Tokom vedrih ljetnih noći nebo je obasuto sjajnim zvijezdama koje ga krase. Svjetlucaju poput dijamanata. Pitamo se koliko je svaka od njih udaljena i kolika je njihova stvarna veličina. Željeli bi smo ponekad da dotaknemo zvijezde. Postoji jedna od njih koja je vrlo blizu, zvijezda koja svojim sjajem omogućava život. Zvijezda koja je toliko blizu da ju skoro možemo i dotaknuti. Ta zvijezda je Sunce koje je neposredno ili posredno izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji.

Energija potiče od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gdje temperatura doseže i do 15 miliona °C. Taj nuklearni proces je fuzija (proces smanjenja atoma vodika i nastajanje atoma helija uz oslobađanje velike količine energije). Ovako nastala energija se u vidu svjetlosti i topline širi u svemiru pa tako jedan manji dio te energije dolazi i do Zemlje. Zahvaljujući njoj imamo dan, biljke rastu i možemo ljeti da se sunčamo.

Insolacija predstavlja količinu energije koju Zemlja prima sa sunčevim zračenjem. Na slici je prikazana insolacije na svjetskom nivou i za Evropu, iz kojih vidimo da je i naše područje pogodno za iskorištavanje energije Sunca.

Mogućnosti direktnog iskorištavanja energije

Sunca su:

–       solarni kolektori

–       fotonaponske ćelije

–       fokusiranje sunčeve energije

 

 

Solarni kolektori

Pomoću solarnih kolektora iskorištava se toplotna energija Sunca u svrhu zagrijavanja sanitarene vode. Jedan od predstavnika solarnih kolektora jesu i pločasti kolektori. U kućištu sa termoizolacijom (od poliuretana, kamene ili staklene vune) postavljene su bakarne cijevi sa crnim premazom za što veću apsorpciju energije. Preko tih cijevi nalazi se crni lim ili aluminijski lim koji treba da se sjedini sa cijevima. Preko toga ide staklo (kaljeno) sa velikim koeficijentom apsorpcije. U sistemu solarnog kolektora kroz bakarne cijevi struji smjesa voda – glikol (alkohol). U smjesi se pored vode

nalazi alkohol koji će onemogućiti smrzavanje vode u sistemu tokom perioda sa niskim temperaturama. Solarni kolektroi su fiksirani na krov, i nakon zagrijavanja smjese, topli medij odlazi kroz cijevi do izmjenjivača tolpine (najčešće bojler), gdje zagrijava sanitarnu vodu koju koristimo za potrebe kupanja i slično. Kad topli medij preda energiju vodi (kada se ohladi) kroz cijevni sistem pomoću pumpe ponovo se vraća u solarni kolektor gdje će se ponovo zagrijati i početi

proces iznova. U sistemu je još postavljena i ekspanziona pumpa zbog toga što se medij u sistemu tokom zagrijavanja širi, te ona omogućava ispuštanje viška zraga koji se potisne kada se medij proširi. Cijena koštanja solarnog kolektora iznosi 1000 KM/m² (po sistemu „ključ u ruke“). Dva kolektora mogu da zagrijavaju oko 100 l vode. Ukoliko neko domaćinstvo ima potrebe potrošnje vode oko 200 litara, znači da im je potrebno da se instalira 4 solarna kolektora (po 1m²). 

 Postoje još i vakuum solarni koletktori kod koga su u cijevima nalazi vakuum. Dvije cijevi su postavljene jedna u d

rugu. Između njih se nalazi vakuum. U unutrašnjoj cijevi se nalazi cijev sa medijem. Zagrijavanjem medija kroz vakuum, toplija tekućina se penje ka vrhu cijevi, a hladnija ide prema dnu. To omogućava kruženje medija unutar zatvorene cijevi. Na vrhu svake cijevi u sistemu nalazi se metalna glava koja prima tolpinu medija, užari se (temperatura glave može doseći i do 300°C) i tada glava zagrijava vodu koja prolazi na vrhu sistema kroz cijev koja povezuje sve metalne glave u sistemu. Vidite da je ovaj sistem solarnih kolektora vrlo efikasan, međutim jedini nedostatak im je što vakuum vremenom popusti i smanjuje se njegova efikasnost. Jedan vakuum solarni sistem košta oko 14.000 KM.

Osim ovoga, na tržištu se mogu naći, još i koncentrirajući solarni kolektori, a to su parabolična ogledala i sistemi za fokusiranje sunčeve energije(tornjevi ili ogledala). Parabolični su konstruisani od paraboličnih ogledala (obično prevučeno srebrom ili poliranim aluminijem) u čijoj se žiži nalazi cijev ili vakuumirano staklo. Sunčeva svjetlost se odbija od paraboličnog ogledala nakon čega se koncentrira u žižu te medij unutar vakuum staklene cijevi (sintetičko ulje, rastopljene soli) grije i do 400°C.

Fokusiranje sunčeve energije postiže se pomoću mnogo leća ili ogledala oko tornja (ili da svaki tanjur sa ogledalima ima zasebnu tačku fokusiranja instalisanu na taj sistem). Sva su usmjerena da svjetlost fokusiraju na toranj. Unutar tornja nalazi se medij (koji ima vidoku tačku ključanja, jer se na tornju dostižu vrlo visoke temperature i do 560°C). Njihova optimalna snaga je od 100 do 1000 MWe. Ovakvi sistemi zahtijevaju puno prostora za instaliranje, te je pogodna njihova gradnja u pustim predjelima. Potrebno je da imaju sva ogledala sistem za praćenje sunca, te na taj način da tokom čitavog dana prate sunce i njegovu energiju usmjeravaju na toranj. Ovakvi sistemi kao i parabolična ogledala spadaju u domen solarne eletkrane.

Fotonaponske ćelije

Fotonaponske ćelije služe za direktno pretvaranje energije Sunca u električnu energiju. Fotonaponski panel je izrađen od povezanih fotonaponskih ćelija u kućištu. Fotonaponske ćelije su napravljene od poluprovodnih materijala. Razlikujemo sljedeće fotonaponske ćelije:

  –       silicijeve Si

 –       galij arsenidne GaAs

 –       bakar – indium – diselenidne CuInSe₂

 –       kadmij – telurijeve CdTe

Najčešće korišten materijal za izradu fotonaponskih ćelija jeste silicij, zbog velike rasprostranjenosti u zemljinoj kori. Razlikujemo monikristalni, polikristalni silicij i amorfni. Monokristalni se sastoji iz samo jednog oblika kristala i fotonaponske ćelije od monokristalnog silicija su jednobojne (tamno plave, crne).

Polikristalni sadrži više različitih kristalnih oblika u svojoj strukturi što fotonaponskim ćelijama daje više različitih boja na površini. Amorfni silicijev kristal sadrži kristale nepravilnog oblika, on je crvenkaste boje (ovakav tip fotonaponskih ćelija koristi se u digitronima). Amorfni silicij je najeftiniji, ali je i najmanje efikasan, dok je najskuplji monokristalni ali je i najefikasniji. Za 1 kW energije potrebna je površina 7 – 9 m² za monikristalni, 7,5 – 10 m² za polikristalni i za amorfni 14 – 20 m². Efikasnost monokristalnih fotonaponskih ćelija je 18% odnosno na difuzno svjetlo (kada je oblačno i nema sunca) 5%, dok je efikasnost amorfnog 5 – 8 % odnosno 4 – 8 % pri difuznom svjetlu. Tehnologija proizvodnje monokristalnog silicija zahtijeva dosta sredstava.

Fotonaponske ćelije se mogu koristiti kao samostalni izvor energije (na satelitima, cestovnim znakovima, digitronima) ili kao dodatni izvor energije (koji su priključeni na mrežu). Fotonaponski efekat prvi je počeo promatrati 1839. godine Henri Becquerel. Za sličan rad Albert Einstein je 1954. godine dobio Nobelovu nagradu za istraživanja solarne energije jer je prvi predstavio fotonaponski članak koji je generisao upotrebljivu količinu električne energije.

U nastavku ćemo objasniti princip rada fotonaponskih ćelija. Svjetlost ima dvojnu prirodu te se ponaša kao talas i kao čestica (jer je sastavljena od fotona – sitnih čestica koji su nosioci energije). Fotonaponska ćelija je izrađena od dva sloja – pozitivnog i negativnog dijela, a između njih se nalazi osiromašeni dio. Zavisno od intenziteta svjetlosti koja dolazi na fotonaponsku ćeliju između njena dva sloja stvara se razlika potencijala. U oba sloja poluprovodnika (npr. Si) imamo slobodnih elektrona.  Kada foton iz sunčeve svjetlosti padne na površinu fotonaponske ćelije, oni predaju energiju svoju energiju i na taj način se iz atoma izbija negativno nabijeni elektron (koji je slobodan – nesparen). Na mjestu gdje je izbijen elektron u poluprovodniku nastaje šupljina pozitivnog naboja.  Izbijeni elektron se kreće i mogu da se spoje sa pozitivnom šupljinom. Ukoliko se to spajanje dogodi daleko od osiromašenog dijela tada se događa rekombinacija. Parovi koji nastanu blizu osiromašenog područja, bivaju privučeni tako da pozitivno nabijena šupljina ide prema pozitivnoj (P) strani poluprovodnika, a elektron ide prema negativnoj strani ćelije (N) i nagomilavaju se na P i N strani poluprovodnika što uzrokuje stvaranje elektromotorne sile, koju ukoliko dovedemo na neki potrošač stvortit će se struja i dobit ćemo električnu energiju. Na ovaj način može se proizvesti napon od 0,5 – 0,7 V.

 Pod optimalnim uslovima na površinu Zemlje može se dobiti 1kW/m².

 Fotonaponski solarni panel veličine 1m² može proizvesti do 150 W električne energije. Oni dakle rade i na difuzno svjetlo kada su oblačni dani. Vijek trajanja im je od 10 do 30 godina zavisno od tehnologije.

Uticaj na okolinu

Sam rad fotonaponskih panela nema negativnog uticaja na okolinu, ne proizvodi plinove staklene bašte. Ono što šteti okolini jeste upotreba toksičnog materijala kadmija za izradu fotonaponskih ćelija i što je proces dobijanja silicija energetski vrlo zahtjevan. Jedan od nedostataka ovakvih sistema jeste što zahtijevaju veliku površinu za svoju instalaciju kako bi se osigurala dovoljna količina električne energije. Budući da se površine ispod fotonaponskih sistema ne može obrađivati, potrebno ih je instalisati na neobradive dijelove tla (kao što su pustinje i slično). Ali ipak ovo je relativno čista tehnologija, vrlo jednostavan način dobijanja energije iz nečega što nam je priroda podarila da koristimo a ne da ju zagađujemo spaljivanjem uglja. 

NAPOMENA: Tekst je vlasništvo autora i Centra za edukaciju i obrazovanje. Nije dozvoljena distribucija i korištenje ovog teksta, ili njegovih dijelova, bez dozvole autora i uz obavezno navođenje izvora.