1.0 Uvod

Sunce je nepresušan izvor energije. Sunčeva energija prikuplja se uz pomoć solarnih panela. Postoje tri vrste ovakvih panela, koji prikupljaju sunčeve zrake i transformišu ih u solarnu energiju. Korišćenje solarne energije ima neograničene mogućnosti. Iako upotreba solarne energije deluje manje ekonomično, u dugoročnom pogledu se isplati. Takođe, proizvodnja solarna energija je još uvek u razvoju, pa se u bliskoj budućnosti očekuje i veća efikasnost i optimizacija iste.

Potreba za proširenjem solarnih elektrana u okviru obnovljivih izvora energije je sve veća. Solarna energija postaje sve dostupnija potrošačima, nižim cenama opreme i sve većom potrebom za eko energijom. Početna investicija u ovaj izvor energije je velika, ali prema proračunima, uložena sredstva se mogu vratiti na sedam do devet godina, u zavisnosti od jačine sunca. Nakon toga, troškovi su minimalni. Smanjenjem potrošnje električne energije, smanjuju se i drugi troškovi.

Struja se može dobiti iz mreže u stambeni prostor ili poslovni objekat kroz brojilo električne energije. Brojilo zatim sračunava i beleži koliko je energije u toku meseca potrošeno. Sa druge strane, tu je električna energija koja se proizvodi iz sunčeve svetlosti, uz pomoć fotonaponskih ili solarnih panela. Količina električne energije je srazmerna intenzitetu sunčeve svetlosti i broju sunčanih dana. Proizvodnja struje je moguća i u oblačnim uslovima, u manjoj količini. Solarni i fotonaponski paneli us pouzdan produkt bez dodatnih delova i može trajati trideset godina bez održavanja.

Solarna energija je korišćena prvi put u šesnaestom veku. Od tog perioda, pa do danas je sprovedeno dovoljno istraživanja da bi se dobila razna rešenja za eksploatisanje sunčevog zračenja.

Cena solarnih sistema vremenom opada, od sredine dvadesetog veka je opala za preko 250%. Cene panela su u toj meri opale, da postoji opcija zamene konvencionalnih elektrana solarnim postrojenjima. Na pad cene panela uticao je stali napredak tehnologije, veliki broj elektrana i proizvođača, kao i niža cena izrade modula u Kini.

Poslednjih nekoliko decenija počinje širenje svesti o očuvanju životne sredine, ekološkom projektovanju i korišćenju novih izvora energije, bez emisija štetnih gasova, što dovodi do napretka u solarnoj industriji. Svake

godine je sve veći broj solarnih fotonaponskih elektrana, sa sve većim kapacitetom, i solarni sistemi postaju sve efikasniji, veći i složeniji.

Instalacija solarnih sistema je danas pristupačna kako u industriji, tako i u stambenim objektima. Cene solarnih panela opadaju, a sve je više načina za optimizaciju solarne energije i uštedu prilikom ugradnje sistema, a kasnije i maksimalnim korišćenjem sunčevog zračenja.

2.0 Solarna optimizacija

Poslednjih decenija, istraživanja se koncentrišu na razvoj čistih i obnovljivih izvora energije, i sigurno je da u bliskoj budućnosti mogu zameniti izvore energije bazirane na ugljeniku, kao što su ulje, nafta i gas. Jedan od razloga za to je činjenica da će većina energije bazirane na ugljeniku nestati u sledećih pet decenija, a drugi razlog je to što je takva energija glavni uzrok globalnog zagrevanja. Solarna energija, kao primarni izvor energije, je u fokusu velikog broja istraživanja i sektora, posebno u zemljama sa obiljem sunčevih zraka. Dosta istraživanja je dovelo i do poboljšanja efikasnosti solarnih ćelija. Efikasnost solarnih ćelija je 1990. godine iznosila 17%, dok je u kasnijem periodu povećana na 35%. Još uvek postoje nedostaci u korišćenju solarne energije. Jedan od njih je relativno visoka cena, a drugi manji nivo efikasnosti, iako je trenutna stopa 35%.

