View
9
Download
1
Category
Preview:
Citation preview
I
EKONOMSKA ANALIZA IZDELAVE SONČNIH MODULOV
diplomsko delo
Študentka: Nuša Pantaler
Študijski program: univerzitetni študijski program 1. stopnje Energetika
Mentor: doc. dr. Sebastijan Seme
Somentor: izr. prof. dr. Miralem Hadžiselimovič
Krško, november 2013
II
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Sebastijanu Semetu za pomoč in
vodenje pri opravljanju diplomskega dela.
Posebna zahvala velja moji družini, ki mi je stala ob strani skozi celotni študij.
Hvala tudi vsem sošolcem in profesorskem zboru, ki so me spodbujali v času študija.
IV
EKONOMSKA ANALIZA IZDELAVE SONČNIH MODULOV
Ključne besede: sončni moduli, stroški izdelave, povračilna doba
UDK: 005.52:330.133.1:697.329(043.2)
Povzetek
Diplomska naloga obravnava ekonomsko analizo izdelave sončnih modulov. Izdelava
sončnih modulov predstavlja določen strošek in obremenitev za okolje, kjub temu da
sončni moduli proizvajajo električno energijo na okolju prijazen način. Tako je cilj
diplomske naloge ugotoviti, v kolikšnem času se povrne investicija v sončne module. V ta
namen smo izvedli izračun na podlagi stroškov proizvodnje sončnih modulov ter odkupnih
cen električne energije. Ugotovili smo, da se povračilna doba razlikuje glede na lokacijo
ter inštalirano moč sončne elektrarne. Odvisna je tudi od cene uporabljenih sončnih
modulov. Stroškov transporta, obdavčitve in postavitve sončne elektrarne pri tem nismo
upoštevali.
V
ECONOMIC ANALYSIS OF MANUFACTURING PHOTOVOLTAIC MODULES
Key words: solar modules, manufacturing costs, payback period
UDK: 005.52:330.133.1:697.329(043.2)
Abstract
This thesis deals with economic analysis of manufacturing photovoltaic modules.
Photovoltaic modules production presents a certain expense and load for the environment,
despite the fact that solar modules produce electric energy in an environmentally friendly
way. Therefore the goal of this thesis is to determine solar modules investment payback
period. That is why we performed calculations based on solar modules manufacturing
costs and electric energy purchase prices. To conclude, payback period differs based on
location and installed capacity of solar power plant. It also depends on the price of solar
modules which are used. Transport, taxation and installation costs were not included in
our analysis.
VI
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ............................................................................................................................................... 1
2 ENERGIJA SONCA ........................................................................................................................ 3
2.1 SONČNE CELICE .............................................................................................................................. 4
2.1.1 Delovanje sončnih celic ............................................................................................................. 5
2.1.2 Vrste sončnih celic ..................................................................................................................... 7
2.1.2.1 Monokristalne in polikristalne silicijeve sončne celice ................................................................... 7
2.1.2.2 Silicijeve amorfne sončne celice ..................................................................................................... 8
2.2 SONČNI MODULI ........................................................................................................................... 10
2.2.1 Sončni moduli iz kristalnih celic .............................................................................................. 11
2.2.2 Sončni moduli iz amorfnega silicija......................................................................................... 13
3 PROIZVODNJA SONČNIH MODULOV ..................................................................................... 14
3.1 STROŠKI IZDELAVE SONČNIH MODULOV .................................................................................. 17
3.2 RECIKLIRANJE SONČNIH MODULOV ....................................................................................... 18
4 ENERGIJA SONČNEGA SEVANJA ............................................................................................ 21
4.1 LETNI OBSEV V SLOVENIJI ......................................................................................................... 21
4.2 LETNI ENERGIJSKI DONOS IN ODKUPNA CENA ELEKTRIČNE ENERGIJE SONČNIH
MODULOV V SLOVENIJI ....................................................................................................................... 23
5 EKONOMSKA ANALIZA SONČNIH MODULOV ..................................................................... 24
5.1 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO – NOVEMBER 2013 .......................................................... 24
5.2 IZRAČUN ZA MALO SONČNO ELEKTRARNO – NOVEMBER 2013 ........................................................... 26
5.3 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO - DECEMBER 2013 .......................................................... 27
5.4 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO - JANUAR 2013 ................................................................ 28
5.5 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO S HIT SONČNIMI CELICAMI - NOVEMBER 2013 ................. 29
6 SKLEP ............................................................................................................................................ 30
LITERATURA IN VIRI.......................................................................................................................... 31
PRILOGE ................................................................................................................................................ 33
PRILOGA A: ODKUPNE CENE ELEKTRIČNE ENERGIJE V LETU 2013 ZA SONČNE ELEKTRARNE NA STAVBAH IN
OSTALE SONČNE ELEKTRARNE RAZLIČNIH INŠTALIRANIH MOČI [17] ........................................................... 33
VII
PRILOGA B: POVRAČILNE DOBE SONČNIH ELEKTRARN V LETU 2013 ............................................................ 34
PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE ZAKLJUČNEGA
DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV ............................................................... 35
PRILOGA D : IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA .......................................................... 36
VIII
KAZALO SLIK
Slika 2.1: Sončna celica [3] ................................................................................................... 6
Slika 2.2: Sončne celice, združene v module, ki sestavljajo sončno elektrarno [5] ............ 11
Slika 2.3: Transparentni modul (levo) [6] in fleksibilni modul (desno) [7] ........................ 12
Slika 2.4: Laminiranje sončnega modula z EVA folijo [8] ................................................. 13
Slika 3.1: Tiskanje polprevodniškega materiala (zmesi bakra, indija, galija ter selena) na
aluminijasto folijo [9] .......................................................................................................... 15
Slika 3.2: Cene posameznih postopkov izdelave sončnih modulov za različne tipe celic
[10] ...................................................................................................................................... 16
Slika 4.1: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [15] ................. 22
IX
KAZALO TABEL
Tabela 3.1: Stroški posameznih postopkov izdelave sončnih modulov za različne tipe celic
............................................................................................................................................. 17
Tabela 4.1: Potencial sončnega obseva za Koper, Ljubljano in Maribor za tipični dan v
mesecu [1]............................................................................................................................ 22
X
UPORABLJENI SIMBOLI
G - sončno sevanje
H - sončno obsevanje
Eld - povprečen letni energijski donos
Pel - inštalirana moč sončne elektrarne
Cod - odkupna cena električne energije
Cpr - stroški proizvodnje sončnih modulov
Csk - skupni stroški proizvodnje sončnih modulov
Elp - letna proizvedena električna energija
Cz - zaslužek od proizvedene električne energije
tp - povračilna doba
XI
UPORABLJENE KRATICE
TCO - Transparent Conducting Oxide
EVA - etil vinil acetat
PUR - poliuretan
PERC - Passivated Emitter and Rear Cell
IBC - Interdigitated Back Contact
HIT - Heterojunction with Intrinsic Thin Layer
NREL - National Renewable Energy Laboratory
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
1
1 UVOD
Živimo v času, kjer so alternativni energetski viri začeli nadomeščati fosilna goriva iz dveh
razlogov. Prvi je poseganje v okolje z izpusti ogljikovega dioksida, ki se kaže v počasnem
a neizbežnem globalnem segrevanju. Drugi, nič manj pomemben, je omejenost fosilnih
goriv, zaradi katere se opazno viša njihova cena. Rešitev obeh težav predstavlja energija
sonca, ki je praktično neomejena in okolju prijazna. Sončni moduli pretvarjajo energijo
sonca v električno energijo brez škodljivih izpustov, v kolikor jih obravnavamo kot že
izdelane naprave. Vprašljiva pa je njihova izdelava. Za izdelavo sončnih modulov je
potrebna energija, ki predstavlja določen strošek in obremenitev za okolje.
V diplomski nalogi bomo ugotavljali, ali je izdelava sončnih modulov upravičena iz
ekonomskega vidika. Zanimalo nas bo torej razmerje med stroški proizvodnje sončnih
modulov in donosom električne energije, ki jo sončni moduli proizvedejo. Rezultat bo
dejanski čas, v katerem sončni moduli 'poplačajo' lastno proizvodnjo. V diplomski nalogi
bo upoštevana zgolj proizvodnja sončnih modulov, brez stroškov transporta, obdavčitve ter
postavitve elektrarne.
Predpostavljamo, da je izdelava sončnih modulov z ekonomskega vidika upravičena in
predvidevamo, da naj bi se stroški proizvodnje sončnega modula povrnili približno v roku
5 let od začetka delovanja fotonapetostnega sistema (sončne elektrarne).
