Solarni Panel

Sunce je daleko najveći izvor energije u solarnom sustavu. Količina solarne energije koja svake minute stiže na Zemlju dovoljna je da zadovolji godišnje energetske potrebe čovječanstva u trenutnoj fazi razvoja. Usprkos ogromnom potencijalu, iskorištavanjem solarne energije trenutno se pokriva vrlo mali postotak energetskih potreba čovječanstva. Fotonaponska ploča ili solarni panel se sastoji od grupe sunčevih ćelija (fotonaponska ćelija), kojih je najčešće oko 36, serijski povezanih, stvarajući module nominalnog napona od 12 V. Svaki pojefini fotoelektrični članak ima maksimalni izlazni napon od 600 do 700 mV, pa se fotoelektrični članci serijski povezuje stvarajući module nominalnog napona od 12 V. Snaga koju proizvodi jedan fotonaponski članak je relativno mali, pa se u praksi više članaka povezuju u grupu čime se formira fotonaponska ćelija, a više fotonaponskih ćelija čini jedan fotonaponski modul ili solarni panel ili fotonaponsku ploču. Kada se poveže više sunčevih panela dobije se polje fotonaponskih ploča, koji je dio solarne fotonaponske elektrane. Energija Sunčevog zračenja koja dospije na Zemlju 10 000 puta je veća od energije potrebne da zadovolji potrebe čovečanstva, u razdoblju od jedne godine. Kada bi se promatralo da na jednom četvornom metru dospije 100 kWh godišnje, bilo bi potrebno prekriti površinu od 150 x 150 km2 da bi se dobila energija jednaka potrošnji za godinu dana (podatak iz 2001.). Danas se sve više počinje sa primjenom sunčevih fotonaponskih elektrana u industrijske svrhe, čak i u onim državama koje su bogate naftom. Čak je i Vatikan ugradio 2400 - 2700 fotonaponskih ploča na svojim krovovima, pri čemu će spriječiti emisiju CO2 od 210 tona ili potrošnju 70 tona lož ulja za samo dvije nedelje potrošnje. Fotonaponske ćelije se sastoje od dva različito nabijena poluvodiča između kojih, kada su izloženi Sunčevom svijetlu, teče električna struja. Zatvorimo li strujni krug između fotonaponske ploče i nekog potrošača, npr. električne žarulje, električna struja će poteći i potrošač će biti opskrbljen električnom energijom, odosno žarulja će zasvijetliti. Fotonaponske ploče su zapravo poluvodički elementi koji direktno pretvaraju energiju sunčeva zračenja u električnu energiju Rad solarne ćelije odvija se u tri koraka: 1. Fotoni iz sunčeve svjetlosti udaraju u solarni panel i poluvodički materijali poput silicija ih apsorbiraju. 2. Elektroni (negativno nabijeni) se izbijaju iz atoma i postaju slobodni, te mogu slobodno teći materijalom kako bi stvorili struju. Zbog posebne građe solarnih ćelija, elektroni se mogu gibati samo u jednom smjeru. 3. Polje solarnih ćelija pretvara energiju sunca u upotrebljivu količinu istosmjerne struje (DC).

Monokristalne Si ploče Ovaj tip ploče može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 140 W električne energije, s površinom ploče od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si ćelija potreban je apsolutno čisti poluvodički materijal. Monokristalni štapići se izvade iz rastaljenog silicija i režu na tanke pločice. Takav način izrade omogućuje relativno visoki stupanj iskorištenja. [5]

Polikristalne Si ploče Ovaj tip ploče može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 130 W električne energije s

površinom ploče od 1 m2. Proizvodnja ovih ploča je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekući silicij se ulijeva u blokove koji se zatim režu u ploče. Tijekom skrućivanja materijala stvaraju se kristalne strukture različitih veličina, na čijim granicama se pojavljuju greške, pa zbog tog razloga sunčeva fotonaponska ćelija ima manji stupanj iskorištenja.

Amorfne Si ploče Ovaj tip ploče može pretvoriti 1000 W/m2 sunčevog zračenja u 50 W električne energije s površinom ćelija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicija stavi na staklo ili neku drugu podlogu, to se naziva amorfna ili tankoslojna ćelija. Debljina sloja iznosi manje od 1 μm, stoga su troškovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cijenom materijala. Međutim stupanj iskorištenja amorfnih ćelija je puno niža u usporedbi s drugim tipovima ćelija. Prvenstveno se koristi u opremi gdje je potrebna mala snaga (satovi, džepna računala) ili kao element fasade na zgradama Fotonaponski efekt otkrio je francuski fizičar Alexandre-Edmond Becquerel (1820-1891) 1839 godine. Fotonaponske ćelije izgrađene su od dva sloja – pozitivnog i negativnog, a razlika potencijala između ta dva sloja ovisi o intenzitetu solarnog zračenja. Solarna energija stiže na Zemlju u obliku fotona. Prilikom pada na površinu solarne ćelije ti fotoni predaju svoju energiju panelu i na taj način izbijaju negativno nabijene elektrone iz atoma. Izbijeni elektroni kreću se prema drugoj (negativnoj) strani panela i na taj način dolazi do razlike potencijala, tj. generira se električna energija. Fotonaponske ćelije grade se od silicija, a silicij je jedan od najzastupljenijih elemenata na Zemlji. Prema kvantnoj fizici svjetlost ima dvojni karakter. Svjetlost je i čestica i val. Čestice svjetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su čestice bez mase i gibaju se brzinom svjetlosti. Energija fotona ovisi o njegovoj valnoj duljini odnosno o frekvenciji. Energiju fotona možemo izračunati Einsteinovim zakonom koji glasi:

