ivan antonio mihalak

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE

SVEUČILIŠNI DIPLOMSKI STUDIJ

Ivan Antonio Mihalak

DIPLOMSKI RAD

Zagreb, srpanj 2020.

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE

SVEUČILIŠNI DIPLOMSKI STUDIJ

Ivan Antonio Mihalak

NUMERIČKO MODELIRANJE UPORABE FOTONAPONSKIH ĆELIJA

Voditelj rada: izv. prof. dr. sc. Vladimir Dananić

Članovi ispitnog povjerenstva:

Prof. dr. sc. izv. prof. dr. sc. Vladimir Dananić

Prof dr.sc Veljko Filipan

Dr. sc. Andrej Vidak

Zagreb, srpanj 2020.

SAŽETAK

U ovom radu, uspoređuju se četiri različita izvora Sunčevih podataka pomoću

simulacijskog programa HOMER za tri grada u Republici Hrvatskoj: grad Zagreb,

grad Rijeku i grad Split. Četiri različita izvora Sunčevih podataka su NASA,

RETScreen, PVGIS i DHMZ. Cilj ovog rada je međusobno usporediti globalna

horizontalna zračenja dobivenih iz navedenih izvora. Također, potrebno je usporediti

dobivenu električnu energiju fotonaponskog modula iz različitih izvora Sunčevih

podataka u simulacijskom programu HOMER.

Ključne riječi: HOMER, fotonaponski modul, NASA, RETScreen, PVGIS, DHMZ

ABSTRACT

In this work, it is needed to compare four different solar data sources with the help of

simulation software HOMER for three cities in Republic of Croatia: Zagreb, Rijeka

and Split. Four different sources of solar data are NASA, RETScreen, PVGIS and

DHMZ. The aim of this paper is to compare global horizontal irradiances obtained

from said sources. Also, it is necessary to compare obtained electricity of the

photovoltaic module from different solar data sources in the HOMER simulation

software.

Keywords: HOMER, photovoltaic module, NASA, RETScreen, PVGIS, DHMZ

Sadržaj

1.UVOD ..................................................................................................................................... 1

2. SUNČEVO ZRAČENJE ..................................................................................................... 2

2.1 Sunce .............................................................................................................................. 2

2.2 Komponente Sunčeva zračenja .................................................................................. 3

2.2.1 Ekstraterestričko zračenje ..................................................................................... 3

2.2.2 Sunčevo zračenje u atmosferi .............................................................................. 3

2.3 Mjerenje Sunčevog zračenja ....................................................................................... 6

3. FOTONAPONSKE ĆELIJE ............................................................................................... 7

3.1. Princip rada fotonaponskih ćelija ............................................................................... 7

3.2 Svojstva i parametri fotonaponske ćelije ................................................................... 8

3.3 Vrste fotonaponskih ćelija .......................................................................................... 10

4. SOLARNI FOTONAPONSKI SUSTAVI ......................................................................... 11

4.1 Fotonaponski modul.................................................................................................... 11

4.2 Vrste fotonaponskih sustava ..................................................................................... 12

4.2.1 Samostalni fotonaponski sustavi ....................................................................... 12

4.2.2 Mrežno spojeni kućni fotonaponski sustavi ...................................................... 13

4.2.3 Izravno spojeni fotonaponski sustavi na javnu mrežu ................................... 14

5. HOMER ............................................................................................................................... 15

5.1 Simulacija ..................................................................................................................... 16

5.2 Optimizacija .................................................................................................................. 17

5.3 Analiza osjetljivosti ...................................................................................................... 17

6. SOLARNI PODATCI ......................................................................................................... 18

6.1 NASA - Surface meteorology and solar energy database .................................... 18

6.2 RETScreen ................................................................................................................... 19

6.3 PV GIS - Photovoltaic Geographical Information System .................................... 19

6.4 DHMZ - Državni Hidrometeorloški Zavod................................................................ 20

7. ZADATAK ........................................................................................................................... 22

7.1 Definiranje parametara fotonaponskog sustava u HOMER-u .............................. 22

7.1.1 Definiranje parametra fotonaponskog modula ................................................. 23

8. LOKACIJE .......................................................................................................................... 24

8.1 ZAGREB-GRIČ ........................................................................................................... 24

8.2 RIJEKA .......................................................................................................................... 28

8.3 SPLIT-MARJAN ........................................................................................................... 32

9. USPOREDBA REZULTATA ............................................................................................ 36

9.1 Usporedba podataka Sunčevog zračenja ................................................................... 36

9.2 Usporedba proizvedene električne energije............................................................ 38

10. ZAKLJUČAK .................................................................................................................... 41

11. IZVORI .............................................................................................................................. 43

12. POPIS OZNAKA ............................................................................................................. 45

13. ŽIVOTOPIS ...................................................................................................................... 46

1

1.UVOD

Sunce, kao glavni izvor elektromagnetskog zračenja, dopire do Zemlje te je obnovljivi

i neiscrpan izvor energije. Sunce u jednoj sekundi može osloboditi više energije nego

što je cijela ljudska civilizacija iskoristila tijekom svog razvoja. Zbog toga, istraživanje

i ulaganje u energiju Sunca i tehnologije pretvorbe Sunčeve energije može rezultirati

rješavanjem problema energetske krize te smanjenjem ovisnosti o fosilnim gorivima.

Iako se oko 30 % energije Sunčeva zračenja reflektira nazad u Svemir, oko 1,07*1018

kWh energije prima Zemlja od Sunca svake godine.1 Ta količina energije je nekoliko

puta veća nego što iznosi ukupna potrošnja energije iz svih primarnih izvora. Samo

jedna petina Sunčeve energije dopire do kopnene površine a ostatak apsorbiraju

oceani i mora. Konvencionalni izvori energije poput ugljena,nafte i plina, iscrpljivi su

te su uzrok emisijama štetnih stakleničkih plinova.1 Stoga je potrebno osigurati

tehnološki napredak u području obnovljivih izvora energije a samim time i u sektoru

solarne energije. Razvojem fotonaponskih modula uvelike će se pridonijeti ostvarenju

tog cilja. Bitnu ulogu u korištenju fotonaponskih ćelija igra njihovo modeliranje i

simuliranje za koje su potrebni pouzdani podatkovni izvori Sunčevog zračenja. S

pomoću pouzdanih podatkovnih izvora Sunčevog zračenja može se optimizirati

fotonaponski sustav te maksimizirati njihovo iskorištenje. Postoje mnogobrojni

programski simulatori koji se koriste za modeliranje i simuliranje fotonaponskih ćelija.

U ovom radu, korišteni simulator je HOMER.

Slika 1. Godišnje sunčevo zračenje na površini zemlje u usporedbi s zalihama fosilnih

i nuklearnih goriva 1

2

2. SUNČEVO ZRAČENJE

2.1 Sunce

Nuklearne fuzijske reakcije u jezgri Sunca stvaraju temperature koje idu i do 107

Kelvina i unutarnje zračenje nejednolike spektralne distribucije. To unutarnje zračenje

se apsorbira u vanjskim pasivnim slojevima (fotosfera) koji se zagrijavaju do

temperature od oko 6000 K te i sami postaju izvorom zračenja s relativno

kontinuiranom spektralnom distribucijom. Spektar Sunčeva zračenja približno

odgovara spektru crnog tijela temperature 5760 K.2 Efektivna temperatura Sunčeve

površine je oko 6000 K te je iz nje moguće dobiti energetski spektar Sunčevog

zračenja primjenom Planckova zakona. Sunčevo zračenje sastoji se od

ultraljubičastog (0,12-0,4 µm), vidljivog (0,4-0,75 µm) i infracrvenog dijela (>0,75

µm). Udio ultraljubičastog zračenja je oko 9 %, vidljivog oko 41,5 % a infracrvenog

oko 49,5 % ukupne energije Sunčevog zračenja. 3

Slika 2. Spektralna razdioba zračenja Sunca 4

3

2.2 Komponente Sunčeva zračenja

2.2.1 Ekstraterestričko zračenje

Ekstraterestričko zračenje je Sunčevo zračenje na gornjoj granici Zemljine atmosfere.

