Sončne celice obetajoč vir električne energije za novo tisočletje prof. Janez Oman Avtor; Simon Borštnar
Kazalo Uvod Predstavitev besede fotovoltaika Sončne celice Lastnosti sončnih celic Materiali fotovoltaik Zgodovina in razvoj Fotonapetostni sistemi Sončne elektrarne Odkup el. energije Javni razpisi in finančne spodbude Zaključek Viri
Fotovoltaika Beseda fotovoltaika izvira iz grške besede "phos", ki pomeni svetlobo in besede " volt". Fotovoltaika je veda, ki preučuje pretvorbo energije svetlobe, natančneje energijo fotonov v elektriko. Pod pojmom fotovoltaična (fotonapetostna) pretvorba razumemo direktno pretvarjanje svetlobne energije sončnega sevanja v električno energijo. Preprosteje povedano, gre za pretvorbo svetlobe v elektriko. Pri tem sodelujeta tako direktno, kot tudi difuzno sončno sevanje. Pretvorba se izvrši v sončnih celicah, ki so glede na zgradbo lahko amorfne, polikristalne ali monokristalne.
Sončne celice Sončne celice so v osnovi polprevodniške diode z veliko površino. Do pretvorbe energije svetlobe v električno energijo (tok) prihaja zaradi fotovoltaičnega pojava. Pri vpadu fotonov na kristalno mrežo polprevodnika fotoni oddajo svojo energijo kristalni mreži in če je energija dovolj velika ta pojav povzroča nastajanje prostih valenčnih elektronov. Svetlobna energija ne doteka kontinuirano, ampak v kvantih svetlobnega valovanja. Energija kvantov je odvisna od valovne dolžine svetlobe oziroma elektromagnetnega valovanja in od tega je tudi odvisno število sproščenih elektronov. Prosti elektroni bodo nastali le v primeru, če bo energija vpadnih fotonov enaka ali večja kot WL - WV (meja valenčnega in prevodnega pasu). Zveza med frekvenco in energijo vpadnega fotona je sledeča: W = h * v h - Planckova konstanta (6.626 10-34 Ws2) v - frekvenca (Hz)
Fotonapetostni moduli Fotonapetostni modul je osnovni še zamenljiv element fotonapetostnega sistema. Sestavljen je iz večjega števila med seboj povezanih sončnih celic. Glede na tehnologijo sončnih celic ločimo monokristalne, polikristalne in amorfne module. Monokristalne sončne celice - levo (foto: Denis Lenardič), Polikristalne sončne celice na sredini (vir/copyright Solar-fabrik), Amorfne sonćne celice desno (vir/copyright Solar-fabrik)
Mono kristalne in polikristanle sončne celice Zgornja meja pretvorbe vpadne svetlobne energije na sončno celico znaša približno 23 % (velja za silicijeve eksperimentalne sončne celice). Pri uporabi drugih materialov je izkoristek lahko večji (eksperimentalno do 30%), zaradi širšega spektra svetlobe, katere vpadno sevanje celica še lahko pretvori v elektriko. Lastne izgube sončne celice nastopajo zaradi kontaktne mreže (lastna zastrtost), notranje upornosti celice in zaradi refleksije sončnega sevanja na površini celice. Kristalne sončne celice so največkrat v obliki rezin, debeline 0.3 mm, rezanih iz Si ingota premera 10 do 1 5 cm, in generirajo okrog 35mA toka na cm2 (skupaj do 2 A/celico) površine pri napetosti približno 550 mv pri polni osvetlitvi. Laboratorijske izvedbe tovrstnih celic imajo učinkovitost do 18 %, klasične do 15% Amorfne sončne celice Amorfne celice imajo precej slabši izkoristek, ki se giblje med 6 in 8 % in se tudi hitreje starajo. Gostota toka znaša do 15 ma/cm2, napetosti neobremenjenih celic pa so do 0.8 V, kar je več, kot pri kristalnih celicah. Spektralna občutljivost pri amorfnih celicah je pomaknjena bolj proti modri svetlobi, tako da je idealen izvor svetlobe za amorfne celice fluorescenčna žarnica.
