energija sunca _seminarski

SEMINARSKI RAD

>>Energija sunca – Primjena u proizvodnji električne energije<<

1. Uvod Energija odnosno energetika je osnovni pokretač razvoja društva. d ruštva. Rast potreba za energijom, uzrokovan svjetskim razvojem i porastom broja stanovništva, već danas poprima eksponencijalan karakter. Smatra se da će se do 2050 godine potrošnja energije utrosručiti u odnosu na današnju. Međutim, resursi energije su ograničeni. Izvore energije možemo podijeliti u dvije grupe i to na neobnovljive i obnovljive izvore energije. Neobnovljivi izvori energije su oni izvori čije su zalihe energije ograničene i korištenjem energije iz ovih izvora oni se neprestano troše. U grupu neobnovljivih neobnovljivih izvora energije spadaju spadaju nafta, gas, ugalj i nuklearna energija. Obnovljivi izvori energije su takvi izvori čije se zalihe energije neprestano obnavljaju i praktično ih je nemoguće potrošiti. Ovdje ubrajamo hidroenergiju, energiju mora, geotermalnu energiju, energiju biomase, energiju vjetra i solarnu energiju. Kako većina nosilaca energije u izvornom obliku nije pogodna za direktnu upotrebu, potrebne su određene transformacije iz jednog oblika energije u drugi oblik, te na osnovu ovoga energetske izvore dijelimo na primarne (osnovne) i sekundarne. Primarni oblici energije su osnovni oblici odnosno sirovine i mogu biti obnovljivi ili neobnovljivi. Sekundarni oblici energije su oblici koji su dobiveni transformacijama primarnih oblika i kao takve ih koristimo. Na sljedećoj slici su prikazani svjetski resursi primarne energije u 2001. godini. g odini.

Sl.1 Raspoloživost

resursa primarne energije u svijetu 2001. godine

1

SEMINARSKI RAD


Potrošnja primarne energije je različita zemljama širom svijeta i direktno je vezana za industrijski razvoj zemlje. Takođe postoje i značajne regionalne razlike potrošnje energije po stanovniku. stanovniku. Po određenim predviđanjima u budućnosti je realno očekivati porast potreba za energijom, energijom, ali i smanjenje utroška energije po jedinici proizvoda prije svega zahvaljujući tehnološkom razvoju. Ustanovljeno je da se iskoristi oko 34% energije a da su gubici oko 66% energije. Racionalno raspolaganje enrgijom ima u vidu pored ostalih gubitaka i smanjenje gubitaka u njenom transportu bilo da je riječ o njenom primarnom ili sekundarnom obliku. U posljednje vrijeme počinje se voditi računa i o ekološkom aspektu pojedinih energetskih izvora ( zagađenje zraka, vode, zemlje, globalno zagrijavanje, efekat staklenika ). Iz svega gore navedenog postaje jasno da se blagovremeno trebaju obezbijediti dodatni izvori energije koji bi ublažili nekontrolisanu eksploataciju fosilnih goriva čije zalihe su sve manje i manje i čime bi se smanjila razlika između proizvodnje i potrošnje. Jedan od načina prevazilaženja mogućih energetskih kriza mogla bi biti komercijalna fuzija. Za sada se proces fuzije nažalost ne može kontrolisati, a kao što je poznato rezerve fuzionog goriva su praktično neiscrpne. Takođe uz odgovarajuća tehnološka unapređenja (superprovodljivost, magnetnohidrodinamika, gorive ćelije...) može se smanjiti količina primarne enrgije koja je potrebna. Imajući sve ovo u vidu, današnja nastojanja se svode na optimalizaciju iskorištenja alternativnih izvora energije. U alternativne izvore energije ubrajamo prije svega solarnu energiju, energiju vjetra, energiju mora, geotermalnu energiju i energiju biomase. Navedeni izvori energije dosta skromno učestvuju u ukupnoj proizvodnji enrgije, koja je danas najpovoljniji oblik energije za prenos, distribuciju te potrošnju. Sa razvojem cjelokupnog svjetskog društva i to populacijski, tehnološki i ekološki, upotreba navedenih alternativnih izvora energije postaje nužnost.

2. ENERGIJA SUNCA 2.1 Sunce-nosilac solarne enrgije Sunce predstavlja najistaknutiji objekat u solarnom sistemu. U njegovoj zapremini sadržano je otprilike 98% ukupne mase solarnog sistema. Sunce se kroz svemir kreće brzinom oko 20 km h i rotira oko svoje ose sa peridom koja na ekvatoru sunca iznosi oko 27 dana a na polovima oko 31 dan.

