Највећи део енергије нашој планети обезбеђује оближња звезда – Сунце. То је усијана гасовита кугла пречника 1.39 милиона километара. Температура на површини Сунца износи око 5780 келвина, а у средишту чак 15.7 милиона келвина. Сунчево језгро је термонуклеарни реактор гигантских размера. У њему се сваког секунда око 600 милиона тона водоника претвори у 596 милиона тона хелијума. „Недостајућих“ 4 милиона тона материје претвара се у енергију по чувеној Ајнштајновој формули Е=mc2, дакле сваког секунда се у свемир пошаље 3.86×1026 Њ у виду електромагнетних таласа, чији спектар одговара зрачењу црног тела на температури од око 5780 К.

Енергија се шири на све стране па Земља, која је удаљена око 149.6 милиона километара, прими тек делић тога, реда 1.74×1017 W. Када треба рачунати приближно, може се сматрати да сваки квадратни метар Земљине површине, ако нема облака, прими 1 кW. Дакле, на кров површине 50 м2 за шест топлих сати летњег дана „падне“ око 288 кЊ снаге, што угрубо представља 10 пута више енергије него што просечно домаћинство потроши струје за читав дан (неких 30 кWh). Ако је облачно, кров ће за исто време примити само 28 кW – кад би се све то претворило у електричну енергију и када би било рационалног начина да се вишак негде акумулира како бисмо имали струје и ноћу, не бисмо морали ни да размишљамо о прикључку на јавну електричну мрежу.

Јавна електрична мрежа је ипак неопходна јер година има и зимско доба, са краћим данима, много облака и хладноћама које захтевају утрошак енергије за грејање. Идеално би било да у јавну мрежу депонујемо струју коју производе наши соларни панели када је имамо у вишку, а да трошимо струју из мреже када наше потребе превазилазе могућност производње. Управо то треба да омогуће нови прописи о употреби соларних електрана, о којима ћемо касније говорити. За сада се бавимо питањем од кога све почиње – како „заробити“ сунчеву енергију и претворити је у електричну… или можда неку другу.

Сунце и топла вода

Сунчева енергија која стиже до Земље представља електромагнетно зрачење које, осим видљивог дела спектра, садржи ултраљубичасте и инфрацрвене компоненте па се може претворити у разне форме енергије: топлотну, хемијску, механичку, електричну… Најједноставније је претварати је у топлотну енергију, па је то и била прва примена соларних панела које је још 1883. године осмислио амерички проналазач Charles Fritz, ослањајући се на истраживања која је 1839. објавио француски научник Едмонд Бецqуерел, као и на идеји да се селенијум користи као фото кондуктор коју је 1873. формулисао Willoughby Smith (данашњи соларни панели користе силицијум а не селенијум, али је принцип исти).

Током седамдесетих и осамдесетих година XX века, мотивисано енергетском кризом, почела је масовнија уградња соларних панела, при чему се енергија добијена из њих користила за загревање воде. Производња електричне енергије из соларне је концепцијски била могућа, али је потребна опрема била прескупа. Размишљало се и о претварању сунчеве енергије у хемијска горива, то јест материјале који би директно заменили нафту и угаљ, али се са тиме није далеко стигло. Но грејање је добро функционисало.

Нећемо се овде бавити детаљима таквих система, само ћемо укратко рећи да пријемна плоча на крову (абсорбер), изложена сунчевој светлости, упија топлоту коју онда предаје радном флуиду који је води у топлотно складиште. Флуид је углавном обична вода (зовемо је и санитарна вода) помешана са антифризом, а може да буде и ваздух. Топла вода се спроводи до бојлера, природним током или (чешће) коришћењем пумпе, где циркулише око котла и греје воду у њему. Дакле, прикупљену енергију колектор не предаје бојлеру директно, већ преко измењивача топлоте, па тај затворени систем омогућава да се као радни флуид користи течност која се не мрзне, што проширује сезону рада система и на најхладније дане.

Данас готово сваки већи бојлер за централно грејање воде има могућност коришћења сунчеве енергије као алтернативе електричним грејачима.

