OŠ VIDE PREGARC

LJUBLJANA

RAZISKOVALNA NALOGA

PODROČJE: Fizika

SONČNE CELICE NA ŠOLSKI STREHI

MENTOR: Katja Kodelja AVTORICI: Tajda Frece, 8. b

Šejla Trožić, 8. b

LJUBLJANA, 2011

2

KAZALO KAZALO .................................................................................................................................................2

KAZALO SLIK:..................................................................................................................................3

KAZALO TABEL..............................................................................................................................4

KAZALO GRAFOV............................................................................................................................4

POVZETEK ............................................................................................................................................5

KLJUČNE BESEDE ...............................................................................................................................5

1 UVOD................................................................................................................................................6

2 SONČNE CELICE............................................................................................................................7

2.1 VRSTE SONČNIH CELIC.......................................................................................................7

2.1.1 MONOKRISTALNE SONČNE CELICE.......................................................................7

2.1.2 POLIKRISTALNE SONČNE CELICE..........................................................................8

2.1.3 AMORFNE SONČNE CELICE.......................................................................................8

2.2 SESTAVA SONČNIH CELIC .................................................................................................9

3 POTEK DELA.............................................................................................................................. 10

3.1 TABELIRANJE..................................................................................................................... 10

3.2 PRIPOMOČKI ZA MERJENJE .......................................................................................... 10

3.3 POTEK MERITVE:.............................................................................................................. 12

4 REZULTATI IN UGOTOVITVE .............................................................................................. 14

4.1 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD VREMENA................................................ 14

4.2 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD OSVETLJENOSTI.................................... 15

4.3 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD VRSTE CELIC .......................................... 16

4.4 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD NAKLONA CELIC .................................. 17

4.5 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD STRANI NEBA......................................... 18

5 IZRAČUNI..................................................................................................................................... 19

6 ZAKLJUČEK ................................................................................................................................ 22

7 ZAHVALA..................................................................................................................................... 23

8 VIRI IN LITERATURA .............................................................................................................. 23

9 PRILOGE....................................................................................................................................... 24

3

KAZALO SLIK:

Slika1: Monokristalne sončne celice ................................................................................. 7

Slika 2: Polikristalne sončne celice .................................................................................. 8

Slika 3: Amorfne sončne celice ......................................................................................... 8

Slika 4: Sestava sončne celice ......................................................................................... 9

Slika 5: Maketa sončnih celic.......................................................................................... 10

Slika 6: Termometer (za merjenje temperature).............................................................. 10

Slika 7: Kompas (za določanje smeri neba) .................................................................... 11

Slika 8: Kabli (za povezavo med sončnimi celicami in ampermetrom in voltmetrom) ...... 11

Slika 9: Ampermeter in voltmeter - multimeter (za merjenje toka in napetosti) ................ 11

Slika 10: Veliki geo trikotnik (za merjenje naklona sončnih celic) .................................... 12

Slika 11: Določanje naklona celic ................................................................................... 12

Slika 12: Merjenje z multimetrom (toka in napetosti) ....................................................... 13

Slika 13: Dobljeni rezultat sva vpisali v tabelo................................................................. 13

4

KAZALO TABEL

Tabela 1: Izračun povprečne pridobljene moči v odvisnosti od vremena......................... 14

Tabela 2: Povprečen izračun moči v odvisnosti od osvetljenosti ..................................... 15

Tabela 3: Pridobljena moč v odvisnosti od vrste celic ..................................................... 16

Tabela 4: Pridobljena moč v odvisnosti od strani neba ................................................... 18

Tabela 5: Pridobljena moč odvisna od strani neba.......................................................... 18

KAZALO GRAFOV

Graf 1: Naredili sva graf izračuna o odvisnosti pridobljene moči od vremena.................. 14

Graf 2: Graf povprečnega izračuna moči v odvisnosti od osvetljenosti............................ 15

Graf 3: Graf izračuna odvisnosti moči od osvetljenosti.................................................... 16

