sistemi za ČiŠČenje fotonapetostnih modulov · mpp točka največje moči pv fotovoltaični...

I

SISTEMI ZA ČIŠČENJE FOTONAPETOSTNIH MODULOV

Diplomsko delo

Študent: Adnan Džidić

Študijski program: Univerzitetni študijski program 1. stopnje Energetika

Mentor: doc. dr. Sebastijan Seme

Somentor: izr. prof. dr. Miralem Hadžiselimović

Lektorica: Jerneja Verboten, prof .

Velenje, oktober 2013

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju, doc. dr. Sebastijanu Semetu, in somentorju, prof. dr. Miralemu

Hadžiselimoviću, za vodenje in pomoč pri izdelavi diplomske naloge. Posebna zahvala gre

mami Zehri, bratu Ademu, sestri Medihi,celotni družini, partnerki Jeleni, botrom družine

Bojović, prijatljem Božidaru Markoviću, Nikoli Miličiću in Ognjenu Cupari, ki so bili ob

meni ves čas trajanja študija. Diplomsko delo je posvečeno mojemu očetu Mustafi.

IV

SISTEMI ZA ČIŠČENJE FOTONAPETOSTNIH MODULOV

Ključne besede: sončne celice, čiščenje modulov, nanotehnolgija, učinkovitost

nanopremazov

UDK: 621.311.243:620.3(043.2)

Povzetek

V diplomskem delu so predstavljeni nanopremazi za čiščenje sončnih modulov kot

učinkovita metoda za povečanje izplena proizvodnje električne energije sončnih modulov.

Opisane so fizikalne osnove delovanja sončnih celic, ki so potrebne za osnovno

razumevanje delovanja sončnih modulov. Nanopremazi zagotavljajo, da se umazanija in

dežne kapljice ne zadržujejo na aktivni površini sončnih modulov in s tem zagotavljajo

čistost površine. Na eksperimentalnem primeru je ovrednoten izplen proizvedene električne

energije sončnega modula brez in z nanopremazom očiščene delovne površine. Merjenja

so opravljena na sončni elektrarni Medpodjetniškega izobraževalnega centra Velenje. Iz

analize rezultatov se pokaže, da je uporabnost nanotehnologije v namene čiščenja sončnih

modulov smotrna, saj zagotavlja večji izplen proizvedene električne energije.

V

SYSTEMS FOR CLEANING PHOTOVOLTAIC MODULES

Key words: sollar cell, cleaning photovoltaic modules, nanotechnology, efficiency of nano

coating

UDK: 621.311.243:620.3(043.2)

Abstract

In following dissertation is presented nanotechnology used for cleaning solar modules as

efficient method for increasing electric energy efficiency of photovoltaic modules.

Dissertation includes a description of the physical basis of solar cells which is needed for

understanding function of photovoltaic modules. Nano coat ensures that dirt and raindrops

do not remain on the surface of the modules and hence provide the surface clean.The

efficiency of produced electric energy will be evaluated on experimental example with and

without using nanotechnology. Measuring has been taken on sollar plant „MIC“, Velenje.

Analysis of the results shows usability of nanotechnology because with his application is

possible to increase electric energy efficiency.

VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ........................................................................................................................ 1

2 TEORETIČNE OSNOVE ........................................................................................ 3

2.1 SOLARNA KONSTANTA ...................................................................................... 4

2.2 SONČNO SEVANJE................................................................................................ 4

2.3 SONČNA CELICA .................................................................................................. 6

2.4 ZGODOVINSKI PREGLED .................................................................................... 7

2.5 FOTONAPETOSTNI POJAV .................................................................................. 8

2.6 TIPI SONČNIH CELIC .......................................................................................... 10

2.6.1 Silicijeve sončne celice .................................................................................... 10

2.6.2 Polikristalne silicijeve sončne celice ................................................................. 12

2.6.3 Karakteristike sončnih celic .............................................................................. 13

2.7 SONČNI MODULI ................................................................................................ 16

2.8 TEHNIČNE LASTNOSTI ...................................................................................... 18

2.9 FOTONAPETOSTNI SISTEMI ............................................................................. 19

3 ČIŠČENJE SONČNIH MODULOV Z UPORABO NANOTEHNOLOGIJE ..... 21

3.1 NEČISTOČE NA SONČNIH MODULIH .............................................................. 21

3.2 MOŽNOSTI ČIŠČENjA SONČNE ELEKTRARNE .............................................. 22

3.3 NANOTEHNOLOGIJA ......................................................................................... 30

3.3.1 Hidrofobni in oleofobni nanopremazi (vodo-odbojni in oljeodbojni) ................ 35

3.3.2 Hidrofilni nanopremazi (privlačijo vodo) ......................................................... 35

3.4 VPLIV NANOTEHNOLOGIJE NA ZDRAVJE ..................................................... 37

4 EKSPERIMENTALNI DEL .................................................................................. 39

4.1 REZULTATI MERJENJA SONČNIH MODULOV OČIŠČENIH Z IN BREZ

NANOTEHNOLOGIJE ................................................................................................ 41

5 SKLEP ..................................................................................................................... 47

VII

VIRI IN LITERATURA ................................................................................................ 48

PRILOGE....................................................................................................................... 50

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV ..... 50

PRILOGA B : IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA .......................... 51

VIII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Spekter sončnega sevanja [21] ............................................................................ 6

Slika 2.2: Sončne celice na Mednarodni vesoljski postaji [2] .............................................. 7

Slika 2.3: Sončna celica [22] .............................................................................................. 7

Slika 2.4: Delovanje sončne celice pri osvetlitvi [7] ........................................................... 9

Slika 2.5: Silicijeva celica [24]. ........................................................................................ 11

Slika 2.6: Polikristalna silicijeva sončna celica [5] ........................................................... 13

Slika 2.7: I-U karateristika sončnega modula [7] .............................................................. 14

Slika 2.8: U-P karakteristika sončnega modula [7] ........................................................... 15

Slika 2.9: Prerez zgradbe modula [2] ................................................................................ 16

Slika 2.10: Zaporedna vezava celic [6] ............................................................................. 17

Slika 2.11: Vzporedna vezava celic [6]............................................................................. 17

Slika 2.12: Shema sončnega modula [6] ........................................................................... 18

Slika 2.13: Shema delovanja fotonapetostnega sistema [10] ............................................. 20

Slika 3.1: Zaprašeni sončni moduli [7] ............................................................................. 22

Slika 3.2: Čiščenje ravne sončne strehe z dvigali in teleskopskimi čistilci [11] ................. 24

Slika 3.3: Umazani sončni modul [17].............................................................................. 26

Slika 3.4: Čiščenje sončnih modulov z destilirano vodo [19] ............................................ 27

Slika 3.5: Nanašanje nanopremaza na sončni modul [18] ................................................. 28

Slika 3.6: Poliranje in končna obdelava sončnih modulov [14] ........................................ 29

Slika 3.7: Čiščenje sončnih modulov z čistilnim robotom [15] ......................................... 29

Slika 3.8: Avtomatska samočistilna naprava za sončne module [17] ................................. 30

Slika 3.9: Lycurgusova čaša [13] ...................................................................................... 33

Slika 3.10: Samočistilno steklo na bazi nanotehnologije [13] ........................................... 36

Slika 3.11: Sončni modul očiščen z nanopremazom [14] .................................................. 36

Slika 3.12: Vstopne poti nanodelcev v človeško telo in možne poškodbe [20] .................. 38

Slika 4.1: I-U karakteristika sončnega modula „ Canadian Solar Inc. CS5P-230 ” pri

različni osvetljenosti in pri različnih temperaturah celic [22] ............................................ 40

Slika 4.3: Temperature sončnih modulov in temperatura okolice ...................................... 42

Slika 4.4: Trenutne moči sončnih modulov očiščrnih z in brez nanotehnologijo ............... 42

Slika 4.5: Energijski donos sončnih modulov očiščenih z in brez naotehnologije .............. 43

Slika 4.6: Temperature sončnih modulov in temperature okolice za dan 25. 08. 2013. ...... 44

IX

Slika 4.7: Trenutne moči modulov očiščenih z in brez nanotehnologije za dan 25. 08. 2013.

........................................................................................................................................ 45

Slika 4.8: Energijski donos sončnih modulov z in brez nanotehnologije za dan 25. 08.

2013. ................................................................................................................................ 46

X

KAZALO TABEL

Tabela 2.1: Kemijska sestava Sonca [2] ............................................................................. 3

Tabela 2.2: Osnovni podatki o Soncu [2] ............................................................................ 4

Tabela 2.3: Tehnični potencial obnovljivih virov energije [8] ............................................. 5

Tabela 2.4: Karakteristike posameznih tipov sončnih celic [2] ......................................... 15

Tabela 4.1: Električne lastnosti sončnega modula „Canadian Solar Inc. CS5P-230” [22] .. 39

Tabela 4.2: Mehanske in temperaturne lastnosti sončnega modula „Canadian Solar Inc.

CS5P-230” [22] ............................................................................................................... 39

XI

UPORABLJENE KRATICE

SiO2 Silicijev oksid

P2O5 Fosforjev pentoksid

ISC Točka kratkega stika

UOC Točka odprtih sponk

PMPP Točka največje moči

PV Fotovoltaični modul

SE Sončna elektrarna

UV Ultravijolično sevanje

MIC Medpodjetniški izobraževalni center

XII

UPORABLJENI SIMBOLI

Au Zlato

Ag Srebro

Ni Nikelj

λ [m] Valovna dolžina

Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko

1

1 UVOD

Pretvorba sončne energije v električno energijo s pomočjo sončnih modulov predstavlja

eno izmed možnosti uporabe sončne energije. Sonce je neizčrpen vir energije in tako

idealnen za uporabo v energetiki. Proizvodnja električne energije s pomočjo

fotonapetostnih sistemov je zanesljiva, nima premikajočih se delov, tudi upravljanje in

vzdrževanje je enostavno ter cenovno zelo sprejemljivo. Električno energijo lahko

proizvajamo povsod, kjer so dani pogoji za namestitev sončnih modulov. Jakost sončnega

sevanja, ki pade na sončni modul, je sorazmerna izplenu električne energije modula,

zmanjšanega za izgube in izkoristek modula. Tako izplen proizvedene električne energije

ni odvisen samo od jakosti sončnega sevanja in lokalnih značilnostih, temveč tudi od

tehničnih rešitev sistema. Izplen se lahko zmanjša zaradi vremenskih vplivov in (ne)čistoče

na sami površini sončnega modula.

