Projektovanje Solarnih Elektrana

Nakon što se odredi odgovarajuća lokacija, sledeći korak je određivanje veličine i kapaciteta solarnih panela koji će se koristiti. To će zavisiti od niza faktora, uključujući količinu potrebne energije, veličinu parcele i raspoloživ budžet.

Posted by Milovan Misho Petković on Wed, Apr 5, 2023
In
Tags

Postupak projektovanja/izrade projekta za Solarnu elektranu (beta verzija teksta)

Uvod

Razlikujemo nekoliko vrsta i načina pretvaranja sunčeve energije u električnu. Osnovna i najčešća podjela je u načinu distribucije električne energije: off-grid i on-grid (vanmrežni i mrežni). Prema vrsti mogu biti termalna i fotoelektrična, prema dizajnu ravna ili koncentriča, konveksna itd. Tako mogu biti kombinovana, konveksna termlana npr. pomoću vodene pare pokreće turbinu generatora i tako proizvodi električnu eneriju. U slučaju da je ta energija vezana u sistem onda je to on-grid Kovneksna termalna elektrana. Ovakve izbedbe su uglavnom eksperimentalne ili se koriste industrijski, pa ćemo u ovom tekstu baviti se isključivo fotoelektričnim ravnim gneratorima struje - što se zove solarni paneli. Zovu se fotoelektričnim (pv), jer pomoću fotoelektričnog efektra (fotoefekat otrkrio je Herc 1887, a Ajnštajn rješio teorijski 1905 godine za šta je dobio Nobelovu nagradu za fiziku) na dopamovanim silicijumskim pločama razdvojenim srebrom generišu struju. Princip rada solarnih panela možete pogledati u ilustrovanom videu.

Off-grid zahtjeva skladištenje energije (baterije), dok grid zahtjeva pretvarače (invertere). Ovdje ćemo se baviti fotoelektričnim generatorima struje prikljčenim u mrežu. Nakon uvodne sistematizacije uvešećemo pojam: Solarna elektrana. Dakle u našem slučaju solarna elektrana je mrežni sistem proizvodnje električne energije iz sunčevog zračenja pomoću ravnih fotonaponskih ploča (solarnih panela).

1. Od ideje do ralizacije

Solarna energija

Solarna konstanta je količina energije izračene od Sunca na gornjoj granici Zemljine atmosfere u jedinici vremena pod pravim uglom na jediničnu površinu, pri srednjoj udaljenosti Zemlje od Sunca (AJ) i iznosi 1367,7 W/m² ± 6 W/m². Osnovni podatak od koga krećemo je solarna konstata ~ 1360 W/m². Sledeći podatak je efikasnost solarnih panela kreće se od 10% - 25% sa tendencijom opadanja tokom godina upotrebe. Današnji paneli imaju oko 22% efikasnosnosti. Znači 1m² može da proizvede maksimalno: 1360*0.22 = 300Wp. Ovo je osnovna karakteristika solarnih panela W, tj Wat pik. Čini maksimalnu snagu koju može dati panel pri punoj osvjetljenosti pod pravim uglom i maksimalnom osunčanošću. Iz ovoga se jasno vidi će električna energija koju proizvede solarna elektrana zavisiti od položaja sunca, vertikalne/horizontalne orjentacije solarnih panela, doba dana itd. Podatak koji nam još nedostaje jeste broj sunačnih sati. To je statistički/meterološki podatak koji nam daje okvire u odnosu na prethodna mjerenja. Na prostoru Balkana broj sunčanih sati varira od 1800-2300 sati godišnje. Pošto radimo samo sa ravnim panelima ugao ravnog panela je 180° pa je maksimalna osunčanost panela 12h dnevno. Obzirom da zemlja tokom godišnjih doba mijenja ugao u odnosu na sunce, znači konačna računica za solarnu elektranu jeste Rimanova suma/dvostruki integral ∫∫ cosφcosθ dφdθ po horizontalnom i vertilanim uglovima pomnožena sa snagom panela…

Srećom postoji dobar kalkulator pomoću koga možemo na osnovu orjentacije i snage odrediti koliku energiju solana elektrana može prozvesti.

Vertikalni ugao

Može biti fikasan ili varijabilan, ali mora zadovoljavati tehničke karakteristike panela. (Većina proizvođača solanih panela zahtjeva minimalni ugoao od 9° zbog zadžavanja padavina i mogućeg oštećenja). Ukoliko radite solarnu konstrukciju gdje se može birati ugao maksimum iskorištenja je 35°. Ukoliko se elektrana postavlja na krov, verikalni ugao će biti ugao krova.

Horizontalni ugao azimut

Horizontalni ugao takođe može biti fiksan ili suncokretov da ide ka suncu, no kod pokretnih elektrana veliki problem je fiksiranosti jeden tačke (osovine) i sve to da izdrži jake nalete vjetra, te ćemo te panele konstrukcije preskočiti. Intuitivno je jasno da je najbolje panele okrenuti prema suncu/jugu. No i tu postoji nejasnoća, potrebno je orjentisati sunčevom jug, a ne magnetnom ili geografskom, jer postoje odstupanja. Sunčev jug se određuje pomoću solarnog kompasa. Solarni kompas

Sada kada imamo uglove možemo kalkulatorom odrediti koliku energiju možemo proizvesti na datoj lokaciji.

