energija sunčevog zračenja_finalna verzija

Energija Sunčevog zračenja

Seminarski rad iz kolegija Energija i energetska učinkovitost

David Matković, MBS: 0020

Pula, svibanj 2010.

ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA

SADRŽAJ

1. Uvod...............................................................................................................................4

2. Sunčevo zračenje.............................................................................................................5

2.1. Karakteristike Sunčevog zračenja................................................................................................7

2.2. Geometrijski odnos Zemlje i Sunca..............................................................................................8

2.3. Kretanje Sunca po nebu...............................................................................................................9

2.4. Spektar Sunčevog zračenja..........................................................................................................9

2.5. Djelovanje atmosfere na Sunčevo zračenje...............................................................................11

2.6. Bilanca Sunčevog zračenja na Zemlju........................................................................................13

3. Korištenje Sunčeve energije za grijanje vode i prostora.................................................15

3.1. Aktivno solarno grijanje.............................................................................................................15

3.1.1. Dijelovi aktivnih solarnih sustava........................................................................................15

3.1.2. Princip rada solarnih sustava za grijanje PTV-a i grijanje prostora......................................25

3.2. Pasivno solarno grijanje.............................................................................................................27

4. Korištenje Sunčeve energije za proizvodnju električne energije.....................................29

4.1. Solarna termalna postrojenja....................................................................................................29

4.1.1. STP sa paraboličnim protočnim koncentratorima...............................................................31

4.1.2. STP sa paraboličnim tanjurastim koncentratorima.............................................................34

4.1.3. STP sa solarnim tornjem.....................................................................................................35

4.1.4. Usporedba tehnologija koncentriranja Sunčevog zračenja.................................................36

4.1.5. Istraživanje i razvoj tehnologija koncentriranja Sunčevog zračenja....................................38

4.2. Fotonaponske ćelije i moduli.....................................................................................................39

4.2.1. Povijest razvoja solarnih ćelija............................................................................................39

4.2.2. Konstrukcija i princip rada solarnih ćelija...........................................................................40

4.2.3. Fotonaponski paneli (moduli).............................................................................................43

4.2.4. Primjena fotonaponskih ćelija............................................................................................45

4.2.5. Ekonomska analiza primjene fotonaponskih modula.........................................................47

4.2.6. Integracija fotonaponskih sustava u električnu mrežu.......................................................49

5. Sunčeva energija u RH i EU............................................................................................52


5.1 Korištenje Sunčeve energije u RH...............................................................................................52

5.1.1. Potencijal Sunčeve energije u RH.......................................................................................52

5.1.2. Korištenje solarnih kolektora u RH.....................................................................................54

5.1.3. Korištenje fotonaponskih (PV) ćelija u RH..........................................................................54

5.2. Buduće smjernice za korištenje Sunčeve energije u RH.............................................................55

5.2.1. Projekcije za RH..................................................................................................................55

5.3. Europski energetski projekt DESERTEC......................................................................................56

6. Zaključak.......................................................................................................................58

7. Korištena literatura.......................................................................................................59

8. Popis slika, tablica i grafikona........................................................................................60


1. Uvod

Energijom Sunca koristimo se oduvijek, od kad postoji ljudski rod. Sunce je nebesko tijelo, zvijezda najbliža Zemlji, bez nje je opstanak života na našem planetu nemoguć.

Biljke uz pomoć Sunčevog zračenja rastu i na taj način proizvode hranu koju jedu životinje. Poznato je kako su iz biljaka i životinja, koje su se prije više stotina milijuna godina raspadale bez prisustva zraka, nastali nafta, plin i ugljen.

Drugim riječima, fosilna goriva koja danas rabimo u stvari predstavljaju davno uskladištenu Sunčevu energiju. Izravno ili neizravno, sva energija koju iskorištavamo potječe od Sunca ili drugih zvijezda.

Energija Sunca osnovni je pokretač svih klimatskih i životnih ciklusa na Zemlji. Stoga jeSunce predstavljalo centar pravjerovanja brojnih civilizacija. Danas Sunce doživljavamo kaoizvor ugode i kao enormni neiskorišteni potencijal za podmirivanje energetskih potreba uz minimalan utjecaj na globalno zagrijavanje.

Sunčeva energija je obnovljiv i neograničen izvor energije od kojeg, izravno ili neizravno, potječe najveći dio drugih izvora energije na Zemlji. Sunčeva energija u užem smislu podrazumijeva količinu energije koja je prenesena Sunčevim zračenjem, a izražava se u J.

Sunčeva se energija u svojem izvornom obliku najčešće koristi za pretvorbu u toplinsku energiju za sustave pripreme potrošne tople vode i grijanja (u europskim zemljama uglavnom kao dodatni energent) te u solarnim elektranama, dok se za pretvorbu u električnu energiju koriste fotonaponski sustavi.

Pomoću solarnih kolektora Sunčevu energiju pretvaramo u toplinsku. Koristimo ih kod pripreme tople (vruće) vode i grijanja prostorija. U pripremi vruće vode postoje dva osnovna tipa sustava – zatvoreni i otvoreni. U otvorenim sustavima voda koju želimo zagrijati prolazi direktno kroz kolektor postavljen na krovu, a kod zatvorenih sustava kolektor je ispunjen tekućinom koja se ne smrzava. Prednost zatvorenih sustava je da se mogu koristiti bilo gdje, čak i onda kada vanjska temperatura padne ispod nule.

Kod solarnih elektrana Sunčevu energiju koristimo za grijanje tekućine, a to se postiže upotrebom mnogo leća ili zrcala složenih u «tanjur» (sistem prati kretanje sunca i na taj način fokusira Sunčevo zračenje), «tornjem» (kompjuterski kontrolirano polje zrcala za fokusiranje na Sunčevog zračenja na centralni toranj) ili koritastim kolektorima. Upotrebljavaju se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona.

Fotonaponske ćelije za direktnu pretvorbu sunčeve u električnu energiju. Sastoje se od poluvodičkih elemenata koji energiju sunčeva zračenja pretvaraju u istosmjernu električnu energiju. Koriste se kod potrebe o neovisnim izvorima energije (brodovi, sateliti, svjetionici). Osim manjih izvedbi, koriste se i kao velika postrojenja tkz. solarne elektrane.


2. Sunčevo zračenje

Sunce kao fuzijski reaktor svake sekunde pretvori oko 600 milijuna tona vodika u helij pri čemu se oslobađa ogromna količina energije koja se šalje u svemir u vidu elektromagnetnog, svjetlosnog, toplinskog, rentgenskog i drugih vidova zračenja. Od ukupno 3,8×1026 W energije koju Sunce zrači u svemir, Zemlja primi 1,7 ×1017 W (174 PW). Oko 30% primljene energije Zemlja reflektira natrag u svemir, oko 47% zadrži kao toplinu, oko 23% ide na proces kruženja vode u prirodi dok se ostatak "potroši" na fotosintezu.

Zemljina površina, atmosfera i oceani apsorbiraju Sunčevo zračenje, a to im povećava temperaturu. Povećava se topli zrak koji sadrži vodenu paru iz oceana uzrokujući cirkulacije atmosfere ili konvekcije. Kada zrak dosegne visoke nadmorske visine, gdje je temperatura niska, vodena para kondenzira u oblake iz kojih počne padati kiša na Zemljinu površinu i tako završava ciklus vode. Latentna toplina kondenzacije vode povećava konvekciju, proizvodi atmosferske fenomene poput vjetra, ciklona i anticiklona. Sunčeva svjetlost, apsorbirana od oceana i kopna, drži na površini temperaturu od 14 ˚C. Fotosintezom zelene biljke pretvaraju sunčevu energiju u kemijsku koja proizvodi hranu, drvo i biomasu od koje su izvedena fosilna goriva.

Ukupna solarna energija apsorbirana u Zemljinoj atmosferi, oceanima i kopnu iznosi oko 3.850.000 EJ (exajoules) godišnje. Godine 2002., to je bilo više energije u jednom satu nego što je svijet iskoristio u jednoj godini. Fotosinteza bilježi oko 3.000 EJ godišnje u biomasi. Količina sunčeve energije koja doseže površinu planeta je ogromna, tolika da je u jednoj godini dva puta veća od svih Zemljinih neobnovljivih izvora ugljena, nafte, prirodnog plina i miniranog uranijurana u kombinaciji koja će se ikad dobiti.

Sunčevo zračenje je kratkovalno zračenje koje Zemlja dobiva od Sunca. Izražava se u W/m2 , a ovisno o njegovom upadu na plohe na Zemlji može biti:

neposredno: zračenje Sunčevih zraka difuzno zračenje neba: raspršeno zračenje cijelog neba zbog pojava u atmosferi difuzno zračenje obzorja: dio difuznog zračenja koji zrači obzorje okosunčevo difuzno (cirkumsolarno) zračenje: difuzno zračenje bliže okolice

Sunčevog diska koji se vidi sa Zemlje odbijeno zračenje: zračenje koje se odbija od okolice i pada na promatranu plohu.

Sunčevo je zračenje važan prirodni faktor, jer stvara klimu na Zemlji te utječe na sveukupan okoliš.

Spektar Sunčevog zračenja obuhvaća radio-valove, mikrovalove, infracrveno zračenje, vidljivu svjetlost, ultraljubičasto zračenje, X-zrake i Y-zrake. Najveći dio energije pri tome predstavlja IC zračenje (valne duljine > 760 nm), vidljiva svjetlost (valne duljine 400 - 760 nm) te UV zračenje. U spektru je njihov udio sljedeći: 40% čini IC zračenje, 10% UV zračenje, a 50% vidljiva svjetlost, što je prikazano na slici 1.

http://hr.wikipedia.org/wiki/Uranij

http://hr.wikipedia.org/wiki/Prirodni_plin

http://hr.wikipedia.org/wiki/Nafta

http://hr.wikipedia.org/wiki/Godina

http://hr.wikipedia.org/w/index.php?title=Exaoules&action=edit&redlink=1

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fosilna_goriva

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fosilna_goriva

http://hr.wikipedia.org/wiki/Biomasa

http://hr.wikipedia.org/wiki/Drvo

http://hr.wikipedia.org/wiki/Hrana

http://hr.wikipedia.org/wiki/Proizvodnja

http://hr.wikipedia.org/wiki/Biljke

http://hr.wikipedia.org/wiki/Celzijev_stupanj

http://hr.wikipedia.org/wiki/Anticiklona

http://hr.wikipedia.org/wiki/Ciklona

http://hr.wikipedia.org/wiki/Ocean

http://hr.wikipedia.org/wiki/Atmosfera

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fotosinteza

http://hr.wikipedia.org/wiki/Voda

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vat

http://hr.wikipedia.org/wiki/Svemir

http://hr.wikipedia.org/wiki/Helij

http://hr.wikipedia.org/wiki/Vodik

http://hr.wikipedia.org/wiki/Fuzija


Slika 1. Struktura Sunčevog zračenja

Na slici 2 je vidljivo koliko je značajno Sunčevo zračenje u svjetskim projekcijama održivog razvoja. Sunčeva energija će prema sadašnjim predviđanjima 2100. godine biti primarni izvor energije, te će njena uporaba biti veća od svih ostalih izvora zajedno. Ukratko, Sunčeva energija se sa pravom može smatrati energijom budućnosti.

Slika 2. Svjetske projekcije za korištenje različitih izvora energije do 2100. godine

Koristi od Sunčevog zračenja

- Solarna postrojenja reduciraju emisije CO2 u atmosferu- Pretvaranje solarne energije u električnu je postalo vrlo profitabilnom aktivnošću- Solarni sistemi imaju veliki potencijal u smanjenju troškova- Konstrukcija, eksploatacija i održavanje solarnih postrojenja zahtijevaju popriličan

broj zaposlenika, što dovodi do otvaranja brojnih radnih mjesta- U toj tehnologiji već postoji zavidan 'know-how' i iskustvo


2.1. Karakteristike Sunčevog zračenja

Energija Sunčeva zračenja koja dopire do vanjskog ruba Zemlje ovisno o udaljenosti Zemlje od Sunca iznosi 1307-1399 W/m2 na plohu okomitu na smjer zračenja.

Srednja vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu naziva se solarna konstanta i iznosi E0sr =1367.7 W/m2

Za različite udaljenosti Zemlje od Sunca stvarna vrijednost Sunčeva zračenja na okomitu plohu je:

E0=E0 sr ( rR )2

gdje je: r – srednja udaljenost Zemlje od Sunca R - stvarna udaljenost Zemlje od Sunca (za promatrani dan može se smatrati konstantnom)

Prosječna mjesečna ili godišnja energija Sunčeva zračenja u nekom mjesecu dobiva se kao aritmetička sredina dnevnih energija za sve dane u promatranom mjesecu/godini.Ipak, pri prolasku kroz atmosferu dolazi do gubitaka energije izravnog Sunčevogzračenja, ovisno o atmosferskim prilikama (vedro, poluoblačno, oblačno) zagađenosti atmosfere i nadmorskoj visini!