gdje je: - Energija fotona - Planckova konstanta, iznosi - Frekvencija fotona

×

U metalima i općenito u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno gibati. Da bi od valentnog elektrona nastao slobodni, on mora dobiti energiju koja je veća ili jednaka energiji vezanja. Energija vezanja predstavlja energiju kojom je elektron vezan za atom u nekoj od atomskih veza. U slučaju fotoelektričnog efekta elektron potrebnu energiju dobiva od sudara sa fotonom. Dio energije fotona troši se da bi se elektron oslobodio od utjecaja atoma za koji je vezan, a preostali dio energije pretvara se u kinetičku energiju, sada već slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobiveni fotoelektričnim efektom nazivaju se još i fotoelektroni. Energija koja je potrebna da se valentni elektron oslobodi utjecaja atoma naziva se rad izlaza i ovisi o vrsti materijala u kojem se dogodio fotoelektrični efekt. Jednadžba koja opisuje ovaj proces glasi:

gdje je: - Energija fotona - Rad izlaza

- Kinetička energija emitiranog elektrona Iz gornje jednadžbe vidljivo je da se elektron neće moći osloboditi ako je energija fotona manja od rada izlaza. Proces konverzije je zasnovan na fotoelektričnom efektu kojeg je otkrio Heinrich Rudolf Hertz 1887. g., a prvi ga objasnio Albert Einstein 1905. za što je 1921. g. dobio Nobelovu nagradu.

Fotoelektrična konverzija u PN spoju Da bi dobili električnu energiju fotoelektričnim efektom trebamo imati usmjereno gibanje fotoelektrona, odnosno struju. Sve nabijene čestice, a tako i fotoelektroni gibaju se usmjereno pod utjecajem električnog polja. Električno polje koje je ugrađeno u sam materijal nalazi se u poluvodičima i to u osiromašenom području PN spoja (diode). Za poluvodiče treba naglasiti da uz slobodne elektrone u njima postoje i šupljine kao nosioci naboja koje su svojevrstan nusprodukt pri nastanku slobodnih elektrona. Šupljina nastaje svaki put kada od valentnog elektrona nastane slobodni elektron i taj proces naziva se generacija, dok se obrnuti proces, kada slobodni elektron popuni prazno mjesto - šupljinu, zove rekombinacija. Ako parovi elektron-šupljina nastanu daleko od osiromašenog područja moguće je da rekombiniraju, prije nego što ih razdvoji električno polje. Parovi koji nastanu uz osiromašeno područje ili u njemu bivaju privučeni, i to šupljine prema P strani poluvodiča, te elektroni prema N strani poluvodiča. Zbog toga se fotoelektroni i šupljine u poluvodičima, nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj način stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sustav spojimo trošilo, poteći će struja i dobiti ćemo električnu energiju. Na ovakav način sunčane ćelije proizvode napon oko 0.5-0.7 V uz gustoću struje od oko nekoliko desetaka mA/cm2 ovisno o snazi sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja. Korisnost fotonaponske solarne ćelije definira se kao omjer električne snage koju daje FN solarna ćelija i snage sunčevog zračenja. Matematički se to može formulirati relacijom:

gdje je: Pel - Izlazna električna snaga Psol - Snaga zračenja (najčešće Sunčevog) U - Efektivna vrijednost izlaznog napona I - Efektivna vrijednost izlazne struje E - Specifična snaga zračenja (npr. u W/m2) A - Površina Korisnost FN solarnih ćelija kreće se od svega nekoliko postotaka do četrdesetak posto. Ostala energija koja se ne pretvori u električnu uglavnom se pretvara u toplinsku i na taj način grije ćeliju. Općenito porast teperature solarne ćelije utječe na smanjene korisnosti FN ćelije.

U Španiji je izgrađena prva solarna elektrana koja radi i noću i u kišno vreme. Zahvaljujući za sada jedinstvenoj tehnologiji prikupljanja toplote u skladištima sa istopljenim solima, elektrana može da radi i 15 časova nakon što sunce zađe. To omogućava da godišnje radi tri puta više sati od standardne solarne elektrane. Njena izgradnja koštala je 200 miliona evra, a kada se otplati kredit, što se očekuje za oko 18 godina, mogla bi da postane prava fabrika novca.

Elektrana Gemasolar je veoma upadljiva, pogotovo u okruženju andaluzijske doline na jugu Španije. Već sa autoputa između Sevilje i Kordobe vidi se njen svetleći toranj. Ka njemu reflektuje toplotu 2.650 solarnih panela od po 120 kvadratnih metara, a cela instalacija zauzima 195 hektara. "Ovo je prva solarna elektrana koja radi non stop, danju i noću", neumorno ponavlja Santijago Arijas (Santiago Arias) tehnički direktor firme Toresol enerdži (Torresol), koja upravlja elektranom. Lako je objasniti kako elektrana funkcioniše, ističe on. Paneli sakupljaju sunčevu energiju i odbijaju je ka tornju, prenoseći mu 1.000 puta veću koncentraciju energije nego na zemlji. Energija se skladišti u tankeru sa istopljenim solima, na termeperaturi višoj od 500 stepeni Celzijusa. Isparavanje iz soli se koristi za pokretanje turbine i proizvodnju struje, kao u svakoj drugoj termosolarnoj elektrani. Posebna odlika Gemasolara je skladištenje energije. To omogućava da se struja proizvodi i noću zahvaljujući energiji koja se danju skladišti, kaže Arijas. "Tako koristim energiju kako mi odgovara, a ne kako mi sunce nalaže", istakao je on. Rezultati su zato dobri - proizvodi se, prema njegovim rečima, 60% energije više nego u centrali koja nema sistem za skladištenje. Elektrana, naime, može da radi 6.400 sati godišnje, u poređenju sa između 1.000 i 2.000 sati koliko mogu da rade druga solarna postrojenja.