2

SEMINARSKI RAD


Struktura jezgra sunca U poređenju sa zapreminom Zemlje, zapremina Sunca je 1.3 miliona puta veća. Poluprečnik Sunca je oko 6,95 × 108 m , a masa 1,99 × 10 30 kg (oko 330.000 puta veća od mase Zemlje). Srednja udaljenost između Zemlje i Sunca iznosi 1,49 × 1011 m , a srednja gustina mase Sunca je 1.400 kg m 3 . Smatra se da je temperatura Sunca u unutrašnjosti odn. jezgri veličine reda oko 14miliona K, pritisak oko 104 Pa , a gustina oko 10.000 kg m 3 . Kao posljedica ovakvih uslova koji vladaju u jezgri sunca tu se neprekidno javljaju termonuklearne reakcije fuzije atoma vodika u atome helija. Sl. 2.1

Pri ovim reakcijama četiri protona ili jezgre vodika se spajaju u jedno jezgro helija odnosno α -česticu uz oslobađanje energije. α -čestica ima oko 0,7% manju masu nego što su imala prethodno četiri protona vodika zajedno. Ta razlika u masi pojavljuje se u obliku energije koja iznosi 3

SEMINARSKI RAD


26,21 MeV = 1,17 × 10 −18 kWh za svaku jezgru helija. Svake sekunde se oko 700

miliona tona vodika prevede u helijev pepeo, dok se samo mali dio transformiše u svjetlost (oko 0,7%). Energija koja se oslobodi u jezgri prenosi se konvekcijom na površinu Sunca, a odatle se zrači dalje u svemir. Energiji stvorenoj na ovaj način u Sunčevoj jezgri potrebno je oko milion godina da stigne na površinu sunca. Snaga zračenja koju Sunce emitira u čitav prostor je ogromna i iznosi oko 3,8 × 10 26 W , a od toga na Zemlju dođe oko 1,7 × 1017 W . Sunce u solarnom sistemu ima najveću zalihu energije. Energija koju Zemlja godišnje prima od Sunca iznosi oko 5,4 × 10 24 J . Međutim od te upadne sunčeve energije, oko 30% se reflektuje u svemirski prostor, 47% se pretvara u toplinu i emitira kao infracrveno zračenje, 23% se troši na isparavanje vode i oborinski ciklus u troposveri, a preostali mali dio se troši na odvijanje procesa fotosinteze, pretvara u energiju vjetra i sl. Spektar Sunčeva zračenja, pri površini zemlje, kreće se u intervalu 0,28 ÷ 3,0µ m i sastoji se od ultraljubičastog ( 0,28 ÷ 0,38 m ) koje je nevidljivo za ljudsko oko, vidljivog dijela spektra ( 0.38 ÷ 0,78µ m ) i infracrvenog zračenja ( 0,78 ÷ 3µ m ). Do sada je oko polovine od ukupne količine vodika u Sunčevoj kori porošeno, odnosno fuzirano u helij. Dakle, kako se nastavlja proces, Sunce postaje sve lakše. Sunce je aktivno već oko 4,6 milijardi godina i ima goriva za produžetak svoje egzistencije još za oko 5 milijardi godina. Na kraju svog života Sunce će početi vezivati atome helija u teže elemente, te će se početi napuhavati, do te mjere da će na kraju svojom zapreminom potpuno progutati Zemlju. Ovo stanje Sunca trajat će oko milijardu godina, poznato je pod nazivom crveni div i predstavlja zvijezdu na kraju njenog evolucijskog života. Imat će relativno nisku temperaturu od nekoliko hiljada stepeni i vrlo velikim radijusom između 10 do 100 puta većim od sadašnjeg radijusa Sunca. Nakon ove faze Sunce će se naglo urušiti u takozvanog bijelog patuljka, što predstavlja završni produkt zvijezde kao što je naša. Imat će zapreninu otprilike kao Zemlja, a masu Sunca. Trebat će oko milijardu godina da se potpuno ohladi.

4

SEMINARSKI RAD


2.2 Zračenje Sunca Ukupno (globalno) zračenje Sunca koje dopire na posmatranu površinu uređaja odnosno nagnute plohe, satoji se iz dvije komponente i to: direktnog i difuznog zračenja. Direktno-izravno Sunčevo zračenje je ono koje dopire do uređaja izravno iz prividnog smjera Sunca, dok difuzno-raspršeno zračenje nastaje raspršenjem Sunčevih zraka u atmosferi i dolazi na uređaj iz svih smjerova neba. Dijagram na sljedećoj slici pokazuje dnevne vrijednosti globalnog i direktnog Sunčevog zračenja u toku godine za mjesto sa geografskom širinom od 48o . Dijagram se odnosi na sunčane dane.

Sl. 2.2 Dijagram

globalnog i direktnog sunčevog zračenja

Ordinatna razlika globalnog i direktnog zračenja predstavlja udio rasutog (difuznog) zračenja u ukupnoj dozračenoj energiji. Iako je komponenta direktnog zračenja dominantna u potencijalu globalnog zračenja, ne treba zanemariti ni udio difuznog zračenja koji se kreće najčešće u granicama od 8 do 22% od ukupnog zračenja. Ono se mijenja u zavisnosti od okoline i stanja zagađenosti atmosfere. Naravno, za oblačnih dana svo zračenje je difuznog karaktera. Takođe, i u zavisnosti od godišnjeg doba difuzno zračenje može da prelazi i 30% od ukupnog, te postaje i te kako važna komponenta Sunčevog energetskog priliva. U gradovima ova komponenta je izražajnija, a ukupno dozračena energija je manja. Energiju koja se fotonima (zračenjem) širi kroz prostor zovemo energija zračenja i označavamo je sa Q , a jedinica je [ J ] ili [Ws]. Snaga zračenja (tok zračenja) Ф definiše se izrazom Φ=

dQ dt

5

[W ]

