ENERGIJA

Pripremio: Jozef Baruhović

Fotonaponske ćelije

Uz pomoĆ silicijuma i Sunca

Tehnologija direktnog pretvaranja sunčeve energije u električnu energiju dobija zamah. Ukorak sa razvojem elektrana sa ”ogledalima“ i proizvodnim procesom “Sunce - ogledala - parna turbina - elektrogenerator – potrošač”, ide razvoj fotonaponskih ili solarnih ćelija koje imaju znatno jednostavniji proizvodni proces, tj. Sunce - solarne ćelija - električna.energija - potrošač

Fotonaponski efekat, tj. pretvaranje svetlosti u električnu energiju bio je poznat još u 19. veku. Otkrio ga je francuski fizičar Edmund Bekerel, 1839. godine. Utvrdio je da pojedini materijali izloženi svetlosnim zracima proizvode električnu struju slabog intenziteta. Albert Ajnštajn je 1905. opisao prirodu svetlosti i dao teorijsko tumačenje fotonaponskog efekta.

Fotonaponska ćelija napravljena je 1954. u “Bel” laboratorijama, ali je bila suviše skupa i u to vreme nije našla praktičnu primenu. Tek 1960. narasta interesovanje za fotonaponski efekat zahvaljujući razvoju industrije orijentisane ka svemirskim istraživanjima; satelite i kosmičke brodove trebalo je snabdevati električnom energijom u kosmosu.

Kroz svemirske programe, tehnologija izrade fotonaponskih ćelija naglo je napredovala. Povećana je pouzdanost ćelija a cene proizvodnje su smanjena. Za vreme energetske krize 1970-1973. fotonaponske ćelije, prihvaćene kao obnovljivi izvor električne energije, ušle su u komercijalnu upotrebu.

Korišćenje šireg sunčevog spektra

Fotoni, elementarne energetske čestice koje emituje Sunce, padaju na fotonaponsku ćeliju koja ih absorbuje i iz orbite atoma ćelije izbijaju elektrone. Energija fotona treba da bude veća i da preskoči tzv. energetski opseg ćelije da bi uspela da izbaci elektron iz njegove kovalentne veze. Da bi se olakšao proces izbijanja elektrona, fotonaponskoj ćeliji dodaju se primese, obično fosfor i bor. Posebnim postupkom, fotonaponska pločica, debljine oko 0,3 mm, obrađuje se tako da se stvara električno polje koje sa jedne strane stvara pozitivno naelektrisanje, sloj P “šupljine“ i, sa druge, negativno naelektrisanje, sloj N “elektrone”, debljine oko 0,002 mm. Ako se pločica fotonaponske ćelije poveže na dve kraja električnim provodnikom (zatvori se električno kolo), nastaje električna struja.

Energija fotona zavisi od talasne dužine sunčeve svetlosti. Sunčeva svetlost, koja je sastavljena iz spektra boja, tj. iz elektromagnetnih talasa različitih talasnih dužina, emituje fotone različitih energetskih naboja.

Današnja istraživanja usmerena su u pravcu efikasnijeg korišćenja fotona različitog energetskog naboja, tj .korišćenja šireg sunčevog spektra. U laboratorijskim uslovima vrše sa ogledi se višeslojnim ćelijama, gde svaki sloj ima karakteristični “band gap” opseg, koji apsorbuje određeni deo sunčevog spektra. Kombinacijom višeslojnih ćelija postavljenih u “kaskadu” (višeslojni spojevi PN), zatim primenom sočiva ili ogledala u cilju jače koncentracije sunčevog zračenja i primenom retkih minerala (između ostalih, galijuma i arsena) dostignut je stepen korisnosti od 40%. Tim novim postupkom, dobar deo sunčevog spektra se apsorbuje a fotoni nižeg energetskog naboja koriste se u proizvodnji električne energije.

