 280W. U zavisnosti od tehnologije izrade mogu biti od amorfnog silicijuma, monokristalni, polikristalni i dr. U dole navedenim primerima moze se steci bolja slika o potrebi uvodjenja sistema solarnog napajanja i nacinu koriscenja.

Kontroler punjenja je elektronski uredjaj kojim se regulise napon punjenja akumulatora. Kada napon dostigne 14,4V iskljucuje se punjenje, a kada usled potrosnje opadne na 13,4V opet ukljucuje punjenje. U slucaju velike potrosnje, kada napon akumulatora dodje do kriticne tacke od 10,5V (ispod koje bi doslo do nepovratne hemijske reakcije i do velikog smanjenja kapaciteta), uloga kontrolera je da iskljuci potrosace.

Pretvarac napona (invertor) je uredjaj koji 12V jednosmernog napona akumulatora pretvara u 220V naizmenicnog. Napon koji se dobija tom prilikom je ili kvadratnog oblika ili je modifikovana sinusoida. Svi dole ponudjeni pretvaraci su sa velikim stepenom zastite - od kratkog spoja, pogresnog prikljucenja, preopterecenja, pregrevanja i sa velikom stabilnoscu kod maksimalnog opterecenja.

Maksimalni izlazni napon individualne solarne ćelije iznosi oko 600-700mV, pa se ćelije serijski povezuju kako bi se dobio željeni napon. Najčešće se oko 36 ćelija serijski povezuje stvarajući module nominalnog napona od 12V.Snaga koju proizvodi jedna fotonaponska ćelija je relativno mala pa se u praksi više ćelija povezuju u grupu čime se formira fotonaponski modul. Prema projektovanoj snazi moduli se spajaju redno i/ili paralelno, čime se formira fotonaponski panel koji proizvodi struju, napon i snagu znatno većeg intenziteta, slika 4.

Slika 1. Solarna ćelija, modul, solarni panel

Kada se integrišu više panela dobija se polje PV modula ili solarna elektrana, slika 2. Danas se instaliraju solarne elektrane velikih snaga od 1MW pa čak 790MW(”Diablo Canyon”).

Slika 5. Polje solarnih panela

Energija Sunčevog zračenja koja dospe na Zemlju 10,000 puta je veća od energije potrebne da zadovolji potrebe čovečanstva, u periodu od jedne godine. Kada bi se posmatralo da na jednom kvadratnom metru dospe 100kWh godišnje, bilo bi potrebno prekriti površinu od 150x150km² da bi se dobila energija ekvivalentna potrošnji za godinu dana (podatak iz 2001god.). Danas se sve više počinje sa implementacijom solarnih elektrana u industrijske sisteme, čak i u onim zemljama u koje su bogate naftom. Čak je i država Vatikan instalirala 2400-2700 solarni panela na svojim krovovima, pri čemu će sprečiti emisiju CO₂ od 210t ili potrošnju 70t mazuta za samo dve nedelje eksploatacije. Da se o tome dosta razmišlja govori i podatak da Abu Dhabi planira da na krovovima grada instalira solarnu elektranu snage 500MW.

Kako solarna elektrana tako se danas sve više koriste solarni sistemi u domaćinstvima, trgovačkim molovima, ispitnim stanicama, itd. Tako se obezbeđuje delimična ili potpuna autonomnost napajanja. Čak se savremen dizajn objekata projektuje u skladu što veće eksploatacije Sunčeve energije (direktno ili indirektno). Na slici 3 dat je primer jednog domaćinstva u kome je instaliran sistem panela.

Slika 6. Blok šema solarnog modularnog sistema u domaćinstvu

Bitno je naglasiti da se konverzijom solarne energije u električnu dobija DC (jednosmerni) režim, pri čemu je za rad nekih uređaja u kući potrebno transformisati u AC (naizmenični). Kod ovakvih sistema razvila su se dva načina povezivanja:

1. Samostalni izvor energije ili ”off-grid”
2. Povezan izvor na distributivnu mrežu ili ”on-grid”

Off-grid sistem je pogodan za napajanje tamo gde je nemoguće ili jako teško dopremiti distributivni sistem. Mada kako on obezbeđuje potpunu samostalnost eksploatacije električne energije to je i eliminisano finansijsko opterećivanje korisnika (izuzev u vremenu otplate). Fotonaponski sistem puni baterijsku banku (redno ili paralelno povezani akumulatori) u toku dana a noću se iz nje crpi akumulirana energija. Danju je moguće i direktno povezivanje na potrošače. Dodatno snabdevanje može dati i priključeni generator kao opcioni izvor snage. Ovakav sistem je skuplji, bar za 30% jer baterijska banka dosta košta i njihov radni vek iznosi 5-15god (zavisi od načina eksploatacije). Na slici 4 vide se delovi sistema i njihova međusobna povezanost.

