SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

SEMINAR

Proizvodnja fotonaponskih panela

Tomislav Šterc

Voditelj: Nenad Debrecin

Zagreb, travanj 2010.

Sadržaj

Uvod............................................................................................................................ 1

1. Uvodno o tehnologiji.............................................................................................2

2. Način rada fotonaponskih panela.........................................................................4

3. Fotonaponski sustav.............................................................................................6

4. Proizvodnja fotonaponskih panela u svijetu..........................................................8

5. Proizvodnja fotonaponskih panela u Hrvatskoj...................................................10

6. Zaključak............................................................................................................13

7. Literatura............................................................................................................14

8. Sažetak...............................................................................................................15

Uvod

Solarna energija, iako relativno nepoznat pojam široj javnosti, predstavlja

isplativ, a istovremeno ekološki alternativni izvor energije. Energija sunca je čista,

neiscrpna i besplatna. Uporaba solarne energije ima brojne prednosti - sigurnost

opskrbe energijom, smanjenje emisija štetnih tvari u okoliš, smanjenje ovisnosti o

uvoznim energentima i dr. Niski troškovi održavanja, jednostavna ugradnja,

fleksibilna konfiguracija te sposobnost za dugotrajni rad bez nadzora neke su od

karakteristika koje sustave solarne energije čini pogodnima za osiguravanje

napajanja potrošača.

Ako električnu energiju dobivamo direktnom pretvorbom energije sunčeva

zračenja tada govorimo o sunčevoj fotonaponskoj (FN) energiji. U fizici ovakva

pretvorba energije poznata je pod nazivom fotoelektrični efekt. Uređaji u kojima se

odvija fotonaponska pretvorba energije zovu se sunčane (solarne) ćelije ili

fotonaponski paneli [1]. Fotonaponski paneli, najčešće zajedno s regulatorom

punjenja i akumulatorom, čine fotonaponski sustav, koji je neophodan u napajanju

električnih uređaja putem solarne energije.

Ovaj seminarski rad govori o načelu rada fotonaponskih panela, shematskom

prikazu istih, sastavnim dijelovima fotonaponskog sustava, te razvoju i proizvodnji

fotonaponskih panela u svijetu i Hrvatskoj.

0

1. Uvodno o tehnologiji

Prva moderna fotonaponska solarna ćelija napravljana je 1956. godine u

Belovom laboratoriju. Prve FN ćelije bile su razvijane za svemirske programe. Razvoj

FN tehnologije zadnjih se godina, potaknut jakim razvojem tržišta, intezivno mijenja.

Do danas je razvijeno mnogo materijala od kojih su najčešće u upotrebi silicij, zatim

galij arsenid, kadmij-sulfid, kadmij-telurid i mnogi drugi. Također postoji više

tehnologija izrade FN ćelija. Tako su razvijene tehnologije izrade FN ćelija od

kristalnih poluvodiča i u obliku tankog filma. Tipovi FN ćelija od kristalnih poluvodiča

su:

Silicijeve Si monokristalne, polikristalne i amorfne

Galij arsenidne GaAs

Bakar-inidum-diselenidne CuInSe2

Kadmij-telurijeve CdTe

Za sada na tržištu prevladavaju ćelije od kristalnog silicija, dok se predviđa da

će u budućnosti sve veći udio pripasti tankom filmu. Tehnologija tankog filma

omogućuje znatnu uštedu materijala, mnogo fleksibilniju ugradnju FN ćelija, pošto ih

je moguće saviti. Nadalje, solarne ćelije napravljene tehnologijom tankog filma imaju

znatno kraće vrijeme povrata uložene energije dok im je korisnost nešto niža. Silicij

kao osnovni materijal apsolutno dominira s udjelom 98,3%, i to pretežito tehnologija

kristaliničnog silicija s 93,7% udjela u ukupnoj proizvodnji [1].

Najveći tehnološki nedostatak kristaliničnog silicija je svojstvo da je poluvodič s

tzv. indirektnim zabranjenim pojasom zbog čega su potrebne relativno velike debljine

aktivnog sloja kako bi se u najvećoj mjeri iskoristila energija Sunčeva zračenja. U

tehnologiji tankog filma primjenjuju se poluvodiči s tzv. direktnim zabranjenim

pojasom i njihove debljine mogu biti znatno manje, uz značajno manji utrošak

materijala, što obećava nisku cijenu i mogućnost proizvodnje velikih količina ćelija.

