građevinsko – arhitektonski fakultet u nišu nauka + praksa 12.1 / 2009

72

AKTIVNI PRIJEMNICI SUNČEVE ENERGIJE

Milena Jovanović, dipl. inž. arh. projektant saradnik „Graevinarprojekt“ d.о.о. Niš

Rezime,u radu su objašnjeni i nabrojani aktivni solarni prijemnici, fotonaponski sistemisolarni kolektori, njihov princip rada i primena.. Upotrebom istih, stvorena je mogućnost uštede električne energije i očuvanje životne sredine .

Ključne reči,fotonaponski sistemi, solarni kolektori

Synopsis, This paper enumerates and analyses active solar receivers, photovoltaic systems and thermal collectors, their function and application. By using these systems, we have the possibility of saving electrical power and saving the environment.

Key words, Photovoltaic systems, thermal collectors

1. Uvod.

Tokom duge istorije čovekovog postojanja, težilo se olakšanju života, sve podrediti njegovoj meri i potrebama. Neolitski čovek gradi naselje Lepenski Vir, Vitruvije u Rimu tokom prvog veka beleži:“..,treba graditi različite vrste kuća, jer zemlja u jednom kraju trpi od sunca, drugi stoji daleko od njega, treći se po sredini umereno greje.“[7]To su dokazi o pasivnom skupljanju toplote, u 21. veku je nedovoljan samo takav način. Otkriveno je kako se sunčeva energija prikuplja aktivno, fotonaponskim sistemima i solarnim kolektorima.

2.Sunce, izvor energije

Sunce je neiscrpni izvor energije, koja nam je data na korišćenje. Na Zemlju godišnje „padne“ oko 1018 KWh sunčeve energije koja se prenosi magnetnim talasima. Termonuklearnim reakcijama na Suncu slobađa se toplotna energija, i prenosi na sunčane zone, koja se dalje prenosi do atmosvere sve do zemljine kore.[2]

Maksimalno iskorišćenje sunčeve energije primajuće površine je kada je ona nagnuta pod odeđenim uglom β, postavljena prema jugu tj. intenzitet zračenja, koje dospeva do neke površine nagnute za ugao β, je veće u odnosu na intenzitet zračenja koje dospeva do horizontalne površine iste veličine[1]. Za Evropu te vrednosti su između 30°S i 45°S, u odnosu na horizontalu, dok je preporučljiv minimalni ugao 15°S.

Na neku nagnutu površinu pod uglom β, dospeva ukupno zračenje koje se sastoji od komponente direktnog zračenja (Ibβ), difuznog zračenja (Idβ), i reflektovanog zračenja od tla sa okolnih objekata(Irβ). Najviše dozračena srednja vrednost, energije za grad Niš je od maja do avgusta (6,10kWh/m2- 6,70kWh/m2), a najniža januara i decembra (1,75 kWh/m2- 1,5 kWh/m2 ).

Količina dozračene sunčeve energije na neku površinu na Zemlji zavisi od: vreme ozračenosti, karakteristika prijemne površine, lokacije, nagiba površine u odnosu na horizontalnu ravan, doba godine uslova atmosvere[1].

građevinsko – arhitektonski fakultet u nišu nauka + praksa 12.1 / 2009

73

3.Fotonaponski sistemi (Photovaltaic solar systems)

Fotonaponska konverzija je direktno pretvaranje sunčevih zraka, poluprovodničkim materijalima, hemijskim reakcijana u električnu energiju. Nagli razvoj solarnih ćelija počeo je lansiranjem prvog satelita u kosmos sredinom dvadesetog veka. Nemaju pokretne delove, zadovoljavaju ekološke standarde, modularni su i mogu se dopunjavati.

3.1.Princip rada solarne ćelije

Za izradu solarnih ćelija najčešće se koristi silicijum,koji je posle kiseonika najzastupljeniji element na Zemlji.

