Соларна фотонапонска енергија

Ако се електрична енергија добије директним претварањем енергије сунчевог зрачења тада говори о сунчевој фотонапонској (ФН) енергији. У физици овакво претварање енергије је познато под називом фотоелектрични ефект. Уређаји у којима се одвија фотонапонско претварање енергије зову се соларне ћелије.

Сунчева ФН енергија убраја се у обновљиве изворе енергије.

Фотонапонска соларна ћелија - уређај у којем се одвија директно претварање енергије сунчевог зрачења у електричну енергију

Принцип рада

Према квантној физици светлост има двојни карактер. Светлост је и честица и талас. Честице светлости називају се фотони. Фотони су честице без масе и крећу се брзином светлости. Енергија фотона зависи о његовој таласној дужини односно о фреквенцији. Енергију фотона можемо израчунати Ајнштајновим законом који гласи:

$E=h\nu \,$

где је:

$E$ - Енергија фотона

$h$ - Планкова константа, износи $h=6.626$×$10^{-34}Js$

$\nu \,$ - Фреквенција фотона

У металима и уопште у материји, електрони могу постојати као валентни или слободни. Валентни електрони везани су уз атом, док се слободни електрони могу слободно кретати. Да би од валентног електрона настао слободни, он мора добити енергију која је већа или једнака енергији везања. Енергија везања представља енергију којом је електрон везан за атом у некој од атомских веза. У случају фотоелектричног ефекта електрон потребну енергију добива од судара са фотоном. Део енергије фотона троши се да би се електрон ослободио од утицаја атома за који је везан, а преостали део енергије претвара се у кинетичку енергију, сада већ слободног електрона. Слободни електрони добивени фотоелектричним ефектом називају се још и фотоелектрони. Енергија која је потребна да се валентни електрон ослободи утицаја атома назива се рад излаза $W_{i},$ и зависи о врсти материјала у којем се догодио фотоелектрични ефект. Једначина која описује овај процес гласи:

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

где је:

$h\nu \,$ - Енергија фотона

$W_{i},$ - Рад излаза

$E_{kin}$ - Кинетичка енергија емитираног електрона

Из горње једначине видљиво је да се електрон неће моћи ослободити ако је енергија фотона мања од рада излаза.

Процес конверзије је заснован на фотоелектричном ефекту којег је открио Хајнрих Рудолф Херц 1887. године, а први га објаснио Алберт Ајнштајн 1905, за шта је 1921. године добио Нобелову награду.

Фотоелектрична конверзија у ПН споју

Да би добили електричну енергију фотоелектричним ефектом требамо имати усмерено кретање фотоелектрона, односно струју. Све наелектрисане честице, а тако и фотоелектрони крећу се усмјерено под утицајем електричног поља. Електрично поље које је уграђено у сам материјал налази се у полупроводницима и то у осиромашеном подручју ПН споја (диоде). За полупроводнике треба нагласити да уз слободне електроне у њима постоје и шупљине као носиоци набоја које су својеврстан нуспродукт при настанку слободних електрона. Шупљина настаје сваки пут када од валентног електрона настане слободни електрон и тај процес назива се генерација, док се обрнути процес, када слободни електрон попуни празно мјесто - шупљину, зове рекомбинација. Ако парови електрон-шупљина настану далеко од осиромашеног подручја могуће је да рекомбинирају, прије него што их раздвоји електрично поље. Парови који настану уз осиромашено подручје или у њему бивају привучени, и то шупљине према П страни полупроводника, те електрони према Н страни полупроводника. Због тога се фотоелектрони и шупљине у полупроводнику, нагомилавају на супротним крајевима и на тај начин стварају електромоторну силу. Ако на такав систем спојимо потрошач, потећи ће струја и добити ћемо електричну енергију.

На овакав начин сунчане ћелије производе напон око 0.5-0.7 V уз густону струје од око неколико десетака mA/cm² зависно од снаге сунчевог зрачења, али и о спектру зрачења.