Spektralna karakteristika Sunčeva zračenja ne mijenja se prolaskom kroz vakuum ali

se gustoća zračene snage smanjuje s kvadratom udaljenosti od izvora zračenja. Ovu

tvrdnju opisuje sljedeći izraz:

(1)

gdje je gustoća snage na površini Sunčevog zračenja određena Stefan-

Boltzmannovim zakonom za zračenje crnog tijela, polumjer Sunca (6,96 * 108 m),

a D udaljenost mjesta na kojem računamo gustoću zračenja od Sunca. Općenito,

ozračenje se definira kao gustoća energetskog toka Sunčevog zračenja i jednaka je

omjeru energetskog toka i površine plohe okomite na smjer zračenja. Izražava se u

W/m2. Ozračenost (Wh/m2) se definira kao gustoća dozračene energije u vremenu

na neku plohu. Ekstraterestičko zračenje označavamo s AM0 spektrom koji se koristi

za ispitivanje rada Sunčevih ćelija koje se koriste za rad u Svemiru. Ekstraterestričko

ozračenje, na gornjoj granici Zemljine atmosfere, okomito na jediničnu površinu i pri

srednjoj udaljenosti Zemlje od Sunca naziva se Sunčeva konstanta (I0 = 1367 W/m2).

3

2.2.2 Sunčevo zračenje u atmosferi

Sunčevo zračenje u Zemljinoj atmosferi slabi jer dolazi do njegova raspršenja na

molekulama plinova i česticama prašine te dolazi i do njegova međudjelovanja s

molekulama plinova. Dolazi do tzv. ekstincije Sunčeva zračenja koji se definira

koeficjentom ekstincije. Visoke vrijednosti koeficijenta ekstinkcije se javljaju pri jakoj

magli a niske pri potpuno suhom zraku i vedrom vremenu kad je Sunce u zenitu.

Slabljenje Sunčevog zračenja u atmosferi opisuje se Bouger-Lambertovim zakonom:

(2)

4

gdje je B ozračenje na tlu, Sunčeva konstanta, m optička masa zraka i a

koeficijent ekstinkcije. Optička masa zraka m je omjer stvarne duljine Sunčevih zraka

na putu kroz atmosferu i najkraćeg mogućeg puta. Kad je Sunce u zenitu, optička

masa zraka je najmanja. Optička masa zraka računa se s obzirom na tlak, pošto se

optička svojstva atmosfere mijenjaju s promjenom atmosferskog tlaka. Pri

mjerenjima, normirano prizemno Sunčevo zračenje je raspodjela zračenja AM 1,5

iako prizemno Sunčevo zračenje sa Suncem u zenitu ima optičku masu zraka jedan.

Sunčevo zračenje u atmosferi može se podijeliti na izravno (direktno), raspršeno

(difuzno) i odbijeno (reflektirano) Sunčevo zračenje. 3

Izravno (direktno) Sunčevo zračenje - Međudjelovanjem Sunčevog zračenja s

plinovima i česticama u atmosferi može doći do apsorpcije, refleksije ili može doći do

nesmetanog prolaza kroz atmosferu (transmisija). Transmisija čini najveći udio

direktnog Sunčevog zračenja.3

Slika 3. Prikaz utjecaja atmosfere na Sunčevo zračenje 3

5

Raspršeno (difuzno) Sunčevo zračenje - Sunčevo zračenje u interakciji s

molekulama plina, koje su znatno manje veličine od valne duljine ozračenog

Sunčevog zračenja, dovodi do njihova titranja. Primljenu energiju molekula plina

odmah zrači u svim smjerovima u prostor. Jedan dio Sunčevog zračenja se raspršuje

natrag u Svemir a drugi se raspršuje na Zemlju. Pobuđena molekula emitira

elektromagnetsku energiju s različitim spektrom od onog primarnog Sunčevog

zračenja. Rayleighova zakonitost opisuje odnos valne duljine i intenziteta

raspršivanja:

(3)

gdje je k faktor proporcionalnosti a ʎ valna duljina. Po ovoj jednadžbi vidljivo je da će

se ultraljubičasto i kratkovalno zračenje vidljivog svjetla raspršiti znatno jače nego

dugovalno zračenje u crvenom dijelu spektra. Posljedica ovog zakona je činjenica da

tijekom dana, kada je Sunce u zenitu i elektromagnetsko zračenje ima najkraći put

kroz atmosferu, nebo ima prepoznatljivu plavu boju. Kako se Sunce spušta prema

obzoru, svjetlo putuje veću udaljenost kroz atmosferu pa dolazi i do većeg stupnja

raspršenja što daje nebu crvenu boju. 3

Odbijeno (reflektirano) Sunčevo zračenje - nakon prolaska kroz atmosferu,

Sunčevo zračenje nailazi ili na tlo ili na vodenu površinu te dolazi do određenog

stupnja refleksije. Postoje tri procesa refleksije. Zrcalna (spekularna) refleksija odvija

se na hrapavim površinama kad je hrapavost površine manja od valne duljine

zračenja. Kada je hrapavost površine približno jednaka valnoj duljini zračenja, dolazi

do raspršujuće refleksije koja se sastoji od više zrcalnih refleksija. Volumna refleksija

se javlja kada zračenje prodre kroz površinu i odbije se od više različitih slojeva ispod

površine. Prema tome, ukupna refleksija sastoji se od zrcalne, difuzne i volumne

refleksije. Svojstvo površine da reflektira zračenje zove se koeficijent refleksije ili

albedo. Potpuno bijelo tijelo ima albedo jedan (potpuno reflektira zračenje), a

potpuno crno tijelo albedo nula.3

Totalno ozračenje na bilo kojoj površini zbroj je izravnog i raspršenog zračenja.2

6

2.3 Mjerenje Sunčevog zračenja

Mjerenje Sunčevog zračenja sastoji se od mjerenja kratkovalnog Sunčevog zračenja

(izravno i raspršeno zračenje) i mjerenja dugovalnog zračenja Zemlje i atmosfere.

Kako bi se omogućilo praktično korištenje energije Sunčevog zračenja, potrebna su

mjerenja ukupnog, raspršenog i izravnog ozračenja vodoravne plohe.Ukupno

(globalno) Sunčevo zračenje na vodoravnu plohu (Wh/m2) sastoji se od zračenja koje

ploha primi izravno sa Sunca i raspršenog zračenja s neba. Bitan instrument koji

mjeri Sunčevo zračenje na prijemnu površinu je piranometar. Piranometri mogu

sadržavati termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili bimetalne elemente kao

osjetila. Najčešće se koriste termoelektrični piranometri koji rade na principu

termoelektričnog efekta. Raspršeno Sunčevo zračenje može se mjeriti piranometrom

ako se Sunčev disk zasjeni tako da do insturmenta ne dolazi izravno Sunčevo

zračenje. Mjerenje izravnog Sunčevog zračenja složen je proces a mjeri se

pirheliometrom.3

Slika 4. Piranometar 5

7

3. FOTONAPONSKE ĆELIJE

3.1. Princip rada fotonaponskih ćelija

Fotonaponska ćelija je poluvodička dioda (PN-spoj) koja pretvara solarnu energiju u

električnu pomoću fotonaponskog efekta. Postoji nekoliko vrsta fotonaponskih ćelija

koje koriste različite tipove poluvodiča radi pretvorbe solarne energije u električnu.

