RAZVOJ SOLARNE ENEREGETIKE, PROJEKTOVANJE, IZGRADANJA I PUŠTANJE U RAD FOTONAPONSKE ELEKTRANE dipl.inž. Goran Pernić, dipl.inž. Aleksandar Car INSTITUT MIHAJLO PUPIN IMP AUTOMATIKA, Volgina 15, Beograd Rezime: Kao jedan od najznačajnih vidova obnovljiivih izvora energije spada energija Sunca koja već milijardama godina održava život na Zemlji. Ona je dovoljna da zadovolji sve energetske potrebe na svetu, ona ne poznaje granice, sa njom u manjoj i većoj meri raspolaže skoro svaka država na planeti. Tek krajem prošog veka posvećena je veća pažnja ovom vidu energije, koje smanjuje emisuju štetnih gasova, efekat staklene bašte, smanjuje upotrebu fosilnih goriva i omogućava razvoj celokupnog društva. Evropa i Republika Srbija kao deo nje, prihvatili su obaveze da donesu i primene direktive (2001/77/EC ) kojima se promoviše proizvodnja iz obnovljivih izvora energije. U okviru ovog rada prikazane su enegetski kapaciteti iz OIE u Republici Srbiji, urađena je ekonomska analiza proizvodnje iz fotonaponskih elektrana i pokazanano je tehničko rešenje jedne fotonaponske elektrane, njeno projektovanje i puštanje u rad. Ključne reči: fotonaponska elektrana, projekat elektrane, ekonomska analiza, feed-in tarife, PVfotonaponska DEVELOPMENT OF SOLAR ENERGETICS, DESIGN, CONSTRUCTION AND COMMISSIONING OF PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER PLANTS dipl.ing. Goran Pernić, dipl.ing. Aleksandar Car INSTITUTE MIHAJLO PUPIN IMP AUTOMATION, Volgina 15, Belgrade Abstract: For billions of years, all living things on Earth, exists due to the Sun and energy that comes from the Sun. If is use as a solar energy, which represent one of renewable sources of energy, it is believed that, if every country in the world would use it, itself would be enough to satisfy all energy demands that population needs. Usage of solar energy has started at the end of the last century, where this source of energy will contribute reducing gas emissions, usage of fossil fuels and development of the whole society. Republic of Serbia, as part of Europe, has accepted obligation to adopt and to apply Regulation 2001/77/EC where is promoted usage of renewable sources of energy. In this paper are presented an energy capacities from renewable sources in Republic of Serbia, technical solutions of solar photovoltaic power plant, construction and commissioning, and also an economic analysis of the production from solar power plants has been done. Key words: PV power plants, construction of PV plant, economic analysis, feed-in tarif
1. UVOD Prateći evropske i svetske trendove u učešću obnovljivih izvora energije, Republika Srbija je do kraja 2013. godine usvojila brojne pravne regulative i time zacrtala jasan cilj u primeni i učešću obnovljivih izvora energije (OIE) u ukupnoj primarnoj proizvodnji. Republika Srbija postala je 26. januara 2009. godine članica i osnivač Međunarodne agencije za obnovljivu energiju (IRENA International Renewable Energy Agency). Osnivanjem takve agencije, Srbija je prihvatila na sebe obavezu da donese i implementira direktivu Evropskog Parlamenta i Saveta iz 2003. godine, (2001/77/ES), kojom se promoviše proizvodnja električne energije iz obnovljivih izvora energije. Pomenuta direktiva predviđa usvajanje nacionalnih indikativnih ciljeva za potrošnju električne energije dobijene iz obnovljivih izvora energije, kao i programa i mera za njihovo dostizanje, a koja se revediraju svakih pet godina. Evropski parlament je septembra 2008. godine usvojio paket propisa o klimatskim promenama koji imaju za cilj smanjenje emisije gasova koji izazivaju efekat staklene bašte od 20% i učešće obnovljive energije od 20% u ukupnoj potrošnji energiji u EU do 2020. godine, a posmatrano na 1990. godinu. Takođe se iz najnovijeg uputstva iz 2009. godine predviđa korišćenje obnovljive energije i u transportu, koje