Predmet diplomske naloge je pokazati možnosti čiščenja sončnih modulov. Ena izmed

novosti na področju čiščenja sončnih modulov se kaže v čiščenju modulov z uporabo

nanotehnologije. Kako je z izplenom proizvedene električne energije tovrstno očiščenih

fotonapetostnih modulov, bomo pokazali v diplomski nalogi.

Na čiščenje fotonapetostnih sistemov lahko gledamo tudi z vidika poslovne priložnosti. Če

v spletni iskalnik vnesemo “čiščenje sončnih elektrarn”, dobimo le nekaj podjetij, ki nudijo

tovrstno storitev. Več ponudnikov to storitev ponuja v sklopu celovitega vzdrževanja. Če

upoštevamo dejstvo, da se število sončnih elektrarn neprestano povečuje, potem je

zagotovo tudi čiščenje sončnih modulov ena izmed zanimlivih poslovnih priložnosti.

Vremenski vpliv je faktor, na katerega ne moremo vplivati. Nečistoče, ki se nabirajo na

površini modula, lahko negativno vplivajo na izplen samega modula. V diplomski nalogi

bodo predstavljeni različni načini čiščenja modulov. Glavni poudarek pa bo na čiščenju


2

sončnih modulov z uporabo nanopremazov. Tako je namen diplomske naloge predstaviti in

pokazati prednosti in slabosti uporabe nanotehnologij za čiščenje sončnih modulov.

Na sončnih modulih Medpodjetniškega izobraževalnega centra (MIC) v Velenju bomo

naredili merjenja in primerjavo med izplenom proizvedene električne energije sončnih

modulov, očiščenih z nanotehnologijo, in sončnih modulov, očiščenih z destilirano vodo.

Na podlagi rezultatov eksperimentalnega dela bomo podali oceno upravičenosti čiščenja

modulov z nanotehnologijo.

Diplomska naloga je sestavljena iz petih poglavij.

V drugem poglavlju so podane teoretične in fizikalne osnove o sončnih celicah,

fotonapetostnih modulih, uporabljenih tehnologijah in način njihovega delovanja. Prav

tako je opisana struktura fotonapetostnih modulov, povezovanje posameznih sončnih celic

v module in karakteristike.

V tretjem poglavju so predstavljene različne možnosti čiščenja fotonapetostnih modulov.

Glavni poudarek je na čiščenju fotonapetostnih modulov z uporabo nanopremazov.

V četrtem poglavju je narejen eksperimentalni del. Opisani so merilni sistemi, postopki

merjenja in predstavljeni rezultati merjenja modulov z in brez uporabe nanopremazov. Na

podlagi rezultatov merjenja so podane ugotovitve.


3

2 TEORETIČNE OSNOVE

Vsa energija, sprejeta na Zemlji, pride od Sonca. Sonce je zvezda, ki je najbližja Zemlji,

ustvarjena pred 4,6 milijarde let. Sončna energija prihaja na zemljo v obliki

elektromagnetnega valovanja in je del naravnih energetskih tokov. Brez sončne energije

življenje na zemlji ne bi bilo možno. V tabeli 2.1 je podana kemijska sestava Sonca. V

tabeli 2.2 so zbrani osnovni podatki Sonca, kot so polmer, masa, povprečna gostota,

izsevana moč Sonca, površinska temperatura in obhodni čas okoli središča galaksije. [1].

Tabela 2.1: Kemijska sestava Sonca [2]

Sonce razpolaga z ogromno količino energije, izvor te energije pa je termonuklearna fuzija,

ki se pri visoki temperaturi odvija v globokih slojih. Med fuzijo se štirje atomi vodika

vežejo in nastaneta dva atoma helija, pri čemer se sprošča ogromna energija. Sproščanje

energije med termonuklearno fuzijo vodi k manjšanju mase Sonca. To zmanjšanje je

neznatno, saj je Sonce do sedaj izgubilo le 5 % prvotne mase. [2].

Kemijski element Odstotek od celotne mase Sonca

Vodik 73,46 %

Helij 24,58 %

Kisik 0,77 %

Ogljik 0,29 %

Železo 0,16 %

Neon 0,12 %

Dušik 0,09 %

Silicij 0,07 %

Magnezij 0,05 %

Žveplo 0,04 %


4

Tabela 2.2: Osnovni podatki o Soncu [2]

Polmer 56,96 10 km

Masa 301,989 10 kg

Povprečna gostota 31,411 /kg m Izsevana moč sonca 263,86 10 W

Površinska temperatura 5780 K

Obhodni čas okoli središča galaksije 82,2 10 let

2.1 SOLARNA KONSTANTA

Solarna konstanta je definirana kot moč sončnega sevanja na enoto površine na srednji

odaljenosti Zemlje od Sonca. Standardna vrednost za solarno konstanto E0 je podana v 2.1:

0 21366

WE

m (2.1)

Prvo oceno solarne konstante je izvedel Claude Pouillet leta 1838 z zelo preprosto napravo

pirheliometrom, s katero je pridobil vrednost 1228 . Pozneje je Charles Greeley

Abbott na začetku 20. stoletja opravil natančnejše meritve in dobil vrednost, ki se je

približala današnji standardni vrednosti.

Povzeto po [1], [2] in [4].

2.2 SONČNO SEVANJE

Teoretični potencial sončnega sevanja je mnogo večji od vseh ostalih teoretičnih

potencialov obnovljivih virov energije (kot so voda, veter, biomasa), ki so posledica ali

druga oblika spremenjene sončne energije. V tabeli 2.3 so zbrani tehnični potenciali

nekaterih obnovljivih virov energije. [1].


5

Tabela 2.3: Tehnični potencial obnovljivih virov energije [8]

Vir energije Sončno

sevanje

Biomasa Voda Veter

EJ/leto 600

100 100

30

Globalno sončno sevanje je sestavljeno iz direktne in razpršene komponente sončnega

sevanja. Direktno sončno sevanje doseže cilj neposredno iz navidezne smeri od Sonca.

Razpršeno sončno sevanje nastaja z razpršenjem sončnega sevanja v atmosferi in prihaja na

objekte iz vseh smeri neba. Kot smo že zapisali, sončno sevanje prihaja na zemljo v obliki

elektromagnetnega valovanja. Spekter elektromagnetnega valovanja sončnega sevanja v

grobem razdelimo na tri dele:

ultravijolično ( ),

vidno ( ) in

infrardeče ( ).

Od celotne energije, ki se ustvarja na Soncu, prihaja 50 % v obliki infrardečega sevanja, 40

% vidne svetlobe in okoli 10 % v obliki ultravijoličnega sevanja. Za razumevanje

pretvorbe sončne energije opisujemo sevanje s pretokom fotonov kot nedeljivih kvantnih

delcev brez mase, a z gibalno količino in točno določeno energijo. Sončno sevanje je

sestavljeno iz množice fotonov različnih energij. Porazdelitev fotonov glede na njihovo

energijo (oziroma valovno dolžino) imenujemo sončni spekter, ki daje spektralno gostoto

sevanja (slika 2.1). Človeško oko zaznava le del sončnega spektra kot vidno sevanje

oziroma kot tako imenovano svetlobo. [3].


6

Slika 2.1: Spekter sončnega sevanja [21]

2.3 SONČNA CELICA

Sončna celica je polprevodniški element, ki pretvarja sončno energijo v električno energijo.

Proces pretvorbe energije je čist, zanesljiv in potrebuje le dovolje energije sončnih žarkov.

Deluje po principu vsrkavanja določenega dela sončnih žarkov v polprevodniški material

(najpogosteje je to silicij kot glavni element sončnih celic). Sončne celice se uporabljajo za

različne namene, v preprostejših napravah, kot so kalkulatorji, in tudi v zelo zahtevnih

naparavah, kot so sateliti in vesoljske postaje. Primer uporabe v satelitski tehniki je

prikazan na sliki 2.2. [1].


7

Slika 2.2: Sončne celice na Mednarodni vesoljski postaji [2]

2.4 ZGODOVINSKI PREGLED

V nadaljevanju bo podan zgodovinski pregled razvoja sončnih celic. Sončne celice delijejo

na osnovi fotonapetostnega pojava, ki ga je prvi opisal francoski fizik Edmond Becquerel

leta 1839. Opazil je, da se napetost med elektrodama, ki sta potopljeni v elektrolit, poveča,

če je srebrna plošča t. i. “mokre baterije” osvetljena. Prvo poročilo o fotonapetostnem

pojavu v trdni strukturi iz selena sta objavila znanstvenika Adams in Day z Univerze

Cambridge leta 1877. Primer silicijeve sončne celice je prikazan na sliki 2.3. [3].

Slika 2.3: Sončna celica [22]


8

Prvo sončno celico z obetavnim 6 % izkoristkom so leta 1954 razvili Chapin, Fuller in

Pearson v Bellovih labaratorijih na siliciju z difundiranim PN-spojem. Leta 1958 so sončne

celice prvič uporabili na vesoljskem satelitu za napajanje radijskega oddajnika. Po

nadaljnem optimiranju zgradbe in izboljšanju izkoristka v zgodnjih šestdesetih letih je

uporaba sončnih celic za vesoljske aplikacije postala nekaj čisto vsakdanjega. Za zemeljske

aplikacije so se sončne celice zaradi previsoke cene pričele uporabljati šele v zgodnjih

sedemdesetih letih, ko je bil dosežen pomemben dvig izkoristka silicijevih sončnih celic.

Danes fotovoltaika in razvoj sončnih celic predstavlja eno izmed najhitreje rastočih

tehmologij v svetu. [3].

2.5 FOTONAPETOSTNI POJAV

Konverzija sončne energije, ki jo nosijo fotoni, se dogaja v sončnih celicah. Sončne celice

so v osnovi polprevodniške diode velikih površin, zgrajene iz dveh različnih tipov

polprevodniških plasti. Ena plast ima primesi donorjev, kar pomeni, da ima presežek

elektronov. To plast imenujemo polprevodnik tipa N. Druga plast je tipa P in vsebuje

primesi akceptorjev, kar pomeni, da ji primanjkujejo elektroni oziroma ima presežek vrzeli.

[4].

Vlogo primesi se najlažje razloži pri siliciju. Silicij je štirivalenten kemijski element, v

katerem se atomi medsebojno vežejo v kristal, podobno kot pri diamantu. Če v strukturo

vnesemo primesi fosforja, ki je petvalenten, ostane ena vez prosta in s tem en slabše vezani

elektron. Pri dodajanju bora, ki je trivalenten, pa en elektron primanjkuje. Tako dobimo

plasti tipa N in P, ki imata presežek oziroma primanjkljaj elektronov. [4].

Ko polprevodnik tipa N in P "staknemo" skupaj, pride do difuzije nabojev preko stične

površine. Te staknitve v praksi dejansko ne moremo izvesti, a nam pomaga pri lažjem

razumevanju sončne celice. Elektroni iz polprevodnika tipa N pričnejo prodirati v

polprevodnik P tipa, medtem ko vrzeli prodirajo iz polprevodnika tipa P v polprevodnik tip

N. Tako ob robu spoja v polprevodniku tipa P nastane negativni prostorski naboj, v tipu N

pa pozitiven. Ustvarjeni naboj povzroči električno polje, ki zavira nadaljnjo difuzijo


9

delcev. Če nosilci ne bi imeli naboja in ne bi nastalo električno polje, bi delci prodirali tako

dolgo, dokler ne bi bili enakomerno porazdeljeni po celotnem polprevodniku. Območje,

kjer se poruši električna nevtralnost, imenujemo prehodno oziroma osiromašeno področje

ali področje prostorskega naboja. S priključitvijo zunanje napetosti na zgradbo z opisanim

PN-spojem se zaviralno električno polje v prehodnem področju spreminja in skozi diodo

lahko teče električni tok le v eni smeri (enosmerni tok). [4].

V osvetljeni sončni celici se generirajo pari elektron-vrzel. Električno polje loči in povleče

elektrone iz prehodnega področja v polprevodnik tipa N in vrzeli v polprevodnik tipa P.

Elektroni in vrzeli se nato v nevtralnem delu polprevodnika s pomočjo difuzije premikajo

proti kontaktoma, kot je to prikazano na sliki 2.4. Ločitev elektronov in vrzeli povzroči

napetostno razliko na kontaktih, ki ob priključitvi porabnika požene električni tok. [4].

Slika 2.4: Delovanje sončne celice pri osvetlitvi [7]

Ko se sončna celica osvetli oziroma ko absorbira dovolj sončnega sevanja, se na koncu

procesa pojavi napetost in tako sončna celica postaja vir električne energije. Pri

spremljanju emisije in absorpcije sončnega sevanja (elektromagnetnega valovanja) se

sevanje lahko opazuje kot snop delcev tako imenovanih fotonov.

Sončna celica proizvaja napetost okoli 0,5 V in tok okoli 20 mA/cm. Da bi dobili ustrezno

napetost oziroma moč celice, jih lahko vežemo zaporedno in vzporedno. [4].


10

2.6 TIPI SONČNIH CELIC

Danes obstaja na trgu veliko različnih tipov sončnih celic, ki se razlikujejo po materialu in

zgradbi. Še vedno pa razvijajo nove tipe, saj poskušajo dobiti čim večjo maksimalno moč,

s čim boljšim izkoristkom in čim nižjo ceno. Sončne celice z izkoristki nad 40 % so

zaenkrat še v laboratorijih, medtem ko imajo celice za komercialne namene slabši

izkoristek. Poznamo več vrst sončnih celic, med katerimi se največ uporabljajo silicijeve

sončne celice iz monokristalne strukture, polikristalne strukture in amorfne strukture. Poleg

tega lahko omenimo še dvostranske kristalne sončne celice, tankoplastne kristalne sončne

celice, polikristalne sončne celice v obliki traku, mikrokristalne sončne celice in krogelne

sončne celice. V nadaljevanju bomo podrobneje opisali monokristalne in polikristalne

silicijeve sončne celice. [4].

2.6.1 Silicijeve sončne celice

Glavni element za izdelavo sončnih celic je silicij, ki je zaenkrat najpogostejša surovina za

masovno proizvodnjo celic. Silicij (latinsko silex, silicis, kar pomeni kremen) je prvi

prepoznal Antoine Lavoisier leta 1787, pozneje pa ga je Humphry Davy leta 1800

pomotoma zamenjal za spojino. Leta 1811 sta Gay-Lussac in Thénard verjetno pripravila

nečisti amorfni silicij tako, da sta grela kalij s silicijevim tetrafluoridom. Leta 1824 je

Berzelius pripravil amorfni silicij s približno enakim postopkom kot Gay-Lussac. Berzelius

je pridobitek tudi očistil tako, da ga je zaporedoma pral. [4].

Ker je silicij tako pomemben element v polprevodniških in visokotehnoloških napravah, je

po njem imenovana visokotehnološka kalifornijska Silicijeva dolina. Kot najpogosteje

uporabljeni polprevodnik ima več dobrih lastnosti: v naravi se nahaja v zelo velikih

količinah, saj v obliki oksidov SiO2 sestavlja 1/3 zemeljske skorje. Je nestrupen, okolju

prijazen, tudi odpadki ne predstavljajo težav. Lahko se tali, obdeluje in ga je sorazmerno

enostavno oblikovati v monokristalno obliko. Njegove električne lastnosti (obstojnost do

125 °C) omogočajo uporabo silicijevih polprevodniških elementov tudi v najzahtevnejših

pogojih. Čisti silicij pridobivamo iz peska (SiO2) s sledečimi postopki: osnovna surovina


11

za izdelavo čistega silicija je metalurški surovi silicij, ki ga pridobivamo z redukcijo v

elektropečeh pri temperaturi 1800 °C. Čistoča tako pridobljenega metalurškega silicija

znaša 98–99 %. [4].

Metalurški silicij potem z raznimi metodami čistijo toliko časa, dokler ni odstotek čistega

silicija v pridobljenem materialu najmanj 99.9999999 %. Glede na gostoto silicija, ki znaša

5 x 1023

atomov/cm, to pomeni 5 x 1013

atomov nečistoč/cm. Iz čistega silicija potem

pridobivajo monokristalni in polikristalni silicij ter amorfni silicij. Bloke monokristalnega

ali polikristalnega silicija nato žagajo in obdelujejo do končne oblike sončnih celic. Samo

pri žaganju gre v izgubo okrog polovica materiala. Po rezanju se rezine silicija jedka do

globine nekaj mikrometrov. Na ta način odstranimo nepravilnosti v strukturi kristala, ki so

nastale zaradi žaganja, obenem pa se rezine na ta način tudi očisti. Rezine silicijeve celice

so prikazane na sliki 2.5. [4].

Slika 2.5: Rezine Silicijeve celice [22]

Začetna rezina silicija je ponavadi polprevodnik tipa P, dopirana z borom. Nato naredimo z

difuzijo fosforja PN stik. Pri temperaturi 870 °C difundiramo fosfor v plinasti obliki P2O5 v

rezino iz sprednje strani. Debelina dopirane plasti narašča s časom, ki ga silicij prebije v

plinastem P2O5: po 15–30 min znaša okoli 0.5 µm, kolikor je potrebno za optimalno

delovanje celice. Tako nastane na vrhu rezine plast polprevodnika N in oksidna plast,

bogata s fosforjem. Rezine nato zložijo v obliko kocke ter jo jedkajo v kisikovi plazmi, s

čimer odstranijo plast polprevodnikov tipa N na robovih. V naslednji fazi z mokrim

kemijskim jedkanjem odstranijo še oksidne plasti na površinah rezin. Na sprednji strani

nato izdelajo mrežo kontaktov, tipično iz srebra, na zadnji pa je površina kontaktov iz


12

srebra, ki vsebuje 1 % aluminija. Srebro na površino celic tiskajo preko maske s posebnim

postopkom. Nato potiskano celico sintrajo pri visokih temperaturah (okoli 700 °C).

Trakovi kontaktov na površini so tipične širine 150–200 m, med trakovi pa je tipično 3

mm. Za zaključek mreže sta še dva 2 mm široka trakova. Celotna mreža kontaktov skupaj

potem zasenči okoli 9 % vpadle svetlobe. Visoko zmogljive celice imajo tudi tanjše

trakove kontaktov, da zmanjšajo senčenje (10–40 m). Te nanašajo s posebno metodo

fotolitografije, ki jo veliko uporabljajo v mikroelektroniki. [4].

Na koncu dodajo na vrhu celice še antirefleksno plast, ki ima lomni količnik med lomnim

količnikom stekla in silicija ter takšno debelino, da je refleksija minimalna. Primeren

material, ki ga pogosto uporabljajo v fotonapetostni industriji, je titanov dioksid, pa tudi

tantanov pentaoksid ali cinkov sulfid oziroma silicijev trinitrid, saj se je pokazalo, da

izboljša električne lastnosti silicijeve rezine. Z eno antirefleksno plastjo zmanjšamo

refleksivnost na približno 9 %. Tako znašajo izgube zaradi refleksije in senčenja kontaktov

pri polikristalnih celicah 18 %. Pri monokristalnih celicah ponavadi naredijo površino v

obliki piramid in tako zmanjšajo skupne izgube na približno 14 %. Kontakte delajo tudi že

z novejšo tehnologijo. Po difuziji fosforja in po nanosu dielektrične antirefleksne plasti

(silicijev trinitrid) naredijo z laserjem brazde (30–50 µm), ki jih potem napolnijo z nikljem,

bakrom in srebrom. S tem izboljšajo stike med kontakti in plastjo polprevodnika N in

zmanjšajo izgube. [4].

2.6.2 Polikristalne silicijeve sončne celice

Polikristalne silicijeve sončne celice imajo manjši izkoristek kot monokristalne in znaša od

13 do 16 %. Te celice so največ v uporabi, ker je cena proizvodnje skoraj za polovico

manjša kot pri monokristalnih sončnih celicah. Polikristalni silicij se pridobiva iz

kremenčevega peska Si , in sicer zaradi zmanjšanja ogljika pri visokih temperaturah (od

1.500 do 1.750 °C), s čimer se proizvaja silicij čistosti 99 %. Nato ga ohladimo na 1.412

°C. Pri hlajenju nastane blok polikristalnega silicija vlaknaste strukture. Primer

polikristalne silicijeve sončne celice je prikazan na sliki 2.6. [6].


13

Slika 2.6: Polikristalna silicijeva sončna celica [5]

Opazna razlika med monokristalnim in polikristalnim silicijem je ta, da je polikristalni

silicij sestavljen iz več posameznih kristalov in nima urejene kristalne strukture. Zaradi

tega se pri njem pojavljajo strukturne in površinske napake. [6].