Maksimalni dotok energije do Zemljine površine iznosi u prosjeku dnevno 920 W/m2

na plohu okomitu na smjer zračenja.

Energija sunčeva zračenja zbog rotacije raspoređuje se površinom Zemlje, pa na površinu Zemlje dolazi prosječno dnevno 230 W/m2,

To daje dnevno 5.52 kWh/m2 energije, ovisno o trajanju insolacije (zemljopisna širina, godišnja dob), te naoblaci i zagađenosti (atmosferskim uvjetima).Površina Zemlje je 510072000 km2 što daje godišnju energiju Sunčeva zračenja od oko 109 TWh/god (ogromno!)

Slika 3 uspoređuje preko volumena kocke energiju Sunca dozračenu na Zemlju (1) sa rezervama primarnih izvora energije i ukupnom godišnjom svjetskom potrošnjom energije (7).

Slika 3. Volumni odnos izvora energije


Nedvojbeno je da se radi o enormnim količinama energije mnogostruko većim od svih rezervi ugljena (4), prirodnog plina (3), nafte (5) i urana (6) zajedno. Iznos trenutno korište sunčeve energije prikazuje najsitnija kocka broj 2.

Nedostaci Sunčeve energije:

No, pri tome postoje veliki problemi pri iskorištavanju:

1. Mala gustoća energetskog toka,

2. Oscilacija intenziteta (jakosti) zračenja tijekom dana,

3. Ovisnost zračenja o klimatskim uvjetima,

4. Intezitet zračenja ne poklapa se s intenzitetom potrošnje,

5. Nemogućnost skladištenja,

6. Trenutna neisplativost (osobito za fotonaponske ili sunčeve ćelije – PV) u usporedbi s

ostalim izvorima energije

Stoga se Sunčeva energija trenutno izravno koristi uglavnom za dobivanje toplinske energije, a za sada samo u malom udijelu za izravno pretvaranje u električnu energiju (fotonaponska pretvorba)

2.2. Geometrijski odnos Zemlje i Sunca

Rotacija Zemlje oko svoje osi uzrokuje smjenu dana i noći, no duljinu trajanja dana određuje okretanje Zemlje oko Sunca (revolucija Zemlje). Zemlja se giba oko Sunca zatvarajući kružnicu koja se naziva ekliptika. Zemljina ekvatorijalna ravnina je uvijek nagnuta u odnosu na ravninu ekliptike za 23,5° odnosno Zemljina os rotacije zatvara s ravninom ekliptike kut od 66,5° (slika 4). Zbog tog nagiba sjeverna polutka je ljeti nagnuta prema Suncu, a zimi nagnuta od Sunca što je uzrok pojave godišnjih doba.

Slika 4. Geometrijski odnos Zemlje i Sunca


2.3. Kretanje Sunca po nebu

Najvažniji faktor koji treba uzeti u obzir pri projektiranju pasivnih sunčanih sustava je kretanje Sunca po nebu tijekom dana i tijekom godine. Položaj Sunca na nebu se u svakom trenutku može opisati s dva podatka, visinom i azimutom Sunca. Vrlo jednostavan način prikazivanja kretanja Sunca po nebu je Sunčev dijagram. Sunčev dijagram možemo prikazati u cilindričnom ili polarnom koordinatnom sustavu. Oba dijagrama prikazuju jednaku informaciju na različit način.

Cilindrični Sunčev dijagram je nešto popularniji način prikazivanja kretanja Sunca po nebu. Na njemu se u pravokutnom koordinatnom sustavu prikazuje kretanje Sunca kako to izgleda promatraču koji je okrenut točno na jug. Na cilindrični Sunčev dijagram se mogu ucrtati konture okolnih prepreka kako bi se predvidjelo kako će ti objekti zasjeniti Sunce tijekom

godine.

Na slici 5 se nalazi cilindrični Sunčev dijagram sa ucrtanim okolnim objektima.

Slika 5. Cilindrični Sunčev dijagram

2.4. Spektar Sunčevog zračenja

Elektromagnetsko (dalje EM) zračenje je emitiranje i prijenos energije iz nekog izvora poremećajima električnog i magnetskog polja. Područja u spektru elektromagnetskih valova obično dijelimo ovisno o utjecaju na organizme. Što je valna duljina valova manja (frekvencija je veća), veća je energija zračenja. To znači da su valovi kratkih valnih duljina prodorniji, prolaze kroz tvari i imaju veći učinak na organizme.

Sunce emitira EM valove valnih duljina od 0.2 do 24 mikrometra odnosno emitira zračenje u području UV zračenja, vidljive svjetlosti i infracrvenog zračenja. To zračenje nazivamo i kratkovalno zračenje. Najviše energije Sunce emitira u području vidljive svjetlosti.


Na slici 6 je predočena promjena energije elektromagnetskih valova ovisno o valnoj duljini.

Slika 6. Spektar elektromagnetskog zračenja

Na slici 7 je prikazano Sunčevo zračenje na vrhu atmosfere, zračenje crnog tijela i Sunčevo zračenje pri tlu.

Površina ispod crne linije na slici 6 je količina energije (ovisno o valnoj duljini) koju bi emitiralo savršeno crno tijelo jednake temperature kao i površina Sunca.

Žuta površina je količina energije koja dolazi sa Sunca do vrha Zemljine atmosfere.

Pri prolazu kroz atmosferu mijenja se količina i smjer Sunčevog zračenja, ali najveći dio zračenja prolazi nesmetano kroz atmosferu i dolazi do tla. Kažemo da je atmosfera propusna za kratkovalno Sunčevo zračenje.

Crvena površina prikazuje količinu zračenja ovisno o valnoj duljini koja dolazi do tla. Vidimo da atmosfera jako upija ultraljubičasti i infracrveni dio spektra, a uopće ne propušta ultraljubičasto zračenje valnih duljina manjih od 0.38 mikrometara. Također atmosfera ne propušta infracrveno zračenje valnih duljina većih od 7 mikrometara.


Slika 7. Spektar Sunčevog zračenja

2.5. Djelovanje atmosfere na Sunčevo zračenje

Nailaskom Sunca na Zemljinu atmosferu, događaju se procesi koji djeluju na intenzitet Sunčevog zračenja. Procesi su prikazani na slici 8.

- propuštanje ili transmisija - atmosfera je najvećim dijelom propusna za Sunčevo zračenje.

- refleksija ili odbijanje - dio zračenja se odbija-reflektira od oblaka, tla i većih čestica u atmosferi te same atmosfere i odlazi u više slojeve atmosfere i u Svemir.

- disperzija ili raspršivanje - energija zračenja uzrokuje titranje čestica i molekula koje zatim emitiraju istu količinu zračenja u okolinu , ali u različitim smjerovima. Ovu pojavu nazivamo raspršivanje ili disperzija. Upravo zbog raspršivanja imamo dnevno svjetlo i u zasjenjenom području, dnevnu svjetlost kada je oblačno i ne vidimo Sunce i sl. Raspršivanjem se dakle mijenja smjer upadnog sunčevog zračenja (raspršeno ili difuzno zračenje).

- apsorpcija ili upijanje - dio zračenja određenih frekvencija upijaju plinovi u atmosferi, koriste tu energiju za kemijske i fotokemijske procese, a tek manji dio primljenog zračenja emitiraju natrag u okolinu. Vidimo da su najaktivniji sastojci atmosfere ozon koji upija UV zračenje, kisik koji upija vidljivo zračenje, a vodena para, metan te CO2 upijaju infracrveno zračenje.

Slika 8. Prikaz procesa kojima atmosfera djeluje na Sunčevo zračenje

Transmisija-propusnost, disperzija-raspršivanje, refleksija-odbijanje i apsorpcija-upijanje su procesi kojima je Sunčevo zračenje podvrgnuto u atmosferi. Sunčevo zračenje koje odlazi s površine Sunca prelazi put od gotovo 150 mil. km kroz svemir i nepromjenjeno dolazi do vrha atmosfere da bi pri prolazu kroz atmosferu na putu od 1000 km došlo do promjene smjera i količine zračenja.


Svi navedeni procesi se odvijaju na oblacima u atmosferi te mnogi znanstvenici ističu da su upravo oblaci “kontrolni mehanizam” koji određuje raspodjelu zračenja na našem planetu. Naoblaka, vrsta oblaka, debljina oblaka, položaj u odnosu na Sunce, interakcija zračenja između oblaka i tla, višestruka refleksije između oblaka, sve su to uvjeti koji određuju količinu zračenja koja će dospjeti do tla.

Slika 9 pokazuje šta se događa sa Sunčevim zračenjem kad dođe do tla:

- Dio se odbija (reflektira) i to ovisi o svojstvima površine i kutu upada Sunčevih zraka (nije prikazano na dijagramu),

- Preostali dio Sunčevog zračenja zagrijava površinu, uključujući i biljke, vodu, pokrov, - Dio energije tla se koristi za isparavanje vode s površine i s biljaka. (da bi voda prešla

u više energetsko stanje-vodenu paru porebno je uložiti energiju - Toplina s površine ulazi u tlo procesom vođenja topline ili kondukcijom,- Toplina odlazi s površine u obliku uzlaznih struja (sensible heat). Naziv “senzibilna ili

osjetna toplina” je uzeta zato jer je možemo osjetiti.

Slika 9. Sunčevo zračenje u atmosferi


2.6. Bilanca Sunčevog zračenja na Zemlju

Slika 10. Bilanca Sunčevog zračenja na površinu Zemlje

Iz slike 10 koja prikazuje bilancu Sunčevog zračenja na površinu Zemlje se mogu izvući sljedeći zaključci:

- tlo upija kratkovalno Sunčevo zračenje, zagrijava se i ovisno o temperaturi površine emitira dugovalno IC zračenje. Također s površine tla u atmosferu odlazi energija u obliku senzibilne topline i latentne topline. Plinovi u atmosferi propuštaju kratkovalno zračenje Sunca, a upijaju dugovalno zračenje tla.

- tlo je svojevrstan “pretvarač energije”, koji EM zračenje sa Sunca pretvara u oblike energije kojima se zagrijava zrak, tlo i vode, koriste je biljke i ostali organizmi. Tako promjene u strukturi pokrova uzrokovane prirodnim procesima i posebno djelovanjem čovjeka imaju neposredan utjecaj na bilancu energije našeg planeta. Svaka promjena pokrova utječe na količinu „pretvorene”energije. Kao što npr. električni štednjak pretvara električnu energiju u toplinsku, hidroelektrana pretvara mehaničku energiju u električnu, a automobil pretvara kemijsku energiju u električnu, mehaničku, toplinsku odnosno oblike energije koje možemo koristiti.

- površinska temperatura je temperatura pri kojoj dolazi do emisije energije s površine u obliku elektromagnetskog zračenja. Površinska temperatura ovisi o: dozračenoj količini energije (doba godine i dana, geografska širina, naoblaka i vrsta

oblaka, prozirnost atmosfere odnosno količina aerosola), vrsti pokrova i količini vlage na površini.


- tlo je svojevrstan “pretvarač energije” koji kratkovalno zračenje koje dolazi sa Sunca i prolazi gotovo nepromjenjeno kroz atmosferu pretvara u dugovalno zračenje tla. Dio primljene Sunčeve energije se reflektira od tla, a dio energije tlo upija (apsorbira) i zagrijava se. Energija se zatim s površine tla prenosi vođenjem odnosno dodirom između čestica tla prenosi u dublje slojeve (nekoliko metara), a dijelomično tlo emitira zračenje i pri tome se hladi. Površinska temperatura se može odrediti ako mjerimo količinu zračenja u infracrvenom dijelu spektra. Svako tijelo zrači (emitira) energiju u obliku elektromagnetskih valova ovisno o svojoj temperaturi. Što je temperatura tijela viša , tijelo emitira valove više frekvencije odnosno kraćih valnih duljina. Tako površina Sunca (oko 5500 0C) emitira kratkovalno zračenje, a naše tijelo ili površina tla emitiraju dugovalno odnosno infracrveno zračenje.

- kolika je površinska temperatura ćete osjetiti ako rukom dotaknete tlo ili hodate bosi. Ljeti je velika razlika između temperature pločnika i travnate površine i sigurno ste i sami uočili razliku


3. Korištenje Sunčeve energije za grijanje vode i prostora

U prošlosti se energija Sunca naveliko koristila za zagrijavanje vode potrebne u kućanstvu. Međutim, kad su se na tržištu pojavila fosilna goriva pristupačne cijene, zagrijavanje vode plinom ili lož-uljem istisnulo je tradicionalnu uporabu Sunčeve energije. Danas interes za korištenje Sunčeve energije u pripremi potrošne tople vode ponovno raste zbog rastuće cijene fosilnih goriva kao i zbog jačanja svijesti o potrebi očuvanja okoliša. Suvremena oprema za proizvodnju tople vode - kolektori Sunčeve topline - montira se na krov kuće. U njima se nalaze cijevi s vodom koja se zagrijava pod utjecajem Sunčevih zraka.

