UNIVERZITET U TUZLI

MAŠINSKI FAKULTET

ENERGETSKO MAŠINSTVO

SEMINARSKI RAD

PREDMET: OBNOVLJIVI IZVORI ENERGIJE

TEMA: ENERGIJA SUNČEVOG ZRAČENJA

Profesor: Studenti:

Dr.sc. Sead Delalić red.prof. Efendić Adis I-281/09

Dedić Mustafa I-406/11

Fazlić Nedžad I-397/11

Tuzla, Mart 2014

2

1. Uvod

Sunce je nama najbliža zvijezda te, neposredno ili posredno, izvor gotovo sve raspoložive

energije na Zemlji. Ova se energija u vidu svjetlosti i toplote širi u svemiru, pa tako jedan

mali dio dolazi i do Zemlje. Sunčeva energija je besplatan i bilo gdje dostupan izvor energije.

Ovom energijom se koristimo oduvijek i svakodnevno, a da toga najčešće nismo ni svjesni.

Pored tradicionalnog korišćenja, danas se energija sunčevog zračenja najčešće koristiti na

sledeća dva načina:

• Solarni kolektori – sistemi koji pretvaraju sunčevu energiju u toplotnu energiju vode (ili

neke druge tečnosti). Sistemi za grijanje vode mogu biti otvoreni, u kojima voda koju treba

zagrijati prolazi direktno kroz kolektor, ili zatvoreni, gdje kolektor predstavlja izmjenjivač

toplote.

• Fotonaponski sistemi – na principu fotonaponskog efekta direktno pretvaraju sunčevu

energiju u električnu. Fotonaponski sistemi se mogu koristiti kao samostalni ili dodatni izvori

energije. Kao samostalni izvori energije koriste se za napajanje potrošača koji nemaju pristup

elektroenergetskoj mreži, npr. plovni objekti, sateliti, manje kuće u planinskim predjelima i

sl. Kao dodatni izvor energije, fotonaponski sistemi mogu da rade u kombinaciji sa

elektroenergetskom mrežom u cilju uštede električne energije.

Sunčeva energija je besplatna, ali ureĎaji koji pretvaraju sunčevu energiju u električnu nisu.

Troškovi održavanja i pogona su mali, ali je cijena ureĎaja relativno visoka i vrijeme povrata

investicije relativno dugo. Broj kvalitetnih i iskusnih distributera i montažera opreme, na

našim prostorima, takoĎer je nedostupan.

Ovaj rad ima za cilj da nas upozna sa osnovnim parametrima koji utiču na karakteristike

pretvaranja energije sunčevog zračenja uz pomoć fotonaponskih sistema. Pošto energija

sunčevog zračenja predstavlja najbitniji ulazni parametar prilikom projektovanja

fotonaponskih sistema, prvi dio rada posvećen je upravo energiji Sunca, vrijednostima

energije koja dopire do Zemlje i koja nam kao takva stoji na raspolaganju.

3

2. Energija sunčevog zračenja

Sunce je velika užarena gasovita lopta prečnika 1,392 miliona km koja se sastoji uglavnom

od vodonika i helijuma. Unutar Sunca, vodonik se nuklearnim reakcijama fuzije pretvara u

helijum, što rezultira oslobaĎanjem velikih količina energije, usljed kojih temperatura u

unutrašnjosti Sunca premašuje 20 miliona K. MeĎutim, to nije temperatura koja odreĎuje

elektromagnetska svojstva sunčevog zračenja, budući da zračenje iz unutrašnjosti u velikom

dijelu apsorbuje sloj negativnih vodonikovih jona blizu površine. Dakle, temperatura površine

Sunca je oko 6000 K, a spektar sunčevog zračenja približno odgovara spektru crnog tijela

ugrijanog na temperaturu 5760 K. Stoga se temperatura od 5760 K može uzeti kao efektivna

temperatura sunčeve površine, a iz nje primjenom Plankovog zakona moguće je proračunati

energetski spektar sunčevog zračenja.

Planck-ov zakon je jednačina koja nam kaže koliki je intenzitet elektromagnetskog

zračenja crnog tijela u zavisnosti od temperature i frekvencije, odnosno talasne dužine. Napisao

ga je Max Planck 1901. godine.

Plankov zakon izražen preko frekvencije:

3

2

2 1( , )

1h

kT

hE T

ce

(2.1)

isti zakon izražen preko talasne dužine:

2

5

2 1( , )

1hc

kT

hcE T

e

(2.2)

gdje je:

E - energija 3[W/m ]

- frekvencija [Hz]

- talasna dužina [m]

T - temperatura [K]

h - Plankova konstanta 346,626 10 [Js]

c - brzina svijetlosti 83 10 [m/s]

k - Bolcmanova konstanta 231,38 10 [J/K]

Dakle, energija (snaga) kojom Sunce zrači sa svoje površine iznosi oko 259,5 10 W i to se

zračenje sastoji od različitih talasnih dužina. Većina (99 %) sunčevog zračenja se odnosi na

4

talasne dužine iz opsega 0,275 – 4,6 μm. Spektar sunčevog zračenja može da se podijeli na tri

oblasti: ultraljubičastu (0,01 μm << 0,39 μm), vidljivu (0,40 μm << 0,76 μm) i infracrvenu

(0,76 μm << 4,0 μm). Od ukupne energije koja se generiše na Suncu, 50% odlazi na

infracrvenu, 40% na vidljivu i oko 10% na ultraljubičastu oblast. Maksimum energije zračenja je

na talasnoj dužini od =0,476 μm.

2.1. Sunčevo zračenje na granici Zemljine atmosfere

Sunčevo zračenje koje dopire do vanjskog ruba Zemljine atmosfere naziva se ekstraterestičko

zračenje(iradijacija), te predstavlja veoma mali dio energije kojom Sunce zrači sa svoje površine.

Budući da se udaljenost Zemlje od Sunca mijenja tokom godine, tako se mijenja i

ekstraterestičko zračenje i kreće se od 1307 W/m² do 1399 W/m² na površini koja je normalna na

smjer zračenja. Ekstraterestičko zračenje na površinu koja je normalna na smjer zračenja, za

srednju udaljenost Zemlje od Sunca (149,68 miliona km) naziva se sunčeva (solarna) konstanta.

Slika 1. Ekstraterestičko zračenje

Solarna konstanta Eo jačina je ekstraterestričkog zračenja koje dospjeva na neku površinu

okomitu prema zračenju na srednjoj udaljenosti Zemlje od Sunca i izvan Zemljine atmosfere

UtvrĎivanje solarne konstante i njene moguće promjenjivosti počelo je na prelazu u 20. vijek.

Nakon nekoliko desetina godina satelitskih mjerenja utvrĎeno je da solarna konstanta i nije

konstanta, nego se mijenja kako se i sunčeva aktivnost mijenja. Ipak, Svjetska meteorološka

organizacija je 1981. godine standardizovala solarnu konstantu i ona iznosi E0sr=1367,7

W/m2.

