V referatu so predstavljene tehnologije, ki se uporabljajo pri proizvodnji električne energije s pomočjo sončnega sevanja ter postopek izgradnje sončne elektrarne.
Potrebe po energiji naraščajo iz dneva v dan, zaloge fosilnih goriv so iz dneva v dan manjše in onesnaževanje večje. Edina rešitev za pokrivanje rastočih energetskih potreb je izkoriščanje energije iz naravnih in trajnih pritokov - obnovljivih virov energije. To so voda, veter in sončno sevanje.
Sončna energija je v Sloveniji slabo izkoriščen vir energije, saj od tehničnega potenciala letno izkoristimo le 3%. Obstoječe tehnologije nam omogočajo specifično letno proizvodnjo od 960 kWh do 1060 kWh električne energije za vsak inštaliran kilovat sončne elektrarne. Preden pa se odločimo investirati v sončno elektrarno, moramo poznati njene sestavne dele ter kriterije za doseganje optimalnega energijskega donosa.
Veličina, ki določa količino proizvedene energije v sončni elektrarni, je sončno obsevanje na površino fotonapetostnega (PV) modula. V Sloveniji se vrednosti letnega sončnega obsevanja na ravno površino gibljejo med 1000 kWh/m2 in 1200 kWh/m2. Okrog 70% te energije prispevajo poletni meseci, kar je potrebno upoštevati pri azimutni orientaciji in naklonskem kotu modulov. Za proizvodnjo elektrike s pomočjo sončnega sevanja v Sloveniji velja: južna azimutna orientacija ter naklon modulov 30° zagotavlja največjo proizvodnjo energije. V primeru odklona modula od južne lege za ±30° ter naklona med 15° in 45° se proizvodnja zmanjša za 3% do 4%. Pri izbiri lokacije PV generatorja je potrebno zagotoviti čim manjše senčenje modulov s strani obstoječih okoliških stavb, vegetacije in podobno. Razlog za to je v zaporedni vezavi elementov PV generatorja. O tem nekoliko podrobneje v četrtem poglavju.
Fotonapetostne sisteme običajno pritrjujemo na strehe obstoječih objektov. Nosilna konstrukcija mora biti odporna na vse učinke sil, ki se pojavljajo na strehi in ne sme obremenjevati obstoječe strešne kritine. Poleg statičnih sil, kot so teža modulov in dodatne obremenitve zaradi snega, moramo pri načrtovanju upoštevati tudi dinamične sile vetra. Le te so bolj kritične v primeru sledilnega sistema, ki je bolj izpostavljen vetru kot statični sistem na strehi. V primeru šibke obstoječe konstrukcije je smiselno pridobiti statično presojo.
Pri montaži na streho uporabljamo posebne profile iz aluminija ali nerjavečega jekla na katere pritrdimo module. Za strehe z naklonom in klasično kritino uporabimo posebne strešne kljuke, ki se pritrdijo na nosilno konstrukcijo strehe. Na trgu je mogoče kupiti že izdelane pritrdilne sisteme za različne strešne kritine. Nemalokrat pa je potrebno izdelati posebno nosilno konstrukcijo, ki jo prilagodimo obstoječi nosilni konstrukciji in strešni kritini.
Konstrukcijo sledilnega sistema običajno namestimo na tla in jo pritrdimo na betonsko ploščo primernih dimenzij.
A. Tehnični povzetek
Eden glavnih in najdražjih sestavnih delov sončne elektrarne so PV moduli, kateri s pomočjo fotoefekta pretvarjajo sončno energijo v električno. V splošnem je fotoefekt tristopenjski proces pri katerem svetloba generira pozitivno in negativno nabite delce v pn spoju Silicijeve celice. Vgrajeno električno polje loči delce, kar vodi do pojava enosmerne napetosti med obema spojema in v primeru priključenega bremena steče enosmerni električni tok.
Glede na orientiranost molekul Silicija ločimo monokristalne (mono-Si), polikristalne (poli-Si) in amorfne (a-Si) celice. Monokristalni moduli, s pravilno orientiranimi kristali Silicija, dosežejo okrog 15% izkoristke, polikristalni moduli, kjer so le posamezne domene kristalov pravilno orientirane, pa okrog 13%. Amorfne celice imajo najslabši izkoristek, ki navadno ne preseže 8%. Celice izdelane po tehnologiji HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) dosegajo izkoristke okrog 17%, kar je največ med moduli na trgu.
Med pomembnejšimi električnimi karakteristikami celic je potrebno omeniti linearno odvisnost izhodnega toka od osvetlitve, nelinearno odvisnost napetosti od osvetlitve ter negativni temperaturni koeficient modulov. Zaradi nizke izhodne napetosti vežemo posamezne celice zaporedno in tako dobimo fotonapetostne module. PV module povezujemo zaporedno v nize ter tako dosežemo dovolj visoko napetost za priključitev na omrežni razsmernik.
