Solarna energetika

Ovaj članak je o generisanju električne energije koristeći solarnu energiju. Za druge upotrebe solarne energije, pogledajte solarna energija.

Solarna energetika se bavi konverzijom energije iz sunčeve svetlosti u električnu energiju, bilo direktno koristeći fotonaponske uređaje (PV), indirektno koristeći koncentrovanu solarnu energiju, ili putem njihove kombinacije. Sistemi koncentrovane solarne energije koriste sočiva ili ogledala i sisteme za praćenje da bi fokusirali sunčevu svetlost sa velikog područja u mali snop. Fotonaponske ćelije pretvaraju svetlost u električnu struju koristeći fotonaponski efekat.^[1]

Niz solarnih fotovoltnih sistema na krovu u Hongkongu

Prve tri jedinice Koncentrovana solarna energija (CSP) španske sunčeva termoelektrane Solnova u prednjem planu, sa PS10 i PS20 solarnim energetskim tornjevima u pozadini

Ova mapa solarnih resursa daje pregled procenjene solarne energije dostupne za generisanje električne energije i za druge vidove primene. Predstavljena je prosečna dnevna/godišnja suma proizvodnje električne energije iz solarnih PV elektrana sa vrhom snage od 1 , i pokriven je period od 1994/1999/2007 (u zavisnosti od geografskog regiona) do 2015. Izvor: Globalni solarni atlas

Solarni fotonaponski uređaji su u početku korišteni isključivo kao izvor električne energije za male i srednje vidove primene, od kalkulatora napajanih jednom solarnom ćelijom do udaljenih domova koje napajaju samostalni krovni PV sistemi. Komercijalne koncentrisane solarne elektrane su prvi put razvijene 1980-ih. Instalacija Ivanpah sa svojih 392 najveća je solarna elektrana u svetu, locirana u pustinji Mojave u Kaliforniji.

Kako su troškovi solarne električne energije padali, broj solarnih PV sistema povezanih sa mrežom je prerastao u milione instalacija, i velike fotonaponske elektrane sa kapacitetom od više stotina megavata su izgrađene. Solarni PV brzo postaju jeftina i čista tehnologija za ubiranje obnovljive energije Sunca. Trenutno najveća fotonaponska elektrana na svetu je Solarni park Lungjangsja brana od 850 u mestu Ćinghaj u Kini.

Međunarodna agencija za energetiku predvidela je 2014. godine da bi prema scenariju „visoko obnovljivih izvora” do 2050. godine solarna fotonaponska energija i koncentrovana solarna energija trebale da sačinjavaju oko 16 i 11 odsto ukupne potrošnje električne energije u svetu, respektivno, i prema toj proceni solarne elektrane bi trebalo da budu najveći svetski izvor električne energije. Većina solarnih instalacija bila bi u Kini i Indiji. Godine 2017, solarne elektrane su pružale 1,7% ukupne proizvodnje električne energije u svetu, povećavajući se za 35% godišnje.^[2] Od 2018. godine, nesubvenisani trošak električne energije za komunalnu solarnu energiju iznosio je oko $43/.^[3]

Glavne tehnologije

Mnoge industrijski razvijene države su ugradile značajan kapacitet solarne energije u svoje mreže kako bi dopunjavale ili pružale alternativu konvencionalnim izvorima energije. Isto tako sve veći broj manje razvijenih nacija razvija solarne elektrane da bi smanjili zavisnost od skupih uvezenih goriva (pogledajte solarnu energiju po zemljama). Prenos na velike daljine omogućava udaljenim izvorima obnovljive energije da izmene potrošnju fosilnih goriva. Solarne elektrane koriste jednu od dve tehnologije:

• Sistemi solarne fotonaponske energije (engl. , PV) koriste solarne panele, bilo na krovovima ili na zemlji u vidu solarnih farmi, konvertuju sunčevu svetlost direktno u električnu energiju.
• Elektrane koncentrovane solarne energije (takođe poznata kao „koncentrovani solar termali”) koriste solarnu termalnu energiju za formiranje pare, koja se zatim konvertuje u električnu energiju pomoću turbine.

Schematics of a grid-connected residential PV power system^[4]

Fotonaponske ćelije

Glavni članci: Solarna fotonaponska energija i Solarna ćelija

Solarna ćelija, ili fotonaponska ćelija (PV), je uređaj koji konvertuje svetlost u električnu energiju koristeći fotonaponski efekat. Prvu solarnu ćeliju konstruisao je Čarls Frits 1880-ih.^[5] Nemački industrijalac Verner fon Simens bio je među onima koji su prepoznali važnost ovog otkrića.^[6] Godine 1931, nemački inženjer Bruno Lang razvio je foto ćeliju koristeći srebro selenid umesto bakar oksida,^[7] mada su prototipske selenske ćelije pretvarale manje od 1% upadne svetlosti u električnu energiju. Nakon rada Rasela Ola tokom 40-ih, istraživači Gerald Pirson, Kalvin Fuler i Daril Čapin stvorili su silicijumsku solarnu ćeliju 1954. godine.^[8] Ove rane solarne ćelije koštale su US$ 286/vatu i dostizale efikasnost od 4,5–6%.^[9] Mohamed M. Atala je 1957. godine razvio proces pasivizacije površine silicijuma termičkom oksidacijom u Bel Laboratorija.^[10][11] Proces pasivizacije površine od tada je kritičan za efikasnost solarnih ćelija.^[12]

