Energija sunčevog zračenja se direktno iskorištava pomoću sunčevih kolektora za zagrijavanje vode i zraka, koncentrirajućih kolektora za proizvodnju električne energije te fotonaponskih ćelija za direktnu proizvodnju električne energije. Osim za potrebe grijanja i pripreme potrošne tople vode kolektori se koriste u sklopu sorpcijskih sustava i za hlađenje. Pasivno iskorištavanje energije sunčevog zračenja uključuje razne arhitektonske mjere s ciljem što veće apsorpcije i akumulacije dozračene energije u zgradama za potrebe grijanja prostora. Na tržištu su najzastupljeniji solarni sustavi za pripremu potrošne tople vode. U osnovi se sastoje od sunčevih kolektora, spremnika tople vode, diferencijalne automatike i pomoćnog izvora topline.
Shema solarnog toplovodnog sustava za pripremu potrošne tople vode
Pločasti kolektor sunčevog zračenja
Vakuumski kolektor sunčevog zračenja
Polimerni kolektori sunčevog zračenja
Prosječne vrijednosti efikasnosti pretvorbe sunčeve u korisnu energiju iznose oko 50% za toplovodne kolektore (pločaste i vakuumske), 20% za koncentrirajuće kolektore, 18% za fotonaponske ćelije dok je kod sunčanih sorpcijskih rashladnih sustava odnos rashladnog učina i pogonske energije sunčevog zračenja SPCF (Solar performance coefficient) < 0,15. Nominalne snage sustava za direktno iskorištavanje sunčeve energije se kreću od najmanje 1 kW kod sustava s toplovodnim kolektorima ili najmanje 50 W kod fotonaponskih sustava, pa sve do nekoliko MW kod sunčanih elektrana s paraboličnim kolektorima ili fotonaponskim ćelijama. Obzirom na relativno male vrijednosti gustoće toka energije sunčevog zračenja (<1 kW/m2) sunčani sustavi se u praksi uglavnom koriste za lokalnu opskrbu energijom, primjerice, obiteljskih kuća, autokampova, marina, hotela. Sunčane elektrane već su danas konkurentne klasičnim izvorima energije.
Prema podacima Solar Heat Europe iz 2017.g., prosječna cijena toplinske energije iz kolektora uprosječena u životnom vijeku (LCOH) iznosi 0,10-0,17 €ct/kWh.
S druge strane cijena električne energije iz fotonaponskih sustava je pala na razine onih iz solarnih toplinskih sustava tj. 0,15-0,18 €ct/kWh. Ovdje treba istaknuti velike solarne sustave daljinskog grijanja koji imaju prosječnu cijenu toplinske energije manju od one kod konvencionalnih sustava koji koriste plin kao energent, tj. <5 €ct/kWh.
Sunčani sustavi mogu znatno doprinijeti povećanju godišnje efikasnosti konvencionalnih sustava uz koje su najčešće instalirani kao nadopuna te primjerice smanjiti vršna opterećenja za električnom energijom kakva se u ljetnoj turističkoj sezoni redovito javljaju na našoj obali i otocima zbog korištenja električnih bojlera. Da mjesta značajnom rastu solarnog tržišta u R. Hrvatskoj ima, pokazuju podaci o manje od 50 m2 instalirane kolektorske površine na 1000 stanovnika što je među najnižim vrijdnostima u EU prema podacima Solar Heat Europe iz 2017 .g. odnosno 2 puta manje u odnosu na Sloveniju i čak 10 puta manje u odnosu na Austriju, koja ima gotovo dva puta manju godišnju ozračenost u odnosu na primorsku Hrvatsku.
Za očekivati je da će nove odredbe Direktive (EU) 2018/844 od 6. lipnja 2018 o izmjenama Direktive 2010/31/EU o energetskim značajkama zgrada te Direktive 2012/27/EU o energetskoj učinkovitosti, u pogledu obaveze da nove i obnovljene zgrade javnog sektora od 2019. g. i sve ostale zgrade nakon 2021.g. budu gotovo nula energetske (nZEB), potaknuti ugradnju solarnih toplinskih sustava.