Идеални панел, позициониран тако да генерише максималну енергију, за нашу географску ширину је окренут ка југу и постављен под углом од 35 степени

Још је занимљивија могућност да се лети топлота „ускладишти“ у некакав соларни танк и да се онда зими користи за грејање просторија. То већ захтева припрему код градње објекта, рецимо да се испод темеља угради више десетина тона камена, прописно изолованог и заптивеног, кроз кога пролазе цеви са топлом водом. Друга, значајно боља могућност је да се за складиштење топлоте користи вода, односно да се испод објекта изграде базени, који ће се лети и током топлог дела зимског дана грејати, а онда ће у хладнијим временима ту топлоту враћати кроз подно или етажно грејање објекта. Груби прорачун каже да у 1 м3 воде можемо да ускладиштимо 1,15 kWh топлотне енергије.

Последњих деценија технологија напредује, па је могуће рационално претварање соларне енергије у електричну. Први употребљиви фото напонски уређаји су се појавили педесетих година прошлог века, када су спремани за свемирске бродове. Ћелије су биле хиљадама пута скупље него што су данас, али ствари су кренуле у добром смеру.

Временом ефикасност расте а цене падају, па су соларне ћелије почеле да се јављају и у калкулаторима, ручним сатовима и другим мањим уређајима. У овом веку фото напонска индустрија расте од 15% до 40% годишње, производња се сели у Кину што даље снижава цене, и тако почетком претходне деценије почиње нова ера градње соларних електрана, потпомогнутих државним субвенцијама.

Данас соларни панели користе неких 20% примљене топлоте, док код директног загревања воде коефицијент иде и до 80%. Али струја је практичнија – можемо је користити не само за грејање, него и за хлађење, осветљење, покретање уређаје и све остало што нам падне на памет. Зато ћемо се таквом конверзијом бавити у овом тексту.

Полазимо са врха

Обично се каже да се кућа неће зидати од крова него од темеља, али прича о соларној електрани почиње од крова. Добра вест је да се, супротно раширеним веровањима, готово сваки кров може користити за соларну електрану. Неће се, додуше, увек добити исти резултати. Идеални панел, позициониран тако да генерише максималну енергију, за нашу географску ширину је окренут ка југу и постављен под углом од 35 степени. Ако је угао мањи, панел ће у пиковима производити мање енергије, али је звонаста крива (са нижим теменом) нешто шира. Површина испод те звонасте криве је мања, дакле производимо мање енергије, али нам може више одговарати да у дужем периоду производимо мање, него да у пику, када је Сунце у зениту, производимо много више, а касније да производња падне.

Када је панел хоризонталан (раван кров), производња енергије на годишњем нивоу је за око 15% мања него код идеалног крова; разлика очито није превелика. Зато и кажемо да ће велика већина кровова давати солидну енергију, али је питање да ли ће се инвестиција вратити за 6 или за 9 година. Што се страна света тиче, југ је најбољи, али се добри резултати добијају и постављањем панела у оријентацији исток‑запад, нарочито на индустријским погонима које често карактеришу равни кровови.

Соларни панел је низ од 60 или 72 редно везаних ПН спојева; у новије време се користе и панели са 120 или 144 полућелије. Добро осветљен ПН спој даје напон од око 0.7 волти – јако упрошћено речено, „крадемо“ електроне позитивно поларисаном ПН споју, што он надокнађује под дејством светла.

Монокристални или поликристални?

Постоји неколико типова панела, али су најчешће у употреби монокристални и поликристални силицијумски панели. Монокристални панели су израђени од једног кристала силицијума, па је њихова ефикасност већа, али су они због тога скупљи. Препознаћете их по црној боји. Поликристални панели имају ћелије израђене од више кристала, плаве су боје и нешто ниже ефикасности. Постоје и тхин‑филм панели, знатно јефтинији и знатно мање ефикасни, али они полако излазе из употребе.

Монокристални панели су израђени од једног кристала силицијума, па је њихова ефикасност већа, али су они скупљи

Монокристални панели имају смисла ако је простор ограничен, а електрана се налази у подручју које карактерише већа облачност и повремена магла, пошто они боље раде при дифузном светлу. Сматра се да су за наше подручје најпогоднији монокристални ПЕРЦ (Пассиватед Емиттер анд Реар Целл) панели. Ако имате више простора и повољнију климу, поликристални панели су погоднији јер су мање осетљиви на високе температуре, а и цена је нижа.

