Solarni panel Poly 140W-12V

Solar

Fotonaponski sistemi

Princip rada

Fotonapon (FN, engl. photovoltaics, PV) je tehnologija sunčeve energije koja koristi solarne ćelije kako bi sunčevu energiju pretvorila u elektricitet. Materijali važni za izradu fotonaponskih solarnih ćelija mogu doći u obliku monokristala, polikristala ili kao amorfne tvari. Klasični poluvodič koji se koristi za izradu solarnih ćelija je silicij, ali i drugih materijala.

Sunčana je ćelija u biti PN-spoj (poluvodička dioda). Kada se solarna ćelija osvijetli, apsorbirani fotoni proizvode parove elektron-šupljina zbog kojih dolazi do razlike potencijala na krajevima solarne ćelije. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, proteći će električna struja, a solarna ćelija postaje izvorom električne energije.

Solarne FN elektrane čine FN paneli spojeni u polja priključena preko izmjenjivača na mrežu ili potrošače.  Mogu biti samostalne i priključene na mrežu. Samostalna rješenja u razvijenom svijetu danas čine samo oko 5% ukupnih instalacija a pored FN panela još imaju akumulatore, dvosmjerne izmjenjivače i često se kombiniraju s drugim izvorima. FN panel predstavlja samostalni element čija snaga se kreće od 50 do 300 W.  Jedan FN panel se sastoji od više kristaličnih FN ćelija ili jedne ćelije u tankom filmu.

Polja se mogu postaviti fiksno ili na pokretne mehanizme za postizanje veće proizvodnje električne energije praćenjem kretanja Sunca. Fiksno postavljanje je u pravilu pod optimalnim kutom za maksimum godišnje proizvodnje.  Pokretna rješenja mogu imati 20-30% veću proizvodnju električne energije ovisno o izvedbi (1-osni i 2-osni) i ukupnoj ozračenosti, uz veću cijenu instalacije i troškove održavanja.

Mrežni Sistem (Grid-Connected)

Mrežni sistem je priključen na javnu mrežu preko kućne instalacije. Električna energija iz fotonaponskih sistema prvotno napaja trošila u obiteljskoj kući, a višak proizvedene električne energije može se prodati u javnoj mreži. Električna mreža vrši funkciju skladištenja energije. U slučaju da fotonaponski moduli ne proizvode dovoljno električne energije, napajanje trošila nadopunjuje se preuzimanjem energije iz mreže.

Osnovni elementi mrežnog sistema:

1. Fotonaponski moduli

2. Montažni elementi

3. Kablovi

4. Spojna kutija sa zaštitnom opremom

5. Izmjenjivač DC/AC (inverter) - solarni izmjenjivač pretvara istosmjernu struju modula u izmjeničnu, sinkroniziranu s naponom i frekvencijom mreže.

6. Brojilo prodane i kupljene energije - Registrira proizvedenu energiju predanu u mrežu i potrošenu energiju preuzetu iz mreže.

7. Priključak na mrežu - sistemi su uglavnom priključeni na niskonaponsku razinu elektroenergetskog sistema.

8. Trošila

U principu je svaka vrsta ćelija pogodna za mrežni i za otočni sistem, ali za mrežni sistem se uglavnom koriste kristalne silicijske ćelije. Kod priključivanja na mrežu FN elektrana mora poštivati tehničke propise definirane od strane distribucijske tvrtke.  Propisi uglavnom zahtijevaju zaštitne mjere vezane za sigurnost i za utjecaj na rad mreže.  Pravila i standardi za priključivanje se još uvijek razvijaju i svaka zemlja (i distribucija) ima svoje specifičnosti. Iskustva u RH su u povoju i Hrvatska elektroprivreda (HEP) još uvijek razvija pristup priključivanja distribuiranih izvora.  Administrativne prepreke za dobivanje statusa povlaštenog proizvođača su sigurno veće od poteškoća za interkonekciju.