Nažalost, iako dugo najavljivane, tehnologije sunčanih ćelija u tankom filmu s

amorfnim silicijem, CIS, CdTe i druge, zbog cijene, niske učinkovitosti, stabilnosti

modula ili okolišne prihvatljivosti još uvijek nisu pokazale svoju tržišnu sposobnost i

1

trebat će značajna ulaganja da postanu konkurentne kristaliničnom siliciju. Udio

tehnologija tankog filma (amorfni silicij, CdTe, CIS), unatoč značajnim naporima

uloženim u istraživanja ostao je vrlo skroman, oko 6.3% tržišta u 2003. godini.

Međutim, snažan rast proizvodnje sunčanih ćelija s kristaliničnim silicijem može

prouzročiti porast cijene i nestašicu sirovog silicija pa je moguć i veći proboj ovih

tehnologija u budućnosti [1].

Slika 1.1 Fotonaponska solarna ćelija - uređaj

u kojem se odvija direktna pretvorba energije

sunčevog zračenja u električnu energiju [1]

Slika 1.2 Fotonaponske solarne ćelije

napravljene tehnologijom tankog filma [1]

2

2. Način rada fotonaponskih panela

Pomoću fotonaponskog efekta može se sunčana energija izravno pretvoriti u

električnu u sunčanim čelijama. Kada sunčana ćelija apsorbira Sunčevo zračenje,

fotonaponskim efektom se na njezinim krajevima proizvede elektromotorna sila i tako

sunčana ćelija postaje izvor električne energije (sl.2.1) [2].

Slika 2.1 Fotoelektrična konverzija u PN – spoju [1]

Sunčana ćelija je PN – spoj (dioda). U silicijskoj sunčanoj ćeliji na površini

pločice P – tipa silicija difundirane su primjese, npr. fosfor, tako da na tankom

površinskom sloju nastane područje N – tipa poluvodiča. Da bi se skupili naboji

nastali apsorpcijom fotona iz Sunčeva zračenja, na prednjoj površini nalazi se

metalna rešetka, a zadnja strana je prekrivena metalnim kontaktom. Rešetkasti

kontakt na prednjoj strani načinjen je tako da ne prekrije više od 5% površine, te on

gotovo i ne utjeće na apsorpciju sunčeva zračenja. Prednja površina može biti

3

prekrivena i prozirnim antirefleksijskim slojem koji smanjuje refleksiju Sunčeve

svjetlosti i tako povečava djelotvornost ćelije [2].

Sunčane ćelije proizvode napon oko 0.5 V uz gustoću struje oko 20mA/cm2. Da

bi se dobio odgovarajući napon odnosno snaga, ćelije se mogu spajati serijski ili

paralelno. Tako se dobivaju moduli sunčanih ćelija u obliku ploče (panela) na kojoj su

ćelije učvršćene i zaštićene od atmosferskih i drugih utjecaja. Moduli se slažu jedan

do drugoga u fotonaponske ravne kolektore, a kolektori zajedno s ostalim potrebnim

elementima (pretvaračima, regulatorima, akumulatorima i sl.) tvore fotonaponski

sustav [2].

Sunčana ćelija načinjena je tako da se, kada je osvjetlimo, na njezinim

krajevima javlja elektromotorna sila (napon). Kada se sunčana ćelija (PN – spoj)

osvjetli (sl. 2.1), apsorbirani fotoni proizvode parove elektron – šupljina. Ako

apsorpcija nastane daleko od PN – spoja, nastali par ubrzo se rekombinira. Međutim,

nastane li apsorpcija unutar ili u blizini PN – spoja, unutrašnje električno polje, koje

postoji u osiromašenom području, odvaja nastali elektron i šupljinu – elektron se giba

prema N – strani, šupljina P – strani. Takvo skupljanje elektrona i šupljina na

odgovarajućim stranama PN spoja uzrokuje elektromotornu silu na krajevima ćelije.

Kada se ćelija osvijetli, kontakt na P - dijelu postaje pozitivan, a na N – dijelu

negativan. Ako su kontakti ćelije spojeni s vanjskim trošilom, proteći će električna

struja. (sl. 2.2) [2].

Slika 2.2 Shematski prikaz sunčane ćelije obasjane svjetlošću [2]

4

3. Fotonaponski sustav

Za fotonaponski sustav koji se sastoji od panela, akumulatora i trošila

karakteristična su dva osnovna procesa:

Pretvorba svjetlosne energije u električnu

Pretvorba električne energije u kemijsku i obrnuto.

Ključni element u procesu fotoelektrične pretvorbe u električnu je PN – dioda

(sunčana ćelija), dok je reverzibilni elektrokemijski proces povezan s nabijanjem i

izbijanjem akumulatora.

U trošilu se električna energija kao ulazna veličina može pretvarati u više

različitih oblika (mehanički, kemijski, elektromagnetski, toplinski), ali je samo trošilo

redovito definirano električnom veličinom: naponom, strujom ili snagom.

Akumulatori su galvanski članci u kojima su procesi pri punjenju i pražnjenju

povratni (reverzibilni); kada se akumulator izbije (isprazni), može se ponovno nabiti

(napuniti) primjenom vanjskog izvora istosmjerne struje čiji je napon veći od

elektromotorne eile akumulatora.

Iako akumulatori nisu jedini način uskladištivanja električne energije, oni se ipak

najviše upotrebljavaju pri primjeni sunčanih ćelija. Najčešće se upotrebljava olovni

akumulator, premda ima mnoge negativne karakteristike kao što su masa, dosta

velika osjetljivost pri radu (osobito ako stoji nenapunjen) i sl. Očekuje se da će se

usavršiti i ostali tipovi akumulatora, osobito nikal – kadmijski akumulatori.

Fotonaponski sustav može raditi bez akumulatora samo ako postoji uzbuda

(Sunčevo zračenje). U tom slučaju se generirana energija neposredno upotrebljava,

dok se višak nepovratno rasipa (disipira). Uključivanjem akumulatora rad trošila je

moguć i kada nema primarne uzbude ili kada je energijska razina te uzbude

nedostatna potrošnji [2]. Na slikama shematski je prikazano punjenje (3.1-a) i

pražnjenje akumulatora (3.1-b).

5

Slika 3.1-a Shematski prikaz Slika 3.1-b Shematski prikaz

punjenja akumulatora [2] pražnjenja akumulatora [2]

Slika 3.2 Shematski prikaz fotonaponskog sustava

Shematski prikaz fotonaponskog sustava prikazan na slici 3.2 sastoji se od

fotonaponskog panela 60 W, regulatora punjenja, akumulatora, te dva voltmetra i

jednog ampermetra. Fotonaponskim panelom se puni akumulator preko regulatora

punjenja, a mjernim instrumentima mjeri se stvarni priliv električne energije, tako da u

svakom trenutku možemo očitati stvarno stanje fotonaponskog sustava.

6

4. Proizvodnja fotonaponskih panela u svijetu

Kada govorimo o tržištu FN energije mislimo na instalirane kapacitete solarnih

ćelija u nekoj regiji ili svijetu. Unazad desetak godina, tržište FN tehnologije raste

praktički eksponencijalno. Države u kojima je proizvedeno najviše FN solarnih ćelija

su Japan, Njemačka, zatim SAD, te Taiwan i Kina. Tržište fotonaponskih solarnih

ćelija unazad nekoliko godina eksponencijalno raste. [1]

U 2007. godini svjetska proizvodnja FN solarnih ćelija iznosila je oko 3800 MW,

dok je porast proizvodnje u odnosu na 2006. godinu iznosio 50%. Ovakav drastičan

porast može se objasniti državnim poticajima za obnovljive izvore energije, sve

većom brigom za okoliš unazad nekoliko godina (Kyoto protokol), te rastom cijena

nafte. Zbog komplicirane političke situacije u Europi i različite politike svake od

država članica, ne postoji usuglašen pristup obnovljivim izvorima energije. Unatoč

tome, Europska unija je postavila cilj da do 2010. godine 12% ukupne i 22%

7

električne energije bude proizvedeno iz obnovljivih izvora energije. Postavljen je cilj

da se ukupno ugradi 3000 MW fotonaponskih sustava do 2010. godine, što je

povećanje od sto puta u odnosu na 1995. godinu. Pripadajuća godišnja proizvodnja

električne energije je između 2,4 i 3,5 TWh, ovisno o lokaciji na kojoj je sustav

ugrađen. [1]

8

5. Proizvodnja fotonaponskih panela u Hrvatskoj

U Hrvatskoj dominiraju dvije tvrtke koje se bave proizvodnjom fotonaponskih panela.

One su Solaris – Novigrad i SOLVIS – Varaždin. Glavni Solarisov proizvod su

fotonaponski moduli namjenjeni za tržišta: Hrvatske, Slovenije, Bosne i Hercegovine,

Srbije, Crne Gore, Makedonije, Albanije i Bugarske. Ćelije se laminiraju između

slojeva (EVA) ethylene vinyl acetate, kaljenog stakla i bijelog tedlara koji pružaju

idealnu vodootpornu zaštitu. Kaljeno staklo visoko je transparentno i optimalno hvata

direktnu i difuziranu svjetlost. Tako izrađeni modul uramljuje se u aluminijski okvir, a

time postiže potrebnu robusnost te mogućnost praktičnog i jednostavnog postavljanja

na željenu površinu. Prikaz fotonaponskog panela izrađen ovom tehnologijom

prikazan je na slici 5.1. [3].