SEMINARSKI RAD


Pri proračunu Sunčane enrgije naročita je bitna gustoća energetskog toka, odnosno energetski tok koji upada na određenu površinu A. Ovako definisana veličina naziva se ozračenost, ozračenje ili iradijacija. G=

d Φ  W  dA  m 2 

Integrira li se ozračenje po vremenu dobija se površinska gustoća energije zračenja koje u posmatranom vremenskom intervalu upadne na jedinicu površine plohe. t 2

∫

 J  2  m 

H = G ⋅ dt  t 1

Solarna energija se mijenja zbog relativnog kretanja Sunca. Ova promjena zavisi od doba dana i od godišnjeg doba. Uopšte, najviše Solarne radijacije se dozrači u toku podneva, kada je sunce pozicionirano visoko na nebu i kada je putanja Sunčevih zraka kroz atmosferu najkraća. Posljedica toga je smanjenje raspršivanja i apsorpcije solarne radijacije, odnosno više solarne radijacije dođe do površine Zemlje.

2.3 Načini iskorištenja solarne energije Solarna energija (energija sunca) je najobilniji dostupan vid energije. Ova energija se može solarnim ćelijama transformisati u električnu ili se može koristiti njen termički efekat. Toplota sunčevih zraka se može koristiti za grejanje vode (solarni paneli na krovovima kuća) ili se sistemom ogledala sunčevi zraci mogu koncentrisati na malu površinu na kojoj će se razvijati velika temperatura dovoljna za proces proizvodnje električne energije pomoću vodene pare kao u termoelektranama. Glavni nedostatak solarne enrgije je sto je dostupna samo preko dana i to kada nije oblačno. Dalje, atmosfera u velikoj meri oduzima energiju sunčevim zracima, tako da na površinu zemlje stiže samo mali deo energije koju sunčevi zraci imaju u vasioni. U uslovima dobre osunčanosti, energija sunčevih zraka na površini zemlje iznosi 1kW/m2 . Iako termički efekat sunčevih zraka nije pogodan za proizvodnju električne energije, znatne količine električne energije se mogu uštedeti grejanjem vode u solarnim panelima preko leta. Dakle u principu postoje dva načina iskorištavanja solarne enrgije i to pretvaranjem solarne energije u električnu energiju i pretvaranjem solarne energije u toplotnu energiju.

6

SEMINARSKI RAD


3. PRETVARANJE SUNČEVE ENERGIJE U ELEKTRIČNU Dva su osnovna načina dobijanja električne enrgije iz energije Sunca. Najjednostavniji je direktna transformacija preko fotonaponskih ćelija (FN kolektora). Princip rada fotonaponskih ćelija temelji se na fotonaponskom efektu: kada se Sunčevo zračenje apsorbira u solarnoj ćeliji na njenim krajevima se pojavljuje elektromotorna sila, tako da se ćelija obasjana Sunčevim zracima može koristiti kao izvor električne enrgije. Prema rezultatima najnovijih istraživanja i na taj način će se uskoro znatno intenzivnije koristiti solarna energija. Drugi način je da se solarna energije prvo transformiše u toplotnu energiju, a zatim iz topotne energije pomoću parnih turbina i generatora transformiše u električnu energiju. U svijetu je već dovršeno više takvih elektrana, pomoću kojih se stječu nova iskustva za eventualno buduću komercijalnu proizvodnju električne enrgije. Fotonaponska pretvorba neposredna je pretvorba energije fotona u električnu energiju. Snop zraka svjetlosti je skup elektroenergetskih valova različitih frekvencija, a elektromagnetski valovi nisu ništa drugo nego bujica fotona koji imaju svoju malu ali ipak konačnu energiju. Budući da su elektroenergetski valovi različitih frekvencija, strujanja fotona imaju različite energije. Još 1938. godine Bekerel je otkrio fotoefekat na taj način što je zapazio da se jakost struje između metalnih elektroda u elektrolitu povećavala kada su se elektrode osvjetlile. Krajem devetnaestog stoljeća napravljena je prva fotoćelija iz selena, a početkom dvadesetog stoljeća (1905. godine) Ajnštajn objašnjava fotoefekat. Fotoelement iz selena imao je vrlo mali stepen djelovanja (oko 1%), pa je pronalazak (1954. godine) fotoelementa (solarne ćelije) na bazi silicija bio veliko otkriće sa stepenom djelovanja 10-20%. E f = hγ ; gdje je: γ - frekvencija fotona; h - Plankova konstanta (h = 6.624·10 -34Js) Iz šematskog prikaza silicijeve solarne ćelije (slika 4.) vidljivo je da se ona sastoji od dva osnovna tipa poluvodiča (p-tipa i n-tipa), a tako je konstruirana da svjetlosne zrake kroz tanki prozirni sloj poluvodiča (n-tipa) padaju na kontaktno područje oba poluvodiča.