Do sada provedeni proračuni pokazuju da se postizanje gotovo nula energetskog standarda u npr. dobro izoliranim obiteljskim kućama (godišnja potrebna toplinska energija za grijanje QH,nd=20 kWh/m2a) može ostvariti već sa 4-6 m2 solarnih kolektora, pri čemu su vrijednosti primarne energije Eprim<45 kWh/m2a a udio obnovljive energije u isporučenoj energiji zgrade >30%, što su sve minimalni zahtjevi na energetsku učinkovitost prema tehničkoj regulativi u RH. Obzirom da ostala tehnička rješenja za postizanje gotovo nula energetskog standarda obuhvaćaju korištenje biomase, dizalica topline i fotonaponskih panela, koji su često investicijski gledano skuplja rješenja od solarnog toplovodnog sustava za pripremu PTV-a, vrlo je izvjesno da će se u godinama koje dolaze u sektoru zgradarstva bitno više koristiti solarni toplinski sustavi no što je to bio slučaj do sada.
Solarni fotonaponski sustavi (FN) mogu se podjeliti na dvije osnovne grupe, a to su fotonaponski sustavi koji nisu priključeni na mrežu (engl. off-grid), koji se često nazivaju i samostalni sustavi (engl. stand-alone systems), i fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu (engl. on-grid).
Osnovna podjela fotonaponskih sustava
Fotonaponski sustavi koji nisu priključeni na mrežu, odnosno samostalni sustavi, mogu biti sa ili bez pohrane energije, što će ovisiti o vrsti primjene i načinu potrošnje energije i hibridni sustavi koji mogu biti s vjetroagregatom, kogeneracijom, dizelskim generatorom ili gorivim člancima.
Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu (engl. on-grid) mogi biti izravno priključeni na javnu mrežu, uglavnom su to sustavi većih snaga ili sustavi priključeni na javnu mrežu preko kućne instalacije, obično fotonaponski sustavi manjih snaga.
Ovako priključeni fotonaponski sustavi na javnu mrežu preko kućne instalacije pripadaju distribuiranoj proizvodnji električne energije. Dakle, oni omogućuju povezivanje distribuiranih sustava na centralizirane sustave, odnosno sustave priključene uglavnom na niskonaponsku razinu elektroenergetskog sustava. Pesebno je zanimljiv postupak priključenja kućanstva s vlastitom proizvodnjom koje traži priključenje elektrane na svoju postojeću instalaciju instalirane snage elektrane do iznosa priključne snage navedene u postojećoj elektroenergetskoj suglasnosti (EES).
Za samostalni fotonaponski sustav koji se sastoji od komponenti prikazanih na slikama 6. i 7. karakteristična su dva osnovna procesa:
Samostalni fotonaponski sustav za trošila na istosmjernu struju
Fotonaponska pretvorba energije Sunčeva zračenja odnosno svjetlosne energije u električnu obavlja se u solarnoj ćeliji, dok se u akumulatoru obavlja povratni (reverzibilni) elektrokemijski proces pretvorbe povezan s nabijenjem (punjenjem) i izbijanjem (pražnjenjem) akumulatora. U trošilima se električna energija pretvara u različite oblike kao mehaničku, toplinsku, svjetlosnu i dr. Trošilo je definirano snagom, naponom i strujom.
Podsustav opskrbe trošila istosmjernom i izmjeničnom strujom sastoji se od fotonaponskih (FN) modula (panela), akumulatora (baterije), regulatora punjenja i izmjenjivača istosmjerne u izmjeničnu struju, slika 7.
Samostalni fotonaponski sustav za trošila na izmjeničnu struju
Kada nema energije Sunčeva zračenja, npr. po noći, akumulator se može puniti primjerice s pomoću vjetroagregata, te tako samostalni fotonaponski sustav radi kao hibridni, slika 7.
Fotonaponski sustavi priključeni na javnu elektroenergetsku mrežu (engl. on-grid) mogi biti izravno priključeni na javnu mrežu, uglavnom su to sustavi većih snaga ili sustavi priključeni na javnu mrežu preko kućne instalacije, obično fotonaponski sustavi manjih snaga.
