Paper Title (use style: paper title)

Транскрипт

1 Избор најповољније фотонапонске технологије за производњу електричне енергије на локацији града Бара Никола Живаљевић Факултет техничких наука, Чачак, Техника и информатка, 2014/2015 проф. др Снежана Драгићевић Апстракт Полазећи од чињенице да је елеткрична енергија незаменљив вид енергије савременог друштва, а да се за њено добијање најчешће користе фосилна горива, која су штетна по животну средину, у овом раду ћемо се бавити производњом електричне енергије коришћењем обновљивих извора енергије. Добијање електричне енергије ће се вршити директним претварањем енергије Сунца у оквиру активног мрежног фотонапонског система. Постављање система се планира на локацији општине Бар, за подмиривање потреба викендице. Уз помоћ софтвера PVGIS биће претпостављена количина Сунчевог зрачења за изабрану локацију и оптимални угао постављања панела. На основу ових и других улазних параметара, биће урађен прорачун фотонапонског система. Вршиће се испитивање система заснованих на технологији кристалног силицијума, технологији бакар-индијум-диселенида и технологији кадмијум-телурида. Након испитивања, добијени резултати за све три технологије ће бити приказани табелама и графиконима. На основу анализе добијених резултата, биће изабрана најповољнија фотонапонска технологија, на основу које ће бити урађен модел система са техничким спецификацијама и економском анализом модела. Кључне речи фотонапонске технологије; мрежни активни систем; PVGIS софтвер; 1. УВОД Општи део увода се тиче дефинисања тренутне ситуације глобалне енергетике. Од свих видова енергије на нашој планети, електрична енергија има најширу примену. Овакав вид енергије је једноставно превести у друге видове као што је топлотна, механичка, светлосна итд. тако да је потреба за електричном енергијом огромна. Довољно је напоменути да се од збира свих извора енергената, 40% користи за производњу електричне енергије. До сада су се за производњу електричне енергије, претежно користила фосилна горива, међутим, фосилна горива представљају необновљиве изворе енергије чији ће ресурси евидентно нестати до краја овог века. Поред тога, овакав начин добијања електричне енергије, носи са собом последице по читаво друштво и глобални опстанак цивилизације. Да би се ово спречило, подстиче се развој обновљивих извора енергије који се не могу потрошити а не загађују животну средину. Највећи део овакве енергије настаје директним или посредним деловањем енергије Сунца. Наћи ефикасан начин на који се Сунчева енергија може претварати у друге облике и користити би морао да буде један од најважнијих задатака како би се подстакао развој обновљивих извора енергије и тиме сачувала животна средина. 2. СОЛАРНА ЕНЕРГИЈА У даљем тексту ћемо се бавити енергијом Сунца као највећом количином енергије која нам је доступна у природи која се може представити топлотним флуксом. Топлотни флукс је изражен у ватима по метру квадратном (W/m 2 ). Средњи топлотни флукс Сунчевог зрачења на површини Земљине атмосфере, одређен је соларном константом (I s ) и износи I s = 1367 W/m 2. [1]. Затим ће бити дефинисан појам Инсолације као количине Сунчевог зрачења на одређеној локацији која представља улазни параметар сваког пројектовања система и полазну тачку за рачунање ефикасности и исплативости система. Први пут ће бити уведен појам PVGIS (eng. Photovoltaic Geographical Information System), фотонапонски, географски, информациони систем. PVGIS представља софтвер на основу кога се може предпоставити количина Сунчевог зрачења за изабрану локацију. Сунчева енергија се директно може искористити за загревање воде и производњу електричне енергије. Овде ће бити вршено претварање Сунчеве енергије у електричну, прецизније описано у поглављу које следи. 3. ПРЕТВАРАЊЕ СОЛАРНЕ ЕНРГИЈЕ У ЕЛЕКТРИЧНУ Уређаји који врше директно претварање соларне енергије у електричну су: фотонапонске ћелије. ФН ћелије раде на принципу фотонапонског ефекта који представља феномен појаве напона у материјалу под дејством светлости или неког другог електромагнетног зрачења. На примеру силицијумског P N споја, ће бити објашњен принцип рада једне опште ФН ћелије. Затим ће бити извршена подела ФН ћелија по генерацијама, како би се извршила ретроспектива различитих технологија израде.