5

2.2. Sunčevo zračenje na površini Zemlje

Zbog velike udaljenosti Zemlje i Sunca može se smatrati da se sunčevo zračenje prije ulaska

u Zemljinu atmosferu sastoji od snopa paralelnih elektromagnetskih talasa. MeĎudjelovanjem sa

gasovima i česticama u atmosferi sunčevo zračenja se može upiti (oko 18 %), odbiti (oko10 %)

ili više manje nesmetano proći kroz atmosferu (oko 70 %).

Slika 2. Raspodjela zračenja u atmosferi

Prilikom prolaska kroz atmosferu dolazi do apsorpcije sunčevog zračenja, i to x i y zraka u

jonosferi, ultraljubičastog zračenja u ozonskom omotaču i infracrvenog zračenja u nižim

slojevima atmosfere. Pored apsorpcije, dio sunčevog zračenja se rasijava na suvom vazduhu,

vodenoj pari i česticama nečistoća koje se nalaze u vazduhu. Zbog apsorpcije i rasijavanja, dolazi

do slabljenja energije sunčevog zračenja koja dospijeva do površine Zemlje. Stepen ovog

slabljenja zavisi od fizičkih i hemijskih karakteristika atmosfere, kao i od dužine puta sunčevog

zračenja kroz Zemljinu atmosferu. Put svjetlosti kroz atmosferu za neku lokaciju ekvivalentiran

je masom zraka AM (od Air Mass). Na putu kroz zemljinu atmosferu izgubi se oko 25 % – 50 %

intenziteta sunčevog zračenja od onog koje je dospjelo na rub atmosfere.

Rasijavanjem sunčevog zračenja na atomima i molekulama gasova i česticama nečistoća u

vazdušnom omotaču Zemlje, nastaje difuzno zračenje. Kada sunčevo zračenje na svom putu

dospije do molekule gasa ili čestice, pobuĎuje je na titranje i zračenje, čime pobuĎena čestica

postaje izvor elektromagnetskog zračenja specifične talasne dužine. Primljenu energiju,

molekula odnosno čestica, predaje nejednako u svim pravcima, dio se odbija nazad u svemir, a

dio se raspršuje na Zemlji. Difuzno zračenje raste sa povećanjem oblačnosti, vodene pare i

čestica nečistoća u atmosferi. Ukupno sunčevo zračenje koje dospijeva do površine Zemlje

sastoji se od dvije komponente: prva, kao što je već navedeno, predstavlja difuzno zračenje, a

druga potiče direktno sa površine Sunca (direktno zračenje). Direktno zračenje kratkotalasnog je

karaktera, za vrijeme sunčanog dana manifestuje se kao kombinacija žućkastog svjetlosnog

6

snopa i topline. Treba napomenuti da direktno sunčevo zračenje ne utiče na povišenje

temperature vazduha.

Pri kontaktu sa Zemljom, zavisno o svojstvima podloge, veći će dio sunčevog zračenja Zemlja

upiti, a manji dio zračenja će se odbiti (reflektovati). Svojstvo podloge da odbija zračenje može

se izraziti koeficijentom refleksije ili albedom. Potpuno bijelo tijelo ima albedo 1,0 jer potpuno

odbija sunčevo zračenje, a potpuno crno tijelo ima albedo nula.

POVRŠINA ALBEDO POVRŠINA ALBEDO

trava (Juli i Avgust) 0,25 asfalt 0,15

zelena trava 0,18-0,23 šuma 0,05-0,18

suva trava 0,28-0,32 vodena površina ( >45°C ) 0,05

ogoljelo tlo 0,17 vodena površina ( >30°C ) 0,08

šljunak 0,18 vodena površina ( >20°C ) 0,12

gladak beton 0,30 vodena površina ( >10°C ) 0,22

grub beton 0,20 svijež sloj snjega 0,80-0,90

čist cement 0,55 star sloj snjega 0,45-0,70

Tabela 1. Vrijednosti albelda za različite površine

Kao najčešća vrijednost albeda uzima se 0,2 (travnata površina) i kao takva ulazi u proračune

fotonaponskih sistema. Dakle, na Zemljinu površinu iz atmosfere dopire direktno i difuzno

(raspršeno) sunčevo zračenje, te se upija ili odbija na Zemljinoj površini. Ukupna količina

sunčevog zračenja na horizontalnu površinu naziva se ukupno ili globalno zračenje. Globalno

zračenje se sastoji od direktnog, difuznog i odbijenog sunčevog zračenja. Mjerna jedinica

globalnog zračenja je W/m².

Drugi, šire prihvaćen pojam u naučnim krugovima je insolacija, odnosno trajanje sunčeve

insolacije. Pojam insolacija odnosi se na gustinu sunčevih zraka na odreĎenoj površini, uz

odreĎenu orjentaciju, kroz odreĎeno vrijeme. Proizvod ukupnog zračenja i vremena daje nam

insolaciju. Mjeri se u Wh/m² ili kWh/m². Energija sunčevog zračenja koja dopire do površine

Zemlje zavisi u prvom redu od trajanja insolacije (broju sunčanih sati), dok trajanje insolacije

zavisi od geografske širine i od godišnjeg doba.

Podaci o energiji sunčevog zračenja najčešće su prikazani kao prosječne vrijednosti. Dotok

ukupnog sunčevog zračenja koje dopire do Zemljine površine iznosi oko 920 W/m². Ako je

projekcija površine Zemlje km², dotok energije je 117512 TW. Zbog rotacije Zemlje, ta se

energija rasporeĎuje po cijeloj površini Zemlje ( km²), pa je prosječni dotok energije 230 W/ m²,

odnosno 5,52 kWh/m² dnevno. To su prosječne vrijednosti, a stvarne zavise od geografske širine,

doba dana, prisustva oblaka, zagaĎenja itd. Energija sunčevog zračenja koja dolazi do Zemljine

površine iznosi oko TWh godišnje. Ova energija je oko 170 puta veća nego energija u ukupnim

rezervama uglja u svijetu.

7

2.2.1. Mjerenje sunčevog zračenja

Mjerenjem sunčevog zračenja bavi se posebna grana meteorologije poznata pod nazivom

aktinometrija. Za praktično korišćenje sunčeve energije važni su sledeći aktinometrijski podaci:

trajanje insolacije i energija ukupnog i difuznog sunčevog zračenja koje pada na horizontalnu

površinu. Za mjerenje trajanja insolacije koriste se heliografi. Pomoću njih se dobijaju podaci o

prisustvu i dužini trajanja sunčevog zračenja. Postoje razne vrste heliografa, kao što su: Kembel-

Stoksov, Džordanov i Maurerov.

Kembel - Stoksov heliograf je jednostavna naprava koja se sastoji od staklene kugle prečnika

10 cm, postavljene ispred sfernog držača, na kome se nalazi papir za registrovanje sunčevog

zračenja. Kada Sunce sija, staklena kugla fokusira sunčevo zračenje na papir, na kome, u

zavisnosti od intenziteta zračenja, ostaju manje ili više spaljena mjesta. Za vrijeme oblačnih dana

ili kada je intenzitet sunčevog zračenja mali, na papiru ne ostaje potreban trag, što je mana ovog

heliografa.