7

SEMINARSKI RAD


Sl. 3.1

Princip rada solarne ćelije

Obično se na prednjoj strani solarne ćelije nalazi metalna rešetka; a zadnja strana je prekrivena metalnim kontaktom. Važno je svojstvo p-n spoja njegovo ispravljačko djelovanje i mnogo lakše vodi struju kad je pstrana pozitivna, a n-strana negativna, nego kada je obratno. Dakle p-n spoj radi kao dioda. Svojstvo solarne ćelije da može sakupljati elektrone i šupljine na odgovarajućim stranama p-n spoja, a takvo skupljanje uzrokuje elektromotornu silu na krajevima ćelije. Kada se solarna ćelija obasja svjetlošću apsor birani fotoni dovoljno velike energije proizvode parove elektron - šupljina, pa se usljed unutrašnjeg električnog polja elektroni i šupljine kreću prema suprotnim stranama. Ako su kontakti solarne ćelije spojeni sa vanjskim potrošačem, kroz osvjetljenu solarnu ćeliju poteći će električna struja, kao što je prikazano na slici 4. Sunčane ćelije proizvode napon 0.5-0.7 V i jakost struje do 20 mA/cm2 dok im je površina 5-10 cm2. Da bi se dobio odgovarajući napon odnosno snaga, ćelije se mogu spajati serijski i paralelno. Tako se dobivaju moduli solarnih ćelija u obliku ploče, a one se slažu jedna do druge u fotonaponske kolektore, koji zajedno s ostalim uređajima čine fotonaponski sistem. Do sada su se najboljima pokazale solarne ćelije napravljene od silicijskih ćelija. Najveći problem pri širokoj upotrebi je cijena. No i pored toga ima opravdanja primjena ovih ćelija ugradnjom u satelite, zatim izolirana planinska područja, otoke, sistemima navodnjavanja itd.

8

SEMINARSKI RAD


3.1 Solarne elektrane Su visokotemperaturni solarno-toplotni sistemi koji koriste mogućnost ogledala i sočiva za koncentriranje velikih količina Sunčeve energije zračenja u manje zapremine-prijemnike kako bi se ostvarila visoka temperatura. Ovi sistemi omogućavaju transformaciju Sunčeve energije u električnu indirektno, za razliku od FN ćelija.

Sl. 3.2

Solarna toplinska elektrana

Prijemnici kod kojih se Sunčevi zraci zahvaćeni sa veće površine koncentrišu na neku manju površinu nazivaju se koncentratori ili fokusirajući kolektori. Kod ovih prijemnika mogu se u zavisnosti od konstrukcije ostvariti visoke radne temperature i do par hiljada stepeni Celzijusa (do 4000 °C). U zavisnosti od materijala koji se koristi kod fokusirajućih prijemnika u najvećoj mjeri zavisi i njihova efikasnost. Dole su prikazane reflektivne karakteristike za neke materijale koji se koriste za izradu ogledala fokusirajućih prijemnika. Materijal ogledala Refleksiona karakteristika Srebro 0,94 Zlato 0,76 Aluminiziran akril 0,86 Bakar 0,75 Staklo sa slojem srebra 0,88 9

SEMINARSKI RAD


Razlikujemo tri osnovna tipa fokusirajućih kolektora: 1. Parabolični zdjelasti kolektori; 2. Parabolični koritasti kolektori; 3. Ravna pokretna ogledala- heliostati. U principu, fokusirajući kolektori se dijele po konstrukciji na dvije grupe: na one koji Sunčevu svjetlost fokusiraju (teoretski gledano) na tačku (parabolični zdjelasti kolektori i heliostati) i na kolektore kod kojih se fokusiranje vrši na liniju (parabolični koritasti kolektori). Prvi kolektori mogu obezbjediti znatno više radne temperature od drugih. Međutim, sve vrste fokusirajućih prijemnika zahtjevaju promjenu položaja tokom korištenja, kako bi se mogli dobiti maksimalni toplotni efekti. Ovo navođenje prema Suncu se vrši putem automatskih uređaja, mada kod individualnih sistema za povremenu kućnu upotrebu to navođenje se može vršiti periodično-ručno. Jedna od najvažnijih karakteristika fokusirajućih sistema je koncentracioni odnos, koji predstavlja odnos efektivne površine aperture (otvora) kolektora i površine prijemnika- apsorbera. Ovaj odnos može iznositi i do hiljadu. Što je radna temperatra viša, potreban je kolektor većeg koncentracionog odnosa. Upotreba fokusirajućih kolektora je vrlo široka i koriste se načešće za poizvodnju pare u solarnim elektranama, za metalurške potrebe, za pogon motora, u domaćinstvu za pripremu jela i dr.

3.2 Parabolični zdjelasti (dish) sistem Pretvaraju toplotnu energiju solarnog zračenja u mehaničku a zatim u električnu energiju na sličan način kako konvencionalne termoelektrane pretvaraju toplotnu energiju sagorijevanja fosilnog goriva u električnu energiju. Glavni dijelovi ovog sistema su solarni koncentrator, prijemnik (receiver) i sklop motor generator. Direktno Sunčevo zračenje se pomoću koncentratora u obliku parabole usmjerava prema prijemniku (receiver) koji je smješten u žižnoj tački parabole, da bi se postigla što veća radna temperatura (do 750 °C) potrebna za efikasno pretvaranje toplote u rad. Da bi se ovo ostvarilo dish sistem prati položaj Sunca pomjerajući se po dvije ose (istok-zapad i sjever jug). Receiver apsorbuje energiju reflektovanu od strane koncentratora i predaje je radnom fluidu.

