Solarna fotonaponska energija

Solarna elektrana Nellis (Nellis Solar Power Plant) pored zračne baze Nellis u Americi koristi pomične solarne panele koji prate putanju sunca

Solarno drvo u Štajerskoj, Austrija

Solarna fotonaponska energija (FN) je metoda direktnog pretvaranja energije sunca u istosmjernu električnu energiju pomoću poluvodiča koji imaju fotonaponski efekt, takozvanih solarnih ćelija. Solarni paneli, sastoje je se od velikog broja malih ćelija (wafer) koje imaju površine od fotonaponskih materijala. Materijali koji se trenutno koriste za proizvodnju fotonaponskih ćelija su; Monokristalni silicij (Monokristalne Si ćelije), Polikristalni silicij (Polikristalne Si ćelije), Amorfni silicij (Amorfne Si ćelije), Kadmij teleurid (Kadmij telurijeve (CdTe) ćelije, Galij arsenid (Galij arsenidne (GaAs ćelije) i Bakar-indij- galij selen / sulfid. S obzirom na rastuću potražnju za obnovljivim izvorima energije, broj proizvođača solarnih ćelija i fotonaponskih komponenti naprednih tehnologija, znatno se povećao posljednjih decenija.

Solarni fotonaponski uređaji za proizvodnju električne energije u 2010. godini , bili su instalirani u više od 100 država svijeta, ali još uvijek proizvode mali dio od ukupno 4800 GW ukupno proizvedene el. energije u svijetu. No to je najbrže rastuća tehnologija za proizvodnju el. energije. Između 2004. i 2009., broj solarnih elektrana i solarnih uređaja uključenih u električnu mrežu, povećavao se godišnje po prosječnoj stopi od 60 %, do današnjih 21 GW. Pogoni za fotonaponsku energiju mogu biti izvedeni kao solarne elektrane na zemlji, (ponekad skladno uklopljene s ratarstvom i stočarstvom) ili ugrađeni po krovovima i zidovima zgrada, takozvanih Zgrada s integriranim fotonaponskim ćelijama. Računa se da izvan električne mreže ima instalirano oko dodatnih 3-4 GW.

Vođeni tehnološkim inovacijama i povećavši efikasnost u proizvodnji, proizvođači solarnih uređaja snizili su radikalno cijenu solarnih uređaja u odnosu na prve proizvedene solarne ćelije. Financijski poticaji za ugradnju takvih uređaja i povlaštene tarife povećale su proizvodnju i instalaciju takvih uređaja u mnogim zemljama.

Fotonaponski efekt

Fotonaponski efekt je stvaranje napona (ili odgovarajuće električne struje) u materijalu nakon izlaganja svjetlu. Iako je fotonaponski efekt izravno vezan uz fotoelektrični efekt, ta dva procesa su različita i treba razlikovati. Kod fotoelektričnog efekta, elektroni se oslobađaju sa površine materijala nakon izlaganja dovoljnoj količini energije sunčeva zračenja. Fotonaponski efekt je drugačiji, kod njega se oslobođeni elektroni provode između molekula različitih spojeva materijala (kroz različite valencije), što rezultira povećanjem napona između dvije elektrode. Fotonaponski efekt je prvi evidentirao Alexandre Edmond Becquerel 1839.

Princip rada

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:

$E=h\nu \,$

gdje je:

$E$ - Energija fotona

$h$ - Planckova konstanta, iznosi $h=6.626$×$10^{-34}Js$

$\nu \,$ - 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 $W_{i},$ i ovisi o vrsti materijala u kojem se dogodio fotoelektrični efekt. Jednadžba koja opisuje ovaj proces glasi:

$h\nu \,=W_{i}+E_{kin}$

gdje je:

$h\nu \,$ - Energija fotona

$W_{i},$ - Rad izlaza

$E_{kin}$ - Kinetička energija emitiranog elektrona

Iz gornje jednadžbe vidljivo je da se elektron neće moći osloboditi ako je energija fotona manja od rada izlaza.

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 napana 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 sistem spojimo brojač, poteći će struja i dobiti ćemo električnu energiju.

Na ovakav način solarne 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.