Ovako priključeni fotonaponski sustavi na javnu mrežu preko kućne instalacije pripadaju distribuiranoj proizvodnji električne energije. Dakle, oni omogućuju povezivanje distribuiranih sustava na centralizirane sustave, odnosno sustave priključene uglavnom na niskonaponsku razinu elektroenergetskog sustava.
Temeljne su komponente fotonaponskog sustava, slika 8., priključenog na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije:
Fotonaponski sustav priključen na javnu mrežu preko kućne instalacije
Fotonaponski moduli (1), spojeni serijski ili serijski-paralelno, proizvode istosmjernu struju i međusobno su povezani kabelima u nizove tzv. višekontaktnim (engl. multi contact) konektorskim sustavom. Svi kabeli koji dolaze od nizova fotonaponskih modula uvode se u razdjelni ormarić modula (2) odnosno spojnu kutiju nizova modula sa svom zaštitnom opremom, ponajprije odvodnicima prenapona i istosmjernim prekidačima. Iz razdjelnog ormarića se dovodi od svake grupe fotonaponskih modula razvode kablovima istosmjernog razvoda (3) preko glavne sklopke za odvajanje (4) prema solarnim izmjenjivačima (5). Solarni izmjenjivači pretvaraju istosmjernu struju solarnih modula u izmjenični napon reguliranog iznosa i frekvencije, sinkroniziran s naponom i frekvencijom mreže te se nastala izmjenična struja prenosi kabelima izmjeničnog razvoda (6) do kućnog priključka na elektroenergetsku mrežu, odnosno električnog ormarića, gdje su smještena brojila električne energije. Brojila električne energije (7), smještena u ormariću brojila, registriraju proizvedenu energiju isporučenu u mrežu i potrošenu energiju preuzetu iz mreže.
Fotonaponski sustav priključen na javnu mrežu preko kućne instalacije je u paralelnom pogonu s distribucijskom mrežom, a namijenjen je za napajanje električnom energijom trošila u obiteljskoj kući i viškom električne energije predane u elektrodistribucijsku mrežu.
Kad solarni moduli ne proizvode dovoljno električne energije, napajanje trošila u kućanstvu nadopunjuje se preuzimanjem energije iz mreže. S obzirom na to da instalirani fotonaponski sustavi priključeni na javnu mrežu preko kućne instalacije proizvode najviše električne energije sredinom dana, oni podmiruju vlastite potrebe i dobrim djelom rasterećuju elektroenergetski sustav, što može biti od velike važnosti u područjima gdje je slaba elektroenergetska mreža.
Prednosti su fotonaponskih sustava, kao distribuirane proizvodnje električne energije, spojenih na javnu elektroenergetsku mrežu preko kućne instalacije slijedeće:
2013. g. je donesen dokument 'Strategic Research Priorities' [https://www.rhc-platform.org/content/uploads/2019/05/Solar_thermal_SRP.pdf] od strane European Technology Platform on Renewable Heating and Cooling (RHC-Platform) i njenog dijela European Solar Thermal Technology Panel (ESSTP) čiji rad financira Europska komisija. U dokumentu se ističe veliki potencijal za razvoj solarnih tehnologija do 2050 g. te ukazuje na potrebu za hitno povećanje istraživačko-razvojnih aktivnosti u sklopu H2020 projekata, kako bi se preokrenuli negativni trendovi
Planovi razvoja su detaljno razrađeni u
Technology roadmap for solar heating and cooling
[https://www.rhc-platform.org/content/uploads/2019/05/Solar_Thermal_Roadmap.pdf], i razvrstani u tri osnovna smjera/grupe koji se trebaju provoditi paralelno:
Realizacijom navedenih planova razvoja solarna toplinska tehnologija bi trebala postati cjenovno konkurentna ostalim tehnologijama koje koriste fosilna goriva i obnovljive izvore (PV, biomasa, dizalice topline) u području grijanja i hlađenja. Time bi solarni toplinski sektor prema predviđanjima EU, mogao odigrati značajnu ulogu u ostvarenju njenih ciljeva za povećanje udjela obnovljivih izvora, smanjenju emisija stakleničkih plinova i energetskoj neovisnosti.