среда, 27 август 2014

Сончева Енергија

 

Во ера во која интензивно се користат обновливите извори на енергија, не многу луѓе се запознати со начинот на кој се добива енергијата од овие извори, а која тие дома секојдневно ја користат. Досега најголем и најдолготраен извор (од наш аспект може да се смета и за вечен) кој нам нѝ е познат е Сонцето.

Сонцето претставува еден огромен нуклеарен реактор во кој постојано се одвиваат нуклеарни реакции. Притоа, се ослободува голема количина на енергија, во форма на светлина и топлина, која е неопходна за развојот на живот на Земјата.  Земјата прима 174 петавати (милион гигавати) сончева енергија во горниот атмосферски слој. Од нив околу 30% се одбиваат назад во вселената, додека остатокот се апсорбира од облаците, океаните и земјата. Спектарот на сончевата светлина кој достига до тлото се движи претежно во видливиот и инфрацрвениот опсег, како мал дел во блиско-ултравиолетовиот опсег. Вкупното количество на енергија кое се апсорбира од Земјата на годишно ниво изнесува 3 850 000 егзоџули (1018J, односно милијарда милијарди џули). МНОООГУ енергија.

 

Искористување на сончевата енергија

Луѓето уште од најстари времиња ја сфатиле користа и значењето на Сонцето и неговата енергија. Не случајно во најголемиот број древни култури во светот врховно божество било Сонцето или некоја негова претстава. Луѓето ја ползувале неговата енергија при изградбата на домовите (за поголема осветленост и топлина), за преработка на храна (сушење), па и во војна (познато е дека Александар Македонски секогаш битките ги водел на пладне со Сонцето зад неговата војска; или топлотниот зрак на Архимед, кој преку насочување на огледала успеал да ги запали едрата на бродовите кои ја опсадувале Сиракуза).

Во денешно време сончевата енергија ја користиме горе-долу за истите работи, но најмногу за производство на електрична енергија. Производството на електрична енергија од сончева се прави на два начина: индиректно, со загревање на некоја течност или директно, со фотоволтаици.

images1 150x150

Наједноставна примена на сончева енергија е кај соларните колектори за топла вода. Во овој случај не се добива електрична енергија, туку водата се загрева со самото поминување низ колекторот. Панелите работат на едноставен принцип. Се состојат од цевки (или една долга цевка) кои се поставени во куќиште. Од куќиштето е извлечен воздухот, односно внатре има вакуум, со цел да не се губи топлината насобрана внатре (нема воздух, нема пренос на топлина). Од истата причина куќиштето е и добро изолирано. Од горната страна колекторот е затворен со стакло за да може да помине сончевата светлина. Цевките се премачкуваат со црна боја, со цел подобро апсорбирање на сончевата енергија, а основата на куќиштето со бела боја или се прави од метал, односно се поставува некој рефлектирачки материјал, со цел поефикасно насочување на светлината кон цевките . Причина за ова е што колектротот всушност го користи инфрацрвениот дел од спектарот на сончевите зраци за загревање, а не видливата светлина. Затоа колекторите можат да се користат и во зима или кога е облачно, при намалена сончевост, бидејќи инфрацрвената светлина полесно поминува низ пречки во атмосферата.

Dish Stirling Systems of SBP in Spain 300x220

Во поглед на производство на електрична енергија од сончева, тоа се прави со концентрирана сончева енергија, при што постојат четири концепти: параболичен систем, Френелови рефлектори, систем со рефлектирачка чинија и соларна кула. Кај секој од овие системи принципот на работа е ист: сончевата светлина се насочува со помош на голем систем на огледала (параболични, рамни, чинија…) во една точка низ која поминува одредена работна течност, најчесто стопена сол или морска вода. Заради високата концентрација на сончеви зраци, течноста брзо се загрева на висока температура. После, оваа течност се користи за добивање на пареа, која понатаму се носи кон турбина за генерирање на електрична енергија, слично како кај термоцентралите.

Од сите овие системи, најголема ефикасност имаат системите со чинија, а истовремено нудат и најголема можност за приспособливост, бидејќи секоја чинија работи самостојно.

Според податоците од септември 2009 (сè уште нема понови) цената на чинење на изградба на овие системи се движи од 2.5 – 4 долари по ват, додека горивото (сончевата светлина) е бесплатно. Според тоа, изградбата на една соларна централа од 250 MW би чинела од 600 милиони до 1 милијарда долари, што значи струјата би била поскапа од онаа што се добива од термоцентралите, но долгорочно гледано, и со напредокот на технологијата, се чини исплатливо. Посебно ако се земе предвид уделот во заштита на животната средина и намалување на испуштањето на CO2.

Во ера во која интензивно се користат обновливите извори на енергија, не многу луѓе се запознати со начинот на кој се добива енергијата од овие извори, а која тие дома секојдневно ја користат. Досега најголем и најдолготраен извор (од наш аспект може да се смета и за вечен) кој нам нѝ е познат е Сонцето.

Втор дел – Фотоволтаици

Кај  фотоволтаиците директно се добива електрична енергија од сончева. Принципот на работа се заснова на познатиот фотоелектричен ефект (понекогаш се нарекува и фотоефект).

