modeliranje proizvodnje električne energije iz energije sunca · energije je njezina izravna...
TRANSCRIPT
SVEUČILIŠTE U ZAGREBU
FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA
DIPLOMSKI RAD br. 131
MODELIRANJE PROIZVODNJE ELEKTRIČNE ENERGIJE IZ ENERGIJE
SUNCA
Ivan Karlović
Zagreb, rujan 2008.
Ivan Karlović
0036397852
i
Sažetak
U ovom diplomskom radu je razmatran utjecaj različitih izvora solarnih podataka
na modeliranje fotonaponskog sustava i predviđanje proizvodnje električne
energije iz fotonaponskog sustava. Razmatrane su tri različite lokacije u Republici
Hrvatskoj. Za svaku od te tri lokacije je proveden proračun u besplatnom
računalnom simulacijskom programu HOMER. Podaci potrebni za proračun,
globalna ozračenost na horizontalnu plohu, indeks prozirnosti i optimalni kut
nagiba, preuzeti su iz četiri različita izvora. Radi lakše usporedbe konačnih
rezultata, konfiguracija fotonaponskog sustava je u svim slučajevima bila ista.
Usporedba rezultata očekivano pokazuje da proizvodnja električne energije
najviše ovisi o lokaciji gdje je instaliran fotonaponski sustav, ali i da utjecaj solarnih
podataka iz različitih izvora nije nezanemariv.
ii
Sadržaj
1. Uvod .......................................................................................................... 1
2. Solarna energija ........................................................................................ 3
2.1. Najvažniji pojmovi ............................................................................... 3
2.2. Mjerenje sunčevog zračenja ............................................................... 4
2.3. Iskorištavanje energije Sunca ............................................................. 6
2.3.1. Solarni kolektori - pripremanje vruće vode i zagrijavanje ............. 7
2.3.2. Fotonaponske ćelije - direktna pretvorba sunčeve energije u
električnu energiju ........................................................................................... 8
2.3.3. Fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim
postrojenjima ................................................................................................... 9
3. Fotonaponske ćelije ................................................................................ 11
3.1. Princip rada ...................................................................................... 11
3.2. Vrste fotonaponskih ćelija ................................................................. 14
3.2.1. FN ćelije od monokristalnog (c-Si) silicija ................................... 14
3.2.2. FN ćelije izrađene od polikristalnog (p-Si) silicija ....................... 16
3.2.3. FN ćelije izrađene od amorfnog (a-Si) silicija ............................. 17
3.2.4. Polikristalne tankoslojne FN ćelije .............................................. 19
3.2.5. Monokristalne tankoslojne FN ćelije i multijunction struktrue ..... 21
4. Fotonaponski sustavi ............................................................................... 23
4.1. Fotonaponski modul ......................................................................... 23
4.2. Ostale komponente ........................................................................... 24
4.3. Vrste FN sustava .............................................................................. 25
5. HOMER ................................................................................................... 28
5.1. Simulacija ......................................................................................... 30
5.2. Optimizacija ...................................................................................... 32
iii
5.3. Analiza osjetljivosti ............................................................................ 32
6. Izvori podataka ........................................................................................ 34
6.1. NASA – Surface meteorology and solar energy database ................ 34
6.2. RETScreen – clean energy project analysis software ....................... 38
6.3. PV GIS – Photovoltaic Geographical Information System ................ 42
6.4. DHMZ – Državni Hidrometeorloški Zavod ........................................ 47
7. Projektni zadatak ..................................................................................... 49
7.1. Zadatak ............................................................................................. 49
7.2. Definiranje parametara FN sustava i mreže u HOMER-u ................. 50
7.2.1. Definiranje parametara mreže .................................................... 50
7.2.2. Definiranje parametara fotonaponskog modula .......................... 54
7.2.3. Definiranje parametara pretvarača ............................................. 56
7.2.4. Definiranje troškova projekta ...................................................... 58
7.2.5. Definiranje podataka o intenzitetu Sunčeva zračenja ................ 59
8. ZAGREB ................................................................................................. 62
8.1. Zagreb 1: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka NASA .................... 62
8.2. Zagreb 2: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka RETScreen ........... 64
8.3. Zagreb 3: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka PVGIS ................... 67
8.4. Zagreb 4: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka DHMZ ................... 70
8.5. Usporedba rezultata za grad Zagreb ................................................ 73
9. SENJ ....................................................................................................... 79
9.1. Senj 1: Lokacija grad Senj, izvor podataka NASA ............................ 79
9.2. Senj 2: Lokacija grad Senj, izvor podataka RETScreen ................... 80
9.3. Senj 3: Lokacija grad Senj, izvor podataka PV GIS .......................... 81
9.4. Senj 4: Lokacija grad Senj, izvor podataka DHMZ ............................ 82
9.5. Usporedba rezultata za grad Senj .................................................... 83
iv
10. SPLIT ...................................................................................................... 89
10.1. Split 1: Lokacija grad Split, izvor podataka NASA ............................. 89
10.2. Split 2: Lokacija grad Split, izvor podataka RETSCreen ................... 90
10.3. Split 3: Lokacija grad Split, izvor podataka PV GIS .......................... 91
10.4. Split 4: Lokacija grad Split, izvor podataka DHMZ ............................ 92
10.5. Usporedba rezultata za grad Split ..................................................... 93
11. Zaključak ................................................................................................. 99
12. Literatura ............................................................................................... 100
v
Popis oznaka i kratica
FN fotonaponski PV engl. photovoltaic HOMER engl. Hybrid Optimization Model for Electric Renewables SSE engl. Surface meteorology and Solar Energy PVGIS engl. Photovoltaic Geographical Information System RH Republika Hrvatska WRDC engl. World Radiation Data Centre DHMZ Državni Hidrometeorološki Zavod ZG Zagreb ST Split PU Pula NREL engl. National Renewable Energy Laboratory NASA engl. National Aeronautics and Space Administration SRB engl. Surface Radiation Budget ISCCP engl. International Satellite Cloud Climatology Project POWER engl. Prediction Of Worldwide Energy Resource GEOS4 engl. Goddard Earth Observing System – version 4 CERES engl. Canadian renewable energy wind and solar resources SAMSON engl. Solar and Meteorological Surface Observation Network CLINO engl. Climatological Normals SOLAREC engl. Solar Electricity Action ESRA engl. European Solar Radiation Atlas USGS SRTM engl. United States Geological Survey – Shuttle Radar
Topography Mission GISCO engl. Geographic Information System of the European
Commission VMAP0 engl. Vector Map Level 0 ESRI engl. Environmental Systems Research Institute SMO Svjetska meteorološka organizacija GMT engl. Greenwich Mean Time MPPT engl. Maximum Power Point Tracking DC istosmjerna struja (engl. direct current) AC izmjenična struja (engl. alternating current)
vi
Popis tablica
Tablica 1. Tarifni modeli za kupce na niskom naponu [28] ............................... 51
Tablica 2. Visine tarifnih stavki [29] .................................................................. 52
Tablica 3. Investicijski troškovi fotonaponskog sustava [30] ............................ 56
Tablica 4. Troškovi investicije, rada i održavanja pretvarača [30] .................... 57
Tablica 5. Podaci koje je potrebno upisati ........................................................ 62
Tablica 6. Podaci koje HOMER automatski preuzima s interneta (Zagreb) ..... 62
Tablica 7. Ulazni podaci (ZG, DHMZ) .............................................................. 70
Tablica 8. Usporedba rezultata (Zagreb) .......................................................... 73
Tablica 9. Usporedba proizvodnje električne energije (Zagreb) ....................... 75
Tablica 10. Ulazni podaci (SENJ, DHMZ) ........................................................ 82
Tablica 11. Usporedba rezultata (Senj) ............................................................ 83
Tablica 12. Usporedba proizvodnje električne energije (Senj) ......................... 85
Tablica 13. Ulazni podaci (ST, DHMZ) ............................................................. 92
Tablica 14. Usporedba rezultata (Split) ............................................................ 93
Tablica 15. Usporedba proizvodnje električne energije (Split) ......................... 95
vii
Popis slika
Slika 1. Utjecaj atmosfere na upadno Sunčevo zračenje [1] .............................. 4
Slika 2. Piranometar [3] ...................................................................................... 5
Slika 3. Solarni kolektor [6] ................................................................................. 7
Slika 4. Fotonaponske ćelije [7] .......................................................................... 8
Slika 5. „Power tower“ [8] ................................................................................... 9
Slika 6. Shema „Power Tower“ elektrane [9] .................................................... 10
Slika 7. Fotoelektrična konverzija u PN spoju [11] ........................................... 12
Slika 8. Struktura i izgled monokristalne (c-Si) ćelije [12] ................................. 15
Slika 9. Polikristalna FN ćelija (p-Si) [14] ......................................................... 16
Slika 10. Fleksibilni FN moduli od amorfnog silicija (a-Si) [15] ......................... 17
Slika 11. Struktura amorfne (a-Si) ćelije [12] .................................................... 18
Slika 12. Struktura polikristalne tankoslojne FN ćelije [12] ............................... 20
Slika 13. Struktura multijunciton FN ćelije i proces apsorbiranja svjetlosti [12] 21
Slika 14. FN ćelija od Galij-Arsenida [18] ......................................................... 22
Slika 15. Presjek FN modula [19] ..................................................................... 23
Slika 16. Samostalni FN sustav [21] ................................................................. 26
Slika 17. Mrežni FN sustav [21] ........................................................................ 27
Slika 18. Veza između procesa simulacije, optimizacije i analize osjetljivosti [22]
............................................................................................................................. 29
Slika 19. Primjeri mikroenergetskih sustava u HOMER-u [22] ......................... 31
Slika 20. SSE web stranica (http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/) ........................ 35
Slika 21. Primjer mreže [24] ............................................................................. 36
Slika 22. SSE baza podataka dostupna preko Interneta iz HOMER-a ............. 37
Slika 23. RETScreen sučelje ............................................................................ 39
Slika 24. Mjerne postaje diljem svijeta [25] ...................................................... 40
viii
Slika 25. PV GIS web sučelje [26] .................................................................... 42
Slika 26. WRDC mjerne postaje (1964-1993) [26] ........................................... 43
Slika 27. Godišnja ozračenost na horizontalnu plohu za RH [26] ..................... 46
Slika 28. Karta glavnih meteoroloških postaja [27] ........................................... 47
Slika 29. Prikaz komponenti fotonaponskog sustava u HOMER-u ................... 50
Slika 30. Prikaz tarife ....................................................................................... 52
Slika 31. „PV inputs“ prozor ............................................................................. 54
Slika 32. „Converter inputs“ prozor ................................................................... 57
Slika 33. Prikaz troškova projekta .................................................................... 58
Slika 34. Primjer podataka za grad Zagreb ...................................................... 59
Slika 35. Srednja godišnja ukupna ozračenost vodoravne plohe [1] ................ 60
Slika 36. Godišnji prikaz globalnog Sunčevog zračenja za grad Zagreb .......... 61
Slika 37. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, NASA) ............................ 63
Slika 38. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, NASA) ........................ 63
Slika 39. Podaci za grad Zagreb (RETScreen) ................................................ 64
Slika 40. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, RETScreen) ................................. 65
Slika 41. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, RETScreen) ................... 66
Slika 42. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, RETScreen) ................ 66
Slika 43. Podaci za grad Zagreb (PV GIS) ....................................................... 67
Slika 44. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, PV GIS) ....................................... 68
Slika 45. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, PV GIS) .......................... 69
Slika 46. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, PV GIS) ...................... 69
Slika 47. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, DHMZ) ......................................... 71
Slika 48. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, DHMZ) ........................... 72
Slika 49. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, DHMZ) ........................ 72
Slika 50. Usporedba indeksa prozirnosti (Zagreb) ........................................... 74
ix
Slika 51. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Zagreb) ........................... 74
Slika 52. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Zagreb) ..................................... 75
Slika 53. Mjesečna proizvodnja električne energije (Zagreb) ........................... 77
Slika 54. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Zagreb) ... 77
Slika 55. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema
DHMZ proračunu (Zagreb) ................................................................................... 78
Slika 56. Ulazni podaci (SENJ, NASA) ............................................................. 79
Slika 57. Ulazni podaci (SENJ, RETScreen) .................................................... 80
Slika 58. Ulazni podaci (SENJ, PV GIS) .......................................................... 81
Slika 59. Usporedba indeksa prozirnosti (Senj) ................................................ 84
Slika 60. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Senj) ............................... 84
Slika 61. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Senj) ......................................... 85
Slika 62. Mjesečna proizvodnja električne energije (Senj) ............................... 87
Slika 63. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Senj) ....... 87
Slika 64. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema
DHMZ proračunu (Senj) ....................................................................................... 88
Slika 65. Ulazni podaci (ST, NASA) ................................................................. 89
Slika 66. Ulazni podaci (ST, RETScreen) ........................................................ 90
Slika 67. Ulazni podaci (ST, PVGIS) ................................................................ 91
Slika 68. Usporedba indeksa prozirnosti (Split) ................................................ 94
Slika 69. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Split) ............................... 94
Slika 70. Relativna razlika ozračenosti ( u %) (Split) ........................................ 95
Slika 71. Mjesečna proizvodnja električne energije (Split) ............................... 97
Slika 72. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Split) ....... 97
Slika 73. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema
DHMZ proračunu (Split) ....................................................................................... 98
Uvod
1
1. Uvod
Većina oblika energije na Zemlji nastala je djelovanjem Sunčevog zračenja.
Vjetar i sve vodne snage, energija valova i biomasa koja nastaje u procesu
fotosinteze, posljedica su Sunčevog zračenja. Ugljen, nafta i prirodni plin su fosilna
goriva, nastala iz nekad žive tvari, biljaka i životinja, koji su fotosintezom pretvarali
Sunčevo zračenje u biomasu. Tijekom milijuna godina, pod posebni uvjetima u
Zemljinoj kori, takva biomasa se u procesima pougljenjivanja i bitumeniziranja
pretvorila u ugljen, naftu i prirodni plin. Fosilna goriva su neobnovljivi oblici
energije, njihove su rezerve ograničene i jednog dana će biti iscrpljene. [1]
U novije vrijeme sve se više pažnje usmjerava na iskorištavanje Sunčeve
energije što je posljedica sve jasnije spoznaje brojnih nedostataka
konvencionalnih izvora. Jedan od najzanimljivijih načina iskorištavanja Sunčeve
energije je njezina izravna pretvorba u električnu energiju pomoću fotonaponskih
ćelija temeljena na fotonaponskom efektu – kada se Sunčevo zračenje apsorbira u
fotonaponskoj ćeliji, na njezinim se krajevima pojavljuje elektromotorna sila tako
da se ćelija obasjana Sunčevim zračenjem može upotrijebiti kao izvor električne
energije.
Primjena fotonaponskih ćelija započela je 50.-ih godina prošlog stoljeća i bila je
vezana uz svemirska istraživanja. One su se tada pokazale kao idealno rješenje
za opskrbu svermirskih letjelica električnom energijom. Njihovu masovniju
primjenu onemogućavala je izrazito visoka cijena. Energetska kriza 1973. godine
rezultirala je intenzivnijim istraživanjima i ispitivanjima fotonaponskih ćelija u
zemaljskim primjenama. Tada su, naime, postali sagledivi problemi energije u
budućnosti i javila se potreba za pronalaskom novih energetskih izvora.
Danas su još uvijek najčešće korišteni izvori energije fosilna goriva: ugljen,
nafta i prirodni plin. Njihovi su najveći nedostaci ekološke prirode jer
sagorijevanjem fosilnih goriva dolazi do onečišćenja zraka čime štetno utječu na
biljni i životinjski svijet i na zdravlje ljudi. Osim toga, uzrokuju nakupljanje
stakleničkih plinova u atmosferi što dovodi do klimatskih promjena i globalnog
zagrijavanja, tzv. „efekt staklenika“. Konačno, s porastom broja ljudi rastu i zahtjevi
Uvod
2
za energijom te se fosilna goriva sve više crpe, tj. njihove se zalihe ubrzano
smanjuju.
Sve su to razlozi zbog kojih alternativni izvori energije, pa tako i Sunčeva
energija, postaju sve zanimljiviji za iskorištavanje. Sunčevo zračenje je gotovo
neiscrpan izvor energije koja se fotonaponskom pretvorbom pomoću
fotonaponskih ćelija izravno pretvara u električnu energiju bez zagađenja okoliša,
buke i pokretnih dijelova. Fotonaponske ćelije su pouzdane u radu, imaju vijek
trajanja od 20-ak i više godina i zahtijevaju minimalno održavanje. Glavni im je
nedostatak još uvijek previsoka cijena zbog koje nisu konkurentne
konvencionalnim izvorima, ali im cijena ipak konstantno pada. Istraživanja koja se
provode uglavnom su orijentirana na pojednostavljenje tehnologije proizvodnje i
pronalazak novih materijala te bi na taj način sniženjem cijene i povećanjem
efikasnosti fotonaponskih ćelija bio otvoren put njihovoj masovnijoj primjeni.
Iako je trenutno doprinos fotonaponskih ćelija energetskim potrebama
zanemariv, one imaju vrlo važnu ulogu u mnogim primjenama. Primjerice, danas je
primjena fotonaponskih ćelija nezaobilazna u satelitima i svemirskim letjelicama.
