Solarni paneli – Princip rada

Solarna ćelija, solarni modul, solarni paneli

Šta su to solarni paneli, princip funkcionisanja, tehnologija izrade, karakteristike, efikasnost, kao i struktura solarnih panela biće opisana u celosti ovde.

Solarne ćelije su poluprovodničke strukture koje konvertuju Sunčevo zračenje, u širokom talasnom opsegu, u električnu energiju. Sama solarna ćelija jeste sastavljena od većeg broja dioda, pn spojeva, koje rade u četvrtom kvadrantu I-V izlazne karakteristike. Fotonaponska konverzija generiše par elektron – šupljina pod dejstvom upadne svetlosti, energija fotona je dovoljna za prelazak elektrona iz valentne zone u provodnu. Solarne ćelije se mogu povezati redno, paralelno, ili kombinovano, sve zavisi od projektovane snage ćelije. Napon koji se dobija na izlazu zavisi od tipa ćelije i može biti 0.3-0.7V, uz gustinu struje od oko nekoliko desetina mA/cm 2 zavisno od snage sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja. Dakle, rade u direktnom režimu ali sa negativnim smerom struje, slika 1. Na slici 1b jasno se vidi negativan predznak struje diode ID.

Slika 1

Prema materijalu od koga se proizvode dele se na Si, GaAs, CIS, CdTe, InP, organske. Broj pn spojeva ne mora biti jedan, Danas se razvijaju solarne ćelije sa tri ili četiri spoja sa znatno većim koeficijentom efikasnosti (mahom su bazirane na GaAs i Ge). Pored toga postoji još jedna klasifikacija a to je prema vrsti materijala koji ulaze u izgradnju spoja, gde je n tip od materijala sa jednom a p tip sa drugom širinom zabranjene zone Eg. To su takozvane heterostructure, i mahom su ćelije sa više pn spoja takve prirode. Na taj način se postiže bolja apsorpciona pokrivenost talasnog spektra incidentne svetlosti. U novije vreme dosta se ulaže napora u silicijumske heteroćelije (SANYO solarne ćelije).

Na slici 2 dat je prikaz zavisnosti efikasnosti ćelije, cene po Wp i tehnologije izrade. Iako je raspon u ceni veliki svi tipovi se eksploatišu. Može se očekivati pad u ceni snage ($/Wp). Silicijumske solarne ćelije su komercijalno najzastupljenije, dele se prema kristalografskoj strukturi: monokristalne, polikristalne i amorfne. Monokristalne solarne ćelije su najskuplje ali zato je njihov koeficijent efikasnosti do 18%, polikristalne do 15% i predstavljau alternativu monokristalnim (mada je tehnologija potpuno različita), dok amorfne solarne ćelije imaju najnižu efikasnost svega 8% ali zato je njihova cena najmanja. Amorfni silicijum je pogodan za nanošenje na razne materijale tako da se proizvode i ćelije sa promenljivom planarnošću (nanosi se na plastične filmove).

Slika 2. Grafik efikasnosti i cene solarnih ćelija u funkciji tehnologije

Poprečni presek jedne tipične solarne ćelije, ma kog tipa bila prikazan je na slici 3. (uzeta je silicijumska solarna ćelija za primer). Prvi sloj je zaštitno staklo tj. SiO 2, koje štiti ćeliju od spoljašnjih uticaja. Ispod je antireflektujući koji smanjuje reflektciju svetlosti i obezbeđuje da što više energije dospe do poluprovodnika (povećava se iskorišćenje ćelije). Zatim se nalazi sistem transparentnih elektroda, TCO. On kontaktira poluprovodnik sa pn spojem u kome se vrši zahvatanje fotona Sunčeve svetlosti. Sa donje strane je metalizacija-zadnji kontakt.

Slika 3. Poprečni presek solarne ćelije

Maksimalni izlazni napon individualne solarne ćelije iznosi oko 600-700mV, pa se ćelije serijski povezuju kako bi se dobio željeni napon. Najčešće se oko 36 ćelija serijski povezuje stvarajući module nominalnog napona od 12V.Snaga koju proizvodi jedna fotonaponska ćelija je relativno mala pa se u praksi više ćelija povezuju u grupu čime se formira fotonaponski modul. Prema projektovanoj snazi moduli se spajaju redno i/ili paralelno, čime se formira fotonaponski panel koji proizvodi struju, napon i snagu znatno većeg intenziteta, slika 4.

Slika 4. Solarna ćelija, modul, solarni panel

Kada se integrišu više panela dobija se polje PV modula ili solarna elektrana, slika 5. Danas se instaliraju solarne elektrane velikih snaga od 1MW pa čak 790MW(„Diablo Canyon“).

Slika 5. Polje solarnih panela

Energija Sunčevog zračenja koja dospe na Zemlju 10,000 puta je veća od energije potrebne da zadovolji potrebe čovečanstva, u periodu od jedne godine. Kada bi se posmatralo da na jednom kvadratnom metru dospe 100kWh godišnje, bilo bi potrebno prekriti površinu od 150x150km2 da bi se dobila energija ekvivalentna potrošnji za godinu dana (podatak iz 2001god.). Danas se sve više počinje sa implementacijom solarnih elektrana u industrijske sisteme, čak i u onim zemljama u koje su bogate naftom. Čak je i država Vatikan instalirala 2400-2700 solarnih panela na svojim krovovima, pri čemu će sprečiti emisiju CO2 od 210t ili potrošnju 70t mazuta za samo dve nedelje eksploatacije. Da se o tome dosta razmišlja govori i podatak da Abu Dhabi planira da na krovovima grada instalira solarnu elektranu snage 500MW.

Kako solarna elektrana tako se danas sve više koriste solarni sistemi u domaćinstvima, trgovačkim molovima, ispitnim stanicama, itd. Tako se obezbeđuje delimična ili potpuna autonomnost napajanja. Čak se savremen dizajn objekata projektuje u skladu što veće eksploatacije Sunčeve energije (direktno ili indirektno). Na slici 6 dat je primer jednog domaćinstva u kome je instaliran sistem panela.

Slika 6. Blok šema solarnog modularnog sistema u domaćinstvu

Bitno je naglasiti da se konverzijom solarne energije u električnu dobija DC (jednosmerni) režim, pri čemu je za rad nekih uređaja u kući potrebno transformisati u AC (naizmenični). Kod ovakvih sistema razvila su se dva načina povezivanja:

1. Samostalni izvor energije ili “off -grid”

2. Povezan izvor na distributivnu mrežu ili “on-grid”

Off-grid sistem je pogodan za napajanje tamo gde je nemoguće ili jako teško dopremiti distributivni sistem. Mada kako on obezbeđuje potpunu samostalnost eksploatacije električne energije to je i eliminisano finansijsko opterećivanje korisnika (izuzev u vremenu otplate). Fotonaponski sistem puni baterijsku banku (redno ili paralelno povezani akumulatori) u toku dana a noću se iz nje crpi akumulirana energija. Danju je moguće i direktno povezivanje na potrošače. Dodatno snabdevanje može dati i priključeni generator kao opcioni izvor snage. Ovakav sistem je skuplji, bar za 30% jer baterijska banka dosta košta i njihov radni vek iznosi 5–15god (zavisi od načina eksploatacije). Na slici 7 vide se delovi sistema i njihova međusobna povezanost.

Slika 7 Off grid PV solarni system

„On–grid“ sistem je fotonaponski sistem povezan na distributivnu mrežu od koje se dopunjuje do potrebne snage ili se šalje višak proizvedene snage (npr. princip negativnog brojila: kada se šalje brojilo oduzima potrošenu energiju i tako smanjuje račun), slika 8. Obezbeđuju normalno snabdevanje električne energije nezavisno od doba dana, godišnjeg doba i klimatskih uslova. Ovakav sistem zahteva dodatne ugovore sa agencijom za distribuciju električne energije, i može u mnogome ubrzati period otplate celog fotonaponskog sistema.

Slika 8. On grid solarni sistem

Bitna razlika jeste neophodnost baterijske banke i dodatnog generatora čime se ukuna cena u mnogome smanjuje i vreme povraćaja novca skraćuje. Pored ovih pogodnosti, u mnogim zemljama postoje subvencije (Feed-in tariff-e u Srbiji u ) za domaćinstva koja žele da postave fotonaponske sisteme i na taj način rasterete energetski sistem zemlje. Takav način finansiranja daje vreme otplate od 5-12 godina zavisno od cene struje i instalirane snage. Postoje sistemi gde se kombinuju ova dva ali njihova cena je najveća (mada se malo brže otplaćuje nego li „off–grid“).

Za projektovanje ili kupovinu solarnih panela potrebno je poznavati energetske potrebe domaćinstva (ako je domaćinstvo u pitanju) na mesečnom planu za „on–grid“ sistem i/ili maksimalnu moguću zahtevanu snagu domaćinstva za „off–grid“ sistem. To se postiže popisom snage svih električnih uređaja i analizom njihove paralelne eksploatacije, na primer:

Pored toga bitno je poznavati i srednji broj ekvivalentnih sati u danu za dati mesec i datu geografsku lokaciju, ali razumevanje da je intenzitet zračenja najveći u podne ±3h, kao da i zavisi od klimatskih promena u toku dana. Za projektovanje „off–grid“ sistema uzima se najgori slučaj (zimski period) kako bi se obezbedlo stalno snabdevanje električnom energijom, dok za „on–grid“ sistem se uzima srednja vrednost za sve mesece (mada projektovanje solarnog naponskog sistema zavisi od zahteva potrošača). Ekvivalentne sate sijanja Sunca moguće je očitati sa solarnih karti.

Pored ekonomskog aspekta javlja se i ekološki aspekt koji postaje dominantan uslov za očuvanje ekosistema. Narušavanje prirode danas je postalo intenzivno tako da se pojava alternativnih izvora energije nameće kao rešenje globalnog problema. Emisija CO2 povećava njegovu koncentraciju u atmosferi dok to dovodi do akumuliranja toplote i porasta srednje temperature planete (sprečava se odvođenje toplote u kosmos-efekat staklene bašte). Kao glavni uzročnici emisije ugljendioksida jesu sagorevači fosilnih goriva. Zelena energija a kao njen najveći izvor solarna energija ublažavaju nastale posledice i obezbeđuju da se priroda sama obnovi. Solarna energija je čista energija, bez emisije štetnih gasova, i ispuštanja otpadnih voda. Zato se pri projektovanju solarnih elektrana pored snage i godišnje energije koju proizvede, uvek radi proračun u količini fosilnih goriva potrebnih za proizvodnju iste električne energije i koliko se tona ugljendioksida time izbegne da se emituje u atmosferu. Na slici 9. dat je primer koliko tona uglja je ekvivalentno proizvodnji energije za jedan modul snage 200W za specificiranu lokaciju na godinu dana. Dalje jedna solarna elektrana u Sevilji godišnje proizvede 23GWh električne energije čime je izbegnuto emitovanje 16,000t ugljendioksida.

Slika 9. Poređenje solarne energije i energije fosilnog goriva

Dakle, ako se nastavi sa izgradnjom solarnih elektrana i ulagnjem u implementaciju solarnih energetskih sistema u stambene objekte, može se otkloniti problem zagađenja životne sredine, poboljšati kvalitet života, umanjiti čovekova destrukcija prirode.

Solarni termalni paneli

Za razliku od fosilnih goriva, solarna energija je dostupna u gotovo neograničenoj meri, ne proizvodi štetnu emisiju ugljen dioksida i uz to je besplatna. Moderni sistemi grejanja se mogu kombinovati sa solarnim kolektorima, što solarne sisteme grejanja čini izvrsnom opcijom za pripremu potrošne tople vode ili za podršku krugu grejanja.

Vrste solarnih panela

Standardni – PV solarni paneli
Fleksibilni – PV solarni paneli
‘Nevidljivi’ – PV solarni paneli
Solarna – PV mobilna prikolica
Kurs instalatera solarnih panela

Recite nam vaše potrebe, a mi ćemo vam ponuditi najbolje rešenje.