2.1 Optimizacija - modul za praćenje kretanja sunca

Jedan od ključnih nedostataka je pozicioniranje solarnih ćelija, posebno u toku leta, kada sunčevih zraka ima i preko šesnaest sati dnevno, a ne može se izvući maksimalna količina energije iz ćelija.

Modul za praćenje kretanja sunca je uređaj koji postavlja fotonaponske panele u optimalni položaj u zavisnosti od Sunca tokom dana i povećava količinu energije prikupljene od 35 % do 50%.

U komercijalne svrhe, za optimizaciju solarne energije, dostupni su jednoosni I dvoosni moduli za praćenje kretanja sunca. Bitno je da paneli budu u savršenom položaju u odnosu na sunce. Otuda model ima sposobnost kretanja na obe strane, uz pomoć dva step motora. Jedan od ta dva motora pomaže u okretanju panela u pravcu istok – zapad, dok drugi motor pomaže u pomeranju komponenti koje menjaju ugao panela. Sistem generisanja solarne energije je dizajniran proučavanjem različitih pristupa optimizaciji, dodavanjem modula za praćenje kretanja sunca.

Postoje razne metode za praćenje pozicije sunca. Najlakse i najjednostavnije je koristiti LDR1, detektovanjem varijacija u jačini svetlosti na površini fotootpornika. U jutarnjim satima zraci sunca padaju sa istoka ka zapadu. Otuda se intenzitet svetlosti meri uz pomoć dva fotootpornika, postavljena na ivicama ploče. Kako se intenzitet pomera ka istočnoj strani, tako signal iz fotootpornika dolazi do mikro kontrolera i motor pomaže u rotiranju ploče ka istoku. Ugao ploče se prati kroz žiroskop.

U podne sunce dostiže maksimalnu visinu u podne, tada LDR šalje signal. Na osnovu pravila trougla, potreban ugao se meri i pokreće se motor. Slično tome, u večernjim satima se programira i treće kretanje ploče. Ako se ploča pomeri više nego što je predviđeno, šalje se signal, i ploča se vraća u predviđen položaj. Sistem se pokreće svakih trideset sekundi.

Granični prekidači se koriste na obe strane za prekid rotacije ploče kada se dostigne maksimalni ugao. Na ovaj način stiče veću efikasnost i dobija više snage sa istom veličinom solarnog panela.

2.2 Optimizacija uz pomoć izbora nagiba

Orijentacija i nagib solarnih panela utiče na količinu solarne radijacije koja dolazi do površine panela tokom dana, pa i godine. Izbor nagiba solarnog panela je od suštinskog značaja za njegovo efikasno funkcionisanje, jer pogrešno pozicioniranje solarnog panela dovodi do nepotrebnog smanjenja potencijalne energije. Nekada je dosta rađeno na određivanju optimalnog nagiba, primenom postojećih modela za određenu lokaciju. Ovakav pristup je pokazao uspeh u klimatskim uslovima sa najpovoljnijim solarnim potencijalom, gde više od 90% solarne radijacije dolazi od direktnog snopa zračenja.

Preciznost ovih modela na pomenutim lokacijama pripisuje se niskom stepenu oblačnosti i konsekventnom dominacijom snopa zračenja kao dela globalnog zračenja. Zemlje Evrope koje se nalaze iznad 45° geografske širine, zahtevaju drugačiji pristup optimizaciji nagiba, jer dobijaju najmanju količinu direktnog zračenja sa približno polovinom difuzne radijacije, što je posledica česte oblačnosti. U tim uslovima se optimizacija solarne energije može postići odabirom metode koja uključuje predviđanje količinu zračenja i određivanje stalnog nagiba ploče, čime bi se postiglo maksimalno prikupljanje sunčevih zraka. Ovaj model se može koristiti i u drugim klimatskim uslovima, mada je njegova najčešća primena u predelima sa manjom količinom direktnog zračenja.1 Light Dependent Resistor - Fotootpornik

2.3 FN 2 inverteri za optimizaciju  

Jedni od čestih optimizatora energije, su visoko efikasni FN inverteri i web portali za praćenje modula i detektovanje grešaka. SolarEdge sistem3 omogućava prikupljanje veće količine solarne energije iz bilo kog FN sistema, efikasnim uklanjanjem poznatim sistemima ograničenja kroz prostor fotonaponske energije.