2.6.3 Karakteristike sončnih celic

Da lahko sončne celice med seboj primerjamo, obstajajo mednarodni standardi za njihovo

preizkušanje, ki se imenujejo standardni testni pogoji. Standardni testni pogoji so:

gostota moči sončnega sevanja 1.000 W/m2,

delovna temperatura sončne celice 25 ºC ,

spekter AM 1,5 predstavlja gostoto standardiziranega sončnega sevanja na

zemeljski površini za geografsko širino (približno 46 º).

Kot smo že zapisali so sončne celice polprevodniške diode, zato je za njih značilna diodna

karakteristika. Vse točke delovanja povezuje krivulja moči, ki jo imenujemo I-U

karakteristika. Tipični primer I-U karakteristike je prikazan na sliki 2.7. Električna moč

sončne celice je produkt napetosti in toka, zato je moč za vsako točko na I-U karakteristiki


14

različna. Največjo moč imenujemo vršna moč (angleško: peak power) in jo označimo z Wp

(angleško: Watt peak). [2].

Na sliki 2.8 je prikazan primer poteka moči sončne celice v odvisnosti od napetosti.

Karakteristiko na sliki 2.8 imenujemo P-U karakteristika. Pomembne točke na I-U in P-U

karakteristikah na slikah 2.7 in 2.8 so točka kratkega stika ISC, točka odprtih sponk UOC in

točka največje moči PMPP. Moč sončne celice je največja takrat, kadar je površina kvadrata

moči pod I-U karakteristiko na sliki 2.7 največja. [2].

Slika 2.7: I-U karateristika sončnega modula [7]


15

Slika 2.8: U-P karakteristika sončnega modula [7]

V tabeli 2.4 so podane značilne vrednosti različnih vrst sončne celic, kot so:

napetost odprtih sponk UOC,

gostota kratkostičnega toka ISC,

izkoristek sončne celice (η).

Povzeto po [7].

Tabela 2.4: Karakteristike posameznih tipov sončnih celic [2]

Vrsta celice UOC [V] ISC [mA/cm2] η

Monokristalna Si celica 0,65 30 0,17

Polikristalna Si celica 0,60 26 0,15

Amorfna Si celica 0,85 15 0,09

Cds/Cu2S 0,50 20 0,10

CdS/CdTe 0,70 15 0,12

GaAlAs/GaAs 1 30 0,24

GaAs 1 20 0,27


16

2.7 SONČNI MODULI

Sončni modul sestavlja več med seboj smiselno povezanih sončnih celic. Sončni moduli

imajo navadno nominalno napetost 12 V ali 24 V. Poleg termina sončni moduli

uporabljamo še naslednje izraze: solarni paneli, fotonapetostni moduli, fotovoltaični

moduli, fotovoltaični paneli, solarne plošče, sončne plošče, fotovoltaična plošča, PV

moduli, sončni kolektorji za elektriko. V nadaljevanju diplomske naloge bomo uporabljali

termin sončni moduli. Zaradi praktičnosti in zaščite namestitve sončnih modulov so sončne

celice med seboj povezane v modulih in obdane z aluminijastim okvirjem, na prednji strani

pa so zaščitene s steklom. Prerez zgradbe sončnega modula je prikazan na sliki 2.9. Steklo

mora vzdržati atmosferske vplive. Značilnost sončnih modulov je modularnost, torej jih je

mogoče med seboj povezovati in graditi večje sončne sisteme oziroma sončne elektrarne.

Slika 2.9: Prerez zgradbe sončnega modula [2]

Vezava sončnih celic v modulu je lahko vzporedna ali zaporedna. Če sončne module

povežemo zaporedno, vežemo torej plus z minusom, s tem povečujemo napetost. Če pa

sončne module povežemo vzporedno, vežemo pluse skupaj in minuse skupaj, s čimer

povečujemo moč. Princip povezovanja sončnih modulov je povsem enak kot pri

akumulatorjih. V primeru, če je ena izmed povezav pokvarjena, pride do motenj v

delovanju celotnega sistema. Pokvarjena celica se obnaša kot potrošnik, segreva se in

predstavlja „vročo“ točko zveze. V praksi se ta problem rešuje z vzporednim dodajanjem


17

diode vsaki celici, tako da v primeru nedelovanja ene izmed celic ne bi izpadel celoten

sistem. Na sliki 2.10 in 2.11 je prikazan princip povezovanja sončnih celic med seboj. [8].

Slika 2.10: Zaporedna vezava celic [6]

Slika 2.11; Vzporedna vezava celic [6]

Sončni moduli so podvrženi različnim atmosferskim pogojem med obratovanjem, kot so:

veter, prah, vlaga, padavine in dolgotrajna izpostavljenost ultravijoličnim žarkom. Prav

tako lahko nastane težava, ko pride do senčenja celic v modulu. Senčenje celic v modulu

rešujemo z vzporedno vezavo diod. Diode omogočajo, da ostali nivoji, ki niso senčeni,

delajo normalno. [8].


18

2.8 TEHNIČNE LASTNOSTI

V nadaljevanju so podane tehnične lastnosti sončnih modulov, ki so neposredno povezane

s tehničnimi lastnostmi sončnih celic, opisane v podpoglavju 2.6.3. Sončni moduli imajo

podane tehnične lastnosti, ki jih potrebujemo pri pravilnem dimenzioniranju sončnih

elektrarn. Sončni moduli so navadno opredeljeni z naslednjimi parametri:

maksimalna moč PV modula (Pmpp),

napetost pri maksimalni moči (Umpp)

tok pri maksimalni moči (Impp),

kratkostični tok (Isc),

napetost odprtih sponk (Voc),

dimenzije.

Sončni moduli bodo proizvedli največji tok takrat, ko bo med plus in minus polom

neskončna upornost. To je kratkostični tok, ki ga označujemo z Isc. Napetost odprtih sponk

(Uoc) sončnih modulov bo največja takrat, ko bo nastopila prekinitev električnega

tokokroga. Moč sončnih modulov, ki se izraža v Wattih je vsakokratni zmnožek toka in

napetosti, Pmpp je podatek o maksimalni moči sončnega modula. Shema sončnega je

prikazana na sliki 2.12. [8].

Slika 2.12: Shema sončnega modula [6]


19

2.9 FOTONAPETOSTNI SISTEMI

Fotonapetostni sistemi se delijo na sisteme s priklopom na omrežje in na avtonomne

sisteme.

Sistemi s priklopom na omrežje proizvedeno električno energijo oddajajo v električno

omrežje, kjer se nato električna energija prenaša do končnih uporabnikov. Takšni sistemi

so sestavljeni iz sončnih modulov, regulatorjev in razsmernikov, ki proizvedeno električno

energijo pretvarjajo v obliko, ki je primerna za elektroenergetsko omrežje. Fotonapetostni

razsmerniki spremenijo enosmerno napetost v izmenično napetost primerne oblike in

velikosti za oddajo v omrežje.

Avtonomni sistemi so namenjeni direktnemu zagotavljanju potreb potrošnika po električni

energiji in kot pove že ime, omogočajo njegovo avtonomijo. Te sisteme ni treba priklopiti

na omrežje in se zato uporabljajo večinoma v primerih, ko priklop na omrežje ni mogoč.

Sestavljajo jih sončni moduli, regulator polnjenja in baterije z razsmernikom. Te naprave

omogočajo uporabniku, da koristi električno energijo, ki jo proizvedejo sončni moduli

skozi celoten dan, tudi takrat, ko sončnega sevanja ni. To je mogoče, ker se viški električne

energije, proizvedene čez dan, skladiščijo v baterijah. Na sliki 2.13 je prikazana shema

fotonapetostnega sistema, priključenega na omrežje. [6].


20

Slika 2.13: Shema delovanja fotonapetostnega sistema [10]

Fotonapetostni sistemi so lahko izvedeni tudi kot hibridni sistemi z vetrnim agregatom,

kogeneracijo, gorivnimi celicami ali najpogosteje z generatorjem na dizelsko gorivo. Pri

teh sistemih se z električno energijo, pridobljeno s sončnimi moduli ali z vetrnim

agregatom, najprej napajajo potrošniki. Presežek energije se hrani v solarnih

akumulatorjih. V primeru, da ne obstajajo pogoji za proizvodnjo električne energije s

sončnimi moduli ali z vetrnimi agregati, bo izvor za napajanje enosmernih ali izmeničnih

porabnikov akumulator. V primeru, da tudi akumulator nima več energije, se za napajanje

porabnika vključi generator na dizelsko gorivo. [9].


21

3 ČIŠČENJE SONČNIH MODULOV Z UPORABO NANOTEHNOLOGIJE

3.1 NEČISTOČE NA SONČNIH MODULIH

Kadar govorimo o nečistočah na sončnih modulih, govorimo o vseh snoveh, ki se naberejo

na njihovi površini. Karkšne koli nečistoče, ki se nabirajo na površinah sončnih modulov,

vplivajo na njihovo delovanje. Vzrokov za nastanek nečistoč na sončnih modulih je seveda

veliko, najpogostejše vrste nečistoč so sneg, ptičji iztrebki, listje drves in prah. Sneg se na

sončnih modulih pojavi zaradi direktnih vremenskih razmer, medtem ko listje lahko pada z

dreves ob močnem vetru ali pa zgolj ob prihajajoči zimi. Na nečistoče zaradi ptičjih

iztrebkov zelo težko vplivamo. Od naštetih nečistoč pa največji problem za delovanje

sončnega modula predstavlja prah, saj se za razliko od ostalih nečistoč najtežje odstanjuje

in lahko ohranja umazan videz daljše časovno obdobje, zato tudi predstavlja resnejšo

težavo. [11].

Prah je eden od naravnih elementov, ki se nahajajo v okolju. Razlika v velikosti prašnih

decev in njeni gostoti je odvisna od lokacije. V nekaterih regijah so prašne vremenske

razmere hujše kot drugod, kar povzroča poslabšanje vidljivosti, medtem ko se prah poleže,

delci ustvarijo plast prahu na kateri koli izpostavljeni površini. Ugotovljeno je bilo, da

nabiranje prahu povzročajo različni parametri. To so gravitacijska sila, hitrost vetra, smer

vetra, elektrostatični naboj in vlažnost na površini, na katero se nabere prah. Od naštetih

parametrov najbolj prevladujejo gravitacijski vpliv, velikost delcev in smer vetra. Počasen

veter bo povečal količino odlaganega prahu, medtem ko večja hitrost vetra pomaga

odstraniti prah, če veter piha v ustrezni smeri. Poleg tega je študija pokazala, da je vpliv

prahu na delovanje sončnih modulov večji spomladi in poleti kot pa jeseni in pozimi.

