UVOD Manjšo rabo fosilnih goriv lahko dosežemo z učinkovito rabo energije in izkoriščanjem obnovljivih virov energije. Sončna energija je namreč energija, ki je na razpolago brezplačno in obenem tudi ne onesnažuje okolja. Sonce lahko v stavbah izkoriščamo na več načinov, najpogostejša je pasivna raba sončne energije, kjer sonce neposredno greje prostore skozi prozorne ali prosojne površine, kot so okna, stekleniki, fasade s prosojno izolacijo in podobno. Za pripravo tople vode, je najbolj uveljavljeno neposredno ali aktivno izkoriščanje sončne energije, pri katerem uporabljamo sprejemnike sončne energije. Vse večja pa postaja tudi izraba sonca za pridobivanje električne energije s pomočjo solarnih modulov, ki pretvarjajo sončno svetlobo neposredno v enosmerni električni tok. V primeru, da na streho stavbe postavimo solarne module lahko letno pridobimo do nekaj 100 kWh električne energije. Solarni moduli proizvajajo električno energijo neposredno iz sončne svetlobe. Fotovoltaični sistemi so tih in neizčrpen vir energije, ki ne onesnažuje okolja, ter omogočajo uporabo električnih naprav tudi tam, kjer ni električnega omrežja. Solarne napajalne sisteme uporabljamo povsod tam, kjer potrebujemo izvor električne energije, električno omrežje pa je oddaljeno. Solarni električni sistemi lahko delujejo tudi paralelno z javnim električnim omrežjem. Najpogostejši načini uporabe

o vikendi, lovske koče, planinski domovi in ostala bivališča oddaljena od električnega omrežja

o navtika o cestna in morska signalizacija, varovanje

objektov o telekomunikacije in daljinska merjenja o črpanje vode o paralelno delovanje z javnim električnim

omrežjem

Fotovoltaični sistemi, ki so povezani v električno omrežje in ne vsebujejo akumulatorjev so danes po instalirani moči najbolj razširjena oblika uporabe fotovoltaičnih sistemov za proizvodnjo električne energije. Glavni atributi sistema so: •. je okolju prijazen, saj razen ob izdelavi sestavnih elementov ne onesnažuje okolice, •. energija je zastonj, saj se transformacija sončne energije v električno zgodi neposredno brez

pretvarjanj in edini strošek je tako začetna investicija, •. električno energijo lahko koristimo le v času njene največje porabe – podnevi. Solarni sistem je v tem primeru priključen na lokalno električno omrežje in omogoča priklop kateremukoli uporabniku. Enosmerno napetost sončnih celic je potrebno z razsmernikom (pretvornikom) spremeniti v izmenično.

Najpomembnejši del tovrstnih sistemov so prav gotovo sončne celice, ki generirajo električni tok. Poleg njih sistem sestoji še iz inverterja, števca porabe električne energije, električnega omrežja in varovalk. ZGODOVINA FOTOVOLTAIKE V SVETU 1839 - 1899: OBDOBJE ODKRITIJ TEMELJNIH POJAVOV IN LASTNOSTI MATERIALOV Odkritje fotovoltaičnega pojava: Fizikalni pojav, ki omogoča pretvorbo svetlobe v elektriko je leta 1839 odkril francoski eksperimentalni fizik Alexandre Edmond Becquerel, ko je pri eksperimetu z dvema kovinskima elektrodama potopljenima v elektrolit, odkril, da prevodnost narašča z osvetljenostjo. Prve selenske sončne celice: Podobno odkritje, le da tokrat za selen, je leta 1873 uspelo Willoughby Smith-u. To odkritje je pomenilo osnovo za izdelavo prve selenske sončne celice, ki so jo izdelali leta 1877. Prvi natančen opis selenskih sončnih celic je sicer delo Charles-a Fritts-a iz leta 1883. Raziskave sorodnih pojavov: Leta 1887 je Heinrich-u Hertz-u uspelo odkriti, da ultravijolično sevanje spreminja prag napetosti, ki povzroča preskok iskre med dvema kovinskima elektrodama. 1900 - 1949: TEORETIČNA RAZLAGA FOTOVOLTAIČNEGA POJAVA IN PRVE SILICIJEVE SONČNE CELICE Teoretična razlaga fotovoltaičnega pojava: Najbolj zaslužen za razlago fotovoltaičnega pojava je vsekakor Albert Einstein, ki je pojav teoretično opisal leta 1904. Za svoje delo pa je leta 1921 dobil Nobelovo nagrado. Einsteinova teoretična predvidevanja je leta 1916 praktično dokazal Robert Millikan. Prve silicijeve sončne celice: Poljski znanstvenik Czohralski je leta 1918 razvil metodo za pridobivanje monokristalnega silicija, ki je omogočala izdelavo prvih silicijevih monokristalnih sončnih celic. Prva silicijeva sončna celica je bila izdelana leta 1941. Raziskave sorodnih pojavov: Leta 1932 so fotovoltaični pojav opazili tudi v kadmijevem selenidu, ki danes, poleg silicija, sodi med pomembnejše polprevodniške materiale pri izdelavi sončnih celic. 1950 - 1969: OBDOBJE INTENZIVNEGA OSVAJANJA VESOLJA

Obdobje intenzivnih laboratorijskih raziskav: Leta 1951 so izdelali prve germanijeve monokristalne sončne celice. Leta 1954 so laboratoriji firme RCA objavili poročilo o fotovoltaičnem pojavu pri CdS. V podjetju AT&T so istega leta izvedli več demonstracij delovanja sončnih celic. V Bellovih laboratorijih pa so objavili rezultate delovanja sončne celice s 4.5 % izkoristkom. Izkoristek so že čez nekaj mesecev povečali na 6 %. Prvi sateliti: Leta 1955 so se začele priprave na oskrbo satelitov z energijo s pomočjo sončnih celic. Podjetje Western Electric je istega leta pričelo s prodajo komercialnih licenc za izdelavo sončnih celic. Podjetje Hoffman Electronics-Semiconductor Division je predstavilo komercialni fotovoltaični proizvod z učinkovitostjo 2 % s ceno 25 US$/celico in z močjo celic 14 mW. Cena energije je znašala 1785 US$/W. Leta 1957 je podjetje Hoffman Electronics predstavilo sončno celico z učinkovitostjo 8%. Samo leto kasneje, torej 1958, je isto podjetje predstavilo sončno celico z učinkovitostjo 9 %. Istega leta je bila izdelana prva silicijeva sončna celica, za uporabo v vesoljski tehniki, ki je bila bolj odporna na sevanje. 17.marca je bil izstreljen satelit Vanguard I, ki je bil prvi satelit, ki so ga z energijo oskrbovale sončne celice. Sistem je deloval neprekinjeno 8 let. Istega leta

