Uporaba fotovoltaike ni preveč zapletena in jo je mogoče zlahka uporabiti v majhnem obsegu. Fotovoltaika postaja vse cenejša, zato si oglejmo, kako zgraditi preprosto fotovoltaično elektrarno.

Alternativni viri električne energije postopoma pridobivajo vse večji delež pri današnji nepogrešljivi proizvodnji električne energije po vsem svetu. Verjetno je najlažje in najcenejše uporabiti fotovoltaiko, ki ni preveč zapletena za uporabo in jo je mogoče zlahka preizkusiti v majhnem obsegu (na primer v primerjavi z vetrno ali vodno energijo). Zato je zlahka dostopen vsem, ki jih zanima pridobivanje zelene energije.

Za prve poskuse je dovolj, da kupite en sončni panel z nekaj dodatnimi sestavnimi deli in ga postavite na mesto z dovolj neposredne sončne svetlobe. Proizvodnja električne energije se lahko že začne. Za uporabnike je privlačna tudi zamisel, da sistem po prvi naložbi več let ne potrebuje praktično ničesar in proizvaja električno energijo brezplačno.

Kaj je potrebno za uporabo sončne energije?

Kot je že navedeno zgoraj, za osnovno uporabo sončne energije ni treba obnoviti, spremeniti ali pridobiti gradbenih ali drugih dovoljenj. Za osnovno testiranje potrebujete le del dobro osvetljenega prostora (po možnosti rahlo nagnjenega proti jugu), nakup nekaj komponent in vsaj osnovno električno znanje. Konkretne informacije o sončni energiji najdete v specializiranih trgovinah, na spletu ali v naslednjih vrsticah tega članka.

Kaj torej potrebujemo za vzpostavitev osnovnega sistema za proizvodnjo električne energije iz sončne energije? Nič več kot (glej sliki 1 in 2):

• sončni panel, ki pretvarja sončno sevanje v električno napetost in tok,
• napetostni pretvornik/inverter, ki pretvori običajno nestandardno napetost celice v standardno napetost (npr. 24 VDC ali 230 VAC),
• rezervno napravo (krmilnik polnjenja + baterija), ki ob zadostni svetlobi črpa odvečno energijo in v primeru povečanega povpraševanja, oblačnega neba ali noči dobavlja energijo,
• posebni kabli za povezavo sončnega panela z inverterjem.

Povezovanje sončnih celic in panelov

Sončni panel (fotonapetostni panel ali modul) je sklop več med seboj povezanih sončnih celic, običajno do približno 300 W, ki ustvarjajo izhodno napetost, ki ustreza večkratniku napetosti posameznih zaporedno povezanih celic. Večji viri energije, sestavljeni iz več med seboj povezanih sončnih panelov, se običajno že imenujejo sončne elektrarne.

Sončne celice v panelih ali posamezne sončne celice so lahko med seboj povezane v t. i:

• serijska povezava - povečanje izhodne napetosti in ohranitev izhodnega toka posameznih panelov.
• vzporedna napeljava - poveča največji porabljeni tok in ohranja izhodno napetost posameznih panelov.
• serijsko-paralelna povezava - kombinacija serijskih in paralelnih povezav za doseganje zahtevane izhodne napetosti in toka

PAZI: Pri načrtovanju sončne elektrarne (solarnega sistema) je treba med seboj povezati samo sončni paneli iste vrste istega proizvajalca, ki pogosto določa največje število panelov, ki jih je mogoče med seboj povezati, da se ohranijo določene lastnosti.

Ker se serijska povezava, pri kateri sta pozitivni in negativni pol medsebojno povezana, uporablja za povečanje izhodne napetosti elektrarne, se večinoma uporablja v sistemih za dobavo električne energije v omrežje, kjer je treba ustvariti napetosti do več sto voltov. Po drugi strani pa se v primerih, ko se sončna električna energija uporablja le lokalno (izolirani sistemi) in je treba energijo hraniti v baterijah z 12 ali 24 V DC, uporablja vzporedna povezava (povezovanje pozitivnih in negativnih polov panelov ali celic). To omogoča povečanje proizvedene električne moči ob ohranjanju nizke izhodne napetosti s povečanjem vrednosti dobavljenega električnega toka, saj je skupna moč sončne elektrarne, ki je podana s produktom napetosti in toka, neodvisna od strukture medsebojne povezave. Po drugi strani pa serijska/paralelna povezava spreminja tako imenovane karakteristične upornosti, ki so pomembne za vhodno zasnovo naslednjih elementov (pretvornikov, krmilnikov), na katere je povezan niz sončnih panelov. Fizično medsebojno povezavo panelov v eno veliko trdno površino dosežemo s Cu-tapljanjem z uporabo neagresivnega topila in spajkalnika (običajno za panele, namenjene namestitvi na strehe) ali z uporabo namenskih vrst kablov. Nekateri proizvajalci so plošče že opremili s priključki za enostavno priključitev in odklop.

