Solarne ćelije

1. Solarne ćelije Ivan Babić R: 2725

2. Uvod • Unutar Sunca, materija se neprestano pretvara u energiju. Procesom nuklearne fuzije svaki sat prema Zemlji se odašilja 100 000 000 000 000 kW energije. Potrebno je tek 8 minuta da prijeđe udaljenost do Zemlje, a ono što stigne, 10 000 puta nadmašuje trenutnu globalnu potrebu za energijom.

3. Osim što zagrijava površinu našeg planeta, uzrokuje i gibanje zraka oko Zemlje stvarajući još jedan izvor energije - snaga vjetra. Vjetar pokreće more i stvara snažne valove koji se opet mogu koristiti – snaga valova. Sunčeva energija omogućuje i kružni tok vode – snaga tekuće vode. I na kraju direktno prikupljanje solarne energije, koja je neiscrpna, ne zagađuje, bezopasna je, tiha i čista.

4. Povijest • Razvoj solarnih ćelija počinje 1839. istraživanjima francuskog fizičara Becquerela. On je primijetio fotovoltaični 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 sto je selen (Hertz, 1870). Kao rezultat, selen je uskoro usvojen u fotografiji, u uređajima za mjerenje svjetlosti.

5. 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.). 13 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.

6. 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. FN ćelija iz 1960. godine.

7. Solarne ćelije • Solarne ćelije se sastoje od poluvodiča (najčešće silicija) koji apsorbira sunčevu svjetlost. Silicij se grije na ekstremne temperature te mu se dodaju bor i fosfor čime se stvara nestabilna okolina unutar ćelije. • Da bi se pojasnilo kako “radi” fotovoltaična ćelija potrebno je nešto reči o poluvodičima. Materijali se po svojstvu električne provodljivosti dijele navodiče (uglavnom metali),poluvodiče (Si, Ge, GaAs, GaP...) i izolatore. Poluvodiči su izolatori na temperaturi apsolutne nule,a s porastom temperature eksponencijalno se povećava broj nosilaca naboja koji mogu provoditi električnu struju.

8. Sunčeva energija uzrokuje izlazak elektrona iz atoma i njihovo kretanje kroz materijal između dva suprotno nabijena sloja čime se stvara električna struja. Osnovni napon koji se dobije po pojedinoj ćeliji ovisi o vrsti materijala i načinu izrade i obično iznosi oko 1V.

9. Povezivanjem više fotovoltaičnih (solarnih) ćelija i njihovim kombinacijama proizvode se fotovoltaični paneli s uobičajnim radnim naponima od 12 ili 24V istosmjernog napona (DC). • 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. • 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.

10. Fotovoltaični izvori struje ne zagađuju okolinu, ne stvaraju stakleničke plinove, nisu radioaktivni i nemaju pokretnih dijelova (ne stvaraju buku) te nisu opasni za rukovanje. Tablica: Odnos stvaranja stakleničkih plinova za pojedine oblike izvora energije

11. Po načinu izrade fotoivoltaične ćelije se dijelena: - monokristalinične ( najčešće Si, ηoko 18%), - polikristalinične ( najčešće Si , η oko 14 %), - amorfne (silicij, η 4 do 6%), • tanko slojne (film CuInSe2, η oko 16%). • FN (fotonaponske) celije stvaraju istosmjernu struju (DC), ali pomocu DC-DC i DC-AC pretvaraca mozemo je prilagoditi za sve namjene, od punjenja mobitela do pokretanja trofaznih električnih motora.

12. Primjena • Fotovoltaične ćelije se i dalje istražuju i razvijaju. Želi im se povećati efikastnost, a smanjiti cijena izrade. No i na ovom sadašnjem stupnju, fotovoltaične 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 (đepna računala, satovi...), - komunikacijski releji, - mobilne radio i televizijske stanice, - osiguranje pružnih prijelaza, - napajanje svjetionika i oznaka upozorenja na moru,

13. - napajanje saobračajnih znakova upozorenja i opasnosti - sustavi za naplatu parkiranja, - napajanje malih brodica i jahti, - opskrba pitkom vodom izvlačenjem iz dubokih bunara, - sustavi nadgledanja za protupožarnu zaštitu šuma, - sistemi za navodnjavanje, - električne ograde za stoku, - elektrifikacija individualnih objekata (planinarski domovi, vikendice)

14. Tamo gdje električnu energiju treba isporučivati tijekom noći ili urazdoblju 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. • Proizvedena električna energija može se uskladištiti: 1. U akumulatorskim baterijama gdje se uz određene regulatore kontrolira punjenje i pražnjenje

15. 2.U novim tzv. sustavima s “gorivim ćelijama” gdje višak struje elektrolizom stvara vodik, koji se skladišti te po potrebi propušta kroz “gorive ćelije” gdje se direktno pretvara u električnu energiju. Fotonaponski sustavi mogu se povezati i sa drugim alternativnim (rezervnim) izvorima energije kao što su vjetroturbine, hidrogeneratori, plinski ili diesel agregati.

16. Vidljivo je da je već sada upotreba fotovoltaičnih ćelijavelika. U budućnosti zbog nestajanja i rasta cijene fosilnih goriva, sprečavanjaispuštanja stakleničkih plinova (Kyoto deklaracija 1995.) te zbog smanjenje cijenei povećanja efikasnosti doči će do sve veće upotrebe fotovoltaičnih ćelija. • Europska unija planira da do kraja 2010. godine udio obnovljivih izvoraenergije bude 12%. Želi li Hrvatska uči u Europu, već danas mora početi znatnijekoristiti i iskorištavati energiju sunca tim više što smo jedna od rijetkih zemalja kojaima i vlastitu proizvodnju fotovoltaičnih ćelija smještenu u Splitu .

17. Svijet će 2010. proizvoditi oko 4,5 GW/godišnje, dok će samo SAD u 2020. proizvoditi 7,2 GW /god električne energije koristeči fotovoltaične ćelije za iskorištavanja energije sunca. Budućnost je u suncu.