Za mjerenje energije sunčevog zračenja koriste se radiometri u koje spadaju: pirheliometri,

piranometri i solarimetri. Pirheliometar je instrument koji mjeri ukupan fluks zračenja Sunca.

Prvi instrumenti, konstruisani od strane Abota 1908. pa nadalje, suštinski su se sastojali od crne

komore koja je zarobljavala ulazno zračenje pomoću svoje forme. Zidovi komore su kontinualno

kvašeni vodom, i temperatura je mjerena prije nego što voda doĎe u kontakt sa zidom komore i

odmah posle toga. Takvi pirheliometri su mogli da izmjere solarnu konstantu sa nesigurnošću od

svega 1%.

Slika 3. Piranometar Kipp&Zonen model CM11

Instrument koji mjeri ukupno (globalno) sunčevo zračenje na horizontalnu površinu u talasnom

području izmeĎu od 0,3 do 3,0 μm je piranometar. Na idealno odabranoj lokaciji instrument ne bi

8

trebao registrovati zračenje odbijeno od tla i okolnih predmeta, ukupne prepreke ne bi smjele

smanjiti vidno polje instrumenta više od 0,5 steradijana. Piranometri mogu imati termoelektrične,

fotoelektrične, piroelektrične ili bimetalne elemente kao senzore. Kako su trajno izloženi

atmosferskim uticajima moraju biti čvrste konstrukcije i otporni na korozivne uticaje vode i

vlažnog vazduha. Prijemnik zračenja mora biti hermetički zatvoren ili imati sistem za odvoĎenje

kondenzovane vlage u kućištu. Vlaga se obično uklanja pomoću silika gela kojeg je potrebno

redovno mijenjati. Silika gel je vrlo higroskopan materijal kojem se obično dodaje vrlo mala

količina kobaltnog hlorida (0,5% - 1%) koji promijeni boju iz plave u ružičasto kada upije vlagu.

Boja silika gela se može vidjeti kroz prozirni plastični rezervar na instrumentu i kada promjeni

boju u ružičasto silika gel treba zamijeniti. Ružičasti silika gel moguće je reaktivirati sušenjem

na temperaturi od 130 °C nekoliko sati.

Najčešće su u upotrebi termoelektrični piranometri koji koriste toplotne detektore koji daju

napon na principu termoelektričnog efekta u funkciji upadnog sunčevog zračenja. Toplotni

detektor smješten je ispod dvostruke staklene kupole koja ga štiti od prodora vlage i smanjuje

dugotalasno zračenje iz samog instrumenta, toplotno izoluje detektor i sprečava njegovo

hlaĎenje. Svjetska meteorološka organizacija i MeĎunarodna organizacija za standarde (ISO

9060:1990) definiše tri klase piranometra. Najbolja klasa (sekundarni standard) se koristi za

precizna meteorološka mjerenja, instrumenti prve klase za redovna meteorološka mjerenja, a

druge klase za pogonska mjerenja i praćenje fotonaponskih i toplotnih sunčanih sistema.

U zavisnosti od fizičkog principa na kome se zasniva rad piranometra, oni mogu da se podijele

na piranometre sa termoćelijama i piranometre sa solarnim ćelijama. U prvu grupu spadaju Kip i

Mjerenje insolacije se vrši piranometrom Kip i Zonen, (Slika 3.), sa greškom od 3%, opsegom

dozračene energije od 0 do 1400 (maksimalno 4000 ), sa spektralnim opsegom od 0,305 do 2,8

μm i osjetljivosti od 4 do 6 μV /( 2W m ), koji može da mjeri i direktno i difuzno sunčevo

zračenje.

Eplej piranometar se sastoji od radijacionog senzora, staklene kugle i noseće konstrukcije.

Pomoću ovog piranometra može da se vrši mjerenje energije ukupnog sunčevog zračenja (koje

se sastoji od direktnog i difuznog zračenja) i energije samo difuznog sunčevog zračenja. Za

mjerenje energije ukupnog zračenja piranometar se postavlja horizontalno, a za merenje difuznog

zračenja se ispred kugle u pravcu Sunca postavlja metalni zaklon koji sprečava upad direktnog

sunčcvog zračenja na piranometar.

Solarimetar je instrument pomoću koga se intenzitet sunčevog zračenja lako i jednostavno mjeri

i očitava u 2W m .

9

3. Potencijal sunčevog zračenja u BiH

U Bosni i Hercegovini vrijednost dnevne količine zračenja na horizontalnu površinu se kreće

od 3.93 (Bosanska Otoka) do 5.11 (Neum) kWh/m² , odnosno izmeĎu 1440 i 1870 kWh/m²

godišnje (Slika 3.). Trajanje insolacije, odnosno prosječni broj sunčanih sati godišnje je oko 2400

sati. Na sljedećoj slici prikazane su vrijednosti solarnog zračenja za Bosnu i Hercegovinu.

Slika 4. Karta BiH sa vrijednostima globalnog zračenja (izvor PVGIS)

10

Detaljnijom analizom preko PVGIS software-a možemo utvrditi dnevnu količinu zračenja, te

količinu proizvedene el. energije za Tuzlu za pojedine mjesece. Ti podaci su dati u sljedećoj

tabeli:

Mjesec Ed Em Hd Hm

Januar 1.56 48.3 1.88 58.4 Februar 2.27 63.7 2.81 78.7

Mart 3.14 97.5 4.02 125 April 3.67 110 4.84 145 Maj 3.96 123 5.35 166 Juni 4.15 125 5.70 171 Juli 4.32 134 5.97 185

Avgust 4.18 130 5.76 179 Septembar 3.39 102 4.52 136

Oktobar 2.80 86.7 3.63 113 Novembar 1.90 57.0 2.36 70.9 Decembar 1.25 38.7 1.51 46.8

Godišnji prosjek 3.05 92.9 4.04 123

Ukupno godišnje 1110 1470

Tabela 2. Podaci o toplotnom i električnom potencijalu Tuzle

Ed - Prosječna dnevna proizvodnja električne energije u kWh

Em – Prosječna mjesečna proizvodnja električne energije u kWh

Hd – Prosječna dnevna radijacija u kWh/m2

Hm – Prosječna mjesečna radijacija u kWh/m2.

Na osnovu ovih podataka možemo dobiti dijagram koji nam govori o toplotnom potencijalu Tuzle.

Slika 5. Dnevna količina zračenja za Tuzlu u tok čitave godine

Napomena: Sve vrijednosti zračenja su za ugao inklinacije od 35°(kada je zračenje maksimalno),

što je blisko geografskoj širini Bosne i Hercegovine.