će iznositi najmanje 10% u ukupnoj potrošnji goriva Evropskoj uniji. Za potrebe primene ovih direktiva Republika Srbija je usvojila sledeće pravne regulative: - Zakon o energetici ( Sl. glasnik RS, br. 57/11, 80/11 ispravka 93/12 i 124/12), - Strategiju razvoja energetike Republike Srbije do 2015. godine, - Uredbu o uslovima za sticanje statusa povlašćenog proizvođača električne energije i kriterijuma za ocenu ispunjenosti tih uslova, - Uredbu o merama podsticanja prozvodnje električne energije korišćenjem OIE i kombinovanom proizvodnjom električne i toplotne energije, - Pravilnik o energetskoj efikasnosti zgrada, - Pravilnik o uslovima, sadržini i načinu izdavanja sertifikata o energetskim svojstvima zgrada, - Uredba o merama podsticaja za povlašćenih proizvođača električene energije ( Sl.Glasnik RS, br. 8/2013); - Uredba o načinu obračuna i načinu raspodele prikupljenih sredstava po osnovu nadoknade za podsticaj povlašćenih proizvođača električne energije, - Uredba o visini posebne nadoknade obaveza Republike Srbije u vezi OIE za podsticaj u 2013. godini ( Sl.Glasnik RS, br. 8/2013) Energija iz obnovljivih izvora predstavlja energiju koja je proizvedena iz nefosilnih obnovljivih izvora kao što su: vodotokovi, biomase, vetar, sunce, biogas, gas iz pogona za preradu kanalizacionih voda i izvori iz geotermalnih izvora energije. Slika 1-1 Zastupljenost pojedinih OIE u ukupnom potencijalu Republike Srbije
Energetski potencijal iz obnovljivih izvora energije u Srbiji je jako značajan i procenjen preko 6 miliona tona ekvivaletne utrošene nafte (toe), od čega potencijal iz energije biomase iznosi 64%, iz geotermalnih izvora 4%, iz hidropotencijala 16%, vetro potencijala 4 % i čak 12 % iz solarnog izvora energije. Kako bi se što više podstaklo proizvodnja energije iz obnovljivih izvora usvojene su gore navedene uredbe kojima se proizvođač iz OIE stavlja u poziciju povlašćenog proizvođača električne energije i uvode se mere za podsticaj proivodnje energije iz OIE. Time će proizvođač električne energije iz OIE biti upisan u jedinstsven registar povlašćenog proizvođača čime ostvaruje sledeća prava: - Pravo prodaje električne energije po povlašćenoj ceni u toku podsticajnog perioda, - Pravo sticanja statusa povlašćenog proizvođača na tržištu energije u odnosu na drugi vid proizvodnje energije U sledećoj tabeli date su važeće podsticajne otkupne cene za proizvođače električne energije iz fotonaponskih elektrana: FOTONAPONSKE ELEKTRANE MESTO I SNAGA CENA (EVROCENT) Montaža na objektu do 30kW 20,66 Montaža na objektu od 30-500kW 20,941-09,383*P Montaža na zemlji 16,25 Tabela 1-1 Važeće podsticajne cene za energiju iz fotonaponskih elektrana Podsticajne otkupne cene izražene su evrocentima po proizvedenom kilovatsatu i zaokružuju se na dve decimale. Republika Srbija se obavezala da će redovno vršiti korekciju podsticajnih otkupnih cena zbog inflacije u evro zoni i to svakog februara počev od 2014. godine na sledeći način: Gde je: C1 nova otkupna podsticajna cena električne energije, C0 stara podsticajna otkupna cena, Pinf godišnja inflacija u evro zoni koja je objavljena od strane nadležne institucije EU i izražena je procentima. Važno je napomenuti da se uredbom definiše i uređuje ugovor koji se zaključuje u pismenoj formi, između kupca i povlašćenog proizvođača na period od 12 godina prema unapred definisanoj povlašćenoj ceni električne energije jer se to smatra period u analizi opravdanosti investicionog ulaganja u ovaj vid energije. Institut Mihajlo Pupin Automatika kao jedna od vodećih naučnoistarživačkih organizacija u zemlji realizovala je najsloženije projekte koji zahtevaju angažovanje stručnjaka raznih profila, koje institut godinama okuplja u svom radu. IMP-Automatika je u dosadašnjem periodu preuzimao ulogu sistem integratora i nosioca velikih projekata u zemlji i inostranstvu.