Ekonomičnost fotonaponske solarne ćelije definira se kao omjer električne snage koju daje FN solarna ćelija i snage sunčevog zračenja. matematički se to može formulirati relacijom:

$\eta \,={\frac {P_{el}}{P_{sol}}}={\frac {U\cdot I}{E\cdot A}}$

gdje je:

P_el - Izlazna električna snaga

P_sol - Snaga zračenja (najčešće Sunčevog)

U - Efektivna vrijednost izlaznog napona

I - Efektivna vrijednost izlazne struje

E - Specifična snaga zračenja (npr. u W/m²)

A - Površina

Ekonomičnost 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 efikasnosti FN ćelije.

Solarne ćelije

Solarne ćelije proizvode električnu energiju direktno od sunčeva zračenja

Fotovoltaika je najpoznatija metoda za pretvaranje energije sunca u električnu energiju pomoću solarnih ćelija. Pojednostavljeno objašnjenje rada fotovoltične solarne ploče je da fotoni sunčeva snopa udaraju u elektrone na ploči i stavljaju ih u veći energetski nivo te tako stvaraju struju. Pojam fotonaponski označava nepristrani operacijski mod fotodiode u kojoj kroz uređaj napon struje postoji jedino zbog provedene svjetlosne energije. Gotovo svi fotonaponski uređaji su neki tip fotodiode.

Solarne ćelije proizvode istosmjernu struju (električnu energiju) direktno iz sunčeve svjetlosti, ona se može koristiti za napajanje dopunjivih baterija. Prva praktična primjena fotovoltaže bila je na orbitalnim satelitima i drugim svemirskim letjelicama. Danas je većina fotonaponskih modula uključena u distribucijsku električnu mrežu, zbog tog moraju imati transformatore za pretvaranje iz istosmjerne (DC) u izmjeničnu struju (AC). Manji dio solarnih panela koristi se nezavisno - izvan mreže; za pokretanje elektro motora; brodova, motora, automobila, telefona na autoputevima, uređaja za daljinsko upravljanje kod naftovoda i sličnim namjenama.

Karta prosječnog sunčeva zračenja u vatima po m². Imajte na umu da ovo vrijedi za horizontalne površine, a solarni paneli se obično postavljaju pod kutom da bi se dobilo više energije po jedinici površine. Male crne točkice prikazuju području gdje bi solarne panele bio najkorisnije postaviti, da se dobije 8% od ukupne potoošnje svjetske energije

Solarne ćelije treba zaštititi od atmosferalija, zato se obično montiraju iza stakla. Kada je potrebno više snage od jedne ćelije, tad se one spajaju u povezani niz u obliku fotonaponskih modula, ili solarnih panela. Jedan panel je dovoljan za napajanje telefona za intervencije na autoputu, ali za potrebe jednog domaćinstva ili zgrade, potrebno je solarne panele spojiti u isti naponski krug. Iako je prodajna cijena solarnih panela još uvijek previsoka, da bi bila konkurentna cijeni električne energije iz distribucijske mreže, porezne olakšice koje se daju za nabavu takvih uređaja u Japanu, Njemačkoj, Italiji i Francuskoj, izazvale su rast potražnje, što je povećalo proizvodnju. U Španjolskoj je 2008, instalirano 45% svih fotonaponskih ćelija, ali se zbog promjena u zakonu i ograničenja povoljnih tarifa, očekuje strmoglav pad u daljnjem rastu, tako da se od instaliranih 2500 MW u 2008., očekuje rast od svega 375 MW u 2009.

Solarni paneli su odlično rješenje za lokacije gdje nema električne mreže. Prvi takav uređaj postavljen je 1966. na japanskom otoku Ogami za napajanje svjetionika, koji je dotad koristio plin. Zbog rastuće potražnje za obnovljivim izvorima energije, proizvodnja solarnih ćelija i fotonaponskih panela je značajno porasla posljednjih godina.

Proizvodnja struje iz fotonaponskih uređaja je u porastu u prosjeku za više od 20% svake godine od 2002., što je čini najbrže rastućom tehnologijom u sektoru energetike. Pri kraju 2009., ukupno instalirana snaga fotonaponskih pogona premašila je 21.000 megavata. ref name=jr2010>James Russell: Record Growth in Photovoltaic Capacity and Momentum Builds for Concentrating Solar Power, Vital Signs, June 03, 2010. Arhivirano 2010-12-09 na Wayback Machine-u</ref> Njemačka je rekorder po snazi instaliranih solarnih elektrana sa ukupno 3.800 MW u 2009. Oko 90% tih proizvodnih kapaciteta su spojeni na električnu mrežu. Solarne elektrane danas imaju kapacitete u rasponu od 10 do 100 MW, a u projektu su solarne elektrane kapaciteta od 150 MW i više.

