5. junij, 2018

Sončna energija

Svet elektronike colorAX elektronika d.o.o.
Avtor: Bojan Kovač
E-pošta: bojan@svet-el.si
2018_264_48

Planet Zemljo si delimo tehnološko različno razvita ljudstva, narodi, plemena. Tisti, ki živijo le od narave in njenih sadov, še najmanj vplivajo na njeno hitro spreminjanje, saj so tehnološko najmanj razviti, na drugi strani pa bogata ljudstva razpolagajo z večino naravnih bogastev, s hrano in celo z vodo. Pri tem se ne ozirajo na presihajoče vire hrane, rudnih bogastev, energetskih virov in pitne vode, ampak le na čim večji dobiček. Najbrž »navadni« ljudje tega ne bomo mogli spremeniti, lahko pa veliko prispevamo k temu, da vse to, kar nam je še ostalo, poskusimo ohraniti.

Energija v obliki nafte in premoga je vir, ki smo ga v zadnjih stotih letih že skoraj porabili. Naša naloga za prihodnost je, da začnemo izkoriščati obnovljive vire energije, ki so, vsaj zaenkrat, neizčrpni. Postopoma bomo morali klasične energetske vire nadomestiti z njimi, kar pa niti najmanj ne ustreza tistim, ki danes s tem bogastvom razpolagajo, mu določajo ceno in vse bolj bogatijo. Njihovo bogastvo na drugi strani povzroča vse večjo revščino, saj si večina svetovnega prebivalstva ne more privoščiti teh dobrin za takšno ceno, kot jo postavljajo. Vse, kar je povezano z energijo, ostaja zanje nedostopno, bogati pa se trudijo obdržati ta monopol. Razlike lahko zmanjšamo, če se naučimo varčevati z energijo in izkoriščati obnovljive vire, ki so še vedno na razpolago vsem.

Varčevanje pa ne pomeni, da bi se morali čemurkoli odpovedati, ampak to, da moramo povečati izkoristke, oziroma zmanjšati izgube pri pretvarjanju energije, kjer se je običajno »izgubi« več kot 2/3. Tehnologija omogoča izdelavo novih materialov, novih pristopov in če nam uspe izdelati boljši izolacijski material, s katerim preprečimo izgubo toplote iz našega ogrevanega prostora, nam te toplote ne bo potrebno nadomeščati! Priznati moramo, da je takšno varčevanje povsem sprejemljivo in da »spuščanje toplote v zrak« res nikomur ni v ponos. Ničemur se ni potrebno odreči, le malo razuma potrebujemo ob tem in volje, da stvari spremenimo na bolje.

Elektroniki imamo za prihodnost posebno poslanstvo, saj povezujemo najpomembnejše člene pretvorbe energije v električno, ki je za splošno uporabo v obstoječih energetskih omrežjih najprimernejša. Naša naloga in dolžnost je, da po svojih močeh poskušamo najti načine za boljše izkoristke pri pridobivanju in porabi energije, ter za cenejše, manj moteče in trajnejše rešitve pri zajemanju energije iz obnovljivih virov.

Sonce – neusahljivi vir

Med obnovljive vire energije štejemo sončno, vetrno in hidroenergijo, biomaso, energijo bibavice in geotermalno energijo. Zanimivo je, da so vse razen zadnje povezane s sončno energijo. Kako? Vetrove povzroča sonce s segrevanjem tal in ozračja, s čimer se začne gibanje zračnih mas. Hidroenergija je energija sonca, ki je shranjena v oblakih in se v obliki padavin vedno znova vrača na izhodišče, na izvire rek in njihovih pritokov, kjer lahko postavimo elektrarne. Biomasa je s fotosintezo pridobljena in akumulirana energija sonca v obliki lesa (neposredno pretvarjanje v toploto z izgorevanjem) ali drugih delov rastlin (bio-gorivo, bio-etanol, bio-plin). Pri energiji plime in oseke morij poleg vpliva privlačnosti sonca vpliva tudi privlačnost Lune. Samo vir geotermalne energije ni povezan s Soncem in pripada le našemu planetu.

