Energija iz sonca
Sončno sevanje – dobitki in odbitki
Sončno sevanje, pod katerega razumemo izhajajoči energijski tok, ki pade na zunanji rob zemeljske atmosfere znaša 1367 W/m2 (tako imenovana sončna konstanta). Sončno sevanje delimo v direktno oziroma neposredno in difuzno, kar skupaj predstavlja globalno sončno sevanje. Direktno sevanje prihaja v obliki žarkov direktno iz sonca, difuzno pa iz celotnega nebesnega svoda. Pri prehodu sončnih žarkov skozi atmosfero se del teh v plasteh ozona, ogljikovega dioksida, vodne pare, prahu absorbira in odbije nazaj vesolje, tako da dospe na površino zemlje maksimalno približno 1000 W/m2.
Molekule teh plinov in prašni delci sevajo v vseh smereh energijski tok, ki ga imenujemo difuzno sončno sevanje, ter se veča z naraščajočo oblačnostjo. Z naraščajo oblačnostjo se veča delež difuznega sončnega sevanja v celotnem sevanju in doseže pri popolni…
Na našem širšem področju RS sije sonce od 1600 do 2650 ur na leto, ter vpade na 1 m2 površine med 1000 in 1400 kWh letno sončne energije (glej naslednjo sliko).
Večina te energije je na razpolago v času od aprila in oktobra, ko ogrevanje prostorov ni potrebno, le približno 200 do 250 kWh pa je na voljo v zimskem času. Dnevne količine vpadle sončne energije se gibajo od nekaj desetink kWh/m2 pozimi v oblačnem vremenu, do več kot 5 kWh/m2 sončnem poletnem dnevu.
Fotovoltaika
Beseda fotovoltaika izvira iz grške besede “phos”, ki pomeni svetlobo in besede “volt”, ki je enota za napetost električnega toka. Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo energije svetlobe, natančneje energije fotonov v elektriko. Pod pojmom fotovoltaična pretvorba razumemo direktno pretvarjanje svetlobne energije sončnega sevanja v električno energijo. Pri tem sodelujeta tako direktno, kot tudi difuzno sončno sevanje. Pretvorba se izvrši v sončnih celicah, ki so glede na zgradbo lahko amorfne, polikristalne ali monokristalne. V večini primerov so izdelane iz silicija. Z združevanjem več sončnih celic dobimo fotovoltaične module. Z združevanjem modulov ter z uporabo drugih elementov, kot so akumulatorji, regulatorji polnjenja in razsmerniki lahko zgradimo poljubno močan sistem za oskrbo z električno energijo na katerikoli lokaciji, če je le na razpolago dovolj sončnega sevanja.
Sončne celice
Sončne celice imajo najmanj dve polprevodni plasti, ena je pozitivno, druga pa negativno nabita. Ko sončna svetloba pade na površino sončne celice, material celice absorbira del svetlobnih delcev (fotonov). Vsak foton vsebuje majhno količino energije. Absorbiran foton izzove proces osvobajanja elektronov v materialu sončne celice. Na stikih plasti se torej vzpostavi električni potencial. Sevanje mora imeti dovolj kratko valovno dolžino, da zagotovi dovolj energije, za nastajanje prostih valenčnih elektronov. . Če je ta valovna dolžina večja od mejne (valovanje v področju valovnih dolžin od 0,3 do 3 mikrometrov) potem ni več sposobna izbijati elektronov, ker je ni dovolj za premostitev vezi med elektroni in atomi. Kolikor dolgo so sončne celice izpostavljene svetlobi, tako dolgo traja proces snovanja prostih elektronov in s tem proizvodnje elektrike. Sončne energije, ki doseže zemeljsko površje je povprečno okoli 1 kW na m². Pretvorbena sposobnost celice se je tekom razvoja v preteklih letih izboljšala in je danes okoli 20-30% (max.: 40,7%). To pomeni da še vedno proizvajajo 150 W/m² ob idealnih pogojih (ob upoštevanju notranjih izgub). Učinkovitost komercialno dostopnih modulov je okoli 15%, kar pomeni da lahko proizvedejo približno 150 W moči na m².
Sončne modul
Osnovni element fotovoltaičnega oz. fotonapetostnega sistema je fotonapetostni modul, v katerem prihaja do pretvorbe svetlobne energije v električno. Sestavlja ga večje število sončnih celic, ki so združene v enoto, večinoma pod stekleno ploščo. Glede velikosti so lahko prilagojeni za posamezno lokacijo in se hitro instalirajo. Njihova življenjska doba je okoli 20- 25 let. Glede na vrsto sončnih celic, iz katerih je modul zgrajen, ločimo monokristalne, polikristalne in amorfne module. Večina komercialnih modulov je sestavljena iz 36 do 72 celic. Učinkovitost sončnih modulov, ki so tržno dosegljivi niha med 8 in 20%. To pomeni da bo od 8 do 20% energije sončne svetlobe, ki doseže celico spremenjene v elektriko. Teoretična maksimalna učinkovitost kristalnih silicijevih modulov naj bi bila okoli 23%.
Fotonapetostni pojav je let 1839 odkril fizik Alexandre Edmond Becquerel (F), ko je pri eksperimentu z dvema kovinskima elektrodama potopljenima v elektrolit, odkril, da prevodnost narašča z osvetljenostjo. Teoretično razlago tega pojava je leta 1904 podal Albert Einstein. Prvi fotovoltaični sistemi so z elektriko oskrbovali satelite in kasneje orbitalne postaje v vesolju. Danes jih uporabljamo v najrazličnejših primerih in okoliščinah. Glede na priključena bremena in zasnovo ločimo sledeče vrste sistemov: samostojni PV sistemi, PV sistemi vezani na omrežje, podporni sistemi (omrežje + baterija) , hibridni oz. kombinirani sistemi in koncentrirni sistemi.
Vršna moč sončnih modulov
Sončni žarki padajo na površino sončnih celic. Na takšen način se sevalna primarna energija sonca pretvarja v sekundarno visoko kvalitetno električno nergijo. električne naprave, ki delujejo na omrežno napetost. Največja moč sončne celice je označena s Wp (peak watt), izmerjena je pri idealnih vrednosti sončnega sevanja (1000 W/m2), temperaturi okolice 25 °C in AM = 1,5 (air mass). Sončna celica ima v tej obratovalni točki tudi največji izkoristek.
Izkoristek sončne celice se zmanjšuje z naraščanjem temperature sončne celice, saj se v tem primeru zmanjšuje napetost odprtih sponk. Meritve so potrdile, da je na primer pri temperaturi sončne celice 60 °C izkoristek nižji za 20 % glede na imensko vrednost. Na solarne dobitke pa poleg naklona, orientacije in senčenja vplivajo še umazanija. Raziskave so pokazale, da lahko prah in umazanija zmanjšata solarne dobitke celo do 8 odstotkov.
Ekonomičnost fotovoltaičnih sistemov
Za načrtovanje fotovoltaičnega sistema je pomemben faktor razmerje vložene in pridobljene energije energije, ki jo s sistemom pridobimo v življenjski dobi (EBT – Energy Payback Time). Trenutne raziskave kažejo, da sistemi s polikristalnimi moduli proizvedejo energijo vloženo v izdelavo v štirih letih, pri amorfnih modulih pa je čas manjši kot 3 leta. Za ekonomsko ovrednotenje pa potrebujemo stroške instalacije, načrtovano življenjsko dobo, stroške vzdrževanja in seveda ceno električne energije, ki jo sistem pošlje v javno omrežje. Pri določanju cene energije, ki jo fotovoltaični sistemi oddajo v javno omrežje, imam vsaka država različne stimulacije. Razmerje med ceno električne energije poslane v omrežje oziroma odvzete iz njega je lahko:
- R = 1 (cena enaka energiji odvzeti iz javnega omrežja)
- 5 < R < 6 (zelo visokaodkupna cena, Avstrija, Nemčija).
V primeru, da je R < 1, pomeni, da je zelo nizka odkupna cena, ki se ne razlikuje od cene električne energije pridobljene iz ostalih virov. Življenjska doba sistemov s kristalnimi moduli znaša 25 do 30 let, z amorfnimi moduli pa 15 let.
Sistemi sončnih elektrarn – Omrežni sistemi
Omrežni sistemi so sistemi namenjeni prodaji električne energije.
Kvalificirani proizvajalci so upravičeni do prodaje električne energije po znatno višjih cenah, kot so trenutno na trgu. V Sloveniji je cena pridobljene električne energije z fotovoltaičnimi sistemi subvencionirana s strani države.
Odkupne cene je vlada sprejela s Sklepom o cenah in premijah za odkup EE od kvalificiranih proizvajalcev na podlagi Uredbe o cenah. Preko števca se beleži proizvedena električna energija.
Omrežni sistem sestoji iz :
- PV generatorja,
- regulatorja in razsmernika 12-24/230V in
- predajno/odjemnega mesta z vsemi tehničnimi elementi (števec, zaščita…), ki jih zahtevajo tehnični predpisi, standardi, normativi in tipizacija odjemno predajnih mest posameznih distribucijskih podjetij.
Sistemi sončnih elektrarn – Samostojni sistemi
Na voljo je več samostojni sistemov:
- Sistemi za napajanje naprav in manjših porabnikov 12-24V enosmerne napetosti sestoji iz PV generatorja, polnilnega regulatorja, napetostnega regulatorja, akumulatorja in priključne omarice za priključitev porabnikov. S pomočjo akumulatorja se podnevi proizvedena električna energija akumulira in shrani za uporabo ponoči. Uporabno predvsem za kupce na območjih, ki nimajo možnosti prikopa na omrežje – vikendi, gorske koče, prikolice, navtika, ipd. Naprave oz. porabniki, ki so vezani na takšen sistem morajo delovati na enosmerno napetost (luč, radio, TV, hladilnik).
- Sistemi za izmenične porabnike (220V) sestoji iz PV generatorja, polnilnega regulatorja, akumulatorja, razsmernika 12-24/220V in priključne omarice za priključitev porabnikov. Razsmernik pretvarja enosmerno napetost v izmenično, zato lahko naprave, ki so priključene na sistem, delujejo na izmenično napetost.
- Hibridni sistemi za izmenične porabnike (220V) sestoji iz PV generatorja, polnilnega regulatorja, akumulatorskega polnilca za priklop motornega generatorja, akumulatorja, razsmernika 12-24/220V in priključne omarice za priključitev porabnikov. Razsmernik pretvarja enosmerno napetost v izmenično, zato lahko naprave, ki so priključene na sistem, delujejo na izmenično napetost. V primeru večje porabe, kot jo sistem proizvaja, ali pa ob manjši osvetlitvi, sistem omogoča priklop motornega generatorja, za proizvodnjo električne energije.
Aplikacije fotovoltaike
- Fotovoltaični sistemi se dandanes v praksi uporabljajo za mnogo različnih stvari.
- fotovoltaični sistemi predstavljajo ruralne, urbane, na omrežje vezane ali pa daljinske aplikacije za proizvodnjo električne energije.
- So osnovni gradniki velikih sistemov oz. fotovoltaičnih elektrarn, ki so večinoma priključene na javna električna omrežja, ni pa nujno. Ti večji fotovoltaični sistemi v svetu že dalj časa uspešno obratujejo npr. v Nemčiji, na Japonskem, v ZDA, Španiji, Italiji, Grčiji, na Nizozemskem, itd.
- Fotovoltaični sistemi so lahko integrirani v zgradbah. Vgrajeni so v zgradbo že v fazi gradnje objekta, za kar je potrebno predhodno načrtovanje sistema in sodelovanje strokovnjakov različnih strok (arhitekture, gradbeništva, elektrotehnike,itd.)
- Fotovoltaični moduli so uporabljeni kot sestavni del protihrupnih ovir. Tovrstna tematika pa je postala tudi ena od tem raziskovalnih projektov evropske skupnosti.
- Uporaba fotovoltaičnih sistemov v izjemnih razmerah. Na primer: Manjši fotovoltaični sistemi so zelo dober vir električne energije v primerih najrazličnejših katastrof.
- Letalo, katerega pogon so sončne celice (Ultralahko letalo Helios je zasnovan za potrebe sodobnih komunikacij in lahko poleti v velike višine. V poskusnem poletu je doseglo višino 30 km, dodatni cilj pa je večdnevni polet na višini okrog 15 km.) V primeru uspešnega testiranja, bi letalo lahko delno nadomestilo komunikacijske satelite kar bi bistveno zmanjšalo stroške.
- Napajanje telekomunikacijskih naprav. Veliko telekomunikacijskih sistemov leži na lokacijah, ki so težje dosegljive. Zanesljivost delovanja napajalnega sistema mora biti za večino telekomunikacijskih in signalizacijskih naprav 100% uspešna, kar je še eden od 12 razlogov za uporabo fotovoltaičnih sistemov za napajanje takšnih naprav, tudi če so le te že priključene na električno omrežje.
- Javna razsvetljava: Najpogosteje se javna razsvetljava napaja s sončnimi celicami v odročnih predelih, kjer javnega električnega omrežja ni na razpolago.
- Okoljevarstveni vidik: Negativne vplive polaganja daljnovodov na pokrajino lahko v okoljevarstveno občutljivih področjih preprečimo z uporabo fotovoltaičnih sistemov za oskrbo porabnikov z elektriko, zmanjšanje škodljivih emisij v ozračje, prehod na alternativen vir energije.
- Arhitekti uporabljajo sončne celice kot oblikovni material. Na primer solarni strešniki lahko zamenjajo običajne strešne kritine, polprosojni moduli pa so lahko integrirani v zasteklitvene materiale.