Graf 4: Graf pridobljene moči v odvisnosti od vrste celic ................................................. 16

Graf 5: Graf pridobljene moči v odvisnosti od naklona celic ............................................ 17

Graf 6: Graf pridobljene moči odvisne od strani neba ..................................................... 18

Graf 7: Izračun investicije in odkupa elektrike ................................................................. 20

Graf 8: Povprečna pridobljena elektrika v kWh v posameznih mesecih .......................... 21

5

POVZETEK Za to temo sva se odločili, ker bo naša šola gradila prizidek in želimo na streho

postaviti sončno elektrarno. Želeli sva raziskati, v kolikšnem času se nam

investicija povrne. Meritve sva opravljali v učilnici, na igrišču, za šolo, pred blokom

in v stanovanju. Za to pa sva seveda potrebovali tudi maketo sončnih celic.

Gospod Marko Žibert iz podjetja ALPIN nama je posodil maketo sončnih celic, in

sicer sta bili dve iz silicija - monokristalni, dve pa brez - polikristalni. Ugotovili sva,

da dobimo največ elektrike, če je jasno vreme, če so sončne celice obrnjene proti

jugu in so pod naklonom od 30° do 40°. Ugotovili pa sva tudi, da je bolje imeti

sončne celice s silicijem, saj so bolj obstojne. Za sončne celice ni dobro, da se

pregrejejo, saj takrat proizvajajo manj moči. Te trditve nama ni uspelo dokazati,

ker sva poskuse izvajali pri nižjih temperaturah.

S pomočjo meritev sva izračunali koliko električne moči bi proizvajala sončna

elektrarna na strehi šole, koliko kWh bi proizvedli na leto ter koliko denarja bi

zaslužili, če bi proizvedeno elektriko prodali. Te podatke sva primerjali z

izračunom podjetja ALPIN in prišli do ugotovitev, da se nam ta investicija povrne v

roku desetih let.

KLJUČNE BESEDE

sončne celice, sončna elektrarna, pridobljena elektrika

6

1 UVOD

Za to temo sva se odločili, ker namerava naša šola zgraditi prizidek in sva želeli

raziskati, če bi se nam investicija v sončno elektrarno obrestovala. Tema se nama

je zdela zanimiva in neznana. Primerjali sva, koliko elektrike bi dejansko dobili z

našo šolsko sončno elektrarno, in preračunali, v kolikšnem času bi se nam

povrnila investicija. Predvidevali sva, da je količina pridobljene elektrike odvisna

od naklona celic, smeri neba, vremena, osvetljenost, temperature in območja

meritve. Najina hipoteza je bila, da je največji izkoristek odvisen od svetilnosti in

naklona.

7

2 SONČNE CELICE

Sončna celica (lahko jo imenujemo tudi solarna celica) je neposredni pretvornik za

pridobivanje električne energije iz sončne. To je naprava – fotoelement, ki v mejni

plasti med dvema polprevodnikoma pretvarja vpadajoče sončne žarke v električni

tok.

2.1 VRSTE SONČNIH CELIC

LOČIMO TRI VRSTE SONČNIH CELIC: - monokristalne

- polikristalne

- amorfne

2.1.1 MONOKRISTALNE SONČNE CELICE Monokristalne sončne celice so bile najprej množično proizvedene, kar je razlog,

da so danes najbolj razširjene. Proizvajamo jih iz kaljenega stekla v aluminijastih

okvirjih, zato so odporne na najtežje vremenske pogoje, kar vključuje tudi točo.

Izkoristki monokristalnih sončnih celic so med 15 in 18 %, kar je največ od

omenjenih tipov. Zaradi najvišjega izkoristka so tudi najdražje. V zgradbi je

največja razlika pri kristalnih ravninah. Monokristalne celice so najbližje idealnemu

kristalu, ker nimajo kristalnih mej. Pri monokristalnih celicah se sončni žarki manj

razsujejo na gladki površini, kar je razlog za višji izkoristek.