Na svijetu je 2007. bilo ukupno instalirano 2,826 gigavata u solarnim fotonaponskim sistemima, 2008. je taj broj bio 5,95 gigavata, 2009 dosegao je 7.5 gigavata a 2010. 18.2 gigavata tri vodeće zemlje na tom području su Njemačka, Japan i Amerika koje imaju gotovo 89% svih instaliranih kapaciteta.

Njemačka je rekorder u broju instalirane snage u solarnim panelima sa 3.800 MW u 2009, nasuprot tome iste godine u Americi je bilo instalirano samo oko 500 MW. Prije toga rekorder sa 2600 MW instalirane snage bila je Španjolska - 2008. Njemačka je također bila najbrže rastuće tržište solarnih uređaja na svijetu između 2006 i 2007. Analitičari predviđaju da bi Njemačka mogla postaviti više od 4.500 MW u 2009. Njemačka industrija solarnih uređaja ima 10.000 zaposlenih u proizvodnji, distribuciji i instalaciji. Krajem 2006., gotovo 88% svih solarnih elektrana u EU bili su solarni paneli povezani u lance u Njemačkoj.

Po optimističkom scenariju Greenpeacea do 2030., solarni sistemi bi mogli proizvoditi 1.864 gigavata električne energije diljem svijeta. To bi zadovoljilo potrebe gotovo 14% svjetskog stanovništva.

Razvoj solarnih uređaja danas

Karta potencijala sunčeve energije u Evropi

Solarne panele prve generacije koji se baziraju na modulima od kristalnog silicija, postupno istiskuju sa tržišta paneli napravljeni od tankoslojnih ćelija () CdTe CIGS, Amorfne Si ćelije, Mikrokristalne Si ćelije, ta tehnologija brzo raste, te se očekuje da će do 2013. zauzeti 31% ukupno instalirane snage. Ostale tendencije uključuju lijevanje ćelija (wafera) umjesto rezanja, koncentracija (fokusiranje) svijetla pomoću zrcala (Concentrated solar power - CSP), sliver ćelije (Sliver Cell), i primjenu štampane elektronike.

Od 2006. investitori su počeli nuditi besplatnu ugradnju solarnih panela u zamjenu za 25 godišnje ugovore, o kupnji električne energije po fiksnoj cijeni. Na osnovu tog se očekuje da će do 2009. više od 90% poslovnih solarnih panela instaliranih u Americi, biti podignuto na osnovu takvih ugovora.

Trenutni tržišni lider po efikasnosti solarnih ćelija (mjereno po stupnju konverzije energije) je američko poduzeće SunPower, iz San Jose. Sunpowerovi solarni paneli postižu stupanj konverzije od 24,2%, što je znatno iznad prosjeka ostalih panela na tržištu od 12-18%.

Napredak u efikasnosti od 42% su postigli u labaratorijama univerziteta Delaware u suradnji s kompanijom DuPont, pomoću koncentracije (fokusiranja) svjetla.

Najveću efikasnost bez koncentracije svjetla postiže Sharp Corporation sa 35,8% koristeći vlastitu troslojnu tehnologiju u proizvodnji ćelija u 2009. i Boeing Spectrolab (40,7%) koji također koristi troslojni dizajn u proizvodnji solarnih panela. U martu 2010. kompanija Caltech group prezentirala je svoj dizajn, koji ima efikasnost upijanja od 85% na sunčevu svijetlu i 95% na određene valne duljine (tvrdi se da je to blizu savršene kvantne efikasnosti). Treba imati u vidu, da efikasnost upijanja sunčeva svijetla ne treba brkati sa efikasnošću pretvaranja sunčeve u električnu energiju.

