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