Fotovoltaika (splošno, fotovoltaika, zgodovina razvoja, tipi modulov)

Splošno

Sonca si nihče ne lasti, njegova energija je brezplačna. Je trajen in čist vir energije. Od nas je odvisno, ali bomo njegovo moč izkoristili.

Energija sonca je brezplačna energija, ki se lahko uporablja na tri glavne načine:

• Pasivna toplota (to je toplota, ki jo prejemamo od sonca naravno. To je mogoče upoštevati pri načrtovanju stavb tako, da je potrebno manj dodatnega ogrevanja).
• Sončna toplota (za zagotavljanje tople vode – ogrevalni sistemi)
• Fotonapetostna energija (PV) (uporaba energije iz sonca za ustvarjanje električne energije. Za proizvajanje električne energije je dovolj tudi samo dnevna (difuzna) svetloba in ne samo direktno sončno sevanje).

Na zemljo pade letno osem tisočkratna količina svetovnih potreb po primarni energiji, kar pomeni, da zemlja v manj kot eni uri pridobi dovolj energije, da zadovolji vse energijske potrebe človeštva za obdobje enega leta.

Fotovoltaika

Fotovoltaika je beseda, ki je nastala z združitvijo dveh besed: »foto«, kar v grškem jeziku pomeni svetlobo in »voltaika« od »volt«, ki je enota za merjenje električne napetosti. Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo energije svetlobe v električno energijo.

Fotovoltaični sistem uporablja celice za pretvorbo sončnega sevanja v električno energijo. Celica je sestavljena iz ene ali dveh plasti polprevodnega materiala. Ko svetloba sije na celico, ustvarja električno polje v plasti, ki povzroča električni tok. Večja kot je intenzivnost svetlobe, večji je pretok električne energije. Fotovoltaični sistem pa ne potrebuje samo močne sončne svetlobe, da bi deloval. Deluje in proizvaja električno energijo tudi v oblačnih dneh.

Najpogostejši polprevodni material, ki se uporablja za fotovoltaične celice je silicij, ki ga pogosto najdemo v pesku. Silicij kot surovina je drugi najpogostejši material v masi Zemlje.

Investicija v fotonapetostno elektrarno je finančno donosna naložba. Električno energijo lahko prodajate v distribucijsko omrežje po subvencioniranih cenah. Pri fotonapetostnih elektrarnah, ki so sestavni del stavbe (streha, fasada, okna, …) in za katere je že skupaj s stavbo izdano gradbeno dovoljenje, pa je odkupna cena višja za 15 %. Odkup električne energije po subvencionirani ceni država jamči za 15 let.

Zgodovina

Fotovoltaika je eno od bolj perspektivnih področij izrabe obnovljivih virov energije, ki je šele na začetku svoje poti, kljub temu, da njeni začetki izhajajo že iz leta 1839.

Na začetku poti smo tako glede sedanje stopnje izkoristkov sončnih celic kot osnovnega elementa fotovoltaike, ki se pri celicah, ki se sedaj prodajajo na trgu, giblje med 15 in 18% (zadnji laboratorijski dosežki so že čez 41%), kot tudi v smislu deleža, ki ga sončne elektrarne prispevajo pri zagotavljanju energije v razvitih deželah. Ti deleži se sedaj nahajajo pod 1% in bi naj strmo naraščali, po letu 2050 pa bi naj prevzeli znaten delež oskrbe z energijo (do 1/5).

Fotovoltaika ima kratko zgodovino, ki pa je primerljiva z motorji na notranje izgorevanje, ki so bili v uporabi in izboljševanju neprekinjeno in če bi razvoj fotovoltaike potekal podobno, bi verjetno danes bila konkurenčnost pridobivanja električnega toka neposredno iz sonca dosežena že zdavnaj.

Ključni mejniki:

• 1839 – Henri Becquerel – prva opazovanja fotovoltaičnega pojava (v tekočinah)
• 1870 – odkritje fotovoltaičnega pojava v trdnih snoveh
• 1880 – proizvedena fotovoltaična celica iz selena z 1-2% izkoristkom
• fotovoltaični monokristalni preboj »Czochralska metoda«
• 1954 – proizvedena celica z 14% izkoristkom
• 1958 – »komercialno« izkoriščanje fotovoltaičnih celic za satelite
• 1974 – prva amorfna Si celica
• 1980 -1990 – uporaba fotovoltaike predvsem za telekomunikacijske namene
• 1983 – prva sončna sončna elektrarna s kapacitetami preko 1MW
• 1985 – prva Si sončna celica z učinkovitostjo preko 20%
• 1990 – pojav prvih priključitev fotovoltaičnih sistemov na električno omrežje
• 2000 in naprej – novo rojstvo fotovoltaike.