0

1

2

3

4

5

6

7

Dn

evn

a ko

liči

na

zrač

enja

kW

h/m

2

11

4. Načini iskorištenja solarne energije

Solarna energija (energija sunca) je najobilniji dostupan vid energije. Ova energija se može

solarnim ćelijama transformisati u električnu ili se može koristiti njen termički efekat. Toplota

sunčevih zraka se može koristiti za grijanje vode (solarni paneli na krovovima kuća) ili se

sistemom ogledala sunčevi zraci mogu koncentrisati na malu površinu na kojoj će se razvijati

velika temperatura dovoljna za proces proizvodnje električne energije pomoću vodene pare kao u

termoelektranama. Glavni nedostatak solarne enrgije je sto je dostupna samo preko dana i to

kada nije oblačno. Dalje, atmosfera u velikoj mjeri oduzima energiju sunčevim zracima, tako da

na površinu zemlje stiže samo mali dio energije koju sunčevi zraci imaju u vasioni. U uslovima

dobre osunčanosti, energija sunčevih zraka na površini zemlje iznosi 1kW/m2 . Iako termički

efekat sunčevih zraka nije pogodan za proizvodnju električne energije, znatne količine električne

energije se mogu uštediti grijanjem vode u solarnim panelima preko ljeta. Dakle u principu

postoje dva načina iskorištavanja solarne energije i to pretvaranjem solarne energije u električnu

energiju i pretvaranjem solarne energije u toplotnu energiju.

4.1. Pretvaranje solarne energije u toplotnu

Toplotu dobivenu od solarne energije u principu koristimo na dva načina i to za zagrijavanje

prostorija ili za zagrijavanje vode. Naravno postoje i sistemi kod kojih su kombinovani ova dva

načina korištenja solarne energije.

4.1.1. Sistemi za grijanje objekata solarnom energijom

U praksi postoji niz rješenja i varijanti grijanja objekata Sunčevom energijom koja se mogu

kvalifikovati u dvije osnovne grupe u zavisnosti od načina i sredstva za uvoĎenje toplote u

prostorije. To su aktivni i pasivni solarni sistemi. Vrlo je raširen sistem aktivnog grijanja u

procesima pripreme tople vode i zagrijavanja prostorija objekta. Radni fluid primarnog kruga

kod aktivnih sistema može biti tečan (voda, antifriz, ulje i sl.) i vazduh, pa se ovi sistemi dijele

na vazdušne i sisteme sa tečnošću.

12

4.1.1.1. Aktivni sistemi sa tečnim radnim sredstvom

Solarni (primarni) krug kod ovakvih sistema je isti kao i kod aktivnog zatvorenog sistema za

pripremu tople sanitarne vode. Na sljedećoj slici je prikazana shema solarnog postrojenja za

grijanje prostorija i sanitarne vode u alternaciji sa električnim grijačem. Toplota Sunčevog

zračenja predata tečnosti primarnog kruga obezbjeĎuje grijanje vode za centralno grijanje u

spremniku toplote 2, koja dalje predaje energiju na sanitarnu vodu preko cijevne zmije smještene

u gornjem dijelu spremnika. Ovim putem efikasno se zagrijavaju tri različite vode koje se fizički

ne miješaju. Spremnik toplote radi na bazi prikupljanja toplote koju on akumulira i dalje po

potrebi šalje u sistem radijatora.

Slika 6. Šema veze postrojenja za grijanje objekta

Akumulacioni spremnik posjeduje električni grijač 1 koji za vrijeme nedostupnosti solarnog

zračenja zagrijava vodu u spremniku. U praksi se pokazala najbolje kombinacija solarnih

instalacija sa sistemom podnog grijanja, jer tada pod ima funkciju spremnika toplote.

Na sljedećoj slici data je šema veze postrojenja za korištenje sunčeve energije u kombinaciji sa

kotlom na čvrsto (tečno) gorivo. Cijevna zmija, smještena na dnu spremnika, pomoću zagrijane

tečnosti iz solarnog kruga prenosi toplinu na vodu koja se nalazi u spremniku. Dalje ova voda

13

služi za sanitarne potrebe, a ona sama prenosi toplinu na cijevnu zmiju 1 koja je priključena na

sistem grijanja objekta.

Slika 7. Šema veze za kombinovano grijanje objekta i vode

Solarni (primarni) krug, kao i grijanje sanitarne vode funkcioniše na već opisan način. Radi

objašnjenja rada cijelog postrojenja ukratko će se objasniti i način rada sekundarnog kruga

grijanja objekta. Topla voda sekundarnog (radijatorskog) kruga, zagrijana u cijevnoj zmiji 1 se

potiskuje cirkulacionom pumpom 2 u kotao gdje se dogrijava na projektovanu temperaturu

grijanja. Dalje se topla voda zagrijana u kotlu potiskuje kroz grejna tijela. Ukoliko je temperatura

vode u povratnom vodu centralnog grijanja veća od temperature vode u spremniku 4, tada će se

toplota preko cijevne zmije prenositi na sanitarnu vodu. Ukoliko je temperatura vode u

povratnom vodu niža od temperature vode u spremniku, tada će se toplota prenositi sa sanitarne

vode na toplu vodu za grijanje, putem cijevne zmije 1. U periodima bez rada kotla dodatno

zagrijavanje sanitarne vode se vrši putem električnog grijača 3.

4.1.1.2. Pasivni sistemi grijanja objekata solarnom energijom

Najekonomičnije grijanje objekata Sunčevom energijom sa gledišta investicionih ulaganja i

pogonske efikasnosti bazira se na principima pasivnog solarnog grijanja. To su tehnički veoma

jednostavni sistemi kojima se omogućuje najneposrednije zahvatanje toplotnog dejstva Sunčevog

zračenja putem odreĎenih površina i elemenata samih objekata koji se griju. U biti, jednostavnim

prilagoĎavanjem objekta intenzivnijem zahvatanju Sunčeve energije formira se specifičan oblik

kolektora zračenja. Osnovna prednost pasivnih solarnih sistema u odnosu na aktivne je u

14

neposrednijem prijenosu toplote prostoru koji se grije. Ova toplota se ˝zahvata˝ obezbjeĎenjem

intenzivnijeg upada zraka u prostor koji se grije, prilagoĎavanjem dijelova površina južnih

fasada i krovova vršenju funkcije kolektora Sunčevog zračenja, kao i aplikacijom tzv. ˝staklene

bašte˝ na južne zidove objekta koji se griju. Intenzivniji upad zraka u prostorije obezbjeĎuje se

većim prozorskim površinama na južnoj strani objekta. PrilagoĎavanjem južnih površina širem

zahvatanju Sunčevog zračenja, najčešće se izvodi bojenjem tih površina tamnom bojom

(najčešće crnom) i njihovim zastakljenjem jednostrukom ili dvostrukom staklenom ili plastičnom

transparentnom pločom. Na sljedećoj slici su prikazani osnovni principi pasivnog solarnog

grijanja.