Solarna energija pruža električnu energiju pomoću toplinskih strojeva ili fotonaponskih sustava. Jednom pretvorena, njena upotreba je ograničena samo ljudskom genijalnošću. Djelomični popis solarnog sustava uključuje prostor za grijanje i hlađenje kroz solarnu arhitekturu, pitku vodu kroz destilaciju i dezinfekciju, toplinsku energiju za kuhanje i visoku temperaturu procesa topline za industrijske svrhe.

Solarne tehnologije su široko karakterizirane ili kao pasivne solarne ili aktivne solarne, ovisno o načinu sakupljanja, pretvaranja i distribuiranja sunčevog svjetla. Aktivne solarne tehnike uključuju uporabu solarnih termičkih kolektora (s električnom ili mehaničkom opremom) kako bi pretvorili sunčevu svjetlost u korisne izlazne jedinice. Pasivne solarne tehnike uključuju orijentaciju zgrade prema Suncu, odabir materijala s povoljnim termalnim svojstvima ili svojstvima raspršivanja svjetlosti te projektiranje prostora kod kojih prirodno cirkulira zrak, koji se korištenjem spomenutih metoda zagrijava.

3.1. Aktivno solarno grijanje

Solarni sustavi su izvori topline za grijanje prostora i pripremu PTV-a (potrošne tople vode) koji kao osnovni izvor energije koriste toplinu dozračenu od Sunca, odnosno Sunčevu energiju. Solarni se sustavi za grijanje u najvećem broju slučajeva koriste kao dodatni izvori topline, dok kao osnovni služe plinski, uljni ili električni kotlovi. Njihova je primjena kao osnovni izvori topline za sustave grijanja rijetka i ograničena na područja s dovoljnom količinom Sunčevog zračenja tijekom cijele godine, u kojima su ujedno i klimatski uvjeti povoljniji pa je sezona grijanja kratka. Solarni se sustavi stoga ponajviše koriste za pripremu PTV-a.

3.1.1. Dijelovi aktivnih solarnih sustava

Osnovni dijelovi aktivnih solarnih sustava su:

- kolektor- spremnik tople vode s izmjenjivačem topline- solarna stanica (solarni set) s crpkom i regulacijom- razvod s odgovarajućim radnim (solarnim) medijem.


1. Kolektor

- osnovni dio svakog solarnog sustava i u njemu dolazi do pretvorbe Sunčeve u toplinsku energiju. Dozračena Sunčeva energija prolazi kroz prozirnu površinu koja propušta zračenje samo u jednom smjeru te se pretvara u toplinu koja se predaje prikladnom prijenosniku topline: solarnom radnom mediju (najčešće smjesi vode i glikola).

U njihove najvažnije dijelove ubrajaju se:

- kućište s odgovarajućom toplinskom izolacijom, priključcima, sabirnim vodovima i pričvrsnim elementima

- apsorberske plohe koje služe za potpunu apsorpciju toplinskog (IC) dijela Sunčevog zračenja i njegovu pretvorbu u korisnu toplinu

- pokrov koji se izrađuje od uobičajenog prozorskog ili vodenog bijelog stakla ili od polimernih materijala ojačanih staklenim vlaknima.

Dvije osnovne izvedbe kolektora prikazane su na slici 11.

Slika 11. Dvije osnovne izvedbe kolektora


a) Pločasti solarni kolektor

- koristi se za dobivanje potrošne tople vode, temperature do 80 0C

- radna temperatura: 40-60 0C

- godišnja efikasnost: 50-60%

Sastoji se od apsorberske ploče sa pričvršćenim cijevnim registrom, pokrovnim staklom i stražnjom izolacijom, sve smješteno u kućište (najčešće aluminijsko), što je prikazano na slici 12.

Slika 12. Dijelovi pločastog kolektora

Apsorberska ploča – selektivni premaz visokoapsorpcijskih svojstava za kratkovalno zračenje (α=0 .9−0.96 ) i male emisivnosti (ε=0 .06−0.2 ) u području dugih valova (IC).

Pokrovno staklo – koeficijent transmisije za kratkovalno zračenje je τ=0 .9−0 .95 , a za dugovalno τ<0.02

Radni fluid – voda, propilen-glikol/voda

Stražnja izolacija – 30-50mm

b) Vakuumski solarni kolektor

Vakuumski kolektor (slika 13) se sastoji od vakuumske (Dewarove) cijevi sa ili bez reflektirajućih zrcala koja usmjeravaju difuzno i direktno zračenje na selektivni apsorber (ε=0 .9−0 .95 ), što je prikazano na slici 14.

Radni medij – voda, alkohol, glikol

Ovi tipovi kolektora su skuplji od pločastog tipa, osjetljivi na gubitak vakuuma, pogodniji za hladne klime s manjom insolacijom.

Slika 13. Vakuumski kolektor


veća efikasnost u zimskim mjesecima, a u ljetnim mjesecima omogućuju postizanje većih temperatura

znatno viša cijena od pločastih, koja ne prati povećanje efikasnosti, te gubitak vakuuma tijekom nekoliko godina korištenja, a time i pad efikasnosti

loš omjer radne površine apsorbera i ukupne površine kolektora (veća ugradna površina u odnosu na većinu pločastih kolektora)

¸

Slika 14. Dijelovi vakuumskog solarnog kolektora

Raspodjela strujanja u kolektorima i spajanje u grupe

Paralelni spoj (slika 15): niži pad tlaka, ali zahtijeva veću duljinu cijevovoda i veće promjere zbog većih vrijednosti protoka

Slika 15. Paralelni spoj kolektora

Serijski spoj (slika 16): uslijed nižih vrijednosti protoka veće je povećanje temperature pri svakom prolazu fluida kroz grupu, a time su više i izlazne temperature. Znatno je veći pad tlaka kroz pojedinu grupu uslijed duljeg puta pojedine strujnice fluida od ulaza do izlaza iz grupe


Slika 16. Serijski spoj kolektora

Zbog većih radnih temperatura, serijski spojeni kolektori rade s manjom efikasnošću, no ponekad je takav način spajanja neizbježan (pogotovo u područjima s niskom insolacijom).

Ovisno o godišnjem dobu, mjenja se i optimalan kut postavljanja kolektora, što je prikazano u tablici 1, kao i na slici 18.

Tablica 1. Optimalni nagib kolektora

Osim o kutu postavljanja, efikasnost solarnog sustava ovisi i o smještaju kolektora u pogledu strana svijeta, pa tako na slici 17 vidimo opadanje sunčanog doprinosa sa odstupanjem od juga, a na slici 18 se vidi promjena položaja Sunca ovisno o periodu kalendarske godine.

Slika 17. Gubitak sunčanog doprinosa odstupanjem od juga


Slika 18. Promjena položaja Sunca na horizontu

2. Solarni spremnik topline

- dio toplinskog sustava koji služi za privremenu pohranu (akumulaciju) toplinske energije koja je prikupljena solarnim kolektorima (prikazan na slici 19).

Omogućava rad solarnog sustava, odnosno pripremu PTV-a i/ili potporu sustavu grijanja, čak i kada solarni kolektori ne rade (npr. noću ili kod iznimno oblačnog vremena).

Dvije osnovne izvedbe spremnika:

- jednostavan - samo za pripremu PTV-a- kombiniran - za sustave grijanja (sastavljen od dva spremnika - jednog u drugom).

U oba slučaja, spremnik mora biti dobro izoliran.

Slika 19. Solarni spremnik topline


3. Solarna stanica (solarni set)

- sadrži sve komponente za prijenos topline, kao i sigurnost rada sustava (prikazan na slici 20).

- s crpkom predstavlja središnji dio cijelog solarnog sustava jer omogućava strujanje solarnog medija, dok automatska regulacija vodi računa o sigurnom pogonu cijelog sustava i usklađivanju njegovog rada sa sustavom grijanja i pripreme PTV-a, odnosno uvjetima u okolici kao što su promijenjene potrebe za toplinom, iznimno niske ili visoke vanjske temperature koje mogu oštetiti sustav i sl. Treba napomenuti da postoje i izvedbe solarnih sustava koje ne koriste crpku (tzv. termosifonski sustavi), već se u njima strujanje osniva na gravitacijskom djelovanju zbog razlike temperatura, odnosno gustoće solarnog medija.

Slika 20. Solarni set

Prednost gotovog seta je brza montaža i minimalna mogućnost izostavljanja dijelova.

Sigurnosna, mjerna i zaporna oprema

- uključuje elemente solarnog sustava koji onemogućava povišenje temperature i tlaka u njemu iznad određenih vrijednosti, odnosno štete koja bi zbog toga mogla nastati

Ekspanzijska posuda

- u solarnim sustavima i u sustavima grijanja služi za preuzimanje volumnih rastezanja solarnog medija pri promjenama temperature (prikazana na slici 21)

- mora zadovoljiti zahtjeve za povišenim temperaturama u sustavu- ekspanzijska posuda i sigurnosni ventil pri izvođenju solarnog sustava se namještaju

prema najnižem radnom predtlaku u solarnom krugu- ekspanzijska posuda se dimenzionira prema radnom tlaku, volumenu solarnog medija

i najvišoj temperaturi koja može nastati u sustavu

Slika 21. Ekspanzijska posuda


Cirkulacijska pumpa

- služi za ostvarivanje prisilnog strujanja solarnog medija unutar solarnog sustava (prikazane na slici 22.)

- treba voditi računa o najvišoj dopuštenoj radnoj temperaturi (kod većine crpki za sustave grijanja iznosi oko 110oC), pri odabiru dati prednost crpkama sa mogućnošću automatske regulacije broja okretaja.

- u pravilu se ugrađuje u povratni vod čime se onemogućava doticaj sa solarnim medijem visoke temperature

- ispred i iza nje obvezno se ugrađuje zaporni ventil (za potrebe servisa i zamjene)

- visina dobave za solarne crpke uobičajeno iznosi 2-6 m, što odgovara padu tlaka 200-600 mbar.

Slika 22. Cirkulacijske pumpe

Sigurnosni ventil

- služi za ispoštanje viška solarnog medija u slučaju prekoračenje vrijednosti najvišeg dopuštenog tlaka u cijevnom razvodu

Manometar

- služi za nadzor tlaka i namještanje najnižeg radnog predtlaka

Od zaporne i mjerne opreme treba spomenuti:

- nepovratne ventile (gravit. kočnicu),- ventile za punjenje,- zaporne ventile,- odzračne ventile,- hvatače nečistoća (filtere),- termometre,- mjerila toplinske energije (kaloriometre itd.)

Diferencijalna automatika za regulaciju temperature

Solarni toplinski sustavi moraju se opremiti elementima (jedinicama) za automatsku regulaciju zbog:

- ispravnog rada cijelog sustava


- prilagođavanja zadanim uvjetima (potrebom za toplinom, Sunčevom zračenju, dogrijavanjem).

Regulacija se zasniva na stalnom mjerenju temperatura (u kolektoru, spremniku itd) na osnovu čega se uključuje ili isključuje cirkulacijska crpka. Na slici 23 je prikazana upravljačka jedinica diferencijalne automatike za regulaciju temperature

- jedan od osnovnih zadataka automatike, pri čemu se stalno mjere temperature na kolektoru i u spremniku, te se na osnovi temperaturne razlike uključuje/isključuje

cirkulacijska crpka

Vrijednost temperaturne razlike iznosi:

a. za uključivanje cirkulacijske crpke :- uobičajena: 2-120C- preporučljiva (standardna): 5-80Cb. za isključivanje cirkulacijske crpke :- uobičajena: 1-100C- preporučljiva (standardna): 3 0C

Slika 23. Upravljačka jedinica diferencijalne automatike

4. Razvod s odgovarajućim radnim (solarnim) medijem

Cijevni razvod (cijevovod) služi za povezivanje solarnog sustava u funkcionalnu cjelinu (prikazan na slici 24).

Cijevi pri tome mogu biti:

- bakrene DIN 1786- čelične- od umreženog polietilena

Najčeće se koriste bakrene cijevi prema DIN 1786 standardu.

Slika 24. Cijevni razvod

Cijevi trebaju biti toplinski izolirane, a kao materijal za toplinsku izolaciju najčešće se koristi predgotovljena cijevna izolacija od polimernog materijala sa strukturom zatvorenih ćelija (do 105oC), a kod odabira je potrebno obratiti pozornost na najviše temperature solarnog medija. Primjeri izolacije cijevnih razvoda prikazani su na slici 25.


U područjima izvan zgrade (na otvorenom) mora biti otporna na vremenske utjecaje (vlaga, UV zračenje i dr.).

Slika 25. Primjeri izolacije cijevnih razvoda

Cijevni razvod solarnog sustava dimenzionira se u odnosu na zahtijevanu brzinu strujanja solarnog medija i pad tlaka kroz cijevi.

Kod manjih solarnih sustava promjer cijevi se s dovoljnom točnošću može odrediti orijentacijski, na osnovi površine kolektora i ukupne duljin cijevnog razvoda ili visinske razlike kolektora i spremnika.