Solarna ćelija se sastoji od poluprovodnika p i n tipa. Da bi se napravila jedna solarna ćelija, potrebno je silicijumu dodati oderđene primese. Uspostaviti razliku potencijala između poluprovodnika p tipa (dodavanjm atoma bora, galijuma), i n tipa, (dodavanjm atoma fosfora, arsena ili antimona). Spajanjem, dolazi do spontanog kretanja naelektrisanja suprotnog znaka u p-n spoju- difuzna struja.[1]

Izlaganjem poluprovodnika sunčevoj svetlosti, dolazi do spontane hemijske reakcije. Nastaje električno polje kretanjem elektrona i šupljina. Uspostavlja se razlika potencijalna - napon. U cilju povećanja napona, tj struje, solarne ćelije se grupišu module.

Postoje više vrsta solarnih ćelija: monokristalne Si polikristalne Si amorfne Si ćelije . Nanošenje može biti na staklu, plastičnoj osnovi,ili na tankom filmu.

3.2.Tehnički podaci fotonaponskih sistema

Solarne ćelije se mogu povezati redno, paralelno ili kombinovano, povezivanjem više modula dobija se panel. Paneli se mogu dalje povezivati u polja, Fotonaponski sistem koji snabdeva potrošača naizmeničnom strujom sastoji se od : solarnih ćelija(1), regulatora punjenja akomulatora(2), akomulatora, skladišti struju (3) i inventora (pretvarač jednosmerne struje u naizmeničnu)[4].

Postoji više tipa fotonaponskih sistema, autonomni sistem, sistem koji se priključen na eletro-distribuivnu mrežu i hibridni, koji elekričnu energiju dobija iz različitih obnovljivih izvora energije . U Sbiji, za potrebe domaćinstva, u slobodnoj prodaji mogu se naći autonomni, koji su nezavisno ugrađuju na sam objekat ili izvan njega.

Slika 1 – Prikaz fotonaponskog sistema, Slika 2-Škola u Hog Кongu

Solarne ćelije su najefikasnije u određenim geografskim širinama, tz. geografski faktor. Množenjem sa solarnim modulom , daje dnevnu količinu energije jednog solarnog modula. Proračun za dobijanje broja fotonaponskih modula izvodi se prema potrošačima[1].

Za takav sistem,kod koga su potrošači, televizor, frižider, i štedljive lampe, potrebno je izdvojiti 4 500€ do 6500€. U cenu uzeti su u obzir prateća oprema i cena instalacije, povraćaj novca je u periuodu 3-4 god.

3.3 Primena u arhitekturi

Primeri iz sveta pokuzuju da se ovi sistemi instaliraju za potrebe domaćinstva, industrije(slika 5), škole, na krovovima kuća, stadiona(slika 6), na fasadama administrativnih zgrada. Ne moraju da se dodatno predvide u izgradnji(slika 4)i ugrađuju se prema karakteristikama prijemne površine.

Slika 3- Fasad u Astriji snage 28 kWp, Slika 4- Ohta grad u Japanu

Slika 4.ilustruje jedinstvo lokalne zajednica i vlade u Japanu da naprave solarne mini elektrane na krovovima 550 kuća. Nemačka je pored Španije vodeća zemlja u Evropi po površini ugrađenih fotonaponskih sistema, kao i Francuska, Grčka. Ako se predvide u fazi projektovanja, moguće je klasične fasade materijale zameniti fotonaponskim panelima (slika 3).Tada proizvode električnu energiju za svoje

građevinsko – arhitektonski fakultet u nišu nauka + praksa 12.1 / 2009

74

potrebe, ili je predaju ektro mreži (grid connected system). Sve veću primenu fotonaponski sistemi imaju na školskim objektima. kao semitrasparetne foto ćelije, ugrađuju se na staklu i delimično propuštaju svetlost. (slika 2)

Slika 5- Industrija u Nemačkoj, Slika 6- Stadion na Tajvanu

U Srbiji su zabeleženi samo pojedinačni slučajevi ugradnje fotonaponskog sistema, na splavovima, katunima, manastiru Sv. Ilija na Staroj planini,usamljenim domaćinstvima. Prvi veći kororak napravljen je instaliranjem mini elektrane na krovu beogradske opštine Palilula, snage 14MWh[6]. To su pojedinačni slučajevi i nedovoljni da se promeni trend.

