Energija sunca i fotonaponske ćelije
Energija sunca
Energija sunca osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji. Danas sunce doživljavamo kao izvor ugode i kao enormni neiskorišteni potencijal za podmirivanje energetskih potreba uz minimalan utjecaj na globalno zagrijavanje. Energija sunčeva zračenja kontinuirano pristiže na Zemlju koja se okreće oko svoje osi i oko sunca. Posljedično imamo dnevne i sezonske mijene snage sunčeva zračenja koje stiže do površine Zemlje.
Snaga sunčeva zračenja na ulazu u Zemljinu atmosferu, pri srednjoj udaljenosti od sunca, iznosi 13701 W/m2. Do površine Zemlje stiže otprilike pola. Ukupno sunčevo zračenje koje dođe na Zemlju vrati se natrag u svemir2. Snaga koju stvarno na površini imamo značajno ovisi o prilikama u atmosferi i o oblacima. Za grubu ocjenu prosječne snage sunčeva zračenja na površini zemlje tijekom cijele godine se može uzeti vrijednost od skoro 200 W/m2. Jednostavni račun s površinom Zemlje okrenutom suncu može ocijeniti godišnje dozračenu energiju.
Slika ispod uspoređuje preko volumena kocke energiju sunca dozračenu na Zemlju (1) s rezervama primarnih izvora energije i ukupnom svjetskom potrošnjom energije (7). Nedvojbeno je da se radi o enormnim količinama energije mnogostruko većim od svih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznos trenutno korištene sunčeve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2. To znači da je godišnja energija sunca veća od ukupnih rezervi nafte i ugljena zajedno!
1 Uslijed blage ekscentričnosti putanje Zemlje oko Sunca i različite udaljenosti tijekom godine vrijednost solarne konstante varira ±3,5%. To se može zanemariti prema ostalim varijabilnim utjecajima.
2 Na putu do površine Zemlje oko 30% direktno se odbija natrag u svemir (od atmosfere 6%, od oblaka 20% i od zemlje 4%), oko 19 % apsorbira se u atmosferi (oblaci 3%, atmosfera iznad 16%), a ostatak upije kopno i more. Iz zemlje i oceana sve se vraća natrag: zagrijavanjem zraka 7%, isparivanjem vode 23% i infracrvenim zračenjem 21%. Uz prethodne izmjene u oblacima i a tmosferi Zemlju na kraju napušta infracrvenim zračenjem 70% sunčeve energije.
Za neku određenu lokaciju potencijal sunčeva zračenja se određuje mjerenjem i analitički. Mjeriti se može lokalno ili satelitski. Analitički pristup daje zadovoljavajuće rezultate ukoliko je poznat tzv. indeks prozračnosti (Kt – određuje koliko zračenja dođe do površine).
Piranometrom (termičkim ili poluvodičkim) se mjeri globalna (ukupna), direktna i difuzna (raspršena) ozračenost na horizontalnu površinu (gustoća energije – H Wh/m2). Daljnja analitička procjena je nužna zbog toga što su rezultati mjerenja najčešće dostupni samo za ukupnu ozračenost i jer se konverzija sunčeva zračenja odvija pod određenim kutom (β) u odnosu na horizontalnu površinu, a difuzno i direktno zračenje također ovise o tom kutu i o indeksu prozračnosti. Dodatno treba voditi računa i o reflektiranoj komponenti koja ovisi o direktnoj komponenti, kut β i specifičnoj konfiguraciji terena.
Obrađeni podatci su dostupni od različitih institucija koje integriraju mjerenja meteoroloških postaja i satelita s analitičkom obradom za višegodišnja razdoblja i različite rezolucije. Svi izvori koji nisu rezultat posebnih mjerenja za konkretnu lokaciju imaju neodređenost koja može biti i do 30%. Varijabilnost uslijed lokalnih vremenskih prilika još je veća. Neodređenost je manja na razini procjene za ukupnu godišnju ozračenost. Optimalni kut također se treba odrediti za svaku lokaciju posebno.
Prema PVGIS podatcima optimalni kut se za područje Republike Hrvatske kreće od 33o na sjeveru do 37o na jugu. Valja imati na umu da se optimalni kut mijenja tijekom godine zbog prividnog kretanja sunca . Kod fiksnih instalacija je potrebno odabrati optimalni kut za maksimalnu godišnju energiju ili za maksimalnu energiju tijekom slabijih sunčanih dana. Najbolje je rješenje koje prati kretanje sunca. Time se može povećati dobivena energija za 25-40%.
Spektar svjetlosti koja obasjava FN ćeliju ovisi o debljini i sastavu atmosfere kroz koju prolazi. Ovisno o dobu dana, zemljopisnoj širini i godišnjem dobu svjetlost do neke točke na površini Zemlje putuje kroz deblji ili tanji sloj atmosfere. Koliki je taj put u odnosu na najkraći izražava se kao omjer mase zraka (AM)4.
Fotonaponske ćelije
Električna energija se proizvodi iz energije sunca na dva različita načina:
- posredno preko toplinskog kružnog procesa
- direktno korištenjem fotoefekta.
Prvi je pristup znatno bliže ekonomičnosti, ali za drugi pristup postoji veći poticaj i brže se razvija. Pojavu da svjetlost određene valne dužine kada obasjava neki metal (npr. cink ili natrij) iz njega izbije elektron otkrio je još Becquerel 1939. Objašnjenje ove kvantnomehaničke pojave, kojom se može proizvoditi električna energija, dao je Einstein 1905. Prva moderna izvedba fotonaponske ćelije, koja iskorištava opisani efekt, ostvarena je 1954. u Bell Labs.
Fotonaponsko korištenje sunčeve energije sa svojim eksponencijalnim rastom od 40% godišnje predstavlja trenutno najbrže rastući novi izvor. Ovako veliki rast predstavlja potencijalni izvor za poremećaje sa dobavom osnovnih sirovina (npr. silicija i indija). Razvoj i pojavljivanje na tržištu novih tehnologija poput tankog-filma, uz solidan stupanj djelovanja od 10 i više postotaka, predstavlja nadu da će se potrebe za osnovnim sirovinama barem dijelom relaksirati. Najveći proizvođači fotonaponskih ćelija su redom u Japanu, Europi, Kini i SAD-u.
Fotonaponska ćelija je poluvodički element koji omogućuje izravnu pretvorbu svjetlosti u električnu energiju na osnovi fotonaponskog efekta.
Slika 5.: Fotonaponska ćelija
Fotoefekt kojim se može proizvoditi električna energije nastaje kada foton dovoljne energije pogodi elektron u neutralnom p-n poluvodičkom spoju. Poluvodič p-tipa ima slobodne elektrone i nastaje kada se kristal silicija (4 valentna elektrona) dopira 3-valentnim elementom, a n-tip ima slobodne šupljine (manjak elektrona) i nastaje dopiranjem silicija 5-valentnim elementom. Na spoju ova dva tipa poluvodiča, rekombinacijom elektrona i šupljina, nastaje neutralno područje sa električnim poljem. Da bi foton u sudaru prebacio elektron kroz to polje treba dobiti najmanje energiju jednaku tom polju. To praktično znači da svi fotoni koji imaju energiju manju od potrebne ne mogu ostvariti fotoefekt, a svi elektroni koji imaju veću energiju od potrebne ostvaruju izbacivanje samo jednog elektrona. Različiti materijali imaju određeni iznos energije praga ili zabranjenog pojasa. Materijal za izradu fotonaponske ćelije je silicij.
Tehnologije izrade su:
- Amorfni silicij – iskoristivost do 10 %
- Monokristal silicija – iskoristivost do 18%
- Polikristal silicija – iskoristivost do 16%
Fotonaponske ćelije mogu se prikazati pomoću ekvivalentnog sklopa koji je prikazan na slici 8.
Struja takvog kruga, odnosno fotonaponske ćelije određena je sljedećim izrazom:
Ukoliko se zanemari serijski i paralelni otpor tada vrijedi:
Gdje je:
- I – struja ekvivalentnog sklopa
- Ifs – fotostruja
- Id – struja diode
- Ip – struja kroz paralelni otpor
- U – napon
- Rp – paralelni otpor fotonaponske ćelije
- I0 – struja zasićenja
- e – elementarni naboj, e=1,602176462∙10-19 As
- Rs – serijski otpor fotonaponske ćelije
- m – parametar fotonaponske ćelije, m=1
- k – Boltzmanova konstanta, k=1,3806∙10-23 J/K
- T – apsolutna temperatura
Strujno naponske karakteristike fotonaponske ćelije su prikazane na slici 9.
Slika 9.: Strujno naponska karakteristika fotonaponske ćelije
Fotonaponska ćelija ima četiri izlazna parametra:
- Struja kratkog spoja
- Napon praznog hoda
- Stupanj djelovanja fotonaponske ćelije
- Faktor punjenja
Struja kratkog spoja Iks – struja pri kratko spojenim stezaljkama fotonaponske ćelije. Tada je napon U=0V, a struja kratkog spojka je jednaka fotostruji, Iks= Ifs.
Napon praznog hoda UPH – Napon otvorenih stezaljki fotonaponske ćelije koji je jednak:
Stupanj djelovanja fotonaponske ćelije ηfnc – omjer električne snage koju može ostvariti fotonaponska ćelija i snage sunčevog zračenja na njezinu površinu i jednak je:
Gdje je:
- G – snaga sunčevog zračenja [W/m2]
- A – površina fotonaponske ćelije [m2]
- JKS – gustoća struje kratkog spoja [A/m2]
Faktor punjenja F – omjer maksimalne snage fotonaponske ćelije i umnoška struje kratkog spoja i napona praznog hoda i jednak je:
Vrijednosti faktora punjenja F se kreću u rasponu od 0,7 do 0,9.
Fotonaponski moduli i nizovi
Budući da jedna ćelija daje napon od samo oko 0.5 V, zbog toga je rijetka uporaba samo jedne ćelije. Zbog toga se kao osnovni blok kod fotonaponskih sustava koristi fotonaponski modul koji se sastoji od više spojenih ćelija, postavljenih u kućište otporno na vremenske prilike. Tipični fotonaponski modul sastoji se od 36 ćelija te ima izlazni napon od 12 V. Nadalje se više fotonaponskih modula spaja u seriju ili paralelu da bi se dobio veći napon, odnosno veća struja, te tada čine fotonaponski niz (string) i/ili podmodul.
Moduli se spajaju u seriju ukoliko se želi postići veća vrijednost izlaznog napona, a u paralelu ukoliko se želi postići veća vrijednost struje. Nizovi se uglavnom sastoje od kombinacije. Ukoliko se moduli spajaju u seriju, I – U karakteristike se jednostavno dodaju duž naponske osi kako je to prikazano na slici 11.
Slika 11.: Serijski spojeni fotonaponski moduli, I – U karakteristika
Ukupna I–U karakteristika jednostavno je jednaka zbroju pojedinačnih karakteristika. Ukoliko se moduli spajaju u paralelu, napon I – U karakteristike jednak je za sve module, dok se struje jednostavno zbrajaju kako je prikazano na slici 12.
Slika 12.: Paralelno spojeni fotonaponski moduli, I – U karakteristika
Fotonaponski sustavi
Pod pojmom fotonaponski sustav podrazumijevaju se svi uređaji, oprema i jedinice koje čine fotonaponsku instalaciju koja je potrebna za njegov ispravan rad. U pogledu spoja na mrežu postoje dvije vrste fotonaponskih sustava:
- Mrežom vezani (sustavi spojeni na mrežu)
- Autonomni (samostalni sustavi bez spoja na mrežu)
Slika 14.: Fotonaponski sustav spojen na mrežu
Na slici 15 prikazan je samostalni sustav, kojemu su temeljne komponente fotonaponski moduli, regulator, baterije, trošila i izmjenjivač (ako trošila rade na izmjeničnu energiju).
Slika 15.: Otočni (samostalni) fotonaponski sustav
ZAŠTO JE ENERGIJA IZ SUNCA DOBRA?
- Jednom kada kupite potrebnu opremu, dobivate besplatnu električnu energiju ili toplinu od sunca.
- Sunčevi kolektori i paneli ne ispuštaju štetne plinove u zrak, njihov je rad siguran i tih.
- Energija se proizvodi na mjestu gdje se troši, pa nam ne trebaju dugački vodiči i kabeli.
- Sunca neće nestati!
ZADATAK
Zajedno sa svojom nastavnicom ili s roditeljima pokušajte izraditi sunčev kolektor za zagrijavanje vode. Evo što trebate učiniti:
- Na dno plitke kutije postavite crni papir.
- U jednu prozirnu vrećicu ulijte vodu i termometrom izmjerite njezinu temperaturu.
- Vrećicu dobro zatvorite i stavite u kutiju.
- Kutiju dobro zatvorite prozirnom folijom. Pazite da je kutija stvarno dobro pokrivena!
- Tako pripremljen „kolektor” ostavite na sunčanom mjestu oko 2 sata.
- Nakon toga, uklonite foliju, pažljivo otvorite vrećicu s vodom i ponovo izmjerite temperaturu.
- Kolika je sada temperatura vode?
Pokušajte objasniti što se dogodilo!
