OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE (2): ENERGIJA SUNCA

      ENERGIJA SUNCA (SOLAR ENERGY, SOLAR POWER)


    Sunce je nama najbliža zvezda i neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive energije na Zemlji. Sunčeva energija potiče od nuklearnih reakcija u njegovom središtu, gde temperatura dostiže 15 miliona °C. Radi se o fuziji, kod koje spajanjem vodonikovih atoma nastaje helijum, uz oslobađanje velike količine energije. Svake sekunde na ovaj način u helijum prelazi oko 600 miliona tona vodonika, pri čemu se masa od nekih 4 miliona tona pretvara u energiju. Ova se energija u vidu svetlosti i toplote širi u svemir i tako jedan njen mali deo dolazi i do Zemlje. Nuklearna fuzija odvija se na Suncu već oko 5 milijardi godina, kolika je njegova procenjena starost, a prema raspoloživim zalihama vodonika može se izračunati da će se nastaviti još otprilike 5 milijardi godina. Iako je sunčeva energija uzročnik većine izvora energije, u ovom poglavlju koncentrisaćemo se na direktno iskorišćavanje sunčeve energije. Pod optimalnim uslovima, na površini Zemlje može se dobiti 1 kW/m2, a stvarna vrednost zavisi od lokacije, godišnjeg doba, doba dana, vremenskih uslova itd. Na karti koja prikazuje insolacijski nivo vidi se da Evropa nije na posebno pogodnom području za eksploataciju, ali uprkos tome u Evropi je direktno iskorišćavanje sunčeve energije u velikom porastu. Većinom je to rezultat politike pojedinih država koje subvencionišu instaliranje elemenata za pretvaranje sunčeve energije u iskoristivi oblik energije. Osnovni problemi iskorišćavanja su mala gustoća energetskog toka, velike oscilacije intenziteta zračenja i veliki investicioni troškovi.


     Osnovni principi direktnog iskorišćavanja energije Sunca su:
- solarni kolektori (pripremanje vruće vode i zagrevanje prostorija)
- fotonaponske ćelije (direktno pretvaranje sunčeve energije u električnu energiju)
- fokusiranje sunčeve energije (upotreba u velikim energetskim postrojenjima)


     SOLARNI KOLEKTORI (SOLAR COLLECTORS, SOLAR THERMAL HEAT)


     Solarni kolektori pretvaraju sunčevu energiju u toplotnu energiju vode (ili neke druge tečnosti). Sistemi za grejanje vode mogu biti ili otvoreni, u kojima voda koju treba zagrejati prolazi direktno kroz kolektor na krovu, ili zatvoreni, u kojima su kolektori popunjeni tečnošću koja se ne smrzava (npr. antifriz). Zatvoreni sistemi mogu se koristiti bilo gde, čak i kod spoljašnjih temperatura ispod nule. Tokom dana, ako je lepo vreme, voda može biti grejana samo u kolektorima. Ako vreme nije lepo, kolektori pomažu u grejanju vode i time smanjuju potrošnju struje. Solarni kolektori su vrlo korisni i kod grejanja bazena. U tom slučaju temperatura vode je niska i jednostavnije je održavati temperaturu pomoću otvorenih sistema grejanja. Na takav način optimalna temperatura bazena održava se nekoliko nedelja više u godini nego bez sistema grejanja vode.

Solarni kolektori se najčešće montiraju na krov kuće.
Vrlo su pogodni za grejanje vode po sunčanom vremenu.
Kada je vreme loše mogu se koristiti u kombinaciji
sa električnim grejačem vode.

     Postoje i kolektori koji direktno greju vazduh. Ti sistemi cirkulišu vazduh kroz kolektore i na taj način prenose veliki deo energije na vazduh. Taj se vazduh kasnije vraća u grejanu prostoriju i na taj način se održava temperatura u prostoriji. Kombinacijom grejanja vazduha i grejanja vode može se postići vrlo velika ušteda.


     FOTONAPONSKE ĆELIJE (PHOTOVOLTAIC)


     Fotonaponske ćelije su poluvodički elementi koji direktno pretvaraju energiju sunčevog zračenja u električnu energiju. Efikasnost im je od 10% za jeftinije sa amorfnim silicijumom, do 25% za skuplje uređaje. Na slici desno prikazan je princip izrade fotonaponskih ćelija. Fotonaponske ćelije mogu se koristiti kao samostalni ili dodatni izvor energije. Kao samostalni izvor energije koristi se npr. na satelitima, saobraćajnim znacima, kalkulatorima i udaljenim objektima koji zahtevaju dugotrajni izvor energije. U svemiru je i snaga sunčevog zračenja mnogo veća jer Zemljina atmosfera apsorbuje veliki deo zračenja pa je i dobijena energija veća. Kao dodatni izvori energije fotonaponske ćelije mogu se na primer priključiti na električnu mrežu, ali za sada je to neisplativo.

Henri Becquerel

Albert Einstein

     Fotonaponski efekat počeo je 1839. godine posmatrati Henri Bekerel (Henri Becquerel) i na početku dvadesetog veka bio je predmet mnogih istraživanja. Jedina Nobelova nagrada koju je dobio Albert Ajnštajn (Albert Einstein) bila je za istraživanje solarne energije. 1954. su Bell Labs u SAD-u predstavili prvi fotonaponski članak koji je generisao upotrebljivu količinu električne energije, a do 1958. počelo je ugrađivanje u komercijalne aplikacije (naročito za svemirski program).


     FOKUSIRANJE SUNČEVE ENERGIJE (CONCENTRATING SOLAR POWER)

"Power Tower" konfiguracija
ogledala fokusira Sunčevu
energiju prema vrhu tornja.

     Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplotnih pogona. Fokusiranje se postiže pomoću mnogo sočiva ili češće pomoću ogledala složenih u tanjir ili konfiguraciju tornja. Na slikama su prikazane konfiguracije tipa "Power Tower" i "Dish". "Power Tower" konfiguracije koriste kompjuterski kontrolisano polje ogledala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj, koji onda pokreće glavni generator. Do sada su napravljeni demonstracioni sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ti novi sistemi imaju i mogućnost rada preko noći i za vreme lošeg vremena tako da pripremaju vruću tečnost u vrlo efikasni rezervoar (neka vrsta termo boce). 

"Dish" sistem fokusiranja.

     "Dish" sistemi prate kretanje Sunca i na taj način fokusiraju sunčevo zračenje. Postoji još i "Trough" sistem fokusiranja sunčevog zračenja, koji može biti vrlo efikasan. Takve elektrane mogu biti vrlo jake: u Kaliforniji je instalirana elektrana snage 354 MW. Kada nema dovoljno energije od Sunca, sistemi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu se bez većih problema prebaciti na prirodni gas ili neki drugi izvor energije. To je moguće jer Sunce koristimo za grejanje tečnosti, a kad nema Sunca zagrejemo tečnost na neki drugi način. Problem kod fokusiranja je veliki potrebni prostor za elektranu, ali to se rešava tako da elektrana radi npr. u pustinji. U pustinjama je ionako snaga sunčevog zračenja najizraženija. Veliki problem je i cena ogledala i sistema za fokusiranje.