Slika 8. Principi pasivnog solarnog grijanja

4.1.2. Sistemi za grijanje vode solarnom energijom

Količina tople vode koju proizvode solarni sistemi zavisi od tipa i veličine sistema, količine

dostupnog Sunčevog zračenja, kvaliteta instalacija kao i od orijentacije te od ugla nagiba

kolektora. Solarni sistemi za grijanje vode mogu se klasificirati u dvije osnovne grupe: pasivni i

aktivni solarni sistemi. Kod pasivnih sistema cirkulacija fluida na liniji kolektor - bojler

obezbjeĎuje se prirodnim putem - termosifonski (termosifonski sistem), odnosno sistem ne

zahtijeva priključenje na izvor električne energije, dok kod aktivnih sistema mora postojati

pumpa za cirkulisanje vode ili nekog drugog fluida. Aktivni sitemi za korištenje Sunčeve

15

energije u suštini se dijele na otvorene (direktne) i zatvorene (indirektne) solarne sisteme.

Zatvoreni sistemi se dalje mogu podjeliti, s obzirom na zaštitu protiv smrzavanja na: zatvorene

sisteme koji koriste antifriz ili vodu pomješanu sa antifrizom kao radnim fluidom (tzv. antifreeze

systems) i zatvorene sisteme sa oticanjem radnog fluida (tzv. drainback systems). Obično su

aktivni sistemi skuplji nego pasivni, ali su zato i efikasniji. Aktivni sistemi su jednostavniji za

ugradnju nego pasivni sistemi zbog toga što njihov skladišni rezervoar nemora biti instaliran

iznad ili blizu kolektora.

4.1.2.1. Pasivni - termosifonski sistemi

Za pripremu potrošne tople vode iskorištavaju djelovanje gravitacije i finu ali dovoljnu

razliku gustoće (i relativne mase) izmeĎu hladne i tople tečnosti. Pritom se zagrijana tečnost

uzdiže a ohlaĎena spušta. UreĎaj funkcionira sam po sebi, bez pumpe i složenih upravljačkih

sklopova pa ne zahtijeva nikakvo dodatno održavanje. No, preduslov je da se spremnik zagrijane

vode postavi iznad kolektora. Ovo omogućuje potpuno autonoman i bešuman rad sistema, bez

ikakvog strujnog priključka. Ipak, svakodnevna priprema potrošne tople vode i nužan komfor u

svim vremenskim uslovima zahtijeva nekoliko dodatnih elemenata koji ne umanjuju učinkovitost

i ekonomičnost osnovne zamisli.Na slici je prikazan jedan ovakav sistem sa osnovnim

dijelovima.

Slika 9. Prikaz termosifonskog sistema sa osnovnim dijelovima

U zatvorenom cirkulacijskom krugu kroz kolektor i spremnik protječe neotrovni antifriz (glikol)

koji treba zamijeniti jednom u četiri godine. On preuzima toplinu upijenu kolektorom i zagrijava

se u cijevima koje krivudaju pod zaštitnim staklom kolektora. Zagrijanom se mediju neznatno

smanjuje gustoća (i relativna masa) pa se u cijevima podiže prema bojleru. Pri prolazu kroz

gornji dio bojlera toplina se prenosi na gornje slojeve potrošne vode koja protječe drugim,

16

odvojenim krugom, od vodovoda do slavine. Pritom se glikol u hladnijoj okolini hladi, povećava

mu se gustoća i on se ponovno spušta u kolektor. Stoga solarni bojler mora biti iznad kolektora,

jer to je nužan preduslov za termosifonsko funkcioniranje sistema - bez dodatnih pumpi, struje i

pomoćnih sklopova.

Slika 10. Princip rada termosifonskog sistema

Ovakav sistem se najčešće dopunjuje manjim bojlerom (ili kotlom) na struju ili plin (tzv.

integrirani sistem). Riječ je o kombinaciji akumulacijskog i protočnog grijanja vode gdje se topla

voda iz termosifonskog spremnika ne vodi izravno do slavine već (umjesto hladne vode) ulazi

najprije u tzv. radni bojler manjeg volumena a tek potom u kućnu instalaciju. U radnom se

bojleru voda može po potrebi dogrijavati loživim uljem, plinom ili strujom. Ova kombinacija

pruža najveći komfor i najveće uštede a Sunčeva se energija iskorištava tokom cijele godine - s

izuzetkom razdoblja višednevne potpune naoblake i magle pri niskim temperaturama. Na

sljedećoj slici imamo prikazan prmijer ugradnje termosifonskog sistema.

Slika 11. Šematski prikaz integriranog rada solarnog termosifonskog sistema i plinskog bojlera

17

4.1.2.2. Otvoreni aktivni sistemi

Ovi sistemi su, po koncepciji najjednostavniji, ali ne i najbolji tehnički sistemi za grijanje

vode Sunčevom energijom. Prikladni za pripremanje potrošne tople vode u domaćinstvima i to u

područjima sa blagom i umjerenom klimom gdje nema opasnosti od smrzavanja. Postoje dva

načina zaštite od smrzavanja kod ovakvih sistema. Jedan od načina (primarni) se može

obezbjediti preko automatike, na taj način da se pri temperaturi od oko 42 °F (5,5 °C) automatski

uključuje u rad pumpa, na kraće vrijeme, tečnost cirkuliše kroz sistem i sprečava se smrzavanje

vode u sistemu. Druga mogućnost zaštite je ugradnja zaštitnog ventila protiv smrzavanja koji

omogućava vodi da pri niskim temperaturama istekne iz sistema. Ovaj način zaštite se koristi u

slučaju kada zakaže automatika odnosno kada nema električne energije.

Cirkulisanje vode kod aktivnog solarnog sistema bilo otvorenog ili zatvorenog tipa obezbjeĎeno

je pomoću cirkulacione pumpe. Pumpe su vrlo male snage, do nekih 100 W a mogu biti

priključene na električnu mrežu ili kako se to u posljednje vrijeme sve više prakticira priključuju

se na solarne ćelije, koje se postavljaju zajedno sa kolektorima.

Na sljedećoj slici prikazana je šema otvorenog aktivnog sistema sa osnovnim dijelovima.

Slika 12. Šematski prikaz otvorenog aktivnog sistema

Hladna voda se pri pritisku koji vlada u napojnom sistemu dovodi u rezervoar preko priključka 4.

Automatika ustanovljava dali toplota stoji na raspolaganju od strane kolektora i uključuje u rad

pumpu. Pumpa cirkuliše vodu iz rezervoara da bi se zagrijala u kolektoru. Kada nema dovoljno

18

toplote od strane kolektora automatika isključuje pumpu. Ukoliko se temperatura na površini

kolektora približi temperaturi smrzavanja automatika će uključiti pumpu i na taj način spriječiti

smrzavanje vode u sistemu. Opcionalno se može ugraditi i zaštitni ventil protiv smrzavanja koji

će omogućiti vodi da istekne iz sistema ukoliko postoji opasnost od smrzavanja. Kod ovog

sistema, u slučajevima de se Sunčevom energijom ne može obezbjediti dovoljno tople vode,

predviĎena je mogućnost dogrijevanja vode električnom energijom putem elektro-grijača 12.