Možnost zbiranja kakršnekoli energije, ki je povezana z vplivom Sonca je neenakomerna že prek enega samega dneva zaradi vremenskih pojavov, menjave dneva in noči ter vpadnega kota sončne svetlobe, poleg tega pa seveda tudi preko celega leta zaradi spreminjanja letnih časov, z njimi pa tudi vpadnega kota sončne svetlobe in dolžine dneva, torej časa, ki ga imamo na razpolago v enem dnevu, da razpoložljivo sončno energijo sploh lahko zajemamo. Takoj se nam zastavi vprašanje, kako shraniti čim več energije takrat, ko jo imamo v izobilju in kako jo s čim manj izgubami kasneje pretvoriti v takšno obliko, da bi jo lahko uporabili v različne namene.

Izmenjava dneva in noči, različni vremenski pogoji, menjava letnih časov in geografski položaj neke točke na zemeljski površini močno vplivajo na največjo količino sončne energije, ki bi jo lahko v nekem trenutku na tej točki sploh sprejeli. Ponoči, pozimi in v oblačnem vremenu je količina sprejete energije na kvadratni meter zemeljske površine najmanjša. Če poleg tega površina, na katero padajo sončni žarki ni pravokotna, se zelo velik del energije zaradi odboja izgubi, saj pri sončni energiji veljajo enaki fizikalni zakoni kot pri svetlobi. Sončna energija torej ni stalna in enakomerno porazdeljena ampak muhasta in nepredvidljiva. Teoretično bi pri 365 sončnih dnevih v Ljubljani lahko na enem kvadratnem metru vodoravne površine sprejeli nekje med 1100 in 1200 kWh sončnega sevanja, ker pa vsi dnevi niso sončni, niti niso vsi enako dolgi, niti ne moremo vedno zajeti vse te energije, je lahko v praksi »ujamemo« veliko manj.

Fotovoltaične celice

Recimo, da se odločimo za zbiranje energije s pomočjo fotovoltaičnih (FV) panelov, ki sprejeto sončno svetlobo pretvarjajo neposredno v električno energijo. Kako ta proces poteka?

Tipična fotovoltaična celica je sestavljena iz dveh plasti polprevodniškega silicija N in P tipa, ki sta med seboj tesno povezani (prikazano na sliki 1). Ena plast (N-plast) je izdelana tako, da ima presežek prostih elektronov, druga plast (P-plast) pa proste vrzeli. Ko ta različna polprevodniška materiala združimo, poskušajo prosti elektroni v okolici njunega spoja preiti v P-plast, da bi zapolnili proste vrzeli v njej. Zbiranje elektronov in vrzeli ob P-N spoju ustvari prepreko, zaradi česar jo preostali elektroni vse težje prečkajo. Ko se med njimi vzpostavi ravnovesno stanje, nastane na kontaktnih priključkih neko določeno stalno električno polje, ki ločuje obe strani.

Ko svetloba s primerno visoko energijo in pravo valovno dolžino zadene takšno celico, se absorbira in ob tem se sprostijo elektroni, ki začnejo naključno potovati. Elektroni, ki so v bližini P-N spoja lahko zaradi stalnega električnega polja ta spoj preskočijo. Ker elektroni zlahka prestopijo mejo, ne morejo pa se vrniti nazaj, preskočiti v drugo smer (v nasprotni smeri delovanja polja). Rezultat tega je neravnovesje med naboji v obeh polprevodniških plasteh. Elektroni imajo po prehodu v polprevodnik P tipa naravno težnjo, da čim prej zapustijo to plast, da bi se s tem izenačilo neravnovesje nabojev. V ta namen lahko elektroni uporabijo tudi kakšno drugo pot, če je na voljo. Z zagotavljanjem zunanje povezave, po kateri se lahko elektroni vračajo v prvi sloj, je izpolnjen pogoj, da steče tok. Ta bo tekel toliko časa, dokler bo svetloba padala na solarno celico. Končni rezultat je proizvedena električna energija, ki izhaja neposredno iz energije svetlobe.

Vrste fotovoltaičnih celic

Obstaja več tehnologij, s katerimi izdelujejo fotocelice in razen različnih zahtevnosti postopkov za njihovo izdelavo, se razlikujejo tudi po izkoristkih in seveda ceni. Sončne celice iz monokristalnega silicija so izdelane z razrezom vlečenega silicijevega kristala valjaste oblike na tanke rezine in to je v tem trenutku obenem tudi najbolj učinkovita fotovoltaična (FV) tehnologija. Načeloma je prednost monokristalnih celic v njihovi visoki učinkovitosti, običajno okrog 15%, vendar pa je proizvodni proces za monokristalne celice zelo zapleten in zahteven, kar se odraža v nekoliko višji ceni celic, kot pri drugih tehnologijah.