Корисност фотонапонске соларне ћелије дефинише се као однос електричне снаге коју даје ФН соларна ћелија и снаге сунчевог зрачења. Математички се то може формулирати релацијом:

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

где је:

П_ел - Излазна електрична снага

П_сол - Снага зрачења (најчешће Сунчевог)

У - Ефективна вредност излазног напона

I - Ефективна вредност излазне струје

Е - Специфична снага зрачења (нпр. у W/м²)

А - Површина

Корисност ФН соларних ћелија креће се од свега неколико постотака до четрдесетак посто. Остала енергија која се не претвори у електричну углавном се претвара у топлотну и на тај начин греје ћелију. Уопште пораст температуре соларне ћелије утиче на смањене корисности ФН ћелије.

Карактеристике појединих ћелија

ПВ ћелије из силицијума се изводе у више морфолошких облика, као монокристалне, поликристалне и аморфне.

• Монокристалне Si ћелије: овај тип ћелије може претворити 1000 W/m² сунчевог зрачења у 140 W електричне енергије с површином ћелија од 1 m². За производњу монокристалних Si ћелија потребан је апсолутно чисти полупроводички материјал. Монокристални штапићи се изваде из растопљеног силицијума и режу на танке плочице. Такав начин израде омогућује релативно високи ступањ искористивости.
• Поликристалне Si ћелије: овај тип ћелије може претворити 1000 W/m2 сунчевог зрачења у 130 W електричне енергије с површином ћелија од 1 m². Производња ових ћелија је економски ефикаснија у односу на монокристалне. Текући силицијум се улива у блокове који се затим режу у плоче. Током скрућивања материјала стварају се кристалне структуре различитих величина на чијим границама се појављују грешке, због чега соларна ћелија има мању искористивост.
• Аморфне Si ћелије: овај тип ћелије може претворити 1000 W/m2 сунчевог зрачења у 50 W електричне енергије с површином ћелија од 1 m². Уколико се танки филм силицијума стави на стакло или неку другу подлогу то се назива аморфна или танкослојна ћелија. Дебљина слоја износи мање од 1 µm, стога су трошкови производње мањи у складу са ниском ценом материјала. Међутим искористивост аморфних ћелија је пуно нижа у успоредби с другим типовима ћелија. Првенствено се користи у опреми где је потребна мала снага (сатови, џепна рачунала) или као елемент фасаде.
• Галијум арсенидне (GaAs) ћелије: галијум арсенид је полупроводник направљен из мешавине галијума и арсена. Погодан је за употребу у вишеслојним и високо учинковитим ћелијама. Ширина забрањене врпце (банд гап) је погодна за једнослојне соларне ћелије. Има високу апсорпцију па је потребна дебљина од само неколико микрона да би апсорбовао сунчеве зраке. Релативно је неосетљив на топлоту у упоређењу са Si ћелијама. Због високе цене користи се у свемирским програмима и у саставима с концентрисаним зрачењем где се штеди на ћелијама. Пројекти концентрисаног зрачења су још у фази истраживања. Галијум индијум фосфидна/галијум арсенид (GaInP)/GaAs двослојна ћелија има искористивост од 30% и користи се у комерцијалне сврхе за свемирске апликације. Овај тип ћелије може претворити 1000 W/m² сунчевог зрачења у 300 W електричне енергије са површином ћелија од 1 m².
• Кадмијум телурове (CdTe) ћелије: овај тип ћелије може претворити 1000 W/m² сунчевог зрачења у 160 W електричне енергије са површином ћелија од 1 m² у лабораторијским условима. Кадмијум телурид је једињење елемента: метала кадмијума и полуметала телура. Погодан за употребу у танким ПВ модулима због физичких својстава и јефтиних технологија израде. Упркос наведеним предностима, због кадмијумове отровности и сумње на канцерогеност није у широкој употреби.

Повезивање ћелија у веће целине

Повезивање ћелија може бити изведено на два начина:

1. Паралелно– паралелним спајањем долази до повећања јачине струје с повећањем површине, изводи се тако да се сви (+) полови споје на исти водич, аналогно и за (-) водиче.
2. Серијски – серијским спајањем долази до повећања напона с повећањем површине, изводи се тако да се наизмјенично спајају (+) и (-) пол ћелија у низу.