Većina fotonaponskih ćelija proizvedena je od silicija. Najbitniji dio fotonaponske

ćelije je poluvodički sloj sastavljen od p- i n- tipa poluvodiča koji nastaju dopiranjem

silicija. Na graničnom djelu između tih dvaju područja (PN-spoj) nastaje difuzija

elektrona iz n-područja prema p-području te šupljina iz p-područja prema n-području.1

Time na granici dvaju spojeva nastaje osiromašeni sloj u kojem nema slobodnih

elektrona ni šupljina te se stvara električno polje. Osvijetljenjem solarne ćelije,

apsorbirani fotoni dovode do nastanka parova elektron-šupljina. Ako dođe do

apsorpcije daleko od PN-spoja, nastali par se rekombinira no ako dođe do apsorpcije

unutar PN-spoja,unutrašnje električno polje (u osiromašenom području) odvaja

nastali slobodni elektron i šupljinu. Zbog toga, elektron se počne gibati prema N-sloju

a šupljina prema P-sloju. Time nastaje elektromotorna sila na krajevima ćelije. To

dovodi do činjenice da je solarna ćelija poluvodička dioda odnosno ispravljački

uređaj koji propušta struju u samo jednom smjeru. Osnovni dijelovi fotonaponske

ćelije su: negativna elektroda, pozitivna elektroda, n-tip poluvodiča, p-tip poluvodiča,

granični sloj, stakleni pokrivač i antireflektirajući sloj. 6 1

Slika 5. Fotonaponska ćelija

8

Fotonaponski sustavi ne proizvode buku, nema pokretnih dijelova te ne emitiraju

štetne tvari u okoliš. Djelotvornost fotonaponskih ćelija se kreće od nekoliko posto do

40 %. Ostatak Sunčeve energije se pretvara u toplinsku te time dolazi do zagrijavanja

ćelije zbog čega pada djelotvornost solarne ćelije. 8 Radi povećanja djelotvornosti

fotonaponskih ćelija, prednja površina ćelije može biti prekrivena prozirnim

antireflektirajućim slojem koji smanjuje refleksiju Sunčeve svjetlosti. Djelotvornost

fotonaponske solarne ćelije definira se kao omjer snage koju daje fotonaponska

ćelija i snage Sunčevog zračenja. To se može utvrditi sljedećom relacijom:

(4)

gdje je izlazna električna snaga, snaga Sunčevog zračenja, U efektivna

vrijednost izlaznog napona, I efektivna vrijednost izlazne struje, E snaga sunčevog

zračenja (W/m2) i A površina. 9

3.2 Svojstva i parametri fotonaponske ćelije

Glavni parametri koji se koriste za karakterizaciju rada FN ćelija su: točka

maksimalne snage ili vršna snaga PMAX, struja kratkog spoja ISC, napon otvorenog

kruga VOC i faktor punjenja FF. Struja kratkog spoja je struja kroz fotonaponsku ćeliju

kada je napon u ćeliji nula. Struja kratkog spoja ovisi o upadnom fluksu fotona na

ćeliju te o površini solarne ćelije. Također, struja kratkog spoja ovisna je i o spektru

upadnog svjetla koji je, za većinu mjerenja, standardiziran prema AM1,5 spektru.

Maksimalna struja koju FN može proizvesti ovisi o optičkim svojstvima ćelije kao što

su apsorpcija u apsorpcijskom sloju i refleksija. U većini slučajeva ISC se

poistovjećuje s IL (svjetlosno generirana struja) osim u slučajevima kad je serijski

otpor prevelik. Pri povećanju temperature dolazi do malog porasta vrijednosti struje

kratkog spoja. Napon otvorenog kruga VOC je maksimalni dostupni napon u FN ćeliji

kada je struja jednaka nuli. VOC ovisan je o IL te o struji zasićenja diode I0 koja je

ovisna o stupnju rekombinacije elektrona i šupljina u ćeliji. Zbog toga je vrijednost

napona otvorenog kruga mjera rekombinacije u ćeliji.

9

Povišenjem temperature dolazi do pada vrijednosti VOC. Faktor punjenja FF je omjer

između vršne snage PMAX i umnoška VOC i ISC:

(5)

Parazitski otpori (serijski i otpor šanta) utječu na smanjenje faktora punjenja a samim

time i na djelotvornost FN ćelije. 10

10

3.3 Vrste fotonaponskih ćelija

Kao što je već rečeno, većinski materijal za proizvodnju fotonaponskih ćelija je silicij

(98%). Silicij je dobiven iz kvarca (SiO2) te je jedan od materijala kojeg ima u izobilju

u Zemljinoj kori. Fotonaponske ćelije nastale od silicija mogu biti monokristalne,

polikristalne i amorfne. Monokristalne ćelije sastoje se od uniformne kristalne rešetke

dok polikristalne ćelije imaju variranu kristalnu strukturu. Proizvodnja monokristalnog

silicija je najskuplja, no njihova učinkovitost je najveća. Amorfni silicij spada u

tehnologiju tankog filma koja pripada trećoj generaciji solarnih ćelija. Tehnologija

tankog filma omogućuje veći stupanj fleksibilnosti solarnih ćelija a samim time i

njihovu širu primjenu. No tehnologija tankog filma, gdje se koriste i materijali poput

kadmijeva telurida (CdTe) i bakar-indij-diselenida (CIS), daje učinkovitost od svega 7

do 10 % što je znatno manje od klasičnih silicijevih solarnih ćelija. Često korišten je i

trakasti silicij (ribbon) kod čije proizvodnje ne dolazi do značajnog gubitka materijala.

Međutim, kvaliteta i učinkovitost ove tehnologije nije dostatna za preuzimanje glavne

riječi u budućnosti.

Slika 6. Monokristalna ćelija 11 Slika 7. Polikristalna ćelija 12

11

4. SOLARNI FOTONAPONSKI SUSTAVI

4.1 Fotonaponski modul

Fotonaponska ćelija može proizvesti napon od oko 0,5 V i gustoću struje od oko 20

mA/cm2. Kako bi se maksimizirao dobiveni napon odnosno snaga, ćelije se spajaju

serijski i paralelno u module. Spajanjem FN ćelija serijski postiže se potreban napon

a paralelnim spajanjem potrebna struja. Moduli se potom slažu jedan do drugoga u

fotonaponske panele, a paneli uz ostale potrebne elemente (pretvarače, regulatore,

invertere) tvore fotonaponski sustav. Povezivanjem ćelija serijski, paralelno ili

kombinacijom postiže se željena vršna snaga (75, 100, 120 W) i radni napon modula

(12 i li 24 V). Pakiranje u module dovodi i do zaštite od atmosferskih i fizičkih

oštećenja.9

Slika 4. Presjek FN modula 9

Ostale komponente fotonaponskog sustava su: pretvarač (inverter) koji pretvara

izlazni napon fotonaponskog modula u izmjenični napon gradske mreže (220 V),

baterija za samostalne FN sustave, regulator napajanja koji je potreban za punjenje i

održavanje baterija, brojilo za praćenje količine električne energije predate u mrežu i

12

proizvedene električne energije te prekidač koji služi za prekid struje iz

fotonaponskog modula ili iz pretvarača u slučaju kvara. 9

4.2 Vrste fotonaponskih sustava

Solarni fotonaponski sustavi mogu se podijeliti na dvije osnovne skupine:

fotonaponski sustavi koji nisu priključeni na mrežu (samostalni sustavi) i fotonaponski

sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu. Samostalni sustavi mogu biti sa

ili bez pohrane energije i hibridni sustavi, što uvelike ovisi o vrsti primjene i načinu

potrošnje energije. Hibridni samostalni sustavi mogu biti s vjetroagregatom, dizelskim

generatorom ili gorivnim člancima. Fotonaponski sustavi priključeni na

elektroenergetsku mrežu se dijele na one koji su izravno priključeni na javnu

elektroenergetsku mrežu i na one priključene na mrežu preko kućne instalacije. 1

4.2.1 Samostalni fotonaponski sustavi

Temeljne komponente koje čine samostalni fotonaponski sustav su: fotonaponski

moduli (spojeni paralelno ili serijski-paralelno), regulator punjenja, baterije, trošila i

izmjenjivač. U takvom fotonaponskom sustavu dolazi do pretvorbe svjetlosne

energije u električnu a potom i pretvorbe električne u kemijsku. Proces pretvorbe

svjetlosne energije u električnu odvija se u solarnoj ćeliji a elektrokemijski proces

pretvorbe električne u kemijsku energiju (i obratno) odvija se u bateriji. 1

Slika 4. Samostalni fotonaponski sustav 8

13

4.2.2 Mrežno spojeni kućni fotonaponski sustavi

To su najpopularniji tipovi Sunčevih fotonaponskih sustava koji su namijenjeni za

kućne i poslovne instalacije u razvijenim i urbanim područjima. Spajanjem na lokalnu

električnu mrežu omogućuje se prodaja lokalnom distributeru energije svih viškova