Materiali fotovoltaik Silicij je glavni element za izdelavo sončnih celic, ki je zaenkrat praktično še vedno edina surovina za masovno proizvodnjo sončnih celic. Kot najpogosteje uporabljani polprevodnik ima več dobrih lastnosti. Njegove električne lastnosti (obstojnost do 125 C) omogočajo uporabo Si polprevodniških elementov tudi v najzahtevnejših primerih uporabe. Galijev arzenid je pogost material za izdelavo visokoučinkovitih PV celic. Pogosto se uporablja v koncentrirnih sistemih in v astronavtiki. Učinkovitosti so do 25%, pri koncentriranem sončnem sevanju do 28%. Posebne izvedbe pa presegajo učinkovitost 30%. Kadmijev telurid (CdTe) Tankoplastni material, ki ga pridobivamo z elektrodepozicijo in naprševanjem veliko obeta, kot potencialna osnova nizkocenovnih fotonapetostnih sistemov. Slabost postopka so strupene surovine, ki se uporabljajo pri proizvodnji. Laboratorijske izvedbe dosegajo učinkovitost 16%, komercialne izvedbe okrog 8%. Bakrov indijev diselenid (CuInSe2, ali CIS) Tankoplastni material, dosega učinkovitosti okrog 17 % (boljši sistemi). Sicer material, ki veliko obeta vendar zaenkrat še manj uporabljan zaradi težav pri proizvodnji.
Zgodovina in razvoj "Nek pojav najbolje razumemo, če ga poskusimo raziskati od samega začetka." (Aristotel) Vanguard I satelit pred izstrelitvijo, sončne celice odprave Apollo, solarni modul za uporabo v vesolju iz leta 1983 (Vir: NASA NIX)
1839-1899 Odkritje fotonapetostnega pojava Fizikalni pojav, ki omogoča pretvorbo svetlobe v elektriko je leta 1839 odkril francoski eksperimentalni fizik Alexandre Edmond Becquerel, ko je pri eksperimetu z dvema kovinskima elektrodama potopljenima v elektrolit, odkril, da prevodnost narašča z osvetljenostjo. Prve selenske sončne celice Podobno odkritje, le da tokrat za selen, je leta 1873 uspelo Willoughby Smithu. To odkritje je pomenilo osnovo za izdelavo prve selenske sončne celice, ki so jo izdelali leta 1877. Prvi natančen opis selenskih sončnih celic je sicer delo Charles-a Fritts-a iz leta 1883. Prvi fotonapetostni moduli Leta 1963 je podjetju Sharp Corporation uspelo izdelati praktično uporaben fotonapetostni modul iz silicijevih sončnih celic. Na japonskem so istega leta namestili 242 W polje modulov, v tistem času največji fotonapetostni sistem. Leto kasneje, 1964, pri vesoljskem projektu Nimbus, so američani uporabili fotovoltaično polje z močjo 470 W. 1980-1989 Veliki samostojni PV sistemi V letu 1980 se je zgodilo več pomembnih dogodkov. Podjetje ARCO Solar je postalo prvo podjetje, ki je proizvedlo fotovoltaične module s skupno močjo več kot 1 MW/leto. Instalirana je bila testna instalacija fotovoltaičnih sistemov v centru v vulkanski opazovalnici na Havajih.
Vozila na sončno energijo 1983 je svetovna proizvodnja fotovoltaičnih modulov presegla moč 21.3 MW, vrednostno pa proizvodi znašajo 250 milijonov dolarjev. Vozilo "Solar Trek" s fotovoltaičnim sistemom z močjo 1 kw je v dvajsetih dneh na dirki po Avstraliji prevozilo 4000 km. Maksimalna hitrost je bila 72 km/h, povprečna pa 24 km/h. 1990-1999 Nastanek največjih svetovnih proizvajalcev Podjetji Energy Conversion Devices Inc. (ECD) in Canon Inc. sta osnovali skupno podjetje za proizvodnjo sončnih celic United Solar Systems Corp. Istega leta je podjetje Siemens kupilo ARCO Solar in osnovalo podjetje Siemens Solar Industries. Leta 1992 je bil na Antarktiki nameščen sistem z močjo 0.5 kw za potrebe laboratorija, razsvetljave, osebnih računalnikov in mikrovalovne pečice. Patentirana je bila silicijeva sončna celica z 20% učinkovitostjo. Leta 1994, se je na Internetu s svojo stranjo pojavil National Renewable Energy Laboratory's (NREL1995 je bil ustanovljen prvi mednarodni fond za pospeševanje komercializacije PV sistemov in pričel s podporo projektov v Indiji. Leta 1996 Letalo "Icar", ki ga je poganjala sončna energija, s skupno površino 3000 sončnih celic 21 m2 je letelo nad Nemčijo
Fotonapetostni sistemi "Puščava in tundra sta ekosistema, toda brez sončnih celic je vaša streha dežela brez vsega. (Eric Grisen) V odročnejših krajih, kjer ni električnega omrežja ali je postavitev infrastrukture predraga (npr. planinske koče, osamljene kmetije, počitniške hiše), so pričeli uporabljati solarne elektrarne. Takšni sistemi so samostojni in ponavadi manjših moči ter zadostni, da se priklopi nanje nekaj žarnic, kakšen elektronski aparat ali hladilnik. S sončnimi celicami lahko polnimo akumulatorje in nato koristimo 12 V enosmerno napetost ali pa priključimo razsmernik za pretvorbo na 230 V izmenične.