Njihove zemaljske primjene uglavnom su ograničene na mjesta gdje nisu dostupni
drugi izvori električne energije kao što su udaljeni telekomunikacijski sustavi (npr.
na otocima), svjetionici, sustavi za navodnjavanje i dr. [2]
Fotonaponske ćelije su izuzetno pouzdani, dugotrajni i tihi uređaji za
proizvodnju električne energije, naročito pogodni za osiguravanje napajanja na
izdvojenim lokacijama bez pristupa elektroenergetskoj mreže, a korištenjem
Sunčeve energije smanjuje se potreba za fosilnim gorivima, kao i onečišćenje
okoliša prouzročeno njihovim izgaranjem. [1]
Solarna energija
3
2. Solarna energija
2.1. Najvažniji pojmovi
Ozračenje (iradijancija) je gustoća energetskog toka Sunčevog zračenja i
jednaka je omjeru energetskog toka Sunčevog zračenja i površine plohe okomite
na smjer tog zračenja. Jedinica za ozračenje je vat po četvornom metru (W/m2).
Ozračenost (iradijacija) je gustoća dozračene energije koja u promatranom
vremenu upadne na jediničnu površinu plohe. Dobiva se integriranjem ozračenja
po vremenu, a jedinica za ozračenost je vat sat po četvornom metru (Wh/m2) ili
džul po četvornom metru (J/m2). Ovisno o promatranom vremenskom intervalu
ozračenost se često naziva satna, dnevna, mjesečna ili godišnja.
Trajanje osunčavanja (skraćeno samo osunčavanje, trajanje sijanja Sunca,
insolacija) je razdoblje u kojem je izravno Sunčevo ozračenje veće od 120 W/m2.
Osunčavanje se mjeri u satima.
Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca možemo smatrati da se Sunčevo
zračenje prije ulaska u atmosferu sastoji od snopa paralelnih elektromagnetskih
valova. Na putu kroz atmosferu Sunčevo zračenje slabi jer se apsorbira zbog
interakcija s plinovima i vodenom parom i raspršuje na molekulama plinova i
česticama prašine. Zbog toga Sunčevo zračenje do tla dospijeva kao izravno i kao
raspršeno zračenje. Na slici 1. je prikazana bilanca Sunčevog zračenja na putu
kroz atmosferu.
Izravno (direktno) Sunčevo zračenje dolazi izravno iz prividnog smjera Sunca.
Raspršeno (difuzno) Sunčevo zračenje nastaje raspršenjem Sunčevog
zračenja u atmosferi i do tla dopire iz svih smjerova neba.
Ukupno (globalno) Sunčevo zračenje na vodoravnoj plohi sastoji se od
izravnog i raspršenog Sunčevog zračenja. Nagnuta ploha osim izravnog i
raspršenog zračenja prima i od tla odbijeno Sunčevo zračenje.
Solarna energija
4
Odbijeno (reflektirano) Sunčevo zračenje je dio Sunčevog zračenja koji se
odbije od tla ili vodenih površina. Ukupno sunčevo zračenje na nagnutu plohu
sastoji se od izravnog, raspršenog i od tla odbijenog zračenja. [1]
Slika 1. Utjecaj atmosfere na upadno Sunčevo zračenje [1]
2.2. Mjerenje sunčevog zračenja
Solarna energija
5
Mjerenje Sunčevog zračenja obuhvaća kratkovalno zračenje koje prolazi kroz
atmosferu kao izravno ili raspršeno zračenje te dugovalno zračenje Zemlje i
atmosfere. Za praktično korištenje energije Sunčevog zračenja važna su mjerenja
ukupnog, raspršenog i izravnog ozračenja vodoravne plohe. Najčešće se mjeri
trajanje sijanja Sunca iz kojeg se u nedostatku mjerenja Sunčevog zračenja može
procijeniti ozračenost.
Ukupno (globalno) Sunčevo zračenje na vodoravnu plohu iz prostornog kuta 2π
steradijana sastoji se od zračenja koje ploha izravno primi s površine Sunčevog
diska i raspršenog zračenja neba. Instrument koji mjeri zračenje iz prostornog kuta
2π steradijana na plohu u valnom području između 0,3 do 3,0 µm je piranometar
(slika 2).
Slika 2. Piranometar [3]
Na idealno odabranoj lokaciji instrument ne bi trebao registrirati zračenje
odbijeno od tla i okolnih predmeta, niti imati prepreke više od 5° u području gdje
Sunce izlazi i zalazi. Ukupne prepreke ne bi smjele smanjiti vidno polje
instrumenta više od 0,5 steradijana.
Piranometri mogu imati termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili
bimetalne elemente kao osjetnike. Kako su trajno izloženi atmosferskim utjecajima
moraju biti čvrste izvedbe i otporni na korozivne utjecaje vode i vlažnog zraka.
Prijemnik zračenja mora biti hermetički zatvoren ili imati sustav za odvodnju
kondenzirane vlage u kučištu. Vlaga se obično uklanja pomoću silika gela kojeg je
Solarna energija
6
potrebno redovito mijenjati. Silika gel je vrlo higroskopan (dobro upija vlagu iz
okoline) materijal kojem se obično dodaje vrlo mala količina kobaltnog klorida (0,5-
1%) koji promijeni boju iz plave u ružičasto kada upije vlagu. Boja silika gela se
može vidjeti kroz prozirni plastični spremnik na instrumentu i kada prijeđe u
ružičasto silika gel treba zamijeniti.
U upotrebi su najčešće termoelektrični piranometri koji koriste toplinske
osjetnike koji proizvode napon na principu termoelektričnog efekta (pojava da se
pri uzajamnom djelovanju svjetlosti i tvari mijenjaju električna svojstva tvari) u
funkciji upadnog Sunčevog zračenja. Toplinski detektor smješten je ispod
dvostruke kupole koja ga štiti od prodora vlage i smanjuje dugovalno zračenje iz
samog instrumenta, toplinski izolira detektor i sprječava njegovo hlađenje. [3]
2.3. Iskorištavanje energije Sunca
Sunce se sastoji uglavnom od vodika i helija, a Sunčeva energija posljedica je
nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže 15 milijuna °C.
U unutrašnjosti Sunca vodik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helij što
rezultira oslobađanjem velikih količina energije. Ova se energija u vidu svjetlosti i
topline širi u svemir pa tako jedan njezin mali dio dolazi i do Zemlje.
Osnovni pristupi direktnog iskorištavanja energije Sunca su: grijanje i fotoefekt.
Solarna energija
7
2.3.1. Solarni kolektori - pripremanje vruće vode i zagrijavanje prostorija
Slika 3. Solarni kolektor [6]
Solarni kolektori pretvaraju sunčevu energiju u toplinsku energiju vode (ili neke
druge tekućine). Sistemi za grijanje vode mogu biti ili otvoreni, u kojima voda koju
treba zagrijati prolazi direktno kroz kolektor na krovu, ili zatvoreni, u kojima su
kolektori popunjeni tekućinom koja se ne smrzava (npr. antifriz). Zatvoreni sustavi
mogu se koristiti bilo gdje, čak i kod vanjskih temperatura ispod nule. Tijekom
dana, ako je lijepo vrijeme, voda može biti grijana samo u kolektorima. Ako vrijeme
nije lijepo, kolektori pomažu u grijanju vode i time smanjuju potrošnju struje.
Solarni kolektori su vrlo korisni i kod grijanja bazena. U tom slučaju temperatura
vode je niska i jednostavnije je održavati temperaturu pomoću otvorenih sistema
grijanja. [5]
Solarna energija
8
2.3.2. Fotonaponske ćelije - direktna pretvorba sunčeve energije u električnu energiju
Slika 4. Fotonaponske ćelije [7]
Fotonaponske ćelije su poluvodički elementi koji direktno pretvaraju energiju
sunčeva zračenja u električnu energiju. Efikasnost im je od 5% za jeftinije izvedbe
s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek ekonomski
neisplativi zbog previsoke cijene. Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao
samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor
energije koriste se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i
udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije. [5]
Solarna energija
9
2.3.3. Fokusiranje sunčeve energije - upotreba u velikim energetskim postrojenjima
Slika 5. „Power tower“ [8]
Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona. Na slici 5. je prikazana konfiguracija tipa "Power Tower". "Power tower" konfiguracije koriste kompjuterski kontrolirano polje zrcala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj. U centralnom tornju se energija dobivena fokusiranjem prenosi na medij koji omogućava skladištenje te energije za kasniju upotrebu. Kao medij koristi se rastopljena sol zbog velikog toplinskog kapaciteta. Slika 6. prikazuje shemu „Power Tower“ elektrane. Do sada su napravljeni demonstracijski sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ti novi sustavi imaju i mogućnost rada preko noći i u lošem vremenu tako da spremaju vruću tekućinu u vrlo efikasni spremnik (neka vrsta termo boce). Kada nema dovoljno energije od Sunca, sistemi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu se bez većih problema prebaciti na prirodni plin ili neki drugi izvor energije. To je moguće jer Sunce koristimo za grijanje tekućine, a kad nema sunca zagrijemo tekućinu na neki drugi način. Problem kod fokusiranja je veliki potrebni prostor za elektranu, ali to se rješava tako da se elektrana radi npr. u pustinji. U pustinjama je ionako snaga sunčeva zračenja najizraženija. Veliki problem je i cijena zrcala i sustava za fokusiranje. [5]
Solarna energija
10
Slika 6. Shema „Power Tower“ elektrane [9]
Tekuća sol temperature 290°C se pumpa iz „hladnog“ spremnika u centralni
toranj gdje prolazi kroz prijamnik i zagrijava se na 565°C, te se zatim sprema u
„topli“ spremnik. Kada elektrana dobije zahtjev za proizvodnju električne energije,
vruća se sol pumpa u generator pare koji proizvodi pregrijanu paru za klasični
sustav turbina/generator temeljen na Rankineovom kružnom procesu. Sol se zatim
iz generatora pare vraća u „hladni“ spremnik ili se ponovno zagrijava u centralnom
tornju. Ovisno o potrebama, spremnici mogu imati dovoljan kapacitet da osiguraju
rad turbine do 13 sati na punoj snazi. [9]
Fotonaponske ćelije
11
3. Fotonaponske ćelije
3.1. Princip rada
Prema kvantnoj fizici svjetlost ima dvojni karakter. Svjetlost je i čestica i val.
Čestice svjetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su čestice bez mase mirovanja i gibaju
se brzinom svjetlosti. Energija fotona ovisi o njegovoj valnoj duljini odnosno o
frekvenciji. Energiju fotona možemo izračunati Planckovim 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. [11]
Fotonaponske ćelije
12
Jednadžba koja opisuje ovaj proces glasi:
gdje je:
- Energija fotona
Wi, - Rad izlaza
Ekin - Kinetička enerija emitiranog elektrona
Iz gornje jednadžbe vidljivo je da se elektron neće moći osloboditi ako je
energija fotona manja od rada izlaza..
Slika 7. Fotoelektrična konverzija u PN spoju [11]
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
Fotonaponske ćelije
13
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
se 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 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 od 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.
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. [11]
Fotonaponske ćelije
14
3.2. Vrste fotonaponskih ćelija Fotonaponske ćelije mogu biti izrađene od različitih tipova poluvodičkih
materijala, koji mogu biti složeni u različite strukture s ciljem postizanja što bolje
efikasnosti pretvorbe. Za izradu fotonaponskih ćelija koriste se sljedeći poluvodički
materijali i tehnologije:
• Silicij (Si) – monokristalni silicij (c-Si), polikristalni silicij (p-Si), amorfni
silicij(a-Si)
• Polikristalni tankoslojni materijali (polikristalni tanki film) – CIS spoj
poluvodičkih materijala (Bakar-Indij-Diselenid), CdTe (Kadmij-Telurid),
tankoslojni silicij (većinom amorfni silicij)
• Monokristalni tankoslojni materijali (monokristalni tanki film) – većinom
izvedeni od Galij-Arsenida (Ga-As)
• Multijunction strukture materijala – kombinacije raznih poluvodičkih
materijala [12]
3.2.1. FN ćelije od monokristalnog (c-Si) silicija
Sunčeve ćelije izrađene od monokristalnog silicija imaju tzv. homojunction
strukturu, što znači da se sastoje od istog materijala koji je modificiran tako da je
na jednoj strani ćelije p-sloj, a na drugoj n-sloj Si poluvodiča. Unutar ćelije, p-n
spoj lociran je tako da se maksimum sunčevog zračenja apsorbira blizu spoja.
Površina takvih ćelija ovisi o presjeku monokristala od kojeg se proizvode, iznosi
od 5 do 10 cm, debljina im je od 200 do 300 μm. Napon takvih ćelija je od 0.55 do
0.70 V. Teorijska efikasnost im je oko 22%, dok je stvarna efikasnost oko 15%.
Jedina mana ćelija izrađenih od monokristalnog silicija je visoka proizvodna
cijena, zbog složenog i neefikasnog procesa proizvodnje. Najpouzdanije metode
proizvodnje monokristalnog silicija su Czochralski (Cz) te Float-zone (FZ)
procesi, dok se u zadnje vrijeme sve više koristi tzv. Ribbon growth tehnologija.
Czochralski metodom, silicij visoke čistoće se zagrijava na velikoj temperaturi
dok se ne rastali. Potom se na površinski dio rastaljenog silicija koji se nalazi u
Fotonaponske ćelije
15
cilindričnom kalupu dodaje zrnce monokristalnog silicija. Dok se zrno polagano
uzdiže iz kalupa, atomi rastaljenog silicija zgušnjuju se u strukturu dodanog zrnca,
odnosno monokristalnu strukturu.
Float-zone poces proizvodi čistiju kristalnu strukturu no Czochralski proces
budući da ne sadrži posudu za taljenje. U float-zone procesu poluga sačinjena od
silicija visoke čistoće postavlja se iznad monokristalnog zrna te se propušta kroz
elektromagnetsku zavojnicu. Magnetsko polje zavojnice inducira električno polje
unutar poluge, posljedica čega je zagrijavanje i topljenje površinskog spoja između
poluge i zrna. Pošto se zavojnica polagano uzdiže, unutar spoja poluge i zrna
formira se monokristalni silicij koji "raste prema gore". Czochralski i Float-zone
procesi proizvode monokristalni silicij u obliku kalupa ili podloge, koje je potrebno
razrezati u tanke pločice pri čemu se 20% skupog materijala gubi (piljevina). Kao
alternativa navedenim tehnologijama pojavila se Ribbon growth tehnologija.
Ribbon growth proces započinje sa dva monokristalna Si zrnca koji rastu te
zauzimaju površinu tankog okvira dok se polagano izvlače iz posude sa tekućim
silicijem. Kada je okvir izvučen iz posude, iz njega se vadi gotova tanka pločica.
Ovakva tehnologija nema velikih gubitaka materijala, ali zato kvaliteta
monokristalnog silicija nije na visini Cz ili FZ procesa. Da bi proizveli monokristalnu
fotonaponsku ćeliju, tanke pločice dobivene bilo kojim od navedenih procesa se
prvo dopiraju kako bi dobili p-tip, odnosno n-tip poluvodiča. Potom se presvlače
antirefleksijskim sredstvom te im se dodaju električni kontakti. Struktura tipične
monokristalne (c-Si) ćelije te stvarni izgled prikazani su na slici 8. [12]
Slika 8. Struktura i izgled monokristalne (c-Si) ćelije [12]
Fotonaponske ćelije
16
3.2.2. FN ćelije izrađene od polikristalnog (p-Si) silicija
Identično c-Si ćelijama, FN ćelije izrađene od polikristalnog silicija imaju tzv.
homojunction strukturu. Suprotno monokristalnom siliciju, polikristalni silicij
sačinjen je od više malih kristala, zbog čega dolazi do pojave granica. Granice
priječe tok elektronima te ih potiču na rekombiniranje sa šupljinama što rezultira
smanjenjem izlazne snage takvih ćelija.
Polikristalinski silicij moguće je proizvesti na više načina, najraširenije metoda
sastoji se od izlijevanja tekućeg silicija u kalup, koji se ostavlja da se zgusne u
četvrtasti oblik poput cigle. Krajnja količina kristala i nečistoća unutar četvrtastog
oblika ovisi o brzini hlađenja. Rasijecanjem četvrtastog oblika (cigle) dobiju se
tanke pločice. Postupak dobivanja polikristalne Si sunčeve ćelije identičan je
postupku kod c-Si ćelija. Isto tako, presjek p-Si sunčeve ćelije identičan je
presjeku c-Si ćelije (slika 8). Jedina razlika je u obliku p-Si ćelija, koje su
četvrtaste (zbog kalupa) stoga se mogu bolje složiti u PV module. [13]
Slika 9. Polikristalna FN ćelija (p-Si) [14]
Proces proizvodnje ćelija od polikristalnog silicija je znatno jeftiniji od procesa
proizvodnje monokristalnih ćelija, ali p-Si fotonaponske ćelije imaju manju
efikasnost od c-Si ćelija. Teorijska efikasnost im je oko 18%, a stvarna između 10 i
13%.