Slika 5.1 Prikaz fotonaponskog panela tvrtke Solaris – Model SLC60

9

Moduli su uramljeni u aluminijski okvir sa 4 urezane rupe koje se koriste za

montažu. Okvir je praktičan i kompaktan i omogućava jednostavnu i brzu montažu

modula. Sadrži 8 rupa koje omogućuju izlaz vode iz okvira. Primjer aluminijskog

okvira sa dimenzijama prikazan je na slici 5.2. [3]

Slika 5.2 Prikaz aluminijskog okvira sa dimenzijama – Model SLC60

SOLVIS d.o.o. je mlada tvrtka koja je u lipnju 2008. godine započela izgradnju

tvorničke hale u Gospodarskoj zoni Brezje u Varaždinu u kojoj će se iz najkvalitetnijih

sirovina proizvoditi vrhunski fotonaponski moduli. U proizvodnji bi se u najvećoj

mogućoj mjeri koristile sirovine hrvatskog porijekla kao što su sunčano staklo,

aluminijski okviri, plastične kutije i kabeli, te kartonska i plastična ambalaža [4].

10

Na slikama 5.3 i 5.4 prikazani su proizvodni pogoni tvrtki SOLVIS i Solaris.

Slika 5.3 Proizvodni pogon za proizvodnju fotonaponskih panela tvrtke SOLVIS [4]

Slika 5.4 Proizvodni pogon za proizvodnju fotonaponskih panela tvrtke Solaris [3]

11

6. Zaključak

Solarni sustavi zauzimaju značajno mjesto kao obnovljivi izvori energije.

Intenzivnijim istraživanjem pronalaze se novi materijali za izradu fotonaponskih

panela, te se pojednostavnjuje tehnologija proizvodnje istih. Iako je zasada mali

doprinos fotonaponskih panela energetskim potrebama, oni su važni u drugim

područjima, kao što su sateliti i svemirski brodovi. Njihove zemaljske primjene

ograničene su na mjesta gdje nema drugih izvora električne energije. Za sada

proizvodnja električne energije iz fotonaponskih panela nije ekonomična u usporedbi

s ostalim izvorima energije.

Daljnji razvoj tehnologije i proizvodnje fotonaponskih panela zahtjeva brojna

ulaganja i investicije. Proizvodnja fotonaponskih panela uvelike ovisi o tržištima

energenata, tj. o njihovoj nestabilnosti. Gospodarska situacija u svijetu tome ne ide u

prilog, te se zbog toga usporava daljnji tijek istraživanja. U budućnosti se predviđaju

povećanja udjela sunčane energije u budućoj energetskoj potrošnji.

12

7. Literatura

[1] Naziv: Solarna fotonaponska energija

Adresa: http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_fotonaponska_energija

Pristup: 12.4.2010.

[2] Autor: Kulišić Petar, Vuletin Jadranka, Zulim Ivan

Naziv: Sunčane ćelije, Školska knjiga - Zagreb, 1994.

[3] Naziv: Podatci o tvrtki Solaris

Adresa: http://solaris-novigrad.hr/solaris/o-tvrtki

Pristup: 18.4.2010.

[4] Naziv: Podatci o tvrtki SOLVIS

Adresa: http://www.hsuse.hr/novosti/otvorena_tvornica _fotonaponskih_modula_solvis_/default.aspx

Pristup: 18.4.2010.

13

8. Sažetak

U budućnosti možemo očekivati daljnji razvoj fotonaponske tehnologije koja će

rezultirati padom cijena fotonaponskih panela i povećanjem učinkovitosti pretvorbe.

Pad cijena fotonaponskih panela pratit će njihova sve veća primjena, pogotovo u

stambenim objektima kao dijelovima sustava za distribuiranu proizvodnju električne

energije. Uz primjenu fotonaponskih sustava, očekuje se nastavak rasta korištenja,

kako u stambenim objektima, tako i u industriji i turizmu. U ovom seminarskom radu

proučeno je načelo rada fotonaponskih panela, shematski prikaz istih, sastavni

dijelovi fotonaponskog sustava, te razvoj i proizvodnja fotonaponskih panela u

Hrvatskoj.

14