 

Photoelectric effect 300x211

Фотоелектричен ефект е физичка појава кај која со делување на електромагнетно зрачење со доволно мала бранова должина, на пример видлива или ултравиолетова светлина (и светлината е електромагнетно зрачење), доаѓа до избивање на електрони од осветлениот материјал (метал, во поново време полупроводници). Ефектот на светлината врз електричните својства на материјалите го открил уште Бекерел во 1839 година, откривајќи го фотоволтаичниот ефект (сличен, но не ист со фотоелектричнито ефект). Фотоелектричниот ефект прв го забележал Херц во 1887 година при еден експеримент. Имено, Херц забележал дека електродите осветлени со ултравиолетова светлина (УВ) полесно создаваат искри отколку неосветлените. После тоа повеќе научници се занимавале со оваа проблематика, сè до 1905 година кога Ајнштајн успеал целосно да го објасни ефектот. Спротивно на широко распространетото мислење дека Ајнштајн добил Нобелова награда за неговата општа теорија за релативноста, вистината е дека тој ја обил Нобеловата награда во 1921 година токму за ова откритие. Проучувањето на фотоефектот доведе до важни откритија за квантната природа на светлината и електроните, односно до идејата за дуална природа на брановите и честичките.

Како работи фотоефектот

Во согласност со теоријата за дуална природа на светлината, таа може да се набљудува истовремено и како електромагнетен бран и како збир на честички, наречени фотони. Фотоните во еден светлосен зрак имаат карактеристична енергија која е одредена од фрекфенцијата на светлината: E=h*f, каде Е е енергијата, f фрекфенцијата и h е Планковата константа. Доколку еден фотон се судри со електрон од материјалот и притоа има енергија повисока од излезната работа на материјалот (тоа е енергијата на врзување меѓу електронот и атомот), тогаш електронот ќе биде исфрлен од материјалот. Доколку енергијата на фотонот е мала, тогаш електронот нема да има доволно енергија да го напушти материјалот. Доколку се зголеми енергијата на влезната светлина, ќе се зголеми и бројот на избиени електрони (уште се нарекуваат и фотоелектрони), но нема да се зголеми енергијата на поединечните електрони. Тоа значи дека енергијата на избиените електрони не зависи од интензитетот на светлината, туку само од нејзината фрекфенција. Во тоа всушност и се состои меѓусебното дејство на фотоните и електроните. Кога електронот ќе ја апсорбира енергијата на фотонот, еден дел од нејзе се троши за ослободување на електронот од атомот, додека остататокот му дава кинетичка енергија на електронот. Оваа зависност на кинетичката енергија на електронот од фрекфенцијата е опишана со Ајнштајновата равенка

E= h (f – f0) = hf – W0

каде f0 е граничната фрекфенција, карактеристична за материјалот, од каде се добива дека W0 е излезната работа.

Оттука натаму работата е веќе горе-долу јасна, кога веќе имаме слободни електрони со одредена кинетичка енергија, а електричната струја во основа е движење на слободни електрони. Треба да се напомене дека за разлика од индиректниот начин на производство на електрична од сончева енергија, каде се добива наизменична струја, тука добиваме еднонасочна. За да може таа струја да се вклучи во електричната мрежа, за потоа ние да ја користиме, треба претходно да се претвори во наизменична, со помош на претворувачи.

Соларни ќелии

diode 300x212

Составен дел на секој фотоволтаик (соларен панел) е соларната ќелија. Соларните ќелии всушност претставуваат фотодиоди, што е обратно од ЛЕД – додека ЛЕД испуштаат светлина при поларизација (поврзување на електричен извор), фотодиодите произведуваат светлина под дејство на светлина. Како и секоја диода, и фотодиодите во основа претставуваат p-n спој, каде p го означува слојот од материјалот во кој доминираат позитивни честици, а n го означува слојот во кој доминираат негативните честици, електроните. Заради таквата поставеност на спојот (материјалот), кога светлината ќе ги избие електроните од n слојот, тие самостојно се придвижуваат, без надворешен електричен извор, со тоа создавајќи струја.

Соларните ќелии се доста чувствителни (ова многумина го дознале на потешкиот начин, играјќи си со соларната ќелија на својот калкулатор J ). Затоа, при составувањето на панелите (фооволтаиците) тие се поврзуваат цврсто и густо, заштитени со стакло.

Примената на фотоволтаиците е огромна. Освен веќе кај споменатите калкулатори, тие најдоа своја примена и во конструирањето на превозни средства. Така, денес има огромем број на инвентивни дизајни на електрични автомобили кои се напојуваат исклучиво од сонцето, пред извесно време беа промовирани и првиот соларен авион и првиот соларен брод. Секако, најбитната улога ја играат во производството на електрична енергија за широка потрошувачка. Дури и во Македонија во последните години се изградени неколку фотоволтаични  централи, а издадени уште голем број на лиценци. Можеби најамбициозен проект досега е проектот Desertec. Замислата е изградба на голема мрежа на фотоволтаични централи низ пустината Сахара во Северна Африка, со вкупен капацитет од 100 GW, кои според процените би требало да обезбедат околу 15% од вкупните енергетски потреби на Европа.

800px Nellis AFB Solar panels 300x204

Недостатоци

Но сепак, не е сè розово кога се работи за соларните централи. Прво, почетната инвестиција е многу голема заради скапата изработка на соларните ќелии. Тоа значи дека без субвенции од владата, струјата добиена во овие централи би била прескапа. Споменавме и дека соларните ќелии произведуваат еднонасочна струја, која за да биде корисна мора да се претвори во наизменична. Тука има загуби од 4-12%. Струја не се произведува ноќе, а намалено е производството кога е облачно или во зима, зашто за разлика од системите кај индиректно производство на струја, овде е неопходна директна сончева светлина. Утеха дава тоа што во поново време се работи на соларни ќелии кои работат и во опсегот на инфрацрвената светлина.

Извор: Енергетска Ефикасност . инфо