Панели се лако монтирају на кров, с тим што треба узети у обзир њихову масу. Панел од 60 ћелија који се обично користи за кућну соларну електрану тежи између 18 и 20 килограма, док већи панели (72 ћелије) теже 20‑25 килограма. Панелима није потребно превише одржавања – киша је одлично природно средство за прање, па ће такво „природно чишћење“ бити углавном довољно чим је угао панела преко 10 степени. Нешто већи проблем прави лишће које пада по крову, јер сенке које такве препреке неминовно праве могу да изазову техничке проблеме који су некада чак и оштећивали панеле – низ ћелија изложених сунцу може да „спали“ замрачену ћелију. Данас се у панеле уграђују заштитне диоде које решавају тај проблем, али је ипак уобичајено да се пар пута годишње панели ручно очисте и уједно провере.

Потребно је око 8 година да се систем отплати. Вероватно и мање, пошто ће цена електричне енергије неминовно расти.

Соларни панели временом деградирају – сматра се да губе неких 0.5% капацитета годишње. Обично се декларишу на 25 година, па неки произвођачи дају толику гаранцију, док други дају 25 година гаранције на перформансе (тврде да ће деградација бити мања од декларисане). Зато би се могло рећи да је век панела 30 па и више година, али је у такве тврдње тешко бити сигуран јер нема панела који су толико дуго у употреби. Најзад, материјали напредују, па ћете можда желети да промените панеле и пре него што им истекне радни век, ако су нови уређаји знатно ефикаснији.

Поликристални панели имају ћелије израђене од више кристала. Нешто су ниже ефикасности од монокристалних, али су јефтинији и мање осетљиви на високе температуре.

„Жетва“ струје

Сваки од панела као излаз даје једносмерну струју, која треба негде прикупити и трансформисати у наизменичну струју напона 220 волти и фреквенције 50 Хз. У најједноставнијем случају панели су везани на ред (користи се израз стринг) а кабл од њих води до инвертера.

У инвертеру се стрингови из разних низова панела анализирају и трансформишу тако да се добије максимална могућа снага. Процес се зове Maximum Power Point Tracking, скраћено MPPT.Касније ће у инвертеру та једносмерна струја бити претворена у наизменичну.

У сложенијем случају уз сваки панел монтиран је оптимизатор, мали електронски уређај који излаз из панела претвара у једносмерну струју фиксне јачине, уз максималан напон који се у датим условима може постићи – МППТ се обавља на том уређају. Та једносмерна струја се прослеђује инвертеру, који је претвара у наизменичну. Понекад се за мање системе користи и трећа топографија, где сваки панел има сопствени микроинвертер са MPP tracking, па се већ ту добија наизменична струја, а инвертер није ни потребан, мада неки систем за регулацију и управљање свакако јесте.

Све ове компоненте имају значај и за заштиту панела. Генерално, панел је „најсрећнији“ када ради и испоручује струју. Ако се струја у неком тренутку не испоручује, обично зато што потрошачу није потребна а нема могућност њеног слања у јавну мрежу, панел ће се искључити али ће сунчеви зраци и даље падати на њега, па ће он бити све топлији, што му скраћује радни век. Такође, производња струје је мања ако је температура панела већа – за сваки целзијусов степен раста температуре панела, његова ефикасност опада за око 0.3%. То је још један разлог због кога је потребно аутоматско управљање читавим системом.

Инвертер на вези са клаудом

Инвертер је уређај који једносмерну струју различитог напона трансформише у наизменичну струју константног напона од, у нашем случају, 220 – 230 В и фреквенције 50 Хз. Инвертер је отпоран на временске прилике (сертификован је до нивоа ИП65) што значи да му киша неће сметати, али је ипак боље да га ставимо на неко суво место: у гаражу, подрум или поткровље. До њега се доводе каблови из стрингова соларних панела. На излазу инвертера може да буде монофазна или трофазна струја. Обично се монофазни инвертери користе за системе снаге испод 7 кЊ, док трофазни крећу од 3 кЊ; ако ваша електрана производи између 3 и 7 кW, изабраћете уређај према томе како желите да користите добијену енергију.