so američani izstrelili še satelita Explorer III in Vanguard II, rusi pa satelit Sputnik III. Leta 1960 je podjetje Hoffman Electronics predstavilo sončno celico z učinkovitostjo 14 %. Prvi fotovoltaični moduli: Leta 1963 je podjetju Sharp Corporation uspelo izdelati praktično uporaben fotovoltaični modul iz silicijevih sončnih celic. Na japonskem so istega leta namestili 242 W polje modulov, v tistem času največji fotovoltaični sistem. Leto kasneje, 1964, pri vesoljskem projektu Nimbus, so američani uporabili fotovoltaično polje z močjo 470 W. Intenzivne raziskave vesolja: Leta 1965 se začne japonski znanstveni program za izstrelitev japonskih satelitov. Leto kasneje, 1966, je prišlo do vtirjenja astronomskega observatorija z močjo fotovoltaičnega polja modulov 1 kW, v zemeljsko orbito. Leta 1968 so izstreleili satelit OVI-13 z dvema CdS paneloma. Prva večja podjetja: Leta 1969 je Roger Little osnoval firmo Spire Corporation, ki danes sodi med vodilne svetovne proizvajalce opreme za proizvodnjo sončnih celic. 1970 - 1979: NASTANEK PRVIH VEČJIH PODJETIJ Začetki uporabe fotovoltaičnih tehnologij na Zemlji: Leta 1970 je bilo ustanovljeno podjetje Solar Power Corporation. Francozi so leta 1972 v Nigru namestili CdS PV sistem za potrebe spremljenja izobraževalnih TV programov na podeželju. Leto kasneje, 1973, je bilo ustanovljeno podjetje Solarex Corporation. Na univerzi Delaware so istega leta zgradili PV-toplotni hibridni sistem "Solar one", ki je bil eden prvih fotovoltaičnih sistemov za potrebe gospodinjstev. Poleg fotovoltaičnega sistema je sistem vseboval tudi hranilnik toplote z uporabo fazno spremenljivih materialov. Izdelana je bila sončna silicijeva sončna celica, ki je dosegala ceno 30US$/W. Leta 1974 na japonskem starta projekt "Sunshine". Leto kasneje, 1975 sta bili ustanovljeni podjetji Solec International in Solar Technology International. Ameriška vlada je istega leta spodbudila raziskave na področju fotovoltaičnih sistemov za uporabo na Zemlji, v okrilju laboratorijev JPL. Prvi večji PV sistemi na podeželju v manj razvitem svetu: Leta 1976 so se pod okriljem NASA LeRC se začele instalacije PV sistemov za uporabo na Zemlji, ki so potekale do leta 1985 in kasneje še od 1992 do 1995 leta. Sistemi so bili namenjeni napajanju hladilnikov, telekomunikacijske opreme, medicinske opreme, razsvetljavi, črpanju vode in drugim porabnikom. V tem letu je NASA LeRC predstavila tudi več demonstracijskih projektov. Istega leta (1976) so v laboratorijih RCA izdelali prvo amorfno silicijevo sončno celico. Prvi primeri uporabe PV sistemov za napajanje zahtevnejših sistemov: V letu 1977 je svetovna proizvodnja presegla 500 kW. Tega leta je NASA LeRC pričela z opremljanjem šestih meteoroloških postaj na različnih lokacijah v ZDA s fotovoltaičnimi sistemi. Tudi v tem letu je NASA LeRC postavila več testnih demonstracijskih projektov. V ZDA je z delom pričel "Solar Energy Research Institute", s sedežem v mestu Golden, v Coloradu. V indijanskem rezervatu je NASA LeRC postavila 3.5 kW sistem - prvi sistem na svetu za potrebe cele vasi. Uporabljali so ga za črpanje vode in oskrbo 15 gospodinjstev z elektriko. Podjetje ARCO Solar v Camarillu, CA, je leta 1979, zgradilo največje proizvodne obrate za proizvodnjo sončnih celic in fotovoltaičnih modulov v tistem obdobju. V Burkini Faso je NASA LeRC postavila 1.8 kW sistem za potrebe črpanja vode. Še istega leta zmogljivosti sistema povečajo na 3.6 kW. V Mt. Laguna v Kaliforniji je bil istega leta zgrajen testni 60 kW hibridni diselsko-fotovoltaični sistem za potrebe radarske postaje. 1980 - 1989: INSTALACIJE VELIKIH SAMOSTOJNIH SISTEMOV Veliki samostojni PV sistemi: V letu 1980 se je zgodilo več pomembnih dogodkov. Podjetje ARCO Solar je postalo prvo podjetje, ki je proizvedlo fotovoltaične module s skupno močjo več kot 1 MW/leto. Instalirana je bila testna instalacija fotovoltaičnih sistemov v centru v vulkanski opazovalnici na Havajih. Na tržišču se je