10

SEMINARSKI RAD


Sl. 3.3

Parabolični zdjelasti (dish) sistemi

Radni fluid (obično je to hidrogen ili helijum) se odvodi u sklop motor-generator gdje se mehanički rad putem generatora transformiše u električnu energiju. Trenutno su u eksperimentalnoj upotrebi Stirling-ovi i Brayton-ovi motori. Koncentrator može biti napravljen kao jedna površina ili pak sastavljen iz više reflektujućih jedinica a koristi reflektujuću površinu od aluminijuma ili srebra, nanesenu na staklo ili plastiku. Električna snaga sadašnjih protutipova dish sistema je oko 25 kW za sisteme sa Stirling-ovim motorom i oko 30 kW za sisteme sa Brayton-ovim motorom. Od svih solarnih tehnologija dish sistemi ostvaruju najveći stepen efikasnosti transformacije solarne u elekričnu energiju (29,4 %), i zbog toga imaju potencijal da postanu jedan od najjeftinih obnovljivih izvora energije. Paraboloidni fokusirajući prijemnik malog prečnika, prikazan na slici namjenjen je pretežno primjeni u domaćinstvima za pripremu jela, mada nije isključena mogućnost šire primjene (grijanje vode, radionička upotreba – bušenje, sječenje, topljenje predmeta od metala koji imaju manju masu i debljinu i dr.). Navođenje ka Suncu ovakvih sistema se vrši se najčešće ručno-periodično.

3.3 Parabolični koritasti sistem Kod ovih tipova solarnih kolektora solarno zračenje se pomoću površine u obliku otvorene parabole reflektuje na prijemnu cijev postavljenu duž fokusne linije parabole. U nekim slučajevima prijemna cijev se postavlja

11

SEMINARSKI RAD


u staklenu cijev pod vakuumom, te se na taj način dodatno smanjuju gubitci. Reflektovana energija se apsorbuje u fluidu koji struji proz prijemnu cijev.

Sl. 3.4 Parabolični

koritasti kolektori

Na sljedećoj slici je prikazana shema elektrane na bazi paraboličnih koritastih kolektora. Kolektorsko polje se sastoji od velikog broja kolektora postavljenih u nizove duž ose sjever-jug. Svaki niz kolektora nezavisno prati kretanje Sunca od istoka do zapada tokom dana i na taj način se osigurava kontinualno fokusiranje Sunčevih zraka na prijemnu cijev. Radni fluid kolektorskog strujnog kruga zagrijan pri cirkulisanju kroz prijemnu cijev do 390 °C, odlazi u niz izmjenjivača toplote gdje se koristi za proizvodnju pregrijane pare visokog pritiska i temperature. Pregrijana para se zatim odvodi u konvencionalni blok turbina-generator gdje se proizvodi električna energija. Odrađena para iz turbine kondenzuje u standardnom kondenzatoru i vraća se u izmjenjivače toplote putem napojnih i kondenzat pumpi, da bi se ponovo transformisala u paru visokih parametara (p i t). Poslije prolaska kroz izmjenjivače toplote rashlađeni fluid solarnog strujnog kruga se pomoću pumpi vraća u kolektorsko polje.

12

SEMINARSKI RAD

Sl. 3.5 Shema


rada solarne elektrane sa paraboličnim koritastim kolektorima

Devet ovakvih sistema sagrađeno je krajem 80-tih godina prošlog stoljeća u sjevernoj Kaliforniji i trenutno proizvode 384 MW. Ove elektrane su snage između 14 i 80 MW i sve su hibridnog tipa tj. prirodni gas potpomaže rad elektrana sa iznosom do 25 % kada solarna energija nije dostupna.

3.4 Makro fokusirajući sistemi Sastavljeni su iz velikog broja (nekoliko hiljada) ravnih ogledala od kojih se Sunčevi zraci reflektuju prema prijemniku smještenom na vrhu tornja. Na slici je shematski prikazana jedna savremena solarna elektrana ovog tipa, tzv. molten-salt power tower system (solarna elektrana sa središnjim tornjem koja kao radni fluid koristi rastopljenu sol). Rastopljena sol pri temperaturi 290 °C se pumpa iz hladnog rezervoara kroz prijemnik na tornju gdje se zagrijava do 565 °C i odlazi u topli rezervoar. Dalje se topla sol pumpa do parnog generatora gdje se proizvodi pregrijana para ze 13

SEMINARSKI RAD


konvencionalni Rankine-ov ciklus. Iz generatora pare rastopljena sol se vraća u hladni rezervoar i ukoliko je potrebno ponovo dogrijava u prijemniku. Rezervoari se grade sa velikim kapacitetom koji omogućava rad turbine, pri punom opterećenu do 13 sati, bez dodatnog zagrijavanja u prijemniku. Električna energija proizvedena u ovakvoj solarnoj elektrani se dalje predaje mreži. Refleksija Sučevih zraka sa sistema ravnih ogledala na prijemnik se, u svakom trenutku obezbjeđuje postavljanjem svih ogledala pod pravim uglom u odnosu na Sunce. Orijentacija svakog od ogledala iz sistema ostvaruje se automatski i kontinualno njegovim zakretanjem oko dvije ose-horizontalne i vertikalne. Takva pokretna ogledala nazivaju se: heliostati.