У соларној електрани инвертер има и низ контролних функција, па треба да обезбеди оптималну производњу електричне енергије, контролу тог процеса али и његов тренутни прекид уколико наступе неки нерегуларни услови. Уз то, инвертер је повезан на Интернет па шаље извештај о постигнутој производњи у cloud, а кориснику омогућава даљинско управљање и оптимизацију система.

У сваком тренутку можете пратити производњу струје као и укупне уштеде

За тип инвертера се опредељујете на основу планираног сценарија примене електране. Уколико она представља „свет за себе“ и напаја неке конкретне потрошаче (рецимо, системе који рударе криптовалуте), дакле није везана на јавну електричну мрежу, ствари су прилично једноставне и такав систем зовемо одвојеним системом или користимо израз исландинг (од исланд – острво).

Следећа могућност је да електрана, када има вишка енергије, пуни батерије које ће се онда у ноћним сатима користити за напајање потрошача. Затим имамо такозвани грид инвертер, који ради само у присуству мрежног напона и, као извор наизменичне струје, „упумпава“ струју у мрежу као синхрони генератор. Хибридни инвертери могу да напајају потрошаче у кући и вишак енергије депонују у јавну електроенергетску мрежу, што је неки општи случај који ће се најчешће реализовати.

Чим постоји веза са јавном мрежом, инвертер мора да задовољи неке прилично строге услове. Рецимо, шта се дешава ако у мрежи нестане струје? Сигурно не бисте желели да напајате потрошаче у комшилуку, а радници у трафо‑станици који су искључили прекидач да би обавили неку сервисну интервенцију још мање желе да их „удари струја“ која стиже са стране потрошача. Ту је пре свега тзв. анти‑исландинг заштита, која ће у случају нестанка струје у неком јако кратком року (рецимо 2 секунда) искључити соларну електрану са мреже.

Све у свему, инвертер је интелигентни уређај повезан не само на електроенергетску мрежу него и на Интернет, преко кога се њиме управља. Потребно је пажљиво конфигурисање овог уређаја, а касније и праћење рада да би се производња енергије оптимизовала а евентуални проблеми што пре отклонили.

Шта са струјом?

Убедљиво најједноставније и најефектније, мада нажалост не и легално, решење је да излаз из инвертера убодете у било који једнофазни или трофазни утикач у кући. И то је буквално све – потрошачи ће се, кад производите струју, напајати од ње, када нема довољно произведене струје остатак ће се „увозити“ из јавног електроенергетског система, а када производите више струје него што трошите, вишак ће се слати у електроенергетски систем.

Инвертер обезбеђује оптималну производњу електричне енергије, контролише процес, па га по потреби и прекида уколико наступе нерегуларни услови.

Како се то рефлектује на вашем струјомеру? Зависи од конкретног бројила. Нека стара, механичка бројила ће радити управо онако како бисте (нелегално) желели, дакле вртеће се унапред кад трошите струју, а уназад када шаљете струју у систем. На крају месеца, код очитавања, видеће се биланс, па ћете ако је тај биланс у вашу корист, упасти у приличне невоље зато што је бројило показало „негативну потрошњу“. Новија дигитална бројила неће да броје уназад, па ће се на крају месеца видети само колико сте струје потрошили, а неће се знати колико сте послали у систем.

Најзад, у препоручљивом сценарију, где сте систем легално пројектовали, инсталирали и атестирали, добићете модерно дигитално бројило које посебно региструје потрошену струју а посебно оно што сте вратили у систем. Након очитавања платићете разлику, с тим што цене у једном и другом смеру не морају бити једнаке. Комерцијални услови зависе од снабдевача са којим сте се договорили, али и од државних субвенција и читавог низа других параметара. Генерално се појављују два сценарија –  net metering и net billing.

У најједноставнијем net metering сценарију примењује се „робна размена“, киловат час за киловат час. Ако сте у неким периодима дана имали вишак електричне енергије коју сте послали у мрежу, бројило региструје колико сте киловат часова депоновали и касније, рецимо ноћу, ту енергију преузимате из мреже и не плаћате је.

Што је још лепше, ваш салдо се чува током читаве године, па током сунчаних летњих дана можете да депонујете енергију коју ћете користити наредне зиме, када је ваша производња знатно мања, а кући је потребно више енергије, пре свега за грејање. Обично се рачун једном годишње анулира, рецимо 1. маја, и тада мерење поново почиње.