Z vidika same proizvodnje električne energije je treba opozoriti, da mora celicam ali panelom teči enak tok, če so povezane zaporedno. Če jih sonce ne osvetljuje enakomerno, vsak od njih ustvarja drugačen električni tok, izhodni tok celotnega sistema pa ustreza najmanj osvetljenemu elementu. Zato na primer popolna zasenčenost ene od celic v panelov ali ene od celic v sončni elektrarni povzroči, da ne teče noben tok in se zato ne dobavlja nobena energija, tudi če so druge celice optimalno osvetljene. Tudi s tega vidika je primernejša vzporedna napeljava.

Prilagoditev izhodne napetosti sončnih panelov

Zahtevano enosmerno ali izmenično izhodno napetost sončnih panelov ali majhne sončne elektrarne dosežemo s polprevodniki DC-DC ali pretvorniki DC-AC. Ti pretvorijo enosmerno napetost v druge enosmerne napetosti (npr. 12-voltne baterije) ali enosmerno v izmenično napetost (npr. iz 19 VDC se ustvari običajna izmenična napetost 230 VAC). Učinkovitost trenutnih inverterjev/inverterjev je običajno od 90 do 98 %, kar pomeni, da se le del energije, ki jo proizvede sončna celica, ne uporabi.

Pri konceptu povezovanja pretvornikov s paneli se lahko srečamo z naslednjimi koncepti:

• modularni - nameščeni na vsaki plošči (modulu)
• centralni - za celotno fotovoltaično omrežje
• veriga - kombinacija zgornjih dveh.

V večini primerov imajo prodajalci solarnih panelov sami v ponudbi ustrezne inverterje / pretvornike, ki jih je mogoče priključiti in zagnati brez večjega strokovnega znanja.

Varnostno kopiranje energije

Ločeno ali kot del inverterja/menjalnika je tudi rezervna naprava, ki je običajno sestavljena iz več 12- ali 24-voltnih baterij, ki se polnijo, ko je proizvedena energija večja od porabljene, in praznijo, ko je poraba večja (podobno kot avtomobilski akumulator). Za pravilno porazdelitev električne energije med ploščo, baterijami in napravami se za nadzorovano polnjenje in zaščito baterij pred prekomernim polnjenjem uporablja tako imenovani regulator polnjenja (glej sliko 5). Regulator je zasnovan predvsem glede na delovno (nazivno) napetost sistema, vrsto baterije, skupno porabo energije naprav itd.

Kabli za povezovanje solarnih plošč

Kabli za sončne celice morajo na splošno izpolnjevati več osnovnih zahtev:

• nizko izgubno upornost in optimalno kapacitivnost/induktivnost za zmanjšanje izgube proizvedene energije
• visoka mehanska odpornost in stabilnost parametrov v različnih pogojih
• visoka odpornost na podnebne razmere
• Posebej pomembna je dolgoročna stabilnost električnih in mehanskih parametrov ter odpornost na vse, kar se lahko pojavi v zunanjih razmerah. Zlasti pri nameščanju na strehe mora biti material zunanjega plašča odporen na temperature (včasih od -40 °C do +120 °C), razgradnjo UV sevanja, ozon, celoten kabel mora biti mehansko odporen na veter, odporen na hidrolizo (npr. z vodo na strehi), amoniak, pline iz blata in druge agresivne snovi, ki se pogosto pojavljajo na območjih, kjer se uporablja sončna energija.

Pri preprosti povezavi lokalnega panela z inverterjem se lahko ponovno uporabijo kabli s priključki, ki jih ponujajo in priporočajo prodajalci za zadevni solarni panel. V primeru zahtevnejše povezave na daljši razdalji (npr. s strehe itd.) večina znanih proizvajalcev kablov (Lapp cable, HELU cable itd.) ponuja posebne kable za sončne celice.