2 Након тога, ФН ћелије ће бити подељене према материјалу од којег су израђене као и према технологији израде. Комбиновањем различитих материјала и технологија израде, добијаја се мноштво ћелија на тржишту које имају одговарајуће карактеристике. Једна од најважнијих карактеристика је енергетска ефикасност ћелија. У оквиру табела (као што је табела 3.1), биће дат опис најчешће коришћених ћелија са карактеристикама материјала и израде и биће дефинисана њихова енергетска ефикасност. Табела 3-1 Просечне вредности ефикасности ФН ћелија према Лукићу и Бабићу [1] Материјал Ефикасност у лабораторијским Ефикасност у експлоатацији условима(%) (%) Монокристални Si Поликристални Si Аморфни Si Кадмијум-телурид CdTe (CiS)CulnSe Одабир добре ћелије представља један од најважнијих задатака приликом израде оваквог пројекта, јер је ФН ћелија основни градивни елемент соларног панела, па самим тим кључни уређај система. 4. ФОТОНАПОНСКИ СИСТЕМИ У оквиру поглавља: Фотонапонски системи, биће дефинисан појам систем, и дата основна подела система, са посебним освртом на мрежне активне системе који ће бити предмет истраживачког дела рада. Кључна компонента сваког ФН система је ФН панел (соларни панел). У оквиру ФН панела се налазе ФН модули а у оквиру ФН модула се налазе ФН ћелије. Сврха сваког ФН панела је да од Сунчеве енергије која га обасјава, производи ел. енергију на излазу. У зависности од количине напона и струје која се жели добити, постоје различити начини повезивања ћелија у оквиру модула / панела. Паралелно везане ћелије повећавају напон а редно везане струју. Ћелије се најчешће повезују паралелно до одговарајућег жељеног напона и онда се здружују у модуле. Након тога се ти модули истог напона везују редно да би се повећала струја а одржао исти напон на излазу. Основна подела свих система ће бити извршена на самосталне и мрежне. Даља подела ће бити дата и објашњена у раду.посебно ће се усмерити пажња на мрежни активни систем прикључен на мрежу преко кућне инсталације, који има могућност дељења ресурса са мрежом. Овакав систем омогућује не само снабдевање са мреже (када није у стању да произведе довољну количину енергије), већ и дистрибуирање вишкова енергије систему када их има. Овакав систем нуди многобројне предности у еколошком и економском смислу. Поред могућности да се произведе еколошки чиста енергија, доприноси се растерећењу мреже, нема потребе за локалним складиштењем енергије, смањују се губици и отвара могућност остваривања профита од продаје вишка енергије. Надаље ће бити дате основне компоненте овог система а кључне ће бити детаљно обрађене. То су панел, инвертор и бројила преузете и предате енергије. 5. МОДЕЛ АКТИВНОГ МРЕЖНОГ СИСТЕМА У PVGIS СОФТВЕРУ Ово поглавље представља истраживачки део рада. На основу наведених теоријских основа, планира се израда модела ФН система повезаног на мрежу преко кућне инсталације. Најпре се дефинише објекат и локација на којој ће систем бити изведен. У нашем случају, то је викендица, која се налази на територији општине Бар. За дати објекат се дају опште информације у оквиру табеле о квадратури објекта, типу коришћења, години изградње итд. Ово је полазна основа за израду система. На почетку је потребно извршити процену потрошње електричне енергије објекта (табела 5.1), на основу које ће се вршити одређивање снаге система. Систем би требало да тежи да задовољи потребе потрошње у сваком тренутку како не би морао да се напаја из мреже. Табела 5-1 Процена потрошње електричне енергијеобјекта потрошач снага [VA] комада време рада [h] утрошена енергија [Wh] утрошена енергија [kwh] Бојлер Фрижидер Сијалица Лаптоп Пегла Укупна дневна Укупна годишња