Нет биллинг у причу уводи новац. Електроенергетски систем купује од вас енергију, и плаћа је према ценама које не морају бити фиксне, већ се мењају у зависности од доба дана и других параметара. Могу постојати и државне субвенције које подразумевају да киловат час „чисте“ енергије вреди више од киловат часа који добијате из термоелектране која троши необновљиве ресурсе и ослобађа CО2. Конкретни услови зависиће од уговора који склопите са испоручиоцем.

Данас соларни панели користе неких 20% примљене топлоте, док код директног загревања воде коефицијент иде и до 80%. Али струја је практичнија…

За почетак ће вероватно мањи произвођачи бити упућени на нет метеринг у комбинацији са гарантованим снабдевањем, дакле на ЕПС, док ће већи произвођачи енергије склапати уговоре са другим испоручиоцима, трудећи се да остваре што повољније услове.

Услови ће се вероватно мењати из године у годину, у зависности од ситуације на тржишту, а биће и неких хибридних нет metering+net billing сценарија.

Пројекат и дозволе

Србија је недавно добила нови Закон о коришћењу обновљивих извора енергије који треба да регулише и коришћење соларних електрана. Иако поџаконски акти у тренутку писања овог текста још нису донети, па ни конкретне процедуре нису прецизно дефинисане, верујемо да ће процес изградње електране тећи у неколико фаза. За почетак се добијају услови за пројектовање електране, а затим овлашћена фирма припрема пројекат и предаје га органу локалне самоуправе (општини) која даје одобрење за изградњу. По свему судећи, неће бити потребе за класичном грађевинском дозволом.

Пошто електрана буде постављена, аплицира се за употребну дозволу, која подразумева контролу читаве инсталације и њене техничке спремности. Када је употреба одобрена, власник објекта склапа уговор са снабдевачем о куповини струје и предаји вишка енергије у мрежу. Тада се дефинишу сви детаљи о условима, ценама, начину и роковима плаћања… Најављено је да ће то бити једноставан, типски уговор, нарочито када се ради о малим електранама, рецимо снаге до 10 кWp (киловата у пику). Са нестрпљењем очекујемо поџаконске акте који ће разјаснити многе дилеме.

Да ли се исплати?

Покушаћемо сада да читаву ову теорију сажмемо у конкретан пример – колико би коштао просечан кућни систем који користи сунчеву енергију, колико би струје производио и колико би времена било потребно да се инвестиција отплати? Рецимо да располажемо кровом површине 60 м2, димензија 10×6 метара, који је покривен црепом. Кров је оријентисан према југозападу (32° од смера југа према западу) и кос је, под углом од 24°.

На овакав кров може да се постави 20 панела инсталиране снаге 6.6 кWp (киловата у пику). За само постављање је потребан алуминијумски систем који се уграђује испод црепа и обезбеђује везу за носеће алуминијумске профиле, у које се причвршћују соларни панели. Каблови воде једносмерну струју од соларних панела до места где се налази инвертер, који се прикључује на кућну инсталацију у разводном ормару.

За сада није познато колико ће коштати разне административне таксе за одобрење пројекта и давање употребне дозволе, пошто још не постоје поџаконски акти, али се може рећи да је буџетска цена описаног система – дакле, пројектовање, опрема и инсталација – приближно 5500 евра у динарској противвредности.

Очекивани годишњи принос овакве електране је око 8400 кWh. Ако конзервативно проценимо да ће корисник употребити 7000 kWh од 8400 колико електрана произведе (остатак предаје у мрежу без накнаде), можемо рећи да је вредност уштеђене електричне енергије, са свим акцизама и порезима, око 700 евра годишње. Дакле, потребно је око 8 година да се систем отплати.

Напоменимо да цена струје у Србији у претходних дванаест година расте за око 4% више од инфлације. Са таксама за угљен диоксид чека нас нови скок, који ће директно умањити рок отплате за око 1,5 годину (очекујући таксу од око 2,5 динара по kWh). Зато пројекат соларне електране може да се исплати и пре него што очекујете рачунајући по данашњим ценама. На нашим крововима ће се током следећих година појављивати све више соларних панела, и све више ћемо прелазити на обновљиве изворе енергије. Вама остављамо да одлучите да ли ћете бити early адоптер.

Извор: PCpress.rs