Polikristalne sončne celice so izdelane iz tankih rezin kristala, ki jih dobijo z rezanjem vlitega ingota prekristaliziranega polikristalnega silicija in jih nato sestavijo v panele. Takšne celice so zaradi enostavnejšega proizvodnega procesa cenejše za proizvodnjo kot monokristalne, vendar so zaradi zrnate strukture nekoliko manj učinkovite, s povprečnim izkoristkom približno 12%.

Tehnologija silicija debelega filma je druga polikristalna tehnologija, kjer je silicij v neprekinjenem procesu nanešen na osnovni material, kar daje fino zrnat, svetlikajoč se videz. Kot vse kristalne FV celice, so tudi te zaščitene s prevleko iz prosojnega polimera in pokrovom iz kaljenega stekla, vse skupaj pa je običajno nameščeno znotraj močnega okvirja iz aluminija (slika 5).

Sončne celice iz amorfnega silicija sestavlja tanek film sloja atomov homogenega silicija namesto takšnega s kristalno strukturo. Amorfni silicij bolj učinkovito absorbira svetlobo kot kristalni silicij, tako da je celica lahko tanjša. Iz tega razloga je FV tehnologija na osnovi amorfnega silicija znana tudi kot “tankoslojna”. Amorfni silicij se lahko nanaša na različne podlage, tako toge, kot tudi fleksibilne, zaradi česar je idealen za uporabo na ukrivljenih površinah in pri izdelavi “zložljivih” modulov. Amorfne celice pa so na žalost manj učinkovite kot celice na kristalne osnovi, z običajnimi izkoristki okrog 6%, vendar je njihova izdelava manj zapletena in so zato cenejše. Zaradi nizke cene so idealne za uporabo v številnih aplikacijah, kjer ni potrebna visoka učinkovitost, pomembni pa so nizki stroški investicije.

Za osnovo pri izdelavi fotonapetostnih modulov se v zadnjem času uporabljajo tudi ostale tehnologije tankega filma in številni drugi obetavni materiali, kot sta na primer kadmijev telurid (CdTe) in baker-indijev diselenid (CIS). Privlačnost te tehnologije je, da se lahko celice proizvajajo z relativno poceni procesno tehnologijo, še zlasti v primerjavi s silicijevimi kristalnimi tehnologijami, kljub temu pa ponujajo večje učinkovitosti od modulov na osnovi amorfnega silicija. Prihajajo tudi čisto nove tehnologije, ki temeljijo na procesu fotosinteze, vendar v tem trenutku še niso na tržišču.

Električna energija iz fotocelic

Najprej si oglejmo, kako se obnaša ena celica fotovoltaičnega panela in za ilustracijo delovanja uporabimo graf na sliki 7! Kakšne napetosti in kakšen tok lahko pričakujemo?

Napetost ene same FV celice je odvisna od osvetljenosti in lahko zelo niha, zato mora biti celoten panel sestavljen iz takšnega števila celic, ki nam bodo v najslabšem primeru na svojem izhodu dale napetost vsaj 13,6 V, kakršno potrebujemo za polnjenje 12 V svinčenih akumulatorjev. Iz grafa na sliki 1 vidimo, da je izkoristek posamezne celice najboljši takrat, ko imamo pri nazivnem toku na panelu od 0,4 do 0,55 V (rdeča krivulja izhodne moči). Ta napetost ni ravno najbolj primerna, niti za prenašanje, niti za porabo, zato se običajno odločimo za serijsko povezavo več posameznih celic enega panela zato, da dosežemo višjo nazivno napetost in za paralelno vezavo več panelov, da dobimo višji nazivni tok.
Pametno je načrtovati takšne izhodne napetosti celotnega panela VMPP , ki se nahajajo znotraj območja največje izhodne moči panela, kar pomeni, da lahko v tem primeru računamo tudi z največjimi izkoristki, oziroma z njegovo polno nazivno izhodno močjo.