Automatika upravlja radom solarnog sistema i osigurava maksimalnu efikasnost i fleksibilnost

pri njegovom radu. Sastoji se od upravljačke jedinice i dva senzora, kolektorskog i povratnog

senzora. Kolektorski senzor (TC) mjeri temperaturu na površini kolektora, dok povratni senzor

(TR) mjeri temperaturu vode na izlazu napojnog voda iz rezervoara ili u samom rezervoaru.

Razlika izmeĎu ove dvije temperature (ΔT ) se može podešavati na regulatoru i njena vrijednost

se kreće do 10 °C. Kada je temperatura na površini kolektora veća, najmanje za vrijednost ΔT

nego što je u samom rezervoaru dolazi do slanja impulsa od strane upravljačke jedinice za

uključenje pumpe te proces prijenosa energije iz solarnog kolektora započinje. U slučaju da se

razlika temperatura u kolektoru i rezervoaru smanji ispod unaprijed definisane vrijednosti

vrijednosti ΔT automatika isključuje rad pumpe.

Prednosti otvorenog sistema:

-On je najjednostavniji i najjeftiniji aktivni sistem za ugradnju.

-Sistem radi pri standardnom pritisku koji vlada u sistemu kojim se objekat napaja vodom.

-Proširivanje kapaciteta je jednostavno ukoliko ima za to potrebe.

-Ovakav sistem se lako integrira sa već postojećim sistemom ze pripremu tople sanitarne

vode.

Nedostatci otvorenog sistema:

-Podložan je izdvajanju vodenog kamenca iz vode koji tokom vremena začepljuje vodene

kanale, smanjuje prijenos toplote u kolektoru, vijek trajanja sistema i dr.

-Loša zaštita protiv smrzavanja.

-Nedostatak se odnosi i na potrebu stalnog postojanja izvora električne energije radi

obezbjeĎenja primarne zaštite od smrzavanja.

Zbog svega ovoga upotreba otvorenih sistema u našim krajevima ima sezonski karakter, tako da

se mogu bez posljedica smrzavanja vode u njima, a time i havarije sistema, koristiti u proljeće,

ljeto i jesen.

19

4.1.2.3. Zatvoreni – cirkulacioni sistemi

Ovi sistemi se po načinu funkcionisanja i radnom fluidu sastoje iz dva kruga: primarnog

(kolektorskog) i sekundarnog (potrošačkog). Primarni krug ovih sistema je zatvoren, što znači da

je fluid primarnog kruga izdvojen od sekundarnog – potrošačkog kruga, odnosno od sanitarne ili

tehnološke vode. Prijenos toplote sa primarne na sekundarnu tečnost vrši se putem izmjenjivača

toplote. Zatvoreni sistemi sa antifrizom su jedni od najpouzdanijih s obzirom na zaštitu protiv

smrzavanja. Kod ovih sistema primarnim krugom cirkuliše neka antifrizna tečnost. Propilen

glikol je tečnost koja se najviše koristi. Za razliku od etilen glikola, koji se koristi u hladnjacima

automobila, propilen glikol nije toksičan. Zatvoreni solarni sistemi su pogodni za područja sa

upitnim kvalitetom vode. Primjenljivi su u svim klimatskim uslovima a najbolji su izbor za

ekstremno hladna područja. Mogu se koristiti tokom cijele godine. Na slici šematski je prikazan

zatvoreni solarni sistem sa antifrizom za pripremu tople potrošne vode.

Slika 13. Šematski prikaz zatvorenog – cirkulacionog sistema

Toplota Sunčevog zračenja se predaje tečnosti u kolektoru. Dejstvom cirkulacione pumpe 11

zagrijana tečnost iz kolektora se potiskuje ka izmjenjivaču toplote 16 (koji je ujedno i

akumulacioni rezervoar), gdje se toplota preko cijevne zmije predaje potrošnoj vodi u njemu.

RashlaĎena tečnost iz cijevne zmije cirkuliše dalje u kolektor gdje se ponovo dogrijava.

20

Automatika primarnog kruga funkcioniše na isti način kao i kod otvorenog sistema. Nepovratni

ventil 7 sprečava odliv toplote iz spremnika prema kolektoru za vrijeme nedostupnosti solarnog

zračenja (u toku noći, za period oblačnog vremena itd). Hladna voda sekundarnog kruga

obezbjeĎuje se direktnim spajanjem na sistem gradskog ili lokalnog cjevovoda. Ukoliko se želi

veća akumulaciona sposobnost sistema može se u sekundarnom krugu ugraditi dodatni

akumulacioni rezervoari. TakoĎe kod ovog sistema, kao i kod otvorenog predviĎena je

mogućnost dogrijavanja vode preko električnog grijača 17.

Prednosti zatvorenog sistema

-Vrlo dobra zaštita protiv smrzavanja.

-Nema problema sa tvrdom vodom.

-Mogućnost priključivanja sistema za grijanje prostorija, bazenske vode i drugih na ovakav

sistem.

Nedostatci zatvorenih sistema:

-Općenito ovakvi sistemi su komplicirani nego otvoreni sistemi, imaju više dijelova.

-Kolektorski krug mora da bude pod pritiskom (0,5 do 1 bar).

-Izmjenjivač toplote i antifriz smanjuju efikasnost.

-Antifriz se mora zamijeniti svakih 3 do 5 godina.

4.2. Pretvaranje solarne energije u električnu

Dva su osnovna načina dobijanja električne energije iz energije Sunca. Najjednostavniji je

direktna transformacija preko fotonaponskih ćelija (FN kolektora). Princip rada fotonaponskih

ćelija temelji se na fotonaponskom efektu: kada se Sunčevo zračenje apsorbira u solarnoj ćeliji

na njenim krajevima se pojavljuje elektromotorna sila, tako da se ćelija obasjana Sunčevim

zracima može koristiti kao izvor električne enrgije. Prema rezultatima najnovijih istraživanja i na

taj način će se uskoro znatno intenzivnije koristiti solarna energija. Drugi način je da se solarna

energije prvo transformiše u toplotnu energiju, a zatim iz toplotne energije pomoću parnih

turbina i generatora transformiše u električnu energiju. U svijetu je već dovršeno više takvih

elektrana, pomoću kojih se stječu nova iskustva za eventualno buduću komercijalnu proizvodnju

električne energije.

21

4.2.1. Solarne fotonaponske elektrane

4.2.1.1. Princip rada fotonaponske ćelije (fotoelektrčni efekat)

Fotonaponska (FN) ćelija temeljni je blok fotonaponskog sistema. Ona predstavlja p-n spoj

koji pomoću fotonaponskog efekta sunčevo zračenje pretvara u električnu energiju. Sačinjena je

od poluprovodničkog materijala (najčešće silicijuma). Usljed apsorpcije sunčevog zračenja, u p-n

spoju se javljaju parovi elektron-šupljina. Prilikom sunčevog zračenja unutar ili u blizini p-n

spoja, unutrašnje električno polje razdvaja elektrone i šupljine. Pri tome se elektroni kreću prema

n strani, a šupljine prema p strani p-n spoja, i kao posljedica toga javlja se potencijalna razlika,

odnosno napon. Kada se FN ćelija poveže u strujno kolo, kroz potrošač će poteći struja.