Fotonaponske ćelije
17
3.2.3. FN ćelije izrađene od amorfnog (a-Si) silicija
Atomi unutar amorfnih materijala nisu složeni u nikakvu posebnu strukturu,
odnosno ne formiraju kristalnu strukturu. Također, amorfni materijali sadrže velik
broj strukturnih defekata te lošu povezanost atoma, što znači da atomi nemaju
susjeda sa kojim bi se mogli povezati. Zbog navedenog razloga elektroni će
rekombinirati sa šupljinama umjesto da "uđu" u strujni krug. Budući da defekti
limitiraju tok električne struje, ovakve vrste materijala su inače neprihvatljive u
elektroničkim napravama. Defekti se mogu djelomično ukloniti ako se u amorfni
silicij ugradi mala količina vodika. Posljedica takvog tretiranja amorfnog silicija je
kombiniranje atoma vodika sa atomima amorfnog silicija koji nemaju susjeda (nisu
vezani) tako da elektroni mogu nesmetano putovati kroz materijal.
Amorfni silicij upija sunčevo zračenje 40 puta efikasnije od monokristalnog
silicija, tako da sloj debljine 1 μm može upiti oko 90% energije sunčevog zračenja,
naravno kada je obasjan. Upravo to svojstvo amorfnog silicija bi moglo sniziti
cijenu PV tehnologije. Ostale prednosti amorfnog silicija također su ekonomskog
karaktera, primjerice amorfni silicij je moguće proizvesti na niskim temperaturama
te može biti položen na jeftine podloge (plastika, staklo, metal i sl.) što ga čini
idealnim za integriranje PV tehnologije kao sastavni dio objekata. [12]
Slika 10. Fleksibilni FN moduli od amorfnog silicija (a-Si) [15]
Fotonaponske ćelije
18
Zbog jedinstvenog svojstva amorfnog silicija, sunčeve a-Si ćelije izrađene su
tako da imaju ultra tanak (0.008 μm) gornji p-sloj, deblji (0.5 do 1 μm) intristični
(nedopirani) i-sloj te izrazito tanak (0.02 μm) donji n-sloj. Takav struktura sunčeve
ćelije naziva se p-i-n struktura. Budući da je gornji p-sloj ultra tanak te relativno
transparentan većina svjetlosti proći će direktno kroz njega na i-sloj gdje će
generirati slobode elektrone. p sloj i n sloj proizvedeni dopiranjem amorfnog silicija
(a-Si) stvoriti će električno polje kroz cijelu intrističnu površinu te će inducirati
kretanje elektrona kroz i-sloj. Struktura ćelije sačinjene od amorfnog silicija (a-Si)
ćelije te primjena istoga prikazani su slikom 11.
Slika 11. Struktura amorfne (a-Si) ćelije [12]
Najveći nedostatak PV ćelijama izrađenima od amorfnog silicija je nestabilnost.
Zbog djelovanja Staebler-Wronski efekta izlazna snaga a-Si ćelija se nakon prvog
izlaganja sunčevoj svjetlosti smanjuje kroz određeni vremenski period. Djelovanje
efekta rezultira gubicima izlazne snage od 20% dok se u konačnici a-Si ćelija ne
stabilizira. Valja napomenuti da a-Si ćelije po podjeli spadaju u tzv. tankoslojne
materijale. Teorijska efikasnost a-Si ćelija je oko 11.5%, a stvarna efikasnost je
oko 7% (i manje). [12]
Fotonaponske ćelije
19
3.2.4. Polikristalne tankoslojne FN ćelije Termin "tankoslojni", točnije "tanki film" odnosi se na tehnologiju polaganja
filma, a ne na debljinu filma (sloja), pošto se tankoslojne FN ćelije polažu u
izrazito tankim, uzastopnim slojevima atoma, molekula ili iona. Sunčeve ćelije
izrađene tehnologijom tankog filma imaju mnogo prednosti naspram ćelija
izrađenih klasičnim metodama, primjerice:
• pri izradi tankoslojnih ćelija koristi se puno manje materijala budući da
debljina takvih ćelija varira od 1 do 10 μm, dok su klasične Si ćelije
debljine 100 – 300 μm
• tankoslojne ćelije proizvode se automatiziranim, besprekidnim
procesima te se mogu polagati na jeftine podloge (staklo, nehrđajuči
čelik, plastika i sl.)
• zbog fleksibilnosti proizvodne tehnologije polaganja slojeva tankog filma,
ćelija standardnih dimenzija (125 mm x 125 mm) te modul sačinjen kao
jedna velika ćelija (75 cm x 150 cm) mogu se proizvesti istom
aparaturom
• ćelijama izrađenim tehnologijom tankog filma nije potrebna metalna
mreža za gornji kontakt (kao kod c-Si ćelija), već koriste tanki sloj
transparentnog vodljivog oksida
• slojevi tankog filma polažu se na odabranu podlogu uključujući
antirefleksijski sloj te transparentni vodljivi sloj oksida, čime se skraćuje
proces proizvodnje
Polikristalne tankoslojne ćelije proizvode se od malih kristalnih zrna poluvodičkih materijala. Materijali koji se koriste za izradu polikristaklnih tankoslojnih ćelija imaju drugačija svojstva nego silicijski poluvodički materijali. Stoga se za stvaranje električnog polja unutar ćelije koriste dva različita poluvodička materijala, a takva struktura ćelija naziva se heterojunction struktura. Tipična polikristalna ćelija izrađena tehnologijom tankog filma ima jako tanak (manji od 0.1 μm) gornji sloj n-tipa koji se naziva "window" sloj (u doslovnom prijevodu sloj koji djeluje kao prozor). Uloga gornjeg (window) sloja je fokusiranje sunčevog zračenja i to samo visokoenergetskog dijela spektra. Stoga mora biti jako tanak te imati dovoljno širok energetski procjep (2.8 eV ili više) kako bi propustio što veću količinu energije sunčevog zračenja donjem (apsobirajućem)
Fotonaponske ćelije
20
sloju. Donji (apsorbirajući) sloj većinom je dopirani p-tip poluvodiča, a obično se nalazi ispod "window" sloja. Poluvodički materijal p-sloja mora biti visoko apsorbirajućeg karaktera te pritom imati prikladan energetski procjep (band gap) kako bi se dobile veće vrijednosti napona ćelije. Ipak, donji p-sloj je jako tanak, debljine od 1 do 2 μm. Struktura opisane polikristalne tankoslojne sunčeve ćelije te izgled krajnjeg proizvoda (low-cost) prikazani su na slici 12.
Slika 12. Struktura polikristalne tankoslojne FN ćelije [12]
Bakar-Indij-Diselenid (CuInSe2 ili CIS), polikristalni tankosloji materijal koji
ima ekstremno veliko svojstvo apsorbiranja, što znači da će 99% sunčeve
svjetlosti obasjane na sunčevu ćeliju napravljenu od CIS tankog filma biti upijeno.
CIS ćelije obično imaju heterojunction strukturu, gornji ili "window" sloj najčešće
je od Kadmij-Sulfida dok se donjem (apsorbirajućem) sloju često dodaju male
količine Galija kako bi se poboljšala efikasnost (CIGS struktura). Teorijska
efikasnost ovakvih ćelija je oko 15%, stvarna efikasnost je puno manja.
Kadmij-Teluirid (CdTe), polikristalni tankoslojni koji materijal ima gotovo
idealan energetski procjep od 1.44 eV te veliko svojstvo apsorbiranja. Iako se
najčešće koristi u PV napravama bez dodavanja drugih materijala, relativno je
lagano postići leguru sa Cinkom ili Živom kako bi poboljšali svojstva naprave. Isto
kao i kod CIS tankih filmova, CdTe filmovi mogu se polagati na jeftine podloge
(plastika, staklo i sl.). CdTe ćelije imaju homojunction strukturu, sa Kadmijevim-
Sulfidom kao gornjim "window" n-slojem. Za antirefleksijski sloj ali i transparentni
vodljivi sloj koristi se tanki sloj oksida. Zbog unutarnjeg otpora p-tipa CdTe
materijala, CdTe materijal se postavlja kao intristični sloj dok se kao p-tip
materijala koristi Cink-Telurid (ZnTe). Teorijska efikasnost ovakvih ćelija je oko
15%, stvarna efikasnost je puno manja. [12]
Fotonaponske ćelije
21
3.2.5. Monokristalne tankoslojne FN ćelije i multijunction struktrue Monokristalne tankoslojne FN ćelije većinom su izrađene od Galij-Arsenida.
Galij-Arsenid (Ga-As) je poluvodič sastavljen od dva elementa: galija i arsena.
Galij (Ga) je produkt taljenja određenih materijala, posebice aluminija (Al) i zinka
(Zn) te je kao takav rijeđi od zlata. Arsen nije rijedak kemijski element, ali je
otrovan. Osim što se koristi u PV tehnologiji, Ga-As se koristi kod LED dioda,
lasera te ostalih elektroničkih naprava koji koriste svjetlost. Ćelije sačinjene od
Galij-Arsenida uglavnom imaju tzv. multijunction struktru koja se često naziva i
kaskadnom strukturom.
Multijunction strukturom sunčeve ćelije postiže se visoka efikasnost
pretvorbe budući da se obuhvaća veći dio solarnog spektra. U tipičnoj
multijunction strukturi, ćelije sa različitim energetskim procjepima su poslagane
jedna iznad druge na takav način da sunčeva svjetlost prvo pada materijal sa
najvećim energetskim procjepom. Fotoni koji nisu apsorbirani u prvoj ćeliji se
prenose na drugu ćeliju koja upija visoko-energetski dio preostalog sunčevog
zračenja za vrijeme čega ostaje transparentna za nisko-energetske fotone.
Ovakav selektivni proces apsorbiranja se nastavlja do zadnje ćelije koja ima
najmanji energetski procjep. Pri "slaganju" multijunction strukture ćelije se mogu
spajati mehaničkim putem ili se prilikom proizvodnje polažu u slojevima te na
koncu spajaju u kaskadnu strukturu. Struktura multijunction ćelije te selektivni
proces apsorbiranja svjetlosti prikazani su na slici 13.
Slika 13. Struktura multijunciton FN ćelije i proces apsorbiranja svjetlosti [12]
Većina istraživanja kaskadnih struktura foskusira se na ćelijama od Galij-
Arsenida kao jednom (ili svim) od komponenti takve strukture. Teorijska efikasnost
Fotonaponske ćelije
22
takvih ćelija bila bi iznad 35%, ali pod djelovanjem fokusiranog sunčevog
zračenja. Dakle, poluvodički materijal Galij-Arsenid prikladan je kod visoko
efikasnih sunčevih ćelija te ćelija koje imaju multijunction strukturu i to zbog
sljedećih razloga:
• energetski procjep od 1.43 eV je gotovo idealan za visoko-efikasne
sunčeve ćelije
• zbog izrazito visokog svojstva apsorbiranja, sunčeve ćelije izrađene od
Ga-As debljine su nekoliko mikrometara, naspram Si ćelija koje su
debljine 100 μm i više
• za razliku od Si ćelija, Ga-As sunčeve ćelije su relativno neosjetljive na
temperaturu (temperature Ga-As ćelija mogu biti izrazito visoke)
• legure Ga-As sa aluminijom, fosforom, antimonom ili indijem zadržavaju
svojstva Ga-As što omogućava fleksibilnost pri dizajnu takvih ćelija
• Ga-As je izrazito otporan na oštećenja izazvana sunčevim zračenjem, pa
je zbog toga ali i izrazito visoke efikasnosti idealan za svemirske
aplikacije
Najveća mana Galij-Arsenida je visoka cijena monokristalnih Ga-As slojeva.
Zbog toga se Ga-As ćelije pretežito koriste u koncentratorskim sustavima, gdje je
površina ćelije svega 0.25 cm2. U koncentratorskim sustavima, zbog visoko-
efikasne pretvorbe cijena Ga-As sunčevih ćelija je konkurentna klasičnim
sunčevim ćelijama. Teorijska efikasnost takvih ćelija je 28%, dok je stvarna
efikasnost 17%. [12]
Slika 14. FN ćelija od Galij-Arsenida [18]
Fotonaponski sustavi
23
4. Fotonaponski sustavi
4.1. Fotonaponski modul Sunčana ćelija proizvodi mali napon, reda veličine 0,5 V uz gustoću struje oko
20 mA/cm2. Da bi se dobio odgovarajući napon odnosno snaga, ćelije se spajaju
serijski i paralelno. Tako se dobivaju moduli sunčanih ćelija u obliku ploče
(modula, panela) na kojoj su ćelije učvršćene i zaštićene od atmosferskih i drugih
utjecaja. Moduli se slažu jedan do drugog u fotonaponske ravne kolektore,
a kolektori zajedno s ostalim potrebnim elementima (pretvarači, regulatori, inverteri
i sl.) tvore fotonaponski sustav.
Pojedinačne FN ćelije se povezuju serijski, paralelno ili najčešće kombinacijom
oba načina. Time se postiže željena vršna snaga (npr. 75, 100, 120 W) i radni
napon modula (obično 12 ili 24 V). Pakiranje FN ćelija u veće tzv.
fotonaponske module provodi se i zbog osiguravanja zaštite od atmosferskih i
fizičkih oštećenja. Današnji vijek trajanja FN modula je preko 20 godina.
Slika 15. Presjek FN modula [19]
Veća FN postrojenja (reda veličine 1 MW) pretpostavljanju cijela polja paralelno
spojenih nizova serijski spojenih FN modula, pri čemu se serijskim spajanjem
postiže potreban napon postrojenja, a paralelnim spajanjem osigurava potrebna
struja. [19]
Fotonaponski sustavi
24
4.2. Ostale komponente
Osim solarnih kolektora fotonaponski sustav čine i:
• potporne strukture za module – mogu biti i pomične, koje slijede kretanje
sunca po jednoj ili dvije osi, te fiksne
• prekidači – za prekidanje struje iz FN modula i za prekidanje struje
iz pretvarača, u slučaju kvara ili tijekom održavanja
• regulator napajanja - regulatori DC napona pretvaraju promjenljivi
istosmjerni napon solarnih modula 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
• akumulatorske baterije (za sustave sa akumulacijom električne energije
iz FN modula) - najvažniji zahtjev na baterije u solarnim sustavima
je 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
• brojila služe za praćenje stanja FN sustava – proizvodnja električne
energije, količina energije predana u mrežu, stanje baterija i dr.
• pretvarač (izmjenjivač) – pretvara izlazni napon FN modula (12 ili
24V) u izmjenični napon od 230 V uobičajen u kućanstvima.
Postoje pretvarači projektirani za korištenje sa akumulatorskim
baterijama i oni koji se povezuju direktno na mrežu [19]
Fotonaponski sustavi
25
4.3. Vrste FN sustava
Fotonaponski sustavi predstavljaju integriran skup FN modula i ostalih
komponenata, projektiran tako da Sunčevu energiju izravno pretvara u električnu
energiju kojom se osigurava rad određenog broja trošila, samostalno ili zajedno s
pričuvnim izvorom.
Ovisno o načinu rada, postoje tri vrste FN sustava:
1. samostalni (autonomni), za čiji rad mreža nije potrebna
2. mrežni, spojeni na električnu mrežu:
o pasivni, kod kojih mreža služi kao pričuvni izvor
o aktivni, kod kojih mreža može pokrivati manjkove, ali i preuzimati
viškove električne energije iz FN modula
3. hibridni, koji su zapravo samostalni povezani s drugim (obnovljivim)
izvorima.
Samostalni (autonomni) sustavi za svoj rad ne zahtijevaju spoj na električnu
mrežu. Kada kod njihove primjene električnu energiju treba isporučivati tijekom
noći ili u razdobljima s malim intenzitetom Sunčevog zračenja nužan je
akumulator, tj. baterija koji služi kao spremnik električne energije. Tom se sklopu
mora dodati regulator za kontrolirano punjenje i pražnjenje baterije, a dodavanjem
istosmjerno-izmjeničnog pretvornika (=12 V / ∼230 V) 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. [20]
Takvi su sustavi pogodni za osiguravanje potrebnih količina električne energije
za udaljene (izolirane) potrošače kao što su ruralna (izolirana) ili primorska vikend-
naselja te za brojne pojedinačne objekte različitih namjena (npr. razne vrste
signalizacija i upozorenja, rasvjetu, telekomunikacijske releje, svjetionike, sustave
nadgledanja itd).
Fotonaponski sustavi
26
1. FN ćelije
2. DC/AC
3. Akumulator
(baterija)
4. Potrošači
Slika 16. Samostalni FN sustav [21]
Pasivni mrežni FN sustavi električnu mrežu koriste samo uvjetno, u
razdobljima kada FN moduli ne mogu proizvesti dovoljne količine električne
energije, primjerice noću kada su istodobno akumulatori električne energije prazni.
U današnjim izvedbama akumulatorske baterije su opcija koja je sve manje
popularna obzirom da je potrebno sustav dodatno dimenzionirati obzirom na
njih a stvaraju i dodatni periodički trošak svakih nekoliko godina jer
akumulatorske baterije treba mijenjati. Pasivni sustav stoga može biti korišten
kako bi se štedjela energija tijekom dana (skuplja tarifa). [20]
Aktivni mrežni FN sustavi mrežu koriste interaktivno, uzimajući energiju iz
mreže u slučaju većih potreba ili vraćajući je u slučaju viškova električne energije
proizvedene u FN modulima. Ovisno o načinu spajanja, ovakvi sustavi mogu
svu proizvedenu energiju iz fotonaponskim modula isporučivati izravno u
mrežu, ili je isporučivati samo ukoliko postoji višak nakon zadovoljavanja lokalne
potrošnje.
