Fotonaponsko pretvaranje energije

Cena sirove nafte koja je premašila 125 dolara po barelu, ovogodišnje poskupljenje prirodnog gasa za više od 50 odsto i sve skuplja elektricna energija samo su vrh ledenog brega svetske energetske krize u kojoj su male zemlje, poput Srbije, kolateralna šteta globalnih
energetskih vo.a koji diktiraju pravila i odlucuju koliko ce kome pripasti od "energetskog kolaca. Da bi se oslobodili zavisnosti energije fosilnih goriva mnoge zemlje se orjentišu ka alternativnim izvorima energije, posebno ka Suncevoj energiji.
. Prakticno sva energija, koju covek koristi, osim nuklearne i geotermalne, potice od Sunca. Termoelektrane, vozila, pa i životinje biljojedi koriste energiju Sunca, koju su biljke fotosintezom pretvorile u hemijsku. Vetar, koji danas sve više i više koriste kao izvor energije,
postoji zbog Sunceve energije, koja se u atmosferi pretvara u kineticku.
Nama je od interesa u ovom radu pretvaranje energije Sunca u elektricnu uz pomoc suncanih celija tj. fotonaponskom konverzijom. Princip rada solarne celije zasniva se fotoelektricnom efektu: kad se Suncevo zracenje apsorbuje u suncanoj celiji na njenim krajevima se javlja elektromotorna sila.
Prednosti fotonaponske konverzije su mnogobrojne. Suncane celije direktno pretvaraju energiju Sunca u elektricnu bez pokretnih mehanickih delova, ne zaga.uju okolinu, potrebno im je minimalno održavanje uz radni vek od dvadesetak godina, itd. Mane su im trenutna
proizvodnja elektricne energije, tj. samo u periodu ozracivanja i to proporcionalno jacini Suncevog zracenja, gustina snage koju daju je mala (najviše oko 100W/m2), cena im je visoka. I pored svega to je najjednostavniji i najatraktivniji nacin primene solarne energije.
Najveci problem u rasprostranjenosti suncanih celija jeste njihova visoka cena. I pored toga što se posljednjih godina znatno napredovalo u tehnologiji izrade suncanih celija, one su nažalost još preskupe za dobivanje elektricne energije i uglavnom se primjenjuju tamo gde se ne
mogu upotrijebiti drugi izvori. Me.ulim, cena im ipak stalno pada. Kad su se 1954. pojavile, cena im je bila oko 10000USD/W, 1965. cijena im je pala na 1000USD/W, 1973. na 300USD/W, 1975. na 100USD/W, a 1977. na oko 15USD/W. Današnja cena im je oko 2USD/W.
Direktna konverzija solarne energije u elektricnu još je preskupa da bi bila ekonomski konkurentna pa zato vlade razvijenih zemalja subvenišu izgradnju i kiorišcenje postrojenja za dobijanje elktricne energije od energije sunca. Na taj nacin pronalaze se novi materijali i pojednostavljuje tehnologija proizvodnje. Sadašnju tehnologiju proizvodnje celija od monokrislalnog silicijuma treba pojeftiniti i povecati efikasnost tih celija. Istraživanje novih materijala, celija od polikristalnog i amorthog silicijuma, CdTe, GaAs i izrada drugih poluprovodnickih materijala i upotreba koncentratora u sistemima suncanih celija, verovatno ce smanjiti cenu solarne elektricne energije i omoguciti njenu masovnu primenu.

2. Sunce kao izvor energije

2.1 Sunce

Sunce se kao nebesko telo formiralo pre oko 4.6 milijardi godina. U vasioni to je obicno nebesko telo - zvezda koje je po masi nekiliko puta manje od zvezda srednje velicine. Medjutim, ono što Sunce cini jedinstvenim jeste cinjenica da je ono oko 300000 puta bliže Zemlji nego što
je bliža susedna zvezda. Srednje rastojanje (rzo) Zemlje od Sunca iznosi 1.5×108 kilometara. Pri tom prakticno sva energija, koju Zemlja dobija izvana i koja je izvor atmosferskih kretanja, dolazi od Sunca. U tabeli 1. su dati neki osnovni podaci o Suncu.