 

Tipi modulov

Vrste sončnih celic

Sončne celice lahko razdelimo glede na:

• kristalno zgradbo, kjer ločimo amorfne, polikristalne in monokristalne sončne celice;
• tehnološke postopke, kjer jih razvrstimo na sončne celice izdelane iz Si rezin in na tankoplastne celice, ki se proizvajajo s pomočjo vakumskih tehnologij

Monokristalne sončne celice imajo urejeno kristalno strukturo. Silicij ima v vsej celici urejeno kristalno mrežo. Monokristalne sončne celice so temno sive ali črne barve.

Polikristalne sončna celice imajo deloma urejeno kristalno strukturo, kar je vidno tudi s prostim očesom, kristalna mreža je urejena znotraj določenega območja. Polikristalne sončne celice so modre barve. Zaradi enostavnejših proizvodnih postopkov je končna cena modulov iz polikristalnih celic nižja kot iz monokristalnih celic

Za razliko od kristalnih sončnih celic, ki imajo urejeno kristalno strukturo, so amorfne silicijeve sončne celice, zgrajene iz silicija in imajo neurejeno strukturo.

Fotonapetostni (FN) moduli

Fotonapetostni modul (FM) je najmanjši element, izdelan za proizvodnjo električne energije, ki je lahko trajno izpostavljen vremenskim pogojem. Fotonapetostni modul je osnovni še zamenljiv element fotonapetostnega sistema. Sestavljen je iz večjega števila med seboj povezanih sončnih celic. FN module lahko ločimo glede na tehnologijo sončnih celic (monokristalne, polikristalne, amorfne module, …). Več sončnih celic medsebojno povežemo in hermetično zapremo v modul. Danes imajo moduli, ki so namenjeni predvsem sončnim elektrarnam, poleg standardnih nazivnih napetosti (12 V, 24 V, 48 V) še različne druge nazivne napetosti.

Celice lahko v modul povežemo zaporedno ali vzporedno, s čimer povečujemo napetost oziroma tok modula. Celice so med seboj vezane tako, da je zgornji kontakt ene celice povezan s spodnjim kontaktom druge celice. Med seboj povezane celice nato laminiramo med vrhnjim steklom in steklom ali plastiko na zadnji strani. Takšen laminat je nato običajno uokvirjen z aluminijem.

Osnovni električni podatki modulov, ki jih navajajo proizvajalci, veljajo oziroma so izmerjeni pri standardnih preskusnih pogojih. Standardni preizkusi pogoji veljajo za vse tipe modulov ne glede na vrsto celic oziroma izvedbo modula. Električni podatki za posamezne module se podajajo pri vrednosti sončnega sevanja 1000 W/m², temperaturi okolice 25 ºC in vrednosti zračne mase AM = 1,5

Fotonapetostni sistemi

FN sistemi so sestavljeni iz večjega števila medsebojno povezanih FN modulov in ustrezne regulacijske opreme. Glavna delitev sistemov je glede na uporabo, to so sistemi za samooskrbo (z avtonomnim obratovanjem) in sistemi za oddajo električne energije v omrežje (omrežni sistemi) (Rotovnik in sod., 2009).

Med osnovnimi vrstami celic imamo različne izkoristke: monokristalne pretvorijo 25% sončne energije v električno, polikristalne do 20%, amorfne pa do 10%.

Običajna monokristalna celica (dimenzije 10×10 cm) tako proizvede 1,5 W moči pri 0,5V enosmerne napetosti in toku 3A pri polni sočni svetlobi (1000W/m2).

Električna napetost je pri sončni celici konstantna (ne glede na sončno obsevanje), električni tok pa je sorazmeren z osvetlitvijo sončne celice.

Kdaj uporabiti mono-kristalne in kdaj poli-kristalne module?

Načelno imajo moduli z monokristalnimi celicami večjo izkoriščenost in so nekoliko dražji, zato bodite pozorni pri izbiri modulov, ker imajo dobri polikristalni moduli lahko večjo izkoriščenost od slabih monokristalnih modulov. Zato je treba za vsakega investitorja posebej izbrati najbolj optimalen sistem.

MATERIAL	DEBELINA	IZKORISTEK	SLABOSTI	PREDNOSTI IN PERSPEKTIVE
Monokristalne Si	0,3 mm	15-18%	Dolgotrajni proizvodni postopki, potrebno žaganje rezin	Najbolj raziskan material. Tudi v prihodnjih letih bo prevladoval na tržišču, posebej tam, kjer je potrebno ugodno razmerje moč/površina