Naključno kopičenje prahu na površini sončnih modulov povzroči madeže z različno

koncentracijo prašnih delcev, kot je prikazano na sliki 3.1. Te pike se razlikujejo po obliki,


22

lokaciji na modulu in koncentraciji prahu. Razlike v kopičenju prahu na katerem koli

mestu lahko previdejo do različne prepustnosti svetlobe na sončni modul, kar pripelje do

manjših absorpcijskih površin, ki so nato delno senčene. [11].

Slika 3.1: Zaprašeni sončni moduli [7]

Prah, nabran na površini sončnih modulov, ima neposreden učinek na delovanje sončnih

modulov. Kopičenje prahu na površini sončnega modula zmanjša sevanje na sončno celico

in povzroča izgube pri proizvodnji električne energije. Prah ne zmanjšuje le sevanja na

sončne celice, ki so del sončnega modula, temveč spreminja tudi odvisnost vpadnega kota

od jakosti sevanja. V primerih zaprašenih sončnih modulov je edina rešitev ta, da module

očistimo z vodo. Medtem, na nekaterih lokacijah, kjer so postavljene sončne elektrarne, to

enostavno ni izvedljivo. [11].

3.2 MOŽNOSTI ČIŠČENJA SONČNE ELEKTRARNE

Postavitev sončne elektrarne predstavlja dolgoročno investicijo, ki se mora investitorju v

določenem času tudi povrniti. Donosnost sončne elektrarne je odvisna od mnogih

faktorjev, na katere lastniki pogosto nimajo vpliva. So pa tudi faktorji, na katere se

dostikrat pozabi. Pri tem imamo v mislih čiščenje sprejemnih površin sončnih elektrarn.


23

V toku leta je sončna elektrarna izpostavljena vsem vremenskim nevšečnostim in na

površini sončnih modulov se nabira različna umazanija (cvetni prah, ptičji iztrebki, smog

…), kar seveda zmanjša izplen proizvedene električne energije. Z drugimi besedami,

sončna elektrarna čez čas ne proizvede toliko električne energije, kot je to navedeno v

projektni dokumentaciji, zato je ustrezno čiščenje sončnih elektrarn ekonomsko smotrna

odločitev. [23].

Odvisno od postavitve oziroma nagnjenosti sončnih modulov se priporoča enkratno ali

večkratno letno čiščenje sprejemnih površin. Module, ki so montirani pod kotom 45 stopinj

in več, v veliki meri očistijo meteorne vode (padavine), saj umazanijo sproti izpirajo in

tako ohranjajo proizvodnjo električne energije. Možnost je, da se na modulih v določenem

času (odvisno od lokacije elektrarne) naberejo obloge smoga, mahu in drugo, teh pa

meteorne padavine ne odstranijo in je potrebno strokovno čiščenje. Sončni moduli, ki

imajo manjši naklonski kot, so dosti bolj dovzetni za umazanijo, s tem pa tudi za

zmanjšanje izplena proizvodene električne energije. [23].

Pričakujemo, da bo sončna elektrarna po 12 letih delovanja zagotavljala le še 90 % svoje

začetne moči, po 25 letih pa naj bi zagotavljala približno 80 % začetne moči. Za doseganje

dobrih izkoristkov je pomembno stalno vzdrževanje, pregledi električnih napeljav in

razsmernikov, spojev, konstrukcije, samih modulov ter saniranje morebitnih poškodb.

Pomembne so meritve, spremljanje statistik proizvodnje in alarmov. Kot smo že omenili,

pa je zelo pomemben del vzdrževanja čiščenje solarnih modulov. [23].

Na prav vseh sončnih modulih se naberejo nečistoče v odvisnosti od okolice, vremena in

same postavitve. Večje nečistoče lahko pričakujemo na ravnih sončnih elektrarnah,

elektrarnah blizu gozda ali večjih dreves (listi, cvetni prah), blizu cest, še posebej

makadamskih, v sušnih obdobjih. Če sončnih elektrarn ne čistimo, lahko po 10 letih

delovanja poleg 10 % manjše moči zaradi »staranja« pričakujemo še dodatnih 5 % do 40 %

zmanjšanega izplena proizvedene električne energije zaradi nečistoč. To lahko pomeni pri

mikro elektrarni izgubo tudi od 500,00 € do 1500,00 € na letni ravni. Primer čiščenja

sončne elektrarne na nadstrešniku parkirišča je prikazan na sliki 3.2. [23].


24

Slika 3.2: Čiščenje ravne sončne strehe z dvigali in teleskopskimi čistilci [11]

Poglejmo pomen čiščenja še iz druge perspektive. V kolikor je lastnik površine, kjer je

nameščena sončna elektrarna, in investitor ena in ista oseba, je jasno, kdo ima izgubo

zaradi zmanjšanja izplena proizvedene električne energije. Kadar pa gre za dve različni

osebi, pa je zelo pomemben dogovor, kdo bo skrbel za čiščenje elektrarne in na kakšen

način je sestavljena pogodba. [23].

Če bo lastnik površine, kjer je nameščena sončna elektrarna, letno dobil fiksni znesek za

najemnino, potem verjetno nima interesa čistiti solarnih modulov. Če pa bo lastnik

površine plačan variabilno, torej procentualno glede na proizvedeno električno energijo,

potem pa ima morda tudi lastnik površine interes skrbeti za čistost sončnih modulov. V

vsakem primeru pa je investitor tisti, ki mora poskrbeti za nemoteno delovanje sončne

elektrarne kot celote. [23].

Sončna elektrarna je zanesljiv in za vzdrževanje nezahteven sistem, vendar je zaradi

delovanja na prostem izpostavljena nepredvidenim vremenskim vplivom in menjavanju

letnih časov, ob tem se lahko težave pojavijo tudi na elektrodistribucijskem omrežju, na

katero je priklopljena. Morebitna prepozno zaznana napaka v delovanju pomeni zastoj

proizvodnje električne energije, kar lahko povzroči precejšnjo izgubo prihodka. Da bo


25

sončna elektrarna dobro delovala in lastniku prinašala predvideni donos, je treba njeno

delovanje redno spremljati in opravljati vzdrževalne preglede ter dela. 24-urni nadzor

delovanja elektrarne, ob morebitnih nepravilnostih nemudoma obvesti lastnika elektrarne

in vzdrževalno-intervencijsko ekipo, ki napako hitro odpravi in prepreči večji izpad

dohodka za investitorja. [23].

Storitev nadzora delovanja in vzdrževanja sončnih elektrarn obsega:

redni letni pregled fotonapetostnega sistema in vseh komponent;

pregled elektrarne in njenih delov z infrardečo kamero;

intervencijsko posredovanje;

popravilo in zamenjavo vseh komponent;

izredne preglede po hujših vremenskih razmerah;

uporabo aplikacije Sončni monitor.

Čiščenje sončnih modulov se ne razlikuje od čiščenja oken hiše ali vetrobranskega stekla

avtomobila. Očistimo jih lahko sami ali najamemo za to usposobljen čistilni servis. Sončni

moduli so sestavljeni iz skupka med seboj smiselno povezanih sončnih celic. Sončne celice

so zaščitene s posebno EVA-folijo in so nameščene med kaljeno steklo z zgornje strani, ki

je odporna proti mehanskim udarcem, ter posebno folijo (tedlar) z zadnje strani. Sončni

moduli so izpostavljeni zunanjim vplivom in s tem dodatnemu onesnaženju. Prometni in

cvetni prah, listje in celo ptičji iztrebki prispevajo k onesnaževanju in s tem preprečujejo

največji izplen sončnih žarkov, ki padajo na sončni modul. Več je umazanije, nižji je izplen

in s tem znesek pri prodaji električne energije. Čeprav veliko dejavnikov vpliva na

proizvodnjo električne energije, lahko recemo, da je umazanija ena od resnejših težav in

hkrati najlažje »popravljiva«. Strokovnjaki se strinjajo, da zaprašeni (umazani) sončni

moduli nimajo takšnega izplena kot čisti. Kaj pa lahko storimo? Ali sončni modul deluje

pravilno ali pa je zaprašen (umazan), lahko preverimo na dva načina:

Prvi način je fizični pregled. Pogostost rednih pregledov sončnih modulov je odvisna od

lokacije (na bolj zaprašenih območjih je potrebnih več pregledov) in proizvajalčeve

specifikacije. Ponavadi sončne module pregledamo enkrat do dvakrat na mesec. [23].


26

Drugi način je uporaba dodatnih storitev ponudnikov sončnih elektrarn. S spremljanjem in

rednim nadzorom bo izplen proizvedene električne energije iz sončnih modulov največji.

Sistemov za nadzor in spremljanje proizvodnje električne energije, ki ob izpadu sončne

elektrarne javijo napako, je ogromno. Nadzor lahko upravljamo s spletne strani ali preko

mobilnih aplikacij. Nadzorni sistemi so običajno dodatni strošek kot mesečna ali letna

storitev. [23].

Za popoln vpogled v delovanje sončne elektrarne so razvita programska orodja, ki imajo

24-urni nadzor delovanja. Programsko orodje sestavljajo podatkovni zapisovalnik, 3G

modem in usmerjevalnik. Omogoča zbiranje podatkov iz pretvornikov različnih znamk in

spremljanje, analiziranje ter prenos vseh bistvenih podatkov o delovanju sončne elektrarne

preko spletnega portala. [23].

Če se torej pokaže, da so sončni moduli zaprašeni kot je prikazano na sliki 3.3, kakšne so

torej možnosti čiščenja?

Slika 3.3: Umazani sončni modul [17]

V nadaljevanju bodo predstavljene najpogosteje uporabljene možnosti čiščenja sončnih

modulov.


27

Prva možnost je, da sončne module očistimo sami. Če lahko očistimo okna, zagotovo lahko

očistimo tudi svoje sončne module. Najtežji del je vsekakor dostopnost. Moduli so pogosto

nameščeni na strehi, kamor je dostop težji. Seveda je delo nekoliko lažje, če so moduli

nameščeni tako, da jih dosežemo. Sončne module očistimo tako, kot bi očistili

vetrobransko steklo avtomobila – s toplo vodo in čistilom za steklo, da odstranimo nabrano

umazanijo. Še bolje pa je, da uporabimo destilirano vodo, ki je predhodno očiščena vseh

primesi, še posebej apnenca (vodnega kamna), ki bi lahko ostal na modulih. Slika 3.4 kaže

primer čiščenja sončnih modulov z destilirano vodo. [12].

Slika 3.4: Čiščenje sončnih modulov z destilirano vodo [19]

Druga možnost je, da sončne module očisti čistilni servis. Če nimamo časa, možnosti ali

znanja, lahko najamemo čistilni servis, ki to opravi namesto nas. V večini primerov to

storitev ponujajo podjetja, ki gradijo sončne elektrarne. S ponudniki tovrstnih storitev se

lahko dogovorimo za periodično čiščenje, ki je odvisno predvsem od onesnaženosti. Pri

tem se moramo vsekakor prepričati, ali je v čiščenje vključeno zavarovanje – v primeru

poškodb modulov in nesreč delavcev. Danes sicer poznamo samočistilne sisteme, ki pa

imajo več pomanjkljivosti – poleg cene in dragega vzdrževanja so še ostanki vodnega

kamna, kar spet pomeni manjši izkoristek sončnih modulov. In kar je najpomembnejše –

vodnega kamna ne moremo odstraniti brez uporabe agresivnih sredstev za čiščenje. [12].


28

Tretja možnost je, da uporabimo nanopremaze. Nanotehnologija je ena od najbolj

obljubljenih tehnologij na svetu. Med nanotehnologije spadajo tudi nanopremazi, ki se

lahko uporabljajo tudi za čiščenje površin. Za čiščenje sončnih modulov je na voljo več

vrst nanopremazov. V bistvu nanopremazi zmanjšajo potrebo po pogostosti čiščenja

modulov. Podjetja, ki ponujajo tovrstne storitve, zagotavljajo 15-letno garancijo na

nanopremaz in za več kot 3 % povečan izplen proizvedene električne energije kot v

primeru nečiščenja. Podaljša se tudi življenjska doba sončnega modula. Nanopremaz

zagotavlja, da se umazanija in dežne kapljice ne zadržujejo na aktivni površini sončnega

modula. Primer nanašanja nanopremaza na sončne module je prikazan na sliki 3.5 in sliki

3.6. [12].

Slika 3.5: Nanašanje nanopremaza na sončni modul [18]


29

Slika 3.6: Poliranje in končna obdelava sončnih modulov [14]

Četrta možnost je, da uporabimo čistilni robot. Tako kot obstajajo čistilni roboti za bazene,

obstajajo tudi komercialni čistilni roboti za sončne module, kot je prikazano na sliki 3.7.

Nedostopne strme površine, ki se morajo čistiti, so za to napravo enostavno obvladljive.

Naprava se brez vseh težav vozi po strmi površini. Upravlja jo operater preko daljinskega

upravljalnika. [12].

Slika 3.7: Čiščenje sončnih modulov z čistilnim robotom [15]


30

Peta možnost je uporaba avtomatske samočistilne naprave. Za velike površine sončnih

modulov, zlasti v odročnih krajih in v suhem podnebju, je najbolje dograditi avtomatsko

čistilno napravo. Primer avtomatske čistilne naprave je prikazan na sliki 3.8.

Povzeto po [12], [13] in [14].

Slika 3.8: Avtomatska samočistilna naprava za sončne module [17]

V nadaljevanju sledi opis nanotehnologije kot vede in možnost njene uporabe v namene

čiščenja sončnih modulov. Cilj diplomske naloge je pokazati upravičenost uporabe

nanotehnologije v namene čiščenja sončnih modulov in s tem povečanja izplena

proizvedene električne energije v primerjavi z nečiščenjem.

3.3 NANOTEHNOLOGIJA

Nanotehnologija pomeni manipulacija, sinteza in kontrola snovi na ravni posameznih

molekul oz. nanometrskih dimenzij in se pojavlja na vseh področjih obstoječe industrije od

kemijske, tekstilne, računalništva in informatike, transporta, energetike, avtomobilske, še

posebej pa farmacevtske in obrambne industrije. Nanotehnologija nam omogoča izdelavo

materialov ali naprav, ki so lažje, hitrejše, močnejše, ki imajo popolnoma nove ali pa


31

dodatne, specifične lastnosti. Koncept nanotehnologije pripisujemo Nobelovemu

nagrajencu Richardu Feynmanu, ki ga je podal v svojem predavanju leta 1959, v katerem

je nakazal možnosti za operiranje s posameznimi atomi. Prvi pa je izraz nanotehnologija

uporabil Norio Taniguchi l. 1974, ki jo je definiral kot proizvodno tehnologijo, s katero

dosežemo izredno natančnost in ultra majhne dimenzije. [13].

Feynmana nekateri opisujejo kot filozofa nanotehnologije, Erica K. Drexlerja pa za

njenega preroka, ki je prek dizajniranja proteinskih molekul videl možnost izdelave

molekularnih nanostrojev, ki bi bili sposobni postaviti reaktivne skupine molekul z

atomsko natančnostjo, kar bi prineslo nesluten razvoj predvsem v računalništvu in

biotehnologiji. On je to tehniko definiral z izrazom molekularna nanotehnologija. Drexler

je izdal tudi prvo knjigo o nanotehnologiji, v kateri je nanotehnologijo definiral kot princip

manipulacije atoma z atomom, s kontrolo strukture snovi na molekularnem nivoju.

Njegova razmišljanja sta v prakso prestavila Nobelova nagrajenca H. Rohrer in G. Binning,

ki sta leta 1981 razvila Rastrski elektronski mikroskop na tunelski efekt (Scanning

Tunneling Microscope, STM), s katerim sta prvič lahko »videla« atome in dala možnost

znanstvenikom, da so jih lahko prestavljali in tvorili strukture. V ta namen so iz ogljikovih

nanocevk izdelali nanopinceto, ki pod vplivom električne napetosti lahko zagrabi atom in

ga prenesa na drugo mesto. Sledil je razvoj elektronskega mikroskopa na atomsko silo

(Atomic force microscopy, AFM). [13].

Izraz nanotehnologija se je na začetku uporabljal le za te, prve eksperimente, ki niso imeli

kakšne praktične uporabe. Izraz je sestavljen iz besedice nano, ki v grščini pomeni palček,

v znanstvenem žargonu pa se uporablja za 10-9

(1 nm je milijardinka metra), in tehnologija,

ki pomeni izdelovanje oziroma način izdelovanja stvari. Nanotehnologija se je iz časov

prvih eksperimentov razširila na različna področja, kar je povzročilo tudi nastanek novih

izrazov, kot so molekularna nanotehnologija (v angl. tudi molecular manufacturing) in

molekularno inženirstvo. [13].

Največji problem pri molekularni nanotehnologiji je, da z izdelavo nekaj molekularnih

struktur ne naredimo praktično nič. Potrebujemo jih veliko več. Potrebujemo stroje, ki


32

bodo delali ogromno število molekularnih struktur in izdelovali stroje za njihovo izdelavo.

Take stroje imenujemo monterji ali asemblerji (ang. assemblers). Drexler je asemblerje

opisal kot računalniško vodene nanorobote, ki bodo lahko izdelovali nanostroje in se

razmnoževali. Atome in molekule bodo lahko postavili v pravi položaj, da bo potekla

kemijska reakcija. To bi omogočilo izdelavo velikih objektov z atomsko natančnostjo in

izdelavo popolnih kopij (replik) samih asemblerjev. Uporaba velikega števila asemblerjev

pa bo omogočila proizvodnjo, pri kateri ne bo stranskih reakcij, zato bo čistejša in cenejša.

Vse to se sliši kot znanstvena fantastika, vendar je za obstoj nanostrojev že poskrbela

narava. Prvi primer so ribosomi, ki proizvajajo proteine v vseh živih bitjih na planetu.

Natančna navodila, kako naj ribosomi vežejo posamezne aminokisline, pa dobijo od

ribonukleinske kisline (RNA), ki ima vlogo bioračunalnika. Drug primer naravnega

nanostroja, ki ima sposobnost narediti kopijo samega sebe, je bakterija. [13].

V grobem lahko nanomateriale delimo na nanodelce, nanostrukturne materiale in

nanokompozite. Nanodelci se lahko uporabljajo kot polnilo za pripravo polimernih

nanokompozitov. Med nanostrukturne materiale lahko uvrstimo množico kemijsko ali

fizikalno urejenih materialov, katerih strukture so reda velikosti nekaj nanometrov, npr:

nanoporozne materiale, blok kopolimere, nanostrukturne prevleke, nanorešetke in tekoče

kristale. [13].

Nanodelci so delci, katerih vsaj ena dimenzija je 1–100 nm. 1 nm je milijardinka (10-9

m)

metra. Za ponazoritev, kako majhna dimenzija je to v primerjavi z 1 m, se pogosto

uporablja primerjava nogometne žoge z zemljo, zato nogometno žogo najdemo tudi na

nekaterih spletnih straneh, ki se ukvarjajo z nanomateriali. Čeprav se izraz nanodelci

uporablja šele zadnjih nekaj let pa je njihova uporaba veliko starejša. [13].

Kitajci in Rimljani so nanodelce (morda zgolj naključno) uporabljali v keramiki. Z analizo

znamenite Lycurgusove čaše (na sliki 3.9) so ugotovili, da spreminja barvo zaradi

vsebnosti 40 nm velikih delcev iz zlata in srebra. Tudi saje, ki jih že desetletja uporabljajo

v gumarski industriji so nanodelci. Skorajda že pozabljeni diski za shranjevanje podatkov

in kasete (video in audio) so narejeni iz magnetnih nanodelcev. To so bile le posamične

uporabe nanodelcev in zato se o tem ni govorilo kot o nanotehnologiji. [13].


33

Slika 3.9: Lycurgusova čaša [13]

Nanodelce razvrščamo glede na njihove dimenzije. Pri tem pa prihaja do pomembnih

razlik. Nekateri avtorji jih razvrščajo po številu dimenzij, ki so reda velikosti nekaj

nanometrov in uporabljajo izraz “nanodimenzionalen”, drugi avtorji uporabljajo bolj

logičen, makroskopski pogled na delce in uporabljajo izraz “dimenzionalen”. Pri delcih,

katerih so vse tri dimenzije približno enake, je vseeno ali uporabimo izraz tridimenzionalen

ali trinanodimenzionalen. Nanocevke in nanožičke so dvonanodimenzionalne oz.

enodimenzionalne, saj je njihova dolžina neprimerno večja od širine in debeline. Ploščati

nanomateriali, ki se nahajajo v obliki plošč debeline 1–2 nm ter dolžine in širine nekaj 10

ali nekaj 100 nm, pa so enonanodimenzionalni oziroma dvodimenzionalni. [13].

Nanodelce lahko razvrščamo tudi po njihovi sestavi na kovinske (Au, Ag, Ni …),

anorganske (glina, montmorilonit in drugi alumosilikati) in organske (saje, razplaščeni

grafit, ogljikove nanocevke, fulereni, celulozna in hitinska vlakna). [13].

Praktično vsak material lahko obstaja tudi v nanodimenzijah. Pri razbijanju delcev na

nanodelce se izredno poveča njihova površina. Medtem ko je pri makrodelcih večina

atomov ali molekul v jedru delca, pa so pri nanodelcih skoraj vsi atomi ali molekule na

površini. Ker je s tem večina delcev postavljena v drugačno okolje, imajo tudi drugačne


34

lastnosti. Spremenijo se jim tako kemijske kot tudi mehanske, optične in magnetne

lastnosti. Nekateri materiali postanejo izredno trdi, trdni, žilavi izredno se jim lahko poveča

kemijska reaktivnost. Tako ima npr. nanokristalinični baker 5-krat večjo trdoto od

običajnega, nanokroglice iz silicijevega dioksida velikost 40–100 nm pa se po trdoti

uvrstijo med diamant in safir. [13].

Nanodelce pridobivamo na različne načine. Najenostavnejši način je izkop in čiščenje

naravnih nanomaterialov. To so predvsem gline, ki so sestavljene iz plastovitih mineralov

(običajno silikatov), mineral halloysite pa obstaja tudi v obliki nanocevk. Drugi postopki

pa so še sol-gel sinteza, uporaba plazme, kemijsko naparevanje (chemical vapour

deposition (CVD) itd. [13].

3.4 NANOPREMAZI

Eno od prvih komercialno uspešnih nanotehnoloških področij so zaščitni premazi

(nanopremazi), ki vsebujejo nanodelce ali pa tvorijo površino, ki je nanostrukturirana

(urejena na nanometrskem nivoju). Nanopremazi imajo posebne lastnosti, ki jih brez

nanotehnologije ne moremo doseči. Premazi so odporni proti razenju, so samočistilni ali pa

omogočajo bistveno lažje čiščenje. Premazi so lahko klasični (barve, laki), lahko pa so le

prevleke nanometrskih dimenzij, ki jih z očesom sploh ne opazimo. Uporabljajo se za

zaščito različnih površin od betonskih tlakovcev do trupov jaht, pred umazanijo,

bakterijami, mehanskimi poškodbami itd. [13].

Nanopremaze lahko ločimo na "easy to clean" (enostavni za čiščenje) in samočistilne

premaze, ki se ločijo na premaze z lotus efektom in UV samočistilne premaze. Razlika med

easy to clean in lotus efektom je v površini. Površina premaza z lotus efektom je le navidez

gladka, v bistvu pa je izredno drobno hrapava.

Umazanija se zato prime le na vrhove, katerih skupna površina je veliko manjša kot

površina umazanije. Zato je zelo šibko vezana in jo lahko spere dež. [13].


35

3.3.1 Hidrofobni in oleofobni nanopremazi (vodoodbojni in oljeodbojni)

V glavnem so to premazi, ki omogočajo lahko čiščenje (easy to clean). Njihovo delovanje

si poenostavljeno lahko predstavljamo kot teflonsko prevleko, na katero se le s težavo

prime kakršna koli umazanija. Tako voda kot olja (oziroma tekoča umazanija) se zaradi

odbojnega učinka na nanozaščitenih površinah oblikujejo v kapljice. Stična površina je

zato majhna, prav tako pa tudi privlačne sile med umazanijo in površino.

Za čiščenje nanozaščitenih površin zato v večini primerov lahko uporabljamo le vlažno

krpo ali tlačni čistilec. Uporaba detergentov običajno ni niti potrebna in pogosto ni niti

zaželena, saj se ti v nekaterih primerih lahko vežejo na nanozaščito in zmanjšajo njeno

delovanje. Uporaba nanozaščite zato predstavlja doprinos k čistemu okolju, zmanjšuje

stroške čiščenja in nam prihrani tudi mnogo truda pri čiščenju. [13].

3.3.2 Hidrofilni nanopremazi (privlačijo vodo)

To so samočistilni premazi za steklo in nekateri protizameglitveni (antifog) premazi.

Običajno vsebujejo nanodelce titanovega ali aluminijevega dioksida, ki naredita površino

hidrofilno. Nanopremazi s titanovim dioksidom s pomočjo UV svetlobe razkrajajo

umazanijo, dež, ki pade na zaščiteno steklo, pa se razlije v tanek film, pride pod umazanijo

in jo odplakne.

Samočistilni premaz je namenjen zaščiti velikih zunanjih steklenih površin, kot so okna,

zimski vrtovi, sončni moduli in drugo. Vsebuje nanodelce titanovega dioksida, ki deluje

fotokatalitično. UV svetloba razkroji organsko umazanijo na površini in ustvari mikro

razpoko med umazanijo in steklom. Nanopremaz je hidrofilen (privlači vodo), zato se

dežne kaplje razlijejo po površini v tanko plast, pridejo v mikro razpoko in odplaknejo

umazanijo. Učinek pa se razvije šele po 4–6 tednih. Primeri čišenja z hidrofilnim

nanopremazom so prikazani na slikah 3.10 in 3.11. [13].


36

Slika 3.10: Samočistilno steklo na bazi nanotehnologije [13]

Kot vse stvari na svetu tudi ta premaz ni idealen, zato je še vedno potrebno občasno

čiščenje, bo pa to manj pogosto in manj intenzivno.

Slika 3.11: Sončni modul, očiščen z nanopremazom [14]


37

Prav gotovo je treba povedati tudi nekaj o vplivu tehnologij na zdravlje. V naslednjem

poglavju sledi osnovni vpliv uporabe nanotehnologije na zdravje.

3.4 VPLIV NANOTEHNOLOGIJE NA ZDRAVJE

S toksičnostjo nanomaterialov so se znanstveniki šele začeli ukvarjati. Pri raziskavah

negativnih učinkov nanodelcev prav zaradi njihovih lastnosti se znastveniki soočajo s

težavami pri njihovem opredeljevanju, zaznavanju in merjenju v živilih in bioloških tkivih.

Na nevarnost nanodelcev za zdravje ljudi poleg topnosti vplivajo tudi njihova velikost,

oblika, kemijska sestava, velikost in lastnosti površine, koncentracija delcev in njihova

porazdelitev v tkivih in biološka razgradljivost. [20].

Prav tako v Evropi še ni ustrezne zakonodaje, ki bi urejala področje nanotehnologije, in je

tudi v naslednjih nekaj letih še ni pričakovati. Tako tudi proizvajalcev nanoizdelkov noben

zakon ne zavezuje, da bi potrošnike obvestili o vsebnosti nanomaterialov v svojih

proizvodih, kadar ne gre za snovi, ki so že v osnovi opredeljene kot nevarne kemikalije.

Označevanje nanoizdelkov je torej prepuščeno etiki in poslovni kulturi proizvajalcev.

Treba je opozoriti, da se mnogi proizvajalci ne zavedajo tveganj, povezanih z uporabo

nanodelcev, saj nimajo dovolj znanja s tega področja. So pa tudi taki, ki so bili opozorjeni

na nevarnost, a v imenu dobička svojo dejavnost nadaljujejo (prodajalci koloidnega

srebra). V človeško telo nanodelci lahko prodrejo skozi kožo, prebavila in dihala. Na vse

načine pridejo v krvni obtok, preko katerega se transportirajo po telesu in dosežejo vsa

tkiva v telesu, kot kaže slika 3.12. [20].


38

Slika 3.12: Vstopne poti nanodelcev v človeško telo in možne poškodbe [20]

Novejše raziskave kažejo, da so vzrok Parkinsove in Alzheimerjeve bolezni visoka

koncentracija ultra finih prašnih delcev v ozračju. Nanodelci naj bi iz krvnega obtoka ali

prek živčnih poti zašli tudi v možgane. Najenostavnejši je prehod nanodelcev v organizem

z dihanjem. Delci z velikostjo več kot 100 nm ostanejo v zgornjih dihalih, delci, manjši kot

50 nm pa dosežejo pljučne mešičke, kjer pridejo v krvni obtok in se raznesejo po celem

telesu.

Pri presojanju prednosti in slabosti uporabe nanomaterialov je sporočilo mnogih

nanoznanstvenikov enako. Dokler učinki nanomaterialov ne bodo bolje definirani in

nadzorovani, jih je treba uporabljati po pameti in na področjih, kjer korist prevlada nad

potencialnim tveganjem, na primer v medicini za zdravljenje hudih bolezni. Samo dobiček,

udobje in estetika uporabe nanomaterialov ne opravičujejo. [20].


39

4 EKSPERIMENTALNI DEL

Analiza učinkovitosti izplena proizvodnje električne energije sončnih modulov očiščenih z

in brez nanopramazov je narejena na sončni elektrarni Medpodjetniškega izobraževalnega

centra (MIC) v Velenju. Merjenja so narejena na štirih enakih sončnih modulih,

proizvajalca Canadian Solar Inc. Dva sončna modula sta očiščena z nanopremazi, dva

sončna modula pa le z destilirano vodo. Električne lastnosti modulov so podane v tabeli

4.1, mehanske in temperaturne lastnosti pa v tabeli 4.2.

Tabela 4.1: Električne lastnosti sončnega modula „Canadian Solar Inc. CS5P-230” [22]

Canadian Solar Inc. CS5P-230 STC Normalni pogoji

Vršna moč - 230 172

Kratkostični tok - 8,45 6,86

Napetost odprtih sponk - 37,5 34,8

Tok vršne moči - 7,90 6,39

Napetost vršne moči - 29,5 26,9

Učinkovitost pretvorbe celic - 16,0 14,7

Učinkovitost pretvorbe modula - 13,5 13,2

Tabela 4.2: Mehanske in temperaturne lastnosti sončnega modula „Canadian Solar Inc. CS5P-230” [22]

Tip sončnih celic Polkristalni silicij

Dimenzije sončnih celic 156 × 156 mm

Število celic in vrsta vezave 90 redno

Toleranca izhodne moči 0/+6 W

Temperaturni koeficient toka +5,5 mA/ºC

Temperaturni koeficient napetosti -120 mV/ºC

Temperaturni koeficient moči -0,45 %/ºC

Maksimalna sistemska napetost 600 V (razred A)


40

Na sliki 4.1 je prikazana I-U karakteristika, ki jo podaja proizvajalec pri različnih jakostih

sončnega sevanja in različnih temperaturah sončnega modula.