Планирање и прилагођавање састава

Један квадратни метар фотонапонских соларних панела може произвести до 150 W без одржавања снаге до тридесет година. Они ће чак и радити на дифузно светло кад су облачни дани, али са мање излазне снаге. Напон произведен фотонспонским панелом остаје приближно исти без обзира на време, али јачина (А) и снага (W) ће варирати. Најважнију варијаблу коју треба имати на уму при планирању фотонапонских соларних инсталација је излазна снага, које ће углавном зависити о четири фактора:

1. максимална снага вашег панела
2. интензитет светлости
3. број сати изложености сунцу и
4. угао излагања сунцу

Рад при интензивном дневном светлу

Максимална снага П_маx панела изражава се у Wp, значи колико вати (W) ће панел производити у оптималним условима, тј. у подне на директну сунчеву светлост по хладном времену. Максимални интензитет сунца је 1,000 W/m². Следећи фактори утичу на количину сунца, а тиме и на продуктивност фотонапонских панела:

1. Временски услови (облаци, магла и сл.)
2. Како је сунце високо на небу
3. Број сунчаних дана

Први фактор се често помало олако схваћа, 50 W панела би требао произвести 50 W за сваки сат од сунца 1,000 W / m². Панели ће произвести око пола тог износа (25 вата сваки сат) када су изложени до 1/2 светла (500 W / m²). Дифузно светло које пролази кроз танке облаке могло би давати око 300 W / m². У врло лошим временским условима с дебелим, тамним облацима, интензитет светлости могао би пасти на 100 W / m² и произвести само 5 W по сату.

Други фактор, висина сунца изнад хоризонта варира од годишњег доба. Када је сунце врло високо у небо (лето), његови зраци путују кроз атмосферу брже на краће удаљености, него кад је ниско на небу (зими). Сунчеви зраци су распршене све више и тим више постају дифузни приликом проласка кроз маглу или загађења. Место које добива пуно сунца у 9. мјесецу могло би бити засењено од новембра до јануара због препрека (дрвеће, димњаци, кровова и сл.).

Трећи фактор ствара највећи проблем за оне који не живе у близини екватора, односно разлика у броју сунчаних сати између годишњих доба.

Оптимално окретање панела према Сунцу

Увијек је најбоље да се панели усмере према југу са идеалним углом нагиба зависно од географског положаја и доба године. Сунчеви зраци требају падати стрмо на панел. Идеална ситуација у Европи је да имамо кров окренут према југу с углом између 40 и 60 ступњева, или, још боље, равни кров или површину на којем можемо панеле подесити по вољи. Може се одступати од ових вредности ако је то неопходно или из естетских разлога, да би их уклопили у постојеће архитектонске структуре. Будућност фотонапонских система зависиће ће у великој мери о складној интеграцији панела у градњи зграда.

Остали параметри

Од осталих параметара који још нису споменути, са енергетског становишта, битно је време повратка уложене енергије. Као и сваки уређај, тако и ФН соларне ћелије, да би се произвеле, захтевају одређени улог енергије. Време повратка уложене енергије је време које ФН ћелија мора радити да би произвела електричну енергију која је била потребна за њену производњу. То време износи од једне до неколико година, док је рок трајања од 10 до 30 година, зависно о технологији.

Развој фотонапонске технологије и тржишта

Под развојем фотонапонске технологије подразумева се развој тржишта сунчеве ФН енергије и развој саме технологије.

Развој тржишта

Када говоримо о тржишту ФН енергије мислимо на инсталиране капацитете соларних ћелија у некој регији или свету. Уназад десетак година, тржиште ФН технологије расте практично експоненцијално. Државе у којима је произведено највише ФН соларних ћелија су Јапан, Немачка, затим САД, те Тајван и Кина.

Тржиште фотонапонских соларних ћелија уназад неколико година експоненцијално расте

У 2007. години светска производња ФН соларних ћелија износила је око 3800 MW, док је пораст производње у односу на 2006. годину износио 50%. Овакав драстичан пораст може се објаснити државним подстицајима за обновљиве изворе енергије, све већом бригом за околину задњих година (Кјото протокол), те растом цена нафте.

Због компликоване политичке ситуације у Европи и различите политике држава чланица, не постоји усаглашен приступ обновљивим изворима енергије. Упркос томе, Европска унија је поставила циљ да до 2010. године 12% укупне и 22% електричне енергије буде произведено из обновљивих извора енергије. Постављен је циљ да се укупно угради 3000 МW фотонапонских система до 2010. године, што је повећање од сто пута у односу на 1995. годину. Годишња производња електричне енергије је између 2,4 и 3,5 TWh, зависно о локацији на којој је састав уграђен.