Kot smo že omenili je zelo pomembno izogibati se senčenju PV generatorja. Razlog za to je ravno v zaporedni vezavi elementov PV generatorja. V primeru delnega senčenja le ene sončne celice oziroma modula se močno zmanjša električni tok v celotni veji, kar vodi k zmanjšanju količine proizvedene energije. Prav tako se na osenčeni celici pojavi zaporna napetost, ki dodatno segreva celico kar lahko povzroči trajne poškodbe.
B. Izbiranje komponent
Glavni kriterij pri izbiri PV modulov je cena, saj med 70% in 75% investicije predstavlja prav PV generator. Trenutno se cene gibljejo 3,5 €/W za a-Si module, 3,7 €/W za poli-Si ter 3,9 €/W za mono-Si module. Cena PV modulov izdelanih po HIT tehnologiji je okrog 4,3 €/W.
V kolikor želimo čimbolj izkoristiti površino, ki jo imamo na razpolago, izberemo module s čim višjim izkoristkom (mono-Si, HIT). Če pa imamo na razpolago dovolj površine pa izberemo module z nižjimi izkoristki (poli-Si, a-Si).
Pričakovana življenjska doba PV modulov je 30 let, zato moramo pri izbiri modulov preveriti:
Pri PV modulih nepreverjenih znamk se lahko zgodi da izdelek ni skladen s standardi navedenimi v dokumentaciji. Pri projektiranju moramo električne parametre PV generatorja uskladiti z omrežnim razsmernikom. Ker je ta skladnost zelo pomembna za dolgoročno optimalno in varno delovanje elektrarne je smiselno to prepustiti usposobljenim strokovnjakom.
Namestitev modulov na nosilno konstrukcijo se lahko izvede s pomočjo posebnih »U« čeljusti ali pa s pomočjo običajno že izvedenih izvrtin v okvirju PV modula. Ne glede na način pritrditve je potrebno zagotoviti mehansko stabilnost modulov in konstrukcije.
A. Tehnični povzetek
Sončne celice so vir enosmerne (DC) električne moči, v običajnem električnem omrežju pa se energija pretaka v obliki izmenične (AC) moči. Tako za priključitev PV modula na omrežje potrebujemo pretvornik iz DC v AC obliko električne moči, to je razsmernik.
Delovanje razsmernika temelji na periodičnem preklapljanju elektronskih stikal (tiristor, MOSFET, IGBT) med pozitivnim in negativnim polom enosmernega vhoda. Preklapljanje stikal je omrežno proženo v primeru tiristorjev, vendar se dandanes zaradi vedno zmogljivejših tranzistorjev uporablja pulzno širinsko modulacijo (PWM). Ta omogoča nižje harmonsko popačenje ter posledično višje izkoristke, ki se gibljejo med 93% in 98%. Trenutno na trgu prevladujeta dva tipa omrežnih razsmernikov: razsmernik s samostojnimi preklopi in omrežnim transformatorjem ter razsmernik s samostojnimi preklopi brez transformatorja. Slednji imajo višje izkoristke ter nižjo ceno. Prav tako so lažji od razsmernikov s transformatorjem, kateri pa omogočajo galvansko ločitev PV generatorja od omrežja. To pa je pomembno pri uporabi tankoslojnih (a-Si) PV modulov.
B. Izbiranje komponent
Pri izbiri omrežnih razsmernikov sta glavna kriterija cena in izkoristek. Najnižje cene in najvišje izkoristke dosegajo razsmerniki brez omrežnega transformatorja. Za medsebojno primerjavo razsmernikov pa ni dovolj samo podatek o maksimalnem izkoristku, saj je ta odvisen od vhodne moči. V namen primerjave se uporablja t.i. Evro uteženi izkoristek, ki je sestavljen iz vsote uteženih izkoristkov pri različnih vhodnih močeh. Trenutne cene razsmernikov se gibljejo okrog 650 €/kW za manjše enote do 5 kW, ter okrog 350 €/kW za večje enote do 8 kW.
Kot smo že omenili v drugem poglavju, je potrebno električne parametre razsmernika uskladiti s PV generatorjem. Predvsem je potrebno preveriti območje vhodne napetosti razsmernika ter napetost PV generatorja pri različnih temperaturah.
Razsmernike je priporočljivo namestiti v dobro prezračevane prostore, s čimer preprečimo prekomerno pregrevanje razsmernika ter mu posledično podaljšamo življenjsko dobo. Ta se giblje med 10 in 15 leti.
Nadzor nad delovanjem sistema je bistvenega pomena za optimalne energijske donose, varnost fotonapetostnega sistema in zagotavljanje dolge življenjske dobe vseh komponent sončne elektrarne. Večina razsmernikov na trgu omogoča priklop dodatnih komunikacijskih vmesnikov ter prenos podatkov o delovanju razsmernika na osebni računalnik. Redno pregledovanje podatkov nam pomaga pri zgodnjem odkrivanju napak.