Pri diplomski nalogi bomo uporabili opisno oz. deskriptivno metodo s študijo različne
domače, predvsem pa tuje literature.
V drugem poglavju bomo opisali osnove fotovoltaike. Začeli bomo s podatki o Soncu, ki je
ključen element pridobivanja električne energije v fotonapetostni industriji. Prav tako
bomo opisali najpomembnejše pojme v procesu pretvorbe energije Sonca v električno
energijo. Opisali bomo sončne celice, njihovo zgradbo, postopke izdelave, delovanje ter
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
2
osnovne vrste celic. Prikazali bomo njihovo povezovanje v večje enote – module, našteli
tipe modulov in podali razlago njihovega delovanja.
Glavni del tretjega poglavja bo predstavitev proizvodnje sončnih modulov iz ekonomskega
vidika. Zanimali nas bodo stroški posameznih postopkov proizvodnje, ki jih bomo povezali
v skupne stroške proizvodnje. Poudarili bomo tudi velik pomen reciklaže sončnih modulov
po izteku njihove življenjske dobe. Ker pa še ni znanih podatkov o stroških, ki jih bodo ti
procesi predstavljali, proces reciklaže ne bo upoštevan v naših izračunih.
Četrto poglavje se bo nanašalo na električno energijo, ki jo sončni moduli proizvedejo.
Definirali bomo letni obsev ter letni energijski donos v Sloveniji. Podali bomo tudi
odkupne cene električne energije v Sloveniji.
V petem poglavju sledi izračun povračilne dobe sončnih modulov na podlagi podatkov iz
prejšnjih dveh poglavij. Na tej točki bomo potrdili ali ovrgli začetno tezo.
Šesto poglavje bo predstavljajo zaključno misel.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
3
2 ENERGIJA SONCA
Sonce je kot edina zvezda središče našega sončnega sistema in predstavlja kar 99 %
njegove celotne mase. Nastalo je pred 4,6 milijarde let in je približno na polovici svoje
predvidene življenjske dobe. Vsebuje skoraj vse elemente periodnega sistema v plinastem
agregatnem stanju (okoli sto različnih elementov), pretežno je sestavljeno iz vodika,
približno eno četrtino zajema helij, preostanek pa predstavljajo kovine in drugi elementi.
Sonce sestavljajo sredica, površinski del imenovan fotosfera, kromosfera, ki sestoji iz
ioniziranih plinov, vidna pa je le v času sončnega mrka ter korona, ki predstavlja zunanjo
plast in je sestavljena iz redkega ioniziranega plina. Energija Sonca je ključna za obstoj
življenja na našem planetu. Letno Zemlja prejme kar 4∙1024
J njegove energije, ki nastane z
reakcijami jedrskega zlitja. Te so možne le ob visokih temperaturah, ki v sredici Sonca
znašajo okoli 15∙106 K. Prenos do Zemlje poteka tako, da se energija iz notranjosti Sonca
do njegove površine prenaša s sevanjem s povprečno hitrostjo 10-4
m/s in konvekcijo, ki je
bistveno hitrejša in traja približno 10 dni, nato pa se izseva na spodnjem delu fotosfere in
potuje do Zemlje. Povprečna moč sončnega sevanja (s tujko imenovanega tudi
ekstraterestrično sevanje) na zunanjem robu Zemljine atmosfere se imenuje solarna
konstanta in je določena v standardu ASTM E490, Standard Solar Constant and Zero Air
Mass Solar Spectral Irradiance Tables [1] ter trenutno znaša 1366 W/m2. Merimo jo s
sateliti natančnosti 1:100.
Na tej točki je potrebno opredeliti še pojma sončno sevanje in sončno obsevanje. Sončno
sevanje (G) je gostota moči sevanja, ki jo Zemlja sprejme od Sonca in je podana na enoto
površine (W/m2). Poznamo tri vrste sevanja, ki ga sprejemajo ploskve na Zemlji: direktno
sevanje – sevanje pri jasnem vremenu na ploskve, ki so neposredno izpostavljene soncu,
razpršeno ali difuzno sevanje – razpršeno sevanje celotnega neba ter odbito sevanje –
sevanje, ki se odbija od okolice in pada na izbrano ploskev. Če združimo vse delne
trenutne prispevke zgoraj omenjenih vrst sevanj, dobimo globalno sončno sevanje. Za
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
4
pretvorbo solarne energije v električno so pomembni predvsem prispevki direktnega
sevanja, zato je pravilna usmerjenost fotonapetostnih modulov ključnega pomena, v
Sloveniji, ki ima velik delež difuznega sevanja, pa predstavlja pomemben delež tudi
slednje.
Sončno obsevanje (H) je vsota vseh delnih prispevkov solarnega sevanja na enoto površine
v določenem časovnem intervalu (Wh/m2 oziroma J/m
2). Tudi tu ločimo tri vrste sevanja:
direktno, difuzno in odbito, obsevanje pa ločimo še glede na časovni interval: urno, dnevno
in mesečno, ter glede na lego ploskev: sončno obsevanje na vodoravne in poljubno
usmerjene ploskve. Globalno sončno obsevanje na vodoravno ploskev je osnova za izračun
energije, ki jo prejme enota površine z določeno lego v prostoru ob povprečnih realnih
pogojih v atmosferi v določenem času. Ta tako imenovani izračun potenciala sončne
energije izvedemo z ustrezno programsko opremo ob poznavanju vrednosti globalnega
sončnega obsevanja, kjer najpogosteje navajamo povprečne vrednosti. Celotno poglavje je
povzeto po [1].
2.1 SONČNE CELICE
Osnove delovanja sončnih celic, ki v splošnem veljajo za vse polprevodniške materiale,
bomo predstavili na modelu kristalne mreže silicijevih atomov. Čistemu siliciju je potrebno
dodajati elemente z enim dodatnim elektronom – donorje, oziroma z elektronom manj kot
jih ima silicij - akceptorje, saj samostojen silicij kot material za sončne celice ali
polprevodniške elemente nima primernih lastnosti. Najpogostejša elementa za primesi sta
fostor P in bor B. Na ta način dobimo polprevodnik tipa P, ki je pozitivno nabit ali
negativno nabiti polprevodnik tipa N, ki se v nahajata tesno drug ob drugem. Na meji med
tipoma P in N teče presežek elektronov iz N-tipa polprevodnika v P-tip, obratno pa poteka
presežek vrzeli. Posledično nastaja električno polje in napetost v zaporni plasti velikosti
0,6 V, ki jo imenujemo zaporna napetost. Ta zaustavi prehajanje elektronov oziroma vrzeli.
Če je dioda polarizirana v prepustni smeri, lahko tok skozi PN-spoj pod vplivom zunanjega
vira napetosti, večje od 0,6 V, teče le v eni smeri. Povzeto po [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
5
2.1.1 Delovanje sončnih celic
Sončna celica je osnovni element pretvorbe svetlobne energije v električno. Njena sestava
je prikazana na sliki 2.1. Obstaja več vrst sončnih celic, glede na osnovni material za
izdelavo le teh. Najpogostejše so silicijeve sončne celice. Delujejo tako, da energija vpadne
svetlobe na kristalno mrežo polprevodnika ob določenih pogojih lahko izbija elektrone, kar
je vzrok za nastanek dodatnih vrzeli. Koliko elektronov se pri tem izbije oziroma sprosti, je
odvisno od energije svetlobe, torej tudi od njene valovne dolžine. Da dosežemo želeno
delovanje, mora biti vrhnji sloj sončne celice, ki je izpostavljen svetlobi, čim tanjši, da
lahko ta doseže PN-spoj, površina celice mora biti čim večja, svetloba pa se na površini ne
sme odbijati, saj se tako zmanjšuje izkoristek sončne celice. Za preprečitev slednjega, so
celice prevlečene z antirefleksivno plastjo. Kadar svetloba z zadosti veliko energijo v
zaporni plasti PN izbije elektrone, pride do pojava fotoefekta, to je nastanek parov
elektron-vrzel. Pod vplivom električnega polja v zaporni plasti se elektroni pomikajo v
negativni del polprevodnika, vrzeli pa iz zaporne plasti potujejo v nasprotno smer in se
zbirajo v območju pozitivno nabitega dela na zadnji strani celice. Več kot je sproščenih
elektronov in vrzeli iz zaporne plasti, večji je presežek negativnega naboja v N-tipu ter
pozitivnega naboja v P-tipu (vrzeli). Kot posledica tega dogajanja se pojavlja napetost med
priključnima sponkama sončne celice. Če ti sponki kratko sklenemo na sprednji in zadnji
strani, nastane električni tok kratkega stika, ki je za silicijevo celico velikosti približno 35
mA/cm2 pri napetosti 0,55 V. Sončna celica je sicer skoraj idealen tokovni vir in če ne
prekinemo izpostavljenosti celice sončnemu sevanju, ki vpada nanjo, lahko proces
izbijanja elektronov neprekinjeno teče, kljub manjši jakosti, seveda pa je temu sorazmerno
manjši generirani električni tok. Povzeto po [2].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
6
Slika 2.1: Sončna celica [3]
Učinkovitost sončnih celic je približno 23% za silicijeve eksperimentalne sončne celice, pri
celicah iz nekaterih drugih materialov pa lahko sega tudi nad 30% (eksperimentalna
vrednost), saj so dovzetne za širši spekter svetlobe, ki ga celica še lahko pretvori v
električno energijo. To je tudi prvi od dejavnikov, ki vplivajo na učinkovitost sončnih
celic, saj energija svetlobe pada z večanjem valovne dolžine svetlobe. Maksimalna valovna
dolžina, pri kateri ima svetloba še dovolj veliko energijo za izbijanje elektronov, je 1,15
μm, za druge materiale pa je lahko višja, kot smo že omenili. Nad zgornjo mejo sevanje
svetlobe povzroča le segrevanje celice, izbijanje elektronov v tem delu več ne poteka.