električne energije proizvedenim fotonaponskim sustavom. Također, električna

energija za potrebe doma uzima se iz mreže u periodu kada energija sunca nije

dostupna. Temeljne komponente ovakve vrste fotonaponskog sustava su:

fotonaponski moduli, spojna kutija s zaštitnom opremom, kablovi istosmjernog

razvoda, glavna sklopka za odvajanje, izmjenjivač, kablovi izmjeničnog razvoda i

brojila predate i preuzete električne energije. 1

Slika 5. Mrežno spojeni kućni fotonaponski sustav 8

14

4.2.3 Izravno spojeni fotonaponski sustavi na javnu mrežu

Ovi sustavi su izravno priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu i svu

proizvedenu električnu energiju predaju u elektroenergetski sustav. Te sustave

karakterizira veća snaga i uglavnom se instaliraju na većim površinama. 1

Slika 6. Izravno spojen fotonaponski sustav na javnu mrežu 1

15

5. HOMER

HOMER je računalni model razvijen od strane NREL-a (National Renewable Energy

Laboratory) koji služi za dizajniranje mikroenergetskih sustava i usporedbu raznih

tehnologija za dobivanje energije. HOMER modelira stvarno ponašanje sustava i

njegov ukupni trošak životnog vijeka (trošak instalacije i održavanja). Ovaj računalni

model daje mogućnost usporedbe različitih modela s obzirom na njihove ekonomske

i tehničke karakteristike. Mikroenergetski sustav je sustav koji generira električnu

energiju i toplinu, kako bi služio trošilo u neposrednoj blizini. Takav sustav može biti

povezan na elektroenergetsku mrežu ili može biti samostalan. HOMER je u stanju

modelirati mrežno povezane i samostalne mikroenergetske sustave koji se mogu

sastojati od kombinacije fotonaponskih modula, vjetroturbina, gorivnih članaka,

sustava za biomasu, baterija i spremišta vodika. Analiza i dizajn mikroenergetskih

sustava zahtjevan je proces zbog velikog izbora dizajna i nesigurnosti u ključne

parametre, poput veličine trošila i buduće cijene nafte. Obnoviljivi izvori energije tome

pridodaju dodatnu kompleksnost zbog nesigurnosti u dostupnosti njihove energije u

određenim dijelovima godine. Kako bi savladao naveden izazove, HOMER izvodi tri

glavna zadatka: simulaciju, optimizaciju i analizu osjetljivosti. U simulacijskom

procesu, HOMER simulira izvedbu pojedinih mikroenergetskih sustava tijekom cijele

godine u cilju određivanja tehničke izvedivosti i troška životnoga vijeka. Kako bi se

pronašla konfiguracija koja zadovoljava tehničke uvjete, potreban je optimizacijski

proces u kojem HOMER simulira različite konfiguracije. U analizi osjetljivosti,

HOMER obavlja višestruke optimizacije u rasponu početnih pretpostavki kako bi

smanjio efekte nesigurnosti i promjene u ulaznim parametrima modela. Proces

optimizacije određuje optimalnu vrijednost varijabli nad kojima postoji kontrola dok

proces analize osjetljivosti pomaže u procjeni posljedica nesigurnosti i promjena

varijabli nad kojima ne postoji kontrola. 13

16

Slika 7. Konceptualna veza između procesa simulacije, optimizacije i analize

osjetljivosti 13

5.1 Simulacija

HOMER-ova temeljna osobina je simuliranje dugoročnih operacija mikroenergetskog

sustava. Stupanj optimizacije i analize osjetljivosti ovisi o kvaliteti simulacije.

Simulacija određuje kako se određena konfiguracija sustava ponaša u danim

uvjetima u određenom rasponu vremena. HOMER može simulirati različite

konfiguracije mikroenergetskih sustava koji se sastoje od FN ćelija, pretvarača,

baterija itd. Simulacijski proces ima dvije svrhe: izvedivost sustava i procjena troška

životnog vijeka. 13

Slika 8. Samostalni FN sustav s baterijom 9

17

Slika 9. FN sustav s inverterom spojen na mrežu 9

5.2 Optimizacija

U HOMER računalnom modelu, najbolja moguća konfiguracija sustava je ona koja

udovoljava zahtjevima korisnika pri najnižem trošku. U optimizacijskom procesu,

HOMER simulira različite konfiguracijske sustave, odbacuje neisplative, rangira

isplative sustave po neto trošku i predstavlja isplativ sustav s najnižim ukupnim neto

troškom kao optimalnim sustavom. Cilj optimizacijskog procesa je odrediti optimalnu

vrijednost svake varijable odluke koja je u interesu. Varijabla odluke je svaka

varijabla nad kojom dizajner sustava ima kontrolu. Moguće varijable odluke u

HOMER-u uključuju: veličinu FN sustava, veličinu generatora, broj baterija, veličina

pretvarača, veličina elektorlizera i spremišta vodika, broj vjetroturbina itd. 13

5.3 Analiza osjetljivosti

Analiza osjetljivosti pokazuje koliko su izlazni parametri osjetljivi na različite ulazne

pretpostavke. U analizi osjetljivosti, HOMER-ov korisnik unosi raspon vrijednosti za

jednu ulaznu varijablu. Varijabla za koju korisnik unese višestruke vrijednosti zove se

osjetljiva varijabla. Gotovo svaka ulazna varijabla u HOMER-u koja nije varijabla

odluke može biti osjetljiva varijabla. Primjeri osjetljivih varijabli su cijena goriva i

cijena električne energije. Primarna korisnost analize osjetljivosti je u postupanju s

neodređenosti ishoda na parametre koji nisu pod kontrolom. 13

18

6. SOLARNI PODATCI

Na količinu Sunčevog zračenja na Zemljinu površinu utječu brojni čimbenici poput:

geografske širine, čistoća atmosfere, naoblačenost, doba dana i godine, nagib

podloge itd. Kako bi se modelirao FN sustav, HOMER-ov korisnik mora pružiti

relevantne solarne podatke za lokaciju od interesa. Solarni podatci ukazuju na

količinu globalnog Sunčevog zračenja (izravno i raspršeno Sunčevo zračenje) na

Zemljinoj površini u tipičnoj godini. Ovi podatci mogu biti u jednom od tri oblika:

srednje globalno Sunčevo zračenje na horizontalnim površinama po satu (kW/m2),

srednje mjesečno globalno Sunčevo zračenje na horizontalnoj površini (kWh/m2) i

mjesečni srednji indeks jasnoće. Indeks jasnoće (0-1) je omjer Sunčevog zračenja

koje dopire do zemljine površine i Sunčevog zračenja na vrhu atmosfere. U ovom

radu, podatci o dnevnom Sunčevom zračenju na horizontalnu površinu uzeti su iz

četiri različitih izvora podataka: NASA - surface meteorology and solar energy

database, RETScreen solar database, PVGIS solar database i DHMZ - Državni

Hidrometeorološki Zavod.14

6.1 NASA - Surface meteorology and solar energy database

NASA već dugi niz godina podržava satelitne sustave i istraživanja koja daju važne

podatke vezane uz proučavanje klime i klimatskih promjena. Pod te podatke spadaju

dugoročne procjene meteoroloških veličina i tokova solarne energije na površini

Zemlje. Satelitni podatci pokazali su se dovoljno točnima za pružanje pouzdanih

Sunčevih i meteoroloških izvora podatka za regije u kojima su mjerenja rijetka ili

nepostojeća. Podatci su globalni i vremenski neprekinuti. Zbog ova dva važna

svojstva stvara se ogromna količina podataka koji mogu biti teški za komercijalnu

upotrebu. Također, baze podataka koje se nalaze u NASA arhivima su često u

formatima koji su zahtjevni za nove korisnike. Kako bi potaknula komercijalnu

upotrebu globalnih sunčevih i meteoroloških podataka, NASA podržava razvoj

"Surface meteorology" i "Solar Energy (SSE)" baze podataka koje su posebno

razvijene za potrebu projektiranja fotonaponskih sustava. SSE podatci dostupni su

putem interneta preko jednostavnog sučelja. U ovom radu koriste se srednje

vrijednosti globalnog horizontalnog zračenja u rasponu od 22 godine (1983.-2005.).14

19

6.2 RETScreen

RETScreen je programska podrška za potporu odlučivanja u projektima za korištenje

obnovljivih izvora energije. Može se koristiti diljem svijeta za procjenu proizvodnje

energije, ušteda, smanjenja emisija, financijske isplativosti i rizika za različite vrste

obnovljivih izvora energije i energetski djelotvornih tehnologija. Također, uključuje i

baze podataka proizvoda, troškova i klimatoloških podataka. RETScreen razvijen je u

cilju pojednostavljenja savladavanja prepreka pri implementaciji čistih energetskih

tehnologija u fazi procjene izvedivosti te daje metodologiju za usporedbu

konvencionalnih i čistih energetskih tehnologija. Zbog toga, analitičar može staviti u

fokus studiju izvedivosti a ne gubiti vrijeme na razvoj metodologije. U ovom radu

koriste se srednje vrijednosti globalnog horizontalnog zračenja dobivenog u periodu

od 1982.-2006. 14

6.3 PV GIS - Photovoltaic Geographical Information System

Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) daje opis Sunčevih

energetskih izvora i procjenu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih sustava

temeljen na geografskim kartama. PVGIS razvijen je 2001. godine od strane JRC

(Joint Research Centre) Europske Komisije. PVGIS pruža podatke za analizu

tehničkih, okolišnih i socio-ekonomskih čimbenika fotonaponske generacije električne

energije u Europi. U ovom radu koriste se srednje vrijednosti globalnog horizontalnog

zračenja u rasponu od 11 godina(2005.-2016.). 14

20

Slika 10.Ukupna srednja godišnja ozračenost na horizontalnu plohu za Republiku

Hrvatsku 15

6.4 DHMZ - Državni Hidrometeorloški Zavod

Državni hidrometeorološki zavod (DHMZ) je državna upravna organizacija i

znanstveno istraživačka pravna osoba, kojom upravlja glavni ravnatelj imenovan od

strane Vlade te odgovoran Vladi, odnosno nadležnom ministru. Zadatak DHMZ-a je

praćenje hidroloških i meteoroloških procesa, prikupljanje, obrađivanje i objavljivanje

meteoroloških i hidroloških podataka. Također, DHMZ upravlja mrežom

meteoroloških i hidroloških postaja i centara te se bavi i nacionalnim bazama

podataka iz područja meteorologije, hidrologije i kvalitete zraka. Motrenja se na

nekoliko stotina meteoroloških postaja diljem Hrvatske obavljaju po jedinstvenim

mjerilima propisanim od strane Svjetske Meteorološke Organizacije. Automatske

postaje danonoćno mjere i bilježe meteorološke čimbenike (temperatura, tlak,

vlažnost zraka, smjer i brzina vjetra). Glavne meteorološke postaje imaju 2 do 5

profesionalnih meteoroloških motritelja i koji obavljaju motrenja i registraciju svih

meteoroloških fenomena tijekom 24 sata prema propisima Svjetske Meteorološke

Organizacije. 16 Podatci o ukupnom Sunčevom zračenju na horizontalnu plohu

prikupljeni su u razdoblju od 1961. do 1980. godine. 3

21

Slika 11. Meteorološke postaje u Republici Hrvatskoj 16

22

7. ZADATAK

Zadatak ovog diplomskog rada je usporediti utjecaj različitih izvora Sunčevih

podataka na modeliranje fotonaponskog sustava spojenog na mrežu za tri lokacije u

Republici Hrvatskoj: grad Zagreb, grad Rijeka i grad Split. Iz podataka za globalno

Sunčevo zračenje (GSZ) na horizontalnu plohu, indeksa jasnoće i godišnjeg

optimalnog kuta potrebno je usporediti GSZ količinu proizvedene električne energije.

Podatci su uzeti iz već navedena četiri izvora (NASA, PVGIS, RETScreen i DHMZ).

7.1 Definiranje parametara fotonaponskog sustava u HOMER-u

U svim proračunima koristi se isti fotonaponski sustav pa je potrebno definirati sve

njegove relevantne parametre za rad. Parametri mreže u ovom radu nisu relevantni

pošto cijena potrošnje i kupnje električne mreže nisu potrebni za zadatak ovog rada.

Električna energija koje trošilo troši po danu je oko 11,26 kWh.

Slika 12. Prikaz komponenti fotonaponskog sustava spojenog na mrežu u HOMER-u

23

7.1.1 Definiranje parametra fotonaponskog modula

Sljedeći parametri potrebni su za dobivanje modela FN modula: snaga/kapacitet

(kW), izlazna struja (AC ili DC), radni životni vijek (u godinama), faktor gubitaka (%),

kut nagiba modula (⁰), kut azimuta, albedo tla (%) i vrsta korištenog sustava za

praćenje. Još neki parametri koji se mogu uzeti u obzir su temperaturni koeficijent

modula (% / ⁰C), nominala operativna temperatura ćelije (⁰C) i djelotvornost modula

(%). Za potrebe ovog rada uzet je generični fotonaponski modul snage 1 kW s

izlaznom DC strujom i stupnjem djelotvornosti od 13%. Životni vijek modula je

naveden u tehničkim specifikacijama modula a kreće se u rasponu od 20 do 30

godina. Za proračun uzet je životni vijek u trajanju od 25 godina. Faktor gubitka

("Derating factor") je mjera gubitaka FN modula prilikom proizvodnje električne

energije zbog previsokih okolnih temperatura, zasjenjenja, nanosa snijega i starenja

17 i ovdje on iznosi 80%. Kut nagiba modula je kut između horizontalne površine i i

fotonaponskog modula. Optimalni kut nagiba modula može se mijenjati s obzirom na

godišnja doba kako bi maksimizirao proizvodnju energije. U proračunu, optimalni kut

nagiba mijenja se s obzirom na korišteni izvor podataka. Kut azimuta je kut između

projekcije Sunčeve zrake na vodoravnu plohu i smjera sjever-jug u vodoravnoj

ravnini. Azimut se za sjevernu polutku računa od smjera juga te se najčešće uzima

vrijednost od 0⁰. 18 Vrijednost albeda uzet za proračun je 0,2 što vrijednost koja se

najčešće koristi (albedo travnatih površina). Sustav praćenja kretanja Sunca je

ponuđen kao izbor i on služi za okretanje FN ćelija prema Suncu. U ovom radu ta

opcija nije korištena već se koristi fiksni FN modul. 9 Temperaturni koeficijent modula

je parametar koji pokazuje utjecaj povišenja temperature modula na smanjenje

maksimalne snage modula. Temperaturni koeficijenti najčešće se kreću u

vrijednostima od -0,35 do -0,5 %/⁰C što znači da za svako povećanje temperature za

1 ⁰C iznad nominalne dolazi do pada snage za navedeni postotak.19 U ovom

proračunu temperaturni koeficijent uzet je u vrijednosti od 0,4 %/⁰C. Nominalna

temperatura u proračunu iznosi 25 ⁰C a efikasnost generičnog FN modula je 13%.

24

8. LOKACIJE

8.1 ZAGREB-GRIČ

Koordinate koje je potrebno unijeti za grad Zagreb (Grič) su: 45⁰49" (Zemljopisna

širina), 15⁰59" (Zemljopisna dužina). 3

Mjesec Indeks jasnoće

Prosječno GSZ na horizontalnu plohu [kWh/m2/d]

Siječanj 0,437 1,42

Veljača 0,493 2,33

Ožujak 0,497 3,44

Travanj 0,452 4,17

Svibanj 0,492 5,36

Lipanj 0,498 5,77

Srpanj 0,538 6,01

Kolovoz 0,537 5,21

Rujan 0,487 3,67

Listopad 0,429 2,25

Studeni 0,398 1,40

Prosinac 0,408 1,15

Tablica 1. Prikaz indeksa jasnoće i GSZ-a pojedinih mjeseci u godini za grad Zagreb

(izvor NASA)

Sij Velj Ozu Tra Svi Lip Srp Kol Ruj Lis Stu Pro0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

Sre

dnja

snaga F

N m

odula

(kW

)

Mjeseci

Graf 1. Usporedba srednjih dnevnih snaga FN modula pojedinih mjeseci za grad

Zagreb (izvor NASA)

25


Prosječno GSZ na horizontalnu

plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,413 1,95

Ožujak 0,427 2,96

Travanj 0,437 4,03

Svibanj 0,507 5,52

Lipanj 0,504 5,84

Srpanj 0,525 5,86

Kolovoz 0,517 5,02

Rujan 0,467 3,52

Listopad 0,419 2,20

Studeni 0,310 1,09

Prosinac 0,259 0,73

Tablica 2. Prikaz indeksa jasnoće i GSZ-a pojedinih mjeseca u godini za grad Zagreb

(izvor RETScreen)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Zagreb (izvor RETScreen)

26



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,381 1,80

Ožujak 0,455 3,15

Travanj 0,509 4,69

Svibanj 0,503 5,48

Lipanj 0,536 6,21

Srpanj 0,562 6,28

Kolovoz 0,564 5,47

Rujan 0,512 3,86

Listopad 0,467 2,45

Studeni 0,386 1,36

Prosinac 0,351 0,99

Tablica 3. Prikaz indeksa jasnoće i GSZ pojedinih mjeseca u godini za grad Zagreb

(izvor PVGIS)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

Sre

dnja

snaga F

N m

odula

(kW

)

Mjeseci


Zagreb (izvor PVGIS)

27

Tablica 4. Prikaz indeksa jasnoće i GSZ pojedinih mjeseca u godini za grad Zagreb

(izvor DHMZ)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Zagreb (izvor DHMZ)



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,425 2,01

Ožujak 0,489 3,39

Travanj 0,483 4,45

Svibanj 0,484 5,27

Lipanj 0,484 5,61

Srpanj 0,526 5,88

Kolovoz 0,535 5,19

Rujan 0,589 4,44

Listopad 0,549 2,88

Studeni 0,423 1,49

Prosinac 0,334 0,94

28

8.2 RIJEKA

Koordinate koje je potrebno unijeti za grad Rijeku su: 45⁰20' (Zemljopisna širina),

14⁰27' (Zemljopisna dužina). 3



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,485 2,33

Ožujak 0,492 3,44

Travanj 0,450 4,17

Svibanj 0,491 5,36

Lipanj 0,498 5,77

Srpanj 0,538 6,01

Kolovoz 0,535 5,21

Rujan 0,483 3,67

Listopad 0,422 2,25

Studeni 0,389 1,40

Prosinac 0,397 1,15

Tablica 5. Prikaz indeksa jasnoće i GSZ pojedinih mjeseca u godini za grad Rijeku

(izvor NASA)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Rijeku (izvor NASA)

29



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,485 2,33

Ožujak 0,492 3,44

Travanj 0,450 4,17

Svibanj 0,491 5,36

Lipanj 0,498 5,77

Srpanj 0,538 6,01

Kolovoz 0,535 5,21

Rujan 0,483 3,67

Listopad 0,422 2,25

Studeni 0,389 1,40

Prosinac 0,397 1,15


(izvor RETScreen)

Sij Velj Ozu Tra Svi Lip Srp Kol Ruj Lis Stu Pro

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Rijeku (izvor RETScreen)

30



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,435 2,09

Ožujak 0,456 3,19

Travanj 0,493 4,56

Svibanj 0,487 5,31

Lipanj 0,549 6,36

Srpanj 0,592 6,62

Kolovoz 0,590 5,74

Rujan 0,541 4,11

Listopad 0,486 2,59

Studeni 0,391 1,41

Prosinac 0,410 1,19


(izvor PVGIS)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Rijeku (izvor PVGIS)

31



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,645 3,10

Ožujak 0,545 3,81

Travanj 0,521 4,82

Svibanj 0,504 5,50

Lipanj 0,499 5,79

Srpanj 0,544 6,08

Kolovoz 0,552 5,37

Rujan 0,605 4,60

Listopad 0,670 3,57

Studeni 0,563 2,03

Prosinac 0,583 1,69


(izvor DHMZ)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Rijeku (izvor DHMZ)

32

8.3 SPLIT-MARJAN

Koordinate koje je potrebno unijeti za grad Split (Marjan) su: 43⁰31' (Zemljopisna

širina), 16⁰26' (Zemljopisna dužina). 3



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,511 2,61

Ožujak 0,533 3,86

Travanj 0,507 4,77

Svibanj 0,548 6,01

Lipanj 0,590 6,85

Srpanj 0,631 7,08

Kolovoz 0,614 6,05

Rujan 0,579 4,53

Listopad 0,506 2,84

Studeni 0,445 1,74

Prosinac 0,442 1,42


(izvor NASA)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Rijeku (izvor NASA)

33



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,523 2,67

Ožujak 0,542 3,92

Travanj 0,544 5,12

Svibanj 0,584 6,41

Lipanj 0,614 7,12

Srpanj 0,623 6,99

Kolovoz 0,620 6,11

Rujan 0,609 4,76

Listopad 0,613 3,44

Studeni 0,529 2,07

Prosinac 0,489 1,57

Tablica 10. Prikaz indeksa jasnoće i GSZ pojedinih mjeseca u godini za grad Split

(izvor RETScreen)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Split (izvor RETScreen)

34



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,470 2,40

Ožujak 0,496 3,59

Travanj 0,542 5,10

Svibanj 0,563 6,17

Lipanj 0,596 6,92

Srpanj 0,662 7,43

Kolovoz 0,652 6,43

Rujan 0,601 4,70

Listopad 0,545 3,06

Studeni 0,460 1,80

Prosinac 0,461 1,48


(izvor PVGIS)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

Sre

dnja

snaga F

N m

odula

(kW

)

Mjeseci


Split (izvor PVGIS)

35



plohu [kWh/m2/d]


Veljača 0,745 3,80

Ožujak 0,631 4,57

Travanj 0,552 5,19

Svibanj 0,535 5,87

Lipanj 0,556 6,45

Srpanj 0,588 6,59

Kolovoz 0,619 6,10

Rujan 0,690 5,40

Listopad 0,805 4,52

Studeni 0,757 2,96

Prosinac 0,748 2,40


(izvor DHMZ)


0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

0,24

0,26

Sre

dn

ja s

na

ga

FN

mo

du

la (

kW

)

Mjeseci


Split (izvor DHMZ)

36

9. USPOREDBA REZULTATA

9.1 Usporedba podataka Sunčevog zračenja

Lokacija Mjesec

Prosječno GSZ (kWh/m2/d) Indeks jasnoće

NASA RETScreen PVGIS DHMZ NASA RETScreen PVGIS DHMZ

Zagreb

Siječanj 1,42 1,02 1,21 1,27 0,437 0,314 0,373 0,391

Veljača 2,33 1,95 1,80 2,01 0,493 0,413 0,381 0,425

Ožujak 3,44 2,96 3,15 3,39 0,497 0,427 0,455 0,489

Travanj 4,17 4,03 4,69 4,45 0,452 0,437 0,509 0,483

Svibanj 5,36 5,52 5,48 5,27 0,492 0,507 0,503 0,484

Lipanj 5,77 5,84 6,21 5,61 0,498 0,504 0,536 0,484

Srpanj 6,01 5,86 6,28 5,88 0,538 0,525 0,562 0,526

Kolovoz 5,21 5,02 5,47 5,19 0,537 0,517 0,564 0,535

Rujan 3,67 3,52 3,86 4,44 0,487 0,467 0,512 0,589

Listopad 2,25 2,20 2,45 2,88 0,429 0,419 0,467 0,549

Studeni 1,40 1,09 1,36 1,49 0,398 0,310 0,386 0,423

Prosinac 1,15 0,73 0,99 0,94 0,408 0,259 0,351 0,334

Godišnje 3,51 3,31 3,58 3,57 0,472 0,425 0,466 0,476

Rijeka

Siječanj 1,42 1,42 1,29 1,93 0,427 0,427 0,388 0,580

Veljača 2,33 2,33 2,09 3,10 0,485 0,485 0,435 0,645

Ožujak 3,44 3,44 3,19 3,81 0,492 0,492 0,456 0,545

Travanj 4,17 4,17 4,56 4,82 0,450 0,450 0,493 0,521

Svibanj 5,36 5,36 5,31 5,50 0,491 0,491 0,487 0,504

Lipanj 5,77 5,77 6,36 5,79 0,498 0,498 0,549 0,499

Srpanj 6,01 6,01 6,62 6,08 0,538 0,538 0,592 0,544

Kolovoz 5,21 5,21 5,74 5,37 0,535 0,535 0,590 0,552

Rujan 3,67 3,67 4,11 4,60 0,483 0,483 0,541 0,605

Listopad 2,25 2,25 2,59 3,57 0,422 0,422 0,486 0,670

Studeni 1,40 1,40 1,41 2,03 0,389 0,389 0,391 0,563

Prosinac 1,15 1,15 1,19 1,69 0,397 0,397 0,410 0,583

Godišnje 3,51 3,51 3,70 4,02 0,467 0,467 0,484 0,567

Split

Siječanj 1,74 1,71 1,63 2,76 0,478 0,470 0,448 0,758

Veljača 2,61 2,67 2,40 3,80 0,511 0,523 0,470 0,745

Ožujak 3,86 3,92 3,59 4,57 0,533 0,542 0,496 0,631

Travanj 4,77 5,12 5,10 5,19 0,507 0,544 0,542 0,552

Svibanj 6,01 6,41 6,17 5,87 0,548 0,584 0,563 0,535

Lipanj 6,85 7,12 6,92 6,45 0,590 0,614 0,596 0,556

Srpanj 7,08 6,99 7,43 6,59 0,631 0,623 0,662 0,588

Kolovoz 6,05 6,11 6,43 6,10 0,614 0,620 0,652 0,619

Rujan 4,53 4,76 4,70 5,40 0,579 0,609 0,601 0,690

Listopad 2,84 3,44 3,06 4,52 0,506 0,613 0,545 0,805

Studeni 1,74 2,07 1,80 2,96 0,445 0,529 0,460 0,757

Prosinac 1,42 1,57 1,48 2,40 0,442 0,489 0,461 0,748

Godišnje 4,12 4,32 4,22 4,72 0,532 0,572 0,541 0,665

Tablica 12. Usporedba prosječnih GSZ i indeksa jasnoće dobivenih iz četiri različita

izvora za tri grada

37

Tablica 13. Relativno odstupanje tri različita izvora podataka prosječnog dnevnog

Sunčevog zračenja na horizontalnu površinu od podataka DHMZ-a

Lokacija Mjesec

Relativno odstupanje prosječnog dnevnog Sunčevog zračenja od podataka DHMZ-a (%)

NASA RETScreen PVGIS

Zagreb

Siječanj + 11,8 - 19,7 - 4,7

Veljača + 15,9 - 3,0 - 10,4

Ožujak + 1,5 - 12,7 - 7,1

Travanj - 6,3 - 9,4 + 5,4

Svibanj + 1,7 + 4,7 + 4,0

Lipanj + 2,8 + 4,1 + 10,7

Srpanj + 2,2 - 0,3 + 6,8

Kolovoz + 0,4 - 3,3 + 5,4

Rujan - 17,3 - 20,7 - 13,1

Listopad - 21,9 - 23,6 - 14,9

Studeni - 6,0 - 26,8 - 8,7

Prosinac + 22,3 - 22,3 + 5,3

Godišnje - 1,7 - 7,3 + 0,3

Rijeka

Siječanj - 26,4 - 26,4 - 33,2

Veljača - 24,8 - 24,8 - 32,6

Ožujak - 9,7 - 9,7 - 16,3

Travanj - 13,5 - 13,5 - 5,4

Svibanj - 2,5 - 2,5 - 3,4

Lipanj - 0,3 - 0,3 + 9,8

Srpanj - 1,1 - 1,1 + 8,9

Kolovoz - 3,0 - 3,0 + 6,9

Rujan - 20,2 - 20,2 - 10,6

Listopad - 37,0 - 37,0 - 27,4

Studeni - 31,0 - 31,0 - 30,5

Prosinac - 31,9 - 31,9 - 29,6

Godišnje - 12,7 - 12,7 - 8,0

Split

Siječanj - 36,9 - 38,0 - 40,9

Veljača - 31,3 - 29,7 - 36,8

Ožujak - 15,5 - 14,2 - 21,4

Travanj - 8,1 - 1,3 - 1,7

Svibanj + 2,4 + 9,2 + 5,1

Lipanj + 6,2 + 10,4 + 7,3

Srpanj + 7,4 + 6,1 + 12,7

Kolovoz - 0,8 + 0,2 + 5,4

Rujan - 0,2 - 11,8 - 13,0

Listopad - 0,4 - 23,9 - 32,3

Studeni - 41,2 - 30,1 - 39,1

Prosinac - 31,9 - 34,6 - 11,8

Godišnje - 12,7 - 8,5 - 10,6

38

9.2 Usporedba proizvedene električne energije

Lokacija Mjesec

Količina prosječne proizvedene električne energije (kWh)

NASA RETScreen PVGIS DHMZ

Zagreb

Siječanj 67 37 52 59

Veljača 81 67 60 67

Ožujak 112 89 97 104

Travanj 101 94 115 108

Svibanj 119 126 126 119

Lipanj 122 122 130 115

Srpanj 134 134 141 134

Kolovoz 134 126 134 126

Rujan 108 101 115 130

Listopad 74 74 82 104

Studeni 58 43 58 65

Prosinac 52 22 45 37

Godišnje 1162 1035 1155 1168

Rijeka

Siječanj 67 67 60 97

Veljača 81 81 74 121

Ožujak 104 104 97 119

Travanj 101 101 108 115

Svibanj 119 119 119 126

Lipanj 122 122 130 122

Srpanj 134 134 149 134

Kolovoz 126 126 141 134

Rujan 108 108 122 137

Listopad 74 74 89 141

Studeni 58 58 58 94

Prosinac 52 52 59 97

Godišnje 1146 1146 1206 1437

Split

Siječanj 74 74 74 149

Veljača 87 87 81 148

Ožujak 119 119 112 149

Travanj 115 122 122 130

Svibanj 134 141 141 134

Lipanj 144 144 144 137

Srpanj 156 156 164 149

Kolovoz 149 156 164 156

Rujan 130 137 137 158

Listopad 97 126 104 186

Studeni 72 86 72 144

Prosinac 67 74 67 134

Godišnje 1344 1422 1382 1774

Tablica 14. Usporedba prosječno dobivenih električnih energija iz četiri izvora

podataka

39

Lokacija Mjesec

Relativno odstupanje prosječne dnevne proizvodnje električne energije od podataka DHMZ-a (%)

NASA RETScreen PVGIS

Zagreb

Siječanj + 13,5 - 37,3 - 11,9

Veljača + 20,9 0 - 10,4

Ožujak + 7,7 - 14,4 - 6,7

Travanj - 6,5 - 13 + 6,5

Svibanj 0 + 5,9 + 5,9

Lipanj + 6,1 + 6,1 + 13,0

Srpanj 0 0 + 5,2

Kolovoz + 6,3 0 + 6,3

Rujan - 17 - 22,3 - 11,5

Listopad - 28,8 - 28,8 - 21,1

Studeni - 10,8 - 33,8 - 10,8

Prosinac + 40,5 - 40,5 + 21,6

Godišnje - 0,5 - 11,4 - 1,1

Rijeka

Siječanj - 30,9 - 30,9 - 38,1

Veljača - 33,0 - 33,0 - 38,8

Ožujak - 12,6 - 12,6 - 18,5

Travanj - 12,2 - 12,2 - 6,1

Svibanj - 5,5 - 5,5 - 5,5

Lipanj 0 0 + 6,5

Srpanj 0 0 + 11,2

Kolovoz - 6,0 - 6,0 + 5,2

Rujan - 21,2 - 21,2 - 10,8

Listopad - 47,5 - 47,5 - 36,9

Studeni - 38,3 - 38,3 - 38,3

Prosinac - 46,4 - 46,4 - 39,1

Godišnje - 20,2 - 20,2 - 16,1

Split

Siječanj - 50,3 - 50,3 - 50,3

Veljača - 41,2 - 41,2 - 45,3

Ožujak - 20,1 - 20,1 - 24,8

Travanj - 11,5 - 6,1 - 6,1

Svibanj 0 + 5,2 + 5,2

Lipanj + 5,1 + 5,1 + 5,1

Srpanj + 4,7 + 4,7 + 10,1

Kolovoz - 4,5 + 4,7 + 10,1

Rujan - 17,7 - 13,3 - 13,3

Listopad - 47,8 - 32,3 - 44,1

Studeni - 0,5 - 40,3 - 0,5

Prosinac - 0,5 - 44,8 - 0,5

Godišnje - 24,2 - 19,8 - 22,1

Tablica 15. Relativno odstupanje dobivene prosječne dnevne električne energije iz tri