Sl. 3.6 Shema

rada solarne elektrane sa pokretnim ogledalima

Sl. 3.7 Heliostat

– element makrosolarnog sistema

14

SEMINARSKI RAD


Prvi ovakav sistem, nazvan Solar One, sagrađen je u Sjevernoj Kaliforniji i radio je od 1982 do 1988 godine. Koristio je vodu kao radni fluid i proizvodio 10 MW el. energije. Godine 1996 pušten je u probni pogon, sistem nazvan Solar Two snage 10 MW takođe u Kalifornini koji kao radni fluid koristi rastopljenu sol i najveći je instalirani sistem u svijetu.

3.5 Fotonaponske ćelije Su takvi kolektori Sunčeva zračenja u kojima se vrši direktno pretvaranje solarne u električnu energiju. Rade na principu fotoelektričnog efekta i poluprovodničkih osobina nekih materijala. Poluprovodnici propuštaju električnu struju samo u jednom smjeru. Dakle, pod uticajem Sunčeva zeačenja i procesom fotoelektriciteta na krajevima solarne ćelije se proizvodi elektromotorna sila (napon), koja je uzrok proticanja jednosmjerne struje koja se direktno može koristiti ili se može tranformisati u naizmjeničnu struju ili uskladištiti u za kasniju upotrebu. Efikasnost im je od 10% za jeftinije izvedbe s amorfnim silicijem, do 25% za skuplje izvedbe. Za sada su još uvijek ekonomski nerentabilni jer im je cijena oko 6000 $/kW. Na slici je prikazan je princip izrade fotonaponskih ćelija.

Sl. 3.8 Izrada

naponskih ćelija

Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni izvori energije ili kao dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, cestovnim znakovima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtijevaju dugotrajni izvor energije.

15

SEMINARSKI RAD


U svemiru je i snaga sunčeva zračenja puno veća jer Zemljina atmosfera apsorbira veliki dio zračenja pa je i dobivena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primjer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo.

Sl. 3.9 Fotonaponske

ćelije

Solarne ćelije proizvode napon reda veličine 0,5V i jačine struje oko 20mA / cm 2 . Da bi se dobio odgovarajući napon odnosno snaga, ćelije se mogu spajati serijski i paralelno. Tako se dobijaju moduli solarnih ćelija u obliku ploče-panela na kojoj su ploče učvršćene i zaštićene od atmosferskih i drugih uticaja. Moduli se slažu jedan do drugog u fotonaponske ravne kolektore-polja a kolektori zajedno sa ostalim elementima (pretvaračima, regulatorima, akumulatorima...) čine fotonaponski sistem.

Sl. 3.10 Fotonaponski

16

sistem

SEMINARSKI RAD


Efikasnost fotonaponskih ćelija je relativno mala (10% - 15%). Često se koriste na potrošačima malih snaga, primjerice na džepnim računalima. Prve FN ćelije razvijene su pedesetih godina prošlog stoljeća za potrebe istraživanja svemira. Veliki problem kod ove vrste kolektora je što je za njihovu proizvodnju potrebno uložiti dosta energije, pa usljed njihove relativno male efikasnosti dolazi u pitanje njihova isplativost. Međutim, pretpostavke su da će se sa razvojem tehnologije smanjiti cijena proizvodnje ovih kolektora a istovremeno će se povećati i njihova efikasnost (čak do 30%), tako da se može očekivati povećano korištenje ovog vida iskorištavanja solarne energije. Fotonaponski efekt počeo je 1890. godine promatrati Henri Becquerel i na početku dvadesetog stoljeća bio je predmetom mnogih istraživanja. Jedina Nobelova nagrada koju je dobio Albert Einstein bila je za istraživanje solarne energije. 1954. su Bell Labs u SAD-u predstavili prvi fotonaponski članak koji je generirao upotrebljivu količinu električne energije, a do 1958. počelo je ugrađivanje u komercijalne aplikacije (osobito za svemirski program). U Europskoj Uniji trenutno je 40% godišnji rast instalirane snage fotonaponskih ćelija. To se naizgled čini kao velik rast, ali u biti radi se o vrlo malim količinama, pa rast od 40% ne utječe posebno na ukupnu zastupljenost takvih izvora energije. U 2000. godini u Europskoj Uniji bilo je instalirano 183.5 MWp, a to je 43.6% povećanja u odnosu na 1999. I u tom području Njemačka je sa 113.8 MWp (uključujući 100 MWp priključenih na električnu mrežu) vodeća država u Europi. Tako velik udio može se zahvaliti Njemačkom zakonu o obnovljivim izvorima energije. Po tom zakonu otkupna cijena energije iz fotonaponskih ćelija je 0.5 € po kWh za prvih 350 MWp. Plan Europske Unije je instaliranje 3000 MWp do 2010. godine, ali sadašnji pokazatelji su da će do onda biti instalirano oko 1780 MWp.

Sl. 3.11 Prikaz

rada Sunčeve peći (Odeilo, Francuska) 17

SEMINARSKI RAD


Poznata je Sunčeva peć snage l MW u francuskim Pirinejima, u mjestu Odeilo (slika12.). Sunčeve zrake padaju na 63 ravna ogledala površine po 45 m2 koji prate Sunčeve zrake i reflektiraju ih na parabolično ogledalo, a ono ih koncentrira u metaluršku peć na kojoj se u fokusu postiže temperatura od 3000°K. Tako dobijene visoke temperature omogućavaju i energetsku pretvorbu (zračenje-toplina-para-električna energije) Sunčeva zračenja u električnu energiju. Dobivanje električne energije iz Sunčeva zračenja može se ostvariti i bez koncentracije zračenja. Takva postrojenja su obično robusna i jednostavna, rade sa niskim temperaturam (343-353°K). U izmjenjivaču topline ugrijana voda predaje toplinu freonu koji na toj temperaturi isparava. Freonske pare mogu se upotrijebiti za proizvodnju električne energije ili za pogon pumpi. Takva postrojenja grade se za male snage, a za veće snage nužna je koncentracija zračenja (više temperature), jer o temperaturi ovisi stepen djelovanja. U posljednje vrijeme se radilo mnogo na izgradnji solarnih elektrana sa tornjem. Šema takve elektrane prikazana je na slici 13. Za odvođenje topline iz kotla služi medij (voda ili organska tekućina) koji se vode u spremnik u kome se nagomilava toplina u rastopljenim solima. Rastopljene soli predaju toplinu vodi i pari u generatoru pare gdje se proizvodi para koja tjera parnu turbinu.

Sl. 3.12

Šematski prikaz rada solarne elektrane sa tornjem

Dosadašnja praktična iskustva iskorištenja solarne energije i njene konverzije u električnu su bila oko 10%, dok, su u posljednje vrijeme izvedeni sistemi sa iskorištenjem preko 30%. Iskorištenje zavisi od razvoja tehnologija površinskih prevlaka i njihove sposobnosti apsorpcije solarnog 18

SEMINARSKI RAD


zračenja i male emisije u infra-crvenom području spektra. Visokofrekventna energija od Sunca prelazi u infra-crveno zračenje sa niskom frekvencijom. Prevlaka sprječava odlazak infra-crvene energije koja se javlja kao toplotna u prevlaci. Prevlake su tankoslojne, izrađene od molibdena ili aluminijum-oksida i mogu izdržati zagrijavanje do 540°C u kontinuiranoj eksploataciji i do 40 godina. Predviđeno je da se toplota regeneriše propuštanjem tečnih metala kroz kanale u kolektorima. Solarna energija se može pohraniti kod 540°C u talini soli i koristiti u vremenima kada ne šija Sunce. Lokacije elektrana na bazi solarne energije se predviđaju u oblastima sunčanih pustinja, a procjenjuje se da postrojenje od 1000 MW košta oko l milijarde dolara, što je četiri puta više od cijene postrojenja na fosilno gorivo ili od nuklearnog postrojenja, pri čemu nisu uzeti u obzir troškovi za gorivo. Smatra se da će sa prosječnim vijekom trajanja od 40 godina ovakve elektrane proizvoditi energiju sa prosječnom cijenom od 0,5 centa po kWh (kod postrojenja na fosilno gorivo cijena električne energije u SAD je 1,5-5 centa po kWh). Pošto su ovakve elektrane udaljene od potrošača, treba uzeti u obzir gubitke energije u transportu. Moguće rješenje bi bila primjena super provodnika ili bi se kao alternativa mogla izvršiti elektroliza vode do nastajanja vodonika i kiseonika, a gasovi bi se distribuirali cjevovodom do centra potrošnje, gdje bi se preveli u elektricitet pomoću gorivnih ćelija ili konvencionalnih postrojenja. Tehnologija izrade solarnih ćelija je skupa, te to predstavlja ograničavajući faktor njene primjene. Proizvodnja ćelija se može poboljšati upotrebom reflektora, povećanjem koncentracije svjetla koje dospije do ćelije. Visoka cijena ove energije po instaliranom kilovatu se potire činjenicom da za solarno postrojenje nije neophodno gorivo i da ne proizvodi polutante.

3.6 Fokusiranje sunčeve energije Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona. Fokusiranje se postiže pomoći mnogo leća ili češće pomoću ogledala složenih u tanjur ili konfiguraciju tornja. Na slikama su prikazane konfiguracije tipa "Power Tower" I "Dish".