Izhodno napetost panela moramo načrtovati za delovanje v najmanj ugodnih pogojih, kar pomeni, da moramo za polnjenje 12 V akumulatorja v takšnih razmerah dobiti iz panela vsaj 13,6 V. Izračunamo lahko, da bi potrebovali vsaj 34 celic, dodamo pa še dve celici, da je panel fizično bolj prilagodljiv. S tem številom celic lahko na primer naredimo panele, ki imajo vgrajenih 3 x 12 celic, 4 X 9 celic in 6 x 6 celic, poleg tega pa še panel 5x 7 celic z minimalno napetostjo 14,0 in maksimalno napetostjo 19,25 V če vgradimo eno celico manj. Glede zunanjih dimenzij imamo s tem pokrito široko paleto možnosti vgradnje in sestavljanja v različno velike sisteme. S s petimi osnovnimi gradniki 2 x 2, 2 x 3, 3 x 3, 4 x 3 in 4 x 4 lahko pokrijemo površine z višinami 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12…. celic. Na sliki 8 je prikazano, kako so lahko posamezne celice med seboj povezane v modulu, na sliki 9 pa način, kako lahko module sestavljamo z manjšimi standardnimi osnovnimi gradniki. Ni posebnih omejitev glede števila celic, se je pa pametno »držati« ene izmed standardnih enosmernih napetosti 12, 24, 36 ali 48 V, saj je tem napetostim prilagojena tudi vsa ostala elektronska oprema, ki jo potrebujemo pri pridobivanju in pretvarjanju pridobljene električne energije.

Proizvedeno električno energijo s panela naprej vodimo po žicah do prvega pretvornika oziroma polnilnika akumulatorjev, ki skrbi za to, da je napetost vedno primerna za polnjenje akumulatorjev. Čista »surova« napetost s panelov, ki se neprestano spreminja, nam kot napajalni vir ne koristi kaj dosti, zato je zelo pomembno, da to napetost najprej stabiliziramo pri tako visokem nivoju, ki je potreben za polnjenje naših akumulatorjev.

Nadzorni krmilnik glede na trenutno porabo in trenutno napolnjenost akumulatorja oceni, kako bi v tistem trenutku to energijo najkoristneje uporabili. Lahko bi na primer polnili akumulatorje, napajali trenutno priključena bremena in/ali oddajali presežek proizvedene energije v javno energetsko omrežje. Za vse te preklope enega samega vira uporablja krmilnik polprevodniška stikala – tranzistorje. Vsa pamet krmilnika je zbrana v programski opremi vgrajenega mikrokontrolerja, ki je včasih večji in bolj zmogljiv, včasih pa čisto majhen, z minimalno porabo in minimalnim naborom funkcij. Vsa stikala in preklopniki, ki jih je potrebno upravljati, so polprevodniška, vsak polprevodnik pa ima tudi v stanju popolnega prevajanja neko minimalno upornost, ki ob nekem toku povzroči nek padec napetosti, ki ni nič drugega kot izgubna moč, ki je vir segrevanja in s tem izgub.
Tudi vpliv senčenja je pri fotovoltaičnih celicah presenetljivo velik. Za razliko od sončnih kolektorjev, ki zbirajo sončno energijo v obliki toplote in zato lahko prenesejo nekaj sence, so fotonapetostni moduli izjemno občutljivi nanjo in ne prenesejo niti delnega senčenja, na primer sence ene same veje nekega drevesa.

Ovire, ki lahko povzročijo senčenje, lahko opredelimo kot mehke ali trde vire. Če je na primer veja drevesa , strešni zračnik , dimnik ali kakšna druga ovira nekoliko bolj oddaljena od FV panela, je svetloba v takšni senci difuzna ali razpršena. Takšne mehke ovire bistveno zmanjšajo količino svetlobe, ki doseže posamezno celico modula. Trdi viri senčenja pa so takšni, ki preprečijo svetlobi, da bi sploh dosegla celico, kot bi jo prekrili, na primer pod drevesom, posedanje ptic neposredno na FV panelu, odpadlo jesensko listje ali listje, ki ga prinese veter ob nevihti. Tudi v primeru, da je le ena celica celotnega panela zasenčena s trdim virom senčenja, bo napetost takšnega modula padla na polovico svoje nazivne vrednosti, ko je polno osvetljen, s čimer se zaščiti. Če je še več celic v senci trdega vira senčenja, modul ne bo več dajal električne energije, ampak bo dejansko postal eden od porabnikov energije v celotnem sistemu.

Kje se energija izgublja?