pojavilo podjetje BP. Podjetje ARCO Solar je zgradilo 105.6 kW sistem v ameriški zvezni državi Utah. V sistemu so uporabili module proizvajalcev Motorola, ARCO Solar, in Spectrolab. Leto kasneje, 1981, NASA LeRC prične postavljati več sistemov za potrebe napajanja hladilnikov za cepiva na 30 lokacijah v svetu (projekt je zaključen leta 1984). Istega leta je vzletel "Solar Challenger", letalo, ki ga je napaja sončna energija. V nakupovalnem centru "Square Shopping Center" v Lovingtonu, NM, so zgradili sistem z močjo 90.4 kW, z moduli proizvajalca Solar Power Corp. Podoben sistem so zgradili tudi za potrebe Beverly High School, Beverly, MA. Istega leta je bil zgrajen tudi 10.8 kW sistem za razslanjevanje morske vode v Jeddi, v Saudski Arabiji. Ustanovljeno je bilo podjetje Helios Technology, ki je najstarejši evropski proizvajalec sončnih celic. Svetovna proizvodnja je v letu 1982 presegla 9.3 MW. Istega leta je podjetje Solarex ustanovilo Solarex Aerospace division. Na konferenci na Dunaju je NASA LeRC predstavila testni primer oskrbe zemeljske satelitske sprejemne postaje in javne razsvetljave. Volkswagen pa je pričel testirati fotovoltaične module na strehi vozil z močjo 160 W za zagon vozil. Solarex je svoje proizvodne prostore v Fredericku, MD, opremil s PV sistemom na strehi z močjo 200 kW. CA. Podjetje ARCO Solar je v Hisperii, CA, zgradilo 1 MW PV elektrarno z moduli na skupno 108 dvoosnih sledilnih stojalih. Vozila na sončno energijo: Leto kasneje, 1983, je svetovna proizvodnja fotovoltaičnih modulov presegla moč 21.3 MW, vrednostno pa proizvodi znašajo 250 milijonov dolarjev. Vozilo "Solar Trek" s fotovoltaičnim sistemom z močjo 1 kW je v dvajsetih dneh na dirki po Avstraliji prevozilo 4000 km. Maksimalna hitrost je bila 72 km/h, povprečna pa 24 km/h. Kasneje istega leta je vozilo za razdaljo 4000 km med krajema Long Beach, CA, in Daytona Beach, FL potrebovalo 18 dni. Podjetje Solarex Corp. je od proizvajalca celic RCA kupilo tehnologijo za proizvodnjo amorfnih celic in zgradilo testno elektrarno v mestu Newtown, Pennsylvania. Podjetje ARCO Solar je istega leta zgradilo 6 MW PV elektrarno, kot podsistem javnega električnega omrežja za potrebe Pacific Gas and Electric Company v Kaliforniji. Sistem je zadoščal za potrebe 2000 do 2500 gospodinjstev. Podjetje Solar Power Corporation je zgradilo štiri samostojne fotovoltaične sisteme za potrebe vasi v Tuniziji s skupno močjo 31 kW/sistem. V Gvajani je bil zgrajen 1.8 kW PV sistem za potrebe lokalne bolnišnice. Sistem je napajal hladilnik za cepiva, notranjo razsvetljavo, razsvetljavo v ordinaciji in radijski aparat. Sistem sta načrtovala in zgradila NASA Lewis Research Center in Solarex. Podoben le da močnejši 4 kW PV sistem je bil nameščen tudi v Ekvadorju. 1.8 kW PV sistemi je bil z enako funkcijo nameščen tudi v Zimbabveju. Solarex Corporation se je istega leta združilo s podjetjem Amoco Solar Company, podjetjem v lasti Standard Oil Company. Prvi amorfni moduli: V Sacramentu v Kaliforniji, je leta 1984, pričela obratovati 1MW PV elektrarna. Podjetje ARCO Solar je istega leta predstavilo prve amorfne module. NASA LeRC je v Gabonu namestila 17 PV sistemov za potrebe lokalnih šol, razsvetljave, medicinske opreme in črpanja vode. BP Solar Systems, je s pomočjo donacij EGS zgradil 30 kW PV sistem povezan z javnim električnim omrežjem v bližini Southamptona, v Veliki Britaniji. V tem letu je podjetje Solarex Corporation zaključilo z dobavo opreme za PV sistem za potrebe Georgetown University Intercultural Center s skupno močjo 337 kW, skupaj 4464 moduli. BP Solar je kupil podjetje Monosolar thin film division, Nortek, Inc. Sončne celice z visokim izkoristkom in komercialni tankoplastni moduli: Raziskovalcem na univerzi "University of New South Wales" v avstraliji, je leta 1985, uspelo izdelati silicijevo sončno celico z izkoristkom večjim od 20 %. BP je zgradil elektrarno v Sydney-u v Avstraliji in kmalu nato še eno v bližini Madrida. Zgrajen je bil PV sistem v Sulawesiju v Indoneziji za potrebe zemeljske satelitske postaje. Leta 1986 je podjetje ARCO Solar predstavilo G-4000 prvi komercialni tankoplastni fotovoltaični modul. Dirke vozil na sončni pogon postanejo izziv za razvojne laboratorije: Na tekmi Pentax World Solar Challenge čez avstralijo je leta 1997 zmagal "Sunracer" proizvajalca GM z maksimalno hitrostjo 71 km/h. Leta 1988 je potekala četrta dirka Tour de Sol, 350 km po Švici in Avstriji. Kategorije vozil so bile razdeljene na PV napajana vozila, vozila z dodatnimi