Solarni medij je tvar koja struji (cirkulira) kroz sustav, odnosno cijevi razvoda solarnog kruga od kolektora do spremnika u kojemu dolazi do izmjene topline s potrošnom toplom vodom ili ogrjevnim medijem sustava grijanja. Kao solarni medij najčešće služi voda, odnosno njezina smjesa s glikolom ili drugim sredstvima za sprječavanje smrzavanja.

Nekoliko osnovnih zahtjeva kod sastava solarnog medija:

- veliki specifični toplinski kapacitet,- mali viskozitet,- visoko vrelište (više od 120 0C),- nisko ledište (niže od -20 0C),- nekorozivnost i neagresivnost na materijale cijevnog razvoda,- nezapaljivost i neotrovnost,- biološka razgradivost.

Vrste solarnog fluida:

Etilen-glikol se s vodom najčešće miješa u omjeru 35-55%. Udio etilen-glikola od 35% omogućava zaštitu od smrzavanja do -200C. Smjesa sa etilen-glikolom je s troškovnog gledišta povoljno rješenje, no valja naglasiti da je etilen-glikol otrovan.

Propilen-glikol se s vodom najčešće miješa u omjeru 40-60%. Udio propilen-glikola od 40% u smjesi omogućava zaštitu od smrzavanja do -220C. Smjesa propilen-glikola je s troškovnog gledišta skuplja od etilen-glikola, no buduće da je neotrovan mnogo je sigurniji u primjeni.


3.1.2. Princip rada solarnih sustava za grijanje PTV-a i grijanje prostora

Nakon što su poznate sve komponente takvog sustava i njihova svrha u njemu može se na jednostavan način opisati princip rada takvih sustava. Na slikama 26 i 27 su prikazana dva takva sustava, te je objašnjen njihov princip rada.

a) Solarni sustav za pripremu potrošne tople vode

Slika 26. Solarni sustav za pripremu potrošne tople vode

Sunce zagrijava apsorber u kolektoru i solarni fluid koji u njemu cirkulira, Fluid se pomoću cirkulacijske pumpe prenosi do donjeg izmjenjivača u spremniku, U spremniku se preko izmjenjivača zagrijava PTV, Solarna automatika uključuje cirkulacijsku crpku u solarnom krugu uvijek i samo onda

kada je temperatura u kolektoru veća od one u donjem dijelu spremnika. Razlika temperature utvrđuje se pomoću temperaturnog osjetnika na kolektoru i

solarnom spremniku tople vode. Ako temperatura padne ispod određene granice, automatika isključuje crpku

solarnog kruga, jer se ne može očekivati značajno energetsko iskorištenje, a crpka ne bi trebala beskorisno trošiti električnu struju.


Ako Sunčeva energija nije dostatna za zagrijavanje PTV-a istu je potrebno dodatno zagrijati na zadanu temperaturu pomoću drugog konvencionalnog energenta/izvora

(struja, plin, drvo i sl.).

b) Solarni sustav za pripremu potrošne tople vode i pomoć u grijanju prostora

Slika 27. Solarni sustav za pripremu potrošne tople vode i pomoć u grijanju prostora

Sunce zagrijava apsorber u kolektoru i solarni fluid koji u njemu cirkulira, Fluid se pomoću cirkulacijske pumpe prenosi do donjeg izmjenjivača u spremniku, U spremniku se preko izmjenjivača zagrijava PTV, Solarna automatika uključuje cirkulacijsku crpku u solarnom krugu uvijek i samo onda

kada je temperatura u kolektoru veća od one u donjem dijelu spremnika. Iz manjeg spremnika, koji je u solarnom spremniku uronjen u kotlovsku vodu (vodu za

grijanje prostora), koristimo sanitarnu vodu Kod potrebe za grijanjem prostora voda zagrijana sunčevom energijom iz donjeg

dijela spremnika odlazi u sustav centralnog grijanja (podno, zidno, radijatorsko itd.) U slučaju izostanka dovoljne količine sunčeve energije, kao dodatni izvor za

dogrijavanje može poslužiti kotao, kamin, toplotna pumpa i dr. Ovaj sustav je naročito isplativ u turizmu:- ljeti imamo puno tople sanitarne vode- zimi imamo toplu vodu i grijanje sunčevom energijom


3.2. Pasivno solarno grijanje

Najstariji oblik korištenja energije Sunčeva zračenja je u pasivnoj arhitekturi. Pasivna gradnjaponajprije znači da se stambene cjeline i objekti grade tako da se čim više zagrijavaju kada jetijekom godine hladno i da se što manje zagrijavaju kada je toplije godišnje doba. Ovo jemoguće postići zahvaljujući činjenici da je kut (deklinacija) pod kojim se Sunce, u krajevimasjeverno od ekvatora, nalazi tijekom ljeta veći od onoga preko zime. Pasivno rješenjepredstavlja nadstrešnica na južnom dijelu nastambe. Ljudi ovo koriste već više od dvamilenija.

Pasivna primjena Sunčeve energije se osniva na primjeni tako izvedenih građevinskih elementa i materijala koji trebaju biti optimalno, a ne samo estetski, oblikovani i međusobno funkcionalno povezani. Geometrijski oblik, veličina i visina zgrade, toplinski kapacitet pojedinih zidova i prostorija, toplinska zaštita zgrade i, posebice, njezinih pojedinih dijelova, ostakljenost, zaštita od vjetra, kiše, vlage, ali i od Sunca ljeti, fizikalna svojstva korištenih građevinskih i konstruktivnih materijala te kvaliteta građenja u energetskom smislu značajno utječu na udobnost boravka u takvim zgradama, ali i na njihovu ukupnu energetsku potrošnju cijele godine, uz ostale vidove potrošnje, uključujući grijanje zimi i hlađenje ljeti. U širem kontekstu, na pasivnu energetiku zgrade ne utječu samo arhitekt i izvođač radova, već i urbanistički plan gradnje u naselju, raspored i međusobna udaljenost pojedinih zgrada, smjerovi glavnih prometnica u naselju u odnosu na dominantni smjer vjetra, lokalne klimatsko-meteorološke značajke, blizina mora, konfiguracija okolnog tla, blizina i smjer najbližih onečišćivača okoliša (npr. zastarjele industrije) i dr.

Pasivna gradnja dodatno može biti u dobroj izolaciji objekta; zidovima i podovimakoji imaju dodatnu masu za akumuliranje topline (akumulacija preko dana za noćne potrebe); odgovarajućom izvedbom prozora; dodatnim izvorom svjetla iz posebnih kanala. Postoje i rješenja koja strogo gledano nisu pasivna gdje se može npr. pomicati pokrov ili dio fasade.Kontrolirana ventilacija također doprinosi učinkovitosti i komforu. Pretpostavka pasivnoj gradnji je značajna južna površina i da nema zasjenjivanja okolnih objekata. Dodatno treba planirati uređenje oko objekta raslinjem za stvaranje sjene zelenilompreko ljeta i osiguravanjem zaklona od vjetra preko zime. Slika 10.6 ilustrira dio navedenihmjera.

Pasivni solarni sustav - iskorištavanje Sunčeve energije za grijanje primjerenom:

- arhitekturom- rasporedom prostorija- odabirom ostakljenja- materijalom zidova- orijentacijom zgrade


Na slikama 28, 29 i 30 su prikazane različite izvedbe grijanja primjenom pasivnom arhitekturom.

Slika 28. Izravno grijanje prostorija primjenom pasivne solarne arhitekture

Slika 29. Trombeov (masivni) zid za pasivno grijanje prostorija Sunčevom energijom


Slika 30. Ostakljena veranda ('staklenik') kao pasivni sustav za grijanje Sunčevom energijom

4. Korištenje Sunčeve energije za proizvodnju električne energije

4.1. Solarna termalna postrojenja

Fokusiranje sunčeve energije upotrebljava se za pogon velikih generatora ili toplinskih pogona. Fokusiranje se postiže pomoći mnogo leća ili češće pomoću zrcala složenih u tanjur ili konfiguraciju tornja. Na slici 31 su prikazane konfiguracije tipa "Power Tower", "Dish" i "Trough". "Power tower" konfiguracije koriste kompjuterski kontrolirano polje zrcala za fokusiranje sunčevog zračenja na centralni toranj, koji onda pokreče glavni generator. Do sada su napravljeni demonstracijski sistemi koji imaju izlaznu snagu i iznad 10 MW. Ti novi sustavi imaju i mogućnost rada preko noći i u lošem vremenu tako da spremaju vruću tekućinu u vrlo efikasni spremnik (neka vrsta termo boce). "Dish" sistemi prate kretanje Sunca i na taj način fokusiraju Sunčevo zračenje. Postoji još i "Trough" sistem fokusiranja sunčeva zračenja, koji može biti vrlo efikasan. Kada nema dovoljno energije od Sunca, sistemi koji fokusiraju sunčevo zračenje mogu se bez većih problema prebaciti na prirodni plin ili neki drugi izvor energije. To je moguće jer Sunce koristimo za grijanje tekućine, a kad nema sunca zagrijemo tekućinu ne neki drugi način. Problem kod fokusiranja je veliki potrebni prostor za elektranu, ali to se rješava tako da se elektrana radi npr. u pustinji, gdje je ionako snaga sunčeva zračenja najizraženija.

a) "Dish" sistem fokusiranja Sunčevog zračenja b) "Trough" sistem fokusiranja Sunčevog zračenja


c) "Power tower" sistem fokusiranja Sunčevog zračenja

Slika 31. Različite konfiguracije solarnih elektrana

Princip rada solarnih termalnih postrojenja (STP – Solar Thermal Power Plants)

Ova tehnologija se temelji na koncentriranju Sunčevog zračenja na tri različita načina: pomoću paraboličnih tanjura, paraboličnih korita i solarnog tornja. Dakle, Sunčevo se zračenje fokusira na različite načine, no toplina nastala tim putem se uvijek prenosi na solarni medij (vodu ili termo-ulje). Solarni medij, primjerice voda, se pretvara u vodenu paru, uz opcionalno dodatno dovođenje topline ili bez, te se ta para koristi za pogon parne turbine, koja tu toplinsku energiju pretvara u mehaničku energiju koja pokreće generator , koji proizvode električnu energiju, koja se dalje distribuira u električnu mrežu. Prikaz tih procesa dat je na slici 32.

Slika 32. Princip rada solarnih elektrana


Slika 33. Pojednostavljeni prikaz koncentriranja Sunčevog zračenje

Na slici 33 je dat pojednostavljeni prikaz koncentriranja Sunčevog zračenja. Solarno zračenje se koncentrira u koncentratorima, koji tu energiju distribuiraju u prijemnik, odakle se energija distribuira dalje, uz opcionalno korištenje dodatne topline iz termalnih spremnika. Dovedena toplina se termodinamičkim procesom pretvara u mehaničku energiju.

Kratkoročni i dugoročni ciljevi tehnologije koncentriranja Sunčevog zračenja

Slika 34. Kratkoročni i dugoročni cilj eksploatacije Sunčevog zračenja


Na slici 34 su prikazani kratkoročni i dugoročni cilj u eksploataciji Sunčevog zračenja. U ovom trenutku je krajnji domet tehnologije koncentriranja Sunčeve energije – proizvodnja električne energije. Predviđanja na ovom polju idu toliko daleko da se očekuje kako će u budućnosti biti moguća proizvodnja solarnih goriva.

4.1.1. STP sa paraboličnim protočnim koncentratorima

- Sunčeva energija se fokusira u os 'korita' (prikazano na slici 35)- sastoje se od visokoreflektivnog paraboličnog zrcala (aluminijski ili srebrni sloj na

staklu ili plastici reflektivnosti 90-94% i apsorbera položenog u smjeru uzdužne osi usmjerene istok-zapad

- korito se rotira oko uzdužne osi radi praćenja visine sunca (zenitnog kuta Θ z )- moguće je postići temperature od 400-500 oC- apsorber je zasjenjen s gornje strane kako bi se smanjili gubitci zračenjem na okolinu

Slika 35. Linijsko fokusiranje solarnog zračenja

- ulje (solarni medij) zagrijano do 390 oC- ukupni koeficijent iskoristivosti pretvorbe: 14-22%- kao i sve druge koncentrirane tehnologije koristi samo direktno zračenje- najrazvijenija solarna tehnologija, instalirano više stotina MW- koncentracija sunca: 75¿ - cijena dobivene energije konkurentna drugim izvorima- optimalna snaga 200 MW- unaprijeđenja na cijevima i spremanju topline

Opis procesa dobivanja električne energije u paraboličnim solarnim elektranama

Na slici 36 se nalazi prikaz dijelova parabolične solarne elektrane i strujanje fluida kroz solarnu elektranu. Proces dobivanja električne energije je sljedeći:


- u paraboličnim solarnim kolektorima se koncentrira Sunčevo zračenje, a prolaskom ulja kroz kolektor, nastala toplinska energija prelazi na solarni medij

- zagrijani solarni medij dolazi do generatora pare, u kojem se proizvodi vodena para - vodena para pokreće turbinu, koja dalje pokreće električni generator, koji proizvodi

električnu energiju koja se dalje distribuira u kućanstva

Slika 36. Proizvodnja el. energije korištenjem paraboličnih kolektora

Na slici 37 je prikazana parabolična solarna plantaža u pustinji Mojave blizu Barstow. Izgrađena je 80-ih godina prošlog stoljeća od strane izraelske kompanije Luz Industries. Dio je kompleksa Solar Energy Generating Systems (SEGS) od devet solarnih postrojenja, čija je ukupna snaga 354 MW, što ga čini najvećom solarnim instalacijom na svijetu. Kompleks SEGS generira količinu električne energije koja zadovoljava potrebe približno 500 000 ljudi.