Kao osnovni program preduzeća izdvajaju se poslovi vezani za: - Izradu složenih sistema nadzora u elektroprivredi, industrijskim procesima i vodoprivredi - Izradu studija, projektovanje i izvođenje projekata po principu ključ u ruke - U novije vreme, izrada projekata vezane za instalaciju OIE kroz projekte malih hidro elektrana, fotonaponskih elektrana i projekata kogenerativnih postrojenja. IMP Automatika je u zadnjih godinu dana relizovala više projekata vezanih za instalaciju fotonaponskih elektrana, ali sa ponosom ističemo izgradnju sopstvene fotonaponske elektrane na krovu zgrade Instituta. Snaga elektrane je 50kW, a elektrana izgrađena u cilju priključenja na elektrodistributivnu mrežu i sa ciljem prolaženja kompletne procedure dobijanja statusa povlašćenog proizvođača električne energije. Elektrana omogućila je da se sprovedu brojna interna istraživanja, a sama realizacija pokazala je brojnim investitorima sa kakvim mogućnostima i sa kakavom znanjem i stručnošću Institut rapolaže. Cilj ovog rada da se pokaže kroz koje se sve faze projektovanja moralo proći, kako bi se se jedan ovakakav složen projekat sproveo i najoptimalnije realizovao. Pre bilo kakve ugradnje fotonaponskih panela i noseće konstrukcije, pristupilo se temeljnoj analizi opravdanosti celokupnog projekta. Tom prilikom sagledani su svi mogući troškovi koji se javljaju pri izgradnji, ali i pri samom radu, kao i prihodi koji se mogu ostvariti optimalnim radom fotonaponske elektrane. 2. TEHNIČKO REŠENJE FOTONAPONSKE ELEKTRANE FE PUPIN Objekat za instalaciju fotonaponske elektrane je krov upravne zgrade Instituta Mihajla Pupina, koja se nalazi na 44 o 48`25 severne geografske širine i 20 o 30`22 istočne geografske dužine i na 223 m nadmorskoj visini. Slika 2-1 Fotonaponska elektrana na krovu zgrade Instituta - Mihajlo Pupin Oprema fotonaponskog sistema montirana je na čeličnu noseću konstrukciju smeštenu na pomenutoj lokaciji, dok se fotonaponski moduli montiraju pod optimalnim uglom u odnosu na ravan krovne površine, kako bi se obezbedila maksimalna apsorpcija sunčevog zračenja, za posmatranu lokaciju. Način montaže panela je fiksan, mada je postojala mogućnost da se ugrade i
linearni motori, kako bi se omogućilo praćenje kretanja sunca ali takva rešenje bi zahtevala veću raspoloživu površinu i znatno veća investiciona ulaganja, zbog čega je i prihvaćen fiksan način montaže fotonaponskih panela. Za takav prihvaćeni tip montaže bilo je neophodno odrediti optimalan ugao, pri kom se vrši montaža solarnih panela, kako bi se omogućila maksimalna proizvedena električna energija na godišnjem nivou, a pri tom uvažavajući i sledeće parametre : - Gubici energije usled refleksije svetlosti, - Gubici u samom izabranom tipu solarnog panela, - Gubici u u instalaciji, - Azimutu prema južnom polu za pomenutu lokacije montaže, - Azimutu zemlje. Za tu priliko korišćen je aplaktivni softver koji je za definisane parametrima lokacije elektrane, pružio popis sunčevih energetskih resursa i procenu proizvodnje električne energije iz fotonaponskih sistema, po pojedinim mesecima tokom godine. Kao ulazni podaci koriste se: - Geografski podaci mikro lokacije, - Prostorni i klimatski podaci, za posmatranu mikrolokaciju koji obuhvataju: dnevna merenja osunčanost horizontalne ploče, meranja difuznog i globalnog zračenja, optimalni ugao za PV nagib modula za maksimalizaciju iskorišćenja energije sunca. Kao rezultat izračunavanja dobijeni su sledeći podaci: - Godišnja suma osunčanosti modula, - Godišnja suma predviđene proizvodnje električne energije (za horizontalnu, vertikalnu i optimalno nagnutu ploču), - Optimalni ugao nagiba fotonaponskog panela sa fiksnom montažom, sa maksimanlnim iskorišćenjem sunčeve energije za celu godinu eksploatacije. Podaci su predstavljeni u tabeli : Za optimalni ugao montaže PV panela od 33 stepena Mesec Em(kWh) Hd Hm Januar 73.9 2280 1.3 56.8 Februar 114 3200 2.92 81.8 Mart 160 4970 4.26 132 April 192 5760 5.28 158 Maj 208 6440 5.85 181 Jun 211 6320 6.03 181 Jul 213 6600 6.16 181 Avgust 208 6450 5.99 186 Septembar 173 5200 4.81 144 Oktobar 142 4410 3.83 119 Novembar 101 3030 2.6 78.1 Decembar 63 1980 1.58 49.1 Prosecno u toku god. 155 4720 4.27 130 Ukuno u toku god. 56600 1560 Tabela 2-1 Procenjena količina energije za posmatranu Fotonaponsku elektranu
