Obnovljivi izvori energije – Solarna energija

Zračenje sa Sunca može da se svrsta u dve kategorije, direktno i indirektno. Najveći deo energetskih izvora na Zemlji su u obliku indirektne Sunčeve energije. SUNČEVA ENERGIJA, delujući na atmosferu stvara vetrove, a kretanje vetrova stvara morske i okeanske talase. Pod uticajem Sunčeve toplote voda isparava iz okeana. Vetrovi transportuju jedan deo vodene pare sa okeana na kopno, gde ona pada u vidu kiše. Padavine prolaze kroz zemlju, ili se skupljaju u rekama i jezerima i na kraju završavaju u okeanima. Tako se energija zračenja sa Sunca transformiše u potencijalnu energiju vode.

OKEANI takođe sakupljaju i čuvaju Sunčevu energiju. Stvaraju se razlike u temperaturi između slojeva u okeanu. Energija putuje sa mesta više ka mestu niže temperature, teoretski je moguće taj protok zarobiti. BILJKE u procesu fotosinteze pretvaraju Sunčevu energiju u hemijsku, što omogućava njihov rast. Ljudi iskorišćavaju ovu potencijalnu energiju korišćenjem drveta, alkohola i metana. Energija FOSILNIH GORIVA takođe vodi poreklo od Sunčeve energije, jer su to slojevi izumrlih biljaka koje su za vreme svog života vršile fotosintezu.

Direktna solarna energija je Sunčeva svetlost koja može da zagreva ili da stvara električnu energiju. U zemlji postoji geotermalna energija u vidu toplote, dok se usled planetarnog kretanja i gravitacije javljaju plima i oseka. Fosilna goriva trenutno predstavljaju dominantan izvor energije. Godišnja potreba za energijom uvećavaće se za 1,8% do 2030. godine. Problem je u tome što su nalazišta fosilnih goriva ograničena i pitanje je da li će moći da podmire energetske potrebe koje se predviđaju. Rešenje leži u obnovljivim izvorima energije.

Solarna energija – termonuklearna fuzija na Suncu

Sunčeva energija je zračenje koje nastaje u reakcijama termonuklearne fuzije duboko u Sunčevom jezgru. Svaka zvezda može da se posmatra kao ogromna nuklearna peć koja oslobađa energiju. Kao i većinu drugih zvezda Sunce najvećim delom sačinjavaju dva gasa, vodonik i helijum. Tokom fuzije, atomi vodonika se sudaraju toliko jakom silom da se spajaju i obrazuju atom helijuma. Svake sekunde 600 miliona tona vodonika se pretvara u 596 miliona tona helijuma. Četiri miliona tona materije koja nedostaje transformisana je u energiju. Ova energija napušta Sunce u vidu zračenja i deo tog zračenja predstavlja vidljivu svetlost. Kao i na svim ostalim zvezdama, i na Suncu će se jednog dana potrošiti rezerve vodonika. Veruje se da je Sunce staro više od 4 milijarde godina i da je do sada utrošilo polovinu svog vodonika za produkciju Sunčeve energije.

Energija stvorena u jezgru prenosi se kroz slojeve Sunca radijacijom i konvekcijom. Sa površine, energija se u svemir prenosi radijacijom.

Sunčevo zračenje putuje kroz svemir u vidu paketića energije koji se nazivaju fotoni. Kada ovo zračenje stigne do Zemljine atmosfere, oko 25% energije se odbija o atmosferske čestice i vraća nazad u vasionu, dok se oko 20% apsorbuje. Do Zemljine površine zato stiže samo 55% od ukupne energije. Količina svetlosti koja dospeva do svake tačke na Zemlji zavisi od doba dana, doba godine, količine oblaka u atmosferi i geografske širine te tačke.

// Količina energije koja padne na površinu naše planete mogla bi da zadovolji sve naše potrebe za električnom energijom. Samo mali procenat može da se iskoristi, jer zarobljavanje Sunčeve energije nije jednostavan proces.

Ona nije energetski gusta, kao na primer nafta, već predstavlja razblaženu energiju koja je raspoređena u vremenu. Da bi se efikasno mogla iskoristiti, potrebno je da se dugotrajno sakuplja na velikom prostoru, a zatim koncentriše, kako bi bila u obliku dostupnom za ljudsku upotrebu.

Sunčeva energija koja normalno stiže do površine Zemlje, može da se iskoristi za zagrevanje i hlađenje objekata (pasivni i aktivni sistem iskorišćavanja Sunčeve energije). Lokacija i orijentacija građevina, kao i izbor materijala, ključni su faktori za pasivno zagrevanje i hlađenje. Koriste se materijali koji zimi mogu da apsorbuju sunčevo zračenje, da ga čuvaju i kasnije sporo oslobađaju (opeka, blato, cigla, kamen, cisterne sa vodom). Leti predstavljaju dobre izolatore koji sprečavaju zagrevanje. Ogromni prozori postavljaju se na južnoj strani objekata, jer su najizloženiji Sunčevim zracima u svim godišnjim dobima.

Slika 1: Prva Pasivna kuća na svetu: Kranichstein Passive House, Darmstadt

Aktivni sistem solarnog zagrevanja podrazumeva korišćenje solarnih kolektora i dodatne električne energije za pokretanje pumpi i ventilatora koji raspoređuju Sunčevu energiju. Tako se mogu zagrevati voda koja se koristi u domovima, zatim prostor unutar građevina, kao i bazeni. Sunčeva energija postaje mnogo korisnija kada se prevede u drugi oblik energije, kao što je električna energija. To je moguće postići na dva načina: uz pomoć solarnih ćelija koje direktno prevode svetlost u električnu energiju i korišćenjem solarne termalne tehnologije.