Drugi pomembni dejavnik, ki vpliva na izkoristek sončnih celic so lastne izgube, ki so
posledica lastne zastrtosti zaradi kontaktne mreže, notranje upornosti v celici ter že
omenjene refleksije sončnega sevanja na površini celice. Povzeto po [2].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
7
2.1.2 Vrste sončnih celic
Poznamo veliko različnih tipov sončnih celic, razvijajo pa tudi še nove tipe, da bi dobili
čim bolj ugodno razmerje med ceno in maksimalno močjo ter s tem povezanim
izkoristkom. Za namene naše naloge si bomo podrobneje ogledali silicijeve sončne celice,
ki jih delimo na monokristalne, polikristalne ter amorfne in so najpogosteje uporabljene
sončne celice.
Silicij je drugi najpogostejši element v Zemljini skorji in znaša skoraj tretjino njene celotne
mase. Najpogosteje ga pridobivamo iz peska, kjer je vezan v silicijevem dioksidu (SiO2).
Osnovna surovina za izdelavo čistega silicija je metalurški surovi silicij, ki ga pridobivamo
z redukcijo, odstranjevanjem kisika, pri temperaturi 1800 °C, kjer kot reducent
uporabljamo ogljene elektrode, celotna reakcija pa je sledeča: SiO2 + C → Si + CO2. Kljub
temu, da ima tako pridobljeni metalurški silicij kar 98 – 99 odstotno čistost, ga z raznimi
metodami čistijo toliko časa, dokler ne doseže odstotek čistega silicija v pridobljenem
materialu kar 99,99999999 %. Če torej gostota silicija znaša 5∙1022
atomov/cm3, to
pomeni, da material vsebuje 5∙1013
atomov nečistoč/cm3. Iz čistega silicija nato pridobivajo
monokristalni, polikristalni in amorfni silicij [2].
2.1.2.1 Monokristalne in polikristalne silicijeve sončne celice
Bloke, oziroma s tujko poimenovane ingote, monokristalnega ali polikristalnega silicija z
diamantno žago režejo in obdelujejo v obliko sončnih celic. Tu se izgubi približno polovica
materiala. Rezine položijo med dve planparalelni, nasproti vrteči se kovinski plošči, s
čimer dosežejo, da se obe plati rezine izravnata na tisočinko mm natančno. Sledi jedkanje
do globine nekaj mikrometrov, s čimer se odstranijo morebitne nepravilnosti v strukturi
kristala, ki jih lahko povzroči predhodno obdelovanje, na ta način pa se rezine tudi očistijo.
Začetna rezina silicija je najpogosteje polprevodnik tipa P, debeline 10 – 15 cm, dopirana z
borom, z difuzijo fosforja pa naredimo PN-stik. Pri temperaturi 870 °C difundiramo fosfor
v plinasti obliki P2O5 v rezino iz sprednje strani. Debelina dopiranega sloja narašča s
časom, ki ga silicij prebije v plinastem P2O5: po 15-30 min znaša približno 0,5 μm, kar je
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
8
tudi potrebna debelina za optimalno delovanje celice. Tako na vrhu rezine silicija nastane
plast polprevodnika tipa N in oksidna plast, obogatena s fosforjem. Tako obdelane rezine
zložijo v kubično obliko, ki ji je z jedkanjem v kisikovi plazmi potrebno odstraniti plast
tipa N na robovih, nato pa z mokrim kemičnim jedkanjem odstranijo še oksidne plasti na
površinah rezin. Zatem izdelajo mrežo iz kontaktov iz srebra in jo s posebnim postopkom
preko maske natisnejo na sprednjo površino ter prav tako na zadnjo (sitotisk), s to razliko,
da zadnja stran vsebuje še 1 % dodanega aluminija. Sledi sintranje potiskane celice pri
temperaturi okoli 700 °C. Celotna mreža zasenči okoli 9 % vpadle svetlobe, pri visoko
zmogljivih sončnih celicah pa je odstotek še manjši zaradi tanjših trakov kontaktov, ki jih
nanašajo z metodo imenovano fotolitografija. Postopek izdelave sončne celice se zaključi z
antirefleksivno plastjo natanko takšne debeline, da je refleksija minimalna, na koncu pa
dodajo še zaščitno plast, ki minimizira mehanske poškodbe. Sledi testiranje pri standardnih
pogojih in razvrstitev celic glede na izmerjeni tok in napetost v točki maksimalne moči.
Povzeto po [2].
Kristalni silicij je lahko v monokristalni ali polikristalni obliki. Zaradi ugodnejše cene je
pogostejša uporaba polikristala. Sicer pa se omenjeni obliki med seboj razlikujeta po
kristalni mreži. Monokristal je urejena kristalna mreža silicijevih atomov s popolno
strukturo, kjer je vsak silicijev atom vezan s štirimi sosednjimi silicijevimi atomi, podobno
kot pri strukturi diamanta. Polikristalni silicij je sestavljen iz več posameznih kristalov
oziroma zrn, ki imajo svoje mreže naključno usmerjene, mejna področja med temi zrni pa
so polna strukturnih in površinskih napak. V njih lahko pride do zastoja transporta med
zrni zaradi nastanka električnega polja. Sicer pa so celice silicija dobro razvite in moduli iz
takšnih celic dosegajo življenjsko dobo tudi nad 20 let in imajo izkoristek v laboratorijih že
nad 25 %. Komercialne sončne celice imajo izkoristek le 15-18 % za monokristalni silicij
in 13-15 % za polikristalni silicij. Povzeto po [2].
2.1.2.2 Silicijeve amorfne sončne celice
Amorfne silicijeve sončne celice so narejene iz silicija z neurejeno strukturo in veliko
napakami, razdalje in koti med posameznimi atomi se na primer lahko precej spreminjajo
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
9
po materialu, kar je ključnega pomena za električne značilnosti materiala. Amorfni silicij
pridobivamo iz čistega silicija v visokofrekvenčnih pečeh v nepopolnem vakuumu. Znotraj
peči je prisotno električno polje visokih frekvenc, ki omogoča prepihovanje plinov silana
(SiH4) in diborana (B2H6) ali fosfina (PH3), s pomočjo katerih siliciju lahko dodajamo bor
ali fosfor. Amorfni silicij vsebuje tudi nekaj odstotkov vodika, ki zmanjšuje učinke
neurejenosti materiala in omogoča, da ga dopiramo kot polprevodniki tipa P ali tipa N.
Povzeto po [2].
Izkoristek sončne celice izboljšamo z dodatno nedopirano intrizično I-plastjo, ki jo
vstavimo med dopirani plasti amorfnega silicija. V takšni P-I-N diodi se električno polje,
ki nastane preko P-N spoja, raztegne čez celotno I-plast in omogoča boljše ločevanje
elektronov in vrzeli. Postopek izdelave amorfnih sončnih celic je sledeč: kot substrat je
uporabljeno steklo, ki je transparentno, vodoodporno in ima sorazmerno nizko ceno. Tega
temeljito očistijo in nanj nanesejo sprednjo kontaktno plast transparentnega prevodnega
oksida (transparent conducting oxide – TCO). V vakuumu nanašajo plast amorfnega
silicija s P-I-N strukturo pod vplivom visokofrekvenčnega električnega polja. Nato
nanesejo še zadnje kovinske elektrode. Najprimernejši material za elektrode je srebro, ker
ima veliko refleksivnost, da se fotoni, ki uspejo priti skozi celico, odbijejo in s tem
povečajo absorpcijo celice, vendar je zaradi njegove visoke cene pogosteje uporabljen
aluminij. Povzeto po [2].