Za geografsku lokaciju na kojoj se nalazi zgrada proračunom dobijen je optimalan ugao od 33 o za fiksni ugao montaže, fotonaposkih panela. Pri izradi metalne noseće konstrukcije vodilo se računa da se ovaj ugao i ostvari. Sada kad je bio poznat optimalan ugao montaže panela važno je bilo odrediti i minimalni razmak između redova panela. Cilj nam je da izbegnemo nepotrebno senčenje fotonaponskih panela koje se javlja tokom cele godine, a koje bi dovelo: - do smanjenja količine apsorbovane svetlosti, a samim tim i do smanjenja proizvedene električne energije, - do pojave vrućih tačaka na delovima panela koji su u senci, a samim ti i do učestalih kvarova fotonaponskih panela tokom vremena eksploatacije. Slika 2-2 Način određivanja rastojanja između redova PV elektrane Uprošćenim računom, ali sa dosta velikom tačnošću dobija se da je minimalno rastojanje između dva reda konstrukcija, koje ne sme da bude manje od 6,5m. Na osnovu procene raspoložive površine koju je moguće iskoristiti za postavljanje solarnih fotonaponskih modula i uvažavajući odobrenje nadležne elektrodistribucije, da maksimalna predajna snaga elektrane ne sme da bude veća od 63 kw prešlo se se na određivanje kapaciteta same elektrane. Slika 2-3 Blok šema fotonaponske elektrane Njega čini 180 fotonaponskih modula instalisane snage 280W, renomirane kineske firme Schutten solar i za to postoji nekoliko razloga. Firma ima iskustva u oblasti proizvodnje fotnonaponskih panela preko 40 godina i poslednjih godina njihovi paneli su se izdvojili po visokoj pouzdanosti i efikasnosti sa prihvatljivo malim gubicima na dugačak vremenski period. Vremenom
snaga svih fotonaponskih panela opada, a kod ovih panela proizvođač garantuje da snaga na periodu od 25 godina neće pasti više od 20%. Solarni paneli vezani rednom vezom i to 18 panela čini jedan lanac (string), dok je ukupan broj lanaca 10 (svaki lanac nosi 5kW maksimalne snage), koji su raspoređeni tako da napajaju tri odvojena invertorska pretvarača napona. Za ovu priliku koristili smo invertore renomiranih firmi iz te oblasti i to REFUsol snage 20 kw i dva invertora firme Schneider electric snage po 15kW. Dva različita proizvođača smo uzeli kako bi smo mogli da napravimo poređenje načina rada. Pomenuti invertori odlikuju se velikom pouzdanošću, sa odgovarajućim brojem ulaza za MPPT tracking-om (tragača tačke maksimalne snage), radi što boljeg energetskog iskorišćenja proizvodnje iz fotonaponskih panela. Za spajanje fotonaponskih modula koristili smo jednožilne kablove punog preseka sa polietilenskom izolacijom, firme HUBER+SUHNER, oznake RADOX SOLAR. Spajanje kablova vrši se specijalnim konektorima MC4 tipa. Izlazi invertora su preko razvodnih ormana i ormana za merenja sa ugrađenim trofaznim dvosmernim brojilom, a u skladu sa tehničkim uslovima za priključenje (pravilnikom distributivnog subjekta), spojeni na distributivnu mrežu Elektrodistribucije Beograd. U razvodnim ormanima izvršen je kompeletan nadzor, kontrola i upravljanje stanja rasklopne opreme i celekupnog fotonaponskog sistema. Za tu priliku ugrađen je RTU uređaj proizvod firme IMP-Automatika tipa Piko Atlas, sa odgovarajućim brojem sprežnih modula za komadovanje, signalizaciju i telemetrijska merenja. Piko Atlas predstavlja optimalno rešenje za upravljanje visoko-zahtevnim sistemima sa malim brojem ulaza/izlaza. Sistem obavlja: - Akviziciju pogonskih