Slika1: Monokristalne sončne celice

(http://img.enaa.com/oddelki/conrad/assets/product_images/monokristalna_solarna_celica_CO193

852.jpg, na dan 15. 3. 2011)

8

2.1.2 POLIKRISTALNE SONČNE CELICE Polikristalne (še bolj pa amorfne) sončne celice odstopajo od ideala. Sestavljene

so iz velikega števila kristalnih zrn, ki so med seboj ločena s kristalnimi mejami.

Pri monokristalnih celicah se sončni žarki manj razsujejo na gladki površini, kar je

razlog za višji izkoristek.

Slika 2: Polikristalne sončne celice (http://img.enaa.com/oddelki/conrad/assets/product_images/polikristalinske_solarne___celice_2_6______________CO112135.jpg, na dan 15. 3. 2011)

2.1.3 AMORFNE SONČNE CELICE Amorfne sončne celice imajo najslabši izkoristek, ta se giblje od 6 do 8 %. Poleg

tega imajo še eno slabost, in sicer da se hitreje starajo, saj že po nekaj mesecih

začne izkoristek padati, vendar pa so bolj občutljive na svetlobo in delujejo tudi v

slabših vremenskih pogojih. Najlažje jih je izdelati, zato so tudi poceni. V Sloveniji

potrebujemo dodatne vire energije, ker poraba energije iz leta v leto narašča.

Vendar tako mali izkoristki amorfnih sončnih celic prepričajo le malokaterega

vlagatelja.

Slika 3: Amorfne sončne celice (http://www.pvresources.com/images/solarcell_pic01b.jpg, na dan 15. 3. 2011)

9

2.2 SESTAVA SONČNIH CELIC Za boljšo predstavo si najprej poglejmo sestavo sončne celice. V splošnem jo

razdelimo v šest slojev. Na vrhu je steklena plošča, ki ostale plasti varuje pred

mehanskimi vplivi, kot so dež, veter, toča in podobno. Sledi antirefleksna plast. Z

njo dosežemo zmanjšan odboj svetlobe, zato se več fotonov absorbira in poveča

se izkoristek. Ko fotoni padejo na sončno celico, obstajajo tri možnosti, kaj se bo z

njimi zgodilo, odvisno od valovne dolžine svetlobe in s tem energije fotona. Večja

kot je valovna dolžina svetlobe, manjša je energija fotona. Če je energija

prevelika, bo foton predrl vse plasti in od njega ne bomo imeli nobene koristi. Če

je energija premajhna, se lahko foton odbije od površine, kar spet ne daje nobene

koristi. Pretvorbo svetlobne v električno energijo dobimo samo v primeru, ko je

energija fotona ravno pravšnja, da foton pride do stika n- in p-tipa polprevodnika.

Tretja plast je kontaktna mreža. Narejena je iz dobrega prevodnika. Njena vloga

je, da zbira elektrone, nato sledita p- in n-tip polprevodnika. Na dnu je še zadnja

plast, ki je narejena iz kovine in služi kot prevodnik električnega toka.

Slika 4: Sestava sončne celice

(http://fizika.unimb.si/files/seminarji/08/SoncneCelice.pdf)

10

3 POTEK DELA

Marko Žibert iz podjetja ALPIN nama je posodil štiri makete sončnih celic; dve

celici s silicijem in dve brez silicija. S temi štiri maketami sva vsak dan opravljali

meritve na različnih območjih. Vse meritve sva zapisali v tabele, ki so priložene

kot priloge.

3.1 TABELIRANJE V tabelo sva zapisali naslednje količine: datum, ura, vreme, temperatura, naklon

celic, osvetljenost, tok, napetost, vrsta celic, območje meritve, smer neba.