Električna energija

Solarne ćelije (fotovoltažne ćelije) se sastoje od tankih slojeva kristalnog silicijuma ili drugih poluprovodničkih materijala. Kada fotoni udare o površinu solarne ćelije, oni mogu da se odbiju o nju, da prođu kroz nju ili da se apsorbuju, što zavisi od talasne dužine fotona. Samo apsorbovani fotoni daju energiju za stvaranje električne energije. Zbog toga što samo Sunčevi zraci određene energije mogu da proizvedu struju, efikasnost solarnih ćelija je mala. Danas je moguće napraviti solarne ćelije efikasnosti do 40%, što znači da 2/5 energije koja pada na ćeliju stvara električnu energiju. Kompleksniji sistemi mogu snabdevati domove i elektrodistributivne mreže strujom. Zbog difuzne prirode Sunčeve svetlosti i zbog male efikasnosti pri konverziji energije, ovi kompleksni sistemi sastoje se iz velikog broja ćelija i zauzimaju veliku površinu. Potrebno je 8–12 m² prostora za instalisanu snagu 1 kW energije.

Toplotna energija

Drugi način za stvaranje električne energije je uz pomoć solarnih termalnih generatora koji svoj rad baziraju na toploti. Uz pomoć solarnih kolektora vrše se transformacije Sunčeve energije u toplotu. Prihvaćena Sunčeva energija se fokusira na cevi ili sudove u kojima se nalazi neka tečnost koja ima ulogu da zagreva vodu. Tako se Sunčeva energija sakupljena sa velikih površina koncentriše gotovo u jednoj tački i stvaraju se veoma visoke temperature. Voda se zagreva na temperaturi i do 1500 °C. Nastaje vodena para pod visokim pritiskom koja se koristi za mehanički rad, tj. pokretanje parnih turbina. Turbine zatim pretvaraju mehaničku energiju u električnu.

Sunčeva energija predstavlja pouzdan i čist izvor energije. Tehnologija iskorišćavanja Sunčeve energije ne dovodi do zagađivanja, ne uništava Zemljinu površinu. Ne stvara se buka. Vizuelno zagađenje je subjektivna ocena. Uticaj koji na okolinu ima proizvodnja silicijuma za solarne ćelije je beznačajan. Najveća insolacija je u onim delovima sveta koji imaju najmanju energetsku potrošnju. Problem je i šta raditi noću kada Sunce ne sija ili kada sija nedovoljnim intenzitetom, kada nam je energija i najpotrebnija.

Električna energija – distribucija

// Potrebno je pronaći način da se Sunčeva energija sakupi tamo gde je dovoljno ima, zatim skladišti, a onda transportuje tamo gde je potrebno i koristi onda kada je potrebna.

U laboratorijama se testira mogućnost korišćenja visokih temperatura dobijenih koncentracijom Sunčeve energije za pokretanje hemijske reakcije između CO2 i CH4 uz prisustvo katalizatora. Gas koji nastaje je mešavina vodonika (H2), ugljen monoksida (CO) i može da se čuva i transportuje. Njegovo razdvajanje na sastavne komponente oslobađa energiju koja može da se prevede u struju. Problem može da reši vodonik. Vodonik se ne nalazi u prirodi u slobodnom obliku, već ulazi u sastav različitih hemijskih jedinjenja. Može da se dobije iz različitih supstanci na različite načine, a jedna od mogućnosti je razlaganje vode korišćenjem električne energije (elektroliza vode).

// Solarne ćelije pretvaraju Sunčevu energiju u električnu, a zatim se ta električna energija može iskoristiti za cepanje molekula vode na vodonik i kiseonik.

Druga mogućnost je da visoke temperature, nastale koncentracijom Sunčeve energije, pocepaju molekul vode bez korišćenja elektirčne energije (fotoelektroliza). Vodonik može da se koristi kao gorivo za transport, za stvaranje toplote i električne energije, kao i medijum za čuvanje energije. Na taj način vodonik pruža mogućnost da se Sunčeva energija prevede u lak i prenosiv oblik energije i da na taj način podmiri potrebe svih sektora modernog društva za energijom (potreba goriva za transport, kao i potreba industrije za energijom). Ogromne pustinjske oblasti mogu da se iskoriste za intenzivno sakupljanje Sunčeve energije koja bi se koristila za dobijanje vodonika i za snabdevanje čitave planete potrebnom energijom.

Budući razvoj primene solarne energije zavisiće od tehnološkog napretka. Prve solarne ćelije koje su se pojavile 50-ih godina prošlog veka imale su stepen iskorišćenja manji od 4%. Danas je efikasnost ovih ćelija oko 40% zahvaljujući tehnološkim i naučnim dostignućima. Solarna energija je i dalje skuplja od energije koja se dobija sagorevanjem fosilnih goriva. Strože kontrole po pitanju sagorevanja fosilnih goriva mogu da učine da solarna energija postane jeftiniji energent.

Više o obnovljivim izvorima energije:
Obnovljivi izvori energije – osnovna podela
Obnovljivi izvori energije – Eolska energija
Obnovljivi izvori energije – Kretanje morske vode i geotermalna energija
Obnovljivi izvori energije – Energija biomase
Obnovljivi izvori energije – Nuklearna fuzija na Zemlji

Autori:
Prof. dr D. Škobalj,
Ž. Đokić, dipl. inž.