V fazi določanja osnovnih karakteristik sončne elektrarne je smiselno zaprositi za soglasje za priključitev elektrarne na omrežje. Vloga za izdajo soglasja se običajno nahaja na internetni strani upravljalca distribucijskega omrežja (UDO).
V soglasju za priključitev so navedeni tehnični pogoji za opremo priključno-merilnega mesta elektrarne. Med najpomembnejšimi so: tip števca električne energije, tip zaščite in odklopnika ločilnega mesta ter točka priključitve na omrežje.
A. Gradbeno dovoljenje
Postavitev sončne elektrarne spada glede na [4], med dela za lastne potrebe, za kar ni potrebno pridobiti gradbenega dovoljenja.
B. Soglasje za priključitev
Kot je že omenjeno v četrtem poglavju, je smiselno na začetku projekta pridobiti soglasje za priključitev. Elektro omarica mora biti opremljena skladno z zahtevami iz soglasja. Upravljalec distribucijskega omrežja nam izvede umerjanje zaščite ločilnega mesta ter eventuelno parametriranje števca električne energije.
C. Tehnični pregled
Po uspešnem zaključku postavitve sončne elektrarne ter pripadajočega priključno merilnega mesta se z elektroenergetskim inšpektorjem dogovorimo za tehnični pregled objekta. Najpomembnejši dokumenti, ki jih moramo predložiti so: poročilo o meritvah inštalacije (izolacijska upornost inštalacije, neprekinjenost ozemljitvenega vodnika in strelovoda, upornosti okvarnih zank), poročilo o preizkusu zaščite ločilnega mesta, projekt izvedenih del z izjavami odgovornega projektanta in vodje del. V primeru nepravilnosti nam inšpektor odredi ukrepe in določi rok za odpravo nepravilnosti. Po ureditvi vseh nepravilnosti ter končnega tehničnega pregleda prejmemo inšpekcijski zapisnik.
D. Pogodba o priključitvi
Z upravljavcem distribucijskega omrežja sklenemo pogodbo o priključitvi. Po podpisu le-te zaprosimo UDO za priklop elektrarne na omrežje. Sestavni del prošnje za priklop so tudi podatki o investitorju, podrobni tehnični podatki vgrajene opreme, seznam odgovornih oseb, pravice in dolžnosti obeh partnerjev ter obratovalna navodila. Ko uredimo tudi ta del administrativnega postopka, smo uradno priključeni na omrežje.
E. Status kvalificiranega proizvajalca
Odločba o statusu kvalificiranega proizvajalca zagotavlja odkup proizvedene električne energije po veljavnem tarifnem pravilniku. Zahteve za pridobitev statusa kvalificiranega proizvajalca so opisane v [3]. Uredbo in njene priloge si lahko ogledamo na strani http://www.uradni-list.si. Status se podeljuje za eno leto z možnostjo podaljševanja. Kvalificirani proizvajalci morajo vsako leto obratovanja za potrebe registra dostaviti podatke o proizvedeni količini električne energije.
F. Prodaja električne energije
Za prodajo električne energije je potrebno z UDO skleniti pogodbo o prodaji in nakupu električne energije ter pogodbo o dostopu do omrežja. Za izstavljanje računov za proizvedeno električno energijo je potrebno urediti status podjetnika ali status fizične osebe, ki opravlja dejavnost.
[1] več avtorjev, “SOLTRAIN Izkoriščanje sončne energije za proizvodnjo električne energije s pomočjo fotonapetostnih sistemov, slovenski priročnik,“ Ljubljana, december 2004.
[2] SMA Technologie AG, “Sunny Family 2006/2007“, katalog izdelkov SMA.
[3] Uradni list RS 71/2007, “Uredba o pogojih za pridobitev statusa kvalificiranega proizvajalca električne energije“, Ljubljana, julij 2007.
[4] Uradni list RS 114/2003, “Pravilnik o vrstah zahtevnih, manj zahtevnih in enostavnih objektov, o pogojih za gradnjo enostavnih objektov brez gradbenega dovoljenja in o vrstah del, ki so v zvezi z objekti in pripadajočimi zemljišči“, Ljubljana, oktober 2003.
Miha Flegar
Gorenjske elektrarne d.o.o.
Stara cesta 3, 4000 Kranj
E-pošta: miha.flegar@gorenjske-elektrarne.si
Tel.: (04) 2083 539
Gašper Škarja
Kon Tiki Solar d.o.o.
Ljubljanska 21k, 1241 Kamnik
E-pošta: gasper.skarja@kontiki-solar.si
Tel.: (01) 4742 460