Download - Fotonaponski izvori električne energije
TEHNIČKI FAKULTET RIJEKA
Sveučilišni preddiplomski studij elektrotehnike
IZBORNI PROJEKT – ELEKTROENERGETSKE MREŽE
FOTONAPONSKI IZVORI
ELEKTRIČNE ENERGIJE
Student
Daniel Glavić
Sadržaj
1. Uvod ......................................................................................................................................22. Sunčeva energija ....................................................................................................................33. Solarna fotonaponska energija ...............................................................................................6
3.1. Solarne ćelije............................................................................................................73.1.1. Povjest solarnih ćelija ..............................................................................83.1.2. Građa solarnih ćelija ................................................................................93.1.3. Princip rada solarnih ćelija .....................................................................103.1.4. Korisnost solarnih ćelija .........................................................................123.1.5. Karakteristike pojedinih ćelija ................................................................123.1.6. Od ćelije do modula ................................................................................153.1.7. Planiranje i prilagodba sustava ...............................................................16
3.1.7.1. Maksimalna snaga modula ......................................................173.1.7.2. Intezitet Sunčeve svjetlosti ......................................................173.1.7.3. Kut izlaganja Suncu .................................................................18
3.2. Regulatori napona (DC kontroleri) .......................................................................193.2.1. Princip rada ............................................................................................19
3.3. DC/AC pretvarači (inverteri, izmjenjivači) ...........................................................22
3.3.1. Princip rada autonomnih izmjenjivača ...................................................233.3.2. Autonomni izmjenjivači s utisnutim naponom ......................................243.3.3. Sinusna modulacija širine impulsa .........................................................25
3.3.3.1. Bipolarna PWM modulacija ....................................................25 3.4. Solarne baterije .....................................................................................................27
3.5. Prednosti i nedostaci korištenja fotonaponskih sustava ........................................29
3.6. Vrste fotonaponskih sustava ..................................................................................30
3.6.1. Samostalni (autonomni) fotonaponski sustavi ........................................31
3.6.1.1. Hibridni fotonaponski sustavi ..................................................33
3.6.2. Fotonaponski sustavi spojeni na mrežu ......................................35
4. Primjeri velikih fotonaponskih sustava ................................................................................38
5. Tehničke značajke pojedinih komponenata fotonaponskog sustava ....................................40
5.1. Fotonaponskli modul snage 50 W .........................................................................40
5.2. Regulator napona ...................................................................................................41
5.3. Inverter ..................................................................................................................41
5.4. Solarna baterija ......................................................................................................42
6. Zaključak ..............................................................................................................................43
1
1. UVOD
Solarna energija je najtrajniji stalni izvor energije na zemlji. Godišnja solarna radijacija koja
pada na Zemlju je oko 3 400 000 EJ (E - exa), što je ogroman količina, višestruko veća od
svih predviđenih neobnovljivih izvora. A ipak se u svijet 80% energije dobiva iz fosilnih
goriva. Sa njihovom upotrebom je povezano mnogo rizika i nedostataka: od infrastrukture od
zagađivanja, a da ne govorimo o ekonomskim i političkim krizama prouzrokovanim
nedostatkom tih energenata. Stoga je stav nacionalnih i internacionalnih institucija i
organizacija, a i mišljenje svijetske javnosti da treba sve više iskorištavati prihvatljivije izvore
energije kao što je sunčeva energija. Europska Unija je objavila plan kako će se do 2020.
godine 20% svoje energije dobivati iz obnovljivih izvora. Njemačka agencija WBGU iznijela
je analize o potrebama i potencijalu razvitka potrošnje energije. Vidljivo je da će snaga Sunca
u budućnosti imati veliki doprinos u ukupnoj potrošnji. To je moguće uz veliki napredak
znanosti i tehnologije zadnjih desetljeća i uz daljnja istraživanja. Do 2100. godine nafta, plin,
ugljen i atomska energija činiti će 15% svijetske potrošnje dok će fotonaponska i toplinska
pretvorba sunčeve energije činiti oko 70%. Da bi se te dugoročne analize pokazale točnima
potrebno je provoditi energetski efikasnu i intenzivnu politiku koja će doprinijeti da se
obnovljivi izvori energije sve više koriste.
2
Slika 1.1. Procjena kako će se mijenjati potrošnja energenata
2. Sunčeva energija
Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive
energije na Zemlji. Sunčeva energija potječe od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje
temperatura doseže 15 milijuna °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodikovih atoma
nastaje helij, uz oslobađanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helij
prelazi oko 600 milijuna tona vodika, pri čemu se masa od nekih 4 milijuna tona vodika
pretvori u energiju. Ova se energija u vidu svjetlosti i topline širi u svemir pa tako jedan
njezin mali dio dolazi i do Zemlje.
Sunčeva energija u užem smislu podrazumijeva količinu energije koja je prenesena Sunčevim
zračenjem, a izražava se u J. Sunčeva se energija u svojem izvornom obliku najčešće koristi
za pretvorbu u toplinsku energiju za sustave pripreme potrošne tople vode i grijanja (u
europskim zemljama uglavnom kao dodatni energent ) te u solarnim elektranama, dok se za
pretvorbu u električnu energiju koriste fotonaponski sustavi.
Sunčevo zračenje je kratkovalno zračenje koje Zemlja dobiva od Sunca. Izražava se u W/m2,
a ovisno o njegovom upadu na plohe Zemlje može biti:
- neposredno: zračenje Sunčevih zraka
- difuzno zračenje neba: raspršeno zračenje cijelog neba zbog pojava u atmosferi
- difuzno zračenje obzorja: dio difuznog zračenja koji zrači obzorje
- okosunčevo difuzno (cirkumsolarno) zračenje: difuzno zračenje bliže okolice Sunčevog
diska koji se vidi sa Zemlje
- odbijeno zračenje: zračenje koje se odbija od okolice i pada na promatranu plohu
3
Slika 2.1. Sunčevo zračenje
Od ukupno 3,8×1026 W energije koju Sunce zrači u svemir, Zemlja primi 1,7×1017 W (174
PW). Oko 30% primljene energije Zemlja reflektira natrag u svemir, oko 47% zadrži kao
toplinu, oko 23% ide na proces kruženja vode u prirodi dok se ostatak „potroši“ na
fotosintezu.
Zemlja od Sunca godišnje dobiva oko 4×1024 J energije što je nekoliko tisuća puta više nego
što iznosi ukupna godišnja potrošnja energije iz svih primarnih izvora.
4
Slika 2.2. Usporedba fosilnih goriva na zemlji sa raspoloživom energijom sunca na godinu
Prosječna jakost Sunčevog zračenja koje pada na Zemlju iznosi oko 1367 W/m2 (tzv. Solarna
konstanta).
U Hrvatskoj je prosječna godišnja insolacija 1425 kWh/m2, dok je prosječna vrijednost
dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4,5 kWh/m2.
Slika 2.3. Insolacijska karta RH
3. Solarna fotonaponska energija
Fotonaponski sustavi predstavljaju integriran skup fotonaponskih (FN) modula i ostalih
komponenata, projektiran tako da primarnu Sunčevu energiju izravno pretvara u konačnu
5
električnu energiju kojom se osigurava rad određenog broja istosmjernih ili izmjeničnih
trošila, samostalno ili zajedno s pričuvnim izvorom.
Glavne komponente koje čine fotonaponski sustav su:
1. fotonaponski moduli (ćelije)
2. regulatori napona (DC kontroleri)
3. DC/AC pretvarači (inverteri-izmjenjivači)
4. akumulatori
Slika 3.1. Slikovni prikaz fotonaponskog sustava
3.1. Solarne ćelije
6
U fizici fotonaponska pretvorba energije poznata je pod nazivom fotoelektrični efekt. Uređaji
u kojima se odvija fotonaponska pretvorba energije zovu se solarne ćelije.
Slika 3.2. Slikovni prikaz solarne ćelije
Fotonaponska solarna ćelija je poluvodički uređaj u kojem se odvija direktna pretvorba
energije sunčevog zračenja u električnu energiju, izrađen najčešće iz silicijske legure ili nekog
drugog poluvodiča.
7
3.1.1. Povijest solarnih ćelija
Razvoj solarnih ćelija počeo je 1839. Istraživanjima francuskog fizičara Becquerela. On je
primijetio fotonaponski efekt dok je eksperimentirao sa elektrodama u otopini elektrolita kad
se stvorio napon prilikom izlaganja elektroda svijetlu.
Fotonaponski efekt je prvo proučavan na materijalima kao što je Selen ( Hertz, 1870.). Selen
je ubrzo usvojen u fotografiji za mjerenje jačine svijetlosti.
Prvom originalnom solarnom ćelijom smatra se ona izrađena 1883. god. (Fritts) od selena kao
poluvodiča s vrlo tankim slojem zlata. Ove rane ćelije imale su učinkovitost pretvorbe
energije manju od 1%.
Značajni pomak je ostvaren razvojem silicijskih solarnih ćelija (Ohl, 1941.) .
Trinaest godina kasnije tri američka istraživača demonstrirala su silicijsku solarnu ćeliju
sposobnu za 6 %-tnu pretvorbu energije iz sunca. Pearson, Fuller i Chapin konstruirali su
uređaj od nekoliko pločica silicija (svaka veličina žileta).
Najveći korak prema komercijalizaciji solarnih ćelija poduzet je pedesetih godina prošlog
stoljeća u Bell laboratorijima u New Yorku kad je razvijen Czochralskijv proces za
proizvodnju monokristalnog silicija visoke čistoće.
Javno korištenje Bellove solarne ćelije započelo je u listopadu 1955.
Od 1958. ugrađivanje u komercijalne aplikacije (za svemirski program, napajanje SAD
satelita).
8
3.1.2. Građa solarnih ćelija
Solana ćelija je PN-spoj (poluvodička dioda). Poluvodička dioda je građena od N i P
poluvodiča. Pritom je jedan od poluvodiča vrlo tanak i na njega upada sunčeva svijetlost.
Slika 3.3. Prikaz fizikalne građe solarne ćelije
U silicijskoj fotonaponskoj ćeliji na površini pločice P-tipa silicija difundirane su primjese,
npr. Fosfor, tako da na tankom površinskom sloju nastane područje N-tipa poluvodiča. Da bi
se skupili naboji nastali apsorpcijom fotona iz sunčeva zračenja, na prednjoj površini se nalazi
metalna rešetka, a stražnja strana je prekrivena metalnim kontaktom. Rešetkasti kontakt na
prednjoj strani načinjen je tako da ne prekrije više od 5% površine, te on gotovo i ne utječe na
apsorpciju sunčeva zračenja. Prednja površina ćelije moče biti prekrivena i prozirnim
antirefleksnim slojem koji smanjuje refleksiju sunčeve svijetlosti i tako povećava
djelotvornost ćelije.
9
3.1.3. Princip rada solarnih ćelija
Prema kvantnoj fizici svjetlost ima dvojni karakter. Svjetlost je i čestica i val. Čestice
svjetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su čestice bez mase i gibaju se brzinom svjetlosti.
Energija fotona ovisi o njegovoj valnoj duljini odnosno o frekvenciji. Energiju fotona
možemo izračunati Einsteinovim zakonom koji glasi:
gdje je:
E - Energija fotona
h - Planckova konstanta, iznosi h = 6.626×10 − 34Js
- Frekvencija fotona
U metalima i općenito u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni
elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno gibati. 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. Dio energije fotona troši se da bi se elektron oslobodio od utjecaja atoma za koji
je vezan, a preostali dio 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 utjecaja atoma naziva se rad izlaza
Wi, i ovisi o vrsti materijala u kojem se dogodio fotoelektrični efekt. Jednadžba koja opisuje
ovaj proces glasi:
gdje je:
- Energija fotona
Wi, - Rad izlaza
10
Ekin - Kinetička energija emitiranog elektrona
Iz gornje jednadžbe 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 Heinrich Rudolf
Hertz 1887. g., a prvi ga objasnio Albert Einstein 1905. za što je 1921. g. dobio Nobelovu
nagradu.
Slika 3.4. Fotoelektrična konverzija u PN spoju
Da bi dobili električnu energiju fotoelektričnim efektom trebamo imati usmjereno gibanje
fotoelektrona, odnosno struju. Sve nabijene čestice, a tako i fotoelektroni gibaju se usmjereno
pod utjecajem električnog polja. Električno polje koje je ugrađeno u sam materijal nalazi se u
poluvodičima i to u osiromašenom području PN spoja (diode). Za poluvodiče 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 poluvodiča, te elektroni prema N strani
poluvodiča. Zbog toga se fotoelektroni i šupljine u poluvodičima, nagomilavaju na suprotnim
11
krajevima i na taj način stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sustav spojimo trošilo,
poteći će struja i dobiti ćemo električnu energiju.
Na ovakav način sunčane ćelije proizvode napon oko 0.5-0.7 V uz gustoću struje od oko
nekoliko desetaka mA/cm2 ovisno o snazi sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja.
3.1.4. Korisnost solarnih ćelija
Korisnost fotonaponske solarne ćelije definira se kao omjer električne snage koju daje FN
solarna ćelija i snage sunčevog zračenja. Matematički se to može formulirati relacijom:
gdje je:
Pel - Izlazna električna snaga
Psol - Snaga zračenja (najčešće Sunčevog)
U - Efektivna vrijednost izlaznog napona
I - Efektivna vrijednost 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 toplinsku i na taj način
grije ćeliju. Općenito porast teperature solarne ćelije utječe na smanjene korisnosti FN ćelije.
3.1.5. Karakteristike pojedinih ćelija
FN ćelije iz silicija se izvode u više morfoloških oblika, kao monokristalne, polikristalne i
amorfne.
12
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 poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz
rastaljenog silicija 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 silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u
ploče. Tijekom 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 silicija stavi na staklo 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 cijenom materijala. Međutim
iskoristivost amorfnih ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno
se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element
fasade.
Galij arsenidne (GaAs) ćelije: galij arsenid je poluvodič napravljen iz mješavine galija 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 apsorbirao sunčeve zrake. Relativno je
neosjetljiv na toplinu u usporedbi sa Si ćelijama te na zračenja. Zbog visoke cijene koristi se u
svemirskim programima i u sustavima s koncentriranim zračenjem gdje se štedi na ćelijama.
Projekti koncentriranog zračenja su još u fazi istraživanja. Galij indijum fosfidna/galij 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.
Kadmij telurijeve (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 uvjetima. Kadmij
teleurid je spoj elementa: metala kadmija i polumetala telurija. Pogodan za upotrebu u tankim
13
PV modulima zbogo fizikalnih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Usprkos navedenim
prednostima zbog kadmijeve otrovnosti i sumnje na kancerogenost nije u širokoj upotrebi.
Novi materijali omogućuju iskorištavanje šireg spektra sunčevog zračenja
Efikasne fotonaponske ćelije koriste višestruke poluvodiće s fiksnim energetskim
šupljinama (npr. ćelija s trostrukim spojem GaInP/GaAs/Ge). Cilj je iskoristiti što veci dio
sunčevog spektra
Fotonaponske celije s višetrukim spojevima mogle bi imati stupanj djelovanja i do 50%.
Slika 3.5. Prikaz tipova solarnih ćelija te površine potrebne za
14
proizvodnju 1 kWh električne energije
Kod odabira samog proizvoda potrebno je voditi računa o tehničkim karakteristikama opreme:
Efikasnosti
Temperaturnoj osjetljivosti
Osjetljivosti na zasjenjenje
Degradaciji efikasnosti
Zauzeću površine m2/kW (neto panel, bruto ovisno o nagibu/zakretanju)
Garanciji za opremu (trajanje i sadržaj garancije, osiguranje garantnih uvjeta…)
Realnim cijenama s obzirom na mjesto isporuke, carinske troškove i sl.
Uvjetima plaćanja, rokovima isporuke
3.1.6. Od ćelije do modula
Fotonaponski sustavi su po prirodi modularni, od jedinica od nekoliko vata, preko
autonomnih sustava od nekoliko kW, do centraliziranih elektrana u megavatnom području.