3 Други улазни податак се тиче просечне годишње, месечне и дневне количине Сунчевог зрачења за дату локацију.овај податак ће се рачунати преко софтвера PVGIS, а релевантност тих података и принципи на којима се врше мерења ће бити детаљно обрађени. У оквиру своје базе података, PVGIS софтвер има информације о количини Сунчевог зрачења, прикупљене на основу комбинације рачунања сателита и земаљскких станица. Ово доприноси прилично тачним вредностима малих одступања која се могу узети као добра основа за даљи прорачун система. Према потребама система одређеним у оквиру процене потрошње објекта и потенцијала Сунчеве енергије одређеног путем PVGIS софтвера, вршиће се прорачун фотонапонског система. На основу прорачуна се добија процена максималне снаге фотонапонског система. Прорачуни енергије Сунчевог зрачења за локацију, одређивање угла постављања панела, теоријске основе програма и остали подаци биће преузети из апликације (калкулатора) PVGIS и са интернет странице на којој се налази овај бесплатни софтвер. [3] Ирадијација или зрачење Сунца представљена је као просечна дневна вредност зрачења на хоризонталној површини H h и изражава се у Wh/m 2. Инклинација је угао између орбиталне и екваторијалне равни, креће се у распону од 0 до 90 о. У пракси то је угао који фотонапонски панел заклапа са хоризонталном површином. PVGIS софтвер је прорачунао да је оптимални угао инклинације за наведену локацију: 34 о. То значи да ће панел постављен под углом од 34 о у односу на екваторијалну раван, бити изложен највећој количини Сунчевог зрачења у просеку. За овај угао постављања панела просечно дневно зрачење ће бити представљено као H opt, такође изражено у Wh/m 2. Дневна просечна ирадијација за оптимални угао инклинације износи 5030 Wh/m 2. Након тога су усвојени улазни параметри система по којима је урађен прорачун на основу кога је утврђена максимална снага коју систем треба да произведе, димензионисана је на 2kW p. Вршено је истраживање ефикасности система у зависности од три различите фотонапонске технологије. Испитивани су системи засновани на технологији кристалног силицијума, технологији бакар-индијум-диселенида и технологији кадмијум-телурида. У овом раду датe су теоријске основе за три типа ћелија према којима ће бити рађен прорачун да би се одредило који од њих представља најбоље решење у датим условима. Добијене вредности ће прво бити представљене табелама и графиконима а затим ће се извршити упоредни приказ како би се одредила најбоља фотонапонска технологија. Величине које ће се представљати тичу се процене губитака, количине осунчаности и производње електричне енергије. Процењени губици настају као: Процењени губици услед промене температуре и пада нивоа зрачења [%] Процењени губици услед угла рефлексије [%] Остали губици (кабл, инверетор) [%] Укупни губици фотонапонског система [%] Величине које ће бити представљене у табелама у раду су: Е d - просечна дневна производња електричне енергије из датог система [kwh] E m - просечна месечна производња електричне енергије из датог система [kwh] H d - просечна дневна вредност сунчевог зрачења коју прими фотонапонски панел [kwh/m 2 ] H m - просечна месечна вредност сунчевог зрачења коју прими фотонапонски панел [kwh/m 2 ] Фиксни параметри за сва три истраживања су приказани у табели 5.2 Локација Коришћена база Табела 5-2 Усвојени параметри система 42 7'5"N, 19 4'49"E PVGIS-CMSAF Максимална снага Угао инклинације Угао азимута 2kW 34 о -30 о Резултати прорачуна за систем са панелима од кристалног силицијума Процењени губици за систем са панелима од кристалног силицијума: Процењени губици услед промене температуре и пада нивоа зрачења: 14.9 [%] Процењени губици услед угла рефлексије 2.6 [%] Остали губици(кабл, инверетор) 25 [%] Укупни губици фотонапонског система 37.9 [%] Процењена укупна годишња производња електричне енергије за систем са панелима од кристалног силицијума износи 2200 kwh.

4 Резултати прорачуна за систем са панелима од бакар-индијум-диселенида Процењени губици за систем са панелима од бакар-индијум-диселенида: Процењени губици услед промене температуре и пада нивоа зрачења: 12.4 [%] Процењени губици услед угла рефлексије 2.6 [%] Остали губици(кабл, инверетор) 25 [%] Укупни губици фотонапонског система 36 [%] Процењена укупна годишња производња електричне енергије за систем са панелима од кристалног силицијума износи 2270 kwh. Резултати прорачуна за систем са панелима од кадмијум-телурида Процењени губици за систем са панелима од кадмијум-телурида: Процењени губици услед промене температуре и пада нивоа зрачења: 4.4 [%] Процењени губици услед угла рефлексије 2.6 [%] Остали губици(кабл, инверетор) 25 [%] Укупни губици фотонапонског система 30.2 [%] Процењена укупна годишња производња електричне енергије за систем са панелима од кристалног силицијума износи 2480 kwh. Анализа резултата истраживања На основу добијених резултата, може се извршити анализа губитака код све три врсте технологија. Ове три технологије израде укључују различите материјале који се понашају другачије при промени температуре. Као што је већ напомињано, висока температура негативно утиче на производњу електричне енергије у самим ћелијама, као и на пренос енергије. Такође, одређени типови фотонапонских ћелија имају мање губитке током часова када је озраченост мала. Ипак, поједини фактори губитака не зависе од технологије израде панела. Укупни губици фотонапонског система од кристалног силицијума су: 37.9 % Укупни губици фотонапонског система од кристалног силицијума су: 36 % Укупни губици фотонапонског система од кристалног силицијума су: 30.2 % Слика 5.1 Упоредна месечна производња електричне енергије за све три технологије [kwh]