Slika 4.1: I-U karakteristika sončnega modula „Canadian Solar Inc. CS5P-230” pri različni osvetljenosti in

pri različnih temperaturah celic [22]

S pomočjo merilne opreme za merjenje trenutnih vrednosti električnih (napetost, tok, moč)

in neelektričnih (temperatura okolice, temperatura sončnih modulov in jakost sončnega

sevanja) veličin smo opravili merjenja na sončnih modulih.

Merjenja so potekala več dni, in sicer od 18. 8. 2013 do 2. 9. 2013, pri različnih

atmosferskih pogojih.

Slika 4.2 kaže eksperimentalni poligon štirih sončnih modulov, ki so postavljeni pod

kotom 30º. Izmerjene vrednosti tokov in napetosti smo iz programa LabVIEW prenesli v

Microsoft Excel in jih shranili v pomnilnik računalnika. Za vsako meritev smo zabeležili

datum in čas meritve. Rezultate merjenja smo analizirani v programu Microsoft Excel. Za

vsako dano meritev smo analizirali dnevno odvisnost električnih in neelektričnih veličin od

časa.


41

Slika 4.2: Eksperimentalni poligon za merjenje sončnih modulov [14]

4.1 REZULTATI MERJENJA SONČNIH MODULOV, OČIŠČENIH Z IN BREZ

NANOTEHNOLOGIJE

Slika 4.3 kaže meritve temperature sončnih modulov, očiščenih z in brez nanotehnolgije,

ter temperaturo okolice. Z rdečo bravo je označena temperatura modulov, očiščenih z

nanotehnologijo; s zeleno barvo je označena temperatura modulov, očiščenih z destilirano

vodo. Modra barva prikazuje temperature okolice. Na sliki 4.3 je razvidno, da se

temperatura modulov, očiščenih z in brez nanotehnologije, bistve ne razlikujeta, sta skoraj

enaki. Temperaturna nihanja, ki so vidna na sliki 4.3, so posledica atmosferskih vplivov

oziroma oblačnosti. Iz slike 4.3 prav tako vidimo, da temperatura narašča v dopoldanskem

času in se proti večeru spet zmanjšuje.


42

Slika 4. 3: Temperature sončnih modulov in temperatura okolice

Slika 4.4: Trenutne moči sončnih modulov, očiščenih z in brez nanotehnologije

0

10

20

30

40

50

60

70

Tem

pe

ratu

ra [C

]

Dan

Tokolice [°C] T z nanotehnologijo T brez nanotehnologije

0

50

100

150

200

250

300

350

Mo

č [

W]

Dan

Brez nanotehnologije Z nanotehnologijo


43

Na sliki 4.4 je prikazana električna moč sončnih modulov z in brez uporabe nanopremazov.

Z rdečo barvo so prikazani sončni moduli, očiščeni z nanotehnologijo, z modro barvo pa

sončni moduli, očiščeni z destilirano vodo. Trenutna moč je odvisna predvsem od jakosti

sončnega obseva. Trenutna moč sončnega modula, očiščenega z nanotehnologijo, je

nekoliko večja od trenutne moči sončnega modula, ki je očiščen z destilirano vodo.

Slika 4.5: Energijski donos sončnih modulov, očiščenih z in brez nanotehnologije

Na sliki 4.5 je prikazan energijski donos sončnih modulov z in brez uporabe

nanopremazov. Kot je bilo že povedano, sta pri tem dva sončna modula, ki sta očiščena z

nanotehnologijo in prikazana z rdečo barvo. Medtem ko sta ostala dva sončna modula

očiščena z destilirano vodo in prikazana z modro barvo. Razvidno je, da imajo sončni

moduli, očiščeni z nanotehnologijo, večji energijski donos. Vsekakor pa je za boljše

ugotovitve delovanja nanotehnologije pri čiščenju sončnih modulov treba opraviti merjenja

na daljše časovno obdobje.

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Ener

gijs

ki d

on

os

[Wh

]

Dan

Brez nanotehnologije Z nanotehnologijo


44

V nadaljevanju so predstavljene meritve samo za en dan, in sicer za 25. 8. 2013.

Na sliki 4.6 sta prikazani temperaturi sončnih modulov, očiščenih z in brez nanotehnolgije,

ter temperature okolice. Z rdečo barvo je označena temperature modulov, očiščenih z

nanotehnologijo; s zeleno barvo je označena temperatura modulov, očiščenih z destilirano

vodo. Modra barva pa prikazuje temperature okolice.

Slika 4.6: Temperature sončnih modulov in temperature okolice za dan 25. 8. 2013

Kot vidimo iz slike 4.6 sta temperaturi sončnih modulov, očiščenih z in brez

nanotehnologije približno enaki. Iz poteka temperature okolice iz slike 4.6 lahko

zaključimo, da je bila temperatura v tem časovnem obdobju relativno nizka. Temperature

vseh modulov so bistveno večje od temperature okolice.

Na sliki 4.7 so prikazane trenutne moči modulov, očiščenih z in brez nanotehnologije za

dan 25. 8. 2013. Moč se povečuje od jutranjih ur in narašča sorazmerno z velikostjo

sončnega sevanja. Največja moč je dosežena med 13. in 17. uro, v času največjega

0

5

10

15

20

25

30

12:00:00 AM 7:36:00 AM 3:12:00 PM 10:48:00 PM

Tem

per

atu

ra [C

]

Dan

Tokolice [°C] T z nanotehnologijo T brez nanotehnologije


45

sončnega obsevanja. Zaradi vpliva oblačnosti med 14. in 15. uro se trenutna moč zelo

spreminja.

Slika 4.7: Trenutne moči modulov, očiščenih z in brez nanotehnologije za dan 25. 8. 2013

Slika 4.8 kaže energijski donos sončnih modulov z in brez uporabe nanopremazov za dan

25. 8. 2013. Meritev je potekala čez celotni dan. Enegijski donos je sorazmeren moči

posameznih sončnih modulov. Meritev kaže, da moduli, očiščeni z nanotehnologijo,

dosegajo večje energijske donose kot moduli, očiščeni z destilirano vodo.

0

10

20

30

40

50

60

70

12:00:00 AM 7:36:00 AM 3:12:00 PM 10:48:00 PM

Mo

č [W

]

Dan

Brez nanotehnologije [W] Z nanotehnologijo [W]


46

Slika 4.8: Energijski donos sončnih modulov z in brez nanotehnologije za dan 25. 8. 2013

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

7:46:33 2:06:39 PM 20:26:45

Ener

gijs

ki d

on

os

[Wh

]

Dan

Z nanotehnologijo Brez nanotehnologije


47

5 SKLEP

Diplomska naloga predstavlja čiščenje sončnih modulov z uporabo nanotehnologije. V

diplomskem delu smo predstavili vpliv čiščenja sončnih modulov z uporabo

nanotehnologije na izplen proizvodnje električne energije. Prav tako smo prikazali, kako

pomembno je vzdrževanje sončnih modulov. Nečistoče na sončnih modulih povzročajo

nezaželene spremembe na električnih karakteristikah sončnih modulov, kar vpliva na

njihovo kakovost delovanja.

Izkoristek sončnih modulov je vsekakor zelo pomemben podatek tako za investicijo v

izgradnjo sončne elektrarne kot za izplen proizvedene električne energije. Padec izkoristka

sončnih modulov skozi življenski cikel je razumljiv, vsekakor pa ni zanemarljiv, saj so

investicijski stroški modulov precej visoki. Življenska doba sončnih modulov je 20–25 let.

Izgube, ki nastanejo v delovanja sončnih modulov kot posledica staranja ali nečistoč na

sončnih modulov, niso zanemarljive.

Uporaba nanotehnologije za čiščenje fotonapetostnih modulov je najbolj razvidna pri

položnih postavitvah fotonapetostnih sistemov, kjer ni dovolj ”naravnega” čiščenja.

Izgube, ki lahko nastanejo pri proizvodnji električne energije iz sončnih modulov zaradi

umazanije, so enostavno prevelike, da bi jih zanemarili.


48

VIRI IN LITERATURA

[1] Marković, B. Analiza sončnih modulov s termovizijsko kamero, Univerza v

Mariboru, 2012.

[2] http:// www.techaton.eu/ [17. 8. 2013]

[3] www.pv.fe.uni-lj.si/ [14. 7. 2013]

[4] Majdandžić, Lj. Fotonaponski sustavi, Zagreb 2011.

[5] www.ee.fs.uni-lj.si/ [17. 8. 2013]

[6] www.wikipedia.com/ [25. 7. 2013–13. 9. 2013]

[7] Beganović, S. Vpliv vzdrževanja in čiščenja sončnih modulov na izplen sončne

energije, Univerza v Mariboru, 2012.

[8] http://www.energija-solar.si/ [17. 8. 2013]

[9] Cotar, A., Filčić, A. Fotonaponski sustavi, Rijeka, siječanj 2012.

[10] http://www.plan-net-solar.si/ [23. 8. 2013]

[11] H. Qasem, T. R. Bettis, H. AlBusairi, R. Gottschlag, Dust effect on PV modules

[12] Key T. Technical Executive, Power Delivery and Utilization, EPRI. Dostopno na

www.4shared.com/

[13] www.nanosvet.com/ [11. 9. 2013]


49

[14] Seme, S. in Šlamberger, J. Čiščenje fotonapetostnih modulov z uporabo

nanotehnologije, Univerza v Mariboru, Fakulteta za energetiko 2012.

[15] Goetzberger, V. U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation. Dostopno

na www.4shared.com/

[16] PV Solar System with Cooling, Benha University, Shoubra Faculty Of

Engineering, Mech. Power Eng. Dep. Dostopno na www.4shared.com/

[17] MAINTENANCE AND OPERATION OF STAND-ALONE PHOTOVOLTAIC

SYSTEMS

A Publication of the PHOTOVOLTAIC DESIGN ASSISTANCE CENTER, Sandia

National Laboratories, Albuquerque, NM 87185-5800

[19] www.tersus.si/ [3. 9. 2013]

[20] Stana, K. H. Nanodelci, Republika Slovenija, Ministerstvo za šolstvo in šport,

2011.

[21] http://www.sunnyportal.com/ [12. 9. 2103]

[22] http://www.solardesigntool.com/ [24. 9. 2103]

[23] http://varcevanje-energije.si/ [28. 8. 2013]


50

PRILOGE

PRILOGA A: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE

ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV


51

PRILOGA B : IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA

sistemi za ČiŠČenje fotonapetostnih modulov · mpp točka največje moči pv fotovoltaični...

Documents