pedali, komercialna PV napajana in električna vozila, vendar brez PV napajanja. Skupni nagradni sklad je znašal 140.000 SFR. Veliki projekti v manj razvitem svetu in povečevanje proizvodnih zmogljivosti: Solarex je zmagal na razpisu za dobavo 50kW sistema za potrebe razvojnega projekta OZN v Pakistanu. Podjetje ARCO Solar je povečalo zmogljivosti proizvodnje tankoplastnih sistemov v Camarillu, CA, na kapaciteto 7 MW/leto. ARCO Solar je prične s proizvodnjo tudi na Japonskem in v Nemčiji. Leta 1989 je BP Solar dobil patent za tankoplastno tehnologijo proizvodnje sončnih celic. 1990 - 1999: ZDRUŽEVANJE VELIKIH PODJETIJ Nastanek največjih svetovnih proizvajalcev: Podjetji Energy Conversion Devices Inc. (ECD) in Canon Inc. sta leta 1990 osnovali skupno podjetje za proizvodnjo sončnih celic United Solar Systems Corp. Istega leta je podjetje Siemens kupilo ARCO Solar in osnovalo podjetje Siemens Solar Industries, ki je danes eno od največjih tovrstnih podjetij v svetu. Solar Energy Research Institute (SERI) se je preimenoval v National Renewable Energy Laboratory (NREL). Leto kasneje, 1991, se je podjetje BP Solar Systems preimenovalo v BP Solar International (BPSI), in postalo samostojna enota v okviru koncerna British Petroleum. Leta 1992 je bil na Antarktiki nameščen sistem z močjo 0.5 kW za potrebe laboratorija, razsvetljave, osebnih računalnikov in mikrovalovne pečice. Patentirana je bila silicijeva sončna celica z 20% učinkovitostjo. Leta 1994, se je na Internetu s svojo stranjo pojavil National Renewable Energy Laboratory's (NREL), pomembna ustanova s področja obnovljivih virov energije iz ZDA. DOE, je v Braziliji postavil več testnih sistemov za potrebe agrikulture, lokalnih šol, bolnišnic, razsvetljave, črpanja vode... ASE GmbH iz Nemčije je z nakupom tehnologije Mobil Solar Energy Corporation ustanovilo podjetje ASE Americas, Inc. Leto kasneje, 1995, je bil ustanovljen prvi mednarodni fond za pospeševanje komercializacije PV sistemov in pričel s podporo projektov v Indiji. Svetovna banka in indijska agencija za obnovljive vire energije sta sponzorirali projekte v sodelovanju s podjetjem Siemens Solar. Leta 1996 je podjetje BP Solar kupilo proizvodne zmogljivosti APS v Kaliforniji, in napovedalo komercialno proizvodnjo celic iz kadmijevega telurida. Letalo "Icar", ki ga je poganjala sončna energija, s skupno površino 3000 sončnih celic 21 m2 je letelo nad Nemčijo. Načrti za največji PV sistem v svetu: Leta 1997 je Grčija pristala na sponzoriranje prvih 5 MW od skupno načrtovanega 50 MW sistema na Kreti (zaradi nesporazumov med investitorji je vprašljivo, če bo do realizacije sistema prišlo). Istega leta so v Indoneziji začeli z aktivnostmi po katerih naj bi v Indoneziji v treh letih namestili 36400 50 W sistemov v treh letih. Leta 1999 so se podjetja Solar Cells, Inc. (SCI), True North Partners, LLC, iz Phoenix, Arizona, združila v First Solar, LLC. 2000 - : OBNOVLJIVI VIRI ENERGIJE GREDO NA BORZO Nastanek večjih delniških družb v Evropi: Predvsem v Nemčiji posamezna podjetja, ki se ukvarjajo s fotovoltaiko in drugimi obnovljivimi viri energije, že vstopajo na borzo. Združevanje kapitala v Nemčiji privede do nastanka velikih podjetij s področja fotovoltaike. Zanimivo je, da vanje vlaga denar tudi Bill Gates (Microsoft). V letih 2000 in 2001 se močno poveča proizvodnja proizvajalcev na Japonskem. Sharp in Kyocera vsak zase izdelata module moči, ki ustreza letni porabi v Nemčiji, kot najzahtevnejšem evropskem tržišču. Tudi Sanyo ne zaostaja veliko za njima. Eksperimentalno letalo NASE Helios je 13.avgusta 2001 uspešno prestalo testni polet v stratosfero in doseglo višino 30 km.

GLAVNE KOMPONENTE SOLARNIH ELEKTRIČNIH SISTEMOV

SONCE Sonce je gorivo v obliki svetlobe za solarne module.

SOLARNI MODUL

Pretvarja sončno svetlobo neposredno v električno energijo. Moč solarnega generatorja je odvisna od energetskih zahtev sistema in od razpoložljive sončne svetlobe. Solarni moduli so iz različnih materialov (monokristalni, polikristalni amorfni silicij, CIS…)

AKUMULATOR Shranjuje energijo, ki so jo proizvedli solarni moduli za čas, ko sončno sevanje ne zadošča za potrebe delovanja sistema.

SOLARNI REGULATOR

Povezuje solarne module, akumulator in porabnike. Hkrati ščiti akumulator pred prenapolnjenem in prevelikim izpraznjenjem.

PORABNIKI So električne naprave, ki delujejo v solarnem sistemu. Enosmerni porabniki morajo imeti čim večjo stopnjo učinkovitosti, ter široko območje vhodne napetosti.

RAZSMERNIK Pretvarja enosmerno akumulatorsko napetost v izmenično. Z njegovo pomočjo lahko uporabljamo običajne električne naprave, ki delujejo na omrežno napetost.

OMREŽNI

RAZSMERNIK Omrežne razsmernike uporabljamo pri solarnih sistemih, ki delujejo paralelno z javnim električnim omrežjem za pretvorbo enosmerne napetosti solarnega generatorja v izmenično napetost omrežja ter sinhronizacijo.

POMOŽNI

GENERATOR Pomožni generator včasih v samostojnih solarnih sistemih nastopa kot pomožni izvor električne energije. Z njim ter s polnilniki akumulatorjev ob večji porabi dopolnimo akumulatorske baterije.

1 – modul; 2 - prenapetostna zaščita; 3 – regulator; 4 - razvodna omarica z varovalkami; 5 – akumulator; 6 - razsmernik

SONČNE CELICE Fotovoltaični pojav je leta 1893 odkril francoski znanstvenik Bequerel. Šele leta 1954 so v ZDA predstavili prvo sončno celico, ki je bila iz Silicija in je imela izkoristek 4%. Prvo praktično uporabo so sončne celice doživele 1958, ko so ZDA izstrelile prvi satelit, kjer so bile glavni vir električne energije. V bistvu so to polprevodniške diode z veliko površino. Do pretvorbe svetlobne energije v električno prihaja zaradi fotovoltaičnega pojava. Kristalne celice: V tem delu se bomo omejili na silicijeve sončne celice, kot najpogosteje uporabljane sončne celice v fotonapetostnih sistemih. Učinkovitost sončnih celic je omejena s številnimi dejavniki. Energija fotonov z večanjem valovne dolžine svetlobe pada, največja valovna dolžina, pri kateri imajo fotoni še dovolj veliko energijo za silicij znaša 1.15µm. Sevanje z večjo valovno dolžino povzroča le segrevanje sončnih celic. Foton lahko povzroči nastanek le enega para elektro-vrzel, zato se tudi pri manjših valovnih dolžinah od mejne pojavlja višek fotonov, ki prav tako le segrevajo celico. Zgornja meja pretvorbe vpadne svetlobne energije na sončno celico znaša približno 23% (velja za silicijeve eksperimentalne sončne celice). Pri uporabi drugih materialov je izkoristek lahko večji (eksperimentalno do 30%), zaradi širšega spektra svetlobe, katere vpadno sevanje celica še lahko pretvori v elektriko. Lastne izgube sončne celice nastopajo zaradi kontaktne mreže (lastna zastrtost), notranje upornosti celice in zaradi refleksije sončnega sevanja na površini celice. Kristalne sončne celice so največkrat v obliki rezin, debeline 0,3mm, rezanih iz Si ingota premera 10 do 15cm, in generirajo okrog 35mA toka na cm2 (skupaj do 2A/celico) površine pri napetosti približno 550mV pri polni osvetlitvi. Laboratorijske izvedbe tovrstnih celic imajo učinkovitost do 18%, klasične do 14%.