Niz fotonaponskih sistema napajanja, ili PV sistema, proizvodi jenosmernu struju (DC) koja fluktuira sa intenzitetom sunčeve svetlosti. Za praktičnu upotrebu ovo obično zahteva pretvaranje u izvesne željene napone ili naizmeničnu struju (AC), korišćenjem pretvarača.^[4] Unutar modula je povezano više solarnih ćelija. Moduli su spojeni zajedno kako bi formirali nizove, a zatim su vezani za pretvarač koji proizvodi snagu na željenom naponu, a za naizmeničnu struju željenu frekvenciju/fazu.^[4]

Mnogi stambeni PV sistemi povezani su na mrežu gde god je dostupna, posebno u razvijenim zemljama sa velikim tržištima.^[13] U tim PV sistemima povezanim sa mrežom upotreba skladištenja energije nije obavezna. U određenim aplikacijama, kao što su sateliti, svetionici ili u zemljama u razvoju, baterije ili dodatni generatori energije često se dodaju kao rezerve. Takvi samostalni elektroenergetski sistemi omogućavaju rad noću i u drugim okolnostima ograničenog sunčevog svetla.

Koncentrovana solarna elektrana

Glavni članak: Koncentrovana solarna energija

Parabolični kolektor koncentriše sunčevu svetlost u cev u svojoj žarišnoj tački.

Koncentrovana solarna elektrana (engl. , ), koja se takođe naziva „koncentrovana solarna termalna elektrana”, koristi sočiva ili ogledala i sisteme za praćenje da bi se koncentrisala sunčeva svetlost, a zatim se koristi nastala toplota za proizvodnju električne energije pomoću konvencionalnih turbina na pogon parom.

Postoji širok spektar tehnologija koncentrisanja: među najbolje poznatim su parabolični kolektor, kompaktni linearni Fresnelov reflektor, Stirling posuda i solarni toranj. Različite tehnike se koriste za praćenje sunca i fokusiranje svetlosti. U svim ovim sistemima radni fluid se zagreva koncentrovanom sunčevom svetlošću, a zatim se koristi za proizvodnju energije ili skladištenje energije.^[14] Termičko skladištenje efikasno omogućava proizvodnju električne energije tokom 24 sata.^[15]

Parabolični kolektor se sastoji od linearnog paraboličnog reflektora koji koncentriše svetlost na prijemnik smešten duž fokalne linije reflektora. Prijemnik je cev smeštena duž žarišta linearnog paraboličnog ogledala i napunjena je radnom tečnošću. Reflektor je napravljen da prati Sunce tokom perioda dnevnog svetla, sledeći jednu osovinu. Sistemi paraboličnih kolektora pružaju najbolji faktor korišćenja zemljišta od svih solarnoj tehnologija.^[16] SEGS postrojenja u Kaliforniji i Aksionova Nevada Solar One u blizini Bolder Sitija u Nevadi, predstavnici su ove tehnologije.^[17][18]

Kompaktni linearni Fresnelovi reflektori su CSP-postrojenja koje koriste veliki broj ogledala u vidu tankih traka, umesto paraboličnih ogledala, da bi koncentrirali sunčevu svetlost na dve cevi sa radnom tečnošću. Prednost ovog pristupa je u tome što se mogu koristiti ravna ogledala koja su mnogo jeftinija od paraboličnih ogledala, i što se više reflektora može postaviti na istom prostoru, tako da se može koristiti više dostupne sunčeve svetlosti. Koncentracioni linearni reflektori mogu se koristiti u velikim, kao i u kompaktnim postrojenjima.^[19][20]

Stirlingova solarna posuda kombinuje paraboličnu koncentrišuću posudu sa Stirlingovim motorom koji obično pokreće električni generator. Prednosti Stirlingove solarne elektrana na fotonaponskim ćelijama su veća efikasnost pretvaranja sunčeve svetlosti u električnu energiju i duži vek trajanja. Parabolični sistem posuđa daje najveću efikasnost među CSP tehnologijama.^[21] Velika posuda od 50 u Kanberi u Australiji je primer ove tehnologije.^[17]