Slika 14. Fotoelektrični efekat

Osvjetljena FN ćelija ponaša se dakle kao izvor stalne struje. Njena ekvivalentna šema prikazana

je na slici 5.2. Izvor stalne struje paralelno je spojen sa diodom. Serijski otpor Rs predstavlja

otpornost p-n spoja, zavisi od materijala od koga je izgraĎena FN ćelija i poželjno je da bude što

manji. Paralelni otpor Rp potiče od mikrodefekata i nečistoća unutar FN ćelije i zavisi od

osobina ćelije i većinom je dovoljno veliki da ga možemo smatrati beskonačnim. Tipične

vrijednosti za Rs i Rp, za silicijumske FN ćelije iznose Rs<0,1 Ω i Rp>500 Ω.

Solarne ćelije proizvode napon reda veličine 0,5V i jačine struje oko 2/20 cmmA . Da bi se dobio

odgovarajući napon odnosno snaga, ćelije se mogu spajati serijski i paralelno. Tako se dobijaju

moduli solarnih ćelija u obliku ploče-panela na kojoj su ploče učvršćene i zaštićene od

atmosferskih i drugih uticaja. Snaga pojedinačne FN ćelije je mala (do 2 W), pa se kao takva ne

bi mogla šire da upotrebljuje. Zbog toga se FN ćelije mehanički i električno vezuju u veće cjeline

koje se nazivaju moduli. U cilju dobijanja još većih snaga, moduli se po istom principu vezuju u

tzv. fotonaponske panele, čije snage idu i do reda MW.

22

Slika 15. Ćelija, modul i panel i njihova veza

4.2.1.2. Solarne fotonaponske elektrane

Fotonaponska elektrana ili sunčeva fotonaponska elektrana je fotonaponski sistem koji ima

mrežni sistem, a to znači da proizvedenu električnu energiju predaje u elektroenergetski sistem,

za razliku od samostalnog ili otočnog sistema u kojima proizvedenu električnu energiju najčešće

skladištimo u baterije ili akumulatore. Fotonaponske elektrane omogućuje izravnu pretvorbu

sunčeve energije u električnu i predstavljaju jedan od najelegantnijih načina korištenja energije

Sunca. Poluprovodnici propuštaju električnu struju samo u jednom smjeru. Dakle, pod uticajem

Sunčeva zeačenja i procesom fotoelektriciteta na krajevima solarne ćelije se proizvodi

elektromotorna sila (napon), koja je uzrok proticanja jednosmjerne struje koja se direktno može

koristiti ili se može tranformisati u naizmjeničnu struju ili uskladištiti u za kasniju upotrebu.Na

sljedećoj slici imamo primjer običnog fotonaponskog sistema.

Slika 16. Najednostavniji fotonaponski sistem

23

Na sljedećoj slici imamo šematski prikaz ovog sistema.

Slika 17. Šematski prikaz fotonaponskog sistema

Postoje radne izvedbe ovog sistema u zavisnosti kako želimo utrošiti energiju. Na sljedećoj slici

prikazan je ovaj sistem koji dio energije šalje u mrežu a dio ostavlja za neke druge upotrebe.

Slika 18. Šematski prikaz fotonaponskog sistema

Na sljedećoj slici imamo prikazan fotonaponski sistem kod kojeg se sva dobijena energija

predaje mreži.

Slika 19. Šematski prikaz fotonaponskog sistema

24

4.2.2. Solarne elektrane

Solarne elektrane su visokotemperaturni solarno-toplotni sistemi koji koriste mogućnost

ogledala i sočiva za koncentriranje velikih količina Sunčeve energije zračenja u manje

zapremine-prijemnike kako bi se ostvarila visoka temperatura. Ovi sistemi omogućavaju

transformaciju Sunčeve energije u električnu indirektno, za razliku od FN ćelija.

Prijemnici kod kojih se Sunčevi zraci zahvaćeni sa veće površine koncentrišu na neku manju

površinu nazivaju se koncentratori ili fokusirajući kolektori. Kod ovih prijemnika mogu se u

zavisnosti od konstrukcije ostvariti visoke radne temperature i do par hiljada stepeni Celzijusa

(do 4000 °C). U zavisnosti od materijala koji se koristi kod fokusirajućih prijemnika u najvećoj

mjeri zavisi i njihova efikasnost. . Razlikujemo tri osnovna tipa fokusirajućih kolektora:

1. Parabolični zdjelasti kolektori;

2. Parabolični koritasti kolektori;

3. Ravna pokretna ogledala- heliostati

U principu, fokusirajući kolektori se dijele po konstrukciji na dvije grupe: na one koji Sunčevu

svjetlost fokusiraju (teoretski gledano) na tačku (parabolični zdjelasti kolektori i heliostati

odnosno sunčani tornjevi) i na kolektore kod kojih se fokusiranje vrši na liniju (parabolični

koritasti kolektori). Prvi kolektori mogu obezbjediti znatno više radne temperature od drugih.

MeĎutim, sve vrste fokusirajućih prijemnika zahtjevaju promjenu položaja tokom korištenja,

kako bi se mogli dobiti maksimalni toplotni efekti. Ovo navoĎenje prema Suncu se vrši putem

automatskih ureĎaja, mada kod individualnih sistema za povremenu kućnu upotrebu to

navoĎenje se može vršiti periodično-ručno.

4.2.2.1. Tanjuraste sunčane elektrane

Ove elektrane toplotnu energiju solarnog zračenja u mehaničku a zatim u električnu energiju na

sličan način kako konvencionalne termoelektrane pretvaraju toplotnu energiju sagorijevanja

fosilnog goriva u električnu energiju. Glavni dijelovi ovog sistema su solarni koncentrator,

prijemnik (receiver) i sklop motor generator. Direktno Sunčevo zračenje se pomoću

koncentratora u obliku parabole usmjerava prema prijemniku (receiver) koji je smješten u žižnoj

tački parabole, da bi se postigla što veća radna temperatura (do 750 °C) potrebna za efikasno

pretvaranje toplote u rad. Da bi se ovo ostvarilo dish sistem prati položaj Sunca pomjerajući se

po dvije ose (istok-zapad i sjever-jug). Receiver apsorbuje energiju reflektovanu od strane

25

koncentratora i predaje je radnom fluidu. Na sljedećoj slici imamo prikazanu šemu jedne takve

elektrane.

Slika 20. Šema tanjuraste sunčane elektrane

Pošto je Amerika odavno počela sa ulaganjem u ovu vrstu dobijanja energije, Amerika je

izgradila brojne ovakve elektrane. Na sljedećoj slici imamio jednu elektranu ovog tipa izgraĎenu

u Californiji.

Slika 21. Tanjurasta sunčana elektrana u Californiji

26

4.2.2.2. Solarni dimnjak

Solarna uzgonska elektrana (solarni dimnjak) je vrsta još uvijek nedovoljno testirane i istražene

varijante solarne elektrane. Njezina trenutna upitna ekonomska isplativost uskoro bi se mogla

promijeniti zbog sve viših cijena fosilnih goriva, za što već postoje naznake u dijelovima svijeta

sa velikim brojem sunčanih dana. Na sljedećoj slici imamo prikazanu funkcionalnu šemu jednog

solarnog dimnjaka.