3.2 PRIPOMOČKI ZA MERJENJE

Slika 5: Maketa sončnih celic

Slika 6: Termometer (za merjenje temperature)

11

Slika 7: Kompas (za določanje smeri neba)

Slika 8: Kabli (za povezavo med sončnimi celicami in ampermetrom in voltmetrom)

Slika 9: Ampermeter in voltmeter - multimeter (za merjenje toka in napetosti)

12

Slika 10: Veliki geo trikotnik (za merjenje naklona sončnih celic)

3.3 POTEK MERITVE: Sončne celice in multimeter sva med seboj povezali z dvema kabloma. Črn je šel

v oznako za ozemljitev, rdeč pa v oznako V ali mA (kadar sva priključili v mA, je

naprava merila tok v miliamperih, če pa sva kabel priklopili na V, pa sva merili

napetost v voltih). Drugi del kablov pa sva priklopili v vtičnice ob sončnih celicah

(slika 12). Z velikim geo-trikotnikom sva naravnali sončne celice na različne kote

(slika 11). Multimeter je bil analogni, zato sva morali biti pozorni še na območje

meritev. Kazalček multimetra se je ustavil na neki številki in tako sva lahko razbrali

ampere in volte. Nato sva sproti podatke vpisovali v tabele, ki so dodane kot

priloge (slika 13).

Slika 11: Določanje naklona celic

13

Slika 12: Merjenje z multimetrom (toka in napetosti)

Slika 13: Dobljeni rezultat sva vpisali v tabelo

14

4 REZULTATI IN UGOTOVITVE Rezultate sva s pomočjo programa Excel obdelali in naredili grafe.

4.1 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD VREMENA Pričakovali sva, da bo največja pridobljena moč ob jasnem vremenu.

VREME MOČ (W) jasno 1.08 delno jasno 2.89 oblačno 0.55

Tabela 1: Izračun povprečne pridobljene moči v odvisnosti od vremena

Graf 1: Naredili sva graf izračuna o odvisnosti pridobljene moči od vremena

Najina pričakovanja so bila napačna, saj je izračun pridobljene moči pokazal več

pri delno jasnem vremenu.

15

4.2 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD OSVETLJENOSTI Pričakovali sva, da bo povprečni izračun moči najvišji takrat, ko bo znašala

osvetljenost nad 40000 lx.

Osvetljenost (lx)

Povprečna moč(W)

od 0 do 5000 0.11 od 5000 do 10000 0.43 od 10000 do 15000 0.51 od 15000 do 20000 0.80 od 20000 do 25000 / od 25000 do 30000 0.56 od 30000 do 35000 0.98 nad 40000 1.85

Tabela 2: Povprečen izračun moči v odvisnosti od osvetljenosti

Graf 2: Graf povprečnega izračuna moči v odvisnosti od osvetljenosti

Najino pričakovanje drži, saj je nad 40000 lx izračun moči največji. Čim bolj sonce

osvetli sončno celico, tem več je pridobljene elektrike, vendar pa tudi ni dobro, če

se celice pregrejejo, saj lahko s tem dosežem ravno nasproten učinek.

16

Graf 3: Graf izračuna odvisnosti moči od osvetljenosti

Kot vidimo, se je tudi na tem grafu pokazalo, da je izračun odvisnosti moči največji

pri 40000 lx. Tistih dveh pik, ki izstopata, pa nismo uporabili pri izračunu.

4.3 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD VRSTE CELIC Pri tej meritvi sva predvidevali, da bo pridobljena moč v odvisnosti od vrste celic

največja pri sončni celici s silicijem.

VRSTA CELIC MOČ (W) brez silicija 0.97 s silicijem 1.28

Tabela 3: Pridobljena moč v odvisnosti od vrste celic

Graf 4: Graf pridobljene moči v odvisnosti od vrste celic

17

Najina predvidevanja so pravilna, saj je izračun moči največji pri sončni celici s

silicijem. Silicij uporabljajo za izdelavo sončnih celic, vendar so nekatere tudi brez

njega. Je zelo obstojen, saj obstoji tudi pri temperaturi do 125°C.