Primjena

Elektrane

Solarna elektrana Waldpolenz u Njemačkoj od 40 MW

U oktobru 2010., najveće fotonaponske (FN) elektrane na svijetu bile su; kanadska Sarnia (97 MW), Montalto di Castro (Italija, 84.2 MW), Finsterwalde (Njemačka 80.7 MW), Rovigo (Italija, 70 MW), Olmedilla (Španjolska, 60 MW), Strasskirchen (Njemačka, 54 MW) , Lieberose (Njemačka, 53 MW), Puertollano (Španjolska, 50 MW), Moura Portugal (46 MW) i Waldpolenz (Njemačka, 40 MW).

Fotonaponska energija kod stanogradnje

Fotonaponski uređaji često su povezani s objektima: ili integrirani u njih same, montirani na njih ili postavljeni u neposrednoj blizini objekta na terenu.

Solarni paneli na krovu kuća u Berlinu

Nizovi solarnih panela su najčešće naknadno ugrađuju u postojeće zgrade, obično se montiraju na vrhu postojeće krovne konstrukcije ili na postojećim zidovima. Alternativno, solarni paneli mogu biti smješteni odvojeno od objekta, ali trebaju biti povezani kablom za napajanje zgrade. Više od četiri petine od 9.000 MW instaliranih solarnih panela u Njemačkoj 2010., bilo je instalirano na krovovima zgrada. Od nedavno se proizvode i crijepovi s integriranim fotonaponskim ćelijama.

Fotonaponska energija u transportu

Solarni paneli se već tradicionalno koriste za proizvodnju električne energije u svemiru, ali se fotonaponska energija još rijetko koristi za pogon u transportu, ali sve više koristi kao dodatni izvor energije za pogon brodica i automobila. Vozila pokretana isključivo na solarni pogon imaju ograničenu moć i malu upotrebnu vrijednost, ali će razvoj ići u smjeru dopunjavanja potrebne električne energije pomoću solarnih panale integriranih u vozila. Protutipi automobila na solarni pogon, već su prezentirani.

Samostojeći uređaji

Solarni uređaj za naplatu parkiranja

Unazad nekoliko desetljeća ili nešto prije, solarni paneli su često korišteni za napajanje kalkulatora i tadašnjih tehnoloških novotarija. Poboljšanja u integriranim krugovima i mala potrošnja LCD monitora omogućila su da se ti urađaji koriste baterijama po par godina, prije nego se one istroše, - tako da je primjena solarnih panela kod tih uređaja značajno opala. S druge strane porasla je primjena kod onih uređaja, do kojih bi dovođenje električnog napajanja bilo izuzetno skupo, kao što su; pumpe za vodu, parkirni uređaji</ref> parking meters,, hitni telefoni na autoputevima, uređaji za kompostiranje smeća i privremenih prometnih znakova

Elektrifikacija ruralnih krajeva u zemljama u razvoju

Trgovina u Ouagadougou (Burkina Faso) sa solarnim panelima

U zemljama u razvoju, mnoga su sela često udaljena kilometrima od električnih mreža, tako da su one počele koristiti solarne panele, kao ekonomičnije rješenje za svoje skromne potrebe za energijom. Po zabačenim mjestima u Indiji, su za rasvjetu počeli koristiti solarne uređaje sa led žaruljama, umjesto plinskih lampi. Sijalice na solarni pogon prodavale su se po cijeni koja je bila istovetna onoj koja je bila potrebna za nekoliko mjeseci kerozina. I Kuba radi na tome da uvede solarne panele u područja koja su izvan električne mreže.

Solarna energija na autoputevima

U decembru 2008., pušten je u pogon prvi solarni fotonaponski sistem na autoputu u državi Oregon u Sjedinjenim Američkim Državama. Taj 104 kW sistem od 594 solarnih panela, proizvodi jednu trećinu energije potrebne za rasvjetu međudržavnog autoputa Interstate 5.

Solarne elektrane u orbiti (satelitske solarne elektrane)

Već nekoliko decenija postoje maštoviti projekti o velikim solarnim elektranama u zemljinoj orbiti, prvi koji je tu ideju cjelovito razradio bio je američki stručnjak za aeronautiku Peter Glaser, iz kompanije Arthur D. Little Inc. I američka svemirska agencija NASA provela je cijeli niz inženjerskih i ekonomskih studija o izvodljivosti tokom 1970-ih, ponovni interes za tu ideju oživio je u prvim godinama 21. vijeka. Sa praktičnog ekonomskog stajališta, ključno pitanje za takve orbitalne elektane je cijena lansiranja u orbitu, a sa tehničkog prijenos te energije do zemlje.