2.4 Kombinovanje kondenzacione i solarne tehnologije u cilju solarne optimizacije

Pored visoke temperature izduvnih gasova, kondenzaciona tehnologija takođe delom dobija energiju i od vodene pare koja se kondenzuje, što je razlog da kondenzacioni kotlovi imaju visoku efikasnost.

Kombinacijom solarne i kondenzacione tehnologije smanjuju se troškovi, bez smanjenja kvaliteta grejanja. Sa novom generacijom regulatora sa solarnom optimizacijom može se uštedeti do 15% više, u odnosu na korišćenje drugih solarnih sistema.

Solarnom optimizacijom se koordinira rad solarnog sistema i kondenzacionog kotla, a u isto vreme se razmatraju i potrebe objekta za grejanjem i toplom vodom, kao i vremenski uslovi. Ishod ove metode su smanjeni rad gasnog kotla, a povišen rad solarnog sistema, što rezultira manjom potrošnjom gasa, i većom upotrebom energije sunca, čime se ne odbacuje skupa energija.

2.5 “Solar inside” program

Program “Solar inside” čuva parametre u proteklih mesec dana – vremenske uslove i količinu energije koja je utrošena u objektu. Sa ovim podacima i praćenjem promene temperature preko senzora na solarnom kolektoru, podešava se vreme uključenja gasnog kotla, čime se postiže duži rad kolektora. U jutarnjim časovima, kod drugih sistema se pokreće pomoćni sistem, dok se kod ovog sistema solarna energija maksimalno koristi. Na ovaj način se može uštedeti 15% energije, jer se gasni kotao pokreće samo kada je to nužno.

Oprimizacija solarne energije u sistemu grejanja se takođe može postići pomenutim programom. Kod sistema grejanja “Solar inside” radi na principu registrovanja porasta temperature u samom objektu, koja može 2 FN - Fotonaponski3 Solar Edge - veća iskoristljivost solarne elektrane i nadzor svakog modula posebno

nastati usled prinosa dodatne energije kroz prozore južne orijentacije i pojedine električne uređaje. Na osnovu ovih podataka, dolazi se do zaključka da regulator smanjuje temperature polaznog voda grejanja. Na taj način, postiže se konstantna temperatura u prostoriji i smanjuje se potrošnja energije.

3.0 Ušteda električne energije i smanjenje troškova

Solarni paneli proizvode električnu energiju koja se može odmah koristiti ili skladištiti za kasniju upotrebu. Kako bi se ta energija koristila, ona prolazi kroz konverter, koji se nalazi u blizini električnog brojila. Potrebna električna energija se prvo povlači iz solarnog sastava. Ako je poreba za energijom veća nego što solarni sistem može da proizvede, onda se dodatna struja povlači iz mreže snabdevača.

Ugradnjom solarnog sistema ulaže se u dugotrajni izvor električne energije, koji omogućava uštedu kroz dug niz godina, vraća uložena sredstva i smanjuje troškove električne enrgije. Ako je sistem izveden prema određenim normama, omogućava siguran rad uz minimalno održavanje.

Prosečna potrošnja električne energije u Srbiji je oko 350 kW/h. Pravilnim postavljanjem solarnih panela, može se uštedeti i do 50% troškova. Kako bi se maksimalno iskoristila energija sunca bitno je odrediti orijentaciju kuće ili zgrade i odrediti pogodan položaj za postavljanje solarnog panela. Na osnovu toga se može izračunati koliko energije se može dobiti od sunca. Iako se prema poslednjim istraživanjima predlaže da paneli budu okrenuti ka zapadu, i dalje se smatra da je najpogodniji krov okrenut ka jugu, bez senke koja ga zaklanja.