4.4 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD NAKLONA CELIC

Predvidevali sva, da bo najbolje, če bi našo sončno elektrarno postavili pod kot 40°.

Graf 5: Graf pridobljene moči v odvisnosti od naklona celic

Najboljši izkoristek dobimo, če sončne celice postavimo pod kotom 30° – 40°.

Iz grafa je razvidno, da se nama ta meritev ni posrečila.

18

4.5 PRIDOBLJENA MOČ V ODVISNOSTI OD STRANI NEBA

Brez silicija pri kotu 40 °

Mislili sva, da bo pridobljena moč pri kotu 40°, pri sončni celici brez silicija,

najvišja na jugu.

SMER NEBA MOČ (W) jug 2.34 vzhod 1.8 sever 0.02 zahod 0.15

Tabela 4: Pridobljena moč v odvisnosti od strani neba

S silicijem pri kotu 40 °

Menili sva, da bo pridobljena moč pri sončnih celicah s silicijem najvišja na jugu.

SMER NEBA MOČ (W) jug 5.6 vzhod 0.75 sever 0.05 zahod 0.16

Tabela 5: Pridobljena moč odvisna od strani neba

Graf 6: Graf pridobljene moči odvisne od strani neba

19

Obe trditvi sta bili pravilni, saj je za vsako sončno celico najbolje, da je obrnjena

proti jugu. Tam je seveda največ sonca, zato dobimo tudi več elektrike, vendar pa

se to bolj splača pri sončnih celicah s silicijem, saj so bolj obstojne.

5 IZRAČUNI - Povprečna pridobljena moč vseh naših meritev je 1,12 W.

- Površina makete je 0,0168 m2.

- Površina šolske strehe je 150 m2.

- Odkupna cena električne energije je 0,41 €/kWh in se vsako leto zniža za 7 %.

- Informativni izračun za izgradnjo naše sončne elektrarne je 65.136 €.

1. Koliko moči nam dajo takšne celice na m2?

!

1,12W

0,0168m2

= 66,67W

m2

2. Koliko moči proizvede elektrarna na šolski strehi?

!

66,67W

m2"150m

2=10000,5W =10kW

3. Koliko moči proizvede takšna elektrarna v enem letu?

V Ljubljani je dan približno 5,5 ur sončnega obsevanja. To pomeni, da je na leto

2007,5 ur.

!

10kW " 2007,5h = 20075kWh

20

4. V kolikšnem času bi poplačali investicijo s prodajo elektrike?

leto kWh €/kWh €

1 20075 0,41 8230,8

2 20075 0,3813 7654,6

3 20075 0,3526 7078,4

4 20075 0,3239 6502,3

5 20075 0,2952 5926,1

6 20075 0,2952 5926,1

7 20075 0,2952 5926,1

8 20075 0,2952 5926,1

9 20075 0,2952 5926,1

10 20075 0,2952 5926,1

skupaj 65022,925

V 10 letih bi s sončnimi celicami proizvedli za 65 023 € električne energije, to je

toliko, kar pa nam skoraj pokrije stroške investicije projekta.

Najine podatke sva primerjali še z izračunom podjetja:

Graf 7: Izračun investicije in odkupa elektrike

21

Graf 8: Povprečna pridobljena elektrika v kWh v posameznih mesecih

22

6 ZAKLJUČEK Sončna elektrarna na prizidku šolske telovadnice bi se nam splačala. Streha bi

bila obrnjena proti jugu in pod naklonom 40°. Investicija bi se nam povrnila v

desetih letih. Najini izračuni, ki sva jih dobili pri meritvah se ujemajo z izračuni

podjetja ALPIN, ki nam je pripravil okvirni izračun za investicijo.

23

7 ZAHVALA Zahvaljujeva se podjetju ALPIN iz Kranja, ki nama je posodil maketo sončnih

celic.

8 VIRI IN LITERATURA http://fizika.unimb.si/files/seminarji/08/SoncneCelice.pdf

http://www.uradni-list.si/1/content?id=92218

24

PRILOGE