2. Idjeni projekat

Lokacija

Iako smo idjeno izabrali lokaciju, da bismo uredili izradili idejni projekat potrebno je privaiti lokacijsku saglasnost ili vlasnički list, zatim odrediti maksimalne mogućnosti elektrane. Osvno lokacijko ograničenje jeste površina na koju će biti montirana elektrana. Uraditi geodetska snimanja ili nabaviti digitalni poligon. Proces montaže zahtjeva poštovanje tehničkih i građevinskih standarda. Paneli ne smiju da prave jedni drugima sijenku, zahjtevaju slobodan pristup panelima za održavanje. Okvirna projekcija za idejni projekat je jedan ili dva reda panela, pa razmak 2-4 m i slobodan pristup elektrani za slučaj požara.

Distirbutivna mreža

  1. Ovdje treba razdvojiti on-grid elektranu za spostvene potrebe, koja može biti dizajnirana da se cijela proizvodnja troši u spostvenom pogonu i nije potrebna dozvola za priključak
  2. Kupac proizvodjač (ugovor sa distributerom)
  3. Proizvođač

Proizvođač može biti vezen u niskonaponsku mrežu ili visokonaponsku. Ovo u mnogome određuje visinu investicije zavisi od kapaciteta distributivne mreže. Kapacitet distributvne mreže zavisi od mnogo faktora i to je podatak koji se dobija od distributera, no da odgovor distributera ne bio negativan, potrebno je dobro izraditi idejni projekat. Uporediti lokaciju i udaljenost sa najbližim dalekovodom. Odrediti kapacitet niskonaposnke mreže/dalekovoda i najbližih trafo stanica. Za slučaj da je projektovana solarna elektrana većeg kapaciteta od on najbliže mreže, priključenje se vrši u dalekovod višeg ranga. Investitor finansira izgradnju dalekovoda i trafostanice. Presjek kabla Odavde se vidi da je projektovanje solarnih elektrana na zemlji ili objektu složen proces koji zahteva niz koraka i razmatranja. Od mapiranja električnih vodova, parcele u QGIS-u do dokumentovanja celog procesa, svaki aspekt mora biti pažljivo planiran i izveden kako bi se osigurala maksimalna efikasnost i profitabilnost. Primjer QIGS katastra dalekovoda i trafostanica BiH

3. Osnovna dozvola

  • Dozvola za priključak kod distributera električne energije. Podnosi se uz idejni projekat i lokacijsku saglasnost. Nakon pozitivnog odgovora distributera može se krenuti u izradu glavnog projekta.

4. Glavni projekat

Pribaviti ponude/predračune i tehničku dokumentaciju za solarne panele, inverter i konstrukciju.

Izrađuje sertifikovano tijelo

Prikuplja se sva potrebna dokumentacija/dozvole

  • Registracija preduzeća sa tačnom djelatnošću
  • Geološka istraživanja (za elektrne na zemlji)
  • Građevinska dozvola
  • Atesti
  • Protivpožarni elaborat
  • Koncesija (za srednje elektrane preko 250kWp) - zavisno od zakonske regulative (poseban odjeljak)
  • Upis u registar

5. Investicija

  • Biznis plan potreban u slučaju da se traže kreditna strestva. (Iskoristiti podatke iz glavnog projekta)

Guba procjena 100kWp

100 [kWp] Investicija [€/kWp] Proizvodnja [h] Cijena struje [€/kWh] Prihod godišnji [€] Povrat [godina]
min 1000 1000 0.1 10.000 10
max 750 1500 0.17 25.500 3
avg 850 1250 0.14 17.500 4,86

6. Izgradnja

Osnova

Iako se za male elektrane obično ne rade geološka istraživanja, preopručuje se da se urade geotehničke metode i izrada profila zamljišta. Za strme podloge poželjno je uraditi procjenu rizika od pojave klizišta. Licencirani građevinski inžinjer će onda uraditi najbolju preporuku za dubinu fundiranja i vrstu temelja. U slučaju elektrana na ravnim ili kosim krovovima, potreban je samo statički proračun.

Konsturkcija

Najčešće se koriste željezne ili aliuminijumske konstrukcije. Definisane su glavnim projektom i statičkim proračunom.

Solarni paneli

275Wp - 550Wp Najčečešće korišteni, potrebno pribaviti tehničku dokumentaciju za potrebe glavnog projekta. Efikasnost: 22,5% sa tendencijom pada od 0,5% godišnje.