Tabela 1. Osnovni podaci o Suncu

Sunce je gasovita sfera poluprecnika 6.96×105km i mase od približno 1.99×1030kg. Osnovu njegove gra.e cine dva elementa - vodonik i helijum. Prisutni su i neki teži elementi kao što su:
gvoždje, silicijum, neon i ugljenik ali u malim kolicinama. Vodonik je prisutan u iznosu od oko 75% dok ostalih 25% prakticno otpada na helijum. Do hemijskog sastava Sunca dolazi se analizom njegovih spektralnih linija. Hemijski sastav Sunca dat je u tabeli 2.

Tabela 2. Hemijski sastav sunca

Temperatura Sunca se menja u opsegu od 5100000°C u unutrašnjosti do 5800°C na površini. Gustina mu brzo opada i to od 15×103 kg/m-3 u centru do 10-4 kg/m-3. Posledica ovakve raspodele gustine je cinjenica da je oko 90% mase Sunca raspore.eno u prvoj polovini poluprecnika.
Izvor ogromne kolicine energije sa kojom Sunce raspolaže jeste termonuklearna fuzija koja se pri temperaturi od desetak miliona Celzijusovih stepeni odigrava u dubokim slojevima.
Tom prilikom mehanizmom fuzije u svakom trenutku cetiri atoma vodonika se spajaju u atom helijuma pri cemu se osloba.a velika kolicina energije. Osloba.anje energije Es pri termonuklearnoj fuziji, saglasno Einstenovoj jednacini Es=msc2, dovodi do smanjenja mase Sunca ms. Me.utim to smanjenje je neznatno. Po nekim racunima usled termonuklearnih reakcija, Sunce je, od postanka pa do danas, utrošilo oko 5% od svoje pocetne mase.
Kao posledica termonuklearnih reakcija u strukturi Sunca spoljašnji slojevi se sastoje od hladnijeg gasa koji se nalazi na jezgru visoke temperature. Spoljašnji hladniji slojevi se zagrevaju od užarenog jezgra potom se šire i dospevaju na površinu da bi se ohladili izracivanjem i spustili u niže slojeve. Oblast na Suncu u kojoj se velike kolicine zagrejanog gasa uzdižu a hladnog spuštaju, naziva se zona konvekcije.
Najveci deo energije koji u vidu elektromagnetnog zracenja dospeva na Zemlju, generiše se u vidljivoj oblasti Sunca - fotosferi. Me.utim, znatan deo fotosfere je nepravilno osvetljen i sastavljen je od tamnijih (hladnijih) podrucja suncevih pega i svetlijih (toplijih) podrucja fakula.
Fotosfera je, u pore.enju sa dimenzijama Sunca, relativno tanak sloj debljine od oko 500 km u kom se temperatura menja od 4000°K u višim do 8000°K u nižim slojevima. Oblast iznad fotosfere naziva se sunceva atmosfera i sastoji se od hromosfere i korone.
Hromosfera se sastoji od vodonika i helijuma koji su pod niskim pritiskom. Pri osmatranju hromosfere mogu da se opaze i njeni neobicni produžeci u Svemiru u obliku protuberanci. Iznad hromosfere nalazi se korona. Ona je srebrnasto-bele boje a sastoji se od razredjenih gasova koji se prostiru do udaljenosti od nekoliko miliona kilometara.
Ponekad se u hromosferi može opaziti i porast Suceve aktivnosti. Ona se uocava u povezanosti polja fakula s grupama Suncevih pega koja dovodi do nagle promene u izgledu, sjaju i prostiranju protuberanci. Sunceve pege je otkrio Galilej sa saradnicima 1609. godine, a sistematski se prebrojavaju od 1749. godine. Javljaju se u skoro jednakom broju na sevemom i juznom delu fotosfere. Sunceve pege poseduju magnetna polja indukcije do 5T. Na osnovu posmatranja došlo se do zakljucka da se broj suncevih pega periodicno menja tako da se period kada ih ne vide naziva period bez suncevih aktivnosti. Broj pegaje najveci u periodu maksimuma sunceve aktivnosti.