Za zagotavljanje uspešnega zbiranja svetlobno generiranih elektronov in vrzeli morajo biti
posamezne plasti v amorfnih sončnih celicah čim tanjše, ker pa je večja debelina pogoj, da
celice absorbirajo dovolj sončne svetlobe, jih spojimo v tandemske celice. Te imajo tudi
večji izkoristek, nad 13 %, medtem ko komercialne amorfne silicijeve sončne celice
dosegajo izkoristke med 6 - 8 %. Gostota toka in napetosti neobremenjenih celic so večje
kot pri kristalnih silicijevih sončnih celicah (gostota toka do 15 mA/cm2, napetosti do 0,8
V). Povzeto po [2].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
10
2.2 SONČNI MODULI
Po definicij je sončni modul oziroma sončni panel najmanjši, ob okvari še zamenljivi del
sončne elektrarne. Sestavljajo ga nizi električno zaporedno ali vzporedno vezanih enakih
sončnih celic, kjer zaporedna vezava daje želeno napetost modula, število vzporedno
vezanih nizov pa določa tok modula, ki je enak vsoti tokov vzporedno vezanih nizov celic.
Medtem, ko je tok sončnega modula enak za vse celice v nizu, je napetost modula enaka
vsoti napetosti posameznih celic modula.
Posamezna sončna celica generira enosmerni tok napetosti med 0,5 in 0,7 V. Generirana
napetost sončne celice je odvisna od jakosti sončnega sevanja, ki pade na celico. Da bi
lahko s celicami oskrbovali standardne nizkonapetostne porabnike (12 V), povezujemo
celice med seboj v serijo, tako da je zgornji kontakt celice povezan s spodnjim kontaktom
druge celice. Zaradi krhkosti, hkrati pa visoke cene, celicam podaljšamo življenjsko dobo z
vstavljanjem v module.
Module najpogosteje sestavijo iz sloja toplotno in mehansko odpornega stekla in Tedlar
folije. Med njima so sončne celice, zalite v enkapsulacijski snovi, na primer v EVA-etil
vinil acetatu. Ta preprečuje oksidacijo, vdor zračne vlage in zagotavlja odpornost na
ultravijolični (UV) spekter svetlobe. Tako zaščitene celice običajno zatesnijo s strani in
uokvirijo z aluminijem ali drugo kovino. Povzeto po [4].
Ker so celice vezane v nizu in je tok skozi vse celice enak, lahko samo ena slaba celica v
nizu vpliva na lastnosti celotnega modula. Da preprečimo napake, mora biti vsaka celica
testirana, v modul se namreč vgradijo le celice z enakimi karakteristikami. Kasnejše okvare
pa preprečujemo z obvodno diodo, ki skrbi za to, da okvara posameznega niza celic ne bi
vplivala na funkcionalnost modula. Obvodna dioda preprečuje pregrevanje niza celic, ki so
osenčene in imajo zato veliko električno upornost, zaradi česar prihaja do tako imenovanih
vročih točk in do predčasnega poslabšanja delovanja. Povzeto po [1].
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
11
2.2.1 Sončni moduli iz kristalnih celic
Silicijevi kristalni moduli so sestavljeni iz električno medsebojno povezanih kristalnih
silicijevih sončnih celic, kot prikazuje slika 2.2. Kristalnih sončnih celic je v modulu
običajno 60 ali 72. Seveda pa je število sončnih celic odvisno od želene moči modula.
Module manjših moči sestavlja 36 celic ali manj. Sestavljeni so lahko iz monokristalnih ali
polikristalnih sončnih celic. Tipične moči takšnih komercialnih modulov so od nekaj Wp
pa do 300 Wp. Moduli so zgrajeni tako, da lahko prenesejo temperature v razponu od -40
°C do +95 °C, vendar pa je pri ekstremno visokih temperaturah izkoristek posledično
manjši. Tudi masa sončnih modulov je odvisna od moči. Manjši moduli do 50 Wp tehtajo
le nekaj kilogramov, serijsko dobavljivi moduli z močjo 300 Wp pa tudi do 30 kg, kar je
seveda odvisno od uporabljenih materialov.
Slika 2.2: Sončne celice, združene v module, ki sestavljajo sončno elektrarno [5]
Posebne izvedbe kristalnih modulov so transparentni moduli (slika 2.3 levo), ki prepuščajo
del svetlobe in fleksibilni moduli (slika 2.3 desno), ki jih lahko do neke mere upogibamo.
Pri nekaterih modulih, predvsem manjših, so sončne celice laminirane v teflonu in zato ne
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
12
potrebujejo dodatnega prosojnega sprednjega sloja, saj teflon zagotavlja zadostno zaščito
sončnih celic oziroma modula. Sloj teflona mora biti karseda tanek za čim boljšo
refleksivnost, odboj prahu in odvod toplote.
Celice lahko enkapsuliramo tudi tako, da jih zalivamo s prosojno smolo, v kombinaciji s
polikarbonatom se pogosto uporabljajo poliuretanske smole (PUR). Ta metoda se
uporablja predvsem pri zvočno izolativnih prosojnih sončnih modulih, namesto prosojne
smole pa se lahko uporabljajo še silikoni, na primer PV-6100 in dvokomponentni Sylgard
184 proizvajalca Dow Corning.
Slika 2.3: Transparentni modul (levo) [6] in fleksibilni modul (desno) [7]
Izkoristek komercialnih sončnih modulov je zaradi vpliva okvirja in drugih elementov na
delovanje nekoliko manjši od izkoristka posamezne sončne celice in znaša od 12-16 %, za
module s kontakti na zadnji strani sončnih celic pa je nekoliko višji. Življenjska doba
modulov z monokristalnimi celicami, ki je nekoliko boljša od polikristalnih modulov, je
nad 25 let s predvidenim doseganjem 90 % nazivnega izkoristka po 20 letih in 80 % po 25
letih delovanja. Moduli s polikristalnimi sončnimi celicami dosegajo 90 % nazivnega
izkoristka po 10 letih in 90 % po 20-25 letih in so temu primerno cenovno ugodnejši.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
13
2.2.2 Sončni moduli iz amorfnega silicija
Sončne celice iz amorfnega silicija so na substrat nanesene s posebnimi postopki nanašanja
tankih plasti silicija in nekaterih drugih materialov. Imajo zelo dobre lastnosti tudi ob
slabši osvetljenosti in tudi difuzno sevanje izkoriščajo bolje od kristalnih modulov.
Posebna lastnost novih silicijevih amorfnih modulov je, da jim do določene vrednosti prvih
nekaj mesecev upada učinkovitost, ki se ustali okoli vrednosti 6% do 8 %, odvisno od vrste
modula. Posledica je nekoliko višji izkoristek in izhodna moč, kot je podano v
specifikacijah, saj so tam navedeni podatki ob ustaljenem stanju. Najpogosteje uporabljeni
sončni moduli iz amorfnega silicija so tankoplastni moduli iz dvospojnih celic, ki so
zgrajene iz kombinacije mikrokristalnega in amorfnega sloja. Izdelani so na steklenem
nosilnem materialu in laminirani z EVA-folijo za mehansko stabilizacijo, kot je prikazano
na sliki 2.4. Sprednja stran sončnega modula je iz kaljenega stekla. Njihov izkoristek se
giblje okoli 8,5 %, najvišja napetost je 600 V, delovna temperatura pa med -40 °C in +90
°C. Povzeto po [1]
Slika 2.4: Laminiranje sončnega modula z EVA folijo [8]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
14
3 PROIZVODNJA SONČNIH MODULOV
Potek proizvodnje sončnih modulov od pridobivanja materiala za sončne celice, izdelave
sončnih celic ter izgradnje sončnih modulov smo podrobno pregledali že v prejšnjem
poglavju. V tem delu se bomo omejili na konkretne stroške posameznih postopkov v
procesu nastajanja sončnega modula. Zanimala nas bo cena materiala za izdelavo sončnih
celic, torej silicija, v našem primeru je to cena že obdelanega polikristalnega silicija, saj so
stroški obdelave zanemarljivi oziroma so že upoštevani v podatkih. Naslednjo stopnjo
proizvodnje predstavlja obdelava rezin, tudi tu so vsi vmesni stroški zanemarljivi. Manjši
delež skupnim stroškom prispeva metalizacija, to so termični postopki, pri katerih se
kovina tali in razprši na podlago v obliki žice, da se na neprevodnem materialu ustvari
prevodna obloga. Postopek je popolnoma avtomatiziran, kot je razvidno iz slike (3.1).