1.1. Otočni sistemi (engl. Stand-Alone-Systems ili Off-Grid)

Solarni fotonaponski (FN) sistemi koji nisu priključeni na mrežu (izolirani ili samostalni sistemi) se najčešće koriste na mjestima gdje nema elektroenergetske mreže ili gdje izgradnja električne mreže nije isplativa. Često se radi o malim naseljima i o teškim i nepristupačnim područjima s slabo razvijenom  infrastrukturom (primjer za uporabu takvih sistema mogu biti vikendice). U Hrvatskoj je primjena otočnih fotonaponskih  sistema posebno zanimljiva na  otocima ili u planinama (izolirane kuće, vikendice ili planinarski domovi). Otočni sistemi osigurava korisniku potpunu energetsku neovisnost.

Otočni fotonaponski  sistemi  mogu biti sa ili bez pohrane energije, što će ovisiti o vrsti primjene i načinu potrošnje energije, i hibridnog sistema.

Temeljne komponente samostalnoga fotonaponskog sistema:

1. Fotonaponski moduli

2. Solarne baterije - solarne baterije spremaju neiskorištenu energiju koju solarni moduli proizvedu tijekom dana i služe također kao izvori energije tijekom perioda kada moduli ne mogu proizvoditi (npr. po noći) ili kada ne proizvodu dovoljno energiju (npr. u maglovito vrijeme).

3. Regulator napona - njegova glavna funkcija je zaštita baterije od prenapunjenosti i od predubokog pražnjenja. Također regulator napona ima zadatak da promjenjivi napon iz solarnog modula pretvara u kontrolirani napon kojim se pune i održavaju baterije.

4. Izmjenjivač napona (ako trošila rade na izmjeničnu struju) - inverter pretvori energije istosmjernoga napona 12 ili 24V iz akumulatora u izmjenični napon 230V.

5. Trošila

Hibridni sistemi

Hibridni sistemi kombiniraju solarni fotonaponski sistemi s kogeneracijom, gorivnim člancima, vjetroagregatom ili najčešće, generatorom na dizel ili biodizel gorivo (dizel agregat). Kod takvih sistema električna energija proizvedenom solarnim modulima ili drugim izvorima sistema, prvotno napaja trošila, a višak energije puni solarne akumulatore. U slučaju da uvjeti za proizvodnju električne energije nisu ispunjeni, izvor za napajanje trošila je akumulator. Samo ako niti akumulator više nema energije za napajanje trošila, generator na dizel ili biodizel gorivo se uključuje.

U principu je svaka vrsta ćelija pogodna za mrežni i za otočni sistem.

1.2. Ćelije i njihove tehnologije

1.2.1. Monokristalni solarni fotonaponski moduli

Klasični poluvodič koji se koristi za izradu solarnih ćelija je silicij. Monokristalne solarne ćelije imaju visok stupanj djelovanja (oko 16 posto), što omogućava visok prinos energije pri kompaktnim dimenzijama. Zbog spomenute karakteristike, preporučuje se njihovo korištenje za krovne instalacije, gdje se mora realizirati visoka snaga na ograničenu površinu. Moduli su najpodobniji kad je vedro vrijeme s puno sunca. Monokristalni moduli imaju i dugi vijek trajanja (više od 20 godina), ali je proizvodnja zahtjevna, stoga su moduli viših cijena. Površina monokristalnih modula je jednobojna tamna i pokazuje četverokutan oblik ćelije.

Učinkovitost (serijska produkcija): Oko 16 posto

Prosječna potrebna površina za opskrbu obiteljske kuće sa električnom energijom (5.000 kWh/a): ~ 31m²

Glavna područja upotrebe: Krovne instalacije na ograničenu površinu

1.2.2. Polikristalni solarni fotonaponski moduli

Razlika između monokristalnih i polikristalnih modula je u molekularnoj strukturi aktivnog kristala. Proizvodnja kristalnih ćelija je manje zahtjevna i stoga su moduli povoljniji od monokristalnih. Učinkovitost polikristalne ćelije je oko 15 posto, što je manje u usporedbi s monokristalnim modulima i stoga je potrebno više prostora za module. Polikristalni moduli su jednako povoljnog vijeka trajanja i područja primjene su slična kao i kod monokristalnih. Polikristalni solarni moduli su najviše korišteni i najpodobniji su kad je vedro vrijeme. Ovaj tip ćelije pruži plavičastu, mramornu sliku.

Učinkovitost (serijska produkcija): Oko 15 posto

Prosječna potrebna površina za opskrbu obiteljske kuće sa električnom energijom (5.000 kWh/a): ~ 33m²

Glavna područja upotrebe: Krovne instalacije

1.2.3. Tankoslojne ćelije

Amorfni solarni moduli

Ukoliko se koristi tanki film amorfnih silicija to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. U amorfnim materijalima, položaji atoma imaju nepravilnu strukturu, a amorfne tvari imaju manju gustoću od kristala. Za razliku od kristalnih silicijskih ćelija, silicij se ne primjenjuje u tekućem stanju, nego u stanju pare. Tako debljina sloja iznosi 100 puta manje nego kod mono- ili polikristalnih ćelija, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa cijenom materijala i moduli su pogodniji. Tankoslojne ćelije imaju velik koeficijent apsorpcije plavog svjetla, pa imaju prednost u oblačnom vremenu. Nedostatak ćelija od amorfnog silicija je u njihovoj niskoj efikasnosti. Učinkovitost tankoslojnih silicijskih ćelija je oko 7 posto, što je manje u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Tržišni udio iznosi oko 20 posto.

Amorfni solarni moduli prvenstveno se koriste kod sistema gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade. Ovaj tip ćelije pruža homogenu sliku, jer površina je jednobojna tamnosmeđa ili crna.

Učinkovitost (serijska produkcija): Oko 7 posto

Prosječna potrebna površina za opskrbu obiteljske kuće sa električnom energijom (5.000 kWh/a): ~ 71m²

Glavna područja upotrebe: Element fasade, satovi, džepna računala

1.2.4. Ćelije visoke učinkovitosti

HIT ćelije

HIT (heterospoj s ultratankim slojem bez primjesa) ćelije su visoke učinkovitosti i tehnologija predstavlja tanki amorfni sloj monokristalinskog silicija na obje strane ploče. HIT ćelija ima širok svjetlosni spektar, stoga proizvodi i u direktnom ali također i u difuznom svijetlu i tako omogućava učinkovitosti i do 21%, čak pri visokim temperaturama. Njihova mana je ta da su moduli skuplji od drugih. Zbog karakteristike HIT ćelije, preporučuje se njihova upotreba na stambenim zgradama, gdje se mora realizirati visoka snaga na ograničenu površinu.

Učinkovitost(serijska produkcija): Oko 16,8 posto

Prosječna potrebna površina za opskrbu obiteljske kuće sa električnom energijom (5.000 kWh/a): ~ 30m²

Glavna područja upotrebe: Instalacije na stambenim zgradama na ograničenu površinu

LGBC (Laser Groove Buried Contact) ćelije (također zvane Saturn-ćelije)

Kao HIT ćelije su i Saturn-ćelije od visoke učinkovitosti i pripadaju monokristalnim-ćelijama. Povećana površina ploče ima piramidalan oblik, stoga se smanjuje refleksija svjetlosti. Saturn-ćelije su posebno učinkovite u jutarnjim i večernjim satima. Koncept Saturnih-ćelija je izumila firma BP Solar, koja i dalje razvija tehnologiju.

Učinkovitost (serijska proizvodnja): 15,5 posto

Prosječna potrebna površina za opskrbu obiteljske kuće sa električnom energijom (5.000 kWh/a): ~32m²

Glavna područja upotrebe: Krovne instalacije na ograničenu površinu

Solarni toplinski sistemi

Termički solarni uređaji mogu pretvoriti zračenje sunca u toplinu, s kojom se grije sanitarna voda tokom godine, a primjenjuje se i na instalacijama centralnog grijanja u zimskom periodu. Sunčeva energija prolazi kroz prozirnu površinu koja propušta zračenje samo u jednom smjeru te se pretvara u toplinu.

Osnovni dijelovi solarnih sistema su kolektor, spremnik topline s izmjenjivačem topline, solarna stanica s crpkom i regulacijom te razvod s odgovarajućim radnim (solarnim) medijem. Solarni kolektori apsorbiraju sunčevo zračenje i predaju toplinu mediju nositelju topline, za koju najčešće služi obična voda, odnosno njezina smjesa s glikolom ili drugim sredstvima za sprječavanje smrzavanja (u južnim regijama, gdje je opasnost smrzavanja manja, često se instaliraju jednostruki sistemi, u kojima se voda zagrijava direktno u kolektoru). Nositelj topline se pumpa kroz sistem cijevi u spremniku i zagrijava preko izmjenjivača topline vode u spremniku. Ohlađena struja se vodi nazad do kolektora. sistem radi tijekom ljeta učinkovitije jer ovisi od razlike vanjske temperature i temperature u kolektoru. No, apsorberi proizvode zadovoljavajuće čak i u difuznom svijetlu (tijekom zime ili lošeg vremena). U periodima, u kojima solarna toplina nije dovoljna, vodu dodatno zagrijava konvencionalni sistem za grijanje vode do željene temperature. Solarni se sistemi u najvećem broju slučajeva koriste kao osnovni izvori topline (koji ukupno pokrivaju primjerice 60-70% potreba za potrošnom toplom vodom), dok kao dodatni izvori služe plinski, uljni ili električni kotlovi.

2.1. Ravni kolektori

Centralni dio ravnog kolektora je apsorber s tamnom pločom. Apsorber se sastoji od metalnog lima, u koju su utisnute tanke bakrene cijevi. Kroz njih struji tekućina nositelj topline. Ukoliko solarno zračenje pogodi apsorber, pretežno se apsorbira, a djelomično se reflektira. Apsorpcijom nastaje toplina, koja se s lima odvodi u bakrene cijevi. Kolektorska tekućina preuzima toplinu i prenosi je do spremnika. Površina kolektora je pokrivena sa staklenom pločom. Staklo spriječava reflektiranje sunčevih zraka odnosno povećava toplinski učinak. Na stražnjoj strani te na bočnim stranama postavlja se sloj toplinske izolacije na mineralnoj bazi.

Cjenovno su ravni kolektori najpovoljniji, što je razlog da zauzimaju čak više od 80 posto tržišnog udjela u Europi. No, učinkovitost ravnih kolektora je cca 30% manja od vakuumskih cijevnih kolektora. Preporučuje se njihova upotreba za ostvarenje temperature između 20 i 80 stupnjeva.

Ravni kolektori mogu se ugraditi na različite načine, kao ugradnja na krov, integracijom u krov ili slobodnom ugradnjom.

Ako se želi postići temperatura potrošne tople vode od 50°C:

Učinkovitost (ljeto): ~70 posto

Učinkovitost (zima): ~45 posto

Termosifonski solarni sistem (s ravnim kolektorima)

Termosifonski solarni sistem može se kombinirati s ravnim kolektorima i vakuumskim kolektorima. sistem radi na principu sile teže i koristi prirodnu cirkulaciju tekućine uslijed razlike u gustoći hladne i zagrijane vode, te funkcionira bez crpki. Tekućina nositelj topline se zagrijava u kolektoru. Spremnik je postavljen iznad kolektora, gdje zagrijana tekućina zbog manje gustoće pliva iznad hladne tekućine na vrh spremnika i zrači toplinu. Temperatura se smanjuje i tekućina teče natrag u kolektor.

Cijena termosifonskih kolektora je vrlo povoljna, jer crpka i složeni upravljački sklopovi nisu potrebni. Uređaj se preporučuje na ravnim krovovima ili na neizgrađenom gradilištu.

Vakuumski ravni kolektori

Ravni kolektori se mogu i izraditi sa vakuumom u unutrašnjost kolektora. Tako se poveća učinkovitost kolektora, ali i cijena kolektora raste. Preporučuje se njihova upotreba za ostvarenje temperature između 20 i 120 stupnjeva.

Termosifonski solarni sistem (s vakuumskim ravnim kolektorima)

2.2. Vakuumski cijevni kolektori

Vakuumski cijevni kolektori sadrže vakuumirane staklene cijevi povezane iznad metalnog reflektora koji zagrijava solarne apsorbere i tekućinu. Apsorber je integriran u svaku cijev, te se lako može okretati prema položaju sunca, što povećava učinak. Vakuum u cijevima sprječava toplinske gubitke i omogućava im da postignu višu temperaturu od većine ravnih kolektora. Vakuumski cijevni kolektori su kolektori visoke učinkovitosti, ali su skuplji od ravnih kolektora. Dobro rade i u hladnijim uvjetima, ali prednost se gubi u toplijim uvjetima. Zbog spomenute karakteristike, preporučuje se njihova upotreba za ostvarenje visoke temperature između 50 i 120 stupnjeva. Lokacijski, preporuča se njihova upotreba više u zemljama sjeverne i centralne Europe, dok su zbog više cijene manje pogodni za mediteransko područje (npr hrvatska obala i otoci). Uglavnom su prilagođeni za krovne instalacije (ali manje za ugradnju u krov) i idealni su kada se radi o ograničenim površinama. Ako instalacija kolektora u idealan smjer (jugoistok i jugozapad) nije moguća, vakuumski cijevni kolektori su idealni, jer proizvode zadovoljavajuće čak i u difuznom svijetlu.

Ovisno o načinu spajanja cijevi razlikujemo i indirektno prostrujene cijevi - Heat-pipe-vakuumske cijevne kolektore. U vakuumskim grijačim cijevima nalazi se "Heat pipe" - bakrena cijev napunjena s brzo hlapljivom tekućinom. Vakuum između staklene cijevi je isključivo unutar stakla, te je kolektor bolje zaštićen od probijanja zraka. Kao površina apsorbera služi prevlaka na unutarnjoj površini od dvije cijevi.

Kod CPC-vakuumskih cijevnih kolektora, vakuumirana staklena cijev je postavljena u parabolično zrcalo, što poveća učinkovitost kolektora.

Ako se želi postići temperatura od 50°C:

Učinkovitost (ljeto): ~70 posto

Učinkovitost (zima): ~60 posto

Termosifonski solarni sistem s vakuumskim cijevnim kolektorima

Termosifonski solarni sistem može se kombinirati s ravnim kolektorima i vakuumskim kolektorima. sistem radi na principu sile teže i koristi prirodnu cirkulaciju tekućine uslijed razlike u gustoći hladne i zagrijane vode, te funkcionira bez crpki. Tekućina nositelj topline se zagrijava u kolektoru. Spremnik je postavljen iznad kolektora, gdje zagrijana tekućina zbog manje gustoće pliva iznad hladne tekućine na vrh spremnika i zrači toplinu. Temperatura se smanjuje i tekućina teče natrag u kolektor.

Cijena termosifonskih kolektora je vrlo povoljna, jer crpka i složeni upravljački sklopovi nisu potrebni. Uređaj se preporučuje na ravnim krovovima ili na neizgrađenom gradilištu.

2.3. Bazenski apsorberi

Apsorberi se sastoje od plastike otporne na atmosferske utjecaje i UV-zračenje bez kućišta, toplinske izolacije, staklene ploče i spremnika. Optimalno se upotrebljavaju za zagrijavanje vode u vanjskim bazenima i u Srednjoj Europi isključivo u ljetnim mjesecima ubiru dobre prinose. Bazenska voda protječe kroz apsorbere, koji postignu temperature između 20 i 40 stupnjeva.

Ako se želi postići temperatura od 50°C:

Učinkovitost (ljeto): ~20 posto

2.4. Solarni kolektori na zraku

Solarni kolektori sliče ravnim kolektorima, ali oni se baziraju na zraku koji cirkulira kroz kolektore i tako se zagrijava. Taj se zrak kasnije koristi za grijanje zgrada i ventilacijskog zraka. Na direktno sunčevo zračenje može se postići porast temperature zraka do 40 stupnjeva.

2.5. Hibridni solarni sistem

Hibridni solarni sistemi kombiniraju i solarne fotonaponske sisteme i solarne toplinske sisteme, stoga proizvode kombinirano električnu i toplinsku energiju. Moduli su dvoslojni, a na višu razinu su postavljeni fotonaponske ćelije, koje pretvaraju sunčano svijetlo u istosmjernu struju a koju solarni izmjenjivač pretvara u izmjeničnu, sinkroniziranu s naponom i frekvencijom mreže. Ispod se nalazi bakreni lim, koji skuplja infracrveno svijetlo. Toplina se transportira kroz cijevi punjene s vodom do kružnoga toka tople vode. Radi se o relativno novoj tehnici, stoga još nema puno iskustva.