Solarni paneli
Solarna ćelija, solarni modul, solarni paneli
Šta su to solarni paneli, princip funkcionisanja, tehnologija izrade, karakteristike, efikasnost, kao i struktura solarnih panela biće opisana u celosti ovde.
Solarne ćelije su poluprovodničke strukture koje konvertuju Sunčevo zračenje, u širokom talasnom opsegu, u električnu energiju. Sama solarna ćelija jeste sastavljena od većeg broja dioda, pn spojeva, koje rade u četvrtom kvadrantu I-V izlazne karakteristike. Fotonaponska konverzija generiše par elektron-šupljina pod dejstvom upadne svetlosti, energija fotona je dovoljna za prelazak elektrona iz valentne zone u provodnu. Solarne ćelije se mogu povezati redno, paralelno, ili kombinovano, sve zavisi od projektovane snage ćelije. Napon koji se dobija na izlazu zavisi od tipa ćelije i može biti 0.3-0.7V, uz gustinu struje od oko nekoliko desetina mA/cm2 zavisno od snage sunčevog zračenja, ali i o spektru zračenja. Dakle, rade u direktnom režimu ali sa negativnim smerom struje, slika 1. Na slici 1b jasno se vidi negativan predznak struje diode ID.
Prema materijalu od koga se proizvode dele se na Si, GaAs, CIS, CdTe, InP, organske. Broj pn spojeva ne mora biti jedan, Danas se razvijaju solarne ćelije sa tri ili četiri spoja sa znatno većim koeficijentom efikasnosti (mahom su bazirane na GaAs i Ge). Pored toga postoji još jedna klasifikacija a to je prema vrsti materijala koji ulaze u izgradnju spoja, gde je n tip od materijala sa jednom a p tip sa drugom širinom zabranjene zone Eg. To su takozvane heterostrukture, i mahom su ćelije sa više pn spoja takve prirode. Na taj način se postiže bolja apsorpciona pokrivenost talasnog spektra incidentne svetlosti. U novije vreme dosta se ulaže napora u silicijumske heteroćelije (SANYO solarne ćelije). Na slici 2 dat je prikaz zavisnosti efikasnosti ćelije, cene po Wp i tehnologije izrade. Iako je raspon u ceni veliki svi tipovi se eksploatišu. Može se očekivati pad u ceni snage ($/Wp). Silicijumske solarne ćelije su komercijalno najzastupljenije, dele se prema kristalografskoj strukturi: monokristalne, polikristalne i amorfne. Monokristalne solarne ćelije su najskuplje ali zato je njihov koeficijent efikasnosti do 18%, polikristalne do 15% i predstavljau alternativu monokristalnim (mada je tehnologija potpuno različita), dok amorfne solarne ćelije imaju najnižu efikasnost svega 8% ali zato je njihova cena najmanja. Amorfni silicijum je pogodan za nanošenje na razne materijale tako da se proizvode i ćelije sa promenljivom planarnošću (nanosi se na plastične filmove).
Slika 2. Grafik efikasnosti i cene solarnih ćelija u funkciji tehnologije
Poprečni presek jedne tipične solarne ćelije, ma kog tipa bila prikazan je na slici 3. (uzeta je silicijumska solarna ćelija za primer). Prvi sloj je zaštitno staklo tj. SiO2, koje štiti ćeliju od spoljašnjih uticaja. Ispod je antireflektujući koji smanjuje reflektciju svetlosti i obezbeđuje da što više energije dospe do poluprovodnika (povećava se iskorišćenje ćelije). Zatim se nalazi sistem transparentnih elektroda, TCO. On kontaktira poluprovodnik sa pn spojem u kome se vrši zahvatanje fotona Sunčeve svetlosti. Sa donje strane je metalizacija-zadnji kontakt
Slika 3. Poprečni presek solarne ćelije
Maksimalni izlazni napon individualne solarne ćelije iznosi oko 600-700mV, pa se ćelije serijski povezuju kako bi se dobio željeni napon. Najčešće se oko 36 ćelija serijski povezuje stvarajući module nominalnog napona od 12V.Snaga koju proizvodi jedna fotonaponska ćelija je relativno mala pa se u praksi više ćelija povezuju u grupu čime se formira fotonaponski modul. Prema projektovanoj snazi moduli se spajaju redno i/ili paralelno, čime se formira fotonaponski panel koji proizvodi struju, napon i snagu znatno većeg intenziteta, slika 4.
Slika 4. Solarna ćelija, modul, solarni panel
Kada se integrišu više panela dobija se polje PV modula ili solarna elektrana, slika 5. Danas se instaliraju solarne elektrane velikih snaga od 1MW pa čak 790MW(”Diablo Canyon”).
Slika 5. Polje solarnih panela
Energija Sunčevog zračenja koja dospe na Zemlju 10,000 puta je veća od energije potrebne da zadovolji potrebe čovečanstva, u periodu od jedne godine. Kada bi se posmatralo da na jednom kvadratnom metru dospe 100kWh godišnje, bilo bi potrebno prekriti površinu od 150x150km2 da bi se dobila energija ekvivalentna potrošnji za godinu dana (podatak iz 2001god.). Danas se sve više počinje sa implementacijom solarnih elektrana u industrijske sisteme, čak i u onim zemljama u koje su bogate naftom. Čak je i država Vatikan instalirala 2400-2700 solarni panela na svojim krovovima, pri čemu će sprečiti emisiju CO2 od 210t ili potrošnju 70t mazuta za samo dve nedelje eksploatacije. Da se o tome dosta razmišlja govori i podatak da Abu Dhabi planira da na krovovima grada instalira solarnu elektranu snage 500MW.
Kako solarna elektrana tako se danas sve više koriste solarni sistemi u domaćinstvima, trgovačkim molovima, ispitnim stanicama, itd. Tako se obezbeđuje delimična ili potpuna autonomnost napajanja. Čak se savremen dizajn objekata projektuje u skladu što veće eksploatacije Sunčeve energije (direktno ili indirektno). Na slici 6 dat je primer jednog domaćinstva u kome je instaliran sistem panela.
Slika 6. Blok šema solarnog modularnog sistema u domaćinstvu
Bitno je naglasiti da se konverzijom solarne energije u električnu dobija DC (jednosmerni) režim, pri čemu je za rad nekih uređaja u kući potrebno transformisati u AC (naizmenični). Kod ovakvih sistema razvila su se dva načina povezivanja:
Off-grid sistem je pogodan za napajanje tamo gde je nemoguće ili jako teško dopremiti distributivni sistem. Mada kako on obezbeđuje potpunu samostalnost eksploatacije električne energije to je i eliminisano finansijsko opterećivanje korisnika (izuzev u vremenu otplate). Fotonaponski sistem puni baterijsku banku (redno ili paralelno povezani akumulatori) u toku dana a noću se iz nje crpi akumulirana energija. Danju je moguće i direktno povezivanje na potrošače. Dodatno snabdevanje može dati i priključeni generator kao opcioni izvor snage. Ovakav sistem je skuplji, bar za 30% jer baterijska banka dosta košta i njihov radni vek iznosi 5-15god (zavisi od načina eksploatacije). Na slici 7 vide se delovi sistema i njihova međusobna povezanost.