Slika 37. Parabolična solarna elektrana u pustinji Mojave


Insolacija (solarna radijacija) je u pustinji Mojave među najintenzivnijim u Sjedinjenim Državama, a u blizini se nalazi nekoliko značajnih populacijskih centara. To čini pustinju Mojave idealnom za postavljanje solarnih postrojenja. Jugoistok SAD-a je jedna od najboljih svjetskih lokacija po intenzitetu insolacije, a to područje dobiva dvostruko više Sunčevog zračenja od ostalih regija u zemlji. Na slici 38 je prikazan intenzitet insolacije u SAD-u, izražen u kWh/m2 dnevno.

Slika 38. Intenzitet insolacije u SAD-u

4.1.2. STP sa paraboličnim tanjurastim koncentratorima

koncentratori prate Sunce u dvije dimenzije, tj. prate promjenu azimuta i zenitnog kuta, što je prikazano na slici 39.

najmanje razvijen sustav od tri opisane STE STE sa paraboličnim tanjurom karakterizira velika gustoća snage (oko 55 kW/l). Medij u

toplinskom stroju postiže temperature od preko 750 oC. visoke temperature omogućuju direktnu proizvodnju mehaničkog rada, npr. Stirlingovim

strojem, koji je smješten u fokusu tanjurastog koncentratora ove STE najmanje izgledaju kao uobičajene termoelektrane jer jedna jedinica ima snagu

od 10 do 25 kW. Kompletan toplinski stroj i generator se nalaze smješteni u fokusu tanjura promjera oko 10 m.

osim izvedbe sa Stirlingovim motorom postoje izvedbe sa mikroturbinama i Braytonovim kružnim procesom. Stirlingov motor ima prednost zbog efikasnosti (i preko 40%), ali problem predstavlja pouzdanost, kao i cijena koncentratora

Ukupna efikasnost koja se postiže iznosi 22% što je bolje od ostalih izvedbi STE koncentrira više od 3000x što predstavlja izazov kod realizacije (skupo). svaka jedinica ima 10-25 kW i može raditi samostalno – modularnost


Slika 39. Fokusiranje solarnog zračenja u točci

Električna energija se može proizvesti bilo direktnom proizvodnjom pare ili termokemijskim skladištenjem topline putem odgovarajućeg medija. U tom slučaju se proizvode vodik i dušik postupkom disocijacije amonijaka, za što se energija dobiva od Sunca.

4.1.3. STP sa solarnim tornjem

Rješenje STE sa centralnim tornjem prema kome su usmjerena reflektirajuća zrcala vrlo je slično rješeno u ostatku postrojenja paraboličnoj protočnoj izvedbi.

Tehnologija sa centralnim tornjem je nešto slabije razvijena u odnosu na parabolične protočne

Ovdje se postižu koncentracije Sunčevih zraka do 800x i temperature u tornju do 560 oC (istopljena dušična sol, organske kapljevine ili zrak). Optimalna snaga se procjenjuje u rasponu od 100 do 100 MWe. Potrebno je oko 20 m2 površine za 1 kW.

procjena godišnje efikasnosti do 18% radni mediji: voda, organske kapljevine soli natrij-nitrata ili zrak unaprijeđenja na cijevima i spremanju topline (otopljena sol)

Na slici 40 je prikazano solarno postrojenje Sierra SunTower, koje se bazira na CSP (concentrating solar power) tehnologiji. Sierra SunTower je postrojenje snage 5 MW, izgrađeno od strane kompanije eSolar. Nalazi se u Lancasteru, California i jedino je takvo postrojenje u Sjevernoj Americi.

Slika 40. Solarni toranj Sierra SunTower u Lancasteru, California

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/Esolar_9.jpg


Postrojenje čine brojna zrcala (heliostati) sa automatskim praćenjem Sunca, koja Sunčevu energiju reflektiraju prema termalnom prijamniku, koji se nalazi ugrađen na tornju. Koncentrirana solarna energija zagrijava vodu u prijamniku i proizvodi se para. Para se cijevovodom dovodi do parne turbine, koja pokreće generator, koji proizvodi električnu energiju. Para se u turbini kondenzira i vraća u prijamnik.

Sierra SunTower se sastoji od dva eSolar modula. 24 000 heliostata, tj. zrcala, je podijeljeno u četiri međupolja, te prate kretanje Sunca i fokusiraju Sunčevo zračenje na dva termalna prijamnika, koji se nalaze na dva solarna tornja.

Postrojenje je u rad pušteno 2009. godine i dio je energetske mreže SCE (Southern California Edison). Postrojenje zauzima približno 8 hektara površine, te je smješteno na zapadu pustinje Mojave.

Postrojenje Sierra SunTower reducira štetne emisije CO2 za 7000 tona godišnje, što je ekvivalent sadnji 5265 stabala, uklanjanju 1368 automobila sa ceste ili uštedi od 650 000 galona benzina.

4.1.4. Usporedba tehnologija koncentriranja Sunčevog zračenja

U tablici 2 nalaze se glavni parametri vezani uz tehnologije koncentriranja Sunčeve zračenja i pretvorbe u električnu energiju. Iz tih podataka može se zaključiti kako se najdalje otišlo kod paraboličnih protočnih solarnih postrojenja, dok je tehnologija solarnih tornjeva tek u samom začetku, a najmanje je istražena tehnologija paraboličnih Stirling tanjura, koja je još u fazi demonstracije prototipova.


Tablica 2. Usporedba triju tehnologija koncentriranja i eksploatacije Sunčevog zračenja

Budući da je razvoj najdalje otišao kod paraboličnih protočnih solarnih postrojenja, logično je da je kod ove tehnologije dosegnut najveći kapacitet. Vidljivo je i to da su temperature solarnog medija to veće što je bolja koncentracija Sunčevog zračenja. Što se efikasnosti tiče, najefikasnija je vršna efikasnost kod paraboličnih (Stirlingovih) tanjura, što je svakako povezano sa visokim faktorom fokusiranja Sunčevog zračenja. Tehnički rizik je najprisutniji kod paraboličnih tanjura, budući je poznato kako Stirlingovi motori nisu najpouzdaniji. Što se tiče mogućnosti pohranjivanja električne energije, tehnologija solarnih tornjeva posjeduje tu mogućnost, kod paraboličnih tanjura se električna energija pohranjuje u baterije, dok je kod paraboličnih protočnih izvedbi pohrana energije ograničena.

Kao što je bilo za očekivati, troškovi instaliranja postrojenja po kapacitetu izraženom u kW su najniži kod parabolične protočne izvedbe, a najviši kod paraboličnih tanjura.

Taj je parametar povezan sa onim o troškovima proizvodnje električne energije izraženu u €/kW, tako da je poredak u visini troškova jednak kao i kod prethodnog parametra.

Na grafikonu 1 prikazani su trenutni troškovi dobivanja električne energije u solarnim postrojenjima i očekivana redukcija cijene do 2027. godine. Vidljivo je kako će cijena u relativno skoro vrijeme osjetno pasti, a grafikon također potvrđuje podatke iznesene u prethodnoj tablici i zaključak je kako je najjeftiniji način dobivanja električne energije korištenjem koncentriranja Sunčeve energije postrojenje sa paraboličnim protočnim (koritastim) koncentratorima, dok je najskuplja izvedba parabolični tanjur sa Stirlingovim motorom.

Grafikon 1. Sadašnji troškovi dobivanja električne energije i očekivana redukcija cijene


4.1.5. Istraživanje i razvoj tehnologija koncentriranja Sunčevog zračenja

Koncentriranje Sunčevog zračenja u za to predviđenim postrojenjima predstavlja sadašnjost i budućnost eksploatacije Sunčevog zračenja, no budući da se puno nade u korištenje obnovljivih izvora energija oslanja upravo na ovu tehnologiju, razumljivo je da se puno pažnje usmjerava prema istraživanju i razvoju tehnologije koncentriranja Sunčevog zračenja.

U sljedećem prikazu date su smjernice koje se istražuju i razvijaju za svaku pojedinu tehnologiju:

1. Sustavi sa centralnim prijamnicima

- u pogledu poboljšanja ove tehnologije teži se poboljšanju ekonomičnosti solarnih postrojenja smanjivanjem troškova glavnih komponenti sustava i pojednostavljivanjem procedure eksploatacije i održavanja

- također se teži razvijanju novih jeftinih heliostata, čija bi se cijena kretala oko 140€/m2, a koji bi imali bolja reflektivna svojstva

- novi samostalni koncepti u bežičnoj tehnologiji i napajanje fotonaponskom energijom

- razvoj volumetrijskih zračnih prijamnika

- razvoj prijemnika sa topljenom soli

- razvoj super-grijača za sustave sa vodenom parom

2. Parabolični protočni sistemi

- novi dizajn prijemnih cijevi

- novi dizajn nosača, čime se smanjuju troškovi montaže

- prednja strana zrcala sa metalnim ili kompozitnim substratom

- direktna pretvorba vode u paru (DSG – direct steam generation) u prijemnim cijevima; takav sustav je prikazan na slici 41

- Radi se na razvoju sistema prikazanog na slici kako bi se termalno ulje zamijenilo sa vodom kao prijenosnim medijem u postrojenjima za proizvodnju električne energije.

- Da bi se to ostvarilo potrebno je također izvesti nova rješenja za prijemne cijevi, te u sustav dodati spremnik topline za paru.


Slika 41. Parabolično solarno postrojenje sa direktnom pretvorbom pare (DSG)

3. Parabolični Stirling tanjuri

- pouzdaniji Stirling motori, budući da su postojeći vrlo nepouzdani

4.2. Fotonaponske ćelije i moduli

Uporabom Sunčevih ćelija energija Sunčeva zračenja izravno se pretvara u električnu energiju. Sunčeve ćelije nazivaju se i fotonaponskim ćelijama (skraćeno: FN), a često se koriste na potrošačima malih snaga, primjerice na džepnim računalima. Prve FN ćelije razvijene su pedesetih godina prošlog stoljeća za potrebe istraživanja svemira. Izrađuju se od silikona. Kad Sunčevo zračenje obasja FN ćeliju, dio njegove energije predaje se elektronima i oni se oslobađaju i pomiču prema površini ćelije, zbog čega se javlja neravnoteža u broju elektrona između gornje i donje strane ćelije. Kad se strane ćelije spoje vodičem, kroz njega će poteći struja. Pojedinačne ćelije spajaju se u fotonaponske panele, a oni u polja. Neka polja smještaju se na uređaje koji prate pomak Sunca, pa se nagibom prilagođavaju kutu upadnog Sunčevog zračenja. Električna energija iz FN ćelija može se upotrijebiti za rasvjetu, za rad kućanskih aparata, ili se skladišti u akumulatorima. U razvoju su i automobili koji za pogon koriste FN ćelije. Ipak, kad se spomene uporaba FN ćelija, većina ljudi pomisli na svemirske satelite.

4.2.1. Povijest razvoja solarnih ćelija

Razvoj solarnih ćelija počinje 1839. istraživanjima francuskog fizičara Becquerela. On je primijetio fotonaponski (photovoltaic) efekt dok je eksperimentirao sa čvrstim elektrodama u otopini elektrolita kad se stvorio napon prilikom izlaganja elektrode svjetlu. Efekt je prvo proučavan u krutinama, kao što je selen (Hertz, 1870). Kao rezultat, selen je uskoro usvojen u fotografiji, u uređajima za mjerenje svjetlosti.


Prvom originalnom solarnom ćelijom smatra se ona izrađena 1883. god. (Fritz) od selena kao poluvodiča s vrlo tankim slojem zlata. Ove rane ćelije imale su učinkoviost pretvorbe energije manju od 1%.

Nedostatak je smanjen razvojem solarnih ćelija od silicija (Ohl, 1941.).

Trinaest godina kasnije tri američka istraživača demonstrirala su silicijsku solarnu ćeliju sposobnu za 6%-tnu učinkovitost pri pretvorbi energije iz direktnih sunčevih zraka; Pearson, Fuller i Chapin konstruirali su uređaj od nekoliko silicijskih pločica (veličine žileta) koji je uhvatio slobodne elektrone i pretvorio ih u električnu struju.

Fotoelektričnim efektom bavio se i Albert Einstein koji je 1905. godine dobio i svoju jedinu Nobelovu nagradu za fizikalno objašnjenje fotoelektričnog efekta.