Inverter

Inverteri su pretvarači jednosmjerne struje dobijene iz panela (DC) u naizmjeničnu struju u mreži (AC). Inverter sadrži elektroniku koja “ufazi” izlaz te nesmetano pušta struju u mražni trofazni sistem. Inverteri su najizdržljiviji dio solarne elektrane, sa efikasnošću 95% do 99%. Tehničkom dokumentacijom definišu način vezivanja panela, posebnim softerom mogu da unaprede rad elektrane.

Dodatna oprema

Čine je kablovi, konekteri, osiguračni, releji prenapona, uzemljenje, zaštita od groma, zaštitana ograda itd..

Montaža panela

Vrše ovlašteni monteri (oprez viskoki napon!)

7. Puštanje u rad

Vrše licencirana lica. Potrebna detaljna provjera prvih nekoliko dana, pošto se radi o jakim strujama i viskom naponima. (Jake struje dovode do pregrjevanja na slabim kontaktima, a viskoi naponi prave lik 1kV~2cm luk). Poželjno je termalnom kamerom snimiti kompletnu elektranu, a posebno električne spojeve. Nakon probnog perioda potrebna detaljna provjera dva puta godišnje.

Puštena u rad solarna elektrana u Sokocu

8. Prodaja struje.

Distibrucija, berza, brokeri. (Njabolja pondua)

9. Održavanje

Glanvni neprijatelj solanih elektrana je prašina, a posebno smog. Zbog statičkog elektricitieta površina panela skuplja prašinu iz vazguha te je potrebno redovno čišćenje panela. Ukoliko nema padavina potrebno je očistiti panele. Na tržištu odavno postoje roboti za čišćenje panela. Dovoljno je oprati panele i četkom za pranje vozila istrljati. Čišćenje se radi uveče ili rano ujutru.

10. Monitoring

Većina proizvođača invertera nudi svoj softver za praćenje rada elektrane. No kako su to komercijalni softveri oni imaju razna ograničenja i nastoje da korisnike prevedu u kupce sftvera. Zato je najbolje iskoristi softvere otvorenog koda koji će pristupiti inveterovom mjernom mjestu (RS-485 ili LAN) i bilježiti rezultate svako određeno vrijeme. Preporuka je Telegraf + InfluxDB + Grafana. Iako se radi o industrijskom standardu, Raspberry Pi može zadovoljiti sve potrebe monitoringa, te se na njega mogu dodati senzori temperature i vlažnosti vazduga. Ukoliko u blizini postoji javni piranometar (sa dostupnim podacima), podaci se mogu iskorisiti za predikciju najboljeg vremena održavanja. Kalibirisan piranometar se može dodati i na Raspberry Pi za potrebe sakupljanja podataka. Podaci sakupljeni slobodnim softverom nemaju ograničenja vremena čuvanja niti upotrebnog formata, te za nekoliko godina mogu biti jako dragocjeni. InfluxDB ima svoj dodatak, te se sa njega može podesiti alerting(sms/mail/push notifikacije). Vrlo lako se mogu uporediti podaci sa piranometra i invertera i da dobijete obavještenje o poželjnom vremenu za čišćnje panela ili padu proizvodnje elektrane.

Termalnom kamerom mogu da se odrede paneli koji ne funkcionišu.

9. Povrat investicije

Ako niste napisali biznis plan, sad je pravo vrijeme.

10. Dalje

Isti biznis plan odnestie u najblžu banku i napravite još jednu solarnu elektranu, usput istu osigurati od elementarnih nepogoda.

11. Ekologija i zaštita zivotne sredine

Iako je solarna elektrana predstavljena kao zelena energija, nije ona baš toliko zelena. Od rudarenja do komplikovanih tehnoloških procesa za dobijanje panela, ovu vrstu energije ne možemo smatrati najzelenjom 😂. Brza potrošnja solarnih panela (životni vijek oko 20godina) već otvara pitanje odlaganja istrošenih panela. No kako su ta pitanja više tiču proizvođača i regulatornih tijela, vjeruemo da će za to rješenje biti pronađeno skorijoj budućnosti. Australija već ima prvi ciklus istrošenih panela i ulažu napore da se pronađe način za recikliranje panela i izvlačenje čistog silicijum-dioksida. Do tada treba izvšiti sve potrebne mjere zaštie ljudi i životne sredine. Solarne elektrane u okruženju

Zaključak

Kao što se vidi iz prethodne fotografije, za sada smo solarna sirotinja u okruženju, te će razvoj obnovljivih izvora energije neminovno biti proširen kod nas.

Tekst će biti dopunjen zakonskom/podzakonskom regulativom i tehničkim standardima za zemlje Balkana.

Ovaj tekst je pod copyright/GPLv3 licencom. Kompletan ili dijelovi teksta mogu se slobodno koristiti bez saglasnosti autora, uz navođenje izvora. Zabanjeno je koristiti u ovaj tekst u komercijalne svrhe.

Autor: Milovan Misho Pektović, Teorijski i eksperimentalni fizičar

ps. Za sve nejasnoće/sugestije/primjedbe budite slobodni kontaktirajte me na misho@orangeunit.com

comments powered by Disqus