Развој технологије

Прва модерна фотонапонска соларна ћелија направљана је 1956. године у Беловој лабораторији. Прве ФН ћелије биле су развијане за свемирске програме. Развој ФН технологије се задњих година, подстакнут јаким развојем тржишта, интензивно мења. До данас је развијено много материјала од којих су најчешће у употреби силицијум, затим галијум-арсенид, кадмијум-сулфид, кадмијум-телурид и многи други. Такође постоји више технологија израде ФН ћелија. Тако су развијене технологије израде ФН ћелија од кристалних полупроводника и у облику танког филма. Типови ФН ћелија од кристалних полупроводника су:

• Силицијумове Si монокристалне, поликристалне и аморфне
• Галијум арсенидне GaAs
• Бакар-индијум-диселенидне CuInSe₂
• Кадмијум-телуридне CdTe

За сада на тржишту преовладавају ћелије од кристалног силицијума, док се предвиђа да ће у будућности све већи удео припасти танком филму. Технологија танког филма омогућује знатну уштеду материјала, много флексибилнију уградњу ФН ћелија, пошто их је могуће савити. Надаље, соларне ћелије направљене технологијом танког филма имају знатно краће време повратка уложене енергије док им је корисност нешто нижа.

Силицијум као основни материјал апсолутно доминира с уделом 98,3%, и то претежито технологија кристалног силицијума с 93,7% удела у укупној производњи. Све до недавно (2000. г.) преовладавала је технологија производње монокристалног силицијума добивеног тзв. Цзоцхралскијевим поступком или технологијом лебдеће зоне (енгл. float zone). Производња монокристалног силицијума је скупља али је учинак ћелија већи. Данас та технологија све више губи корак у поређењу с технологијом мултикристалиног силицијума (Mc-Si). Предности мултикристалног силицијума су мања капитална улагања за производњу вафера, већа искористивост силицијума због кориштења четвртастих вафера који дају већу активну површину модула у успоредби с округлим или квази-округлим обликом монокристалног вафера. У Mc-Si технологији лакше се производе ћелије већих површина величина (150×150 и 200×200 mm), што поједностављује њихову уградњу у модуле. Mc-S и технологије у укупној производњи сунчаних ћелија у 2003. г. су суделовале са 57.2%.

Тракасти силицијум има предност што је у његовом процесу производње избјегнута потреба резања вафера, чиме се губило и до 50% материјала у процесу пресецања. Међутим, квалитет и могућност производње није таква да би ова технологија преузела водство у блиској будућности. Највећи технолошки недостатак кристалног силицијума је својство да је полупроводник са тзв. индиректним забрањеним појасом због чега су потребне релативно велике дебљине активног слоја како би се у највећој мери искористила енергија Сунчевог зрачења. У технологији танког филма примјењују се полупроводници с тзв. директним забрањеним појасом и њихове дебљине могу бити знатно мање, уз значајно мањи утрошак материјала, што обећава ниску цену и могућност производње великих количина ћелија. Нажалост, иако дуго најављиване, технологије сунчаних ћелија у танком филму с аморфним силицијумом, CIS, CdTe и друге, због цијене, ниског учинка, и стабилности модула још увијек нису показале своју тржишну способност и биће потребна значајна улагања да постану конкурентне кристалном силицијуму. Удео технологија танког филма (аморфни силицијум, CdTe, CIS), упркос значајним напорима уложеним у истраживања остао је врло скроман, око 6,3% тржишта у 2003. години. Међутим, снажан раст производње сунчаних ћелија с кристалним силицијумом може проузроковати пораст цене и несташицу сировог силицијума па је могућ и већи пробој ових технологија у будућности.