U praksu, još uvek su prisutne jednoslojne fotonaponske ćelije. One nalaze primenu u niskoenergetskim i, sve više, u visokoenergetskim postrojenjima kao što su solarne elektrane sa fotonaponskim ćelijama, postrojenja za desalinizaciju morske vode, crpne stanice itd.

Solarne mreže sa sto hiljada modula

Fotonaponske ćelije izrađuju se od istog poluprovodničkog materijala koji se koristi u elektronskoj industriji, tj. od kristalnog i amorfnog silicijuma. Silicijumu se dodaju primese da bi se postiglo lakše izbijanje elektrona, posebno onih niže energetske vrednosti. Elementarna solarna ćelija zauzima prostor od oko 100 cm2. Napon elementarne solarne ćelije iznosi oko 0,5 V-0,6 V. Za dobijanje većih snaga, solarne ćelije se električno povezuju i formiraju module/panele. Uobičajeni napon modula je 12 V jednosmerne struje. Više modula električno povezanih, čine ”solarnu mrežu“, što zavisi od namene postrojenja: 10-20 solarnih modula za manja postrojenja a za velika solarna postrojenja, tj. fotonaponske solarne elektrane, i preko 100.000 solarnih modula! Solarni modul služi kao gradivni elemenat u solarnim postrojenjima. Njegova uobičajena veličina je 1-2m2.

Glavne sirovine za izradu solarnih ćelija danas su monokristalni, polikristalni i amorfni silicijum. Trenutno je 85% solarnih ćelija proizvedeno od mono i poli kristalnog silicijuma. Ostalih 15% otpada na amorfni silicijum i druge nove tehnologije, gde se mikronski slojevi silicijuma nanose na tanke fleksibilne trake . Procene su da će do 2013. solarne ćelije sa amorfnim silicijumom, zbog niže proizvodne cene, učestvovati u proizvodnji solarnih celija sa 31%.

Podatak koji je ključna karakteristika solarne ćelije glasi da ćelija povrsine 1 m2 i stepena korisnosti, recimo 15%, izložena sunčevom zračenju od oko 1.000 att/m2, daje 150 W električne energije.

Stepen korisnosti solarnih ćelija koje se danas nalaze u komercijalnoj upotrebi kreće se od 7% do 22%, pri čemu se niži stepen korisnosti odnosi na ćelije izvedene od amorfnog silicijuma. Dobijeni rezultati su u granicama 40-42%.

Uzimajući u obzir dodatne gubitke (zaprljanost, temperaturu okoline, geografski položaj itd) računa se sa vrednostima 100-120 W/m2 za solarne ćelije sa monokristalnim silicijumom. Na primer, solarna ćelija stepena korisnosti 15% i površine 1 m2, daje snagu oko 100-1200 W.

Prednosti uvođenja fotonaponskih solarnih ćelija (i nedostaci)

Osnovna prednost je svuda prisutna sunčeva energija, besplatna i u neograničenim količinama. Dodatno, nema ispuštanja CO2 i drugih gasova na bazi sumpor-dioksida kao kod elektrana na fosilna goriva. Prisutna je i nezavisnost od uvoza fosilnih energenata, uz napomenu da je, u slučaju fosilnih goriva. Kod izgradnje postrojenja, reč je o jednostavnim građevinsko-elektromontažnim radovima uz minimalne troškove za održavanje postrojenja. Rade bez potrebe za dodatnim fluidima - posebno vodom i dug im je radni vek, 20-30 godina.

Osnovni nedostatak je u tome što solarne energije ima samo preko dana, praktično oko 6-7 sati dnevno tokom cele godine, čime se otvara problem skladistenje energije. Kod postojećih solarnih postrojenja, problem se rešava na dva načina: ugradnjom akumulatorskih baterija koje, zavisno od kapaciteta, obezbeđuju dužinu autonomnog rada solarnog sistema i priključenjem na postojeću elektro-distributivnu mrežu kao dopunsko napajanje, kada se energija ne proizvodi u solarnim postrojenjima. Ovako koncipirana postrojenja preko noći koriste energiju iz elektro-mreže.