Fotonaponski sustavi
27
1. FN ćelije
2. DC/AC
3. Mreža
4. Potrošači
Slika 17. Mrežni FN sustav [21]
Hibridni FN sustavi nastaju povezivanjem samostalnih (osobito većih) s
drugim alternativnim izvorima električne energije, kao što su vjetroagregati,
hidrogeneratori, pomoćni plinski ili dizelski agregati. Takva rješenja daju veću
sigurnost i raspoloživost isporuke električne energije te omogućavaju manje
kapacitete akumulatora kao spremnika električne energije. Kod rješenja koja
koriste plinske i dizelske agregate sustavi se dimenzioniraju tako da se agregati
koriste optimalan broj sati u godini čime se štedi gorivo, smanjuju troškovi
održavanja i produljava vijek trajanja. [20]
HOMER
28
5. HOMER „HOMER Micropower Optimization Model“ je kompjuterski model razvijen od
strane američkog laboratorija za obnovljivu energiju (U.S. National Renewable
Energy Laboratory – NREL), a osnovna zadaća mu je pomoći u modeliranju
mikroenergetskih (micropower) sustava i olakšati usporedbu širokog spektra
tehnologija za proizvodnju energije.
HOMER modelira stvarno ponašanje energetskog sustava i trošak njegovog
životnog ciklusa, koji je zapravo zbroj troškova instalacije i održavanja
energetskog sustava kroz cijeli njegov životni vijek. HOMER omogućuje
projektantu usporedbu velikog broja različitih projektantskih rješenja na temelju
njihovih tehničkih i ekonomskih karakteristika. Također pomaže u razumijevanju i
kvantitativnom određivanju rezultata koji su posljedica nesigurnosti i promjena u
ulaznim podacima.
Micropower sustav (mikroenergetski sustav) je sustav koji proizvodi električnu
energiju, a moguće i toplinsku, za potrošača u neposrednoj blizini. Takav sustav
može koristiti razne kombinacije tehnologija za proizvodnju i pohranjivanje
električne energije, te može biti autonoman ili priključen na elektroenergetsku
mrežu. Primjer takvog sustava je i fotonaponski sustav (vrste FN sustava opisane
su u poglavlju 4.). Elektrane koje su priključene na visokonaponsku mrežu ne
ubrajamo u mikropower sustave. HOMER ima mogućnost modeliranja autonomnih
micropower sustava i onih spojenih na mrežu. Također ti sustavi mogu potrošača
opskrbljivati i električnom i toplinskom energijom, a mogu biti sačinjeni iz bilo koje
kombinacije fotonaponskih modula, vjetroagregata, malih hidrogeneratora,
generatora na biomasu, mikroturbina, gorivnih ćelija, baterija i spremnika vodika.
Projektiranje i analiza mikroenergetskog sustava može biti vrlo zahtjevan
proces zbog velikog broja projektantskih mogućnosti i nesigurnosti oko ključnih
parametara, kao što su veličina opterećenja, dostupnost izvora energije i buduće
cijene goriva. Obnovljivi izvori energije još više pridonose kompleksnosti jer se
njihova proizvodnja energije može povremeno prekidati ili čak potpuno izostati,
ovisno o dobu dana, atmosferskim prilikama, godišnjem dobu i sl. HOMER
uspješno savladava i te izazove.
HOMER
29
HOMER obavlja tri osnovne zadaće: simulacija, optimizacija i analiza
osjetljivosti. U procesu simulacije, HOMER modelira izvedbu određene
konfiguracije mikroenergetskog sustava svakog sata u godini kako bi odredio
njizinu tehničku izvedivost i cijenu životnog ciklusa. U procesu optimizacije,
HOMER simulira mnogo različitih konfiguracija sustava u potrazi za onom koja
zadovoljava tehničke uvjete pri najnižoj cijeni životnog ciklusa. U procesu analize
osjetljivosti, HOMER izvodi monogobrojne optimizacije unutar područja ulaznih
pretpostavki kako bi procijenio posljedice nesigurnosti ili promjena ulaznih
podataka. Optimizacija određuje optimalnu vrijednost varijabli nad kojima
projektant sustava ima kontrolu, kao što je npr. kombinacija komponenti koje tvore
sustav, te njihova veličina i količina. Analiza osjetljivosti pomaže u procjeni
posljedica nesigurnosti ili promjena varijabli nad kojima projektant nema kontrolu,
kao što su npr. prosječna brzina vjetra ili buduća cijena goriva.
Slika 18. Veza između procesa simulacije, optimizacije i analize osjetljivosti [22]
Slika 18. nam prikazuje vezu između simulacije, optimizacije i analize
osjetljivosti. Elipsa optimizacije obuhvaća elipsu simulacije što predstavlja
činjenicu da se jedna optimizacija sastoji od višestrukih simulacija. Slično, elipsa
analize osjetljivosti obuhvaća elipsu optimizacije jer se jedna analiza osjetljivosti
sastoji od višestrukih optimizacija. [22]
HOMER
30
5.1. Simulacija
Osnovna mogućnost HOMER-a je simuliranje dugoročnog pogona
mikroenergetskog sustava. Njegove dodatne mogućnosti, optimizacija i analiza
osjetljivosti, ovise o mogućnosti simulacije. Proces simulacije određuje kako bi se
pojedina konfiguracija sustava (kombinacija komponenti sustava određenih
veličina) i strategija upravljanja koja definira kako te komponente rade zajedno,
ponašali u određenom vremenskom periodu.
HOMER može simulirati širok raspon konfiguracija mikroenergetskog sustava,
sastavljen od fotonaponskih ćelija, jednog ili više vjetroagregata, male
hidroturbine, do tri generatora, akumulatora (baterija), ad-dc pretvarača,
elektrolizera i spremnika za vodik. Sustav može biti autonoman ili priključen na
mrežu, te može potrošače opskrbljivati ac i dc električnom strujom i toplinskom
energijom. Nekoliko takvih primjera prikazano je na sljedećoj stranici, Slika 18.
Proces simulacije ima dva cilja. Prvi je odrediti da li je sustav izvediv. HOMER
pretpostavalja da je sustav izvediv ako može adekvatno opskrbljivati potrošača
električnom i toplinskom energijom, te zadovoljava sve ostale zahtjeve korisnika.
Drugi cilj je predvidjeti cijenu mikroenergetskog sustava tijekom životnog vijeka, to
je zbroj instalacijskih troškova i troškova održavanja sustava.
Na slici 19. prikazano je nekoliko primjera mikroenergetskih sistema (temeljenih
na solarnoj energiji) modeliranih u HOMER-u.
Sustav FN ćelije – baterija
napaja trošilo
HOMER
31
Sustav FN ćelije – vodik u
kojem elektrolizer pretvara
višak solarne energije u
vodik koji se sprema u
spremnik vodika kako bi se
mogao koristiti u gorvnoj
ćeliji kada nema dovoljno
solarne energije.
FN sustav sa pretvaračem
spojen na mrežu
Slika 19. Primjeri mikroenergetskih sustava u HOMER-u [22]
HOMER
32
5.2. Optimizacija
Za razliku od simulacijskog procesa koji modelira određenu konfiguraciju
sustava, optimizacijski proces određuje najbolju moguću konfiguraciju sustava. U
HOMERU, najbolja moguća ili optimalna, konfiguracija sustava je ona koja
zadovoljava sve uvjete korisnika pri najnižoj tržišnoj cijeni. Postupak određivanja
optimalne konfiguracije može uključivati donošenje odluke o kombinaciji
komponenti od kojih sustav treba biti sastavljen, o veličini i količini pojedinih
komponenti, te o tzv. „dispatch strategiji“ (pravila prema kojima sustav funkcionira,
puni baterije). U optimizacijskom procesu HOMER simulira mnogo različitih
konfiguracija sustava, odbacuje neizvedive (one koje ne zadovoljavaju uvjete
korisnika), a one koje su izvedive rangira prema cijeni. Konfiguraciju sa najnižom
cijenom uzima kao optimalnu.
Cilj optimizacijskog procesa je odrediti optimalnu vrijednost svake odlučujuće
varijable koja je od interesa projektantu. Odlučujuća varijabla je ona varijabla koju
projektant može mijenjati i za koju HOMER analizira cijeli niz njezinih mogućih
vrijednosti. Odlučujuće varijable u HOMER-u su primjerice: veličina fotonaponskih
ćelija, broj vjetroagregata, veličina pojedinog generatora, kapacitet i broj baterija,
veličina ac-dc pretvarača, veličina elektrolizera te veličina spremnika za vodik.
Optimizacija pomaže projektantu da iz velikog broja mogućih konfiguracija
sustava pronađe optimalnu konfiguraciju.
5.3. Analiza osjetljivosti
U poglavlju 5.2. opisan je proces optimizacije u kojem HOMER pronalazi
optimalnu konfiguraciju sustava za određeni niz ulaznih pretpostavki. U ovom
poglavlju opisan je proces analize osjetljivosti u kojem HOMER izvodi višestruke
optimizacije, za svaku koristeći drugi niz ulaznih pretpostavki. Analiza osjetljivosti
pokazuje koliko su izlazni rezultati osjetljivi na promjene u ulaznim
pretpostavkama.
HOMER
33
Kod analize osjetljivosti, korisnik HOMER-a unosi cijeli niz vrijednosti za samo
jednu ulaznu varijablu. Varijabla za koju je korisnik unio višestruke vrijednosti zove
se varijabla osjetljivosti. Skoro svaka ulazna numerička varijabla u HOMER-u koja
nije odlučujuća varijabla može biti varijabla osjetljivosti. Primjerice: cijena
električne struje u mreži, cijena goriva, realna kamatna stopa, životni vijek
fotonaponskih ćelija ili cijelog sustava itd.
Korisnik može provesti analizu osjetljivosti s bilo kojim brojem varijabli
osjetljivosti. Svaka kombinacija vrijednosti varijabli osjetljivosti definira poseban
slučaj osjetljivosti. Npr., ako korisnik definira šest vrijednosti za cijenu električne
struje iz mreže i četiri vrijednosti za kamatnu stopu, dobiju se 24 (dvadesetčetiri)
različita slučaja osjetljivosti. HOMER zatim izvodi zaseban proces optimizacije za
svaki pojedini slučaj osjetljivosti.
Osnovna funkcija analize osjetljivosti je eleminiranje nesigurnosti. Ako je
projektant nesiguran u vrijednost određene varijable, lako može unjeti nekoliko
vrijednosti koje pokrivaju cijeli raspon i vidjeti kako rezultati variraju diljem tog
raspona.
Analiza osjetljivosti se koristi i za rješavanje brojnih drugih problema. Primjerice,
projektant može analizirati različite ustupke i odgovoriti na pitanja kao što je:
Koliko je potrebno povećati investicijske troškove da bi postigli 50% ili 100%
proizvodnje iz obnovljivih izvora? Zatim, energetičar može odrediti koje su
tehnologije, ili pak kombinacije tehnologija, optimalne za različite uvjete rada.
Analitičar tržišta može odrediti pri kojoj cijeni, pri kojim uvjetima, proizvod može
konkurirati alternativnim proizvodima. Zatim, koji stupanj poticaja je potreban da bi
se stimuliralo tržište za određenu tehnologiju ili pak, koliki treba biti porez za
ispušne plinove da bi se ekonomija okrenula čišćim tehnologijama i sl. [22]
Izvori podataka
34
6. Izvori podataka U ovom poglavlju opisani su izvori podataka korišteni u proračunima. To su:
NASA – Surface meteorology and solar energy database, RETScreen – Clean
Energy Project Analysis Software, PV GIS – Photovoltaic Geographical
Information System i DHMZ – Državni Hidrometeorološki Zavod.
6.1. NASA – Surface meteorology and solar energy database
NASA dugi niz godina podupire satelitske sustave i istraživanja koja daju važne
podatke potrebne za proučavanje klime i klimatskih procesa. Ti podaci uključuju
dugoročne procjene meteoroloških veličina i tokove solarne energije na površini
Zemlje. Takvi ali i modelirani podaci pokazali su se dovoljno točnima da pružaju
pouzdane solarne i meteorološke podatke potrebne za istraživanje regija gdje su
površinska mjerenja rijetka ili uopće ne postoje. Također nude dvije jedinstvene
mogućnosti – podaci su globalni i vremenski neprekinuti. Ove dvije važne
karakteristike utječu na stvaranje jako velikih arhiva podataka koje mogu biti
nespretne za komercijalnu upotrebu, osobito kod novih korisnika koji su neiskusni
ili nemaju dovoljno resursa za upotrebu tako velikih količina podataka. Osim toga
baze podataka sadržane u raznim NASA arhivama su često u formatima koji su
prezahtjevni za nove korisnike. Kako bi poticala komercijalnu upotrebu solarnih i
meteoroloških podataka, NASA je podržavala, a i dalje podržava, razvoj „Surface
meteorology and solar energy (SSE)“ baze podataka koje su posebno dizajnirane
za potrebe projektiranja fotonaponskih sustava i sustava temeljenih na obnovljivim
izvorima energije. Jednako važna je i dostupnost podacima pa su SSE podaci
dostupni putem interneta preko jednostavnog sučelja (slika 19).
Izvorna web stranica sa SSE podacima, s namjerom pružanja jednostavnog
pristupa podacima potrebnim za industriju koja se bavi obnovljivim izvorima
energije (npr. solarna energija i energija vjetra), javnosti je postala dostupna 1997.
godine. Solarni i meteorološki podaci sadržani u prvoj verziji temeljili su se na
„NASA / World Climate Research Program, version 1.1, Surface Radiation Budget
(SRB)“ znanstvenim podacima iz 1993. godine, te podacima iz „International
Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP)“. Ovaj inicijalni pristup pokazao se
ograničenim zbog znanstvene terminologije koja nije bila kompatibilna sa
Izvori podataka
35
terminologijom / parametrima korištenim u industriji za projektiranje energetskih
sustava temeljenih na obnovljivim izvorima energije. Nakon konzultacija s
industrijom, 1999. godine javnosti je postala dostupna „SSE Release 2“ verzija sa
parametrima posebno prilagođenim potrebama zajednice koja se bavi obnovljivim
izvorima energije. Kasnije nadogradnje SSE također su rađene u dijalogu s
potencijalnim kupcima što je rezultiralo ažuriranjem parametara koristeći novije
NASA-ine podatke, ali i uvođenjem novih parametara prema željama krajnjih
korisnika. [24]
Slika 20. SSE web stranica (http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/)
Izvori podataka
36
Projekt „Prediction Of Worldwide Energy Resource (POWER)“ je započet 2003.
godine kako bi se unaprijedile kasnije verzije SSE, ali i stvorila nova baza
podataka (iz novih satelitskih promatranja) koja bi se mogla primjeniti i na druge
industrije. „POWER“ trenutno obuhvaća SSE bazu podataka usklađenu za
industriju temeljenu na obnovljivim izvorima energije, ali i za zajednicu koja se bavi
održivom izgradnjom, te bioenergetskom / poljoprivrednom industrijom. Općenito,
temeljni podaci iz parametara korištenih u svim ovim industrijama su isti – solarno
zračenje i meteorologija, uključujući temperature i vlagu zraka, te brzine vjetra.
Meteorološki podaci se nalaze na mreži od 1 stupanj zemljopisne dužine sa 1
stupanj zemljopisne širine koja prekriva cijelu zemaljsku kuglu (64 800) područja.
Slika 21. nam pokazuje detaljan primjer mreže koja pokriva Englesku. Podaci se
generiraju koristeći „NASA Goddard Earth Observing System – version 4
(GEOS4) Multiyear Assimilation Timeseries Data“. GEOS4 baza podataka ima
mrežu 1.25 stupnjeva zemljopisne dužine sa 1 stupanj zemljopisne širine
(odprilike: 79x11 km). Da bi dobili područja 1x1 stupanj koristi se bilinearna
interpolacija.
Slika 21. Primjer mreže [24]
Podaci o solarnoj energiji generiraju se koristeći Pinker / Laszlo kratkovalni
algoritam. Podaci o oblacima se uzimaju iz „International Sattelite Cloud
Climatology Project DX (ISCCP)“ baze podataka. ISCCP DX podaci su na mreži
gdje je efektivno jedan piksel 30x30 kilometara. Izlazni podaci se generiraju na
Izvori podataka
37
umetnutoj mreži koja sadrži 44 016 područja. Umetnuta mreža ima rezoluciju od
jednog stupnja zemljopisne širine globalno i rezoluciju zemljopisne dužine u
rasponu od jednog stupnja u tropima i subtropima do 120 stupnjeva na polovima.
Ovo se zatim pretvara u mrežu 1x1 stupanj (360 dužina sa 180 širina).