Електрично поље осиромашеног подручја, осим што служи да раздвоји и усмјери кретање слободних набоја у ПН споју, ствара додатну енергетску баријеру слободним носиоцима набоја. Слободни носиоци (електрони и шупљине) настали из судара валентног електрона и фотона требају имати довољно енергије да би савладали и енергетску баријеру. С тог становишта, енергетска баријера би требала бити што мања, али када је не би било, не би било нити електричног поља, нити функције коју оно обавља. Према оваквом резонирању израчуната је теоријска максимална корисност за одређене енергетске баријере. Износ (ширина) енергетске баријере има различите износе за ПН спојеве израђене од различитих материјала. Ширини енергетске баријере електричног поља у ПН споју у ФН ћелији посвећује се пуно позорности у технологији израде ФН ћелија. Оптимално је да износи око 1.4 eV.

Дијаграм приказује теоријску ефикасност (корисност) у зависности од енергије прага (енергетске баријере) за фотонапонске соларне ћелије

Слика приказује како поједини полупроводички материјали кориштени за израду фотонапонских соларних ћелија користе различите дијелове спектра сунчевог зрачења

Концентрирајући фотонапонски соларни модул

При фотоелектричном ефекту само део фотона може изазвати фотоелектрични ефекат. За поједине материјале постоје различите границе енергија фотона које могу изазвати фотоелектрични ефект. На примјер, силицијумска ФН ћелија има максимум спектралне осетљивости за таласну дужину од 800 nm, тј. најбоље апсорбира светлост те таласне дужине. При употреби само једног материјала за израду ФН соларне ћелије велики део енергетског спектра фотона остаје неискориштен. Због тога се истражују ФН соларне ћелије израђене од више ПН спојева, односно од више полупроводничких материјала. Сваки материјал користи део спектра сунчевог зрачења. Овакве соларне ћелије називају се вишеслојне фотонапонске соларне ћелије (енгл. multijunction photovoltaic cells). На овај начин могуће је постићи већу корисност, чак веше од теоријских корисности при употреби само једног материјала. До сада су постигнуте корисност ФН соларних ћелија до око четрдесетак посто.

Пошто су овакви нови материјали врло скупи, сунчева светлост се оптичким системом огледала или сочива концентрише на мале површине скупих фотонапонских ћелија. Овакав дизајн економски је оправдан ако су фотонапонске ћелије скупље од оптичког система за концентрисање. Уз овакав дизајн потребна је мања површина фотонапонских соларних ћелија. На тај начин граде се модули као на слици која је приказана лево од текста.

Примена

Фотонапонска соларна електрана Серпа у Португалу снаге 11 МW

Фотонапонске соларне ћелије напајају Међународну свемирску станицу електричном енергијом

Примена ФН соларних ћелија данас је доста раширена и постаје све раширенија. ФН ћелије се могу видети као извори напајања паркиралишних аутомата, или на калкулатору као помоћни извор напајања. Користе се на као извори напајања на вештачким сателитима и свемирским станицама. Користе се и у декоративне сврхе као нпр. у Задру (инсталацији Поздрав Сунцу). Такође се користе за производњу електричне енергије у соларним електранама.

Јавни соларни пуњач мобилних телефона Стробери Дрво постављен у октобру 2010. године у Обреновцу

Један од примера примене соларне енергије је и први на свету Јавни соларни пуњач за мобилне телефоне и друге преносиве уређаје Стробери Дрво (енгл. Strawberry Tree). Овај уређај је изумела, пројектовала и направила група студената Београдског Универзитета, која је касније оформила и компанију Стробери енерџи (енгл. Strawberry energy). За ову иновацију, Стробери енерџи је освојио прво место на манифестацији "Недеља одрживе енергије 2011" у Бриселу у категорији смањења јавне потрошње. Тренутно је Стробери Дрво постављено у следећим градовима: Обреновцу, Београду (на општини Звездара, у Ташмајданском парку названо Стробери Дрво Блек (енгл. Strawberry Tree Black) новог дизајна од стране архитекте Милоша Миливојевића и на тргу Славија названо Стробери Дрво Ток (енгл. Strawberry Tree Flow) по дизајну Тамаре Швоње и Војина Стојадиновића), Новом Саду, Кикинди, Врању, Бору, Ваљеву и два у Бијељини у Босни и Херцеговини. Стробери енерџи је развио и мали преносиви соларни пуњач Стробери Мини (енгл. Strawberry Mini) који се може склапати, расклапати и превозити уз помоћ уграђених точкића. У Стробери Мини је уграђен и екран осетљив на додир (енгл. touch screen) са еко апликацијом где се корисници могу едуковати о обновљим изворима енергије. За потребе подручја без приступа електричној енергији, Стробери енерџи осмислио је и други модел преносивог соларног пуњача Стобери Мини СОС (енгл. Strawberry Mini SOS) који поред каблића за пуњење мобилних телефона има и две утичнице за друге уређаје мање потрошње, СОС дугме за позив у случају хитних ситуација као и двоструко ЛЕД осветљење..