Sončne elektrarne Sistemi sončnih elektrarn so povezani v elektroenergetsko omrežje in oddajajo proizvedeno električno energijo. Ker je izkoristek fotocelic največji, kadar so osvetljene pravokotno na površino, se je najbolje odločiti za montažni sistem sledenja soncu. Konstrukcija na stebru se obrača za najsvetlejšo točko na nebu. V sled temu fotocelice, glede na fiksno montažo fotocelic, v povprečju dnevno proizvedejo 30% več električne energije. Vzdrževanja praktično ni. Celoten sistem deluje popolnoma avtomatično. Zjutraj, ko je svetlobe dovolj, se samodejno vklopi, celice se obrnejo na vzhod, razsmernik se sinhronizira z električnim omrežjem in oddaja električno energijo do sončnega zahoda in tako vsak dan v letu, dokler bo sijalo sonce.
Primeri sončnih elektraren Biotehniški Center Naklo je poleg že dveh delujočih (v Radovljici in na Laborah) tretja lastna fotonapetostna elektrarna, ki je trenutno največja fotonapetostna elektrarna v Sloveniji. Mesečno v omrežje odda 7000 kwh. Skupna moč fotonapetostne elektrarne Strahinj je 90 kw. Predvidena letna proizvodnja je 92.000 kwh, kar zadošča za potrebe približno 30 gospodinjstev. Investicija fotonapetostne elektrarne je znašala 470.000 eurov.
Odkup el. energije Evropska unija zadala cilj, da naj bi do leta 2010 obnovljivi viri zagotavljali 21% električne energije, ki je podan z Direktivo 2001/77/ES o spodbujanju proizvodnje električne energije iz obnovljivih virov. Sončne kvalificirane elektrarne do vključno 36 kw znaša odkupna cena 0,37419 / kwh in od 36 kw; 0,33663 /kwh (Uradni list RS št.75/06) Javni razpis za finančne spodbude Investicijskim ukrepom za izrabo obnovljivih virov energije v gospodinjstvih za leti 2007 in 2008 (Uradni list RS, št. 26/07, z dne 23.3.2007) Sofinancer za leti 2007 in 2008 z nepovratnimi sredstvi spodbuja izvedbo investicijskih ukrepov za izrabo obnovljivih virov energije v gospodinjstvih. Nepovratna sredstva se dodeljujejo za naslednje ukrepe: vgradnjo solarnih sistemov za ogrevanje vode (ukrep A), vgradnjo toplotnih črpalk za centralno ogrevanje prostorov (ukrep B), vgradnjo fotovoltaičnih sistemov za proizvodnjo elektrike (ukrep C), vgradnjo specialnih kurilnih naprav za centralno ogrevanje na lesno biomaso, in sicer za kurilne naprave na polena, pelete in sekance (ukrpe D).
Zakjuček Samo preteklost bi lahko označili z besedami: bili so časi, ko je bilo energije dovolj in ni bila tako draga. Z razvojem tehnologije, industrije in s povečanjem standarda je potrebujemo vedno več in več. Glede na omejene izvore lahko pričakujemo, da bo samo še dražja. Premog, plin in nafta so kot surovine za proizvodnjo električne energije sporne iz ekoloških vidikov, jedrska energija, pa je vedno vzbujala pomisleke zaradi katastrof, ki so se dogajale. Kako zadostiti vse večjim potrebam po električni energiji? Vodni viri so omejeni, skorajda povsem zasedeni, novih tehnologij za proizvodnjo električne energije pa ni pričakovati vsaj še naslednjih petdeset let (npr. projekt ITER fuzijski reaktor) in tudi te ne bodo okolju prizanašale.
Viri http://www.iea-pvps-task2.org/ http://www.valentin.de/onlineberechnung/pv/pv_online.html http://www.elektro-gorenjska.si/index.php?t=sporocila&id=115 http://shop.domsolar.com/ http://193.2.110.244/mop_pp/mop.exe http://www.solarni-sistemi.si/fotovoltaika http://www.ekodom.si/katalog/solarni-sistemi.html http://www.mg.gov.si/fileadmin/mg.gov.si/pageuploads/energetika/kp20071 1.htm