Karakteristike

Radna temperatura

Generalno gledano, više temperature iznad sobne temperature, smanjuju efikasnost fotonaponskih uređaja.

Optimalna orijentacija solarnih panela

Za najbolje performanse, zemaljski solarni paneli trebali bi maksimalno povećati vrijeme kad su direktno izloženi suncu. Uređaji poput solarnih lokatora omogućuju da se solarni paneli pomiču svojim nagibom za sunčevim zrakama. Na taj način se povećava efikasnost do 20% zimi, i do 50% u ljetnim mjesecima. Statički paneli se postavljaju na osnovu analiza sunčeve putanje u tom kraju - da se za njih izabere najpovoljnija likacija. Solarni paneli su često postavljaju na geografskoj širini, pod kutem koji je jednak geografskoj širini, no performanse se mogu poboljšati podešavanjem kuta za ljeto i zimu.

Prednosti

Sunčeve energije koja obasjava Zemljinu površinu ima u izobilju, gotovo 6.000 puta više od 15 teravata koliko prosječno čovječanstvo danas troši. Osim toga, solarna električna energija ima najveću snagu (globalno 170 W / m²) od svih obnovljivih izvora energije. Solarna energija je ekološki čista, i kod proizvodnje kao i kod upotrebe, a u razvoju su i postupci da se solarni paneli na kraju svog ciklusa recikliraju. Fotonaponski uređaji mogu raditi dugi niz godina, uz vrlo malo troškova za njihovo održavanja, nakon puštanja u rad. Tako da su nakon početne investicije, operativni troškovi održavanja solarne elektrane izuzetno niski u odnosu na postojeće izvore energije.

Solarna električne energije je ekonomski već danas puno superiornija u slučajevima gdje je transport goriva težak, skup ili nemoguć. Primjeri za to su sateliti, izolirani otoci, udaljene lokacije i oceanska plovila. Fotonaponski uređaji spojeni u lokalnu distribucijsku mrežu, mogu značajno smanjiti gubitke u prijenosu električne energije, gubici prijenosa u Americi su 1995. bili oko 7,2%. U odnosu na [[Fosilna goriva|fosilne i nuklearne izvore energije, dosad je vrlo malo novca uloženo u istraživanja i razvoj solarnih ćelija, tako da postoji značajan prostor za napredak na tom polju.

Mane solarne energije

Ugradnja solarnih panela je skupa, iako većina proizvođača daje garanciju na svoje uređaje do čak 20 godina, ipak to skupo ulaganje pada u vodu kod prodaje kuće, - tad kupci obično ne haju za uložena sredstva za tu ugradnju, već ih interesira samo objekt.Grad Berkeley osmislio je rješenje za taj problem, oni prenose porezne olakšice uz objekt, a ne uz osobu

Solarnu električnu energiju nije moguće proizvoditi noću, a niti za oblačnog vremena, kad efikasnost radikalno pada. Zbog tog je za takav sistem potrebno imati akomulatore za skladištenje rezervne energije ili neki drugi alternativni izvor energije.

Proizvodnja solarne električne energije ovisi o količini sunčeva svijetla na određenoj lokaciji (insolaciji). Prosječna dnevna proizvodnja ravnog solornog kolektora, na geografskoj širini Amerike je 3-7 kW h/m² i u prosjeku je niža nego u Evropi.

Solarne ćelije proizvode istosmjernu struju (DC) koja se mora pretvoriti u izmjeničnu struju (AC) uz pomoć invertora, kad se želi koristiti u postojećim distribucijskim mrežama. Zbog tog nastaje energetski gubitak od 4 do 12%.

Povezano

• Solarna ćelija
• Fotoelektrični efekt
• Poluvodiči
• Električna energija
• Solarna energija
• Obnovljivi izvori energije

Vanjske veze

Solarna fotonaponska energija na Wikimedijinoj ostavi

• Energetski institut Hrvoje Požar - Obnovljivi izvori energije Arhivirano 2010-04-24 na Wayback Machine-u
• Besplatna Energija - Koliko će fotonaponski panel proizvesti struje? Arhivirano 2016-03-04 na Wayback Machine-u
• Hrvatska stručna udruga za sunčevu energiju