Polikristalna (levo) in monokristalna sončna celica Amorfne sončne celice Amorfne celice imajo precej slabši izkoristek, ki se giblje med 6 in 8% in se tudi hitreje starajo. Gostota toka znaša do 15mA/cm2, napetosti neobremenjenih celic pa so do 0,8V, kar je več, kot pri kristalnih celicah. Spektralna občutljivost pri amorfnih celicah je pomaknjena bolj proti modri svetlobi, tako da je idealen izvor svetlobe za amorfne celice fluorescenčna žarnica.

Na naslednji tabeli so predstavljeni določeni atributi različnih sončnih celic:

Material % svetovnega tržišča

Izkoristek (modul) % Prednosti Slabosti Perspektive

Monokristalni silicij 42 do 13% Najbolj

raziskan Zamuden proizvodni proces, potrebno je

žaganje rezin

Tudi v prihodnjih letih bo prevladoval na tržišču,

predvsem tam kjer zahtevamo veliko

razmerje moč/površina

Polikristalni silicij 42 do 13% Hitrejši

proizvodni proces

V primerjavi s tankoplastnimi tehnol. zamuden proizvodni

proces, potrebno žaganje

Prevladujoča tehnologija naslednjih desetih let

Amorfni silicij 12 do 6% Ni žaganja

rezin, možna izdelava v

obliki traku

Manjši izkoristek in hitrejše staranje

materiala

Ob premostitvi glavne ovire, t.j dolgoročna

stabilnost, se materialu obeta lepa prihodnost

EFG 2,9 do 13% Zelo hitra rast

kristala, ni žaganja rezin

Proizvodni postopek uporablja malo proizvajalcev

Znatne možnosti znižanja proizvodnih stroškov

Apex <1 do 9% Ni žaganja

rezin, izdelava v obliki traku

je možna

Proizvodni postopek uporablja en sam

proizvajalec

Verjetno material prihodnosti. Možnost

znatnega znižanja proizvodnih stroškov

Kadmijev telurid (CdTe) <1 do 10% Strupene surovine Možnost znižanja

proizvodnih stroškov Bakrov-indijev-diselenid (CIS) <1 do 10% Omejene zaloge indija Možnost znižanja

proizvodnih stroškov [Photon Spezial, Netzgekoppelte Solarstromanlagen 2000, Solar Verlag 2000] Proizvodnja sončnih celic in s tem posledično tudi število in velikost sistemov strmo naraščata. V zadnjih desetih letih se je letna proizvodnja povečala za sedemkrat, vsaki dve leti pa se praktično podvoji, kar je razvidno s spodnjega grafa. Deset največjih proizvajalcev proizvede kar 84% vseh celic. Ta podjetja so Sharp, BP Solar, Kyocera, Siemens Solar, AstroPower, RWE (ASE), Sanyo, Isofoton, Mitsubishi in Photowatt.

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

ostai svetEvropaJaponskaZDASkupaj0

50

100

150

200

250

300

350

400

MW

leto

ostai svetEvropaJaponskaZDASkupaj

ostai sv et 3 4 4,7 5 4,6 4,4 5,6 6,35 9,75 9,4 18,7 20,5 23,42 31,6

Ev ropa 6,7 7,9 10,2 13,4 16,4 16,55 21,7 20,1 18,8 30,4 33,5 40 60,66 88,22

Japonska 12,8 14,2 16,8 19,9 18,8 16,7 16,5 16,4 21,2 35 49 80 128,6 171,22

ZDA 11,1 14,1 14,8 17,1 18,1 22,44 25,64 34,75 38,85 51 53,7 60,8 74,97 105,1

Skupaj 33,6 40,2 46,5 55,4 57,9 60,09 69,44 77,6 88,6 125,8 154,9 201,3 287,65 396,14

1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001

VRSTE SOLARNIH ELEKTRIČNIH SISTEMOV

VRSTA ZNAČILNOSTI TIPIČNE APLIKACIJE

DIREKTNI FOTONAPETOSTNI SISTEMI

Električni porabniki se napajajo direktno iz solarnih modulov. Sistem ne vsebuje akumulatorskih baterij. Najboljše delovanje poleti in v opoldanskih urah.

- ventilatorji - črpanje vode

SAMOSTOJNI ENOSMERNI FOTONAPETOSTNI SISTEMI

Električna energija iz solarnih modulov se shrani v akumulatorskih baterijah za čas, ko je sončno sevanje prešibko za delovanje sistema (ponoči, slabo vreme). Solarni regulator ščiti akumulatorsko baterijo pred prenapolnjenjem in prevelikim izpraznjenjem. Porabniki delujejo na enosmerno akumulatorsko napetost (tip.12V).

- vikendi, lovske koče, oddaljena bivališča - navtika - cestna in morska signalizacija - telemetrija in telekomunikacije

SAMOSTOJNI IZMENIČNI FOTONAPETOSTNI SISTEMI

Električna energija iz solarnih modulov se shrani v akumulatorskih baterijah za čas, ko je sončno sevanje prešibko za delovanje sistema (ponoči, slabo vreme). Solarni regulator ščiti akumulatorsko baterijo pred prenapolnjenjem in prevelikim izpraznjenjem. Porabniki delujejo na izmenično napetost 230V, ki jo s pomočjo razsmernika pretvorimo iz enosmerne akumulatorske napetosti.

- vikendi, lovske koče, oddaljena bivališča - navtika - cestna in morska signalizacija - telemetrija in telekomunikacije

SAMOSTOJNI FOTONAPETOSTNI SISTEMI S POMOŽNIM GENERATORJEM

Enaki kot samostojni, le da ob konicah porabe akumulator dopolnjujemo tudi s pomočjo motornega generatorja prek polnilnika akumulatorjev. Lahko so enosmerni ali izmenični.