Najveći korak prema komercijalizaciji PV ćelija poduzet je pedesetih godina prošlog stoljeća u Bell laboratorijima u New Yorku kad je razvijen Czochralskijev proces za proizvodnju kristaličnog silicija visoke čistoće, a javno korištenje Bellove solarne baterije započelo je u listopadu 1955. godine.

4.2.2. Konstrukcija i princip rada solarnih ćelija

Najpoželjniji način iskorištavanja energije Sunca je pomoću fotonaponske ćelije ali ujedno i najskuplji. Fotonaponske ćelije su poluvodički elementi koji izravno pretvaraju energiju Sunčeva zračenja u električnu energiju, a njihova je konstrukcija prikazana na slici 42.

Slika 42. Konstrukcija fotonaponske ćelije

Fotoelektrične ćelije zasnovane su na fotoelektričnom efektu. Fotoelektričnim efektom nazivamo izbijanje elektrona iz atoma.


Pri fotoelektričnom efektu samo dio fotona može izazvati fotoelektrični efekt. Solarne ćelije se sastoje od poluvodiča (najčešće silicija) koji apsorbira Sunčevu svjetlost.

Sunčeva energija uzrokuje izlazak elektrona iz atoma i njihovo kretanje kroz materijal između dva suprotno nabijena sloja čime se stvara električna struja (prikazano na slici 38).

Silicij se grije na ekstremne temperature te mu se dodaju bor i fosfor čime se stvara nestabilna okolina unutar ćelije.

Kada poluvodič apsorbira dovoljno sunčevog svjetla (energije), elektroni se istiskuju iz atoma materijala.

Specijalna obrada površine materijala dovodi do toga da je prednja površina ćelije prijemljiva za slobodne elektrone i elektroni se prirodno sele na površinu.

Elektroni napuštaju njihovu poziciju, oblikuju se šupljine. Elektroni (neg. naboji) putuju prema prednjoj površini ćelije: neravnoteža naboja

između ćelijine prednje i stražnje površine - naponski potencijal. Poput baterije – površine se spoje izvana i poteče struja.

Solarna ćelija je, dakle, poluvodički uređaj koji se sastoji od velikih površina PN spoja diode, koja je u prisustvu sunca sposobna generirati korisnu električnu energiju. Slojevi solarne ćelije prikazani su na slici 43.

Slika 43. Slojevi solarne ćelije

Daleko najčešći materijal za solarne ćelije je od kristalnog silicija. Kristalni silicij solarne ćelije može se izvesti na tri načina: monokristalni vaferi, poliester i trakasti (amorfni) silicij (slika 44).


Slika 44. Izvedbe kristalnog silicija

Površina ovisi o površini presjeka monokristala od kojeg se proizvode i iznosi 5 do 10 cm, debljina im je od 0.2 do 0.3 mm.

Elektromotorna im je sila 0.55 do 0.70 V, stvarna efikasnost 10 do 13.5%, a teorijska efikasnost 16 do 25 %.

Visoka proizvodna cijena (kompliciran tehnološki postupak) solarnih ćelija od monokristalnog silicija jedina je njihova mana.

Poseban problem predstavlja vijek trajanja solarnih ćelija koje su izložene atmosferskim utjecajima ( kiša, snijeg, tuča).

Tehnologija je te proizvodnje međutim znatno napredovala, pa je i proizvodna cijena uvelike snižena.

Fotonaponske solarne ćelije proizvode struju izravno iz sunčeve svjetlosti pa funkcioniraju kao ekološki izuzetno prihvatljivi, a gospodarski sve zanimljiviji izvori struje.

FN ćelije dugoga su vijeka i lako se postavljaju te ih je veoma lako održavati. Zbog toga se one razvijaju u mnogim zemljama diljem svijeta, pa čak i tamo gdje imamo manje sunčanih dana nego kod nas.

Da bi se proizvele FN solarne ćelije potrebno je utrošiti određenu količinu električne energije. Vrijeme povrata uložene energije je vrijeme koje FN ćelija mora raditi da bi proizvela električnu energiju koja je bila potrebna za njenu proizvodnju.

Direktno pretvaranje svjetla u elektricitet (FN) je elegantan proces prikladan za raznovrsnu, robusnu i jeftinu tehnologiju; ukupni potencijal je praktički neograničen.

Široki raspon tehnologija je dostupan na tržištu, a još bolje su na putu, te se usavršavaju u laboratorijima.

Tanki sloj filma na fotonaponskim ćelijama ima svojstvene prednosti (najvažnija je niska cijena), no efikasnost je veliki izazov.


4.2.3. Fotonaponski paneli (moduli)

Postoji mogućnost i povezivanja ćelija i to na dva načina: paralelno i serijski.

Paralelno - paralelnim spajanjem dolazi do povećanja jakosti struje s povećanjem površine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodič, analogno i za (-) vodiče.

Serijski - serijskim spajanjem dolazi do povećanja napona s povećanjem površine, izvodi se tako da se naizmjenično spajaju (+) i (-) pol ćelije u nizu.

Povezivanjem više fotovoltaičnih (solarnih) ćelija i njihovim kombinacijama proizvode se fotonaponski paneli (moduli) s uobičajnim radnim naponima od 12 ili 24V istosmjernog napona (DC). Na slici 45 je prikazan solarni panel.

Slika 45. Solarni panel

Individualne ćelije variraju od oko 1 - 10 cm (0.5 - 4’’). Jedna ćelija proizvodi samo 1 ili 2 W, uz napon od oko 0,6 V, što je premalo za većinu primjena: električno se povezuju u modul (serijskoparalelni spoj ćelija) zaštićen od atmosferskih utjecaja.

Moduli se mogu dalje povezati da bi oblikovali niz (serijsko-paralelni spoj modula), sastavljeno od jednog do nekoliko tisuća modula (ovisi o potrebnoj izlaznoj snazi).Snaga takvih panela direktno ovisi o ukupnoj površini svih ćelija. Tipičan solarni panel snage 80 – 100W i napona 12V DC ima dimenzije 100cm x 50 cm.

Konstrukcija fotonaponskih modula

Laminacija je potrebna kako bi se dijelovi FN modula zaštitili od vanjskih utjecaja, primjerice vlage. Na slici 46 je prikazan presjek fotonaponskog modula.

Ćelije su posložene u 'sendviču' između stranica izrađenih od etilenvinilacetata (EVA) – sa stražnje strane su staklo ili tedlar.

Tijekom postupka laminacije EVA se rastapa, te se stvara vakuum istiskanjem zraka iz kompozicije.

Proces traje približno 10-30 minuta na temperaturi od 150°C.


Slika 46. Struktura solarnog FN modula (presjek)

Cijena električne energije iz fotovoltaičnih panela je zbog upotrebe posebnih materijala i visoke tehnologije izrade dosta veća (gotovo faktor 2x) od cijene iz konvencionalnih izvora, ali zato je to vrlo čisti oblik i vrlo rasprostranjen oblik energije te vrlo isplativ u područjima gdje nema klasične električne infrastrukture.

FN (fotonaponske) ćelije stvaraju istosmjernu struju (DC), ali pomoću DC-DC i DC-AC pretvarača možemo je prilagoditi za sve namjene, od punjenja mobitela do pokretanja trofaznih električnih motora, a jedan takav sustav je prikazan na slici 47.

Solarni modul, dakle, Sunčevu energiju pretvara u istosmjernu struju, a pomoću ispravljača se ta struja pretvara u oblik pogodan za napajanje akumulatorske baterije.

Preko akumulatorske baterije mogu se napajati, odnosno puniti manji potrošači poput mobitela, svjetiljki itd

Slika 47. Sustav za proizvodnju električne energije korištenjem solarnog modula


Osim istosmjerne, ovaj sustav korisniku omogućava direktnu uporabu izmjenične struje ( napona 230V), koja se dobiva uz uporabu DC/AC pretvarača i služi za napajanje većih potrošača poput računala, televizora, rasvjetnog sustava, što je vidljivo na slici 48.

Slika 48. Napajanje raznih potrošača solarnim modulom

4.2.4. Primjena fotonaponskih ćelija

Fotonaponske ćelije se i dalje istražuju i razvijaju. Želi im se povećati efikasnost, a smanjiti cijena izrade. No i na ovom sadašnjem stupnju, fotonaponske ćelije vrlo uspješno sudjeluju u čitavom nizu tehnologija koje koriste energiju Sunca (tzv. solarne tehnologije) kao što su:

- svemirska istraživanja (svi sateliti dobivaju energije od solarnih panela),- mikro i mini paneli za pokretanje malih potrošača (džepna računala, satovi...),- komunikacijski releji,- mobilne radio i televizijske stanice,- osiguranje pružnih prijelaza,- napajanje svjetionika i oznaka upozorenja na moru.

Tamo gdje električnu energiju treba isporučivati tijekom noći ili u razdoblju s niskim intenzitetom sunčeva zračenja, potrebno je uskladištiti proizvedenu energiju. U objektima koji su povezani s klasičnim električnom mrežom (50 Hz, 220V) moguće je proizvedenu struju, koja se ne troši, putem pretvarača (12VDC/220VAC) ubaciti u mrežni sustav.

Na slici 49 je vidljiv takav primjer solarnog sustava, gdje se višak električne energije isporučuje u mrežni sustav, te se količina isporučene energije obračunava preko odgovarajućeg brojila.


Slika 49. Solarni sustav sa predajom viška el. energije u mrežni sustav

Uvjeti za postizanje široke uporabe FN ćelija:

1. Smanjenje cijene FN sustava <1€/Wp

- jeftini moduli sa visokom efikasnošću (>30%)

- mogućnost ugradnje pojačala efikasnosti (oblikovanje spektra)

- potpuno iskorištavanje spektra (napredne multigap ćelije, srednji band gap poluvodiči itd.)

- ili vrlo jeftini moduli (<<<0,5€/Wp) sa umjerenom efikasnosti (>10%)

- polimerne solarne ćelije

- nanostrukturirani (quantum dot) hibridni materijali

2. Upotreba bezopasnih, lako dostupnih materijala ili zatvorenih ciklusa (po mogućnosti C, Al, O, N,...)

- nemetalni vodiči (Ag – C)

3. Postizanje stabilnosti >10 (cca 20) godina

- intrinsična i ekstrinsična degradacija solarnih ćelija na organskoj bazi


4.2.5. Ekonomska analiza primjene fotonaponskih modula

Vrijeme povrata investicije

Na grafikonu 2 je dana analiza triju izvedbi fotonaponskih sustava za primjenu u domaćinstvu ( jedan modul, više modula, mreža modula). Riječ je o sustavima koji su povezani na električnu mrežu (grid-connected), a ugrađeni su na području gdje prosječna godišnja iradijacija iznosi 1700 kWh/m2.

Grafikon 2. Vrijeme isplativosti fotonaponskih modula

Ovaj grafikon prikazuje i udio cijene pojedine komponente u fotonaponskom sustavu, ali glavni cilj grafikona je prikazati za koliko vremena se fotonaponski sustav isplati. Vidljivo je kako je najisplativija opcija ugradnja više fotonaponskih modula, gdje je početna investicija naravno veća, no povrat investicije je veći. Zaključak je da se s porastom broja fotonaponskih modula smanjuje vrijeme potrebno za povrat investicije.

Kretanje cijene fotonaponskih modula

Na grafikonu 3 je prikazano kretanje cijene FN modula u odnosu na kumulativnu proizvodnju istih, prikazanu preko instaliranih kapaciteta (MWp – megawatt peak).

Grafikon prikazuje tzv. 'krivulju učenja' u području razvoja FN modula, koja implicira kako su kombinirani efekti tehnološkog razvoja i iskustva u proizvodnji doveli do višestrukog smanjenja cijene i višestrukog povećanja opsega proizvodnje FN modula.

Razumljivo je kako će se u budućnosti cijena fotonaponskih modula nastaviti kretati silaznom putanjom, što će dovesti do toga da će većina kućanstava koristiti ovu tehnologiju, a dovoljan broj ovakvih sustava otvara mogućnost uključivanja u postojeću elektroenergentsku mrežu.


Grafikon 3. Odnos porasta proizvodnje i pada cijene FN modula

Na grafikonu 4 se vidi kako vrijeme povrata investicije opada usporedno sa padom cijene modula. Vidljivo je kako je u razdoblju od 1975. do 1985. godine cijena modula dramatično pala, a nakon toga se pad nastavio do 2010. godine i zasigurno će nastaviti sa opadanjem.

Grafikon 4. Evolucija cijene FN modula i vremena povrata investicije

Postoji niz faktora koji determiniraju troškove fotonaponske pretvorbe Sunčevog zračenja u električnu energiju, a to su:


1. Početno ulaganje (investicija) u sustav

- moduli

- BoS (balance-of-system) komponente: elektronika, kablovi, instalacijski materijali, spremnik energije (ukoliko je moguća ugradnja), radna snaga (montaža, inženjering itd.)