Grad Niš, još uvek nije prepoznao isplativost takvog projekta. Javne zgrade, kao veći potrošači, i njihovi krovovi bi mogli biti potencijalno mesto,za postavljanje fotonaponskih panela, tržni centar „Kalča“, Dom Zdravlj- Niš, Eleokronski fakultet Niš, kao i mnoge osnovne i srednje škole.

4. Solarni kolektori (solar thermal collectors) Solarni kolektori su prijemnici, deo solarnog

sistema, spadaju u najisplativije i rasprostenjenije sisteme. Koriste se za zagrevanje vode. Sunčevo zračenje se direktno trasformiše u toplotu, preko tečnog radnog medija. Najviše se primeljuju ravni solarni kolektori i spadaju u niskotemperaturne prijemnike, radni medij se greje do 100°C. Ređe se u ponudi mogu naći vakumski kolektori kod kojih je temperatura radnog medija do 200°C. Apsorpciona površina nije više ravni kolektor, već vakumske cevi dužine oko 1 m.

Ravni kolektori se sastoje od: trasparenta, prednjim pokrivačem, aposorbera- služe da prikupe toplotnu sunčevu energiju i predaju je radnom fluidu, termičke izolacije, odgovaajućeg kućišta. Na kućištu se nalaze cevi ili kanalski priključci za dodatak (rashlađenog) i odvod (zagrejanog) radnog fluda.

4.1.Tehnički podaci solarnih kolektora

U komercijalnoj upotrebi u Srbiji više su zastupljeni sistemi solarnh kolektora sa prinudnom

cirkulacijom vode, zbog klimatskih i tehničkih uslova. Kod sistema solarnih kolektora sa prirodnom cirkulacijom vode cirkulacija radnog medija u kolektoru odvija se prirodnim putem, i obično se koristi u područjima gde nema zamrzavanja.

Solarni sistemi sa prinudnom cirkulacijom vode sastoje se od kloktora- prikuplja sunčevu energiju i predaje je fluidu, solarnog bojlera , difercijalnog termostata, i solarnog modula. [4]

Solarni bojleri služi za zagrevanje vode pomoću razmenjivača toplote. Takođe služi za skladišćenje tople vode, koja se upotrbljava u domaćinstvu.

Slika7 . Kretanje vode u solarnom sistemu

Diferncijalni termostat automatski upravlja solarnim sistemom i preko temperaturnih osetnika reguliše rad pumpe.

Solarni modul se sastiji od cikulacione pumpe i ekspanzione posude. Cirkulaciona pumpa omogućava kruženja fluda kroz cevovod do bojlera. Ekspanziona posuda prihvata višak vode koja nastaje usred zagrevanja.

Zagrejana voda iz kolektora, fluid, pod dejstvom pumpe, se potiskuje u bojler. Tu se hladi i ponovo radom pumpe se vraća u kolekor. Radom cirkulacione pumpe upravlja diferncijalni termostat sa temperaturnim osetnicima(slika 7).[2]

4.2. Odeđivanje kapaciteta solarnog kolektora

Odeđivanja površine solarnog kolektora, u slučaju da se korisnik opredeli za sistem sa ravnim koletorima, vrši se preko dijagrama. Prema proračunu četvoročlanoj porodici dnevno je potrebno oko 240 l vode, kapacitet bojlera 320 l i prijemne površine jedne jedinice 4,3m2.[2]

Isto domaćinstvo potrebno je da izdvoji oko 900-1500€, za instaliranje celog sistema ravnih solarnih kolektora. Povraćaj uloženog novca kroz uštedu električne energije moguć je za period od 2-3 godine.