Takoj se nam zastavi vprašanje, kako pa shraniti čim več energije takrat, ko je je v izobilju in kako jo s čim manj izgubami kasneje pretvoriti v takšno obliko, ki bi jo lahko uporabili v različne namene. Poleg izgub na žicah in polprevodniških stikalih nam jo bo med letom prav gotovo zagodlo tudi vreme, oblaki, dež, sneg in odpadlo listje na panelih, prah in druga umazanija bodo pripomogli, da teoretično izračunane energije ne bomo mogli nikdar v celoti zajeti niti že zajete izkoristiti.

Prvi problem nastane že pri zajemanju sončne energije in pri izbiri najprimernejšega načina s čim manj izgubami. Izkoristki fotovoltaičnih celic so od 12 do 17 %, torej nam že tu »uide mimo« večji del vpadle energije. S premišljeno montažo panelov in njihovim nagibom glede na vpadni kot sončnih žarkov blizu pravega kota lahko zajamemo največ energije, kot je je mogoče v neki točki Zemeljske površine.

Drugi problem je zbiranje pridobljene električne energije z večjega števila panelov in prenos te energije do prvega pretvornika. Povezave med paneli so kabelske, prav tako glavni vod. Ker so izhodne napetosti panelov nizke, bodo pri neki nazivni moči tekli veliki enosmerni tokovi, ki bodo na neki dolžini zaradi svoje (čeprav minimalne) upornosti povzročili vsaj majhen padec napetosti, ki spet pomnožen s tokom pomeni izgubno moč oziroma izgube pri transportu energije. Poskrbimo za čim boljše povezave, čim manjšo upornost vodnikov in čim manjše tokove, na primer z višjimi napetostmi.

Tretji problem je pretvorba energij, kjer nekaj energije vedno izgubimo. Če pridobivamo električno energijo s sončnimi celicami in imamo pri tem viške energije, ki je v tistem trenutku ne moremo porabiti, jo je smiselno oddajati v javno omrežje ali shranjevati v akumulatorje. Pri tem gre za pretvorbo iz električne v kemično energijo. Pri shranjevanju s polnjenjem akumulatorjev moramo vložiti okrog 30 % več energije, kot je kasneje iz akumulatorja lahko »izvlečemo«. Pri ponovni pretvorbi energije iz shranjene v takšno, ki jo bomo lahko uporabili, lahko običajno računamo z največ 70 % celotne kapacitete baterije, saj je ne smemo preveč izprazniti, pozimi pa je še poseben problem mraz, ki nam lahko »vzame« tudi do 50% kapacitete akumulatorja!

Četrti problem je uhajanje shranjene energije. Vsaka baterija in akumulator ima neko samopraznjenje, nekateri večje, drugi manjše. Pri svinčenih akumulatorjih je stopnja samopraznjenja od 5 do 20 % mesečno, odvisno od vrste in proizvajalca. Če akumulatorja ne polnimo redno v režimu vzdrževalnega polnjenja, se nam v nekaj mesecih lahko izprazni toliko, da pride do trajne okvare.

Peti problem je ponovna pretvorba shranjene energije v obliko, ki je primerna za uporabo v določene namene, seveda spet z določenimi izgubami, vendar pa te na srečo pri današnjih elektronskih vezjih običajno ne dosegajo niti 10%.

Moč neke fotovoltaične »elektrarne« izražamo v obliki njene vršne moči, v kWp (kilowatt peak). Kaj kWp dejansko pomeni? To pomeni električno moč, ki bi jo lahko dobili pri nastavljenih standardnih testnih pogojih, pri sončnem sevanju 1000 Wattov na kvadratni meter. Vršno moč večina proizvajalcev navaja tudi kot “nazivno moč”, vendar je treba povedati, da maksimalna moč ni enaka moči pri izbranih standardnih pogojih sevanja. V praksi bo približno 15-20% nižja zaradi povečanega segrevanja sončnih celic.

Zaključek

Veliko ovir je pri pridobivanju, transportu, skladiščenju in pretvarjanju električne energije s fotovoltaičnimi celicami in vsaka ovira pomeni določene izgube. Vse te izgube poskušamo čim bolj zmanjšati, da nam na koncu od vse »ujete« električne energije ostane čim več tiste, ki jo bomo lahko uporabili, ko bomo to želeli. Kjerkoli v sistemu je prostor za inovacije in vsak odstotek pri boljšem izkoristku gre nam v prid! Nekatere možnosti izboljšav v posameznih stopnjah bomo (vsaj delno) preizkusili tudi mi, kar si boste lahko prebrali v naslednjem članku.
https:svet-el.si

Tags: