Tehnologije i primene

Najjednostavniji način korišćenja solaene energije jeste za dobijanje toplotne energije. U najvećem broju slučajeva radi se o sistemima za dogrevanje sanitarne vode. Sastoje se od prijemnika toplote - solarnih kolektora, izmenjivača toplote u slučaju dva cirkulaciona kruga (primarnog i sekundarnog) i akumulatora tople vode - bojlera sa unutrašnjim izmenjivačem toplote. Jednostavniji sistemi imaju samo jedan cirkulacioni krug, gde sanitarna voda prolazi direktno kroz solarne kolektore, ali takvi sistemi nisu pogodni za krajeve gde zimi dolazi do zamrzavanja. Iz tog razloga, u primarnom cirkulacionom krugu obično se koristi fluid koji je ima nisku tačku mržnjenja.

Klasični solarni kolektori se sastoje od niza paralelno postavljenih bakarnih cevi kroz koje protiče primarni fluid. Radi bolje apsorpcije sunčeve energije, bakarne cevi se pakuju u sendvič crnih metalnih apsorbera toplote koji dodatno zagrevaju cevi i fluid u njima. Ceo sistem je postavljen u sanduke dimenzija oko 1mx1,8m, debljine desetak santimetara. Gornja strana solarnog kolektora je pokrivena odgovarajućim staklom, a donja sadrži sadržiizolacionu podlogu, radi smanjivanja gubitaka toplote. Efikasnost ovakvih sistema se u praksi kreće od 50-60 %.

Solarni kolektori sa vakuumskim cevima su nešto složenije konstrukcije. Unutar svake staklene cevi nalazi se bakarna cev U forme, u kojoj se prilikom zagrevanja dešava složen proces isparavanja i kondenzacije posebnog fluida. Toplotna energija se tako prenosi u vrh svake od cevi, gde se predaje primarnom fluidu celog sistema koji struji kroz horizontalni razvodnik toplote. Cevni solarni kolektori imaju efikasnost i do 80 %, a zahvaljujući razvoju tehnologije i masovne proizvodnje cena im je gotovo izjednačena. Leti, kada ima dovoljno sunčeve energije za grejanje, nije mnogo bitna efikasnost solarnog kolektora. Osnovna prednost cevnih kolektora je što i u hladnijem periodu godine mogu predavati energiju sistemu jer generišu nešto više temperature izlaznog fluida od klasičnih kolektora.

Treba pomenuti i solarne kolektore sa vazduhom kao primarnim fluidom. Ovi sistemi obično nisu visoko efikasni, robustniji su, ali jednostavna i jeftina konstrukcija nadomešćuje navedene nedostatke na mestima gde je njihova primena moguća.

Iako je fotonaponski efekat poznat više od 150 godina, a prva fotonaponska ćelija na bazi poluprovodničkih materijala proizvedena još 1954. godine, trebalo je još pola veka razvoja da bi počela njihova upotreba za energetske svrhe. U poslednjih 10 godina cena opreme na bazi fotonaponskih panela je opala na neverovatnih 10-tak posto. Komercijalne, silicijumske fotonaponske ćelije, koje se danas masovno proizvode, imaju efikasnost pretvaranja energije sunčevog zračenja od oko 15 do 25 %, a upotrebom im efikasnost opadne za reda 5 do 10% (u odnosu na polaznu) za 20 godina upotrebe. Najefikasnije su monokristalne fotoćelije, slede polikristalne, dok najslabije karakteristike imaju amorfne.

Najvažniji elementi svake solarne elektrane su fotonaponski paneli. Obično se proizode u dimenzijama dijagonale 2 do 3 metra (radi lakše manipulacije). U električnom kolu se u praznom hodu i pri malom opterećenju ponašaju kao naponski izvor, dok pri velikim opterećenjima odaju karakteristike strujnog izvora (Slika 1). Ova osobina je vrlo pogodna za njihovo povezivanje u redne i paralelne nizove, radi podizanja snage celog fotonaponskog polja. Uz pomoć elektroenergetskih pretvarača - mrežom vođenih invertora, jednosmerni napon koji se dobija na izlazu fotonaponskog polja se transformiše u trofazni, naizmenični napon i tako predaje energiju u elktroenergetski sistem.

Slika 1. Strujno naponska karakteristika jednog solarnog panela u funkciji različite osunčanosti.

Najveća prednost fotonaponskih elektrana u odnosu na sve druge izvore energije je njihova jednostavnost. Sve druge elktrane moraju da imaju rotirajuću generatorsku jedinicu, koja se vremenom haba, i zahteva određeno mehaničko održavanje koliko god sistem bio automatizovan. Međutim osnovna mana fotonaponskih elektrana je stohastička priroda njihove proizvodnje - rade samo kad ima sunčeve svetlosti. Na teritoriji Srbije efikasnost korišćenja instalisanog kapaciteta fotonaponskih elektrana obično ne prelazi 16 % (1400 sati). U elektroenergetskom sistemu ovaj problem zahteva dodatnu proizvodnu rezervu ili akumulaciju energije, što dosta pokupljuje praktičnu primenu, a ujedno obeshrabruje po pitanju da će fotonaponske elktrane uskoro moći da proizvode 100% električne energije koju godišnje potroši celo čovečanstvo.

Problem jednovremene proizvodnje vrlo uspešno premošćuju termosolarne elektrane. Ključni princip rada ovih elektrana je da radni fluid zagrevaju na visoku temperaturu uz pomoć ogledala-koncentratora. Primarni fluid dalje prenosi toplotnu energiju u odgovarajući akumulator toplotne energije ili direktno predaje sekundarnom fluidu preko izmenjivača toplote. Sekundarni fluid je tako izabran da nakon preuzimanja toplote u izmenjivaču isparava, kako bi se pod visokim pritiskom i temperaturom uveo u parnu turbinu koja pokreće elektrogenerator. Imajući u vidu da je cena električne energije iz ovakvih sistema već konkurentna ceni energije iz klasičnih izvora električne energije, može se očekivati njihova sve veća upotreba u narednim godinama. Za sada, isplativo je da se ovakve elektrane grade na mestima gde cele godine nema oblačnosti i osunčanost je relativno ujednačena. To su pre svega tropske i subtropske pustinje Afrike, južne Azije, Australije i centralnih oblasti Amerike. Upravo u tim područjima i ima najviše projekata ovog tipa[1].

Mali fotonaponski sistemi, pogodni za upotrebu u domaćinstvima, mogu biti priključeni na mrežu ili povezani u nezavisan (ostrvski) sistem napajanja potrošača. Kod ostrvskih sistema obično se iz fotonaponskih panela preko odgovarajućeg pretvarača pune akumulatorske baterije. U potrošačkom delu kola može biti korišćen direktno jednosmerni napon baterije, ili, uz pomoć invertora, transformisan u standardni napon istih karakteristika kao kod niskonaponske mreže. U slučaju priključenja na elektroenergetski sistem, u svetu je najčešće korišćen takozvani "net-metering" sistem - ili sistem neto merenja (net-metering)[2]. Ključni element ovog sistema jeste da je mala solarna elektrana koja se nalazi obično na krovu kuće, priključena na elektroenergetski sistem preko dvosmernog brojila sa strane kućne instalacije. Podrazumeva se da je reč o energetskom subjektu koji je pretežno potrošač električne energije, a samo višak proizvedene energije (koji u pojedinim periodima ne može da potroši) isporučuje u elektroenergetski sistem. Takav energetski subjekat se širom sveta naziva "prosumer", što je na engleskom jeziku kovanica od reči proizvođač i potrošač (PROducer&conSUMER = PROSUMER). Na taj način kupac može ostvariti određene uštede u potrošnji.