podataka, - Upravljnje pogonom, - Lokalne RTU/PLC obrade podataka, - Lokalna i daljinska komunikacija, - On-line testiranje i dijagnostikovanje, - Komunikaciju sa SCADA-om i drugim programskim nadgradnjama, - Podržava komunikacione protkole Atlas IEC, IEC 60870-5-101,Modbus... Za potrebe monitoringa fotonaposkog stringa razvili smo specijalan telemetrijski modul oznake SAI, koji ima mogućnost praćenja napona i struje (1000V DC i do 10 A) unutar stringa čime se vrši dijagnostikovanje mogućeg kvara. Za potrebe praćenja i monitoringa celokupnog sistema, RTU je eternet mrežom spojen na serverski računar, sa objedinjenom SCADA i HMI (human-machine interfejs) funkcijom. Na taj način je omogućeno arhiviranje, svakodnevno praćenje svih relevatnih parametra fotonaponskog sistema (trenutna snaga, dnevna, mesečna i godišnja proizvodnja, temperatura i nivo sunčevog zračenja, smer vetra i vlažnost), a preko WEB interfejsa je omogućeno je praćenje rada elektrane preko interneta. Arhivirani parametri su pogodni za za studijska praćenja. Na slici je predstavljen ekranski PowerWeb prikaz :
Slika 2-4 Grafički PowerWeb prikaz na računaru 3. FINANSIJSKI ASPEKTI IZGRADNJE FOTONAPONSKE ELEKTRANE Za potrebe praćenja investicije, urađena je studija opravdanosti koja je pokazala da oko 70% investicionog ulaganja čini ulaganje u ugrađenu opremu, a ostatak čine radovi. Poznato je da fotonaponske elektrane karakteriše nizak nivo troškova za tekuće (periodično) održavanje u toku celokupnog perioda eksploatacije. Rad elektrane je moguć bez posade, jer praktično ne postoji potreba za održavanjem. Ekonomskom analizom svih prihoda ostvarenih feed-in tarifom i predviđenim najavljenim budućim sredstvima stimulacije proizvodnje i svih troškova koji nastaju radom ove fotonaponske elektrane utvrđen je period povraćaja investicije u prvih 7 godina rada fotonaponske elektrane. 4. Zaključak Fotonaponske elektrane predstavljaju jeftin i čist izvor električne energije. Istraživanjima je utvrđeno da proizvodnjom 1kWh električne energije proizvedenog pomoću solarnih elektrana smanjuje se za oko 0,568 kg emisija CO2 u atmosferi. Solarna energetika u Srbiji i u svetu je u velikoj ekspanziji. Dok je Srbija tek u povoju, u svetu, solarna energetika je zastupljena u celokupnom društvu ne samo kroz vidu električne energije kroz proizvodnju i prodaju, već direktno upotrebom u domaćinstvima, velikim proizvodnim i trgovinskim lancima, ruralnim mestima, na krovovima zgrada u naseljenim gradovima. Fotonaponske elektrane obezbeđuju električnu energiju u trenutku najveće potražnje, preko dana i tako obezbeđuju bolje naponske prilike, smanjujući debalanse i gubitke energije u prenosnoj distributivnoj mreži. Troškovi za njihovo održavanje su jako niski, ukoliko se uporede sa troškovima za proizvodnju energije iz drugih izvora. Nedostaci su problemi planiranja proizvodnje koja je uslovljena klimatskim uslovima i proizvodnja samo u toku dana. Izgradnjom fotonaponske elektrane na krovu zgrade Instituta, kompanija IMP-Automatika je želela da da svoj doprinos u očuvanju životne sredine, pokaže spremnost kompanije da prati svetske trendove u primeni OIE, da svoja dosadašnja znanja i tehnologiju primeni kroz projektovanje fotonaponskih sistema, kao i da mladim kolegama pruži mogućnost naučnog usavršavanja, a budućim investitorima prikaže svoje znanja i mogućnosti.
REFERENCE: Knjiga [1] J.M Radosavljević, T.M Pavlović, Solarna energetika i održivi razvoj, Građevinska knjiga, Beograd 2004 Konferencije [2] Heirnrich Haberlin, Photovoltaics system designe and practice, Berne University of Applied Sciences, Switzerland Teze [3] Dragana Milosavljević, Proučavnje energetske efikasnosti solarnih elektrana u Republici Srbiji i Republici Srpskoj, doktorska disertacija,univerzitet u Nišu, Prirodno matematički fakultet, Departman za fiziku, 2013.godina