- planinske postojanke, večji bivalni objekti - večje telekomunikacijske naprave

OMREŽNI FOTONAPETOSTNI SISTEMI

Solarni moduli so preko omrežnega razsmernika priključeni na javno električno omrežje. Viški energije se pošiljajo v javno električno omrežje.

- solarne elektrarne v urbanih naseljih

SAMOSTOJNI FOTOVOLTAIČNI SISTEMI Samostojne fotovoltaične sisteme najpogosteje uporabljamo v planinskih domovih, lovskih kočah, vikendih. Namenjeni so manjšim porabnikom, kot so žarnice, oziroma razsvetljava, TV aparati in podobno. Samostojne sisteme uporabljamo tudi za črpanje vode, bodisi za potrebe živinoreje ali za oskrbo prebivalcev na redko naseljenih področjih. V zadnjem času se povečuje tudi uporaba večjih samostojnih fotovoltaičnih sistemov za potrebe oskrbe z energijo posameznih bivalnih objektov, še posebej na oddaljenih območjih. Sestavni elementi takšnih sistemov so praviloma tudi razsmerniki, tipične moči pa znašajo do nekaj kW. Posebno mesto zavzemajo fotovoltaični sistemi namenjeni oskrbi objektov, vozil ali plovil za prosti čas in rekreacijo. V to skupino spadajo sistemi za oskrbo avtodomov, jadrnic in podobno.

Zavetišče pod Špičko (fotovoltaični sistem 200Wp)

Z OMREŽJEM POVEZANI FOTOVOLTAIČNI SISTEMI Fotovoltaični sistemi, ki delujejo paralelno z omrežjem se od samostojnih sistemov razlikujejo v tem, da so povezani z javnim električnim omrežjem, kamor lahko oddajajo viške električne energije. Dodatni elementi takšnih sistemov so števci kWh, ki merijo pridobljeno električno energijo in energijo, ki je bila porabljena/odvedena v javno električno omrežje. FOTOVOLTAIČNI SISTEMI INTEGRIRANI V POSLOVNE ALI BIVALNE OBJEKTE Fotovoltaični sistemi, ki jih lahko pritrdimo na obstoječe zgradbe, ali na streho ali na fasado, nam omogočajo proizvodnjo relativno velike količine električne energije v decentraliziranem srednje velikem omrežju. Študije, ki so bile izvedene v Nemčiji, Švici in v Angliji so pokazale, da so strehe in fasade stavb tehnično primerne za montažo fotovoltaičnih inštalacij. Načrtovana moč take posamezne enote je običajno 1 do 5 kW, obstajajo pa tudi sistemi z močjo do 100 kW. V tuji anglo-ameriški literaturi boste za takšne sisteme naleteli na besede "Building Integrated Photovoltaic" - zelo pogosto so takšni sistemi opisani s kratico BIPV. V osnovi gre za to, da so fotovoltaični sistemi vgrajeni v zgradbo že v fazi gradnje objekta, za kar je potrebno predhodno skrbno načrtovanje sistema in sodelovanje strokovnjakov več strok - arhitekture, gradbeništva, elektrotehnike... Glede na to, kje, oziroma na nakšen način so takšni sistemi vgrajeni v fasado ali streho zgradbe ločimo več vrst takšnih sistemov:

•. Sistemi, ki so dodani na fasado naknadno •. Sistemi, ki so sestavni del fasade •. Sistemi, ki so sestavni del strehe •. Sistemi, ki služijo tudi kot senčila

V prvem primeru gre za sisteme, kjer fotonapetostne module na fasado dodamo potem, ko je fasada že narejena. V takšnih primerih gre za sisteme, ki običajno zavzemajo del južne fasade in so ponavadi tudi manjših moči (običajno do nekaj kW). Tam kjer so fotonapetostni sistemi sestavni del fasad so večkrat izvedeni z moduli, ki so delno prosojni, tako da prepuščajo svetlobo tudi v objekt. Na voljo so moduli različnih barv, kar pušča domišljiji sposobnega arhitekta prosto pot, tako, da lahko rečemo da tako načrtovane zgradbe dajejo pojmu arhitektura nov pomen. Sistemi, ki so sestavni del strehe so lahko izdelani iz fotovoltaičnih modulov, ki služijo na delu strehe ali na celotni strehi tudi kot kritina obenem ali pa iz strešnikov s sončnimi celicami, kjer strešniki že vsebujejo sončne celice. Posebna izvedba so sistemi, kjer so moduli nameščeni kot žaluzije, ki obenem služijo tudi kot okenska senčila in jim lahko, če sistem seveda to omogoča, spreminjamo tudi naklonski kot in s tem vplivamo na stopnjo senčenja in izkoristek fotovoltaične pretvorbe. Takšnih sistemov se je v zadnjem času oprijelo ime "Shadow-Voltaic". Najboljše rezultate dosežemo s sistemi, ki so načrtovani z upoštevanjem principov pasivne solarne gradnje in z uporabo fotovoltaičnih sistemov, bodisi vgrajenimi v fasado ali streho. V takšnih primerih so moduli večinoma delno prosojni, tako da prepuščajo tudi del naravne svetlobe, ki služi za osvetljevanje prostorov.

Fotovoltaični sistem na strehi "Les Corsaires" 7.7 kW v Švici.

Za dobrega arhitekta je takšen sistem vsekakor izziv, saj gre za projekte, ki zahtevajo zelo veliko strokovnega znanja tako s področja arhitekture, kot tudi s področja fotovoltaike (sončne energije). Izvedeni projekti v preteklosti so pokazali, da igrajo strokovno znanje in izkušnje zelo veliko vlogo, saj je bilo potrebno projekte, ki so jih načrtovali arhitekti ki niso imeli potrebnih strokovnih znanj in izkušenj, kasneje popravljati, kar je seveda povezano z dodatnimi stroški.

