Popularna znanost
Solarne elektrane
Sunce i njegovo zračenje
Sunce je nama najbliža zvijezda, udaljena tek 150 milijuna kilometra i predstavlja glavni izvor energije za opstanak života na Zemlji. Prema spektralnoj klasi, zato što najviše zrači u žutozelenom dijelu spektra, Sunce spada u klasu G2V, te se još naziva žuti patuljak. Boja Sunčeve svjetlosti je bijela, ali kada je na nebu nisko nad obzorom, ovisno o količini prašine u atmosferi i zbog raspršenja svjetlosti, izgleda žuto, narančasto ili crveno. Temperatura njegove površine je oko 5500 °C, dok u središtu, gdje se odvijaju termonuklearne reakcije fuzije doseže i 15 milijuna stupnjeva Celzija.
Spektar sunčeva zračenja
Iz gornjeg je dijagrama vidljivo kako do površine Zemlje najveća količina energije što ju Sunce emitira dolazi u obliku vidljive svjetlosti. Zašto ju ne iskoristiti? Ta besplatna je!
Solarni izvori energije
Solarni izvori energije su najbrže rastuća vrsta obnovljivih izvora i Sunčevo se zračenje smatra beskonačnim resursom koji bi mogao pomoći u premošćivanju jaza između izvora na fosilna goriva i nekog budućeg stvarno obnovljivog i zelenog izvora energije.
Prednosti solarne energije i solarnih elektrana:
- Neiscrpan izvor
- Ne stvaraju buku
- Široka dostupnost
- Tijekom rada ne stvaraju stakleničke plinove niti na bilo koji drugi način onečišćuju okoliš
Jedna od najvećih prednosti solarne energije je ta što solarne elektrane ne zagađuju atmosferu niti proizvode stakleničke plinove. Moguće su različite veličine i tipovi elektrana za zadovoljavanje kako kućnih tako i industrijskih potreba.
Nedostaci solarnih izvora energije:
- Rade samo danju, a naoblaka smanjuje njihovu učinkovitost
- Zahtijevaju velike površine zbog male učinkovitosti
- Kratki vijek fotonaponskih ćelija
- Visoka cijena saniranja potrošenih fotonaponskih ćelija
- Zahtjevno održavanje zrcala termičkih solarnih centrala
Dva su osnovna tipa solarnih elektrana:
- Fotonaponske
- Termičke
Fotonaponske elektrane
Fotonaponska elektrana. Izvor fotografije: Infrastructure Pipeline
Fotonaponska je elektrana sustav koji pretvara sunčevu svjetlost direktno u električnu energiju pomoću solarnih panela.
Fotonaponsko postrojenje sastoji se od solarnih fotonaponskih modula, sustava za praćenje ili montažu, pretvarača, transformatora, a namijenjeno je opskrbi električnom energijom. Fotonaponske ploče mogu biti fiksne ili s dodatkom sustava za praćenje položaja Sunca. Sustavi praćenja su obično složeni i skupi ali su u regijama s većim dostupnim izravnim zračenjem isplativo rješenje.
Fizika fotonaponskih ćelija
Fotonaponske ćelije za proizvodnju napona koriste pojavu znanu kao fotoelektrični efekt kojeg 1839. godine prvi opisuje francuski fizičar Edmund Bequerel. On uočava da određeni materijali, kada su osvijetljeni, proizvode male količine električne struje. Heinrich Hertz 1877. godine uočava fotoelektrični efekt tijekom slanja i primanja elektromagnetskih valova. Njegov prijamnik imao je zavojnicu s razmakom za iskrenje. Kada je prijamnik spremio u kutiju, primijetio je da se iskrenje smanjilo, dok bi se na svjetlu pojačalo. Od 1888. do 1891., Aleksandar Stoletov usavršava opremu za izvođenje fotoelektričnog efekta i detaljno ga proučava. Rezultate koristi za stvaranje solarnih članaka. Godine 1905. Albert Einstein, koristeći Max Planckovu kvantnu teoriju transporta energije, objašnjava fotoelektrični efekt za što kasnije dobiva Nobelovu nagradu za fiziku.
Fotoelektrični efekt. Izvor slike: Wikipedia.