2. Troškovi eksploatacije i održavanja (uključujući planiranu zamjenu)/tehnički radni vijek

3. Energetska efikasnost

4. Ostali troškovi (kamate, ekonomski vijek/vrijeme deprecijacije...)

Iz tablice 3 se vidi kako će električna energija dobivena upotrebom fotonaponskih modula postati kompetitivna sa električnom energijom dobivenom konvencionalnim putem. Značajno će porasti i efikasnost fotonaponskih modula, te će se povrat investicije prema predviđanjima 2030. godine smanjiti u odnosu na danas gotovo četverostruko smanjiti.

Tablica 3. Ključni ekonomski čimbenici u razvoju FN ćelija (prema SRA agenciji)

4.2.6. Integracija fotonaponskih sustava u električnu mrežu

Na grafikonu 5 je vidljiv očit porast umreženih (grid-connected) fotonaponskih sustava na tržištima zemalja članica IEA-e u odnosu na neumrežene (off-grid)sustave. Tako je primjerice 1992. godine na tršištima tih zemalja postojalo nešto manje od 30% umreženih sustava u ukupnom instaliranom kapacitetu FN sustava, a već 2006. godine se taj postotak popeo na 90 %.


Grafikon 5. Postotni udjel umreženih i neumreženih kapaciteta u zemljama članicama IEA

Agencija za solarna istraživanja (SRA – Solar Research Agency) je iznijela niz kvantificiranih ciljeva, čija je svrha izjednačavanje cijene električne energije dobivene fotonaponskim postupkom sa cijenom električne energije dobivene konvencionalnim putem. Izraz koji se koristi za to izjednačavanje je grid parity.

Grid parity – točka u kojoj je cijena električne energije dobivene iz obnovljivih izvora jednaka ili manja od cijene električne energije iz postojeće energetske mreže.

Ciljevi SRA-e su podijeljeni na:

- kratkoročne ciljeve: - dostići 'grid parity' (na potrošačkom nivou) u Južnoj Europi do 2015. godine – cijena električne energije dobivene na ovaj način se procjenjuje na <2,5€/Wp, dok se troškovi proizvodnje procjenjuju na <2€/Wp

- dugoročne ciljeve: - dostići 'grid parity' u većem dijelu Europe do 2020. godine

Ti ciljevi grafički su prikazani na slikama 50, 51, 52 i 53.

Slika 50. Grid parity u Europi za 2010. godinu





Pored grafičkih prikaza 'grid parity' pokrivenosti Europe nalazi se legenda sa prikazom intenziteta solarnog zračenja, te su u skladu sa tim parametrom izraženi i troškovi fotonaponske pretvorbe, koji su naravno veći u područjima sa manjom insolacijom.


5. Sunčeva energija u RH i EU

5.1 Korištenje Sunčeve energije u RH

Tradicionalno, Sunčeva energija je vrlo dostupan izvor energije, i u Hrvatskoj se koristi dugi niz godina, poglavito u Istri i Dalmaciji, ali i u sjevernim krajevima zbog većih potreba za toplinskom energijom. Porastom ponude kolektorskih i fotonaponskih sustava, raste potražnja, no nekonkurentnost klasičnim izvorima, još uvijek je (pre)velika barijera.

5.1.1. Potencijal Sunčeve energije u RH

Korištenje energije Sunca ne ovisi najviše o potencijalima, kako bi svi odmah pomislili, već o:

razvijenosti industrije interesu kupaca (građana) poticanju od strane države

Primjerice, Njemačka koristi znatno više energiju Sunca od Italije, Španjolske ili Grčke, koje istovremeno koriste energiju Sunca znatno više od Portugala.

Najvažnije je kod korištenja Sunčeve energije pravovremeno obrazovanje radne snage.

Primjerice, u Hrvatskoj se iz Sunčeve energije, prema podacima iz registra projekata OIE, dobiva samo 0,06 MW električne energije, a potencijal je u odnosu na Njemačku bitno veći.

Na slici 54 je prikazan potencijal RH u korištenju Sunčeve energije na temelju podataka o prosječnoj godišnjoj ozračenosti vodoravne plohe.

Slika 54. Srednja godišnja ozračenost vodoravne plohe u RH


O tome koliko je potencijal RH u odnosu na srednju i sjevernu Europu najbolje govore sljedeći podaci:

Južni Jadran: 5-5,2 kWh/m2 d Sjeverni Jadran: 4,2-4,6 kWh/m2 d Kontinentalni dio: 3,4-4,2 kWh/m2 d Južna Europa: 4,4-5,6 kWh/m2 d Srednja Europa: 3-3,2 kWh/m2 d Sjeverna Europa: 2,8-3 kWh/m2 d

U Hrvatskoj je, dakle, prosječna vrijednost dnevne insolacije na horizontalnu plohu 3-4,5 kWh/m2, i osnovni problemi iskorištavanja su relativno mala gustoća energetskog toka, velike oscilacije intenziteta zračenja i veliki investicijski troškovi.

Na slici 55 je prikazan srednji dnevni hod ozračenosti vodoravne plohe za dva najtoplija mjeseca u godini.

Slika 55. Srednji dnevni hod satne ozračenosti vodoravne plohe za lipanj i srpanj (W/m2)

Da bi se odredio potencijal Sunčeva zračenja potrebno je mjeriti i njegove parametre, a to se u nas započelo poslije drugog svjetskog rata na opservatoriju Zagreb-Grič pomoću Robitzscheova aktinografa, a zatima na Sljemenu, Splitu, Križevcima itd.

Do 1983. godine radilo osam mjernih postaja, a od 1989. godine ukupno Sunčevo zračenje se ne mjeri ni na jednoj postaji iz mreže meteoroloških postaja Državnog hidrometeorološkog zavoda (DHMZ). Takva situacija značajno ograničava točno određivanje energetskog potencijala Sunčevog zračenja u Republici Hrvatskoj.


5.1.2. Korištenje solarnih kolektora u RH

Ako se izuzme, da se Sunčeva energija koristi direktno za osvjetljavanje prostora, početak prave energetske eksploatacije Sunčeve energije, bio je u 80-tim godinama prošlog stoljeća, kada se, poglavito u turistički razvijenim sredinama, pojavio pravi bum solarnih toplinskih kolektora. No, što zbog lošeg održavanja i uništavanja, što zbog životnog vijeka, površina takvih sustava se smanjivala. Danas, s porastom standarda i interesa za Sunčanu energiju, postoji, prema procjenama, oko 15-20.000 m2 solarnih kolektora.

Iako nema službenih podataka o postojećim solarnim toplinskim sustavima u RH, njihova se površina procjenjuje na 15.000 m2.

Prema toj brojci se dolazi do podatka da u Hrvatskoj postoji 3,3 m2 solarnih kolektora na 1000 stanovnika, dok u Njemačkoj, koja slovi za svjetskog lidera u korištenju Sunčeve energije, taj podatak iznosi 80-100 m2 na 1000 stanovnika.

Zbog izostanka financijskih poticaja od strane države, napredak u korištenju solarnih toplinskih kolektora je slab.

Tržištem solarnih kolektora u Hrvatskoj dominiraju kolektori uvezeni iz Turske i Njemačke.

5.1.3. Korištenje fotonaponskih (PV) ćelija u RH

Što se tiče fotovoltaika (fotonaponski sustavi) najviše se koriste kao bazno napajanje izoliranih sustava (off-grid) kao što su, telekomunikacijski i radijski sistemi, svjetionici, cestovna signalizacija ili pak naplata parkirališta. Kao bazna energija za napajanje kućanstava, nisu našli širu primjenu osim u parcijalnom napajanju vikendica ili manjih kućica te u nekoliko pilot projekata, koji su vrijedni spomena. Prvi je svakako „Solarna kuća – Špansko“ g. Ljubomira Majdanžića, doajena korištenja Sunčeve energije u Hrvatskoj sa 7,14 kW instalirane električne vršne snage i sa 10 m2 Sunčanih kolektora, gdje se zimi pokriva i više od 50% poreba za električnom energijom, a ljeti gotovo cjelokupna potrošnja. Vrijedno je istaknuti i 36,1 kW od tvrtke Stilin d.o.o. i 5,6 kW na obiteljskoj kući u Čakovcu.

Za razliku od termalnih kolektora, gdje dominira uvoz iz Njemačke i Turske, uz manji dio domaće proizvodnje, u Hrvatskoj postoje dvije PV tvornice; Solaris Novigrad i Solarne ćelije iz Splita.


5.2. Buduće smjernice za korištenje Sunčeve energije u RH

Da bi se povećalo korištenje Sunčanih sustava, bilo za proizvodnju toplinske energije ili elektrine energije (lokalno ili sa spojem na mrežu), prvo moraju biti ostvareni financijski mehanizmi poticanja, jer uz današnje cijene energenata i cijene kolektora a pogotovo fotovoltaika, ovi sustavi nisu konkurentni (klasičan povrat investicije za kolektore je 5-10 godina, a za fotovoltaike 10-20 godina). Prvi koraci su već učinjeni, i to za on-grid sustave, gdje se subvencionira proizvedeni kWh, no za lokalni rad se još uvijek očekuje pomoć ranih ekoloških fondova i/ili države.

Istodobno, poticanje ovakvih izvora energije može biti ekonomski i energetski zamašnjak za naš turizam, kako za hotele i kampove, tako i za privatne turističke jedinice, jer količina Sunčeve energije, upravo prati i količinu potreba, tako da se kapaciteti mogu optimalno koristiti.

5.2.1. Projekcije za RH

Prema Strategiji energetskog razvitka za 2030. god. Republika Hrvatska mora ostvariti sljedeće ciljeve:

S trenutno instaliranih 3,3 m2 na 1000 stanovnika na više od 500 m2 na 1000 stanovnika da bi to postigla površina ugrađenih solarnih kolektora mora doseći brojku od 2,5

milijuna m2

takva investicija je vrijedna 1,5 milijardi eura na taj način postiže se smanjenje emisije CO2 za 1,5 milijuna tona godišnje godišnje bi se otvorilo više od 1000 novih radnih mjesta (proizvođači, instalateri) godišnji promet od 100 milijuna eura

U konačnici, Hrvatska ima ambiciozne planove na području obnovljivih izvora energijeZa ostvarenje tih planova trebat će:

Osigurati financijsku potporu države kupcima i industriji Osigurati institucionalnu potporu države kupcima i industriji Osigurati dovoljan broj kvalificiranih radnika


5.3. Europski energetski projekt DESERTEC

Njemačka obiluje mnogočime, no jedna od blagodati kojom Nijemci nisu blagoslovljeni, a zbog čega hodočaste na Mediteran, Sunce su i njegova toplina. Ta i takva Njemačka postala je lider u iskorištavanju Sunčeve energije.

Njemačka će vlada financijski podupirati 20 njemačkih korporacijskih divova u pripremi projekta Desertec i davati im jamstva pri traženju kredita nužnih za troškove gradnje od – 400 milijardi eura.

Ta fantastična cifra projekt Desertec čini najskupljim svjetskim energetskim projektom u povijesti.

Riječ je o planu kojim bi se 17.000 kilometara četvornih Sahare i bliskoistočnih pustinja pokrilo paraboličnim zrcalima za potrebe proizvodnje električne energije u solarnim termoelektranama, a sve kako bi EU do 2050. iz čistih i neiscrpnih izvora pokrivao 15 posto potreba za energijom. Proizvodnja bi započela puno prije te bi rasla kako bi se izgradio koji dio projekta. Računica je jednostavna. Pustinje sjeverne Afrike i Bliskog istoka godišnje obasja 630.000 TWh Sunčeve energije, a EU godišnje potroši 4000 TWh električne energije. Ako se zauzda energije Sunca na samo 0,6 posto površine tih pustinja, EU je riješio sve svoje energetske potrebe.

Tehnologija je krajnje jednostavna: u solarnim elektranama u pustinjama Kalifornije i Nevade primjenjuje se od sredine 80-ih, a princip je poznat svakom djetetu koje je ikada povećalom zapalilo papir. Sunčeve zrake se tisućama paraboličnih zrcala usmjeravaju prema spremnicima s vodom, koja se može zagrijati i na više od 1000 stupnjeva Celzija, dobivena para pod pritiskom pokreće parne turbine i generatore, a akumulirana toplina omogućuje proizvodnju i noću.

Predstavnici 20 kompanija uključenih u projekt kao motiv za ulazak u golemu investiciju, i to usred financijske krize, navode zabrinutost klimatskim promjenama i ljubav prema energiji bez zagađivanja atmosfere sa CO2. Prilično je, međutim, jasno da je riječ o uočenoj (i legitimnoj) prilici za zaradu. Wuppertalski institut za klimu, okoliš i energiju procjenjuje je da bi Desertec već do 2050., znači i prije nego što se sagrade svi dijelovi, trebao proizvesti električne energije u vrijednosti 2000 milijardi eura, a vladu A. Merkel nesumnjivo je privukla i procjena o 240.000 novih radnih mjesta za Nijemce.