različita izvora Sunčevih podataka od podataka DHMZ-a

40

Zagreb Rijeka Split

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

1400

1450

1500

1550

1600

1650

1700

1750

1800

kW

h

NASA

RETScreen

PVGIS

DHMZ

Graf 12. Usporedba proizvedenih električnih energija fotonaponskog modula

dobivenih pomoću četiri različitih izvora Sunčevih podataka

41

10. ZAKLJUČAK

Podatci o Sunčevom zračenju potrebni su u svim stadijima razvoja fotonaponskog

modela i njegova dizajna. Zbog toga, bitno je prepoznati razliku u vrijednostima

ozračenosti iz različitih izvora Sunčevih podataka. Cilj ovog zadatka bilo je analizirati

odstupanje globalnog horizontalnog zračenja te odstupanje proizvedene električne

energije iz fotonaponskog modula snage 1kW u programskom paketu HOMER. Za

potrebe zadatka odabrane su tri lokacije u Republici Hrvatskoj: grad Zagreb, grad

Rijeka i grad Split. Na temelju dobivenih rezultata može se zaključiti da su godišnje

prosječne vrijednosti dnevnog Sunčevog zračenja za grad Zagreb 1,7 i 7,3 % manje

od DHMZ podataka ako se uzmu u obzir podatci NASE i RETScreen-a a 0,3% veći

ako se uzmu obzir PVGIS podatci. Što se tiče grada Rijeke, godišnje prosječne

vrijednosti dnevnog Sunčevog zračenja su 12,7 % manje od DHMZ podataka ako se

uzmu u obzir podatci NASE i RETScreen-a a 8,0 % manji ako se uzmu u obzir

PVGIS podatci. Godišnje prosječne vrijednosti dnevnog Sunčevog zračenja za grad

Split su 12,7, 8,5 i 10,6 % manji od podataka DHMZ-a ako se uzmu u obzir podatci

NASE, RETScreen-a i PVGIS-a. Na temelju ovih podataka može se zaključiti, da u

prosjeku, podatci PVGIS-a najmanje odstupaju od podataka DHMZ-a što se tiče

vrijednosti globalnog Sunčevog zračenja na horizontalnu plohu. Što se tiče

odstupanja vrijednosti ukupne prosječne proizvedene električne energije iz

fotonaponskog modula snage 1kW za grad Zagreb, temeljenih na Sunčevim

podatcima NASE, REScreen-a i PVGIS-a, vrijednosti su za 0,5, 11,4 i 1,1 % manje

od vrijednosti DHMZ-a. Za grad Rijeku, odstupne vrijednosti ukupne prosječne

proizvedene električne energije iz fotonaponskog modula snage 1 kW, temeljenih na

Sunčevim podatcima NASE, RETScreen-a i PVGIS-a, su 20,2, 20,2 i 16,1 % manje

od vrijednosti DHMZ-a. Odstupne vrijednosti ukupne prosječne proizvedene

električne energije iz fotonaponskog modula snage 1kW za grad Split, temeljenih na

Sunčevim podatcima NASE, RETScreen-a i PVGIS-a, su za 24,2, 19,8 i 22,1 %

manje od vrijednosti DHMZ-a. Na temelju ovih podataka može se zaključiti, da u

prosjeku, podatci PVGIS-a najmanje odstupaju od podataka DHMZ-a što se tiče

vrijednosti proizvedene električne energije iz fotonaponskog modula snage 1 kW. Iz

dobivenih rezultata vidljivo je da dolazi do odstupanja mjesečne i godišnje

proizvedene električne energije od referentnih podataka DHMZ-a.

42

Odstupanja su mnogo veća na mjesečnoj nego na godišnjoj razini. Iz navedenih

saznanja može se zaključiti,da u prosjeku, podatci PVGIS-a najmanje odstupaju od

podataka DHMZ-a.

43

11. IZVORI

[1] Majdandžić, Lj. : Fotonaponski sustavi

[2] Twidell, J. & Weir, T. - Renewable Energy Resources (Taylor & Francis, 2nd ed._

2006)

[3] Matić, Z.: Sunčevo zračenje na području Republike Hrvatske, EIHP Zagreb, 2007.

[4] Andrassy, M..: Uporaba sunčeve energije za grijanje vode, prostora i proizvodnju

električne energije, FSB Zagreb, 2010.

[5] https://www.kippzonen.com/Product/14/CMP21-Pyranometer (pristup 15. lipnja

2020.)

[6] https://learnengineering.org/how-do-solar-cells-work.html (pristup 10. lipnja 2020.)

[7] https://www.obnovljivi.com/energija-sunca/53-moderni-nacini-pretvorbe-energije-

sunca-u-elektricnu-energiju-fotonapon?start=1 (pristup 10. svibnja 2020.)

[8] http://www.irena-istra.hr/uploads/media/Fotonaponski_sustavi.pdf (pristup 7.

svibnja 2020.)

[9] Karlović, I., Modeliranje proizvodnje električne energije iz energije Sunca (2008.)

[10] https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/solar_energy_section_9_1_9_3.pdf

(pristup 25. svibnja 2020.)

[11] https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/monocrystalline-silicon-cells/

(pristup 12. lipnja 2020.)

[12] https://pixels.com/featured/polycrystalline-silicon-solar-cell-antonio-romero.html


[13] Farret, F; Godoy Simoes, M: „Integration of Alternative Sources of Energy“ – 15.

poglavlje, IEEE, John Wiley & Sons, 2006.

[14] Pavlovic,M.T.,et al.: Simulation of Photovoltaic Systems Electricity Generation

Using Homer Software in Specific Locations in Serbia

[15] Vinceković, L., Analiza proizvodnje električne energije iz sunčanih elektrana u

Republici Hrvatskoj (2016.)

[16] https://meteo.hr/o_nama.php (pristup 15. lipnja 2020.)

[17] https://www.homerenergy.com/products/pro/docs/latest/pv_derating_factor.html


https://www.kippzonen.com/Product/14/CMP21-Pyranometer

https://learnengineering.org/how-do-solar-cells-work.html

https://www.obnovljivi.com/energija-sunca/53-moderni-nacini-pretvorbe-energije-sunca-u-elektricnu-energiju-fotonapon?start=1%20

https://www.obnovljivi.com/energija-sunca/53-moderni-nacini-pretvorbe-energije-sunca-u-elektricnu-energiju-fotonapon?start=1%20

http://www.irena-istra.hr/uploads/media/Fotonaponski_sustavi.pdf

https://ocw.tudelft.nl/wp-content/uploads/solar_energy_section_9_1_9_3.pdf

https://sinovoltaics.com/learning-center/solar-cells/monocrystalline-silicon-cells/

https://pixels.com/featured/polycrystalline-silicon-solar-cell-antonio-romero.html

https://meteo.hr/o_nama.php

https://www.homerenergy.com/products/pro/docs/latest/pv_derating_factor.html

44

[18 ]https://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/azimuth-angle


[19] https://www.futurasun.com/en/2018/11/06/temperature-coefficient/ (pristup 21.

lipnja 2020.)

https://www.pveducation.org/pvcdrom/properties-of-sunlight/azimuth-angle

https://www.futurasun.com/en/2018/11/06/temperature-coefficient/

45

12. POPIS OZNAKA

FN fotonaponski

GSZ globalno Sunčevo zračenje

46

13. ŽIVOTOPIS

Rođen sam 22. siječnja 1995. godine u Zagrebu. Završio sam gimnaziju "Tituš

Brezovački" u Zagrebu 2013. godine. Na fakultetu kemijskog inženjerstva i

tehnologije studiram od rujna 2013. godine.

ivan antonio mihalak

Documents