građevinsko – arhitektonski fakultet u nišu nauka + praksa 12.1 / 2009

75

4.3. Primena u arhitekturi

Sistemi soslarnih kolektora se u Srbiji najviše primenjuju u individualnim domaćinstvima za potebe grejanja sanitarne vode. Postoji mogućnost ugradnje i na višeporodičnim zgradama, primer, zgrada Amadeo izgrađene 2008 god u Beogradu(slika7). Na krovu postavljeno je dvanaest ravnih kolektora , topla voda se skladišti u dva bojlera od po 500 l, za potrebe svih stanovnika zgrade. Primeri iz sveta pokazuju da se ravni kolektori ugrađuju u javne objekte, prvenstveno bolnice, industriju, i hotele.

Slika 8- Solarni kolektori na zgradi studenskog domu Slika9- Parking servis u Barseloni

Susedna Bugarska je 2002 god u gradu Plovdivu, uz pomoć Grčke vlade postavila na ravnom krovu gerentološkog centra „ Sv. Vasilije Veliki“ ,66 ravnih kolektora, ukupne površine 132m2. To je sistem sa prinudnom cirkulacijom vode, upotrebljava se od aprila do oktobra. Na severu Italije, Pijemontu, solarni klektori su postavljeni na studenskom domu za potrebe 185 studenata, ukupne površine 110 m2. (slika 8). U Španiji su 2005 god. za potrebe parking servisa postavljeni ravni kolektori, ukupne površine 510 m2(slika 9).

Na teritoriji grada Niša nije zabeležen tačan podatak o ugradnji ravnih solarnih kolektora, ali

brojni su vidljivi primeri koji su instalirani na krovovima idivuidualnih kuća.(slika 11)Veće potrebe za toplom vodom imaju, Klinički centar Niš, studenski domovi, kao i Niški gerentološki centar. Svi ti objekti bi mogli biti buduća lokacija u primeni ovih sistema.

Slika 10-Hotel Aleksandar u Nišu, Slika11-Idividualna kuća

5. Zaključak

Zbog veće isplativosti i niže cene koštanja, u Sbiji, gradu Nišu se najviše ugrađuju ravni solarni kolektori ali još uvek za potrebe individualnih domaćinstva. Građanstvo je uvidelo potrebu za štedjnom elekrične energija, ali ne i nstitucije koje bi preuzele inicijativu i finasirale ugradnju solarnih kolektora na velikim potrošačima, bolnicama, studentskim domovima. Fotonaponski paneli se još uvek ne proizvode u Srbiji, uvozom se poskupljuje ugradnja, i smanjuje dostupnost privredi i građanstvu. Škole su prvo mesto gde treba početi sa ugradnjom fotonaposkih panela i preko dece podići ekološku svest.

Ugradnjom aktivnih solarnih prijenika ne smanjuje se samo potrošnja električne enrgije, već i smanjenje emisije ugljen dioksida u atmosveru. Stroži propisi, beneficije kao mera potsticaja, i udruživanje kroz organizacije, doprinele bi većem korišćenju istih.

LITERATURA

[1] Jasmina M. Radosavljević, Tomislav M. Pavlović, Miroslav R. Lambić, Solarna energetika i održivi razvoj, Građevinska knjiga, Beograd, 2004, стр.271-335

[2] Miroslav Lambić, Priručnik za solarno grejanje, Naučna knjiga, Beograd, 1992, стр. 92-138 [4] Tomislav M. Pavlović, Branislav d. Čabrić, Fizika i tehnika solarne energetike, Građevinska knjiga,

Beograd, 2007 стр. 89-137 [6] Mila Pucar , Skripta predavanja na doktorskim studijama, 2009, 17. čas [7] Vitruvije, Deset knjigao arhitekturi, Građevinska knjiga, Beograd 2006 стр. 101 http://ertex-solar.at/cms/images/stories/ertexfile/Oekotherm.pdf http://www.solarge.org/index.php?id=749 http://www.epia.org/index.php?id=18 http://www.beodom.com/ http://gis.ni.rs/ http://www.energy.ca.gov/reports/2003-03-11_500-03-014F.PDF