Primer montaže fotovoltaičnega sistema na zgradbo

VELIKI FOTOVOLTAIČNI SISTEMI POVEZANI Z OMREŽJEM Fotovoltaična elektrarna oddaja proizvedeno električno energijo direktno v omrežje s pomočjo sistema inverterjev in transformatorjev. Prva fotovoltaična elektrarna je bila zgrajena v Hysperi-ji v južni Kaliforniji leta 1982 z nazivno močjo 1MW. Uporabili so monokristalne silicijeve sončne celice. Moduli so bili pritrjeni na dvoosni sledilni sistem, ki je zagotavljal večji izkoristek sistema. Fotovoltaične elektrarne niso več nobena redkost. Večje delujejo v Italiji, Grčiji, Nemčiji, ZDA in drugod. Zelo velik takšen sistem z močjo 1MW z elektriko oskrbuje sejmišče v bavarski prestolnici, 1MW na streho objekta nameščen sistem pa deluje tudi v nemškem mestu Herne. Sistem napaja porabnike v zastekljenem objektu, kjer se nahajajo izobraževalni prostori nemškega notranjega ministrstva, hotel, mestna knjižnjica, gostišča in uradi. Največji trenutno delujoči evropski samostojni sistem pa je fotovoltaična elektrarna Serre v Italiji z močjo 3,3 MW.

Fotovoltaična elektrarna v Hysperi-ji v Kaliforniji

FOTOVOLTAIČNI SISTEMI V TRIGLAVSKEM NACIONALNEM PARKU V Triglavskem nacionalnem parku se nahaja 36 planinskih postojank, katerih povprečna nadmorska višina je 1491 m, kar pomeni približno mejo rasti dreves (1400-1500m). Za ogrevanje večina postojank koristi biomaso, ki se nahaja v okolici (čiščenje gozda, odpadni les pri poseku) in s tem prispevajo k bolj urejeni okolici. Za tiste postojanke, ki nimajo možnosti izkoriščati biomase, je edini način transport goriva iz doline. Dve tretjini postojank je odprtih štiri mesece ali manj na leto, sedem jih obratuje čez vse leto. Povprečna odprtost je 5,2 meseca in večina pade na poletne mesece, kar je za izkoriščanje sončne energije zelo ugodno.

Lega planinskih postojank v TNP V osrednjem področju se nahajajo naslednje postojanke:

1. Koča na Mangartskem sedlu 19. Kosijev dom na Vogarju 2. Zavetišče pod Špičko 20. Koča na Planini pri Jezeru 3. Dom v Tamarju 21. Vodnikov dom na Velem polju 4. Mihov dom na Vršiču 22. Dom Planika pod Triglavom 5. Koča na gozdu 23. Tržaška koča na Doliču 6. Koča v Krnici 24. Zasavska koča na Prehodavcih 7. Erjavčeva koča na Vršiču 25. Koča pri Triglavskih jezerih 8. Tičarjev dom na Vršiču 26. Koča pri Savici 9. Poštarski dom na Vršiču 27. Dom na Komni 10. Koča pri izviru Soče 28. Koča pod Bogatinom 11. Pogačnikov dom na Kriških podih 29. Planinski dom pri Krnskih jezerih 12. Aljažev dom v Vratih 30. Dom dr. Klementa Juga v Lepeni 13. Staničev dom pod Triglavom 31. Gomiščkovo zavetišče na Krnu 14. Triglavski dom na Kredarici 32. Zavetišče na planini Kuhinja 15. Kovinarska koča v Krmi 33. Koča na planini Razor 18. Planinska koča na Vojah 36. Lipovčeva koča v Martuljku

V robnem področju:

16. Blejska koča v Lipanici 34. Dom Zorka Jelinčiča na Črni prsti 17. Planinska koča na Uskovici 35. Koča Merjasec na Voglu

Pred desetimi leti so le tri postojanke imele fotovoltaični sistem. Izgradnja sistemov je na PP v zadnjih letih precej narasla, najbolj v letih 1998 in 1999. Devet postojank je bilo opremljenih v okviru programa PHARE. Leta 1998 je bil na Kredarici postavljen tudi veterni generator, ki je bil do takrat postavljen samo na Gomiščkovem zavetišču na Krnu. V Kovinarski koči v Krmi je ostala mini hidroelektrarna kot pomožni vir energije, saj je bila tudi ta postojanka opremljena z solarnim PV sistemom. Najbolj pogosti način za proizvodnjo svetlobe je bil včasih plin, ki ga se vedno uporabljajo tam kjer je zgrajena plinska instalacija, vendar se njegova uporaba umika zaradi nevarnosti požarov in eksplozije.

Paneli sončnih celic na steni Pogačnikovega doma na Kriških podih PV sistemi niso dimenzionirani glede na konico porabe električne energije, ker so konice redke (vzdrževalna dela in podobno), tako da si v primeru večje porabe pomagajo z dieselskimi in bencinskimi agregati. Največ se uporabljajo monokristalni solarni moduli, ki so primerni tudi za ekstremne pogoje kot so debela toča, zaledenitve, slana, megla, UV žarkom in imajo veliko temperaturno območje, ter minimalno izgubo moči z leti. Akumulatorji so svinčeni stacionarni tako da v primeru razlitja ne pride do onesnaženja, saj so Alpe zgrajene pretežno iz apnenca, ki s kislino reagira v sadro. Večina sistemov ima vgrajen sinusnimi razsmernik (=24V/~230V, 50Hz) z visokim izkoristkom (93%) in lastno porabo pod 1W pri delovanju.Večinoma so moči od 400-800W in zdržijo do 300% kratkotrajno preobremenitev. Do okvar PV sistemov prihaja zelo redko in so največkrat posledica nepravilnega ravnanja človeške roke. Sicer pa so tudi primeri okvare zaradi udara strele (uničena regulacija), dolgotrajna izpraznitev akumulatorjev, kar ima za posledico zmanjšanje njihove kapacitete in led (krivljenje nosilnih okvirjev).

Na grafu so prikazane moči sistemov in njihova nadgradnja na PP od leta 1991 do 1999. Prikazane so vse PP kjer je bil sistem vgrajen! Pred desetimi leti so bili v TNP le trije PV sistemi, predvsem zaradi visokih investicijskih stroškov. Število je naraslo po programu PHARE pred dvema letoma. Trend naraščanja je razviden s spodnjega grafa. Skupna instalirana moč sončnih celic v TNP znaša nekaj več kot 19 kWp. Preko celega leta bi ti sistemi lahko proizvedli približno 18.700 kWh električne energije. Ker pa so planinske postojanke odprte večinoma le v poletnih mesecih je ocenjena proizvodnja električne energije s PV sistemi 9.000 kWh, kar v grobem ustreza prihranku 3.300 litrov goriva za pogon agregatov.