Točnost – općenito se smatra da su kvalitetno mjereni podaci točniji od
podataka generiranih iz satelitskih opažanja. Međutim, nesigurnost mjerenja zbog
netočne kalibracije, operativnih nesigurnosti ili rupa u podacima su nepoznati za
podatke iz mjernih postaja. 1989. godine „World Climate Research Program“ je
procijenio da većina rutinski upravljanih mjernih postaja ima krajnje nesigurnosti
između 6 i 12%. Specijalizirane, visokokvalitetne mjerne postaje imaju točnost
veću za nekoliko postotaka. To vrijedi za lokaciju na kojoj meteorološka postaja
mjeri, a na mjestima dalje točnost procjene je manja. [24]
NASA – surface meteorology and solar energy baza podataka dostupna je
direktno on-line preko Interneta iz HOMER-a (Slika 22.), a koristi se i u
RETScreen bazi podataka.
Slika 22. SSE baza podataka dostupna preko Interneta iz HOMER-a
Izvori podataka
38
6.2. RETScreen – clean energy project analysis software RETScreen International Clean Energy Project Analysis Software je alat za
potporu odlučivanju u projektima za korištenje obnovljivih izvora energije razvijen
doprinosom brojnih stručnjaka iz državne uprave, industrije i akademske
zajednice. Softver, dostupan svima besplatno, može se koristiti diljem svijeta za
procjenu proizvodnje energije i ušteda, troškove tijekom životnog vijeka projekata,
smanjenje emisija, financijsku isplativost i rizike za razne tipove tehnologija
energetske učinkovitosti i tehnologija obnovljive energije. Softver također uključuje
baze podataka proizvoda, troškova i klimatoloških podataka, te detaljni online
korisnički priručnik.
RETScreen softver je razvijen s namjerom da pojednostavi svladavanje
prepreka pri implementaciji čistih energetskih tehnologija u pripremnoj fazi
procjene izvedivosti. On pruža dokazanu metodologiju za usporedbu
konvencionalnih i čistih energetskih tehnologija. Analitičar se zato može fokusirati
na pripremnu studiju izvedivosti, a ne gubiti vrijeme na razvoj metodologije; u
kombinaciji s minimalnim potrebnim ulaznim podacima i ugrađenim bazama
podataka (klimatski podaci i podaci o proizvodima), softver daje brzu i točnu
analizu koja uobičajeno košta otprilike jednu desetinu iznosa studije sa posebno
razvijenom metodologijom. To omogućuje odabir između više potencijalnih
projekata tako da se oni najpovoljniji mogu identificirati, dalje analizirati i
implementirati.
Svi modeli čistih energetskih tehnologija u RETScreen softveru imaju
zajedničko sučelje i slijede standardni pristup koji omogućava donošenje odluka
sa pouzdanim rezultatima. Svaki model uključuje integrirani proizvod, baze
podataka (podaci o cijenama, klimatski podaci) i detaljni online priručnik. Sve to
pomaže u drastičnom reduciranju potrebnog vremena i troškova za pripremne
studije izvedivosti. RETScreen softver nije dizajniran samo za projektnu analizu
već pruža i korisne informacije o čistim energetskim tehnologijama i na taj način
podiže svijest o njihovim mogućnostima i primjenama. To također pomaže
korisniku da dobije ispravnu sliku i osjećaj kada je ispravno koristiti određenu
tehnologiju. [25]
Izvori podataka
39
Slika 23. RETScreen sučelje
RETScreen softver koristi meteorološke i podatke o proizvodu kao ulazne
podatke za razne tehnološke modele kako bi odredio količinu energije koju
dobivamo (ili uštedimo) pojedinim projektom, ili kako bi izračunao druge važne
parametre (npr. toplinska opterećenja). Dodatni podaci koji se odnose na troškove
i druge financijske parametre su potrebni kako bi se odredila različita financijska
gledišta projekta. Sakupljanje ovih vrsta podataka za svaki pojedini projekt može
trajati jako dugo i biti vrlo skupo. RETScreen softver integrira niz baza podataka
kako bi to izbjegao i olakšao implementaciju čistih energetskih projekata diljem
svijeta. Međutim, korisnik može bilo kada unositi podatke iz drugih izvora.
Izvori podataka
40
RETScreen koristi meteorološke podatke za cijelu površinu Zemlje iz dva
izvora: meteorološki podaci iz mjernih postaja diljem svijeta i NASA-ni satelitski
meteorološki podaci.
Meteorološki podaci iz mjernih postaja
diljem svijeta direktno su ugrađeni u
RETScreen softver. Ta baza podataka (RETScreen International Weather
Database) uključuje mjerenja preko 4700 mjernih postaja diljem svijeta dobivenih
iz 20 različitih izvora za period od 1961. do 1990. godine. Slika 24. prikazuje sve
mjerne postaje korištene u RETScreen-u.
Slika 24. Mjerne postaje diljem svijeta [25]
Budući da su podaci uzeti iz niza različitih izvora, originalni podaci nisu vidljivi
već su svi podaci iz svih izvora sakupljeni u jedistvenu bazu. Npr, podaci su
homogenizirani tako da se za sve lokacije koriste SI mjerne jedinice, bez obzira na
originalne mjerne jedinice. Također, ovisno o izvoru, neke su varijable izračunate
iz drugih veličina (npr. relativna vlažnost se može izračunati iz minimalne i
maksimalne vlažnosti).
Pri stvaranju ove jedinstvene baze korišteno je preko 20 različitih izvora.
Međutim nisu svi izvori jednako zastupljeni. Npr. neki izvori imaju ograničenu
prostornu pokrivenost (npr. pokrivaju samo jednu zemlju), ili su pak manje
pouzdani nego drugi izvori za istu lokaciju, te su stoga korišteni samo kao
posljednja opcija ako nema pouzdanijih podataka. Najznačajniji izvori su:
Izvori podataka
41
• Environment Canada (1993). Canadian Climate Normals, 1961-1990.
Ova knjiga (6 vol.) daje veliku količinu podataka i korištena je za većinu
Kanadskih postaja (osim podataka za solarno zračenje i vjetar)
• Environment Canada (1998). The Canadian renewable energy wind and
solar resources (CERES). Ovaj CD-ROM sadrži podatke za solarno
zračenje i vjetar za sve dostupne Kanadske postaje.
• Numerical Logics Inc. (1998). Monthly averages of solar radiation and
sunshine derived from data from the World Radiation Data Centre
(WRDC) Online Archive (1964-1993). Prosjeci za solarno zračenje su
izračunati iz podataka pohranjenih u WRDC; u RETSCreen bazu su
uključene samo postaje sa pet i više godina mjerenja.
• National Climatic Data Center and National Renewable Energy
Laboratory (1993). Solar and Meteorological Surface Observation
Network (SAMSON) 1961-1990. Version 1.0. Ova tri CD-ROMa su
primarni izvor podataka, uključujući solarno zračenje, za lokacije u
Sjedinjenim Američkim Državama. Mjesečni prosjeci su izračunati iz
satnih vrijednosti sadržanih na CD-ROMu.
• World Meteorological Organization (1996). Climatological Normals
(CLINO) for the period 1961-1990. Ovaj jako veliki dokument sadrži
informacije dostavljene od članica za različite klimatske parametre. Broj
uključenih parametara zavisi o zemlji članici. Neke slabije razvijene
zemlje mogu sadržavati samo jedan parametar, a razvijenije zemlje
najčešće dostavljaju vrijednosti za sve parametre potrebne za
RETSCreen bazu podataka. [25]
NASA satelitski meteorološki podaci za bilo koju lokaciju na Zemlji dostupni su
u RETScreen softveru preko „NASA Surface Meteorology and Solar Energy
(SSE)“ baze podataka. Ova je baza podataka korisna alternativa kada nisu
dostupni podaci iz mjernih postaja na Zemlji za određenu lokaciju. U RETScreen-u
se nalazi direktan link na NASA-inu internet stranicu, korisnik samo treba kopirati
željene podatke. Ovaj izvor podataka detaljno je opisan u prethodnom poglavlju
(poglavlje 6.1., str. 35) i dostupan je iz HOMER-a on-line preko Interneta.
Izvori podataka
42
6.3. PV GIS – Photovoltaic Geographical Information System
Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) pruža popis solarnih
energetskih resursa i procjenu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih
sustava temeljen na geografskoj karti u Europi, Africi i jugozapadnoj Aziji. On je
dio „SOLAREC“ (Solar Electricity Action) akcije koja doprinosi implementaciji
obnovljivih izvora energije u Europskoj Uniji kao održivog i dugoročnog izvora
energije.
Slika 25. PV GIS web sučelje [26]
Diljem Europe postoji nekoliko stotina meteoroloških mjernih postaja gdje se
direktno ili indirektno mjeri solarno zračenje (Slika 26. prikazuje mrežu „WRDC-
world radiation data centre“ mjernih postaja). Kako bi se iz ovih mjerenja dobile
prostorne baze podataka koriste se različite interpolacijske tehnike. U planinskim
područjima dodatne informacije iz satelitskih snimaka mogu poboljšati kvalitetu
interpolacije solarnog zračenja.
Izvori podataka
43
Prostorno neprekinute vrijednosti ozračenosti mogu se dobiti izravno iz
geostacionarnih satelita. Obrada satelitskih podataka daje manje pouzdane
vrijednosti (u usporedbi s onima mjernim na tlu), ali prednost je dostupnost
podataka za ogromne prostore s vremenskom rezolucijom od 0.5 do 12 sati. Nova
generacija satelita i novi modeli obrade pružaju podatke na još većim prostornim i
vremenskim rezolucijama (veličina dijela mreže od 1x1 km, svakih 15 min –
Meteosat 8) tako da se mogu koristiti energetske vremenske prognoze i
fotonaponsko promatranje velikog stupnja.
Slika 26. WRDC mjerne postaje (1964-1993) [26]
Da bi se u obzir uzele prostorne varijacije solarnog zračenja u područjima
dinamičnog reljefa koristimo modele solarnog zračenja integrirane sa geografskim
informacijskim sistemima (GIS). Modeli solarnog zračenja objedinjuju empirijske i
fizički temeljene jednadžbe kako bi pružili brzu i točnu procjenu zračenja iznad
velikih područja, uzimajući u obzir nagib tla, orijentaciju i efekte zasjenjenja.
Spajanje modela solarnog zračenja sa GIS sustavima i sustavima za obradu slika
Izvori podataka
44
povećava sposobnost korištenja različitih ekoloških i socio-ekonomskih podataka,
sposobnost suradnje sa drugim modelima, te sposobnost razvoja scenarija.
Vrsta podataka spremljena u PVGIS bazi podataka za sljedeće regije:
1. Europski subkontinent
2. Mediteranski bazen, Afrika i jugozapadna Azija
Baza podataka sadrži tri grupe rasterskih slojeva rezolucije 1 km x 1 km:
Europski subkontinent
1. geografski podaci: digitalni model visine, administrativne granice, gradovi
2. prostorno neprekinuti klimatski podaci:
− dnevna ozračenost horizontalne plohe
− omjer difuznog i globalnog ozračenja
− optimalni kut nagiba FN modula za maksimizaciju iskorištenja
energije
3. regionalni prosjeci za izgrađena područja:
− godišnja suma ozračenosti (horizontalna, vertikalna i optimalno
nagnuta ploha)
− godišnja suma predviđene proizvodnje električne energije
(horizontalna, vertikalna i optimalno nagnuta ploha)
− optimalni kut nagiba FN modula za maksimizaciju iskorištenja
energije kroz cijelu godinu
Baza podataka sadrži prve dvije grupe rasterskih slojeva kao i za Europski
subkontinent (navedeno iznad) rezolucije 2 km x 2 km.
Mediteranski bazen, Afrika i jugozapadna Azija
Izvori podataka
45
Osnovni izvori podataka korišteni za razvoj PVGIS baze podataka:
1. Mjesečni prosjeci ukupne dnevne globalne i difuzne ozračenosti,
mjerene i izračunate za 566 meteoroloških postaja na tlu
rasprostranjenih po cijeloj regiji, za period 1981.-1990., podaci su
sakupljeni unutar ESRA (European Solar Radiation Atlas) projekta
Europski subkontinent:
2. „Linke turbidity“ dobiven iz globalne baze podataka (Remund et al.
2003), dostupan iz SoDa (Solar radiation Data)
3. Digitalni model visine sa rezolucijom 1x1 km; dobiven iz USGS SRTM
podataka (United States Geological Survey – Shuttle Radar
Topography Mission)
4. „CORINE land cover“ sa rezolucijom 100x100 m
5. „Global land cover 2000“ sa rezolucijom 1x1 km
6. GISCO baza podataka (Geographic Information System of the
European Commission)
7. VMAP0 (Vector Map Level 0) i ESRI (Environmental Systems
Research Institute) podaci
1. HelioClim-1 baza podataka (dostupna preko SoDa - Solar radiation
Data). Sastoji se od dnevnih zbrojeva globalnog horizontalnog
ozračenja izračunatog iz „Meteosat Prime“ satelitskih snimaka.
Vrijednosti su za period 1985-2004. godine
Mediteranski bazen, Afrika i jugozapadna Azija:
2. „Linke turbidity“ dobiven iz globalne baze podataka (Remund et al.
2003), dostupan iz SoDa (Solar radiation Data)
3. Digitalni model visine sa rezolucijom 1x1 km; dobiven iz USGS SRTM
podataka (United States Geological Survey – Shuttle Radar
Topography Mission)
4. „Global land cover 2000“ sa rezolucijom 1x1 km
5. VMAP0 (Vector Map Level 0) podaci [26]
Izvori podataka
46
Slika 27. Godišnja ozračenost na horizontalnu plohu za RH [26]
Izvori podataka
47
6.4. DHMZ – Državni Hidrometeorloški Zavod Državni hidrometeorološki zavod je temeljna ustanova za meteorologiju i
hidrologiju na području Hrvatske. Osnovan je uredbom Vlade Narodne Republike
Hrvatske (NRH) 27. kolovoza 1947. godine. Dio kadrova i opreme preuzet je od
Geofizičkog zavoda i tadašnjeg Ministarstva građevine NRH, koji su do tada
obavljali dio poslova iz djelokruga meteorologije i hidrologije (mjerenja, prognoze
itd.). Do osamostaljenja Hrvatske tj. do 1991. djeluje kao republička ustanova, a
nakon toga kao državna. DHMZ u ime države Hrvatske obavlja međunarodnu
suradnju nakon 1992. godine kada Hrvatska postaje članicom Svjetske
meteorološke organizacije (SMO).
Slika 28. Karta glavnih meteoroloških postaja [27]
Temeljna djelatnost DHMZ-a su meteorološka motrenja (mjerenja i opažanja),
prijenos podataka i njihova daljnja obrada. Taj proces, sustavno započet na
području Hrvatske još sredinom 19. stoljeća, neprestano se razvija. Motrenja se na
Izvori podataka
48
nekoliko stotina meteoroloških postaja diljem Hrvatske obavljaju po jedinstvenim
mjerilima koje propisuje SMO. U novije vrijeme sve je više automatskih postaja
koje danonoćno mjere i bilježe meteorološke elemente (temperaturu, tlak i
vlažnost zraka, smjer i brzinu vjetra itd.) te ih putem složenih telekomunikacijskih
sustava automatski prenose u središnji telekomunikacijski centar DHMZ-a
smješten u Zagrebu. O ispravnosti i točnosti mjernih uređaja brine se Meteorološki
laboratorij koji je ovlašten za ispitivanje i izdavanje certifikata za mjerila u DHMZ-u,
kao i mjerila vanjskih korisnika. Dio mjerenih podataka šalje se u međunarodnu
razmjenu, a veći dio se zadržava unutar DHMZ-a, gdje se podvrgava daljnjoj
kontroli i obradi na elektroničkim medijima s brzim pristupom.
Glavne meteorološke postaje su meteorološke postaje s 2 do 5 profesionalnih
meteoroloških motritelja koje imaju ograđeno motrilište i radni prostor (najčešće
samostalni objekat) i obavljaju motrenja ili registraciju svih meteoroloških
elemenata tijekom 24 sata, prema propisima Svjetske meteorološke organizacije i
Državnog hidrometeorološkog zavoda.
Na većinu postaja uvedene su i automatske meteorološke postaje, koje tijekom
24 sata obavljaju mjerenja jednoga ili više meteoroloških elemenata i dio su
informacijskog sustava DHMZ-a. Za te postaje obavlja se operativna kontrola
podataka koja uključuje kontrolu potpunosti, kontrolu konzistencije i prostornu
kontrolu. Svi podaci, uključujući i podatke s automatskih postaja arhiviraju se na
medijima za računalnu obradu. Putem korisničkih programa mogu se isporučivati
podaci za različite namjene. [27]
Projektni zadatak
49
7. Projektni zadatak
7.1. Zadatak Usporediti utjecaj različitih izvora podataka pri projektiranju fotonaponskog
sustava spojenog na mrežu, za tri različite lokacije u Republici Hrvatskoj. Zadane
lokacije su:
• Grad Zagreb
• Grad Senj
• Grad Split
Prilikom simuliranja potrebno je koristiti podatke za ukupno (globalno) Sunčevo
zračenje na okomitu plohu, indeks prozirnosti (clearness index) i godišnji optimalni
kut β iz četiri različita izvora podataka:
• NASA – Surface Meteorology and Solar Energy Database
• PVGIS – Photovoltaic Geographical Information System
• RETscreen – Clean Energy Project Analysis Software
• DHMZ – Državni Hidrometeorološki Zavod (Matić, Zdeslav: „Sunčevo
zračenje na području Republike Hrvatske, Priručnik za korištenje
Sunčevog zračenja“, Energetski institut Hrvoje požar, Zagreb, 2007.)