Predviđa se da će sva dokumentacija biti gotova do 2012. kada će se ugovori ponuditi na potpisivanje zemljama na čijem bi se teritoriju trebali graditi solarni pogoni – Maroko, Alžir, Tunis, Libija, Egipat te u nekim bliskoistočnim zemljama. U zamjenu za beskorisna pustinjska zemljišta ponudit će im se goleme količine besplatne električne energije, što znači i gospodarski rast. Razlog za vjerovanje da će se ponuđeno prihvatiti su i procjene da će se nestašica pitke vode u sjevernoafričkim zemljama do 2050. utrostručiti. U tom slučaju jedina opcija ostaje desalinizacija mora, za što je nužna – energija. Jedini razlog zašto već nije došlo do procvata u iskorištavanju solarne energije relativno je jeftina nafta, što se mijenja te se predviđa da će se cijena energije iz fosilnih goriva (na zalasku) i one solarne izjednačiti do 2020.


Manji crveni kvadrat na slici 56 označava površinu u Sahari od 17.000 km četvornih (trećina Hrvatske) koja bi, prekrivena zrcalima u solarnoj termoelektrani proizvodila energiju dovoljnu za podmirenje svih potreba EU. Veći je kvadrat površine nešto veće od Hrvatske i označava površinu pod kolektorima za proizvodnju električne energije za cijeli svijet. Slika pokazuje i raspored obnovljivih izvora energije koje predviđa Desertec, a primijetiti se može da Balkan zjapi prazan. Procjenjuje se da će gradnja pogona stajati 350 milijardi eura te da će još 50 milijardi koštati dalekovod kojim će se električna energija iz pustinja dopremati u Europu.

Slika 56. Buduća europska energetska mreža Desertec


6. Zaključak

Ovim radom nastojao sam dati sažeti presjek kroz karakteristike Sunčevog zračenja i način na koji se Sunčeva energija eksploatira i pretvara u korisne oblike energije (toplinska, električna…). Dat je i kratki osvrt na budućnost korištenja solarne energije u Republici Hrvatskoj i Europskoj Uniji, kojoj toliko težimo.

Solarna energija postaje sve važnija u industrijski razvijenim zemljama, budući je korištenje fosilnih goriva postalo problematično, s obzirom na štetne utjecaje na globalno zatopljenje i zagađenje ozona. Rezerve fosilnih goriva su ograničene, dok obnovljivi izvori po svoj definiciji nisu.

Uočeno je kako su stalna istraživanja i razvoj solarne tehnologije učinili solarnu energiju sve pristupačnijom običnim građanima, no teško je ne primjetiti kako još postoji golemi prostor za napredak u ovom području. Zanos za ovim obnovljivim izvorom energije ne jenjava, već je u stalnom porastu.

Vodeće kompanije i stručnjaci iz cijeloga svijeta udružuju se na velikim projektima vezanim uz eksploataciju Sunčeve energije. Traže se nova rješenja za skladištenje energije, proučavaju se novi materijali za izgradnju solarnih sustava, razvijaju se nove tehnologije. Velike kompanije kao razloge ulaska u te projekte navode svijest o zaštiti okoliša, no jasno je kao u svemu tome vide svoju računicu, što je znak kako Sunčeva energija ima svjetlu budućnost. U budućnosti, osim razvoja aktivnih solarnih sustava, možemo očekivati arhitekturu koja će sve više pogodovati pasivnom korištenju Sunčevog zračenja, kako samim oblikom, tako i razvojem novih vrsta građevinskog materijala.

Za očekivati je kako će se u skoroj budućnosti vlade razvijenih zemalja i zemalja u razvoju morati odlučivati za poticanje korištenja Sunčeve energije raznim poreznim olakšicama i drugim sredstvima, jer je to jedini način da se učini pristupačnom svim građanima i da se cijena električne energije dobivene iz Sunčevog zračenja učini što kompetitivnijom onoj dobivenoj iz konvencionalnih izvora.

Današnja tehnologija utrla je put daljnjem napretku i razvoju, a očekuje se da će unutar desetak godina električna energija nastala eksploatacijom Sunčeva zračenja biti potpuno kompetitivna sa električnom energijom dobivenom konvencionalnim putem.

Iako postoji mnogo razloga da vjerujemo kako je budućnost solarne energije sjajna i sve bliža običnim građanima, ključ leži upravo u nama. U svijetu kojim upravlja ekonomija i politika, ono za što se građani Svijeta odluče diktirati će trendove. Ugradnjom solarnih panela, doniranjem novčanih sredstava organizacijama koje se bave proučavanjem obnovljivih izvora energije, obrazovanjem u području solarne energije i davanjem svog glasa za mjere koje potiču razvoj obnovljivih izvora možemo utjecati na budućnost solarne energije.


7. Korištena literatura

WEB STRANICE:

http://www.eihp.hr/hrvatski/sunceva_energija10.htm#d, svibanj 2010.

www.mojaenergija.hr, svibanj 2010.

http://energetika-net.hr/skola/oie/sunceva-energija, svibanj 2010.

http://www.hrote.hr/hrote/znati/obnovljivi/sunceva.aspx, svibanj 2010.

http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html, svibanj 2010.

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_energija, svibanj 2010.

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power, svibanj 2010.

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy, svibanj 2010.

http://www.gradimo.hr/Koristenje-Sunceve-energije-u-Hrvatskoj/hr-HR/10375.aspx, svibanj 2010.

http://www.meteo-info.hr/uv-zracenje/sunc-zrac.php, svibanj 2010.

www.stkpula.hr/globe/materijali/.../MG%20povrsinska%20temp%20upute.doc, svibanj 2010.

http://www.nekretnine-prodaja.com/obnovljivi-izvori-energije/energija-sunca-solarna.php, svibanj 2010.

http://www.renewableenergyworld.com/rea/tech/solar-energy, svibanj 2010.

http://www.aps.com/_files/renewable/SolarPresentation.pdf, svibanj 2010.

http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/Projekti/Udomljeni-projekti-na-portalu-MojaEnergija/Tecaj-projektiranja-instaliranja-i-odrzavanja-SOLARNIH-TOPLINSKIH-SUSTAVA, svibanj 2010.

www.uvm.edu/.../ powerpoint s/ Solar %20 Energy %20(&PV). ppt , svibanj 2010.

http://ithaka.politehnika-pula.hr/moodle/file.php/38/Energija_sunca.pdf, svibanj 2010.

http://ithaka.politehnika-pula.hr/moodle/file.php/38/Energija_sunca.pdf

http://www.uvm.edu/.../powerpoints/Solar%20Energy%20(&PV).ppt

http://www.mojaenergija.hr/index.php/me/Projekti/Udomljeni-projekti-na-portalu-MojaEnergija/Tecaj-projektiranja-instaliranja-i-odrzavanja-SOLARNIH-TOPLINSKIH-SUSTAVA



http://www.aps.com/_files/renewable/SolarPresentation.pdf

http://www.renewableenergyworld.com/rea/tech/solar-energy

http://www.nekretnine-prodaja.com/obnovljivi-izvori-energije/energija-sunca-solarna.php

http://www.nekretnine-prodaja.com/obnovljivi-izvori-energije/energija-sunca-solarna.php

http://www.stkpula.hr/globe/materijali/.../MG%20povrsinska%20temp%20upute.doc

http://www.meteo-info.hr/uv-zracenje/sunc-zrac.php

http://www.gradimo.hr/Koristenje-Sunceve-energije-u-Hrvatskoj/hr-HR/10375.aspx

http://www.gradimo.hr/Koristenje-Sunceve-energije-u-Hrvatskoj/hr-HR/10375.aspx

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power

http://hr.wikipedia.org/wiki/Solarna_energija

http://www.izvorienergije.com/energija_sunca.html

http://www.hrote.hr/hrote/znati/obnovljivi/sunceva.aspx

http://energetika-net.hr/skola/oie/sunceva-energija

http://www.mojaenergija.hr/

http://www.eihp.hr/hrvatski/sunceva_energija10.htm#d


8. Popis slika, tablica i grafikona

Slika 1. Struktura Sunčevog zračenja......................................................................................................6Slika 2. Svjetske projekcije za korištenje različitih izvora energije do 2100. godine...............................6Slika 3. Volumni odnos izvora energije...................................................................................................7Slika 4. Geometrijski odnos Zemlje i Sunca............................................................................................8Slika 5. Cilindrični Sunčev dijagram........................................................................................................9Slika 6. Spektar elektromagnetskog zračenja.......................................................................................10Slika 7. Spektar Sunčevog zračenja.......................................................................................................10Slika 8. Prikaz procesa kojima atmosfera djeluje na Sunčevo zračenje................................................11Slika 9. Sunčevo zračenje u atmosferi..................................................................................................12Slika 10. Bilanca Sunčevog zračenja na površinu Zemlje......................................................................13Slika 11. Dvije osnovne izvedbe kolektora............................................................................................16Slika 12. Dijelovi pločastog kolektora...................................................................................................17Slika 13. Vakuumski kolektor................................................................................................................17Slika 14. Dijelovi vakuumskog solarnog kolektora................................................................................18Slika 15. Paralelni spoj kolektora..........................................................................................................18Slika 16. Serijski spoj kolektora.............................................................................................................19Slika 17. Gubitak sunčanog doprinosa odstupanjem od juga...............................................................19Slika 18. Promjena položaja Sunca na horizontu..................................................................................20Slika 19. Solarni spremnik topline........................................................................................................20Slika 20. Solarni set...............................................................................................................................21Slika 21. Ekspanzijska posuda...............................................................................................................21Slika 22. Cirkulacijske pumpe...............................................................................................................22Slika 23. Upravljačka jedinica diferencijalne automatike......................................................................23Slika 24. Cijevni razvod.........................................................................................................................23Slika 25. Primjeri izolacije cijevnih razvoda..........................................................................................24Slika 26. Solarni sustav za pripremu potrošne tople vode....................................................................25Slika 27. Solarni sustav za pripremu potrošne tople vode i pomoć u grijanju prostora........................26Slika 28. Izravno grijanje prostorija primjenom pasivne solarne arhitekture.......................................28Slika 29. Trombeov (masivni) zid za pasivno grijanje prostorija Sunčevom energijom.........................28Slika 30. Ostakljena veranda ('staklenik') kao pasivni sustav za grijanje Sunčevom energijom............28Slika 31. Različite konfiguracije solarnih elektrana...............................................................................29Slika 32. Princip rada solarnih elektrana...............................................................................................30Slika 33. Pojednostavljeni prikaz koncentriranja Sunčevog zračenje....................................................30Slika 34. Kratkoročni i dugoročni cilj eksploatacije Sunčevog zračenja.................................................31Slika 35. Linijsko fokusiranje solarnog zračenja....................................................................................32Slika 36. Proizvodnja el. energije korištenjem paraboličnih kolektora.................................................33Slika 37. Parabolična solarna elektrana u pustinji Mojave....................................................................33


Slika 38. Intenzitet insolacije u SAD-u...................................................................................................34Slika 39. Fokusiranje solarnog zračenja u točci.....................................................................................35Slika 40. Solarni toranj Sierra SunTower u Lancasteru, California........................................................35Slika 41. Parabolično solarno postrojenje sa direktnom pretvorbom pare (DSG)................................39Slika 42. Konstrukcija fotonaponske ćelije............................................................................................40Slika 43. Slojevi solarne ćelije...............................................................................................................41Slika 44. Izvedbe kristalnog silicija........................................................................................................42Slika 45. Solarni panel...........................................................................................................................43Slika 46. Struktura solarnog FN modula (presjek).................................................................................44Slika 47. Sustav za proizvodnju električne energije korištenjem solarnog modula...............................44Slika 48. Napajanje raznih potrošača solarnim modulom.....................................................................45Slika 49. Solarni sustav sa predajom viška el. energije u mrežni sustav...............................................46Slika 50. Grid parity u Europi za 2010. godinu......................................................................................50Slika 51. Grid parity u Europi za 2015. godinu......................................................................................51Slika 52. Grid parity u Europi za 2020. godinu......................................................................................51Slika 53. Grid parity u Europi za 2030. godinu......................................................................................51Slika 54. Srednja godišnja ozračenost vodoravne plohe u RH..............................................................52Slika 55. Srednji dnevni hod satne ozračenosti vodoravne plohe za lipanj i srpanj (W/m2).................53Slika 56. Buduća europska energetska mreža Desertec.......................................................................57

Tablica 1. Optimalni nagib kolektora....................................................................................................19Tablica 2. Usporedba triju tehnologija koncentriranja i eksploatacije Sunčevog zračenja...................36Tablica 3. Ključni ekonomski čimbenici u razvoju FN ćelija (prema SRA agenciji).................................49

Grafikon 1. Sadašnji troškovi dobivanja električne energije i očekivana redukcija cijene....................37Grafikon 2. Vrijeme isplativosti fotonaponskih modula.......................................................................47Grafikon 3. Odnos porasta proizvodnje i pada cijene FN modula.........................................................48Grafikon 4. Evolucija cijene FN modula i vremena povrata investicije.................................................48Grafikon 5. Postotni udjel umreženih i neumreženih kapaciteta u zemljama članicama IEA...............50

energija sunčevog zračenja_finalna verzija

Documents