19

SEMINARSKI RAD

Sl. 3.13 "Power


tower" konfiguracija ogledala fokusira Sunčevu energiju prema vrhu tornja

"Power tower" konfiguracije koriste kompjuterski kontrolirano polje ogledala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj, koji onda pokreće glavni generator. Do sada su napravljeni demonstracijski sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ti novi sistemi imaju i mogućnost rada preko noći i za lošeg vremena tako da spremaju vruću tekućinu u vrlo efikasni spremnik (neka vrsta termo boce). "Dish" sistemi prate kretanje Sunca i na taj način fokusiraju sunčevo zračenje. Postoji još i "Trough" sistem fokusiranja sunčeva zračenja, koji može biti vrlo efikasan. Takve elektrane mogu biti vrlo jake: u Kaliforniji je instalirana elektrana snage 354 MW. Kada nema dovoljno energije od Sunca, sistemi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu se bez većih problema prebaciti na prirodni plin ili neki drugi izvor energije. To je moguće jer Sunce koristimo za grijanje tekućine, a kad ga nema tekućinu zagrijemo ne neki drugi način. Problem kod fokusiranja je veliki potrebni prostor za elektranu, ali to se rješava tako da se elektrana radi npr. u pustinji. U pustinjama je ionako snaga sunčeva zračenja najizraženija. Veliki problem je i cijena ogledala i sistema za fokusiranje.

20

SEMINARSKI RAD


Sl. 3.14 "Dish"

sistem fokusiranja

4. SUNČEVO DEJSTVO U BIH Bosna i Hercegovina je godišnje direktno osunčana u prosječnom trajanju od 1500 do 2500 sati, što je u odnosu na ukupan godišnji broj sati zaista značajna vrijednost. Godišnji prosjek dnevno doznačene Sunčeve energije na horizontalnu plohu u Bosna i Hercegovina iznosi 3,4 – 4,4 kWh/m2, odnosno 142 – 184 W/m2 svedeno na svaki sat u godini. Na 1 m2 horizontalne plohe Sunce godišnje dozrači 1240 kWh energije na sjeveru BiH i oko 1600 kWh u južnim dijelovima BiH. Koliko to iznosi u svjetskim razmjerama, najbolje ilustruju slika 3.4 na kojoj su prikazane oblasti na površini Zemlje sa vrijednostima prosječnog godišnjeg globalnog zračenja na horizontalnu površinu i tabela 3.1 sa vrijednostima prosječnog dnevnog globalnog zračenja na horizontalnu površinu u Evropi . Teoretski potencijal Sunčeve energije na prostorima BiH iznosi 74,65 PWh. To je količina energije koja je oko 1250 puta veća od bilansiranog nivoa korištenja primarne energije u FBiH tokom 2000. godine. Tehnički potencijal iznosi 685 PJ, što je oko 6,2 puta veća količina energije od ukupno bilansirano potrebne primarne enegije u FBiH tokom 2000. godine.

21

SEMINARSKI RAD


Sl. 4.1 Svjetska

mapa sunčevog zračenja

Vrijednosti solarne indiracije ( kWh/m2 po danu ) u Evropi date su u sledećoj tabeli. Tabela 1

Januar Februar Mart April Maj Juni Juli August Septembar Oktobar Novembar December GODIŠNJE

Južna Evropa 2,6 3,9 4,6 5,9 6,3 6,9 7,5 6,6 5,5 4,5 3,0 2,7 5,0

Srednja Evropa 1,7 3,2 3,6 4,7 5,3 5,9 6,0 5,3 4,4 3,3 2,1 1,7 3,9 22

Sjeverna Evropa 0,8 1,5 2,6 3,4 4,2 5,0 4,4 4,0 3,3 2,1 1,2 0,8 2,8

SEMINARSKI RAD


5. Zaključak Gledano sa aspekta velikih količina energije koje Sunčevim zračenjem stignu na našu Zemlju, iskorištavanje ovog vida energije izgleda vrlo primamljivo. Osnovni principi koji stoje iza iskorištenja solarne energije su u biti vrlo jednostavni. Međutim ekonomsku opravdanost za praktičnu upotrebu pokazuju samo neki, u principu jednostavni sistemi. Primjena solarnih sistema bi trebala da uštedi novac za energiju u toku životne eksploatacije sistema, ali kod mnogih sistema to nije ostvarivo. Opravdanost solarnih sistema se ogleda u ekologiji. Solarna energija je obnovljiv izvor i on je konstantan. Smanjenje korištenja fosilnih goriva, veće poklanjanje pažnje zaštiti okoline, te kontinuirani rad u cilju poboljšanja i pojeftinjenja solarnih sistema idu u prilog korištenju Sunčeve energije. Mudro korištenje energije je odgovornost svih nas radi osiguravanja dovoljnih količina energije za budućnost. Učinkovito korištenje i čuvanje energije je na svima nama, a pogotovo na onima koji osmišljavaju nove energetske tehnologije za buduće korištenje. Svi energetski izvori izazivaju nekakve učinke na okoliš od kojih su najpoznatiji efekt staklenika, globalno zagrijavanje i zagađenje zraka. Zabrinutost zbog tih učinaka i sigurnosti opskrbe energijom dovela je do povećanog zanimanja i ulaganja u razvoj obnovljivih energetskih izvora poput sunčeve, geotermalne, vodika, energije vjetra i energije valova. Korištenje fosilnih goriva i nuklearne energije morat će se nastaviti sve dok ih nove i čišće tehnologije ne budu u mogućnosti zamijeniti. Budućnost je naša, ali moramo imati energije da bi stigli do nje.

23

energija sunca _seminarski

Recommend Documents