Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
1. Uvod Globalni razvoj društva u budućnosti će u ogromnoj mjeri zavisiti od stanja u oblasti energetike. Problemi sa kojima se suočavaju u manjoj ili većoj mjeri sve zemlje svijeta su povezane sa obezbjeđivanjem energije i očuvanjem životne sredine. Ekspanzija ljudske populacije na zemlji uzrokuje stalno povećanje potreba za energijom, naročito električnom energijom. Trend rasta potreba na globalnom nivou iznosi oko 2.8% godišnje. Sa druge strane, trenutna struktura primarnih izvora električne energije ne može na globalnom nivou obezbijediti takav trend povećanja proizvodnje električne energije. Razlog za to su aktuelni ekološki problemi direktno uzrokovani sagorijevanjem fosilnih i nuklearnih goriva, na kojima se bazira sadašnja proizvodnja električne energije u svijetu. Osim toga, postojeća dinamika kojom se eksploatišu fosilna goriva će u bliskoj budućnosti dovesti i do iscrpljenja njihovih rezervi. Direktna posledica ovih međusobno suprostavljenih uslova proizvodnje i potrošnje je stalni porast cijene električne energije, čime se, već na sadašnjem nivou, stvara ekološki i ekonomski opravdana potreba uključivanja alternativnih izvora u globalnu strategiju razvoja energetike. Ovakvi energetski tokovi su primorali visokorazvijene zemlje da ulažu ogroman kapital i angažuju veliki broj stručnjaka u razvoj sistema za korišćenje obnovljivih izvora električne energije (vjetroelektrane, solarne elektrane, elektrane na biomasu i biogas, geotermalne elektrane, itd). Kao rezultat takvog ulaganja osvojena je tehnologija i razvijena industrija za tehnički pozdanu konverziju nekih primarnih obnovljivih izvora. Osim toga, međunarodni protokoli i obaveze o smanjenju emisije CO2 (Kyoto protokol) i lokalni ekološki problemi primorali su vlade mnogih zemalja da različitim subvencijama podstiču izgradnju ekoloških čistih elektrana koje koriste obnovljive izvore. Ovakva politika dovela je do izuzetne popularizacije i fantastičnog trenda povećanja udjela pojedinih obnovljivih izvora u ukupnoj proizvodnji električne energije.
____________________________________________________________________ _
1
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
2. Solarna energija Zbog praktično neiscrpne količine energije Sunčevog zračenja i velikog broja prednosti u odnosu na ostale korišćene i perspektivne energetske izvore, danas se ulaže sve veći novac u cilju razvoja efikasnih tehnologija korišćenja energije Sunčevog zračenja za zadovoljavanje čovjekovih potreba. Naročito se ulažu veliki napori da se mnogobrojne tehnologije korišćenja Sunčeve energije, koje se i dalje uglavnom razvijaju u laboratorijama, što prije komercijalizuju i učine uporedivim sa postojećim energetskim izvorima, kako bi se sve veći dio energetskih potreba na Zemlji pokrivao Sunčevom energijom. Energija koja potiče iz posrednog i neposrednog zračenja smatra se obnovljivim izvorom energije jer se njenim korišćenjem ne remeti značajno ravnoteža toka materije i energije u prirodi. Upravo zbog toga, solarna energija je u zadnje vrijeme stekla veliku popularnost, jer ne donosi zagađenje, koje je povezano sa fosilnim gorivima. Prednosti fotonaponske konverzije su mnogobrojne. Fotonaponske ćelije direktno pretvaraju energiju Sunca u električnu bez pokretnih mehaničkih djelova, ne zagađuju okolinu, potrebno im je minimalno održavanje uz radni vijek od dvadesetak godina, itd. Mane su im trenutna proizvodnja električne energije, tj. samo u periodu ozračivanja i to proporcionalno jačini Sunčevog zračenja, gustina snage koju daju je mala (najviše oko 1000 W/m2. I pored svega to je najjednostavniji i najatraktivniji način primjene solarne energije.
3. Fizika solarnih ćelija Pod solarnom energijom podrazumjeva se vrsta energije koja se dobija od Sunčevog zračenja. Sunce je najveći izvor energije koji se koristi na Zemlji. Sastoji se uglavnom od vodonika i helijuma. Unutar Sunca, vodonik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u helijum, što rezultira oslobađanjem velikih količina energije. Temperatura u unutrašnjosti Sunca prelazi preko 20 miliona K. Međutim, to nije temperatura koja određuje elektromagnetska svojstva Sunčevog zračenja, sa obzirom da se ovo zračenje velikim delom apsorbuje slojem negativnih vodonikovih jona blizu površine. Spektar Sunčevog zračenja približno odgovara spektru crnog tela ugrijanog na temperaturu 5760 K. ____________________________________________________________________ _
2
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ Navedena temperatura može se uzeti kao efektivna temperatura sunčeve površine, a iz nje primenom Plank-vog zakona moguće je izračunati energetski spektar Sunčevog zračenja. Sunčevo zračenje koje dopire do spoljašnjeg ruba Zemljine atmosfere naziva se insolacija. Udaljenost Zemlje od Sunca se mijenja tokom godine, to svakako utiče i na promjenu insolacije. Sunčevo zračenje na površinu koja je normalna na smjer zračenja, za srednju udaljenost Zemlje od Sunca naziva se sunčeva konstanta. Nakon nekoliko desetina godina satelitskih mjerenja utvrđeno je da solarna konstanta i nije konstanta već se mijenja kako i Sunčeva aktivnost. Energija Sunčevog zračenja koja dopire do površine Zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije. Energija zračenja Sunca koja dolazi do Zemljine površine iznosi oko 109 TWh godišnje, što znači da je ta energija oko sto sedamdeset puta veća od energije u ukupnim rezervama uglja u svijetu. To je ogroman energetski izvor kojim se mogu zadovoljiti energetske potrebe za veoma dugo vrijeme. Pored neposrednog zračenja, Sunčevo zračenje je zaslužno i za stalno obnavljanje energije vjetra, morskih struja, talasa, vodenih tokova. Posebno iskonstruisan i dizajniran oblik p-n spoja, koji omogućuje prostorno padanje svijetla na što veću njegovu površinu, pri čemu svjetlo (fotoni) ulaskom u materijal p-n spoja oslobađaju slobodne nosioce naelektrisanja elektrone i šupljine, naziva se fotonaponska ćelija. Pojava koja ima za posledicu oslobađanje slobodnih nosioca naelektrisanja pod djelovanjem svjetlosti i stvaranje električnog toka naziva se fotonaponski efekat, koji je prikazan na slikama 3.1 i 3.2.