Usporediti količinu proizvedene električne energije, te isplativost fotonaponskog
sustava spojenog na mrežu, s iznosom poticaja prema tarifnom pravilniku za
proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije.
Projektni zadatak
50
7.2. Definiranje parametara FN sustava i mreže u HOMER-u
Budući da će se u svim proračunima koristiti isti fotonaponski sustav potrebno je
točno definirati sve parametre fotonaponskog sustava i mreže koji su potrebni za
simulaciju.
Slika 29. Prikaz komponenti fotonaponskog sustava u HOMER-u
7.2.1. Definiranje parametara mreže
Klikom na ikonu „Grid“ ( ) otvara se izbornik „Grid inputs“ u kojem
definiramo parametre mreže. Za definiranje parametara mreže potrebno je unijeti
tri vrste podataka:
• Tarife („Rates“), gdje definiramo cijenu električne energije iz mreže
• Emisije („Emissions“), gdje unosimo faktore emisije za električnu energiju
iz mreže
• Napredne postavke („Advanced“), gdje unosimo određene napredne
varijable
Moguće je definirati maksimalno šesnaest tarifa i uz pomoć dijagrama lako
odrediti vremenske periode u kojima se koristi pojedina tarifa. Svaka tarifa može
imati različite vrijednosti slijedećih varijabli:
Projektni zadatak
51
1. Cijena energije („Power price“)
2.
– energija kupljena iz mreže u $/kWh.
Cijena električne energije za Republiku Hrvatsku izražena je u tablici 1.
Sukladno odluci Vlade RH (Narodne novine br. 70/2008), od 1. srpnja
2008. godine primjenjuju se nove tarifne stavke za proizvodnju, prijenos,
distribuciju i opskrbu električnom energijom.
Prodajna tarifa („Sellback rate“)
3.
– cijena koju komunalna služba plaća za
kupljenu energiju. Pri mrežnom mjerenju, ova tarifa se odnosi samo na
prekomjernu proizvodnju energije u sustavu. Poticajna cijena za
isporučenu električnu energiju iz solarne elektrane instalirane snage do
uključivo 10 kW iznosi 3,40 kn/kWh (tablica 2.).
Tarifa zahtjeva („Demand rate“)
Tablica 1. Tarifni modeli za kupce na niskom naponu [
– mjesečna pristojba koja se plaća
komunalnoj službi na osnovi vršnog mjesečnog zahtjeva za električnom
energijom.
28]
Kategorija kupaca Tarifni model
Tarifni element
Radna energija
Naknada za mjernu uslugu i opskrbu
JT [kn/kWh]
VT [kn/kWh]
NT [kn/kWh] [kn/mj]
Kućanstvo* Niski napon
Plavi 0,71
- - 16,00
(0,87) (19,52)
Bijeli - 0,75 0,38 16,00
(0,92) (0,46) (19,52)
Narančasti 0,93
- - - (1,13)
Crni 0,31
- - 5,40
(0,38) (6,59) Napomene: * Iznosi u zagradama izraženi su s PDV-om, zaokruženi na dvije decimale. ** Uz tarifne stavke objavljene u ovoj tablici, svi kupci plaćaju i posebnu naknadu za poticanje proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora u iznosu od 0,0089 kn/kWh.
RASPORED DNEVNIH TARIFA:
• zimsko računanje vremena: VT od 07-21 sat, NT od 21-07 sati • ljetno računanje vremena: VT od 08-22 sata, NT od 22-08 sati
Projektni zadatak
52
Visine tarifnih stavki za postrojenja priključena na distribucijsku mrežu koja
koriste OIE za proizvodnju električne energije instalirane električne snage do 1
MW prikazane su u Tablici 2.
Tablica 2. Visine tarifnih stavki [29]
Postrojenja Visina tarifne stavke [kn/kWh]
Solarne elektrane
Instalirane snage do 10 kW 3,40 Instalirane snage 10 - 30 kW 3,00
Instalirane snage veće od 30 kW 2,10 Hidroelektrane 0,69 Vjetroelektrane 0,64
U svrhu simulacije korišten je plavi tarifni model sa jedinstvenom cijenom
električne energije od 0,87 kn/kWh (ovaj podatak nije relevantan za našu analizu
jer sustav ne koristi el. en. iz mreže). Budući da HOMER računa s vrijednostima
električne energije u $/kWh, cijena elektirčne je pretvorena iz kn/kWh u $/kWh
prema tečajnoj listi Hrvatske narodne banke. Na dan 08.07.2008. srednji tečaj
dolara iznosio je 1 $ = 4,6042 kn.
Slika 30. Prikaz tarife
Projektni zadatak
53
Mrežno mjerenje („Net metering“) je obračunska shema prema kojoj
komunalna služba dopušta prodaju električne energije u mrežu po maloprodajnoj
tarifi. Efektivno i najčešće doslovno, pri prodaji električne energije u mrežu, mjerač
ide unatrag. Na kraju obračunskog razdoblja (mjesečno ili godišnje razdoblje)
naplaćuje se količina kupljene energije iz mreže (kupljena energija minus
prodana). Ako na kraju obračunskog razdoblja „kupljena energija“ ima negativnu
vrijednost, znači da je količina prodane energije veća nego količina kupljene
energije u obračunskom razdoblju. Prema tome komunalna služba plaća
otkupljenu energiju prema prodajnoj tarifi.
Emisije („Emissions“), na ovoj stranici se unose faktori emisija za dostupnu
električnu energiju. Vrijednosti tih faktora ovise o načinu proizvodnje električne
energije u određenoj okolini. U okolini gdje se većina električne energije proizvodi
iz ugljena, te će vrijednosti biti relativno visoke, jer sagorijevanje ugljena rezultira
visokim emisijama štetnih plinova. Prirodni plin rezultira manjim emisijama, dok
nuklearne elektrane i hidroelektrane imaju emisije štetnih plinova virtualno jednake
nuli.
Napredne postavke („Advanced“) sadrže dvije dodatne ekonomske ulazne
varijable i dvije ulazne varijable koje se odnose na maksimalnu vrijednost snage
koja može teći od i prema mreži.
• Trošak međupovezanosti („Interconnection charge“) je pristojba koja se
plaća pri spajanju sustava na mrežu, a omogućava sustavu da bude
priključen na mrežu. Ovaj je trošak uključen u investicijske troškove. (0 $)
• Trošak pripravnosti („Standby charge“) je godišnja pristojba koja se plaća
zbog omogućavanja opskrbe priključenog sustava rezervnom energijom
iz mreže. Ovo je godišnja cijena koja se može naplaćivati za rezervnu
snagu, a u ovoj se analizi zanemaruje. (0 $/god)
Budući da je naš fotonaponski sustav priključen samo na mrežu obje vrijednosti
su nula (0).
• Prodajni i kupovni kapaciteti; maksimalni zahtjev mreže je maksimalna
količina snage koja može biti predana iz mreže. To je varijabla odluke
zbog utjecaja troškova zahtjeva. Ako je zahtijevana tarifa nije jednaka
nuli, potrebno je precizirati vrijednost jednaku ili veću od vršnog
Projektni zadatak
54
opterećenja, plus najmanje jednu vrijednost koja je manja od vršnog
opterećenja. HOMER će izračunati optimalnu vrijednost. Maksimalna
vrijednost prodaje je najveća količina snage koja može biti prodana
natrag u mrežu.
Prodajni i kupovni kapaciteti su podešeni na vrijednost 10 kW.
7.2.2. Definiranje parametara fotonaponskog modula
Budući da HOMER nema specificirane tipove fotonaponskih modula, prilikom
odabira modula nije bitno koju vrstu tehnolgije odaberemo. To je nedostatak, ali
HOMER je prvenstveno optimizacijski alat koji traži najisplativiju kombinaciju
komponenti sustava na osnovi unesenih podataka.
Klikom na ikonu „PV“ ( ) otvara se prozor „PV Inputs“ u kojem podešavamo
parametre fotonaponskog modula.
Slika 31. „PV inputs“ prozor
Projektni zadatak
55
Životni vijek („Lifetime“), podatak koji je naveden u tehničkim specifikacijama
PV modula. Pretpostavljeni životni vijek FN modula je između 20 i 30 godina. U
proračunu je uzet životni vijek od 25 godina.
Faktor gubitaka („Derating factor“), je mjera gubitaka FN mreže prilikom
proizvodnje električne energije. Gubici su često uzrokovani visokim
temperaturama ambijenta, nepravilnim ožičenjem, nanosima prašine i slično. U
proračunu faktor gubitaka iznosi 95%, što znači da proizvodnja električne energije
FN modula odstupa 5% od nazivne vrijednosti.
Kut nagiba modula („Slope“), kut pod kojim su moduli ugrađeni u odnosu na
horizontalu. U proračunu mijenjamo optimalni kut ovisno o korištenom izvoru
podataka.
Sustav praćenja kretanja Sunca („Tracking system“) je ponuđen kao opcija.
U slučaju odabira takvog sustava potrebno je između ponuđenih opcija naznačiti
kakvu vrstu tehnologije praćenja kretanja Sunca želimo koristiti. U proračunu ne
koristimo ovu opciju jer su naši fotonaponski moduli ugrađeni pod fiksnim kutom.
Azimut („Azimuth“) služi kao pokazatelj zakrenutosti FN mreže. Da bi se
dobio maksimum iz FN mreže postavljene pod fiksnim kutom ona mora biti
orijentirana prema jugu. Za sjevernu zemljinu polutku azimut je najčešće 0°.
Koeficijent refleksije tla („Ground reflectance) ili albedo je svojstvo podloge
da odbija zračenje. Potpuno bijelo tijelo imalo bi albedo 1 jer bi potpuno odbijalo
Sunčevo zračenje, a potpuno crno tijelo imalo bi albedo 0. Najčešće se koristi
koeficijent refleksije travnate površine koji iznosi 0,2.
Za potrebe simulacije korišteni su fotonaponski moduli Solaris, nazivne snage
125 W i nazivnog napona 12 V. Iako ova stavka nije bitna pri energetskom
izračunu, predstavlja bitnu varijablu pri izračunu investicijskih troškova. U
investicijske troškove ubrajamo i MPPT regulator napona, te kutni krovni nosač
modula. Tablica 3.
U troškove održavanja treba uključiti i trošak zamjene MPPT regulatora napona
čiji je radni vijek 15 godina, dok je životni vijek cijelog sustava 25 godina (dakle
400 $ kroz 25 godina, tj. 16 $/god).
Projektni zadatak
56
Tablica 3. Investicijski troškovi fotonaponskog sustava [30]
Fotonaponski sustav Pn=500W
Jedinična cijena
[kn/kom] Komada
Investicijski troškovi
Troškovi rada i
održavanja
[kn] [$] [$/god]
Solarni modul Solaris 125 W 5060 4 20240 4395 0
Regulator napona BZ 500 W 12-48 V LCD MPPT
1840 1 1840 400 16
Kutni krovni nosač 350 4 1400 305 0
Ukupno: 23480 5100 400
7.2.3. Definiranje parametara pretvarača
Svaki sustav koji koristi izmjenične (AC) i istosmjerne (DC) komponente
zahtjeva pretvarač. Potrebno je odrediti nazivnu snagu pretvarača (u kW),
investicijske troškove (u $), troškove zamjene (u $), te troškove rada i održavanja
(u $/god). Prema smjeru pretvorbe energije pretvarači se dijele na izmjenjivače i
ispravaljače.
Osnovne postavke pretvarača se definiraju klikom na ikonu „Converter“ (
) u prozoru „Converter inputs“.
Izmjenjivač („Inverter“) – pretvara istosmjernu komponentu u izmjeničnu.
Potrebni podaci:
• Životni vijek („Lifetime“) – očekivano vrijeme rada izmjenjivača je 15
godina.
• Efikasnost („Efficiency“) – efikasnost pretvorbe istosmjerno u izmjenično
(u %)
• Izmjenjivač radi istovremeno s AC generatorom – potrebno je staviti
kvačicu, tj. uključiti opciju.
Projektni zadatak
57
Ispravljač („Rectifier“) – pretvara izmjeničnu komponentu u istosmjernu.
Potrebni podaci:
• Snaga povezana s izmjenjivačem („Capacity relative to inverter“) –
nazivna snaga ispravljača u odnosu na izmjenjivač (u %)
• Efikasnost („Efficiency“) – efikasnost pretvorbe izmjenično u istosmjerno
U projektu su korišteni pretvarači dostupni na hrvatskom tržištu.
Efikasnost pretvorbe je 94%, a životni vijek im je 15 godina.
Slika 32. „Converter inputs“ prozor
Tablica 4. Troškovi investicije, rada i održavanja pretvarača [30]
Nazivna snaga [W] Investicijski
troškovi Troškovi zamjene [$]
Troškovi rada i održavanja [$/god]
[$] [kn] 500 185 850 185 0
Projektni zadatak
58
7.2.4. Definiranje troškova projekta Homer može računati troškove sa unesenim podacima (npr. godišnja kamatna
stopa, životni vijek cijelog sustava, fiksni troškovi, penali zbog nemogućnosti
proizvodnje) za svaki sustav posebno.
Ove parametre unosimo klikom na ikonu „Economics“ ( ) u
„Economic inputs“ prozoru.
• Realna kamatna stopa („Annual real interest rate“) – kamatna stopa
korigirana za inflaciju. Koristi se za svođenje troškova investicije na
godišnje vrijednosti. U projektu koristimo realnu kamatnu stopu od 5%.
• Životni vijek projekta („Project lifetime“) – vremensko razdoblje, tj. broj
godina rada sustava. Kao životni vijek projekta pretpostavljen je životni
vijek fotonaponskih modula od 25 godina.
• Početni investicijski trošak („System fixed capital cost“) – trošak na
početku projekta, bez obzira na veličinu sustava. U našem slučaju to
iznosi 1300 $. U tu vrijednost uključeno je postavljanje fotonaponskog
sustava, spajanje komponenti, materijal i dr.
• Troškovi rada i održavanja („System fixed O&M cost“) – ovi troškovi su
godišnji troškovi koji se ponavljaju svake godine i malo ovise o veličini
sustava. U projektu ovi troškovi iznose 10 $/god.
Slika 33. Prikaz troškova projekta
Projektni zadatak
59
7.2.5. Definiranje podataka o intenzitetu Sunčeva zračenja
Podaci o intenzitetu Sunčevog zračenja potrebni su za proračun proizvodnje
električne energije fotonaponske mreže. Klikom na ikonu „Solar resource“ (
) otvaramo prozor „Solar resource inputs“ u kojem definiramo
podatke o intenzitetu Sunčeva zračenja (slika).
Dva su načina unošenja podataka u program. HOMER može podatke dohvatiti
automatski putem interneta iz „NASA – surface meteorology and solar energy“
baze podataka, dovoljno je upisati samo zemljopisnu širinu i dužinu željene
lokacije, te vremensku zonu. Drugi način je ručno unošenje podataka za ukupno
(globalno) Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu i indeks prozirnosti.
Slika 34. Primjer podataka za grad Zagreb
Projektni zadatak
60
Ukupno (globalno) Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu („Global horizontal radiation“) predstavlja najvažniju varijablu pri solarnim proračunima.
Ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu je mjera intenziteta Sunčevog
zračenja na površini Zemlje. Po definiciji, ukupno Sunčevo zračenje je zbroj
doprinosa direktnog (ekstraterestičkog) zračenja, raspršenog (atmosferskog)
zračenja i odbijenog (reflektiranog) zračenja sa površine Zemlje. Najveći doprinos
globalnom zračenju na horizontalnu plohu daje direktno zračenje Sunca koje je
najizraženije za vrijeme „bistrog neba“, odnostno lijepog vremena. Indikator
izrazito dobrog direktnog Sunčevog zračenja je pojava sjene.
Slika 35. Srednja godišnja ukupna ozračenost vodoravne plohe [1]
Projektni zadatak
61
Mjera ukupnog (globalnog) Sunčevog zračenja ukoliko se radi o trenutnom
izntenzitetu zračenja je W/m2. Mjera koja se najčešće koristi je srednja dnevna
vrijednost izražena u kWh/m2 dnevno, što znači da je vrijednost globalno
Sunčevog zračenja na horizontalnu plohu mjerena (izračunata) kroz određeni
vremenski period (1 h) na određenoj površini plohe (1m2) te je predstavljena kao
aritmetička sredina srednjih dnevnih vrijednosti za pojedini mjesec.
Slika 36. Godišnji prikaz globalnog Sunčevog zračenja za grad Zagreb
Indeks prozirnosti („Clearness index“) predstavlja mjeru bistrine atmosfere.
Definiran je kao omjer ukupnog Sunčevog zračenja i ekstraterestičkog zračenja, a
proračunava se za satne, dnevne ili mjesečne vrijednosti. Indeks prozirnosti je
bezdimenzionalan broj, po vrijednosti između 0 i 1. Pri lijepom, sunčanom
vremenu indeks prozirnosti ima visoku vrijednost, dok pri oblačnom vremenu ima
nisku vrijednost. Tipične vrijednosti su između 0.25 i 0.75. Za potrebe simulacije
dovoljno je unijeti globalno zračenje na okomitu plohu ili indeks prozirnosti za
željenu lokaciju, a HOMER proračunava varijablu koja nije unesena pomoću
zemljopisne širine. [31]
ZAGREB
62
8. ZAGREB
8.1. Zagreb 1: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka NASA
Podatke potrebne za proračun HOMER automatski preuzima s interneta iz
„NASA – surface meteorology and solar energy database“. Mi samo upisujemo
zemljopisnu širinu i dužinu na kojoj se nalazi grad zagreb, te vremensku zonu.