5 Анализом добијених резултата истраживања, дошло се до закључка да кадмијум-телурид технологија поседује најмање губитке који се огледају у доброј могућности савладавања температурних промена и пада нивоа зрачења. Панели од кадмијум-телурида су у стању да произведу највише електричне енергије у просеку, годишње за 280 [kwh] више од панела израђених од кристалног силицијума и 210 [kwh] више од панела израђених од бакар-индијум-диселенида. У процентима, панели од кадмијум телурида производе око 11.3% електричне енергије више од панела израђених кристалним силицијумом и око 8.1% више од панела израђених бакар-иднијум-диселенидом. Међутим, тренутна цена панела заснованих на кадмијум-телуриду је висока. Разлог томе је још увек недовољна омасовљеност на тржишту и тренутна доминација силицијумских панела, иако се процењује да ће кадмијумтелурид ћелије бити веома заступљене у будућности. Такође, ови панели су једва доступни на нашем тржишту а транспорт може представљати додатни издатак. Према подацима на сајтовима 1 који се баве продајом соларних панела, дошло се до закључка да је за панел произведен од кадмијум-телурида од 77W, потребно издвојити око динара, што би значило да би за подмиривање овог система било потребно динара (26 панела). За панеле израђене од кристалног силицијума (поликристалне структуре) је потребно негде око динара. Економска анализа На постојећи објекат који је прикључен на електродисрибутивну мрежу, планира се уградња фотонапонског система. Овај систем према прорачуну потрошње треба да задовољи дневне потребе производње електричне енергије у износу од 2kWh. Реч је о мрежном активном систему, прикљученом на мрежу преко кућне инсталације. Активни систем значи да има могућност размене електричне енергије са мрежом. Уколико систем не може да обезбеди довољну количину електричне енергије у датом тренутку, он ће се додатно напајати са мреже. Уколико производи више енергије него што је потребно, та енергија ће бити преусмерена ка мрежи. Овакав систем ће садржати: 1. фотонапонске панеле са носећом конструкцијом 2. Инвертор 3. Електрични разводни ормар са осигурачима 4. Поторшаче 5. Мерач произведене и потрошене енергије Табела 5-3 Компоненте планираног фотонапонског система са ценама у динарима Компонента Модел Број Укупна цена Панел STC 250W P Инвертор Sunny boy 3000-TL Разводни ормар са Скуп више електричних осигурачима компоненти Додатна опрема Скуп више компоненти Укупно Дневни максимум који систем може да произведе у задатим условима је у просеку 6.03 kwh електричне енергије. Најмања производња се очекује у зимском периоду али ни тада она не прелази 2 kwh у просеку. Пошто се ради о викендици на мору, у зимском периоду се објекат неће ни користити. Највише ће се користити током летњих месеци, када је овај просек произведене енергије већи од 8 kwh. Сва енергија која се не буде искористила у домаћинству, биће дистрибуирана електроенергетској мрежи по одговарајућој цени киловат-часа. Ноћу, када систем не производи електричну енергију и у моментима када је јаче оптерећен потрошачима, систем ће се снабдевати из електродистрибутивне мреже. У просеку, систем може произвести 6.03 kwh дневно, што значи 2200 kwh годишње. Узимајући дате податке у обзир, процењено је да је период отплате је мањи од 10 година. Након тога, систем ће уз снабдевање сопствених потреба остваривати додатни профит од продаје вишка електричне енергије. 1 За потребе истраживања, консултовани су сајтови:

6 6. ЗАКЉУЧАК У овом раду је креиран модел активног мрежног фотонапонског система уз помоћ програма PVGIS. Најпре је извршена процена количине Сунчевог зрачења на локацији града Бара. Предложен је угао инклинације од 34 о, по коме је претпостављена просечна дневна иридација од 5060 W/m 2. Након тога су усвојени улазни параметри система по којима је урађен прорачун на основу кога је утврђена максимална снага коју систем треба да произведе, димензионисана је на 2kW p. Вршено је истраживање ефикасности система у зависности од три различите фотонапонске технологије. Испитивани су системи засновани на технологији кристалног силицијума, технологији бакар-индијум-диселенида и технологији кадмијум-телурида. Након испитивања, добијени резултати за све три технологије су приказани табелама и графиконима. На основу анализе добијених резултата, дошло се до закључка да је за дату локацију на територији општине Бар, најповољније решење одабир технологије засноване на кристалном силицијуму. Укупна годишња производња електричне енергије система са панелима од кристалног силицијума је процењена на 2200 kwh. Укупни трошкови система су процењени на динара а период отплате је мањи од 10 година. Повећањем броја панела, период отплате се смањује, што би могло да буде предмет будућих истраживања. 7. ЛИТЕРАТУРА [1] Лукић Н., Бабић М., Соларна енергија : монографија, Крагујевац : Машински факултет, [2] Мајданџић Љ., Соларни сустави, Свеучилиште Јосипа Стросмајера у Осијеку, [3] Онлајн бесплатни софтвер за прорачун фотонапонских система PVGIS, доступан на: [4] Интернет страница за продају соларних панела, доступно на: [5] McEvoy A., Markvart T., Castañer L., Solar Cells: Materials, Manufacture and Operation (str ), Second Edition, Elsevier, напомена: Попис целокупне литературе је дат у раду, а овде је наведена само литература коришћена у овом документу.