Solarna postrojenja proizvode jednosmernu struju. Da bi se ovako dobijena struja pretvorila u naizmeničnu, potrebno je ugraditi invertore /pretvarače/ koji dodatno opterećuju cenu kWh proizvedenog u solarnim postrojenjima. Ugradnjom invertera smanjuje se stepen korisnosti solarnog postrojenja za 4-8 % i povećavaju investicioni troškovi.

Nedostatak je i u tome što solarne elektrane sa fotonaponskim ćelijama zahvataju velike površine koje se mere kvadratnim kilometrima pa njihova izgradnja može biti rentabilna samo na zemljištu koje se neće koristiti za druge svrhe.

Isplativost

Energija dobijena iz solarnih postrojenja još uvek je 3-4 puta skuplja od energije proizvedene u elektranama sa fosilnim energentima. Prosečna trenutna cena kWh iz solarnih postrojenja iznosi 0,25-0,5 E/kWh, zavisno od regiona gde je solarno postrojenje izgrađeno.Razlog je i u još uvek relativno visokoj proizvodnoj ceni fotonaponskih ćelija. U strukturi troškova postrojenja, solarne ćelije učestvuju sa oko 50%. Trenutna cena solarnih ćelija u maloprodaji na evropskom tržištu iznosi 3-4 E/W. Utešno je da cene solarnih ćelija padaju, u proseku, 5% godišnje. Cene u velikoprodaji za veća solarna postrojenja niže su i iznose oko 1,8-2,5 E/W. Kineske firme koje preuzimaju vođstvo u proizvodnji fotonaponskih ćelija u svetu nude solarne ćelije u maloprodaji po ceni od 1,5 E/W.

Trend u većini evropskih država i u Srbiji je da se, zbog efekta staklene bašte, što više koriste obnovljivi izvori energije. Da bi ohrabrili investitore i fizička lica da ugrađuju solarna postrojenja, većina evropskih država, uključujući i Srbiju, uvode takozvanu ‘feed-in” tarifu. To podrazumeva da vlasnik solarnog postrojenja, ukoliko isporučuje električnu energiju proizvedenu u solarnom postrojenju elektro-distributivnom preduzeću, naplaćuje od elektrodistribucije realnu cenu proizvedene energije, tj. 0,19-0.34 E/kW. U noćnim satima, kada koristi energiju iz mreže, plaća je po 3-5 puta nižoj ceni tj. lokalnoj ceni električne energije

Ovakav sistem isplate, zavisno od države, garantuje se 10-20 narednih godina. Nemačka, na primer, garantuje isplatu po ceni od 0,43 E/kWh za narednih 20 godina. Srbija garantuje isplatu po ceni od 0,23 E/kWh za narednih 12 godina.

Grupa profesora sa Tokijskog univerziteta izradila je analizu gradnje vrlo velikih fotonaponskih solarnih elektrana u pustinjama sveta. Prva rečenica u studiji glasi: “Da bi se sačuvala Zemlja, potrebno je izgraditi velike fotonaponske solarne elektrane snage 100 MW u prostorima svetskih pustinja: Sahare (Afrika), Negeva (Izrael)/, Tara (Indija), Sonore (Meksiko), Great Sandy (Australija) i Gobi (Kina)”.

Elektrana instalisane snage 100 MW trebalo bi da pokriva površinu od 1,3-2,6 km2 zavisno od lokacije i da sadrži ukupno 840.000 solarnih modula/ panela. Sledeće pretpostavke u studiji su da je vek elektrane 30 godina, da su kamate na kredit 3% i da je cena solarnih ćelija oko 0,82 E/W. Sa takvim parametrima cena proizvedene električne energije bila bi konkurentna cenama koje trenutno naplaćuje većina elektro distributivnih preduzeća .

Jozef Baruhović