Slika 3.1. Fotonaponski efekat konvertuje energiju fotona u napon duž p-n spoja.
____________________________________________________________________ _
3
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
Slika 3.2. Prikaz fotonaponskog efekta. Prvi korak na slici 3.2 prikazuje stanje fotonaponske ćelije prije nego što se p-tip i n-tip poluprovodnika spoje. Iako su oba poluprovodnička materijala električno neutralna, spajanjem p-tipa i n-tipa poluprovodnika nastaje takozvani p-n tipa spoj koji za posledicu ima stvaranje električnog polja. U trenutku kada se n-tip Si poluprovodnika i p-tip Si poluprovodnika spoje, višak elektrona od strane n-tipa kreće se ka p-tip strani. Rezultat navednih događaja je nagomilavanje pozitivnog naelektrisanja na n-tip stranu ćelije, odnosno nagomilavanje negativnog naelektrisanja na p-tip stranu ćelije (korak 2). Kada fotoni “pogode” fotonaponsku ćeliju oni se mogu reflektovati, proći direktno kroz nju ili biti apsorbovani. Samo apsorbovani fotoni daju energiju za proizvodnju struje. Kada poluprovodnik apsorbuje dovoljno svijetla elektroni se istiskuju iz atoma materijala, sele se ka prednjem (negativnom) kontaktu ćelije dok se u isto vrijeme šupljine kreću u suprotnom smjeru ka donjem (pozitivnom) kontaktu ćelije gdje se nalaze elektroni (korak 3). Napon na spoljašnjim kontaktima p-n spoja može se povezati sa potrošačima pri čemu će stvarati naelektrisanje i teći će jednosmjerna (DC) struja sve dok postoji upadni snop svjetlosti (korak 4).
____________________________________________________________________ _
4
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
Slika 3.3. Osnovna konstrukcija PV ćelija sa osobinama poboljšanja performanse (mreža za sakupljanje struje, anti-reflektujuća obloga i zaštita u vidu stakla). Na slici 3.3 prikazana je osnovna konstrukcija ćelije. Za prikupljanje fotostruje, na obje strane spoja su postavljeni metalni kontakti kako bi oni sakupljali fotostruju koja nastaje nakon udara fotona o površinu. Kontakt od provodne folije (kalaja) se nalazi preko donje (tamnije) površine i na jednom od ivica gornje (osviljetljene) površine. Tanka provodna mreža na preostalom dijelu gornje površine sakuplja struju i propušta svijetlo. Dodatak osnovnim elementima su i određena poboljšanja koja su takođe uključena u konstrukciju. Na primjer, prednja strana ćelije ima anti-reflektujuću oblogu kako bi apsorbovala što veću količinu svijetla uz minimalizaciju refleksije. Mehanička zaštita je obezbijeđena pomoću zaštitnog stakla sa transparentim adhezivom. ____________________________________________________________________ _
5
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
4. Način izrade i tipovi fotonaponskih ćelija Najveći problem fotonaponskih ćelija jeste njihova visoka cijena. Ove ćelije nemaju veliku rasprostranjenost što automatski utiče da budu veoma skupe. I pored toga što se poslednjih godina znatno napredovalo u tehnologiji izrade fotonaponskih ćelija, one su nažalost još preskupe za dobijanje električne energije pa se uglavnom primjenjuju tamo gdje se ne mogu upotrijebiti drugi izvori. Međutim, cijena im ipak stalno pada. Kad su se 1954. pojavile, cijena im je bila oko 10000USD/W, 1965. cijena im je pala na 1000USD/W, 1973. na 300USD/W, 1975. na 100USD/W, a 1977. na oko 15USD/W. Današnja cijena im je oko 2USD/W. Fotonaponske ćelije mogu biti izrađene od različitih tipova poluprovodnh materijala, koji mogu biti složeni u različite strukture sa ciljem postizanja što bolje efikasnosti pretvaranja. Za izradu fotonaponskih ćelija koriste se sljedeći poluprovodni materijali i tehnologije: - Silicijum (Si) – uključujući monokristalni silicijum (c- Si), polikristalni silicijum (p-Si) i amorfni silicijum (a- Si). - Polikristalni tankoslojni materijali (polikristalni tanki film) – uključujući CIS spoj poluprovodnih materijala (Bakar-Indij-Diselenid), CdTe (Kadmij- Telurid) i tankoslojni silicijum. - Monokristalni tankoslojni materijali (monokristalni tanki film) – većinom izvedeni od Galijum – Arsenida (Ga-As). - Multijunction strukture materijala – kombinacije raznih poluprovodnih materijala. 1. PV ćelije izrađene od monokristalnog (c-Si) silicijuma. PV ćelije izrađene od monokristalnog silicijuma imaju tzv. homojunction strukturu, što znači da se sastoje od istog materijala koji je modifikovan tako da je na jednoj strani ćelije p-sloj, a na drugoj nsloj Si poluprovodnika. Unutar ćelije, p-n spoj lociran je tako da se maksimum Sunčevog zračenja apsorbuje blizu spoja. Napon takvih ćelija je od 0.55V do 0.71 V. Teorijska efikasnost im je oko 22 %, dok je stvarna efikasnost oko 15%. Jedina mana ćelija izrađenih od monokristalnog silicijuma je visoka proizvodna cijena, zbog komplikovanog procesa proizvodnje. 2. PV ćelije izrađene od polikristalnog silicijuma (p-Si). Identično c-Si ćelijama, PV ćelije izrađene od polikristalnog silicijuma imaju tzv. homojunction strukturu. Suprotno monokristalnom silicijumu, polikristalni silicijum sačinjen je od više malih kristala, zbog ____________________________________________________________________ _
6
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ čega dolazi do pojave granica. Granice sprečavaju tok elektronima pa ih podstiču na rekombinovanje sa šupljinama što rezultuje smanjenjem izlazne snage takvih ćelija. 3. PV ćelije izrađene od amorfnog silicijuma (a-Si). Atomi unutar amorfnih materijala nijesu složeni u nikakvu posebnu strukturu, odnosno ne formiraju kristalnu strukturu. Takođe, amorfni materijali sadrže veliki broj strukturnih defekata i lošu povezanost atoma, što znači da atomi nemaju susjeda sa kojima bi se mogli povezati. Zbog navedenog razloga elektroni će se rekombinovati sa šupljinama umjesto da uđu u strujni krug. Budući da defekti limitiraju tok električne struje, ovakve vrste materijala su neprihvatljive u elektronskim uređajima. Defekti se mogu djelimično ukolniti ako se u amorfni silicijum ugradi mala količina vodonika. Posledica takvog tretiranja amorfnog silicijuma je kombinovanje atoma vodonika sa atomima amorfog silicijuma koji nemaju susjeda (nijesu vezani) tako da elektroni mogu putovati kroz materijal nesmetano. Amorfni silicijum upija Sunčevo zračenja 40 puta efikasnije naspram monokristalnog silicijuma, tako da je sloj debljine 1m može upiti oko 90% energije Sunčevog zračenja, naravno kada je osvijetljen. Upravo to svojstvo amorfnog silicijuma bi moglo sniziti cijenu PV tehnologije. Ostale prednosti amorfnog silicijuma takođe su ekonomskog karaktera, na primjer amorfni silicijum je moguće proizvesti na niskim temperaturama i može biti položen na jeftine podloge (plastika, staklo, metal i sl.) što ga čini idealnim za integrisanje PV tehnologije kao sastavni dio objekta. Na slici 4.1 prikazani su načini integrisanja a-Si fotonaponske tehnologije u objekte, odnosno kao krov objekta koji proizvodi električnu energiju.
Slika 4.1. Struktura amorfne a-Si ćelije i praktična primjena u objektima.
____________________________________________________________________ _
7
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ 4. Polikristalne tankoslojne PV ćelije. Termin tankoslojni, tačnije tanki film odnosi se na tehnologiju polaganja filma, a ne na debljinu filma (sloja), pošto se tankoslojne PV ćelije polažu u izrazito tankim, uzastopnim slojevima atoma, molekula ili jona. PV ćelije izrađene tehnologijom tankog filma imaju puno prednosti naspram ćelija izrađenih klasičnim metodama, na primjer: - tankoslojne ćelije proizvode se automatizovanim, besprekidnim procesima i mogu se polagati na jeftinije podloge (staklo, nerđajući čelik, plastika, sl). - ćelijama izrađenim tehnologijom tankog filma nije potrebana metalna mreža za gornji kontakt (kao kod c-Si ćelija), već koriste tanki sloj transparentnog vodonik oksida - slojevi tankog filma polažu se na odabranu podlogu uključujući antireflektujući sloj i transparetni sloj vodnik oksida, čime se skraćuje proces proizvodnje. 5. Monokristalne tankoslojne PV ćelije i multijunction struture ćelija. Monokristalne tankoslojne PV ćelije većinom su izrađene od Galijum-Arsenida. GalijumArsenid (Ga-As) je poluprovodnik sastavljen od dva elementa: galijuma i arsena. Osim što se koristi u PV tehnologiji, Ga-As se koristi kod LED dioda, lasera i ostalih elektronskih uređaja koji koriste svjetlost. Ćelije sačinjene od Galijum-Arsenida uglavnom imaju tzv. multijunction strukturu koja se često naziva i kaskadnom strukturom.
5. Karakteristike I-V i P-V fotonaponskih panela Kada se ćelija osvijetli, kontakt na p-dijelu postaje pozitivan, a na n-delu negativan. Prilikom spajanja solarne ćelije sa spoljašnjim potrošačem i njenim osvjetljavanjem, u ćeliji ce zbog fotonapona nastati fotostruja Is, pa će kroz potrošač teći struja I jednaka razlici struje diode Id i fotostruje Is, jednačina (1). I = Id − Is = I0 (exp
eU − 1) − Is kT
(1)
gdje su: Is - struja zasićenja diode, e - naelektrisanje elektrona, K=1.37⋅ 1023 [J/0K] - Bolcmanova konstanta, T - temepratura apsolutne skale izražena u [0K].
____________________________________________________________________ _
8
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ Osvijetljena solarna ćelija ponaša se kao izvor stalne (jednosmjerne) struje. Njena ekvivalentna šema prikazana je na slici 5.1. Izvor stalne struje paralelno je spojen sa diodom. Serijski otpor Rs zavisi od materijala i izrade solarne ćelije. Poželjno je da bude što manji. Paralelni otpor (shunt) Rp zavisi od osobina ćelije i dovoljno je veliki da se zanemaruje. Potiče od mikrodefekata i nečistoća unutar solarne ćelije. Tipične vrijednosti za Rs i Rp, Si solarnih ćelija iznose Rs <0,5 Ω i Rp >500 Ω . Električne karakterisitke PV ćelije opisuju se krivom struje u zavisnosti od napona (I-V kriva). Na slici 5.2 prikazana je I-V karakteristika PV modula kada se on nađe u dvije različite situacije, pod Sunčevom svjetlošću i u mraku. U prvom kvadrantu, gornji lijevi dio I-V krive pri nultom naponu naziva se strujom kratkog spoja. Ovo je struja koja bi se mogla izmjeriti ukoliko bi izlazni terminali bili kratkospojeni (pri nultom naponu). Donji desni dio I-V krive naziva se naponom otvorenog kola. U lijevom osjenčnom regionu, ćelija se ponaša kao konstantni strujni izvor, koji generiše napon koji odgovara otporu opterećenja. U osjenčenom desnom dijelu, struja ubrzano opada sa malim porastom napona. U ovom regionu, ćelija radi kao konstantni naponski izvor sa određenom unutrašnjom otpornošću. Negdje u sredini osjenčenih regiona, javlja se koljeno krive.
Slika 5.1. Ekvivalentna šema fotonaponske ćelije. Ukoliko se primjeni spoljašnji napon sa obrnutim smjerom polarizacije, na primjer, za vrijeme kvara, struje ostaju na istim vrijednostima a snaga se apsorbuje od strane ćelije. Ipak, nakon određene vrijednosti negativnog napona, dolazi do proboja spoja kao kod diode i struja naglo dobija velike vrijednosti. U mraku, struja je sve do napona proboja koji je isti kao i za situaciju kada je ćelija osv ijetljena.
____________________________________________________________________ _
9
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
Slika 5.2. I-V karakteristika PV modula u mraku i na svjetlosti. Izlazna snaga panela je proizvod napona i struje. Na slici 5.3, data je kriva snage u zavisnosti od napona. Očigledno da ćelija ne daje nikakvu snagu kada su napon ili struja jednaki nuli, a maksimalnu snagu daje kada napon odgovara tački koljena P-V krive. Ovo je razlog zbog koga se PV kola proizvode tako da im se radna tačka nalazi u blizini tačke na koljenu I-V karakteristike. PV moduli se konstruišu slično konstantnim strujnim izvorima.
Slika 5.3. P-V karakteristika PV modula na svjetlosti. Neposredno korišćenje Sunčeve energije umnogome zavisi od Sunčeve insolacije na horizontalnu površinu na mjestu njenog korišćenja. U zavisnosti od sunčeve insolacije koja se izražava u [ W / m 2 ], date su sljedeće slike I-V karakteristika i P-V karakteristika.
____________________________________________________________________ _
10
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ 6
1000W/m2
Strija [A]
5
800W/m2
4
600W/m2 3
400W/m2
2
200W/m2 1 0 0
5
1 0 N a p o n[V ]
1 5
2 0
2 5
Slika 5.4. Strujno-naponske (I-V) karakteristike solarnih ćelija za različite insolacije. 1 0 0
2 800 W/m2 1000 W/m
Snaga [W]
8 0
6 0
4 0
600 W/m2 400 W/m2
2 0
0 0
200 W/m2
5
1 0 N a p o n[V ]
1 5
2 0
2 5
Slika 5.5. P-V karakteristike solarnih ćelija za različite insolacije. Sa slika 5.4 i 5.5 vidi se uticaj insolacije na napon otvorenog kola. Pri insolaciji od 200W / m 2 napon otvorenog kola je 20,5 W, a pri insolaciji 1000W / m 2 napon je 22V. Sa slike 5.4 vidimo da insolacija značajno utiče na vrijednost struje, tako da je pri insolaciji od 200W / m 2 struja kratkog spoja 5,4 A; sa slike 5.5 se vidi da je maksimalna snaga 17W. Takođe pri insolaciji od 1000W / m 2 struja kratkog spoja iznosi 5,5A, a snaga 82W.
6. Fotonaponski modul i niz Solarne ćelije koje smo već opisali predstavljaju osnovu za stvaranje blokova PV sistema. Obično je veličina jedne ćelije nekoliko kvadratnih centimetara i daje snagu približno oko ____________________________________________________________________ _
11
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ 600 mW. Kako bi se dobila veća snaga, veći broj ćelija se povezuje serijski i paralelno na panelu (modulu) koji iznosi nekoliko kvadratnih decimetara (slika 6.1). Solarni niz ili panel definiše se kao grupa od nekoliko modula koji su električno povezani u serijsko-paralelnoj kombinaciji, kako bi se dobila veća snaga. Na slici 6.2 prikazan je izgled modula u okviru koji se može montirati na nekoj od struktura.
Slika 6.1. Nekoliko PV ćelija čini modul, a nekoliko modula čini niz.
Slika 6.2.. Konstrukcija PV modula 1.) okvir, 2.) vodootporno kućište spoja, 3.) natpisna pločica, 4.) zaštita od vremena za period od 30 godina, 5.) PV ćelija , 6.) obrađeno staklo za visokom transmisijom, 7.) spoljašnji električni čvor, 8.) slobodan prostor u okviru.
____________________________________________________________________ _
12
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
Slika 6.3. Načini povezivanja fotonaponskih ćelija. Ukupan iznos napona na izlazu panela proporcionalan je broju serijski spojenih ćelija, dok je izlazna struja proporcionalna broju paralelno spojenih ćelija. Najčešće se oko 36 ćelija serijski povezuje stvarajući module nominalnog napona od 21V. Na slici 6.3 prikazan je način povezivanja fotonaponskih ćelija.
6.1. Dizajn fotonaponskih nizova Najvažniji faktori koji utiču na električni dizajn solarnih nizova su: 1. Intezitet Sunčeve energije, 2. Ugao Sunčeve svjetlosti, 3. Usklađivanje maksimalne snage i opterećenja, 4. Radna temepratura. 1. Intezitetet Sunčeve svjetlosti. Jačina fotostruje maksimalna je kada je i Sunčeva svjetlost maksimalna. Kada je djelimično sunčan dan, fotostruja se mijenja u skladu sa intezitetom Sunčeve svjetlosti. I-V karakteristika se smanjuje sa smanjenjem inteziteta Sunca. Kao što je prikazano na slici 5.4. kada je dan oblačan, struja kratkog spoja se značajno smanjuje. Smanjenje napona otvorenog kola je, sa druge strane zanemarljivo. 2. Ugao Sunčeve svjetlosti . Izlazna struja ćelije data je kao I = I0 cos θ gdje je I0 struja ____________________________________________________________________ _
13
Struja [A]
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ pri normalnom Sunčevom zračenju (referensa), a θ je ugao Sunčevog zračenja u odnosu na normalu. Ovaj kosinusni zakon je odličan kada su u pitanju uglovi između 0 i 50 ° . Za uglove veće od 50 ° , izlaz značajno odstupa od kosinusnog zakona tako da za uglove veće od 85 ° ćelija ne generiše snagu, iako matematički, kosinusni zakon predviđa generisanje snage od 7.5%. Stvarna kriva PV ćelije naziva se Kelly kosinusna kriva, prikazana je na slici 6.1.1, a odgovarajuće vrijednosti date su u tabeli 1.
Ugao [0] Slika 6.1.1. Kelley kosinusna kriva za PV ćečiju za uglove između 0 0 i 900.
Tabela 1. Kelly-eve kosinusne vrijednosti fotostruje u silikonskim ćelijama . 3. Efekat sjenke ( usklađivanje maksimalne snage i opterećenja ). Niz se može sastojati od velikog broja paralelnih serijski vezanih ćelija. Dva takva dijela prikazana su na slici 6.1.2. Veći niz se može naći u djelimičnoj sjenci usled strukture koja se nalazi između datog niza i Sunčeve svjetlosti. Ukoliko je ćelija potpuno zaklonjena, izgubiće fotonapon, ali će i dalje prenositi struju niza zato što je serjski povezana sa ostalim radnim ćelijama. Bez internog generisanog napona, ćelija ne može da daje snagu. Umjesto toga, ona se ponaša kao opterećenje, usled čega se na njoj javljaju I 2 R gubici i toplota. Ostale ćelije rade na povećanom naponu kako bi nadoknadile gubitke koji se javljaju na ćeliji koja se nalazi u sjenci. Ovo je prikazano u donjem djelu slike 6.1.2. Ukoliko je broj ćelija u sjenci veći od neke kritične granice, I-V kriva pada ispod radnog napona niza, usled čega struja pada na nulu, tako da je krajnja posljedica gubitak snage. Najuobičajeniji metod za eliminisanje gubitaka koji se javljaju usled sjenke je podjela kola ____________________________________________________________________ _
14
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ na nekoliko segmenata pomoću dioda za premošćenje (slika 6.1.3). Diode koje se nalaze na segementu koji se nalazi u sjenci premošćuje smo taj niz. Usled ovoga javljaju se proporcionalni gubici napona i struje segmenata, bez gubitaka snage čitavog niza.
Slika 6.1.2. Efekat sjenke na dijelu PV niza. Degradacija snage je mala sve dok broj dejlova u sjenci ne pređe zadatu graničnu vrijednost.
Slika 6.1.3. Diode za premošćenje minimiziraju gubitke snage kod djelova niza koji se nalaze u sjenci. 4. Temperaturni efekat. Sa povećanjem temperature, struja kratkog spoja ćelije se povećava, dok se napon otvorenog kola smanjuje. Pošto je povećanje struje mnogo manje u ____________________________________________________________________ _
15
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ odnosu na smanjenje napona, ukupan efekat je smanjenje snage na visokim radnim temperaturama.
7. Prednosti i mane upotrebe solarne energije Upotreba solarne energije obiluje mnogim prednostima. Prvenstveno, ona može da se koristi svuda gdje ima Sunčeve energije. Pored toga, nove tehnologije omogućavaju efikasnu upotrebu solarnih panela čak i kada je vrijeme oblačno ili kada nema dovoljno direktne Sunčeve svjetlosti. Još jedna izvanredna osobina ove energije je njena cijena. Iako su inicijalni troškovi visoki, jednom kada se solarni paneli instaliraju, oni obezbjeđuju besplatnu energiju koja će isplatiti početne troškove tokom godina korišćenja. Instalacija sunčevih panela na udaljenim lokacijama je mnogo povoljnije riješenje sa stanovišta uštede novca nego zahtjevi da se postavljaju visokonaponski vodovi električne energije. Proizvodnja energije upotrebom fosilnog goriva i nekih vrsta obnovljivih izvora energije, kao što su npr. turbine na vjetar, može biti veoma bučna. Sa druge strane proizvodnja energije upotrebom solarnih ćelija je proces koji je veoma tih. Ovo je najtiša forma energije poznata čovjeku. Jedna od velikih prednosti Sunčeve energije je sposobnost proizvodnje energije na udaljenim mestima gdje ne postoji mogućnost priključenja na mrežu. Primjer je proizvodnja energije u svemiru gdje se sateliti napajaju upotrebom veoma efikasnih solarnih ćelija. Još jedna od povoljnosti je i činjenica da solarni paneli ne proizvode zagađenje životne sredine. Jedino zagađenje koje se javlja rezultat je procesa proizvodnje solarnih panela u fabrikama, transporta ili instalisanja. Samim tim, njena upotreba ne ugrožava biljni i životinjski svet. Solarni paneli mogu biti montirani na krovovima mnogih kuća, što eliminiše problem nalaženja prostora i ulaganja u nove instalacije. I naravno, korišćenje Sunčeve energije omogućava nezavisnost od svjetskih rezervi fosilnog goriva. Pored prednosti, moraju se pomenuti i nedostaci solarne energije. Iako ne brojni, ipak postoje. Glavna mana su početni troškovi. Trenutno, cijene veoma efikasnih panela za sakupljanje solarne energije mogu biti preko hiljadu eura. Pored toga, mnogim domaćinstvima potrebno je više od jednog panela. Ovo čini da početna ulaganja budu značajan i nezanemarljiv faktor prilikom razmatranja njihove upotrebe. Još jedan od nedostataka je činjenica da Sunčeva energija je u stanju da proizvodi struju samo tokom dana. Zagađenje može da utiče na rad solarnih panela jer se njihova efikasnost smanjuje sa povećanjem zagađenja vazduha. Ovo može da predstavlja glavni nedostatak za
____________________________________________________________________ _
16
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ industrijsku primjenu solarnih ćelija u zagađenim oblastima, kao što su industrijske zone velikih gradova. Jedna od mana je i uticaj vremena na količinu proizvedene energije.
8. Šema spoja fotonaponskog modula sa potrošačem Sistem napajanja koristeći Sunčevu energiju sastoji se fotonaponskog panela, regulatora, baterije, invertora, kako je prikazano na slici 8.1. Pri projektovanju sistema za korišćenje Sunčeve energije prvo treba istaći da se moraju upotrebljavati uređaji visoke energetske efikasnosti i voditi računa o energetskoj efikasnosti objekta. Naime, koncept korišćenja alternativnih izvora ne dozvoljava rasipanje energije. Postavlja se pitanje kako izabrati odgovarajući fotopanel? Prvi korak jeste izračunavanje maksimalne snage potrebne za domaćinstvo.
Slika 8.1. Šema spoja fotonaponskog modula sa potrošačem. Drugi korak se sastoji u tome da se na osnovu maksimalne snage potrebne za domaćinstvo, odredi potreban broj panela. Snaga panela se izražava u Wp (vat pikovima). Snaga jednog panela u Wp izražava snagu koju taj panel može dati ukoliko ____________________________________________________________________ _
17
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ Sunčevi zraci padaju normalno na panel. Naravno, u praksi nije moguće da stalno padaju Sunčevi zraci normalno na panel. U toku dana, moguće su situacije da je jedan dio panela osvetljen, da nije uopšte osvetljen i sl. Zna se da je efikasnost solarnog PV modula niska i iznosi oko 13%, što znači da se samo oko 13% Sunčeve energije pretvori u električnu energiju. Zbog toga se javlja potreba da se što je moguće više snage „izvuče“ iz solarnog panela. Dakle potrebno je radnu tačku panela dovesti u položaj maksimalne snage. Treći korak, sastoji se u regulaciji panela radi dobijanja što više snage. Postoje dvije vrste regulacija, pokretni panel koji ima mogućnost rotacije pomoću mehaničkog uređaja da bi pratio Sunčeve zrake (“ suncokret ”) i regulacija pomoću MPPT (maximum power point tracking). MPPT je automatsko podešavanje sistema tako da se potrošaču dostavi maksimalna snaga za datu insolaciju, sjenku, temperaturu i za date karakteristike fotonaponskog panela. Naravno da je moguće napraviti i sistem bez regulatora, što je prilično jednostavnije i jeftinije, ali sa tim panelom se ne može dobiti i približno sigurno napajanje i veoma je mala efikasnost Sunčevih zraka. Sljedeći korak je definisanje baterija u kojima se sakuplja električna energija. Tehnika je u tom smjeru značajno napredovala pa je dala snažan podstrek ravoju alternativnih izvora. Sada te baterije, prije svega su značajno efikasnije nego prije nekoliko godina, i zauzimaju značajno manje prostora, kao što se može vidjeti na sljedećoj slici.
____________________________________________________________________ _
18
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
Slika 8.2. Komponenete solarnih panela, sa dozvolom firme Sistem d.o.o, Podgorica. Naredni, zadnji korak, jeste proračun invertora koji pretvara DC energiju u AC energiju. U prethodnom dijelu teksta dat je kratak prikaz neophodnih komponenti sistema napajanja pomoću energije Sunca. Naravno, prethodno opisani sistem se može značajno uprostiti, a samim time i napraviti jeftinijim. Prije svega od prethodno nabrojanih komponenti ne bi morali korisiti regulator i invertor. Naravno, jasne su i posledice eventualnog predloženog modela bez invertora i ____________________________________________________________________ _
19
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ regulatora. Bez invertora ne bi mogli korisiti uređaje koji zahtjevaju AC energiju, što bi značajno ograničilo korišćenje uređaja u domaćinstvu a i značajno smanjilo kvalitet života. Bez regulatora bi dobili značajno manju električnu energiju, zbog slabog iskorišćenja Sunčevog zračenja. Pa prema navedenim osobinama, ovaj bi se “osiromašeni“ model mogao korisiti na katunima, koji su naseljeni tokom ljeta dok se stoka izvodi na pašnjake ili na ostrvima duž našeg primorija. Dok bi ljudi u toku prijepodneva bili van svojih domova, sva energija bi se sakupljala u baterije, a predveče bi ona opskrbljivala, najelementarnije ljudske potrebe. Primjer korišćenja Sunčeve energije je dat na sljedećim slikama.
Slika 8.3. Vikendica na primorju sa . dozvolom firme Sistem d.o.o.
Slika 8.4. Bazna stanica jednog našeg mobilnog operatera sa dozvolom firme Sistem d.o.o.
Prethodne slike ilustruju primjenu Sunčeve energije koja služi za električno napajanje u mjestima gdje je praktično nemoguće izgraditi visokonaponske kablove zbog nepristupačnosti terena ili je veoma skupo, pa se koristi Sunčeva energija.
9. Konkretna primjena solarne energije u ruralnim ____________________________________________________________________ _
20
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
domaćinstvima U Crnoj Gori i danas stanovništvo prije svega u ruralnim područijima ima potrebu za korišćenjem električnih motora. Mnogi radovi se mehanizuju, a sve se to radi uz pomoć različitih mašina, pa i električnih. Pogon tih mašina može biti fosilna energija, energija vjetra i električna energija. Uređaji koji konvertuju električnu energiju u mehaničku su električni motori. Mehanička snaga je potrebna radi mehanizacije radova. Zbog naglog razvoja energetske elektronike DC motor gubi primat u pogonima sa promjenjivim brzinama obrtanja. Međutim, u pogonima sa konstantnim brzinama obrtanja, kao i u starijim pogonima ovaj motor i dalje ima značajnu funkciju.
9.1. Matematički model DC motora DC motor može se opisati sljedećim naponskim jednačinama: u f = R f if + Lf
u a = R a ia + L a
di f dt
di a + Ea dt
(2)
(3)
gdje indeks “f” predstavlja parametre pobudnog kola, a indeks “a” parametre kola armature. Ea predstavlja elektromotornu silu, koja se matematički može opisati sljedećom jednačinom: E a = Kφp ωm
(4)
gdje su: K – konstanta, Φp – pobudni fluks [Wb], a ωm – brzina obrtanja motora [rad/s]. Mehanički dio DC motor se može opisati sljedećom jednačinom: J
dωm = M e − M meh − Bωm dt
(5)
gdje su: J – moment inercija, B – koeficijent proporcionalnosti otpora trenja sa brzinom, ____________________________________________________________________ _
21
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ Me – elektromagnetni moment, Mmeh – moment mehaničkog opterećenja. Elektromagnetni moment DC mašine je srazmjeran proizvodu pobudnog fluksa i struje armature, što se matematički može napisati kao: M e = Kφp Ia
(6)
9.2. Analiza rada DC motora napajanog iz solarnih ćelija U cilju ispitivanja rada DC motora napajanog iz solarnog panela u programskom paketu Matlab/Simulink realizovan je model ovoga sistema (slika 9.2.1.). Na slici 9.2.2. prikazan je Simulink model solarnog panela sa strujnom regulacijom.
Slika 9.2.1. Simulink model DC motor napajane iz PV panela.
Slika 9.2.2. Simulink model solarnog panela sa strujnom regulacijom. Simulnik model DC mašine urađen je na osnovu jednačina (2-6), dok je Simulink model solarnih ćelija (panela) urađen na osnovu jednačine (1). U ovom primjeru ostvarena je strujna regulacija solarnog panela, uz pomoć koje se, za datu vrijednost insolacije i za poznate parametre solarnih ćelija, dobija maksimalna snaga koju ta solarna ćelija (panel) može da ostvari. Blok dijagram strujne regulacije solarnih panela prikazan je na slici 9.2.3. Suština rada strujne regulacije prikazana je na slici 9.2.4., sa koje se vidi da se nakon povećanja insolacije radna tačka MPP1 premjesti u novu radnu tačku MPP2, koja definiše maksimalnu snagu koju solarna ćelija (panel) može da preda potrošaču za tu vrijednost insolacije.
____________________________________________________________________ _
22
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
Slika 9.2.3. Blok dijagram strujne regulacije solarnih ćelija (panela).
Slika 9.2.4. Karakteristika struja – napon solarne ćelije. Na slici 9.2.5. je prikazana promjena brzine DC motora, dok je na slici 9.2.6. prikazana promjena momenta motora pri puštanju u rad sa upuštačem. Upuštač DC motora se sastoji od otporničkih sekvenci koje se, nakon što brzina postigne određene vrijednosti isključuju iz kola armature i na taj način osiguravaju siguran start mašine. U suštini, uz pomoć njih se vrši ograničenje polaznog momenta (a i struje) na određenu vrijednost. Na istim slikama je prikazano kako promjena insolacije, a i momenta opterećenja djeluje na promjenu brzine, odnosno momenta motora, respektivno. Povećanjem insolacije, povećava se moment motora, a samim tim i brzina motora. Sa druge strane, što je veći ____________________________________________________________________ _
23
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ moment opterećenja, brzina motora je manja. Posmatrani motor se pušta u rad pod opterećenjem koje je srazmjerno brzini obrtanja ( Mopt = 0.23 ⋅ w ). Na slikama 9.2.7. i 9.2.8. prikazane su promjene brzine i momenta motora pri puštanju u rad DC motora, pri čemu je u kolo rotora uključena dodatna otpornost. U ovom slučaju, polazni moment ima veću vrijednost nego kada se koristi upuštač, dok sa druge strane stalno uključena otpornost u kolo rotora povećava gubitke motora i smanjuje radne vrijednosti brzine i momenta. Na istim slikama je prikazano i kako promjena insolacije i momenta opterećenja djeluje na brzinu i moment motora.
Slika 9.2.5. Brzina DC motora (sa upuštačem). 90
Trenuci kada se isključuju pojedini otpornici upuštača
80 70
Mopt = 0.23 ⋅ w
Moment [Nm]
60 50 40 30
Mopt = 17 + 0.23 ⋅ w
20
1200 W/m2 1050W/m2
10 0
0
5
10 15 Vrijeme [s]
20
25
Slika 9.2.6. Moment DC motora (sa upuštačem). ____________________________________________________________________ _
24
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _ 120
1200W/m2
100
1050W/m2 Brzina [rad/s]
80
Promjena momenta opterećenja
60 40 20 0
0
5
10 15 Vrijeme [s]
20
25
Slika 9.2.7. Brzina DC motora (bez upuštača). 120 100
Moment [Nm]
80 60
Mopt = 0.23 ⋅ w
1200W/m2
40 20
1050W/m2 0
0
5
Mopt = 17 + 0.23 ⋅ w
10 15 Vrijeme [s]
20
25
Slika 9.2.8. Moment DC motora (bez upuštača).
____________________________________________________________________ _
25
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
10. Zaključak Solarna energija pokriva tek djelić od 1% globalne proizvodnje električne energije. Njemačka je svjetski lider u ovom sektoru i proizvodi dovoljno struje da podmiri potrebe domaćinstava jednog grada od 590.000 stanovnika, pokazuju podaci Njemačkog Udruženja za solarnu energiju. Očekuje se da će ovaj procenat do 2020. porasti na više od pet procenata. Na slici 10.1 prikazana je karta Evrope na kojoj je dat solarni potencijal po regionima. Sa slike se može uočiti da ukoliko su solarni sistemi postavljeni na pogodnim lokacijama kao što su Španija, Malta, jug Turske itd. mogu proizvesti dvostruko više električne energije nego sjevernije zemlje (Škotska, Skadinavske zemlje, Rusija, itd.). Broj sunčanih dana u Crnoj Gori je, prema podacima Ministarstva energetike, veći od 3000 časova. To je veća vrijednost nego u većini evropskih zemalja, ali je kod nas solarni potencijal sasvim neiskorišćen. Brz porast fotonaponske industrije u svijetu uz porast proizvodnih kapaciteta i pozitivnu političku klimu u zemljama kao što su Japan, Nemacka i Španija, obećavaju dobru perspektivu fotonaponskim tehnologijama i u Crnoj Gori. Uzimajući u obzir današnji značaj fotonaponske tehnologije, njihove dugoročne potencijale i vrijeme potrebno da se ovakve tehnologije razviju, razvoj i primene ovih tehnologija potpuno opravdavaju i ohrabruju utrošene investicije i vrijeme. Fotonaponska industrija može znatno da doprinese privredi zemlje otvaranjem novih radnih mesta, kao i malih i srednjih preduzeća. Trenutno u našim uslovima, solarna energija je pogodna samo za stvaranje toplotne energije, gdje je vrlo isplativa. Zato su solarni kolektori postali donekle popularni u domaćinstvima za grijanje tople vode. Intezivnije korišćenje solarne energije zavisi od sprovođenja nacionalnog programa obnovljivih izvora energije.
____________________________________________________________________ _
26
Seminarski rad _______________________________________________________________________ _
Slika 10.1. Mapa solarnog potencijala u evropskim zemljama.
11. Literatura 1. http://www.sistem-mne.com/ 2. http://www.solarnipaneli.org/ 3. http://news.balkanenergy.com/index.html 4. Salko Obućina: “ Modelovanje solarnih ćelija i MPPT regulacija “, Specijalistički rad, Podgorica, jun 2011. 5. Anca Hansen, Poul Sorensen, Lars Hansen, Henrik Bindner : “ Models for a Stand Alone PV System“, Roskilde, December 2000.
____________________________________________________________________ _
27