Vidi još

• Solarna energija

Reference

1. „Energy Sources: Solar”. Department of Energy. Архивирано из оригинала 14. 04. 2011. г. Приступљено 19. 4. 2011.
2. „BP Global: Solar energy”. Архивирано из оригинала 06. 12. 2018. г. Приступљено 09. 10. 2019.
3. „Levelized Cost of Energy and Levelized Cost of Storage 2018”. Архивирано из оригинала 11. 11. 2018. г. Приступљено 09. 10. 2019.
4. Solar Cells and their Applications Second Edition, Lewis Fraas, Larry Partain, Wiley, (2010) 978-0-470-44633-1, Section10.2.
5. Perlin 1999, стр. 147 harvnb грешка: no target: CITEREFPerlin1999 (help)
6. Perlin 1999, стр. 18–20 harvnb грешка: no target: CITEREFPerlin1999 (help)
7. Corporation, Bonnier (jun 1931). „Magic Plates, Tap Sun For Power”. Popular Science. Приступљено 19. 4. 2011.
8. Perlin 1999, стр. 29 harvnb грешка: no target: CITEREFPerlin1999 (help)
9. Perlin 1999, стр. 29–30, 38 harvnb грешка: no target: CITEREFPerlin1999 (help)
10. Black, Lachlan E. (2016). New Perspectives on Surface Passivation: Understanding the Si-Al2O3 Interface (PDF). Springer. стр. 13. ISBN 9783319325217.
11. Lojek, Bo (2007). History of Semiconductor Engineering. Springer Science & Business Media. стр. 120& 321-323. ISBN 9783540342588.
12. Black, Lachlan E. (2016). New Perspectives on Surface Passivation: Understanding the Si-Al2O3 Interface (PDF). Springer. ISBN 9783319325217.
13. „Trends in Photovoltaic Applications Survey report of selected IEA countries between 1992 and 2009, IEA-PVPS”. Архивирано из оригинала 25. 05. 2017. г. Приступљено 8. 11. 2011.
14. Martin & Goswami 2005, стр. 45 harvnb грешка: no target: CITEREFMartinGoswami2005 (help)
15. Stephen Lacey. „Spanish CSP Plant with Storage Produces Electricity for 24 Hours Straight”. Архивирано из оригинала 12. 10. 2012. г. Приступљено 09. 10. 2019.
16. „Concentrated Solar Thermal Power – Now” (PDF). Архивирано (PDF) из оригинала 10. 9. 2008. г. Приступљено 19. 8. 2008.
17. „Concentrating Solar Power in 2001 – An IEA/SolarPACES Summary of Present Status and Future Prospects” (PDF). International Energy Agency – SolarPACES. Архивирано из оригинала (PDF) 10. 9. 2008. г. Приступљено 2. 7. 2008.
18. „UNLV Solar Site”. University of Las Vegas. Архивирано из оригинала 3. 9. 2006. г. Приступљено 2. 7. 2008.
19. „Compact CLFR”. Physics.usyd.edu.au. 12. 6. 2002. Архивирано из оригинала 12. 04. 2011. г. Приступљено 19. 4. 2011.
20. „Ausra compact CLFR introducing cost-saving solar rotation features” (PDF). Архивирано из оригинала (PDF) 21. 7. 2011. г. Приступљено 19. 4. 2011.
21. „An Assessment of Solar Energy Conversion Technologies and Research Opportunities” (PDF). Stanford University – Global Climate Change & Energy Project. Архивирано из оригинала (PDF) 09. 05. 2008. г. Приступљено 2. 7. 2008.

Literatura

• Butti, Ken; Perlin, John (1981). A Golden Thread (2500 Years of Solar Architecture and Technology). Van Nostrand Reinhold. ISBN 978-0-442-24005-9.
• Carr, Donald E. (1976). Energy & the Earth Machine. W. W. Norton & Company. ISBN 978-0-393-06407-0.
• Halacy, Daniel (1973). The Coming Age of Solar Energy. Harper and Row. ISBN 978-0-380-00233-7.
• Martin, Christopher L.; Goswami, D. Yogi (2005). Solar Energy Pocket Reference. International Solar Energy Society. ISBN 978-0-9771282-0-4.
• Mills, David (2004). „Advances in solar thermal electricity technology”. Solar Energy. 76 (1–3): 19—31. Bibcode:2004SoEn...76...19M. doi:10.1016/S0038-092X(03)00102-6.
• Perlin, John (1999). From Space to Earth (The Story of Solar Electricity). Harvard University Press. ISBN 978-0-674-01013-0.
• Tritt, T.; Böttner, H.; Chen, L. (2008). „Thermoelectrics: Direct Solar Thermal Energy Conversion”. MRS Bulletin. 33 (4): 355—372. doi:10.1557/mrs2008.73. Архивирано из оригинала 26. 06. 2010. г. Приступљено 09. 10. 2019.
• Yergin, Daniel (1991). The Prize: The Epic Quest for Oil, Money, and Power. Simon & Schuster. стр. 885. ISBN 978-0-671-79932-8.
• Sivaram, Varun (2018). Taming the Sun: Innovation to Harness Solar Energy and Power the Planet. Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-03768-6.

Spoljašnje veze

• „DOE Closes on Four Major Solar Projects”. Renewable Energy World. 30. 9. 2011. Архивирано из оригинала 11. 11. 2011. г. Приступљено 09. 10. 2019.