Fotonaponski modul čini više elektricno povezanih ćelija u jednom kućištu zaštićenih od
atmosferskih utjecaja. Fotonaponski niz čine više modula (od dva do nekoliko tisuća) ovisno
o potrebnoj snazi.
15
Slika 3.6. Prikaz povezivanja ćelija
Pojedine ćelije se slažu u veće cjeline s ciljem osiguranja prikladnog napona i struje za
različite aplikacije.
Povezivanje ćelija može biti izvedeno na dva načina:
Paralelno– paralelnim spajanjem dolazi do povećanja jakosti struje s povećanjem
površine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodič, analogno i za (-)
vodiče.
Serijski – serijskim spajanjem dolazi do povećanja napona s povećanjem površine,
izvodi se tako da se naizmjenično spajaju (+) i (-) pol ćelija u nizu.
3.1.7. Planiranje i prilagodba sustava
Jedan kvadratni metar fotonaponskih solarnih ćelija može proizvesti do 150 W bez održavanja
snage do trideset godina. Oni će čak i raditi na difuzno svjetlo kad su oblačni dani, ali sa
manje izlazne snage. Napon proizveden fotonaponskim panelom ostaje približno isti bez
obzira na vrijeme, ali jakost i snaga će varirati.
Najvažniju varijablu koju treba imati na umu pri planiranju fotonaponskih solarnih instalacija
je izlazna snaga, koje će uglavnom ovisiti o četiri faktora:
1. maksimalna snaga modula (mjereno u peak-vatima ili Wp)
2. intenzitet svjetlosti
3. broj sati izloženosti suncu
4. kut izlaganja suncu
16
3.1.7.1. Maksimalna snaga modula
Rad pri intenzivnom dnevnom svjetlu Maksimalna snaga Pmax panela izražava se u Wp,
znači koliki broj vati (W) će panel proizvoditi u optimalnim uvjetima, tj. u podne na direktnu
sunčevu svjetlost po hladnom vremenu.
3.1.7.2. Intezitet Sunčeve svjetlosti
Sljedeći faktori će utjecati na količinu sunca, a koji utjeću na učinkovitost fotonaponskih
panela:
1. vremenski uvjeti (oblaci, magla i sl.)
2. kako je sunce visoko na nebu
3. broj sunčanih dana
Prvi faktor se 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 svjetla (500 W / m2). Difuzno svjetlo koje prolazi kroz tanke oblake moglo bi
davati oko 300W/m2. U vrlo lošim vremenskim uvjetima s debelim, tamnim oblacima,
intenzitet svjetlosti 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 (ljeto), njegove zrake putuju kroz atmosferu brže na kraće udaljenosti, nego
kad je nisko na nebu (zimi). Sunčeve zrake su raspršene sve više i tim više postaju difuzne
prilikom prolaska kroz maglu ili zagađenja. Mjesto koje dobiva puno sunca u 9. mjesecu
moglo bi biti zasjenjeno od studenog do siječnja zbog prepreka (drveće, dimnjaci, krovova i
sl.).
17
3.1.7.3. Kut izlaganja Suncu
Fotonaponski modul daje najviše snage kad je usmjeren tako da Sunčevo zračenje upada
okomito na njegovu površinu. To je moguće postići sustavima za praćenje gibanja Sunca, što
znatno poskupljuje investiciju, a uz to takvi sustavi zahtijevaju i dodatno održavanje.
U praksi se vrlo često FN moduli postavljaju u fiksan položaj tako da su usmjereni izravno na
jug (na sjevernoj polutci) i nagnuti pod optimalnim kutom u odnosu na horizontalu.
Optimalni kut nagiba ovisi o primjeni FN sustava: ako se želi tijekom godine proizvesti što je
moguće više električne energije (kao npr. kod fotonaponskih elektrana) tada se u pravilu kao
optimalan kut odabire onaj koji odgovara zemljopisnoj širini umanjenoj za 10°. S druge
strane, u slučaju kad je potrošnja sustava konstantna tijekom godine potrebno je sustav
optimizirati za rad tijekom zimskih mjeseci kad je najmanje raspoložive Sunčeve energije pa
se kao optimalan odabire kut koji je jednak zemljopisnoj širini uvećanoj za 10°. Ponekad je
praktično nagib modula mijenjati sezonski pa se tijekom zimskog perioda odabire veći, a
tijekom ljetnog manji kut nagiba.
18
3.2. Regulatori napona (DC kontroleri)
Svaki električni sustav s akumulatorom u kojemu su strujne i naponske značajke osnovnog
izvora promjenljive ovisno o radnim uvjetima, mora imati odgovarajući regulator napona. Taj
sklop regulira struju punjenja, štiti priključenje uređaje od prevelikog napona i struje a može
imati i pokazivač trenutnog stanja napunjenosti akumulatora.
Solarni regulatori DC napona pretvaraju promjenjljivi istosmjerni napon solarnih ćelija u
precizno kontrolirane napone kojima se puni i održava baterija te napajaju istosmjerna trošila.
Napon baterije automatski se podešava ovisno o tipu, stanju napunjenosti i temperaturi
baterije, dok se napon trošila održava konstantnim.
Slika 3.7. Regulator napona
3.2.1. Princip rada pretvarača
Izlazni napon se može teoretski mijenjati od 0 do ∞ (pretpostavka je da je vrijednost
kapaciteta C tako velika da je Vd = konstantno). Treba napomenuti da je izlazni napon
obrnuto polariziran ( + je na donjem kraju otpora R , a – je na gornjem kraju otpora).