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
15
Slika 3.1: Tiskanje polprevodniškega materiala (zmesi bakra, indija, galija ter selena) na aluminijasto folijo
[9]
Raziskali bomo stroške obdelave celic, cene stekla, posebne zaščitne plasti, imenovane
EVA folija ter obdelave spodnje plasti celice in na koncu še obdelave modula.
Vsi omenjeni podatki so zbrani v tabeli 3.1 in sliki 3.2. Podatki se nanašajo na trenutno
stanje, oziroma stroške proizvodnje v letu 2012 za standardno celico in so povzeti iz [10].
Na sliki 3.2 in v tabeli 3.1 je podana še kratkoročna napoved proizvodnih stroškov za
celico tipa PERC (Passivated Emitter and Rear Cell). PERC celica je trenutno edina, iz
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
16
industrijskega in ekonomičnega vidika upravičena tehnologija sončnih celic z naraščajočo
močjo, ki izpolnjuje zahteve po ravnotežju med stroški proizvodnje (v €/Wp) in
izkoristkom celic. Slednje zagotavlja čim hitrejšo povračilno dobo investicije v sončne
celice. Na sliki 3.2 ter v tabeli 3.1 so podane tudi dolgoročne napovedi za celice tipa
PERC, IBC (interdigitated back contact – celica s kontakti na spodnji plasti) in HIT
(heterojunction with intrinsic thin layer) celico, ki ima večkratni spoj z notranjo tanko
plastjo.
Slika 3.2: Cene posameznih postopkov izdelave sončnih modulov za različne tipe celic [10]
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
standardnacelica 2012
PERC celica -kratkoročno
PERC celica -dolgoročno
IBC celica -dolgoročno
HIT celica -dolgoročno
0,13
0,06 0,01 0,01 0,01
0,15
0,08
0,05 0,04 0,05
0,05
0,04
0,05 0,03
0,07
0,12
0,12
0,16 0,18 0,09
0,17
0,13
0,12 0,1
0,11
0,08
0,07
0,05
0,04 0,04
Str
ošk
i [€
/Wd
c]
Vrste celic
obdelava modula steklo, EVA folija, spodnja plast
obdelava celice metalizacija
obdelava rezine polikristalni silicij
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
17
3.1 STROŠKI IZDELAVE SONČNIH MODULOV
Tabela 3.1: Stroški posameznih postopkov izdelave sončnih modulov za različne tipe celic
Stroški izdelave sončnih modulov [€]
polikristalni silicij
obdelava rezine
metalizacija obdelava
celice
steklo, EVA
folija, spodnja
plast
obdelava modula
standardna celica 2012 0,13 0,15 0,05 0,12 0,17 0,08 PERC celica - kratkoročno
0,06 0,08 0,04 0,12 0,13 0,07
PERC celica - dolgoročno
0,01 0,05 0,05 0,16 0,12 0,05
IBC celica - dolgoročno 0,01 0,04 0,03 0,18 0,1 0,04
HIT celica - dolgoročno 0,01 0,05 0,07 0,09 0,11 0,04
Po podatkih iz analize NREL (National Renewable Energy Laboratory) – laboratorija za
obnovljive vire energije [10], ki so podani v sliki 3.2 in tabeli 3.1, je v letu 2012 največ
stroškov v procesu proizvodnje sončnih modulov nastalo pri plastenju sončnih celic, kamor
prištevamo enkapsulacijo v EVA foliji, dodajanje plasti toplotno obdelanega stekla ter
dodajanje spodnje plasti. Ti stroški so 0,17 €/Wp, kar predstavlja 24,3 % vseh stroškov
proizvodnje sončnih modulov. Po vrednosti nato sledi obdelava rezin s ceno 0,15 €/Wp,
kar je 21,4 % celotne cene. Nadalje predstavlja silicij 18,6 %, obdelava sončnih celic pa
17,1 % skupne cene. Manjši delež v ceni proizvodnje predstavljata še obdelava modulov in
metalizacija, ki skupaj zavzemata 18,6 % stroškov celotne proizvodnje. V ceno niso
vključeni prevozi, carine, davki.
Iz slike 3.2 ter tabele 3.1 je razviden trend nadaljnjega padanja cene proizvodnje sončnih
modulov predvsem na račun znižanja cene silicija, ki naj bi po napovedih padla za več kot
polovico, dolgoročno gledano, pa naj bi se zmanjšala celo za več kot 100%. Pričakovano je
tudi občutno zmanjšanje stroška obdelave rezin, ki bo posledica novih tehnologij na tem
področju. Rezanje rezin kristalnega silicija s posebnimi postopki se odraža v tanjših
rezinah in minimalni količini odpadnega materiala (kerfless wafering). Običajno pri
rezanju blokov na rezine uporabljamo žično žago in material, ki ga rezilo pri rezanju
odstrani, je odpadni material. Poznamo dva postopka rezanja brez odpadnega materiala.
Prva je tako imenovana metoda vstavi in cepi (implant and cleave), kjer v kristalni silicij
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
18
vstavimo ione, ki oblikujejo razcepljeno plast, ki se širi po kristalni mreži in omogoča
odstranjevanje zelo tankih rezin silicija. Druga metoda loči rezine silicija s pritiskom med
silicij in predhodno dodan tanek film.
3.2 RECIKLIRANJE SONČNIH MODULOV
Bolj, ko se število sončnih elektrarn pri nas in po svetu povečuje, pogosteje se postavlja
vprašanje, kako ravnati po koncu njihove življenjske dobe. Glavni pomislek se nanaša na
sončne module. Vir [11] pravi: »Sončne elektrarne imajo življenjsko dobo od 25 do 30 let,
kar pomeni, da lahko čez dobrih 15 ali 20 let pričakujemo veliko število modulov, ki se jim
bo iztekla življenjska doba in jih bo treba ustrezno reciklirati. Recikliranje bo prispevalo k
manjši porabi električne energije, ki je potrebna v procesu pridobivanja surovin in
proizvodnje modulov, s tem pa tudi k varovanju okolja.«
Ekološka ozaveščenost je eden glavnih razlogov, da so se v nekaterih podjetjih že odločili
za vključitev v združenje PV Cycle, katerega namen je zbiranje in recikliranje sončnih
modulov, in ureditev zbirnega mesta za odslužene fotonapetostne module, od koder jih
prepeljejo na reciklirno mesto. Fotovoltaična industrija z recikliranjem dotrajanih
komponent namreč zagotavlja trajen in trajnostni razvoj panoge ter utrjuje vlogo sončnih
elektrarn kot vira čiste električne energije. Po [11] je: »zbirno mesto oziroma skladišče za
zdaj še prazno, saj se modulom v naših sončnih elektrarnah še ni iztekla življenjska doba.
Pričakujemo, da bodo posamezniki in podjetja v prihodnjih letih oddajali predvsem
poškodovane module, na primer zaradi toče, odslužene pa, kot že rečeno, lahko
pričakujemo šele čez 15 ali 20 let.«
Način recikliranja je odvisen od tipa modulov. Del razgradnje poteka mehansko, drugi del
pa termično. Kristalne celice, vsaj rezine, bodo po pričakovanjih uporabne tudi po
predvidenem izteku življenjske dobe, saj so v splošnem na vremenske vplive občutljivi le
zgornja in spodnja plošča modula, vgrajeni ostali materiali in električne povezave ter linije.
Čeprav glede recikliranja trenutno še ni potreb, se postopki razgradnje modulov že
razvijajo. Za ponovno uporabo bo celice potrebno s primernimi kemijskimi in toplotnimi
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
19
postopki ločiti od ostalih materialov. Po primernem čiščenju in opravljenih meritvah bodo
celice lahko ponovno vgradili v module, ali pa bodo mehansko ali kemično z jedkanjem
odstranili površinske plasti in tako pripravili rezine za ponovno procesiranje celic. Plastični
materiali bodo večinoma zgoreli, prednje in zadnje plošče modulov bodo s taljenjem prav
tako uporabili za nove module [12].