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Zavetišče pod Špičko

Koča v Krnici

Koča pri izviru Soče

Pogačnikov dom na Kriških podih

Aljažev dom v Vratih

Staničev dom pod Triglavom

Triglavski dom na Kredarici

Kovinarska koča v Krmi

Blejska koča v Lipanici

Planinska koča na Vojah

Kosijev dom na Vogarju

Koča na Planini pri Jezeru

Vodnikov dom na Velem polju

Dom Planika pod Triglavom

Tržaška koča na Doliču

Zasavska koča na Prehodavcih

Koča pri Triglavskih Jezerih

Gomiščkovo zavetišče na Krnu

Koča na Planini Razor

Dom Zorka Jelinčiča na Črni prsti

moč sončnih celic [W]

19991997199519931991

1991 1993 1995 1997 1999

2055 2595

19045

10775

5335

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

skup

na m

oč P

V si

stem

ov [W

]

leto

PRVA SOLARNA ELEKTRARNA V SLOVENIJI Na Agenciji za prestrukturiranje energetike, so se odločili za postavitev prve elektrarne v Sloveniji, ki za proizvodnjo elektrike izkorišča sončno energijo in proizvedeno električno energijo pošilja v elektroenergetsko omrežje. V prvi fazi so postavili sistem solarnih modulov moči 1,1 kW, predvidena končna instalirana moč solarne elektrarne pa naj bi bila 50 kW. Prva solarna elektrarna v Sloveniji je pilotni projekt, ki bo služil predvsem v promocijske, demonstracijske, raziskovalne in izobraževalne namene.

Fotomontaža postavitve solarne elektrane moči 50 kW

Dejansko instalirana solarna elektrarna moči 1,1 kW

NEKATERI PRIMERI FOTOVOLTAIČNIH SISTEMOV V SVETU

Največji PV sistem priključen na omrežje se nahaja na Nizozemskem v kraju Haarlemmermeer. Na strehi razstavnega prostora je nameščenih 19.000 PV panelov (skupna površina 26.100 m2) s skupno močjo 2,3 MWp. Letno naj bi ta sistem proizvedel 1,23 GWh električne energije.

Fotovoltaični sistem na strehi sejma v Munichu Do nedavnega največja solarna elektrarna se nahaja na strehah šestih hal, ki tvorijo novi sejem v Munichu. Elektrarna proizvede do 1 milijon kWh električne energije letno. Električno energijo dovajajo direktno v 20 kV omrežje sejma. Tu so prvič uporabili nove Siemensove solarne module M130-L, ki so bili razviti posebej za velike fotovoltaične elektrarne. Monokristalni solarni moduli-model 7812(moč enega modula je 130W) so vgrajeni v zelo lahke okvirje na strehi sejemskih hal. Električna energija, proizvedena s pomočjo te nove elektrarne, bo pomenila zmanjšanje letnih izpustov ogljikovega dioksida v ozračje kar za 1000 ton. Za primerjavo naj služi podatek, da ima tako emisijo 700 avtomobilov, izmed katerih vsak naredi 10 000 km na leto.

Fotovoltaična elektrarna na strehi banke v Berlinu

Fotovoltaična elektrarna v Paffendorfu

Fotovoltaična elektrarna v Vahnumu

Maksimalna moč 101kW Skupna površina modulov 780m2 Število modulov / Kraj Berlin Leto izgradnje 1997

Maksimalna moč 100kW Skupna površina modulov 935m2

Število modulov 1332 Kraj Paffendorf Leto izgradnje 1997

Maksimalna moč 101kW Skupna površina modulov 988m2

Število modulov 2052 Kraj Vahnum Leto izgradnje 1997

Fotovoltaična elektrarna v Berlinu

Maksimalna moč 10kW Skupna površina modulov 120m2

Število modulov 168 Kraj Berlin Leto izgradnje 1996

Ime elektrarne Becker Država Avstrija Tip elektrarne Priključena na omrežjePostavitev Strešna montaža Maksimalna moč 3,18kWp Površina modulov 25,60m2

Ime elektrarne Vulcano Država Italija Tip elektrarne Priključena na omrežjePostavitev Statično pritrjeni moduliMaksimalna moč 80kWp Površina modulov 1174m2

1995 2000 2005 20100

2,0Gigawatt

Fotovoltaikaglobalni razvoj trga in cen

SLIKA Št.5 Globalni tržni volumen in razvoj cen do leta 2010

1,5

1,0

0,5

$/Wp5,0

3,0

2,0

1,0

0,0

4,0

ZAKLJUČEK V prihodnosti se pričakuje, da bodo fotovoltaični sistemi postali eni od stebrov obnovljivih virov energije, čeprav bomo še nekaj časa odvisni od zemeljskega plina, olja, premoga in jedrske energije. Pri vključitvi v velika omrežja je fotovoltaika še daleč od gospodarnosti. Drugače je pri malih naseljih, ki se razvijajo v mesta. Več kot dve milijardi ljudi ni priključeno na električna omrežja. V prihodnosti se zato predvideva, da oskrbo z električno energijo, lahko tem ljudem omogočijo le obnovljivi viri, ki bodo znatno cenejši kot priključitev na že instalirana omrežja. V zadnjih dveh do treh letih so se distribuirani sistemi razširili po celem svetu, skupna instalirana moč je znašala približno 150 MW. Zadnje raziskave kažejo, da bo po letu 2010 letno povpraševanje po fotovoltičnih sistemih med 1500 in 2000 MW.

Diagram, ki nam ponazarja padec cene ter povečanje število PV-sistemov

Ime elektrarne Marzili Država Švica Tip elektrarne Priključena na omrežjePostavitev Statično pritrjeni moduliMaksimalna moč 22,71kWp Površina modulov 170,1m2

Za konec pa še povzetek, da lahko fotovoltaične sisteme uporabimo in zgradimo skoraj kjerkoli in taki sistemi so zares zelo ekološki in nimajo bistvenega posega v naravo. Čim več bo takih sistemov tem čistejše okolje bomo imeli. Fotovoltaika je tehnologija prihodnosti. Fotovoltaične sisteme lahko uporabljamo:

na zemlji 240kW PV-sistem na strehi v Basel-u v zraku eksperimentalno letalo NASE, Helios na morju gliser na sončni pogon, Zholar v vesolju Rover 2003 – raziskovalno vozilo za Marsovo površje