19
3.8. Valni oblici napona i struje kroz induktivitet
Valni oblici napona i struje kroz induktivitet prikazana je na slici .
Faktor vođenja sklopke D je veličina koja definira odnos vremena vođenja sklope Tv i
perioda T, pa vrijedi:
D = Tv / T
gdje je:
D - faktor vođenja 0 ≤ D ≤ 1.
Rad uzlaznog pretvarača može se objasniti na slijedeći način.
20
Dok je sklopka S zatvorena (vrijeme DT ) iz izvora teče struja iB , prolazi kroz sklopku S i
induktivitet L .Napon na induktivitetu jednak je ( VB ). Induktivitet L se ''nabija'' magnetskom
energijom. Struja kroz induktivitet L i linearno raste (vidi sliku ). Dioda D ne vodi struju jer je
zaporno polarizirana. Kondenzator C (koji je bio prethodno nabijen) se prazni i tjera struju i d
kroz trošilo R .
Dok je sklopka S otvorena (vrijeme (1−D)T ) dioda D otvara, struja induktiviteta L i se
zatvara kroz kapacitet, trošilo i diodu i počinje linearno padati (vidi sliku 86). Uzrok tome je
negativni napon na induktivitetu ( -Vd ). Magnetska energija induktiviteta L se ''izbija''.
Upravo pad struje kroz induktivitet izaziva negativni napon samoindukcije Vl = L (di / dt) , u
odnosu na referentni napon kojeg označava strelica, a koji nastaje radi toga što se induktivitet
opire smanjivanju struje. Kapacitet C se nabija na napon V l . Budući da je otpor R paralelno
spojen kapacitetu C , napon na otporu R jednak je naponu na kapacitetu C .
Transformatorske jednadžbe ovog pretvarača se mogu izvesti iz poznatog uvjeta
da srednja vrijednost napona na induktivitetu u periodu T mora uvijek biti jednaka nuli.
Iz slike 3.8. proizlazi:
VB DT = Vd (1-D)T
Uređivanjem gornje jednadžbe dobije se prva transformatorska jednadžba.
Vd / VB = D / (1-D)
Smanjivanjem faktora vođenja sklopke D ispod 0.5, izlazni napon Vd biti će manji od napona
napajanja VB. Povećavanjem D u granici 0.5 < D < 1, izlazni napon Vd biti će veći od napona
napajanja VB.
Strujna jednadžba dobiva se izjednačavanjem ulazne i izlazne snage:
21
Id / IB = (1-D) / D
3.3. DC/AC pretvarači (inverteri, izmjenjivači)
Funkcija izmjenjivača je da omogući prijenos električne energije iz fotonaponskih
modula u razdjelnu mrežu uz što je moguće veći faktor snage. Budući da je napon
fotonaponskih modula nevaloviti istosmjerni, a napon razdjelne mreže sinusni izmjenični,
između fotonaponskih modula i izmjenične mreže mora se nalaziti pretvarački sklop za
pretvorbu istosmjernog napona u izmjenični. Taj pretvarački skolop nužno mora sadržavati
odvojnu prigušnicu, jer trenutna snaga fotonaponskih fotonaponskih modula nije jednaka
trenutnoj snazi koju prima razdjelna mreža.
Slika 3.9. DC/AC pretvarač
Ukoliko izmjenjivač može proizvesti sinusni izmjenični izlaz promjenjive amplitude i
frekvencije nazivamo ga autonomnim izmjenjivačem jer za njegov rad ne treba izmjenična
pojna mreža. Izmjenjivači koji na ulazu imaju istosmjerni napon jesu izmjenjivači s utisnutim
naponom (engl. voltage source inverters, VSI) slika 6.1., a izmjenjivači koji na ulazu imaju
istosmjernu struju (izvor istosmjernog napona s prigušnicom spojenom u seriju) jesu
22
izmjenjivači s utisnutom strujom (engl. current source inverters, CSI) slika 6.2. Izmjenjivači s
utisnutom strujom upotrebljavaju se samo u izmjeničnim pogonima vrlo velikih snaga, tako
daje njihova primjena ograničena. U ovom radu razmatrat će se samo autonomni izmjenjivači
s utisnutim naponom.
Slika 3.10. Autonomni izmjenjivač s a) utisnutim naponom, b) s utisnutom strujom
3.3.1. Princip rada autonomnih izmjenjivača
Zbog jednostavnosti razmotrit će se sklopni režim rada izmjenjivača kojemu se izlazni napon
Ud filtrira i uzima da je sinusnog valnog oblika (slika 3.10.a)).
23
Slika 3.11. Jednofazni izmjenjivač a) blok shema, b) način rada, c) valni oblici izlaznog
napona i struje
Kako izmjenjivač napaja induktivno trošilo kao na slici 3.11.c) vidljivo je da su za
vrijeme intervala 1 u0 i i0 pozitivni, dok su za vrijeme intervala 3 negativni. Zato je za vrijeme
intervala 1 i 3, trenutni tok snage od istosmjerne prema izmjeničnoj strani što
odgovara izmjenjivačkom režimu rada. Za vrijeme intervala 2 i 4, trenutni tok snage je od
izmjenične strane prema istosmjernoj što odgovara ispravljačkom režimu rada. Zbog toga
izmjenjivač sa slike 3.11.a) mora moći raditi u sva 4 kvadranta i0 - u0 koordinatnog sustava za
vrijeme svake periode izmjeničnog izlaza (slika 3.11.b)).
3.3.2. Autonomni izmjenjivači s utisnutim naponom
Autonomni izmjenjivači s utisnutim naponom općenito se mogu svrstati u tri kategorije:
1. Izmjenjivači pravokutnoga izlaznog napona
U tim se izmjenjivačima s pomoću istosmjernog napona regulira veličina izlaznoga
izmjeničnog napona. Izmjenjivač može regulirati samo frekvenciju izlaznog napona. Valni
oblik izlaznoga izmjeničnog napona sličan je pravokutnome valnom obliku i zato se ovi
izmjenjivači nazivaju izmjenjivači pravokutnoga valnog oblika.
2. Izmjenjivači sa sinusnim izlaznim naponom
U tim izmjenjivačima ulazni istosmjerni napon je konstantne amplitude, gdje se za
ispravljanje mrežnog napona upotrebljava diodni ispravljač. Zato se izmjenjivaču mora
regulirati veličina i frekvencija izmjeničnoga izlaznog napona. To se ostvaruje sinusnom
modulacijom širine impulsa (PWM radom sklopki izmjenjivača) i zato se takvi izmjenjivači
24
nazivaju PWM (Pulse-width modulation) izmjenjivači. Sklopkama se upravlja tako da se na
izlazu postigne naponski oblik (osnovni harmonik) što bliže sinusnom
3. Izmjenjivači s kombiniranom modulacijom (kvazipravokutna modulacija)
U slučaju izmjenjivača s jednofaznim izlazom, moguće je reguliranje amplitude i frekvencije
izlaznog napona izmjenjivača i u slučajevima ako je na ulazu izmjenjivača konstantan
istosmjerni napon i sklopke izmjenjivača nisu širinski – impulsno modulirane (i zato je valni
oblik izlaznog napona sličan pravokutnome valnom obliku). Zato ovi izmjenjivači
kombiniraju karakteristike dvaju prethodnih izmjenjivača. Treba istaknuti da se tehnika
dokinuća napona može ostvariti samo s jednofaznim izmjenjivačima i ne može se ostvariti s
trofaznim izmjenjivačima.
Kako je za rad trošila potreban sinisni napon, pobliže ćemo opisati izmjenjivače sa sinisnim
izlaznim naponom.
3.3.3. Sinusna modulacija širine impulsa
Imamo dvije modulacije širine impulsa, bipolarnu i unipolarnu.
Razmotrit ćemo samo bipolarnu PWM modulaciju.
3.3.3.1. Bipolarna PWM modulacija
25
Slika 3.12. Bipolarna PWM modulacija: a) sinusni referentni signal i trokutni nosilac, valni
oblik izlaznog napona
Na slici 3.12. vidi se sinusni referentni signal i trokutni signal nosilac. Kada je trenutna
vrijednost sinusnog referentnog signala veća od trokutnog vala nosioca, izlazni napon je +ED,
a kada je referentni val manji od trokutnog nosioca, izlazni napon je jednak -ED:
za
za
Ova verzija PWM-a zove se bipolarna zbog toga što se izlaz mijenja između pozitivne i
negativne vrijednosti napona izvora napajanja.
Sklopni način rada koji ostvaruje bipolarno sklapanje i koji je primijenjen na mosni spoj
izmjenjivača određen je usporedbom trenutačnih vrijednosti referentne veličine i vala nosioca:
S1 i S4 su uklopljene kada je
S2 i S3 su uklopljene kada je
26
3.4. Solarne baterije
Baterije su spremišta neiskorištene energije koju solarni moduli proizvedu tijekom dana
(period punjenja). One su također izvori energije tijekom perioda kada moduli ne mogu
proizvoditi (period pražnjenja). Interval između jednog perioda punjenja i pražnjenja naziva
se ciklus, a takav način rada ciklički.
Ciklički način rada, neizbježan u solarnim sustavima, skraćuje životni vijek baterije. Zato je
najvažniji zahtjev na baterije u solarnim sustavima povećana izdržljivost u cikličkom režimu.
Drugi bitan zahtjev je što veći stupanj djelovanja, odnosno da je što manja razlika između
dobivene energije iz baterije tijekom pražnjenja i utrošene energije tijekom punjenja.
Baterije koje ispunjavaju ova dva uvjeta nose oznaku SOLAR i nazivaju se solarne baterije.
Zahtjevi za solarne baterije su:
Izdržljivost u cikličkom radu
Visok stupanj djelovanja ( > 85% )
Malo samopražnjenje ( < 3% mjesečno )
27
Slika 3.13. Dijagram vijeka trajanja, s obzirom na broj i postotak pražnjenja
automobilskih i solarnih baterija
Slika 3.14. Solarna baterija
28
3.5. Prednosti i nedostaci korištenja fotonaponskih sustava
Prednosti korištenja fotonaponskih sustava
Fotonaponska pretvorba je izravna – nema mehaničkih dijelova podložnih trošenju
(generator)
Modularan princip – moguce je u dopuštenim granicama na relativno brz i jednostavan
način dograđivati sustav radi povećanja snage
Korištenje i održavanje jednostavno - solarne ćelije nemaju pokretnih dijelova, nije
potrebna koncentracija sunčevog zračenja
Solarne ćelije iskorištavaju i izravno i raspršeno sunčevo zračenje
Mogu se instalirati na mjestu potrošnje električne energije – nije potrebna prijenosna
električna mreža
Veliki je omjer električne snage i mase modula – mogu se instalirati na krovove i
fasade
Nedostaci korištenja fotonaponskih sustava
Ne proizvode električnu energiju kontinuirano – potrebni su spremnici energije
(akumulatorski spremnici ili priključak na električnu mrežu)
Efikasnost pretvorbe je relativno niska (monokristalične ćelije do 22%, polikristalične
ćelije do 18%, ćelije od amorfnog silicija do 10%) – potrebne su relativno velike
površine
Visoka cijena – dugačak vijek povrata investicije (30-40 godina)
29
3.6. Vrste fotonaponskih sustava
Ovisno o načinu rada, postoje dvije vrste fotonaponskih sustava:
1. samostalni (autonomni), za čiji rad mreža nije potrebna
2. mrežni, spojeni na električnu mrežu
Slika 3.15. Tipovi fotonaponskih sustava
30
3.6.1. Samostalni (autonomni) fotonaponski sustavi
Autonomni fotonaponski sustavi se instaliraju tamo gdje nemamo mogućnosti priključka na
javnu elektroenergetsku mrežu ili tamo gdje to nije financijski poželjno. Veliki potencijal za
korištenje autonomnih FN sustava postoji kod zemalja u razvoju, gdje još uvijek postoje
golemi prostori na kojima nije razvijena elektroenergetska infrastruktura. Potencijal postoji i u
industrijaliziranim zemljama u vidu tehnoloških inovacija te smanjenja troškova proizvodnje.
Solarna energija je uznapredovala i u mini aplikacijama: džepnim kalkulatorima, satovima,
punjačima baterija, radio prijemnicima, itd.
Ostale tipične primjene autonomnih FN sustava:
Mobilni sustavi na autima, kamper kućicama, brodovima
Udaljene planinske kućice, vikendice i elektrifikacija ruralnih (izoliranih) naselja u
zemljama u razvoju
Telefoni za pomoć na cesti (SOS), urenajima za parkirne karte, prometnoj
signalizaciji, signalizaciji na hridima
Rasvjeta u vrtovima
Sustav vodenih crpki za navodnjavanje, ili za punjenje cisterne s pitkom vodom
Telekomunikacijski releji
31
Slika 3.16. Tipične primjene autonomnih FN sustava
Proizvedena energija obično nije potrebna u istom trenutku kada je i proizvedena (solarna
energija je dostupna tijekom dana, ali ipak rasvjetu u FN sustavima koristimo noću ), stoga
autonomni FN sustavi zahtijevaju i akumulator (baterija) koji služi kao spremnik električne
energije.
Kako bismo zaštitili akumulatore i postigli njihov duži životni vijek sustavu se mora
dodati prikladan regulator za kontrolirano punjenje i pražnjenje baterija.
Slijedi, tipični FN sustav se sastoji iz sljedećih komponenti:
1. FN modula
2. Regulatora punjenja
32
3. Baterije, ili serije baterija
4. Trošila
5. Izmjenjivača ( u sustavima koji omogućuju izmjenično napajanje )
Slika 3.17. Princip jednog autonomnog FN sustava namijenjenog samo za DC potrošače
Dodatkom istosmjerno-izmjeničnog pretvornika (izmjenjivača), autonomni sustavi mogu
zadovoljiti i sve vrste tipičnih mrežnih potrošača, kao što su perilice, hladnjaci, crpke,
hidrofori,
motori, televizori, radioaparati, računala, usisavači, mali kućni aparati i druga trošila.
3.6.1.1. Hibridni fotonaponski sustavi
Samostalni fotonaponski sustavi, posebice veći, često se povezuju s drugim alternativnim
(rezervnim) izvorima električne energije, kao što su vjetroturbina, hidrogenerator, ili pomoćni
33
plinski ili dizel agregat. Takva rješenja osiguravaju veću sigurnost i raspoloživost isporuke
električne energije, kao i znatno manje kapacitete akumulatora kao spremnika električne
energije. Kod rješenja koja koriste plinske i dizel agregate, fotonaponski sustav se
dimenzionira tako da se agregati koriste malo sati u godini, čime se štedi gorivo, smanjuju
troškovi održavanja i produžuje vijek trajanja.
Slika 3.18. Hibridni FN sustav
34
3.6.2. Fotonaponski sustavi spojeni na mrežu
Osnovne komponente mrežnog fotonaponskog sustava su:
1. FN polje (paralelan spoj nizova serijskih spojenih modula)
2. Spojna kutija (razdjelni ormarić modula, priključna kutija)
3. Vodiči za istosmjerno ožičenje
4. Glavni DC prekidač
5. Izmjenjivač
6. Vodiči za izmjenično ožičenje
7. Brojilo energije preuzete iz mreže, te brojilo energije predane mreži
3.19. Princip mrežnog fotonaponskog sustava
35
Slika 3.20. Mrežni FN sustav na krovu obiteljske kuće
Slika 3.21. Mrežni FN sustav snage 100kW postavljen kao barijera zvuka uz autocestu
36
U Njemačkoj su mrežni FN sustavi instalirani na krovove privatnih kuća, te bilježe rastući
trend instalacija na svim novo izgrađenim objektima (apartmanskim blokovima, školama,
poljoprivrednim i industrijskim granevinama ). Nadalje povećava se i primjena ostalih
struktura koje koriste FN sustave, kao npr. pregrade za smanjivanje buke na autocesti. Postoji
velika raznolikost dizajna i mogućnost integriranja FN sustava na zgrade.