Period izmedju minimuma i maksimuma aktivnosti traje 11,2 godine i zove se suncev ciklus.
Suncevo zracenje sastoji se od direktne i raspršene (difuzne) komponente. Direktno Suncevo zracenje je ono koje dopire do ure.aja direktno iz prividnog smera Sunca. Raspršeno zracenje nastaje raspršenjem Suncevih zraka u atmosferi i dolazi na uredaj iz svih smerova neba. Nagnuta ploca (npr. Fotonaponski panel) osim direktnog i raspršenog zracenja prima i zracenje reflektovano od okolnih površina. Ukupno zracenje koje upada na nagnutu plocu sastoji se od tri dela: direktnog, raspršenog i odbijenog zracenja.

Snaga zracenja koju Sunce odašilje iznosi 3,8.1023kW, odnosno godišnje oko 3,3.1027 kWh. Od koga dopire do Zemlje oko 1,7.1014 kW ili tek milijarditi deo izracene energije, odnosno 1,5.10kWh godišnje.
Spektar Sunca (Slika 4) približno odgovara spektru crnog tela zagrejanog na temperaturu 5760°K. Rekli smo da se ta temperatura Sunca menja od unutrašnjosti (gde je oko 10°K) prema površini, ali i u slojevima same površine. Temperaturu 5760°K možemo odrediti kao efektivnu temperaturu Sunceve površine pomocu koje primenom Stefan-Boltzman-og, Wienov-og i Planckov-og zakona može se izracunati energijski spektar Suncevog zracenja.

Spektar suncevog zracenja može da se podeli na tri oblasti: ultraljubicastu (0,01mm<l<0,39mm), vidljivu (0,40mm<l<0,76mm) i infracrvenu (0,76mm<l<4,0mm). Od ukupne energije koja se generiše na Suncu, 50% dolazi na infracrvenu, 40% na vidljivu i oko 10% na ultraljubicastu oblast. Maksimum energije zracenja je na talasnoj dužini od 0,476mm.
Osmatranjima je uoceno da se intenziteti Suncevog zracenja razlikuju u ekvivalentnim temperaturama apsolutno crnog tela, koje odgovaraju zracenju u ultraljubicastoj, vidljivoj i infracrvenoj oblasti spektra. Dakle, ispravnije je govoriti o nekoj efektivnoj temperaturi Sunca.

2.2 Prividno kretanje Sunca

Za proucavanje mogucnosti energetskog iskorišcenja Suncevog zracenja treba se upoznati sa položajem Sunca tokom cele godine. Za vreme od jedne godine Zemlja obi.e jedan krug po elipticnoj orbiti ciji ekscentritet iznosi 0.01673. Me.utim, gledano sa Zemlje to kretanje se opaža kao kretanje Sunca po nebeskom svodu po putanji poznatoj kao ekliptika.
Njena ravan s ravni ekvatora zaklapa ugao od 23°26'24''. Krecuci se po ekliptici Sunce 21. marta (prolecna ravnodnevnica) preseca ravan ekvatora prelazeci sa južne na severnu poluloptu (položaj obeležen tackom 1 na slici). Krecuci se dalje Sunce se podiže sve "više² gledano s tacke gledišta posmatraca, da bi 21. juna dostiglo ugaonu visinu od 23°27' nad ekliptikom (tacka 2) što odgovara letnjoj dugodnevnici. Od ovog položaja Sunce pocinje da se "spušta² presecajuci ekvator 23. septembra što odgovara jesenjoj ravnodnevnici (tacka 3). Konacno ono se 21. decembra spušta na 23°27' južno od ekvatora (tacka 4). Ovaj položaj Sunca je poznat pod imenom zimske kratkodnevnice. Recimo još da je pri ovom kretanju Zemlja najbliža Suncu 6.januara (u perihelu) a najudaljenija od njega 6. jula (u afelu).

Deklinacija Sunca (d) je ugao izme.u duži koja ide iz središta Zemlje u središte Sunca i ravni u kojoj leži ekvator. Ravan ekvatora zatvara ugao od 23,45° sa ravni Zemljine putanje.
Deklinacija Sunca zavisi od dana u godini i menja se od 23,45° (21. decembra) do +23,45° (21. juna).

  preuzmi seminarski rad u wordu » » »

Besplatni Seminarski Radovi