Ravan krov je pogodan za postavljanje panela ukoliko ga ne zaklanjaju visoke zgrade ili zelenilo, a u tom slučaju bilo koja orijentacija zgrade je pogodna. Kod dvovodnog krova gde je pad ka istoku i zapadu, paneli se postavljaju na istočnoj strani. Idealan položaj dvovodnog krova je pad ka jugu i severu, gde se paneli postavljaju na južnoj stani krova.

Troškovi se mogu smanjiti i odabirom pogodne veličine solarnih panela. Veličina panela zavisi od veličine osunčanog dela krova. Bitan je proračun da se na 100 m² krova može postaviti panel kapaciteta oko 1 kW. Površina ugrađenih panela zavisi od površine slobodnog dela krova. Takođe je bitna i mogućnost korišćenja krovnih ravni za postavljanje panela.

Na smanjenje korisne površine mogu uticati visoke zgrade i senka visokog zelenila, pa na delovima krova koji su osenčeni nepotrebno postavljanje panela može samo povećati troškove, jer se ne može maksimalno iskoristiti sunčeva svetlost. Takođe je bitno na da površini krova nema dimnjaka, jer onemogućavaju ugradnju panela. Krovni prozori, viševodni krovovi i drugi faktori koji dele krov na više manjih površina nepravilnog oblika, takođe smanjuju korisnu površinu krova, a samim tim i veličinu panela.

Da bi se izračinala ušteda kod korišćenja solarnih panela, bitno je znati mesečnu potrošnju u kilovat časovima, pa zatim obračinati cenu. Ušteda se ne može očekivati odmah nakon postavljanja panela, jer se mora računati na troškove nabavke i ugradnje panela. Nakon otplate se dolazi do prave uštede. Vrednost nekretnine se takođe povećava instalacijom panela. Prema mesečnim potrošnjama prosečnog domaćinstva u Srbiji, dolazi se do zaključka da se ugradnjom oko 100 m² može uštedeti i do 50% na troškovima za električnu energiju.

4.0 Primeri

4.1 Fabrika automobila Jaguar Land Rover

S obzirom na to da je za postavljanje panela potrebna što veća površina krova, dolazi se do zaključka da krovovi fabrika i drugih privrednih objekata nude odlične uslove za instalaciju istih. Razne fabrike automobila na svojim objektima postavljaju solarne panele. Ovim fabrikama se pridružila i Kompanija Jaguar Land Rover, postavljanjem najveće površine solarnih panela u Velikoj Britaniji. Ovaj objekat se nalazi u Južnom Stafordširu. Procena kompanije je da trenutna veličina sistema od 21 000 fotonaponskih panela, uvećana za 6,3% može pokriti 30% potreba za strujom ovog objekta.

U celoj fabrici se konstantno analizira potrošnja energije, uz pomoć uređaja za energetski monitoring, kako bi se odredile oblasti potendijalene uštede energije. Osim toga, u uštedi pomažu i dobra termoizolacija, sistemi grejanja, hlađenja i osvetljenja.

4.2 Poslovni objekat u Kini

Najveća poslovna zgrada koja koristi solarnu energiju je zgrada lepezaste forme u severozapadnoj Kini. Smeštena je u gradu Dezhou u Shangdong provinciji. Površina strukture je 75 000 m², i predstavlja višenamenski objekat sa izložbenim prostorima, prostor za naučna istraživanja, konferencije, kao i hotel, a svi ovi sadržaji koriste isključivo solarnu energiju.

Dizajn novog objekta je zasnovan na sunčanom časovniku i naglašava hitnost traženja obnovljivih izvora energije kao zamene fosilnih goriva. Osim očigledne održive prirode solarnih panela - spoljašnosti objekta, druge ekološke karakteristike uključuju napredne principe insolacije krovova i zidova objekta, što dovodi do uštede energije do 30% više od nacionalnog standarda. Pored toga, spoljna struktura zgrade koristi samo 1% od ukupne količine čelika koja je korišćena pri izgradnji “Ptičjrg gnezda” u Pekingu.