Заправо, једна од најчешћих примјена ФН сунчаних ћелија је напајање електричном енергијом уређаја, индустријских објеката, домаћинстава на местима где нема електричне енергије, на локацијама које су удаљене од електроенергетског система или је јефтиније уградити фотонапонски систем него направити инсталације за напајање из електроенергетског система. Фотонапонски систем чине фотонапонске ћелије спојене са батеријама и потрошачем.

Постоје покушаји да се ФН ћелије користе у транспорту. У Аустралији се на пример сваке године одржава трка соларних електричних аутомобила (енгл. Australia World solar challange). Деоница трке се протеже преко целог Аустралијског континента.

Економија

Приказ фотонапонског соларног потенцијала у Еуропи

За сада, производња електричне енергије из фотонапонских соларних ћелија није економична у поређењу са другим изворима, ако се у обзир не узму подстицаји. Један киловат инсталиране снаге за ФН ћелије износи преко неколико хиљада УСД (4500-13500 УСД), док је за електрану на плин та цијена око 400 УСД. У многим државама, постоје подстицаји и привилегије за обновљиве изворе енергије. Енергија произведена из повлаштеног извора увек се откупљује, и то по цени знатно вишој него што је просечна цијена електричне енергије. На овај начин ФН ћелије су исплативе уз врло мали или готово никакав профит. Слабу економичност могуће је оправдати чињеницом да није потребно никакво гориво за производњу електричне енергије из ФН ћелија, те релативно добрим утицајима на околину.

Економичност ФН соларних ћелија јако зависи од места где је постројење инсталирано. За место на којем је инсталирано ФН постројење битно је да има много сунчеве енергије током године. Најбоље су позиције око екватора, док су позиције које су удаљеније од екватора углавном све лошије. Да би се побољшала економичност ФН постројења, ФН модули се нагињу и оријентишу према Сунцу.

Утицај на околину

Сам рад ФН соларних ћелија практично не оптерећује околину. При раду ФН ћелија не производе се стакленички гасови. Да се електрична енергија није производи у фотонапонским ћелијама, морала би се произвести из неког од конвенционалног извора електричне енергије (нпр. у термоелектрани) која притом производи стакленичке гасове. Због тога ФН соларне ћелије имају позитиван утицај на околину, а њиховом употребом смањују се емисије стакленичких гасова.

Оно што у фотонапонској технологији оптерећује околину је производња ФН ћелија, те употраба токсичних материјала попут кадмијума. Процес добијања силицијума, као најчешћег материјала од којега се израђују фотонапонске ћелије, енергетски је врло захтјеван. О томе најбоље говори чињеница да је време поврата уложене енергије за производњу ФН ћелија од кристалног силицијума износи око 3 године. То се може ублажити употребом другачијих технологија, попут технологије танког филма.

Лоша страна, што се тиче утјецаја на околину, је то што је потребно заузети врло велику површину за инсталацију капацитета како би се осигурала довољна количина електричне енергије. За израду тако великих капацитета било би потребно врло много материјала. Пошто су неки од материјала за израду ФН ћелија токсични, то би представљало ризик за околину. Осим тога површина испод ФН ћелија не може се обрађивати, тако да је боље да се ФН постројења граде на необрадивим подручјима као што су пустиње и сл. Ови негативни утјецаји на околину никако се не би требали подцењивати и занемаривати.

Предности ФН технологије су да је то релативно чиста технологија. Током рада не оптерећује, у превеликој мери, околину и не производи стакленичке гасове.

Види још

• Фотоелектрични ефект
• Полупроводник
• Електроенергетски састав
• Електрична енергија
• Сунчева топлотна енергија
• Обновљиви извори енергије

Спољашње везе

• Основе енергетике
• Бесплатна енергија - Колико ће фотонапонски панел произвести струје?
• Обновљиви извори енергије