Bell Laboratories 1954. godine radi prvi fotonaponski modul i prodaje ga kao solarnu bateriju, koja je samo kuriozitet jer je preskupa za široku upotrebu. U 1960-ima, svemirska industrija počinje ozbiljno koristiti solarnu tehnologiju za napajanje svemirskih letjelica. Kroz svemirske programe tehnologija napreduje, utvrđuje se njezina pouzdanost, a cijena počinje padati. Tijekom energetske krize 1970-ih, fotonaponska tehnologija se potvrđuje i kao izvor energije za nesvemirske primjene.
Shematski prikaz rada fotonaponske ćelije. Izvor slike: Energy Education
Gornja slika ilustrira rad osnovne fotonaponske ćelije, koja se naziva i solarna ćelija. Solarne ćelije izrađene su od istih vrsta poluvodičkih materijala koji se koriste u industriji mikroelektronike, kao što je, na primjer, silicij. Za solarne ćelije, tanka poluvodička pločica je posebno obrađena kako bi stvarala električno polje, pozitivno s jedne strane i negativno s druge strane. Svjetlost koja pada na solarnu ćeliju izbacuje elektrone iz atoma u poluvodičkom materijalu. Spoje li se električni vodiči na pozitivno i negativno nabijene strane tako da tvore zatvoreni električni krug, elektroni se počinju gibati tvoreći električnu struju. Ta se električna energija zatim može koristiti za napajanje trošila, poput svjetiljki ili motora.
Od fotonaponske ćelije do fotonaponskog niza. Izvor slike: Dig The Heat
Nekoliko solarnih ćelija međusobno električno povezanih i montiranih na potpornu konstrukciju ili okvir naziva se fotonaponski modul. Moduli su dizajnirani za opskrbu električnom energijom na određenom naponu, kao što je uobičajeni sustav od 12 volti. Proizvedena struja izravno ovisi o tome koliko svjetlosti pada na modul.
Više modula može se spojiti zajedno u niz. Općenito, što je veća površina modula ili polja, to će se proizvesti više električne energije. Fotonaponski moduli i nizovi proizvode istosmjernu električnu energiju. Mogu se spojiti serijski ili paralelno kako bi proizveli bilo koju potrebnu kombinaciju napona i struje.
Višeslojna fotonaponska ćelija. Izvor slike: Helmholtz Zentrum Berlin
Današnji fotonaponski uređaji najčešće koriste jedan spoj ili sučelje za stvaranje električnog polja unutar poluvodiča. U fotonaponskoj ćeliji od jednog materijala samo fotoni čija je energija jednaka ili veća od takozvanog izlaznog rada tog materijala mogu osloboditi elektrone. U fizici čvrstog stanja izlazni rad je energija potrebna da bi elektron preskočio takozvanu zabranjenu zonu i napustio atom ili molekulu. Drugim riječima, fotonaponski odgovor ćelije s jednim materijalom ograničen je na dio sunčevog spektra čija je energija fotona veća od izlaznog rada apsorbirajućeg materijala, dok fotoni niže energije ne stvaraju nikakav efekt.
Jedan od načina da se smanji ovo ograničenje za generiranje napona je korištenje dvaju ili više različitih ćelija od više različitih tvari. One se nazivaju "multijunction" stanice (također se nazivaju i "kaskadne" ili "tandemske" stanice). Višespojni uređaji mogu postići veću ukupnu učinkovitost pretvorbe jer mogu pretvoriti veći dio energetskog spektra svjetlosti u električnu energiju.
Kao što je dolje prikazano, uređaj s više spojeva je kombinacija pojedinačnih ćelija s po jednim spojem u silaznom redoslijedu veličine zabranjenog pojasa. Gornja ćelija hvata visokoenergetske fotone i prosljeđuje ostatak fotona dalje kako bi ih apsorbirale ćelije nižeg pojasa.
Primjer moderne višeslojne ćelije. Izvor slike: Scott Amyx
Velik dio današnjih istraživanja višeslojnih ćelija usredotočen je na galijev arsenid kao jednu (ili sve) komponente ćelije. Takve ćelije postigle su učinkovitost od oko 35 % pod koncentriranim sunčevim svjetlom. Ostali proučavani materijali za uređaje s više spojeva bili su amorfni silicij i bakar indijev diselenid.
Gornji primjer uređaj s više ćelija u seriji koristi gornju ćeliju od galij-indijevog fosfida, "tunelski spoj", za pomoć protoku elektrona između ćelija, i donju ćeliju od galij-arsenida.
Termalne sunčeve centrale
Vrste termalnih solarnih centrala:
- Heliostatske
- Parabolični kolektori
- Fresnelovi reflektori
Heliostatske elektrane
Solarni tornjevi PS10 i PS20; Sevilla, Španjolska. Izvor fotografije: Wikipedia
Heliostatska elektrana je vrsta solarne elektrane koja koristi toranj za primanje koncentrirane sunčeve svjetlosti koju pretvara u toplinu kojom prevodi vodu u paru za pokretanje parnih turbina, a koje, pak, pokreću generatore.
Ova vrsta elektrane koristi veliki broj ravnih zrcala za praćenje Sunca, nazvanih heliostati. Heliostati su raspoređenih na velikoj površini i usmjereni prema Suncu kako bi reflektirali sunčevu svjetlost prema prijemniku na vrhu tornja. Koncentrirana svjetlost zagrijava vrh tornja i vodu koja njime prolazi prevodi u paru pod pritiskom. Zbog boljeg učinka, zrcala mogu biti opremljena sustavima za praćenje položaja Sunca, no oni znatno poskupljuju proizvodnju i održavanje heliostatskih elektrana.
Parabolični koritasti kolektori
Parabolični kolektor u sunčevoj termoelektrani u Izraelu. Izvor fotografije: Wikipedia
Parabolični kolektori se sastoje od uzdužnog paraboličnog reflektora dužine nekoliko stotina metara, koji fokusira izravnu komponentu Sunčevog zračenja na žarišnu liniju u kojoj je postavljen valjkasti apsorber. Apsorber se sastoji od metalne cijevi, smještene u staklenom valjku, između kojih se nalazi vakuumski međuprostor zbog smanjenja toplinskih gubitaka na višim radnim temperaturama. Stakleni valjak sprječava prodiranje prašine i stranih tijela u apsorber. Kroz metalnu cijev apsorbera struji radni fluid, sintetičko ulje, rastopljena sol ili para pod tlakom, a koji se grije i do 400 °C. Površina apsorbera je zaštićena selektivnim premazom, antirefleksnim premazom koji filtrira infracrveno zračenje, te propušta svjetlost iz vidljivog dijela spektra.
Fresnelovi kolektori
Fresnelova zrcala. Izvor fotografije: SolarPACES
Sunčani Fresnelov kolektor se zasniva na Fresnelovim lećama, koje se mogu naći u svjetionicima, a sastoje se od velikog broja malih zrcala pod različitim kutovima, koja svjetlost iz nekog izvora odbijaju tako da stvaraju paralelni snop. Slično tome, Fresnelov kolektor se sastoji od velikog broja ogledala, koja su pod različitim kutovima, a omogućuju da se paralelni snop Sunčeve svjetlosti fokusira u žarište, u kojem se nalazi apsorber. Glavna prednost u odnosu na parabolične reflektore je da je ovaj sustav jeftiniji. Slično kao i parabolični reflektori, ogledala trebaju pratiti kretanje Sunca samo po jednoj osi.
Apsorber se nalazi u žarištu ogledala. Apsorber ima obično Dewarove cijevi ili vakumirano staklo, čime je moguće spriječiti toplinske gubitke kondukcijom i konvekcijom. Radno sredstvo, najčešće sintetičko ulje, se unutar vakumirane staklene cijevi grije i do 300 °C.
Završno slovo
Iako solarne elektrane postaju hit u proizvodnji električne energije, vrlo su vjerojatno samo prijelazni oblik u iskorištavanju sunčeve energije. Cilj je jednoga dana dovesti Sunce na Zemlju. Ne baš doslovno – to će se ovako i onako desiti za pet milijardi godina, nego više figurativno. Danas postoji nekoliko fuzijskih reaktora u kojima se kratkotrajno ali uspješno odvijaju kontrolirane reakcije. Zašto se onda ne koriste za proizvodnju električne energije? Jednostavno, još nitko nije otkrio kako iskoristiti tu silnu energiju! Temperature u fuzijskim reaktorima dosežu nekoliko milijuna stupnjeva Celzija! Od Verneovog Nautilusa do Nautilusa Američke ratne mornarice je prošlo oko stotinu i šezdeset godina, ali zahvaljujući moći ljudskog uma ideja se ostvarila! Nadam se da do korisnog fuzijskog reaktora nećemo morati toliko čekati!
Naslovna fotografija: Chint Global