4.3 Solarna fasada – “Korejska kula”

Jedan od najefikasnijih primera solarnih fasada je zgrada u Seoul-u, koja koristi napredni fotonaponski solarni fasadni sistem. U izgradnji ove zgrade, visine oko 245 m, ugradnjom sistema solarne fasade, povećanje cena je približno početnoj investiciji.

Briljantan u svojoj jednostavnosti, spoljašnji zid u harmonika - stilu će sadržati građevinske integrisane panele okrenute ka nebu, dok je zastakljen deo okrenut prema zemlji. Ova postavka koristi potencijal panela dajući im željeni orijentaciju, a staklo će moći da reflektuje veći procenat letnjeg sunca, čime se smanjuje opterećenje sistema za hlađenje. Zajedno sa optimalnim uglom, efikasnost solarnih panela će biti neverovatna za vertikalne panele.

Nekoliko spratova će imati puno zastakljivanje u gornjem delu kako bi se razbila monotonija na fasadi zgrade, kao i da omogući dublje prodiranje svetlosti u unutrašnjost zgrade. Ukupni troškovi izgradnje fasade nisu bili značajno viši od uobičajenih sistema, ali dobitak efikasnosti će obezbediti brz povraćaj investicije.

4.4 Poslovni objekat u Švajcarskoj

Generisanje obnovljive energije za napajanje održivih zgrada je samo jedan od primera održive arhitekture, a drugi, a možda i jednako važan, je sistem za skladištenje viška energije za upotrebu kada je sistem ne proizvodi dovoljno energije. Dizajnirana od strane Mierta & Kurt Lazzarini Architekten, “Islas Commercial Office” zgrada obavlja obe funkcije efikasno.

Poslovna zgrada je zapravo energetski objekat za skladištenje, koji poput baterija, skladišti električnu energiju u obliku toplote. Poslovnu zgradu karakteriše upotreba betonskih podova, podzemnih rezervoara za vodu i velike količine solarne energije iz proizvodnih sistema na krovu, za proizvodnju i čuvanje energije za kasniju upotrebu. Fasada je prekrivena talasastom limom i staklom koji odražavaju izgled okoline i stalnu promenu svetlosti.

Energija generisana fotonaponskim panelima na krovu se skladišti u rezervoarima za vodu postavljenim ispod zgrade. Slično, betonski podovi deluju kao termičke mase za skladištenje toplote sunca tokom dana za upotrebu kada nema sunčeve svetlosti. Jedinstveni organizacioni sistema osigurava da zgrada zahteva manje veštačkog grejanja čak i tokom zimske sezone.

4.5 Gradska skupština, London, UK

Jedan od projekata glavnog grada od najvećeg simboličkog značaja, Gradska skupština, izražava transparentnost i dostupnost demokratskog procesa i pokazuje potencijal za održivu i zelenu izgranju.

Oblik zgrade postiže optimalne energetske performanse povećanjem osenčenih površina i minimiziranjem površine izložene direktnoj sunčevoj svetlosti. Gradska skupština koristi samo četvrtinu energije koju utroši tipični klimatizovani poslovni objekat u Londonu.

Fotonaponski solarni paneli su instalirani na krovu Skupštine grada u avgustu 2007. godine kako bi se obezbedila energija za objekat, pretvaranjem svetlosti u električnu energiju bez otpada i bez emisija. Gradskoj skupštini je moderna staklena zgrada, koja je prvobitno dizajnirana od strane Ser Norman Fostera, a cilj je bio što veća energetska efikasnost.

4.6 Poslovni objekat u Geteborgu, Švedska

Kuggen4, poslovna zgrada u Geteborgu u Švedskoj, obložena je panelima crvene nijanse, za razliku od bilo koje održive zgrade. Inspirisan zupčanikom, kružnu zgradu je projektovao Vinngardh Arkitektkontor. Sastoji se od šest spratova, pri čemu je svaki zarotiran ka jugu kako bi se obezbedio hlad spratu ispod. Fasade visokog učinka i efikasno postavljanje prozora je kombinovano sa solarnom energijom.