Pri tankoplastnih modulih je aktivnega materiala zelo malo, glavna gradnika sta steklo in
plastika. Pri modulih iz amorfnega silicija bodo po odstranitvi kontaktnih povezav amorfni
silicij s steklene površine odžgali in nato nanesli nove plasti. [13]
»Sončna energija v javnosti velja kot zelo čista, a treba je upoštevati tudi okoljske stroške,
ki nastanejo pri njeni proizvodnji in razgradnji. Gre namreč za zelo umazane procese,« kot
navaja vir v [12]. »Metalurški silicij iz elektropeči je treba očistiti, pri čemer gre za
postopke kloriranja in čiščenja v vodikovi atmosferi. Stranski produkti so klorovodikova
kislina in plini, ki vsebujejo silicij, denimo silane. Pri čiščenju silicija nastajajo strupi, zato
težko govorimo o čisti tehnologiji. Umazan je tudi postopek reciklaže, ki je nujen že zaradi
pomanjkanja surovin. Reciklažo sestavljata zgorevanje folij in kemična obdelava površine
celice. Pri tem nastajajo strupeni plini in odpadna voda, ki jih je prav tako nujno čistiti.
Stroški reciklaže so precej visoki in o njih se govori zelo malo, poleg tega niso upoštevani
v izračunih cene električne energije iz sončnih celic.«
Ena izmed prednosti sončnih celic je, da ne potrebujejo vzdrževanja. Sicer pa se sončne
celice iz ekonomskega vidika, če odštejemo državne subvencije po mnenju [12]: »ne
splačajo. Najprej se pojavi vprašanje, kdaj se povrne vsa energija, vložena v njihovo
izdelavo. Ob sedanji tehnologiji je odgovor: v enem do dveh letih. Drugo vprašanje je,
kolikšna je proizvodnja energije v celotni dobi uporabnosti sončne celice. Zdaj je
proizvede od 30- do 60-krat toliko, kolikor energije je bilo porabljene za njeno
proizvodnjo, vendar pa tržna cena energije, proizvedene v dobi uporabnosti sončne celice,
še zdaleč ne pokrije stroškov izdelave sončne celice in njihovega združevanja v modul.«
To pa naj bi se v prihodnosti spremenilo: »V 10 do 20 letih naj bi cena sončne energije že
postala konkurenčna vršni ceni energije med 12. in 13. uro, ko so potrebe največje. V 30
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
20
do 40 letih pa naj bi postala konkurenčna preostalim virom energije. Razlog je predvsem v
množični proizvodnji [12].«
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
21
4 ENERGIJA SONČNEGA SEVANJA
Analiza lokacije in ovrednotenje energijskega donosa sta pomembna dela načrtovanja
sončnih elektrarn (fotonapetostnih sistemov), saj lahko slaba lokacija in površni izračuni
energijskega donosa močno zmanjšajo učinkovitost delovanja sončne elektrarne in
posledično podaljšajo vračilno dobo investicije. Zato je ključna natančna analiza senčenja
modulov, potrebno je določiti letni obsev, naklon modulov ter letni energijski donos
oziroma proizvedeno električno energijo.
4.1 LETNI OBSEV V SLOVENIJI
Po podatkih iz vira [14] je: »Povprečno letno sončno obsevanje na kvadratni meter
horizontalne površine v Sloveniji večje od 1000 kWh/m2. Desetletno merjeno povprečje
(1993 - 2003) letnega globalnega obsevanja je med 1053 in 1389 kWh/m2 (slika 4.1), pri
čemer polovica Slovenije prejme med 1153 in 1261 kWh/m2. Povprečno obsevanje
poljubne nesenčene lokacije v Sloveniji ne odstopa veliko od državnega povprečja, kljub
temu pa lahko Slovenijo razdelimo na posamezna področja. V osrednji Sloveniji znaša
povprečno sončno obsevanje na horizontalno površino okoli 1195 kWh/m2, v
severovzhodni Sloveniji in severni Dolenjski okoli 1236 kWh/m2, na Primorskem in
Goriškem pa presega vrednost 1300 kWh/m2. Večje vrednosti obsevanja (preko 1250
kWh/m2) lahko opazimo tudi v Posavskem hribovju in na Kozjanskem.«
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
22
Slika 4.1: Globalno letno obsevanje na horizontalno površino v Sloveniji [15]
V nadaljevanju so v tabeli 4.1 podane posodobljene vrednosti (iz leta 2011) potenciala
sončnega sevanja na vodoravno ploskev ali tako imenovani letni obsevi za tri kraje v
Sloveniji. Vrednosti so podane v Wh/m2dan.
Tabela 4.1: Potencial sončnega obseva za Koper, Ljubljano in Maribor za tipični dan v mesecu [1]
Koper
Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Avg Sep Okt Nov Dec
1130 1920 2930 4140 5230 5800 5790 5160 3980 2530 1280 940
Letno povprečje: 3400 Wh/m2dan
Ljubljana
Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Avg Sep Okt Nov Dec
830 1590 2600 3760 4940 5310 5290 4500 3300 1950 920 600
Letno povprečje: 2960 Wh/m2dan
Maribor
Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Avg Sep Okt Nov Dec
980 1680 2680 3750 4820 5160 5100 4430 3430 2220 1120 750
Letno povprečje: 3010 Wh/m2dan
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
23
V tabeli 4.1 so podani tipični dnevni obsevi na ploskev površine 1 m2 za vsak mesec v letu,
sicer pa celotni letni obsev v Sloveniji po [16] znaša od 1047 – 1311 kWh/m2 ter povprečni
letni obsev 1177kWh/m2.
4.2 LETNI ENERGIJSKI DONOS IN ODKUPNA CENA ELEKTRIČNE ENERGIJE
SONČNIH MODULOV V SLOVENIJI
Letni energijski donos nam pove, koliko Wh proizvedemo iz inštaliranega Wp moči pri
povprečnem letnem sončnem obsevu. Osnovna enota je Wh/Wp, kjer Wp (watt peak)
predstavlja enoto inštalirane moči sončnega modula pri standardnih testnih pogojih. Avtor
v [16] navaja vrednost, ki v Sloveniji znaša povprečno 1055 kWh/kWp. Sicer je letni
energijski donos v Sloveniji od 950 kWh/kWp za slabše lege do 1150 kWh/kWp za odlične
lege.
V tabeli v prilogi A so podane vrednosti odkupnih cen električne energije za vsak mesec v
letu 2013 za mikro, male, srednje in velike sončne elektrarne. Na podlagi teh podatkov
bomo v naslednjem poglavju izvedli izračun povračilne dobe in ugotovili, ali je iz
ekonomskega vidika proizvodnja sončnih modulov upravičena glede na dobiček od
proizvedene električne energije sončnih modulov.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
24
5 EKONOMSKA ANALIZA SONČNIH MODULOV
Ekonomsko analizo proizvodnje sončnih modulov bomo opravili na podlagi izračuna
povračilne dobe, to je razmerje med stroški proizvodnje sončnih modulov ter zaslužkom, ki
ga sončni moduli ustvarijo s proizvedeno električno energijo. Če bo rezultat izračuna
povračilna doba, ki je krajša od življenjske dobe sončnega modula, potem so naša
predvidevanja pravilna in proizvodnja sončnih modulov je upravičena.
Podan imamo torej povprečen letni energijski donos (Eld) v Sloveniji, ki znaša 1055
kWh/kWp. Ker poznamo odkupne cene električne energije proizvedene iz sončnih
elektrarn v Sloveniji, lahko izračunamo donos od proizvedene električne energije.
V nadaljevanju so predstavljeni izračuni za mikro in malo sončno elektrarno ob
upoštevanju odkupne cene električne energije za tekoči mesec november 2013. Za
primerjavo smo naredili izračun za mikro sončno elektrarno še za mesec januar ter
december 2013. Izračun smo izvedli tudi za primer uporabe predvidoma cenejših sončnih
modulov v mikro sončni elektrarni, z upoštevanjem odkupnih cen v tekočem mescu.
5.1 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO – NOVEMBER 2013
Predpostavimo, da je inštalirana moč mikro sončne elektrarne Pel = 40kW ter da se
elektrarna nahaja na strehi stavbe. Iz tabele v prilogi C odčitamo podatek o odkupni ceni
(Cod) električne energije za tekoči mesec, torej za november 2013. Odkupna cena za mesec
november 2013 znaša 120,12 €/MWh.
Ob predpostavki, da so v sončni elektrarni uporabljene standardne celice, iz slike 3.2
odčitamo podatek o stroških proizvodnje sončnih modulov (Cpr). Ker novejši podatki niso
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
25
na voljo in so podane le napovedi za prihodnost, vzamemo podatek o ceni izdelave celic iz
slike 3.2 iz preteklega leta 2012.
Skupni stroški (Csk) proizvodnje sončnih modulov so definirani s (5.1), kjer sta strošek
proizvodnje Cpr=0,70 €/W in inštalirana moč sončne elektrarne Pel=40 kW podana:
(5.1)
Glede na (5.1) določimo skupne stroške proizvodnje sončnih modulov Csk:
Po (5.2) nato ob podanem letnem energijskem donosu Eld=1055 kWh/kW izračunamo letno
proizvedeno električno energijo (Elp) za elektrarno inštalirane moči Pel=40 kW:
(5.2)
Če upoštevamo odkupno ceno električne energije Cod=120,12 €/MWh in proizvedeno
električno energijo Elp=42,2 MWh, določimo dobiček (Cz) v enem letu po (5.3):
(5.3)
Čas (tp), v katerem se stroški izdelave povrnejo določimo s (5.4). Upoštevati je potrebno
izračunane skupne stroške Csk=28000 € izdelave sončnih modulov ter letni zaslužek
Cz=5069,1 € od prodaje električne energije, ki jo proizvede inštalirana sončna elektrarna:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
26
(5.4)
Iz izračuna je razvidno, da je povračilna približno pet let, kot smo predvidevali. V izračuni
smo upoštevali samo stroške modulov. Stroški prevoza, obdavčitve in investicije v sončno
elektrarno niso zajeti v izračunu.
5.2 IZRAČUN ZA MALO SONČNO ELEKTRARNO – NOVEMBER 2013
Sedaj bomo podoben izračun naredili še za malo sončno elektrarno na strehi stavbe. Izbrali
bomo inštalirano moč Pel = 0,50 MW ter podatek o stroških proizvodnje standardne celice
iz slike 3.2. Cpr=0,70 €/W. Skupni stroški proizvodnje (Csk) po (5.1) znašajo:
Električno energijo (Elp), ki jo letno proizvede sončna elektrarna inštalirane moči
Pel=0,50MW=500kW izračunamo po (5.2) ob podanem letnem energijskem donosu
Eld=1055 kWh/kW :
Dobiček (Cz) iz proizvedene električne energije v enem letu Elp=527500 kWh ob
upoštevanju ustrezne odkupne cene iz tabele v prilogi A (podatek za malo elektrarno na
strehi stavbe za tekoči mesec – november 2013) Cod=109,86 €/MWh po (5.3) znaša:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
27
Dobiček od letne proizvedene električne energije je Cz=57951,2 €, skupni stroški izdelave
sončnih modulov pa Csk=350000 €. S (5.4) izračunamo še čas (tp), v katerem se stroški
proizvodnje sončnih modulov povrnejo:
Rezultat je nekoliko daljša povračilna doba kot pri elektrarni manjše inštalirane moči,
zaradi nižje odkupne cene elektrike. Glede na ta izračun lahko sklepamo, da bo tako tudi
pri elektrarni inštalirane moči nad 1MW, podobno pa se povračilna doba podaljša tudi za
ostale elektrarne, ki so postavljene ločeno od stavbe, saj je tudi tu odkupna cena
proizvedene električne energije nižja.
5.3 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO - DECEMBER 2013
Za primerjavo bomo opravili še analizo za napovedano odkupno ceno električne energije,
ki jo proizvede sončna elektrarna, za december 2013. Odkupna cena naj bi takrat za
elektrarno inštalirane moči Pel = 40 kW na strehi stavbe padla na Cod =117,72 €/MWh.
Skupne stroške proizvodnje sončnih modulov Csk = 28000 € in letno proizvedeno
električno energijo Elp = 42,2 MW za ta primer smo že izračunali v podpoglavju 5.1.
Zaslužek (Cz) iz proizvedene električne energije po (5.3) v enem letu znaša:
Čas (tp), v katerem se stroški proizvodnje sončnih modulov povrnejo, je po (5.4) ob
upoštevanju skupne cene izdelave sončnih modulov Csk=28000 € in dobička od
proizvedene električne energije Cz=4967,8 € na leto :
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
28
Rezultat je zopet daljša povračilna doba kot v prvem izračunu, kjer so upoštevane nekoliko
višje odkupne cene električne energije.
5.4 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO - JANUAR 2013
Izračunajmo povračilno dobo za januar 2013, ko je bila odkupna cena električne energije
sončnih modulov najvišja v letu 2013. Po podatkih iz tabele v prilogi A je znašala Cod=147
€/MWh ob predpostavki, da gre za mikro sončno elektrarno, inštalirano na stavbi. Skupne
stroške proizvodnje Csk = 28000 € in letno proizvedeno energijo Elp = 42,2 MW za ta
primer že poznamo (podpoglavje 5.1). Zaslužek (Cz) iz proizvedene energije pa po (5.3) v
enem letu znaša:
Povračilna doba (tp) je ob upoštevanju enačbe (5.4) in podatkov za dobiček iz letne
proizvedene električne energije Cz=6203,4 € ter skupne stroške proizvodnje sončnih
modulov Csk=28000 €:
Izračunana povračilna doba investicije v sončne elektrarne znaša približno 4,5 let in je
najkrajša zaradi odkupne cene električne energije, ki je bila v začetku leta 2013 najvišja.
Kot je razvidno iz izračunov v prilogi B, je odkupna cena električne energije padala z
vsakim mesecem v letu 2013.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
29
5.5 IZRAČUN ZA MIKRO SONČNO ELEKTRARNO S HIT SONČNIMI CELICAMI
- NOVEMBER 2013
Poglejmo še dolgoročno napoved občutno znižanih proizvodnih stroškov HIT sončne
celice ob predpostavki, da ostane odkupna cena električne energije sončnih modulov enaka
trenutni, to je Cod=120,12 €/MhW. Ceno proizvodnje, oziroma dolgoročno napoved za
stroške proizvodnje sončnih celic HIT, odčitamo iz slike 3.2 in je Cpr=0,37 €/W. Skupni
stroški proizvodnje (Csk) sončnih modulov za mikro sončno elektrarno inštalirane moči
Pel=40 kW po (5.1) znašajo:
Letna proizvedena električna energija (Elp) za sončno elektrarno inštalirane moči Pel=40
kW je Elp=42200 kWh (podatek iz podpoglavja 5.1).
Zaslužek iz proizvedene električne energije v enem letu Cz=5069,1 € (podatek iz
podpoglavja 5.1). Skupni stroški proizvodnje sončnih modulov so Csk=14800 €. Čas, v
katerem se stroški proizvodnje sončnih modulov povrnejo (tp) pa se zmanjša na:
Rezultat je primerljivo krajša povračilna doba kot pri ceni standardnih sončnih modulov iz
leta 2012. Glede na to, da je izračun opravljen na podlagi napovedi za prihodnost, ne
moremo z gotovostjo trditi, da bomo tako kratko povračilno dobo v resnici dosegli.
Opravili smo torej izračune časa, v katerem se stroški proizvodnje sončnih modulov
povrnejo za različne vrste postavitev in inštalirane moči sončnih elektrarn za vsak mesec v
letu 2013. Omenjeni podatki so podrobneje zbrani v prilogi B.
Iz zbranih rezultatov je razvidno, da se hitreje povrne investicija v sončne elektrarne, ki so
inštalirane na stavbah. Najkrajšo povračilno dobo imajo mikro sončne elektrarne, najdaljšo
pa velike sončne elektrarne, ki niso inštalirane na stavbah.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
30
6 SKLEP
Rezultati analize proizvodnje sončnih modulov kažejo, da je bila naša teza pravilna.
Proizvodnja sončnih modulov je upravičena iz ekonomskega vidika. Podatki v prejšnjem
poglavju kažejo, da je trenutna povračilna doba sončnih modulov inštalirane moči do 50
kW, ki so postavljeni na strehah stavb, enaka našim predvidevanjem, torej se giblje okoli 5
let. Nekoliko daljši povračilni čas ima mala sončna elektrarna in sicer zaradi nižje odkupne
cene električne energije. Enako velja za ostale sončne elektrarne, ki niso inštalirane v
sklopu stavbe. Odkupna cena električne energije takšnih sončnih elektrarn je nekoliko nižja
za elektrarne vseh inštaliranih moči, kar se ponovno odraža v daljšem povračilnem času.
Pri tem je potrebno poudariti, da smo upoštevali samo stroške sončnih modulov brez
transporta, obdavčitve in postavitve sončne elektrarne.
V prejšnjih obdobjih je bil ta čas sicer še krajši zaradi višjih odkupnih cen električne
energije. V prihodnje pa zaradi stalno padajočih odkupnih cen električne energije lahko
pričakujemo, da se bo povračilna doba investicije še podaljšala, čeprav se stroški
proizvodnje sončnih modulov na drugi strani zmanjšujejo. To je razvidno iz izračuna, ki
upošteva napovedano ceno sončnih celic tipa HIT. Razvoj novih tehnologij v postopkih
izdelave sončnih modulov naj bi občutno znižal stroške posameznih procesov izdelave
modulov.
V diplomski nalogi smo izpostavili tudi problem reciklaže sončnih modulov po izteku
njihove uporabne dobe. Reciklaža sicer še ni aktualen problem, zato tudi niso znani sami
stroški recikliranja. Vendar pa bi bilo postopke reciklaže potrebno upoštevati v ekonomski
analizi, saj so postopki ustrezne predelave zahtevni. To s seboj prinese tudi dodatne
stroške, ki bi močno vplivali na naše rezultate.
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
31
LITERATURA IN VIRI
[1] Lenardič, D. Fotonapetostni sistemi: Gradniki, načrtovanje, namestitev in vzdrževanje,
2. izdaja. Ljubljana: Agencija Poti, 2012
[2] Andrejašič, M. Fotocelice: Izbrana poglavja iz uporabne fizike, Ljubljana: Fakulteta za
matematiko in fiziko, Oddelek za fiziko, 2007. Dostopno na: http://www-
f1.ijs.si/~ziherl/fotocelice.pdf [7.8.2013]
[3] http://www.ee.fs.uni-lj.si/diploma1/slika%20delovanja%20sc.jpg [20.9.2013]
[4] Rižnik, K. Analiza sončnih modulov: Diplomsko delo. Maribor: Fakulteta za
elektrotehniko, računalništvo in informatiko, 2010. Dostopno na: http://dkum.uni-
mb.si/IzpisGradiva.php?id=16094 [8.8.2013]
[5] http://www.elektra.si/uploads/podobe/iStock_000009854405Medium.jpg [20.9.2013]
[6] http://www.tehnosol.si/sites/default/files/transparentni_net.png [20.9.2013]
[7] http://www.globalsolar.com/images/uploads/6Mstring.jpg [20.9.2013]
[8] http://img.rtvslo.si/_up/upload/2009/10/24/64634113_9_show.jpg [20.9.2013]
[9] http://www.technologyreview.com/sites/default/files/legacy/nanosolar_x600.jpg
[20.9.2013]
[10] Goodrich, A., Woodhouse, M., James, T., CESA Member Webinar: Solar PV
Manufacturing Costs, NREL, Junij 2012. Dostopno na:
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
32
http://www.cleanenergystates.org/assets/Uploads/Solar-PV-Manufacturing-Combined-
Presentations.pdf [22.8.2013]
[11] Primc, B., Življenjski cikel PV modulov, Delo in dom, maj 2011. Dostopno na:
http://www.deloindom.si/zivljenjski-cikel-pv-modulov [5.9.2013]
[12] Hafner, A., Sončna energija ni tako čista, kot se zdi, Finance, Priloga Okolje in
energija, september 2008. Dostopno na: http://www.finance.si/227059/Son%C4%8Dna-
energija-ni-tako-%C4%8Dista-kot-se-zdi?cookietime=1375859625 [16.8.2013]
[13] Solar invest, Sončne elektrarne. Dostopno na: http://www.solar-
invest.si/pv_elektrarne.html [2.8.2013]
[14] LPVO, Slovenski portal za fotovoltaiko. Dostopno na: http://pv.fe.uni-
lj.si/ObsSLO.aspx [31.8.2013]
[15] http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/cmaps/eu_cmsaf_opt/G_opt_SI.png [20.9.2013]
[16] Elektro Maribor, Obnovljivi viri - Najpogostejša vprašanja z odgovori. Dostopno na:
http://www.elektro-maribor.si/index.php/obnovljivi-viri/61-najpogostejsa-vprasanja-z-
odgovori [8.8.2013]
[17] Borzen, Organizator trga z električno energijo d. o. o., Določanje višine podpor
električni energiji proizvedeni iz OVE in SPTE in višine podpor v letu 2013. Ljubljana,
januar 2013. Dostopno na:
http://www.borzen.si/si/cp/Shared%20Documents/Podpore_slo.pdf [5.9.2013]
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
33
PRILOGE
PRILOGA A: ODKUPNE CENE ELEKTRIČNE ENERGIJE V LETU 2013 ZA SONČNE ELEKTRARNE NA STAVBAH IN OSTALE
SONČNE ELEKTRARNE RAZLIČNIH INŠTALIRANIH MOČI [17]
Odkupna cena električne energije Cod [€/MWh]
Jan
2013
Feb
2013
Mar
2013
Apr
2013
Maj
2013
Jun
2013
Jul
2013
Avg
2013
Sep
2013
Okt
2013
Nov
2013
Dec
2013
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
Inšt
alir
ana
mo
č so
nčn
e el
ektr
arn
e P
el
Mikro -
manjše od
50 kW 147,0
0
138,1
3
144,0
6
135,3
7
141,1
8
132,6
6
138,3
6
130,0
1
135,5
9
127,4
1
132,8
8
124,8
6
130,2
2
122,3
6
127,6
2
119,9
1
125,0
7
117,5
1
122,5
7
115,1
6
120,1
2
112,8
6
117,7
2
110,6
0
Mala –
manjše od
1 MW 13
4,4
5
12
7,2
6
13
1,7
6
12
4,7
1
12
9,1
2
12
2,2
2
12
6,5
4
11
9,7
8
12
4,0
1
11
7,3
8
12
1,5
3
11
5,0
3
11
9,1
0
11
2,7
3
11
6,7
2
11
0,4
8
11
4,3
9
10
8,2
7
11
2,1
0
10
6,1
0
10
9,8
6
10
3,9
8
10
7,6
6
10
1,9
0
Srednja –
od 1 MW
do 10
MW
11
1,5
7
10
2,5
9
10
9,3
4
10
0,5
4
10
7,1
5
98
,53
10
5,0
1
96
,56
10
2,9
1
94
,63
10
0,8
5
92
,74
98
,83
90
,89
96
,85
89
,07
94
,91
87
,29
93
,01
85
,54
91
,15
83
,83
89
,33
82
,15
Velika –
nad 10
MW do
125 MW
99,3
1
95,2
5
97,3
2
93,3
5
95,3
7
91,4
8
93,4
6
89,6
5
91,5
9
87,8
6
89,7
6
86,1
0
87,9
6
84,3
8
86,2
0
82,6
9
84,4
8
81,0
4
82,7
9
79,4
2
81,1
3
77,8
3
79,5
1
76,2
7
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
34
PRILOGA B: POVRAČILNE DOBE SONČNIH ELEKTRARN V LETU 2013
Povračilne dobe tp [let]
Jan
2013
Feb
2013
Mar
2013
Apr
2013
Maj
2013
Jun
2013
Jul
2013
Avg
2013
Sep
2013
Okt
2013
Nov
2013
Dec
2013
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
na
stav
bah
ost
ale
Inšt
alir
ana
mo
č so
nčn
e el
ektr
arne
Pel
Mikro -
40 kW 4,5
14
4,8
03
4,6
06
4,9
01
4,7
00
5,0
02
4,7
80
5,1
04
4,8
93
5,2
08
4,9
93
5,3
14
5,0
95
5,4
23
5,1
99
5,5
33
5,3
05
5,6
46
5,4
13
5,7
62
5,5
24
5,8
79
5,6
36
5,9
99
Mala –
0,5 MW 4,9
35
5,2
14
5,0
36
5,3
20
5,1
39
5,4
29
5,2
43
5,5
39
5,3
50
5,6
53
5,4
60
5,7
68
5,5
71
5,8
86
5,6
85
6,0
06
5,8
00
6,1
28
5,9
19
6,2
54
6,0
40
6,3
81
6,1
63
6,5
11
Srednja –
5 MW 5,9
47
6,4
68
6,0
68
6,5
99
6,1
92
6,7
34
6,3
19
6,8
71
6,4
47
7,0
12
6,5
79
7,1
54
6,7
14
7,3
00
6,8
51
7,4
49
6,9
91
7,6
01
7,1
34
7,7
57
7,2
79
7,9
15
7,4
28
8,0
77
Velika –
100 MW 6,6
81
6,9
66
6,8
18
7,1
08
6,9
57
7,2
53
7,0
99
7,2
53
7,2
44
7,5
52
7,3
92
7,7
06
7,5
43
7,8
63
7,6
97
8,0
24
7,8
54
8,1
87
8,0
14
8,3
54
8,1
78
8,5
14
8,3
45
8,6
99
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
35
PRILOGA C: IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE
ZAKLJUČNEGA DELA IN OBJAVI OSEBNIH PODATKOV DIPLOMANTOV
Univerza v Mariboru – Fakulteta za energetiko
36
PRILOGA D : IZJAVA O AVTORSTVU ZAKLJUČNEGA DELA
Recommended