Tablica 5. Podaci koje je potrebno upisati
Zagreb Zemljopisna širina 45 48' Zemljopisna dužina 15 57 ' Vremenska zona GMT +01:00
Tablica 6. Podaci koje HOMER automatski preuzima s interneta (Zagreb)
Zagreb Zemljopisna širina: 45 48' ; Zemljopisna dužina: 15 57 '
Mjesec Indeks prozirnosti
Globalno sunčevo zračenje na
horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]
Optimalni godišnji kut [°]
Siječanj 0.437 1.420
45.8°
Veljača 0.496 2.330 Ožujak 0.502 3.440 Travanj 0.456 4.170 Svibanj 0.494 5.360 Lipanj 0.498 5.770 Srpanj 0.537 6.010
Kolovoz 0.534 5.210 Rujan 0.482 3.670
Listopad 0.423 2.250 Studeni 0.393 1.400 Prosinac 0.407 1.150
Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.
ZAGREB
63
Slika 37. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, NASA)
Slika 38. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, NASA)
ZAGREB
64
8.2. Zagreb 2: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka RETScreen
Podatke potrebne za proračun uzimamo iz RETScreen-a i unosimo u HOMER.
(Slika 40.)
Slika 39. Podaci za grad Zagreb (RETScreen)
ZAGREB
65
Slika 40. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, RETScreen)
Slika 40. prikazuje procijenjene vrijednosti za indeks prozirnosti na temelju
podataka za ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu. Dakle, dovoljno je u
HOMER unijeti podatke za ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu plohu
dobivene iz RETScreen-a, te on onda računa vrijednosti indeksa prozirnosti.
U RETScreen-u ne postoji podatak za optimalni godišnji kut, već samo naputak
da je kut koji daje godišnji maksimum jednak zemljopisnoj širini. On iznosi 45.8°.
Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.
ZAGREB
66
Slika 41. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, RETScreen)
Slika 42. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, RETScreen)
ZAGREB
67
8.3. Zagreb 3: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka PVGIS
Podatke potrebne za proračun uzimamo iz PV GIS-a i unosimo u HOMER.
(Slika 44.)
Slika 43. Podaci za grad Zagreb (PV GIS)
ZAGREB
68
Slika 44. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, PV GIS)
HOMER, na temelju podataka za ukupno Sunčevo zračenje na horizontalnu
plohu iz PV GIS-a, računa vrijednosti indeksa prozirnosti. Budući da nam PV GIS
daje vrijednost za optimalni kut, koristimo taj podatak a ne onaj koji HOMER
automatski računa. Godišnji optimalni kut iznosi 33°.
Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.
ZAGREB
69
Slika 45. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, PV GIS)
Slika 46. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, PV GIS)
ZAGREB
70
8.4. Zagreb 4: Lokacija grad Zagreb, izvor podataka DHMZ
Podatke potrebne za proračun unosimo u HOMER. Posebno valja naglasiti
veliku razliku optimalnog godišnjeg kuta u odnosu na ostale izvore podataka.
Tablica 7. Ulazni podaci (ZG, DHMZ)
Zagreb Zemljopisna širina: 45 49 ' ; Zemljopisna dužina: 15 59 '
Mjesec Indeks prozirnosti
Globalno sunčevo zračenje na
horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]
Optimalni godišnji kut [°]
Siječanj 0.299 0.970
24.16°
Veljača 0.347 1.630 Ožujak 0.431 2.950 Travanj 0.461 4.220 Svibanj 0.489 5.310 Lipanj 0.502 5.820 Srpanj 0.537 6.010
Kolovoz 0.515 5.030 Rujan 0.512 3.900
Listopad 0.436 2.320 Studeni 0.326 1.160 Prosinac 0.131 0.730
ZAGREB
71
Slika 47. Procjena indeksa prozirnosti (ZG, DHMZ)
Kako je opisano i u prethodnim poglavljima, HOMER računa indekse prozirnosti
na temelju unesenih podataka za globalno Sunčevo zračenje na horizontalnu
plohu. Izvor podataka je u ovom slučaju „Zdeslav Matić – Sunčevo zračenje na
području Republike Hrvatske, Priručnik za energetsko korištenje Sunčevog
zračenja“ (DHMZ). Također koristimo i podatak za optimalni godišnji kut.
Vrijednost optimalnog godišnjeg kuta iznosi 24.16° .
ZAGREB
72
Rezultate proračuna prikazuju naredne dvije slike.
Slika 48. Prikaz troškova modeliranog sustava (ZG, DHMZ)
Slika 49. Podaci o proizvodnji električne energije (ZG, DHMZ)
ZAGREB
73
8.5. Usporedba rezultata za grad Zagreb Tablica 8. Usporedba rezultata (Zagreb)
Izvor podataka Mjesec Indeks
prozirnosti
Ukupno zračenje na horizontalnu
plohu [kWh/m2]
Godišnji optimalni
kut [°]
Relativna razlika ozračenosti u
odnosu na DHMZ [kWh/m2]
Relativna razlika
ozračenosti u odnosu na DHMZ [%]
1. NASA
Siječanj 0,437 1,420
45.8
+0,45 +46 Veljača 0,496 2,330 +0,70 +43 Ožujak 0,502 3,440 +0,49 +17 Travanj 0,456 4,170 -0,05 -1 Svibanj 0,494 5,360 +0,05 +1 Lipanj 0,498 5,770 -0,05 -1 Srpanj 0,537 6,010 0 0
Kolovoz 0,534 5,210 +0,18 +4 Rujan 0,482 3,670 -0,23 -6
Listopad 0,423 2,250 -0,07 -3 Studeni 0,393 1,400 +0,24 +21 Prosinac 0,407 1,150 +0,42 +57
2. RETScreen
Siječanj 0,280 0,940
45.8
-0,03 -3 Veljača 0,366 1,760 +0,13 +8 Ožujak 0,408 2,830 -0,12 -4 Travanj 0,453 4,170 -0,05 -1 Svibanj 0,498 5,420 +0,11 +2 Lipanj 0,485 5,620 -0,2 -3 Srpanj 0,528 5,920 -0,09 -1
Kolovoz 0,497 4,880 -0,15 -3 Rujan 0,487 3,750 -0,15 -4
Listopad 0,442 2,400 +0,08 +3 Studeni 0,334 1,230 +0,07 +6 Prosinac 0,265 0,780 +0,05 +7
3. PV GIS
Siječanj 0,360 1,170
33
+0,2 +21 Veljača 0,407 1,910 +0,28 +17 Ožujak 0,418 2,860 -0,09 -3 Travanj 0,438 4,010 -0,21 -5 Svibanj 0,463 5,030 -0,28 -5 Lipanj 0,459 5,320 -0,5 -9 Srpanj 0,506 5,670 -0,34 -6
Kolovoz 0,502 4,900 -0,13 -3 Rujan 0,487 3,710 -0,19 -5
Listopad 0,423 2,250 -0,07 -3 Studeni 0,337 1,200 +0,04 +3 Prosinac 0,297 0,839 +0,11 +15
4. DHMZ
Siječanj 0,299 0,970
24.16
0 0 Veljača 0,347 1,630 0 0 Ožujak 0,431 2,950 0 0 Travanj 0,461 4,220 0 0 Svibanj 0,489 5,310 0 0 Lipanj 0,502 5,820 0 0 Srpanj 0,537 6,010 0 0
Kolovoz 0,515 5,030 0 0 Rujan 0,512 3,900 0 0
Listopad 0,436 2,320 0 0 Studeni 0,326 1,160 0 0 Prosinac 0,259 0,730 0 0
Usporedba ulaznih podataka:
ZAGREB
74
Slika 50. Usporedba indeksa prozirnosti (Zagreb)
Slika 51. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Zagreb)
0,25
0,30
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
inde
ks p
rozi
rnos
ti
mjeseci u godini
Usporedba indeksa prozirnosti
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
-0,60
-0,40
-0,20
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Uku
pno
zrač
enje
na
horiz
onta
lnu
ploh
u [k
Wh/
m2
dnev
no]
mjeseci u godini
Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u kWh/m2)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
ZAGREB
75
Slika 52. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Zagreb)
Iz grafova vidimo da su najveće razlike u odnosu na DHMZ, koji smo uzeli kao
referencu, kod NASA podatka, a najmanje kod RETScreen podataka.
Tablica 9. Usporedba proizvodnje električne energije (Zagreb)
-15
-5
5
15
25
35
45
55
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Uku
pno
zrač
enje
na
horiz
onta
lnu
ploh
u [%
]
mjeseci u godini
Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u postocima)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
ZAGREB
76
Izvor podataka Mjesec
Mjesečna proizvodnja
[kWh]
Godišnja proizvodnja
[kWh]
Relativna razlika mjesečne proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]
Relativna razlika godišnje proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]
1. NASA
Siječanj 41
671
+115
+11
Veljača 50 +85 Ožujak 64 +28 Travanj 59 -3 Svibanj 69 -7 Lipanj 68 0 Srpanj 75 -1
Kolovoz 73 +3 Rujan 60 -3
Listopad 43 +5 Studeni 34 +48 Prosinac 33 +154
2. RETScreen
Siječanj 21
593
+11
-2
Veljača 33 +18 Ožujak 50 0 Travanj 59 -3 Svibanj 70 -5 Lipanj 66 -13 Srpanj 74 -10
Kolovoz 68 -7 Rujan 61 -2
Listopad 47 +15 Studeni 28 +22 Prosinac 16 +23
3. PV GIS
Siječanj 28
603
+47
0
Veljača 36 +33 Ožujak 50 0 Travanj 58 -5 Svibanj 69 -7 Lipanj 68 -11 Srpanj 76 -7
Kolovoz 71 -3 Rujan 61 -2
Listopad 42 +2 Studeni 26 +13 Prosinac 18 +38
4. DHMZ
Siječanj 19
603
0
0
Veljača 27 0 Ožujak 50 0 Travanj 61 0 Svibanj 74 0 Lipanj 76 0 Srpanj 82 0
Kolovoz 73 0 Rujan 62 0
Listopad 41 0 Studeni 23 0 Prosinac 13 0
ZAGREB
77
Slika 53. Mjesečna proizvodnja električne energije (Zagreb)
Slika 54. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Zagreb)
10
20
30
40
50
60
70
80
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mje
sečn
a pr
oizv
odnj
a [k
Wh]
mjeseci u godini
Mjesečna proizvodnja električne energije
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mje
sečn
a pr
oizv
odnj
a [%
]
mjeseci u godini
Mjesečna razlika proizvodnje električne energije u odnosu na DHMZ (u postocima)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
ZAGREB
78
Slika 55. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima
prema DHMZ proračunu (Zagreb)
Najveću godišnju proizvodnju dobivamo koristeći NASA-ine podatke što je i
očekivano jer oni najviše odstupaju od reference (DHMZ).
+11%
-2%
0% 0%
540
560
580
600
620
640
660
680G
odiš
nja
proi
zvod
nja
[kW
h]
Godišnja proizvodnja električne energije
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SENJ
79
9. SENJ
9.1. Senj 1: Lokacija grad Senj, izvor podataka NASA
Podatke potrebne za proračun HOMER direktno peuzima on-line preko
Interneta iz NASA-ine baze podataka.
Slika 56. Ulazni podaci (SENJ, NASA)
Optimalni kut: 45°
SENJ
80
9.2. Senj 2: Lokacija grad Senj, izvor podataka RETScreen
Slika 57. Ulazni podaci (SENJ, RETScreen)
Optimalni kut: 45°
SENJ
81
9.3. Senj 3: Lokacija grad Senj, izvor podataka PV GIS
Slika 58. Ulazni podaci (SENJ, PV GIS)
Optimalni kut: 35°
SENJ
82
9.4. Senj 4: Lokacija grad Senj, izvor podataka DHMZ
Tablica 10. Ulazni podaci (SENJ, DHMZ)
Senj Zemljopisna širina: 44 59 ' ; Zemljopisna dužina: 14 54 '
Mjesec Indeks prozirnosti
Globalno sunčevo zračenje na
horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]
Optimalni godišnji kut [°]
Siječanj 0.379 1.290
27.98°
Veljača 0.470 2.280 Ožujak 0.481 3.360 Travanj 0.509 4.700 Svibanj 0.525 5.720 Lipanj 0.543 6.290 Srpanj 0.576 6.460
Kolovoz 0.550 5.410 Rujan 0.542 4.190
Listopad 0.505 2.760 Studeni 0.381 1.420 Prosinac 0.355 1.060
Optimalni kut: 27.98°
SENJ
83
9.5. Usporedba rezultata za grad Senj Tablica 11. Usporedba rezultata (Senj)
Izvor podataka Mjesec Indeks
prozirnosti
Ukupno zračenje na horizontalnu
plohu [kWh/m2]
Godišnji optimalni
kut [°]
Relativna razlika ozračenosti u
odnosu na DHMZ [kWh/m2]
Relativna razlika
ozračenosti u odnosu na DHMZ [%]
1. NASA
Siječanj 0,420 1,42
45
+0,13 +10 Veljača 0,483 2,33 +0,05 +2 Ožujak 0,494 3,44 +0,08 +2 Travanj 0,452 4,17 -0,53 -11 Svibanj 0,493 5,36 -0,36 -6 Lipanj 0,498 5,77 -0,52 -8 Srpanj 0,536 6,01 -0,45 -7
Kolovoz 0,531 5,21 -0,20 -4 Rujan 0,476 3,67 -0,52 -12
Listopad 0,413 2,25 -0,51 -18 Studeni 0,378 1,40 -0,02 -1 Prosinac 0,388 1,15 +0,09 +8
2. RETScreen
Siječanj 0,467 1,59
45
+0,30 +23 Veljača 0,528 2,56 +0,28 +12 Ožujak 0,563 3,93 +0,57 +17 Travanj 0,556 5,13 +0,43 +9 Svibanj 0,593 6,46 +0,74 +13 Lipanj 0,615 7,13 +0,84 +13 Srpanj 0,656 7,36 +0,90 +14
Kolovoz 0,645 6,34 +0,93 +17 Rujan 0,605 4,68 +0,49 +12
Listopad 0,538 2,94 +0,18 +7 Studeni 0,432 1,61 +0,19 +13 Prosinac 0,429 1,28 +0,22 +21
3. PV GIS
Siječanj 0,405 1,38
35
+0,09 +7 Veljača 0,439 2,13 -0,15 -7 Ožujak 0,473 3,30 -0,06 -2 Travanj 0,481 4,44 -0,26 -6 Svibanj 0,499 5,43 -0,29 -5 Lipanj 0,539 6,25 -0,04 -1 Srpanj 0,580 6,51 +0,05 +1
Kolovoz 0,577 5,67 +0,26 +5 Rujan 0,546 4,22 +0,03 +1
Listopad 0,475 2,60 -0,16 -6 Studeni 0,406 1,51 +0,09 +6 Prosinac 0,355 1,06 0 0
4. DHMZ
Siječanj 0,379 1,29
27.98
0 0 Veljača 0,470 2,28 0 0 Ožujak 0,481 3,36 0 0 Travanj 0,509 4,70 0 0 Svibanj 0,525 5,72 0 0 Lipanj 0,543 6,29 0 0 Srpanj 0,576 6,46 0 0
Kolovoz 0,550 5,41 0 0 Rujan 0,542 4,19 0 0
Listopad 0,505 2,76 0 0 Studeni 0,381 1,42 0 0 Prosinac 0,355 1,06 0 0
Usporedba ulaznih podataka:
SENJ
84
Slika 59. Usporedba indeksa prozirnosti (Senj)
Slika 60. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Senj)
0,35
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0,70
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
inde
ks p
rozi
rnos
ti
mjeseci u godini
Usporedba indeksa prozirnosti
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
-0,60
-0,40
-0,20
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Uku
pno
zrač
enje
na
horiz
onta
lnu
ploh
u [k
Wh/
m2
dnev
no]
mjeseci u godini
Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u kWh/m2)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SENJ
85
Slika 61. Relativna razlika ozračenosti (u %) (Senj)
Tablica 12. Usporedba proizvodnje električne energije (Senj)
Izvor Mjesec Mjesečna Godišnja Relativna razlika Relativna razlika
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Uku
pno
zrač
enje
na
horiz
onta
lnu
ploh
u [%
]
mjeseci u godini
Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u postocima)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SENJ
86
podataka proizvodnja [kWh]
proizvodnja [kWh]
mjesečne proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]
godišnje proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]
1. NASA
Siječanj 39
661
+30
-6
Veljača 48 +14 Ožujak 63 +7 Travanj 59 -14 Svibanj 69 -13 Lipanj 68 -16 Srpanj 75 -15
Kolovoz 73 -8 Rujan 59 -13
Listopad 42 -19 Studeni 33 +10 Prosinac 32 +33
2. RETScreen
Siječanj 45
814
+50
+16
Veljača 55 +31 Ožujak 75 +27 Travanj 74 +7 Svibanj 84 +6 Lipanj 84 +4 Srpanj 92 +5
Kolovoz 90 +14 Rujan 79 +16
Listopad 61 +17 Studeni 39 +30 Prosinac 37 +54
3. PV GIS
Siječanj 35
700
+17
0
Veljača 41 -2 Ožujak 59 0 Travanj 64 -7 Svibanj 74 -6 Lipanj 79 -2 Srpanj 86 -2
Kolovoz 82 +4 Rujan 70 +3
Listopad 50 -4 Studeni 34 +13 Prosinac 25 +4
4. DHMZ
Siječanj 30
701
0
0
Veljača 42 0 Ožujak 59 0 Travanj 69 0 Svibanj 79 0 Lipanj 81 0 Srpanj 88 0
Kolovoz 79 0 Rujan 68 0
Listopad 52 0 Studeni 30 0 Prosinac 24 0
SENJ
87
Slika 62. Mjesečna proizvodnja električne energije (Senj)
Slika 63. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Senj)
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mje
sečn
a pr
oizv
odnj
a [k
Wh]
mjeseci u godini
Mjesečna proizvodnja električne energije
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mje
sečn
a pr
oizv
odnj
a [%
]
mjeseci u godini
Mjesečna razlika proizvodnje električne energije u odnosu na DHMZ (u postocima)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SENJ
88
Slika 64. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema DHMZ proračunu (Senj)
Najveću proizvodnju električne energije dobivamo koristeći RETScreen
podatke, a najmanju koristeći NASA podatke.
-6%
+16%
0% 0%
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900G
odiš
nja
proi
zvod
nja
[kW
h]
Godišnja proizvodnja električne energije
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SPLIT
89
10. SPLIT
10.1. Split 1: Lokacija grad Split, izvor podataka NASA
Slika 65. Ulazni podaci (ST, NASA)
Optimalni kut: 43.5°
SPLIT
90
10.2. Split 2: Lokacija grad Split, izvor podataka RETSCreen
Slika 66. Ulazni podaci (ST, RETScreen)
Optimalni kut: 43.5°
SPLIT
91
10.3. Split 3: Lokacija grad Split, izvor podataka PV GIS
Slika 67. Ulazni podaci (ST, PVGIS)
Optimalni kut: 36°
SPLIT
92
10.4. Split 4: Lokacija grad Split, izvor podataka DHMZ
Tablica 13. Ulazni podaci (ST, DHMZ)
Split Zemljopisna širina: 43 31' ; Zemljopisna dužina: 16 26 '
Mjesec Indeks prozirnosti
Globalno sunčevo zračenje na
horizontalnu plohu [kWh/m2 dnevno]
Optimalni godišnji kut [°]
Siječanj 0.470 1.710
30.6°
Veljača 0.523 2.650 Ožujak 0.530 3.800 Travanj 0.527 4.930 Svibanj 0.555 6.070 Lipanj 0.598 6.940 Srpanj 0.619 6.960
Kolovoz 0.601 5.960 Rujan 0.588 4.640
Listopad 0.583 3.310 Studeni 0.486 1.920 Prosinac 0.448 1.440
Optimalni kut: 30.6°
SPLIT
93
10.5. Usporedba rezultata za grad Split Tablica 14. Usporedba rezultata (Split)
Izvor podataka Mjesec Indeks
prozirnosti
Ukupno zračenje na horizontalnu
plohu [kWh/m2]
Godišnji optimalni
kut [°]
Relativna razlika ozračenosti u
odnosu na DHMZ [kWh/m2]
Relativna razlika
ozračenosti u odnosu na DHMZ [%]
1. NASA
Siječanj 0,478 1,740
43.5
+0,03 +2 Veljača 0,515 2,610 -0,04 -2 Ožujak 0,539 3,860 +0,06 +2 Travanj 0,510 4,770 -0,16 -3 Svibanj 0,550 6,010 -0,06 -1 Lipanj 0,591 6,850 -0,09 -1 Srpanj 0,630 7,080 +0,12 +2
Kolovoz 0,610 6,050 +0,09 +2 Rujan 0,574 4,530 -0,11 -2
Listopad 0,500 2,840 -0,47 -14 Studeni 0,440 1,740 -0,18 -9 Prosinac 0,442 1,420 -0,02 -1
2. RETScreen
Siječanj 0,522 1,900
43.5
+0,19 +11 Veljača 0,532 2,700 +0,05 +2 Ožujak 0,564 4,040 +0,24 +6 Travanj 0,562 5,250 +0,32 +6 Svibanj 0,607 6,640 +0,57 +9 Lipanj 0,630 7,310 +0,37 +5 Srpanj 0,639 7,190 +0,23 +3
Kolovoz 0,642 6,370 +0,41 +7 Rujan 0,624 4,930 +0,29 +6
Listopad 0,632 3,590 +0,28 +8 Studeni 0,544 2,150 +0,23 +12 Prosinac 0,510 1,640 +0,20 +14
3. PV GIS
Siječanj 0,456 1,660
36
-0,05 -3 Veljača 0,477 2,420 -0,23 -9 Ožujak 0,525 3,760 -0,04 -1 Travanj 0,539 5,040 +0,11 +2 Svibanj 0,559 6,110 +0,04 +1 Lipanj 0,585 6,780 -0,16 -2 Srpanj 0,643 7,230 +0,27 +4
Kolovoz 0,630 6,250 +0,29 +5 Rujan 0,611 4,820 +0,18 +4
Listopad 0,547 3,110 -0,20 -6 Studeni 0,460 1,820 -0,10 -5 Prosinac 0,426 1,370 -0,07 -5
4. DHMZ
Siječanj 0,470 1,710
30.6
0 0 Veljača 0,523 2,650 0 0 Ožujak 0,530 3,800 0 0 Travanj 0,527 4,930 0 0 Svibanj 0,555 6,070 0 0 Lipanj 0,598 6,940 0 0 Srpanj 0,619 6,960 0 0
Kolovoz 0,601 5,960 0 0 Rujan 0,588 4,640 0 0
Listopad 0,583 3,310 0 0 Studeni 0,486 1,920 0 0 Prosinac 0,448 1,440 0 0
Usporedba ulaznih podataka:
SPLIT
94
Slika 68. Usporedba indeksa prozirnosti (Split)
Slika 69. Relativna razlika ozračenosti (u kWh/m2) (Split)
0,40
0,45
0,50
0,55
0,60
0,65
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
inde
ks p
rozi
rnos
ti
mjeseci u godini
Usporedba indeksa prozirnosti
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
-0,60
-0,40
-0,20
0,00
0,20
0,40
0,60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Uku
pno
zrač
enje
na
horiz
onta
lnu
ploh
u [k
Wh/
m2
dnev
no]
mjeseci u godini
Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u kWh/m2)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SPLIT
95
Slika 70. Relativna razlika ozračenosti ( u %) (Split)
Tablica 15. Usporedba proizvodnje električne energije (Split)
Izvor podataka Mjesec
Mjesečna proizvodnja
[kWh]
Godišnja proizvodnja
[kWh]
Relativna razlika mjesečne proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]
Relativna razlika godišnje proizvodnje u odnosu na DHMZ [%]
-15
-10
-5
0
5
10
15
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Uku
pno
zrač
enje
na
horiz
onta
lnu
ploh
u [%
]
mjeseci u godini
Relativna razlika ozračenosti u odnosu na DHMZ (u postocima)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SPLIT
96
1. NASA
Siječanj 47
781
+40
-3
Veljača 53 +16 Ožujak 71 +14 Travanj 68 -1 Svibanj 78 -4 Lipanj 80 -5 Srpanj 88 0
Kolovoz 85 +5 Rujan 74 +10
Listopad 56 +7 Studeni 41 +16 Prosinac 40 +32
2. RETScreen
Siječanj 53
873
+40
9
Veljača 56 +16 Ožujak 75 +14 Travanj 76 -1 Svibanj 86 -4 Lipanj 85 -5 Srpanj 90 0
Kolovoz 90 +5 Rujan 82 +10
Listopad 78 +7 Studeni 54 +16 Prosinac 49 +32
3. PV GIS
Siječanj 42
800
-10
0
Veljača 47 -9 Ožujak 68 -3 Travanj 74 -11 Svibanj 82 -12 Lipanj 84 -3 Srpanj 95 0
Kolovoz 90 +2 Rujan 80 +4
Listopad 62 -6 Studeni 41 +16 Prosinac 36 +8
4. DHMZ
Siječanj 42
802
0
0
Veljača 50 0 Ožujak 68 0 Travanj 72 0 Svibanj 83 0 Lipanj 88 0 Srpanj 93 0
Kolovoz 87 0 Rujan 76 0
Listopad 65 0 Studeni 42 0 Prosinac 36 0
SPLIT
97
Slika 71. Mjesečna proizvodnja električne energije (Split)
Slika 72. Mjesečna razlika proizvodnje el. en. u odnosu na DHMZ (Split)
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Mje
sečn
a pr
oizv
odnj
a [k
Wh]
mjeseci u godini
Mjesečna proizvodnja električne energije
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
-20
-10
0
10
20
30
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12Mje
sečn
a pr
oizv
odnj
a [%
]
mjeseci u godini
Mjesečna razlika proizvodnje električne energije u odnosu na DHMZ (u postocima)
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
SPLIT
98
Slika 73. Godišnja proizvodnja električne energije i razlika u postocima prema DHMZ proračunu (Split)
Za Split najveću proizvodnju el. energije dobivamo koristeći RETScreen
podatke, a najmanju koristeći NASA podatke.
-3%
+9%
0% 0%
720
740
760
780
800
820
840
860
880G
odiš
nja
proi
zvod
nja
[kW
h]
Godišnja proizvodnja električne energije
NASA
RETScreen
PV Gis
DHMZ
Zaključak
99
11. Zaključak Pri projektiranju fotonaponskog sustava projektant se susreće sa mnogim
nesigurnostima. Jedna od njih je i podatak o Sunčevom zračenju za odabranu lokaciju. U ovom radu promatrane su tri lokacije u Republici Hrvatskoj. To su: grad Zagreb, grad Senj i grad Split. Za svaku od te tri lokacije korišteni su podaci o Sunčevom zračenju iz četiri različita izvora. Budući da su podaci različiti za svaki izvor i svaku lokaciju, nameće se nekoliko pitanja – koji izvor podataka je najpouzdaniji? Koji podaci predviđaju najveću proizvodnju električne energije a koji najmanju, te kolika je uopće ta razlika? Ova analiza daje odgovore na ta pitanja, a do njih dolazimo pomoću računalnog simulacijskog programa HOMER u kojem je provedena energetsko-ekonomska analiza za sve lokacije i sve izvore podataka. Fotonaponski sustav vršne snage 500 W je u svim slučajevima isti kako bi što lakše uočili utjecaj različitosti podataka o Sunčevom zračenju i optimalnom kutu nagiba na proizvedenu električnu energiju.
Za grad Zagreb najveće oscilacije ulaznih podatka u odnosu na referentni izvor (DHMZ) su za NASA podatke, a to se direktno odražava i na godišnju proizvodnju električne energije. Tako je za NASA podatke izračunata čak 11% veća proizvodnja el. en. u odnosu na referencu, a to nikako nije zanemarivo.
Za grad Senj najveće oscilacije ulaznih podataka u odnosu na DHMZ su za NASA i RETScreen podatke. Zbog toga NASA podaci daju 6% manju, a RETScreen čak 16% ili 113 kWh veću godišnju proizvodnju el. en. u odnosu na referentni izvor podataka. Zanimljivo je primjetiti da i PVGIS ulazni podaci također osciliraju (iako u manjoj mjeri), a daju gotovo identičnu godišnju proizvodnju električne energije.
Za grad Split, slično kao i u prethodnom primjeru, od reference najviše odstupaju NASA i RETScreen podaci. Proizvodnja el. en. za NASA podatke je 3% manja od reference, a za RETScreen podatke 9% veća. PVGIS podaci također odstupaju od reference, ali kao i u prethodnom primjeru, daju gotovo istu godišnju proizvodnju električne energije.
Iz dobivenih rezultata vidljivo je da u većini slučajeva ulazni podaci, a zbog toga i mjesečna i godišnja proizvodnja električne energije, osciliraju ovisno o izvoru podataka. Oscilacije su mnogo veće na mjesečnoj,ali prisutne su i na godišnjoj razini. To je iznimno važno za samostalne fotonaponske sustave, ali i za mrežu kada bi se ukupna instalirana snaga solarnih elektrana znatno povećala. Dakle, izvore podataka, tj. njihovu pouzdanost, itekako treba imati u vidu pri projektiranju sustava jer godišnja proizvodnja električne energije od +/-10ak posto može značiti razliku između isplativosti i neisplativosti sustava.
Literatura
100
12. Literatura 1. Matić, Zdeslav: „Sunčevo zračenje na području Republike Hrvatske –
Priručnik za energetsko korištenje Sunčevog zračenja“, Energetski institut Hrvoje Požar, Zagreb, 2007.
2. Betti, T: „Optimalni kut nagiba fotonaponskog panela“, diplomski rad, Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Split, 2001.
3. Energetski institut Hrvoje Požar: „Obnovljivi izvori energije“, s interneta, http://www.eihp.hr/hrvatski/e_obnovljivi.htm, lipanj 2008.
4. Kulišić, P; Vuletin, J; Zulim, I: „Sunčane ćelije“, Školska knjiga, Zagreb, 1994.
5. Izvori energije, s interneta, http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html, srpanj 2008.
6. Dnevnik.hr, s interneta, http://dnevnik.hr/vijesti/gospodarstvo/pocela-proizvodnja-tople-vode-preko-solarnih-kolektora.html, srpanj 2008.
7. Energetika.net, s interneta, http://www.energetika-net.hr/skola/oie/sunceva-energija/sunceva-energija-osnove, srpanj 2008.
8. Solar energy, s interneta, http://alterenergy.co.nz/pg5.html, srpanj 2008.
9. Solarpaces.org, s interneta, http://www.solarpaces.org/CSP_Technology/docs/solar_tower.pdf, rujan 2008.
10. Moja energija, s interneta, http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/knjiznica/skola_energetike/15_sunceva_energija, srpanj 2008.
11. Wikipedia, s interneta, http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_%C4%87elija, srpanj 2008.
12. Bilić, Z: „Napajanje udaljenog stambenog objekta pomoću energije vjetra i sunčevog zračenja“, diplomski rad, Elektrotehnički fakultet Osijek, Osijek, 2006.
13. Cvrk, I: „Optimiranje korištenja solarne energije fotonaponskom pretvorbom“, diplomski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb, 2008.
14. Wikimedia, s interneta, http://commons.wikimedia.org/wiki/Image:4inch_poly_solar_cell.jpg, srpanj 2008.
15. Nasa.gov, s interneta, http://sbir.nasa.gov/SBIR/successes/ss/206text.html, srpanj 2008.
Literatura
101
16. Powerlab, s interneta, http://powerlab.fsb.hr/OsnoveEnergetike/udzbenik/7_poglavlje/index.htm, srpanj 2008.
17. Deparsolar, s interneta, http://www.deparsolar.com/en_sayfa1.asp?id=412, srpanj 2008.
18. Photovoltaics.sandia.gov, s interneta, http://photovoltaics.sandia.gov/docs/PVFSCGallium_Arsenide_Solar_Cells.htm, srpanj 2008.
19. Lugarić, L: „Mrežni fotonaponski sustavi za kućanstva“, diplomski rad, Fakultet elektrotehnike i računarstva, Zagreb, 2007.
20. Energetika.net, s interneta, http://energetika-net.hr/skola/oie/sunceva-energija/fotonaponski-sustavi, srpanj 2008.
21. Prosolarco.com, s interneta, http://www.prosolarco.com/New_prosolar/solarbasicspvs.htm, srpanj 2008.
22. Farret, F; Godoy Simoes, M: „Integration of Alternative Sources of Energy“ – 15. poglavlje, IEEE, John Wiley & Sons, 2006.
23. „Solar Energy Technologies Program“ – podpoglavlje 4.1., U.S. DoE Energy Efficiency and Renewable Energy, 2004.
24. „NASA Surface meteorology and Solar Energy - A renewable energy resource web site“, s interneta, http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/, kolovoz 2008.
25. RETScreen International, s interneta, http://www.retscreen.net/ang/home.php, kolovoz 2008.
26. Photovoltaic geographical inforation system, s interneta, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/, kolovoz 2008.
27. Državni Hidrometeorološki Zavod, s interneta, http://meteo.hr/, kolovoz 2008.
28. HEP ODS - Tarifni modeli, s interneta, http://www.hep.hr/ods/kupci/tarifni.aspx, srpanj 2008.
29. Narodne novine: „Tarifni sustav za proizvodnju električne energije iz obnovljivih izvora energije i kogeneracije“, članak 4., s interneta, http://www.nn.hr/clanci/sluzbeno/2007/1082.htm, srpanj 2008.
30. Omnibus d.o.o.: „Cjenik solarne opreme“, s interneta, http://www.omnibus.hr/cjenik_solarne_opreme.htm, srpanj 2008.
31. „HOMER – Getting started guide (HOMER Help)“, s interneta, https://analysis.nrel.gov/homer/includes/downloads/HOMERGettingStarted210.pdf, kolovoz 2008.