4 Kuggen (švedski) - zupčanik

Prozori u obliku trougla peopuštaju svetlost tamo gde je najpotrebnija, a to je sa krova, tako da dnevna svetlost dolazi do centra zgrade. Dugotrajne keramičke ploče služe kao fasadna obloga, koje su potom prefarbane u nijansama crvene. Struktura zgrade se sastoji od prefabrikovanih betonskih panela koji pružaju toplotnu masu. Sistem prirodne ventilacije i osvetljenja pomaže u smanjivanju potrošnje energije gde i kada je to potrebno.

Na krovu, solarni termalni sistem generiše toplu vodu za upotrebu unutar zgrade, a najimpresivnija karakteristika zgrade je rotirajući panel koji gornju etažu štiti od sunca. Gornja etaža nema zaklon od sunca , pa su instalirani panel i metalna šina, gde panel prati sunce, pružajući senku za prostore iza panela. Fotonaponska solarna energija je integrisana u panele kako bi se proizvela električna energija za upotrebu u objektu. Sa svim merama energetske efikasnosti , dnevne svetlosti i fasade, zgrada koristi manje od 60 kwh/m².

6.1 Zaključak

Rad fotonaponskih solarnih ćelija nema uticaja na okruženje. Fotonaponske ćelije ne proizvode štetne emisije gasova, za razliku od drugih izvora energije. Iz tog razloga solarne ćelije pozitivno utiću na životnu sredinu, jer se njihovom eksploatacijom umanjuje upotreba drugih izvora električne energije, koja je preko potrebna u današnjim uslovima života.

Jedan od detalja koji u pomenutoj tehnologini negativno utiče na okolinu je sama proizvodnja fotonaponskih ćelija, koja uključuje upotrebu pojedinih toksičnih materijala. Za dobijanje materijala od kojih se izrađuju FN ćelije, zahteva dosta energije, pa je potrebno oko tri godine da bi se vratila uložena energija.

Još jedna loša strana, je velika površina za postavljanje panela, koji bi proizveli dovoljnu količinu energije, što iziskuje mnogo materijala. Neki od tih materijala su toksični, pa to takođe predstavlja rizik za okolinu. Površina zemlje koja se nalazi ispod panela se ne može obrađivati, pa je najbolje solarne panele postavljati u područjima kao što su pustinje i drugi neobradivi predeli. Ovi nedostaci u upotrebi solarne energije nikako se ne mogu zanemariti.

Pozitivna strana fotonaponske tehnologije je u većoj meri čist izvor energije. Tokom rada je neprimetno opterećenje okoline, a najbitnije je da ne proizvodi štetne emisije gasova.

Postoje dva načina korišćenja sunčeve tehnologije, aktivne ili pasivne. Aktivno obuhvata uređaje za prikupljanje, pretvaranje i prenos sunčeve energije do potrošača, a pasivno obuhvata izbor pogodnih materijala, orijentacije zgrada, način projektovanja objekata, i druge faktore, kako bi se dobili što bolji uslovi za upotrebu sunčeve energije, smanjila potreba za drugim izvorima energije i smanjili troškovi iste.

Osim upotrebe u industrijskim i stambenim objektima, solarna tehnologija je proširila svoju upotrebu na razne druge sadržaje i oblasti. Jedan od primera su Međunarodna svemirska stanica i veštački sateliti. Širom Srbije postavljeni su solarni punjači za mobilne telefone. Sve više se ova vrsta energije koristi u automobilskoj industriji, sve češći su parking prostori sa nadstrešnicama na kojima su postavljeni solarni paneli. Postoje i projekti koji predlažu i rade na izgradnji infrastrukture koja je u potpunosti sastavljena od solarnih ćelija.

Sunčeva tehnologija se pokazala kao isplativ izvor električne energije. Sa razvojem tehnologije i sve nižih cena instalacije tehnologije, smanjuje se i početna investicija, a troškovi se smanjuju, jer nove tehnologije dovode do sve većeg procenta iskorišćenosti solarnog zračenja. Vreme vraćanja početne investicije se vremenom smanjuje, pa se pretpostavlja da će ova tehnologija u budućnosti imati sve veću upotrebu.