Slika 7 Off grid PV solarni sistem

„On-grid“ sistem je fotonaponski sistem povezan na distributivnu mrežu od koje se dopunjuje do potrebne snage ili se šalje višak proizvedene snage (npr. princip negativnog brojila: kada se šalje brojilo oduzima potrošenu energiju i tako smanjuje račun), slika 5. Obezbeđuju normalno snabdevanje električne energije nezavisno od doba dana, godišnjeg doba i klimatskih uslova. Ovakav sistem zahteva dodatne ugovore sa agencijom za distribuciju električne energije, i može u mnogome ubrzati period otplate celog fotonaponskog sistema.

Slika 8. On grid solarni sistem

Bitna razlika jeste neophodnost baterijske banke i dodatnog generatora čime se ukuna cena u mnogome smanjuje i vreme povraćaja novca skraćuje. Pored ovih pogodnosti, u mnogim zemljama postoje subvencije (Feed-in tariff-e u Srbiji u ) za domaćinstva koja žele da postave fotonaponske sisteme i na taj način rasterete energetski sistem zemlje. Takav način finansiranja daje vreme otplate od 5-12 godina zavisno od cene struje i instalirane snage. Postoje sistemi gde se kombinuju ova dva ali njihova cena je najveća (mada se malo brže otplaćuje nego li „off-grid“).

Za projektovanje ili kupovinu solarnih panela potrebno je poznavati energetske potrebe domaćinstva (ako je domaćinstvo u pitanju) na mesečnom planu za „on-grid“ sistem i/ili maksimalnu moguću zahtevanu snagu domaćinstva za „off-grid“ sistem. To se postiže popisom snage svih električnih uređaja i analizom njihove paralelne eksploatacije, na primer:

Pored toga bitno je poznavati i srednji broj ekvivalentnih sati u danu za dati mesec i datu geografsku lokaciju, ali razumevanje da je intenzitet zračenja najveći u podne ±3h, kao da i zavisi od klimatskih promena u toku dana. Za projektovanje „off-grid“ sistema uzima se najgori slučaj (zimski period) kako bi se obezbedlo stalno snabdevanje električnom energijom, dok za „on-grid“ sistem se uzima srednja vrednost za sve mesece (mada projektovanje solarnog naponskog sistema zavisi od zahteva potrošača). Ekvivalentne sate sijanja Sunca moguće je očitati sa solarnih karti.

Pored ekonomskog aspekta javlja se i ekološki aspekt koji postaje dominantan uslov za očuvanje ekosistema. Narušavanje prirode danas je postalo intenzivno tako da se pojava alternativnih izvora energije nameće kao rešenje globalnog problema. Emisija CO₂ povećava njegovu koncentraciju u atmosferi dok to dovodi do akumuliranja toplote i porasta srednje temperature planete (sprečava se odvođenje toplote u kosmos-efekat staklene bašte). Kao glavni uzročnici emisije ugljendioksida jesu sagorevači fosilnih goriva. Zelena energija a kao njen najveći izvor solarna enegija ublažavaju nastale posledice i obezbeđuju da se priroda sama obnovi. Solarna energija je čista energija, bez emisije štetnih gasova, i ispuštanja otpadnih voda. Zato se pri projektovanju solarnih elektrana pored snage i godišnje energije koju proizvede, uvek radi proračun u količini fosilnih goriva potrebnih za proizvodnju iste električne energije i koliko se tona ugljendioksida time izbegne da se emituje u atmosferu. Na slici 6. dat je primer koliko tona uglja je ekvivalentno proizvodnji energije za jedan modul snage 200W za specificiranu lokaciju na godinu dana. Dalje jedna solarna elektrana u Sevilji godišnje proizvede 23GWh električne energije čime je izbegnuto emitovanje 16,000t ugljendioksida.

Slika 7. Poređenje solarne energije i energije fosilnog goriva

Dakle, ako se nastavi sa izgradnjom solarnih elektrana i ulagnjem u implementaciju solarnih energetskih sistema u stambene objekte, može se otkloniti problem zagađenja životne sredine, poboljšati kvalitet života, umanjiti čovekova destrukcija prirode.

 Hm,isplativost sistema za teritoriju Srbije,primer: