Elektrika iz Sonca, za lastne potrebe

Fotovoltaika je torej veda, ki preučuje pretvorbo energije, svetlobe, natančneje energijo fotonov, v elektriko. Pod pojmom fotovoltaična (fotonapetostna) pretvorba razumemo direktno pretvarjanje svetlobne energije sončnega sevanja, v električno energijo. Preprosteje povedano, gre za pretvorbo svetlobe v elektriko.

To je možno s pomočjo solarnih celic, ki so sestavljene  iz ene negativne - borove in ene pozitivne fosforne, neprečiščene pol prevodne plasti. Po navadi iz približno 120 mm debelega silicija (Si) ali  tudi iz kakšne druge spojine, kot je galijev arzenid (GaAs) , kadmijev telurid (CdTe) ali manj kot 5 mm debeli baker - indij dizelenid (CIS).

V osnovi so sestavljeni kot pol prevodne diode.

Proizvodnja  električnega toka sloni na tako imenovanem »fotovoltaičnem efektu«. Pri sevanju Sonca na solarno celico se, pri n - materialih, sprostijo elektroni. Zaradi diodnega delovanja prehodne plasti ne morejo preiti na p - material. Njihova prvotna mesta zavzamejo elektroni iz p - materiala, katere ne zavira prehodna plast.

Tako nastane minus pol na n - materialu. Med n in p - materialom lahko tako odvzamemo istosmerno napetost, približno 0,5 V. Povežemo ta dva stika na spodnjo in zgornjo stran solarne celice in začne se pretok istosmernega toka. Zaradi fizikalnih zakonov se samo del vpadne energije sevanja. pretvori  v električno energijo. V praksi dosežemo stopnjo učinka, kot je prikazana v preglednici št. 1.

Preglednica št. 1: stopnja učinka solarnih celic (različni podatki)

Vrste solarnih celic

Razlikujemo več vrst solarnih celic:

-          Si - monokristalin: silicijevi atomi sestavljajo na celotni solarni celici enotno usmerjeno strukturno kristalno mrežo (en kristal). Izdelava eno kristalne silicijeve linije je zelo zapletena. Celice je treba rezati na tanke plasti iz silicijevega kristala, po navadi 10 x 10 cm ali okrogle Ø 10 cm. Nove cenejše verzije nam ponuja nova izdelava, na katere je na tanke trakove razvlečen Silicij, na 15 x 15 cm.

-          Si - polikristalin: pri teh je več kristalov, ki so različnih velikosti in usmeritev. Ta sistem za izdelavo ni tako zahteven. Te celice režejo iz vlitih silicijevih kosov.

-          Si - amorfne tanko plastne solarne celice:  imajo tanek nanos plasti iz amorfnega silicija v popolnoma nepravilni razvrstitvi atomov. Izdelava je veliko bolj preprosta in cenejša. Celice, v obratni smeri, z uparjanjem, čisto na tanko nanesemo na nosilno stekleno ploščo. Ta način se uporablja tudi za žepne računalnike, digitalne ure in podobno.

-          Ostale - tanko plastne solarne celice: pol prevodnik iz kadmium telurida (CdTe) ali iz bakra - Indija - dizelenida (CIS) tudi direktno, v obratni smeri, tanko uparimo na stekleni nosilec. Ta sistem nam omogoča ekološko in cenovno najboljšo možnost izdelave CIS modulov, ki so že v prodaji. Na sliki št. 1 je prikazana izgradnja solarne celice.

Slika 1 - Izgradnja solarne celice

Stopnja učinka solarne celice:

Karakteristike solarne celice so podane za normirane zahteve  (STC standardni test). Tako znaša moč sevanja na modulski ravni 1000 W/m^2, pri konstantni temperaturi solarne celice, 25 ^oC. Dejanska temperatura solarnega modula znaša, pri sevanju sonca v poletnem času, med 30^o, 60^o in več.

Pri kristalnih solarnih celicah iz silicija učinek pada in tudi izkoristek se zmanjšuje, pri rastoči temperaturi za približno 0,5 % Kelvina. Odvisnost od temperature, pri amorfnem siliciju je pol tako velika, v primerjavi s kristalnim silicijem. Da pri višji temperaturi dosežemo večji izkoristek, morajo biti solarni moduli, prezračevani z zadnje strani.

Večina proizvajalcev je pod oznako iRoof/iWall, razvilo sendvič - betonski element. Ta element je masiven betonski absorber, z nalepljenimi PV moduli, skozi katerega se, po ceveh pretaka voda in tako ohlaja sistem. S tem se doseže večji učinek PV modulov. Ogrevano vodo uporabimo, preko toplotne črpalke, za pripravo tople, sanitarne vode. V zimskem času deluje ta element, kot masivni absorber za ogrevanje. Na sliki št. 2 je prikazan PV solarni modul.

Slika 2 - PV solarni modul

Poleg modulov, ki so združeni v okvir ali so brez njega, uporabljamo tudi druge načine pritrjevanja, na primer, v povezavi s strešno opeko, cementno opeko ali pločevinasto streho. Slika št. 3 prikazuje izklop delno zasenčenega modula.

Slika 3 - Izklop delno zasenčenega modula

Fotovoltaične module uporabljamo tudi pri opremi za čolne in podobno. Kristalna silicijeva celica ima, pri maksimalnem sevanju sonca, napetost približno 0,5 V in električno moč 1 do 2 W, kar ne zadovoljuje običajnih porabnikov.

Slika 4 - Izklop generatorja

V povezavi več solarnih celic dobimo večje solarne module, z večjo napetostjo (po navadi 12 - 24 V) in z odgovarjajočo močjo.

Izvedba

Celice pred mehaničnimi vplivi, zaščitimo s transparentnim povezovalnim materialom med nosilnimi plastmi. Plošča na sprednji, občutljivi strani je iz visoko transparentnega, refleksijsko oslabljenega stekla. Zadnja stran je iz primernega plastičnega laminata, na katerega namestimo priklopno dozo.

Med seboj povezane solarne celice imenujemo PV modul (PV - element). Na trgu ponujajo standardizirane module z okvirjem ali brez, ki jih preprosto namestimo na predhodno postavljeno konstrukcijo.

Zasenčenje solarnih modulov: zaradi serijskega vklopa solarnih celic, lahko pride do motnje, zaradi zasenčenja ene same celice od 32, na primer, zaradi sence druge stavbe ali odpadlega listja na celico. Posledično se prekine celoten dovod toka.

Od plus pola zgornje osvetljene celice, lahko zaradi neosvetljene naslednje diode, (obremenitvenega upora R) električni tok ne pride do minus pola, kar pomeni, kadar samo ena celica ni dovolj osvetljena, pride do prekinitve električnega toka, glej sliko št. 4. Pri načrtovanju postavitve PV naprav je osnovni pogoj, da ne pride do zasenčenosti.

Solarni generator

Posamezni solarni moduli imajo omejeno zmogljivost. Zaradi tega jih sestavljamo v splete in naprej, vzporedno povezujemo v večje enote. Več modulov skupaj tvori tako imenovani solarni generator.

Zasenčenje solarnih generatorjev: pri večjih spletih (zaporedno vključeni moduli, na primer 8 x 16 = 128 V, ki so paralelno vklopljeni, bi v obratni smeri od zgornjega preklopa ene celice v enem spletu tok drugih spletov zaradi tega spleta stekel v obratno smer in neosvetljena celica bi se uničila. To preprečimo s tako imenovanimi spletnimi diodami, ki povratni tok blokirajo, slika št. 4. V solarnem generatorju, sestavljenim iz več spletov, preprečujejo spletne diode, da bi zaradi povratnega toka prišlo do uničenja le teh. Na sliki št. 5 je prikazan solarni generator sestavljen iz 8 solarnih modulov z 32 solarnimi celicami.

Slika 5 - Solarni generator, sestavljen iz 8 solarnih modulov z 32 solarnimi celicami.

Solarni generator pri večnamenski uporabi

Solarni generator za oskrbo večjega števila manjših porabnikov, v tako imenovani večnamenski uporabi (hladilnik, radio, televizija, luč itn., za zasebno uporabo), lahko tudi za agregat v sili, uporabljamo v kombinaciji z akumulatorskim shranjevalcem. Uporabljamo jih v:

-          Enodružinskih hišah

-          Počitniških hišah, v odročnih objektih, kjer je dovod električne energije iz stacionarnega omrežja nerentabilen in tudi dizelski agregat, zaradi težavnosti prevoza goriva ali zaradi ekoloških razlogov ni primeren.

-          Kampiranje, čolni, avto dom

-          Signalizacija, parkirne ure itn..

Slika št. 6 je prikazan princip preklopnega solarnega generatorja

Slika 6 - Princip preklopnega solarnega generatorja

Solarni generator, akumulator in porabnik so vodeni preko regulatorja polnjenja. Integrirana dioda povratnega toka onemogoča, da bi se ponoči akumulator preko solarnega generatorja izpraznil. Akumulator se polni do predpisane mere - vgrajena je posebna zapora, da se akumulator ne izprazni do konca, kar bi lahko akumulator poškodovalo. Slika št. 7 prikazuje postavitev manjšega solarnega generatorja.

Za večje zahteve po električnem toku je prikazana naprava manj primerna, saj bi bila za zimsko obdobje premajhna, v obratni smeri pa za sončno obdobje predimenzionirana.

Slika 7 - Manjši solarni generator

Shranjevanje istosmernega toka v svincu - natriumu - žveplo ali nikelj - kadmijevi akumulatorji niso problematični. Zaradi ekoloških zahtev je odstranitev le teh draga. Solarne celice so primernejše zato, ker imajo dolgo življenjsko dobo, garancije so nekje med 20 in 25 let.

Fotovoltaične naprave, ki so povezane v javno električno omrežje (PV - naprave)

Fotovoltaične naprave, ki so povezane v javno električno omrežje so v pravilu večje naprave, ki so sestavljene iz večjega števila modulov. Upravljavec, preko števca, oddaja električno energijo v javno omrežje. Tako lahko drage in okolju neprijazne baterije zanemarimo. Oddaja električne energije v javno omrežje je pri solarnih napravah največja okoli poldneva in takrat jo tudi najbolj potrebujemo. Pri izpadu električne energije v omrežju, tudi solarna naprava ne more oddajati le te v javno električno omrežje. Slika št. 8 prikazuje shematski prikaz za priključitev fotovoltaične naprave v javno električno omrežje.

Slika 8 - Shematski prikaz za priključitev fotovoltaične naprave v javno električno omrežje

Montaža

Fotovoltaične naprave nameščamo na osončene strani streh, po posebej izdelanem sistemom, z aluminijastimi profili. Naprave, integrirane v streho, imajo slabo lastnost v tem, da se v poletnem času pregrevajo, zato je izkoristek manjši za 0,5 %. Možna je tudi montaža na navpične elemente, kot so na primer stene objektov. Pogoj je, da so naprave postavljene pod kotom najmanj 30^o, proti sončni strani.

Varnost pred udarom strele

Naprave morajo biti nameščene v območju zaščite pred strelo. Kjer to ni mogoče, morajo biti direktno povezani z napravo za zaščito pred strelo.

Pretvornik

Vse naprave, ki so povezane v javno električno omrežje, potrebujejo za vzporedno delovanje z nizko napetostnim omrežjem, pretvornik, ki spremeni istosmerni tok iz fotovoltaične naprave, v izmenični tok in omogoči potrebno napetost. Elektronika omogoča, da fotovoltaična naprava deluje nemoteno. Izkoristek pretvornika je med 90 in 97 %. Danes pretvorniki delujejo nemoteno in so točno določeni po zakonu o rabi električne energije.

Splošno

Ob vse večji vgradnji solarnih modulov postaja tudi cena vse bolj sprejemljiva, zato je v bližnji prihodnosti pričakovati velik porast vgradnje solarnih sistemov, predvsem takšnih, ki se bodo vključevala v javno električno omrežje. Ob tem pa se najpogosteje postavlja vprašanje ali se mi postavitev lastne sončne elektrarne izplača, oziroma, ali lahko s tem ustvarim dobiček? Ne samo, da boste dosegli dobiček, ustvarjali boste čisto energijo in s tem povečali tudi vrednost objekta. Strokovnjaki so izračunali, na primer, da naložba za 36 kW instalirane moči, se stroški povrnejo v približno 15 letih, življenjska doba vgrajene elektrarne pa znaša okoli 20 let, nato pa delujejo vgrajeni moduli z 80 % intenzivnostjo še nadaljnjih 10 let.