Slika 3.22. Blok shema spajanja FN sustava na EEM
37
4. Primjeri velikih fotonaponskih sustava
Nellis Air Force Base, Nevada, USA
- 70 000 solarnih panela
- sustav za praćenje kretanja sunca
- 18 MW
- cijena el. en. 2,2 centa/kWh
- cijena iz mreže 9 centi/kWh
- ušteda 1 mil. $ godišnje
- cijena postrojenja 100 mil. $
Slika 4.1. fotonaponski sustav Nellis Air Force Base
Toledo PV
Tipičan primjer fotonaponske elektrane je Toledo PV, puštena u rad 1994. godine u
Castrejonu u Španjolskoj (blizu Toleda).
Projekt je zajedničko ulaganje tri velike europske elektroprivrede, Union Fenosa, Union
Endesa i RWE Energie AG.
Elektrana se sastoji od tri polja monokristaličnih fotonaponskih modula, dva fiksna pod kutom
30° i jednog koji prati Sunce, ukupno 7936 modula s ukupnom vršnom snagom 980 kWp i
38
aktivnom površinom 7054 m2 uz ukupnu površinu elektrane 20160 m2. Na 15kV
distribucijsku mrežu je spojena preko tri invertera (2x450 kVA,1x100 kVA).
Slika 4.2. Fotonaponsko polje elektrane “Toledo PV”
39
5. Tehničke značajke pojedinih komponenata fotonaponskog
sustava
5.1. Fotonaponskli modul snage 50 W
Slika 5.1. fotonaponski modul tipa ZDNY-50C snage 50 W sa tehničkim karkteristikama
Cijena modula je oko 5000 kn zavisna o proizvođaču.
40
5.2. Regulator napona
Regulator napona 12V, 20 A
Slika 5.2. regulator napona i shema spajanja
Cijena regulatora napona ovih karakteristika se kreće oko 1000 kn.
5.3. Inverter
"INV 2000 W"
Tehnički podaci
- Raspon ulaznog napona: 10-15V DC
- Potpuna ulazna struja: 170A
- Struja u praznom hodu: 0,70A Slika 5.3. inverter INV 2000W
- Izlazni napon (AC) 230V
- Izlazna frekfenca: 50Hz ± 4Hz
41
- Maksimalna izlazna snaga: 2000W
- Trenutna snaga (u piku): 4000W
- Efikasnost: 90% ± 5%
- Alarm za slabi napon baterija: 10 ± 0.5V DC
- Gašenje slabe baterije: 9.5 ± 0.5V DC
- Termička zaštita: 55 ± 5°C
- Zaštita protiv preopterečenja:.....Da (Mikrokontroler)
- Zaštita od kratkog spoja:............Da (Mikrokontroler)
- Zaštita ulaza visokog napona:...Da (Mikrokontroler)
- Zaštita polariteta baterija: ..........Da (Osigurač)
- Osigurač: 180A (šest kom po 30A unutar urenaja)
- Dimenzije (DxŠxV)mm : 400x150x70 mm
- Težina: 3,5kg
Cijena invertera ovih karakteristika kreću se oko 9000 kn.
5.4. Solarna baterija
Banner Energy Bull 12V 70Ah (C100)
Cijene solarnih baterija ovih karakteristika
su oko 2000 kn.
Slika 5.4. Solarna baterija Banner Energy Bull 12V 70Ah (C100)
42
6. Zaključak
Samostojeći fotonaponski sustav može u određenim situacijama predstavljati povoljniju
opciju od proširivanja postojeće mreže. U slučaju udaljenih lokacija fotonaponski sustav
postaje prihvatljivo rješenje za kućanstva i manje objekte, gdje je cijena energije
fotonaponskog sustava povoljnija od cijene energije iz mreže. Današnja komercijalna
primjena je za napajanje udaljenih i izoliranih telekomunikacijskih uređaja, gdje su od
primarne važnosti pouzdanost i mala potreba za održavanjem. Važna primjena ove
tehnologije je i u zemljama u razvoju, gdje u pravilu naseljena ruralna područja nemaju
pristup postojećem EES-u. Ostale fotonaponske instalacije su priključene na mrežu uglavnom
kao distribuirana proizvodnja. Unatoč visokoj cijeni instalacije, korištenje fotonaponskog
sustava je u naglom porastu, od 20% do 30% godišnje, zahvaljujući tome što su tihi,
pouzdani, lako se veličinom prilagođavaju bilo kojem sustavu, korisnika štite od rizika
porasta cijene energenata i predmet su raznih državnih financijskih poticaja. Većina
dosadašnjih instalacija potpomognuta je znatnim subvencioniranjem investicijskih troškova ili
otkupnih cijena električne energije. Ekonomska atraktivnost fotonaponskog sustava bitno je
veća ako instalacija zamijeni ili odgodi izgradnju novog distribucijskog voda.
Sudeći prema Programu fotonaponskih sustava Međunarodne agencije za energiju (IEA,
International Energy Agency), troškovi instalacije osnovnog fotonaponskog sustava kreću se
između 5000 i 7000 $/kW. Troškovi pogona su vrlo niski, budući da nema troškova goriva.
Međutim, učinkovitost solarne ćelije je mala, a kreće se između 10 i 22%. Prednost je što
fotonaponski sustav električnu energiju proizvodi tijekom dana, kada je i potražnja najviša, ali
je nepovoljna ovisnost o vremenskim prilikama.
43