Slika 22. Sunčani dimnjak

Efekt dimnjaka se sastoji u tome što s porastom temperature zraka dolazi i do smanjenja njegove

gustoće (čime on postaje lakši) što rezultira i njegovim strujanjem prema gore. Efekt dimnjaka je

upravo pojava u čijoj je srži ovaj fenomen. Da bi došlo do ovog fenomena mora postojati

temperaturna razlika izmeĎu unutrašnjeg i vanjskog okoliša. Glavni temelji na kojima počiva ova

tehnologija su već odavno poznati, i to su, uz već spomenuti efekt dimnjaka, efekt staklenika te

provjerena tehnologija vjetroturbine. Elektrana se sastoji od 3 osnovna elementa, solarnih

kolektora u kojima se zrak zagrijava, vjetroturbina koje pogoni zagrijani zrak, te dimnjaka kroz

koji se diže vrući zrak. Solarni kolektori su u suštini graĎevine nalik na staklenik u kojima se

zagrijava zrak odnosno voda toplinom sunčevog zračenja. Topli zrak se zbog efekta dimnjaka

diže te prolazi preko turbina, proizvodeći električnu energiju, te odlazi u dimnjak. Glavni

parametri koji odreĎuju veličinu ove vrste elektrane su površina kolektora, te visina dimnjaka.

Veća površina kolektora omogućuje većoj količini zraka da se zagrije i struji preko turbina, dok

viši dimnjak omogućuje veću razliku tlaka i efikasniji efekt dimnjaka. Kako bi elektrana mogla

27

proizvoditi energiju i tijekom noćnih sati, moguće je u kolektore ugraditi cijevi u kojima se

nalazi već ranije spomenuta voda. Kako voda ima vrlo visoki toplinski kapacitet idealna je za

pohranu toplinske energije koju oslobaĎa u noćnim satima te na taj način omogućava rad

elektrane i u noćnim satima (iako sa smanjenim kapacitetom).

4.2.2.3. Solarni toranj

Ovi sistemi sastavljeni su iz velikog broja (nekoliko hiljada) ravnih ogledala od kojih se

Sunčevi zraci reflektuju prema prijemniku smještenom na vrhu tornja. Na slici je šematski

prikazana jedna savremena solarna elektrana ovog tipa, tzv. molten-salt power tower system

(solarna elektrana sa središnjim tornjem koja kao radni fluid koristi rastopljenu sol). Rastopljena

sol pri temperaturi 290 °C se pumpa iz hladnog rezervoara kroz prijemnik na tornju gdje se

zagrijava do 565 °C i odlazi u topli rezervoar. Dalje se topla sol pumpa do parnog generatora

gdje se proizvodi pregrijana para za konvencionalni Rankine-ov ciklus. Iz generatora pare

rastopljena sol se vraća u hladni rezervoar i ukoliko je potrebno ponovo dogrijava u prijemniku.

Rezervoari se grade sa velikim kapacitetom koji omogućava rad turbine, pri punom opterećenu

do 13 sati, bez dodatnog zagrijavanja u prijemniku. Električna energija proizvedena u ovakvoj

solarnoj elektrani se dalje predaje mreži. Refleksija Sučevih zraka sa sistema ravnih ogledala na

prijemnik se, u svakom trenutku obezbjeĎuje postavljanjem svih ogledala pod pravim uglom u

odnosu na Sunce. Orijentacija svakog od ogledala iz sistema ostvaruje se automatski i

kontinualno njegovim zakretanjem oko dvije ose-horizontalne i vertikalne. Takva pokretna

ogledala nazivaju se: heliostati.Na sljedećoj slici imamo prikazane heliostate.

Slika 20. Heliostat – element makrosolarnog sistema

28

Slika 24. Solarna elektrana sa središnjim tornjem koja kao radni fluid koristi rastopljenu sol

Na sličan način ovom prethodnom sunčani toranj može biti izveden sa vodom kao radnim

fluidom. Proces dobijanja električne energije je sličan kao i kod elektrane na rastopljenu sol, tj.

cilj je dobiti vodenu paru za klasični Rankin-ov ciklus. Jednu takvu elektranu imamo prikazanu

na sljedećoj slici.

Slika 25. Sunčani toranj sa vodom kao radnim fluidom

29

4.2.2.4. Solarne elektrane sa koritastim kolektorima

Kod ovih tipova solarnih kolektora solarno zračenje se pomoću površine u obliku otvorene

parabole reflektuje na prijemnu cijev postavljenu duž fokusne linije parabole. U nekim

slučajevima prijemna cijev se postavlja u staklenu cijev pod vakuumom, te se na taj način

dodatno smanjuju gubitci. Reflektovana energija se apsorbuje u fluidu koji struji proz prijemnu

cijev. Kolektorsko polje se sastoji od velikog broja kolektora postavljenih u nizove duž ose

sjever-jug. Svaki niz kolektora nezavisno prati kretanje Sunca od istoka do zapada tokom dana i

na taj način se osigurava kontinualno fokusiranje Sunčevih zraka na prijemnu cijev. Radni fluid

kolektorskog strujnog kruga zagrijan pri cirkulisanju kroz prijemnu cijev do 390 °C, odlazi u niz

izmjenjivača toplote gdje se koristi za proizvodnju pregrijane pare visokog pritiska i temperature.

Pregrijana para se zatim odvodi u konvencionalni blok turbina-generator gdje se proizvodi

električna energija. OdraĎena para iz turbine kondenzuje u standardnom kondenzatoru i vraća se

u izmjenjivače toplote putem napojnih i kondenzat pumpi, da bi se ponovo transformisala u paru

visokih parametara (p i t). Poslije prolaska kroz izmjenjivače toplote rashlaĎeni fluid solarnog

strujnog kruga se pomoću pumpi vraća u kolektorsko polje. Na sljedećoj slici imamo prikazanu

jednu takvu solarnu elektranu.

Slika 26. Šema rada solarne elektrane sa koritastim kolektorima

30

5. Zaključak

Gledano sa aspekta velikih količina energije koje Sunčevim zračenjem stignu na našu

Zemlju, iskorištavanje ovog vida energije izgleda vrlo primamljivo. Osnovni principi koji stoje

iza iskorištenja solarne energije su u biti vrlo jednostavni. MeĎutim ekonomsku opravdanost za

praktičnu upotrebu pokazuju samo neki, u principu jednostavni sistemi.

Primjena solarnih sistema bi trebala da uštedi novac za energiju u toku životne eksploatacije

sistema, ali kod mnogih sistema to nije ostvarivo. Opravdanost solarnih sistema se ogleda u

ekologiji. Solarna energija je obnovljiv izvor i on je konstantan.

Smanjenje korištenja fosilnih goriva, veće poklanjanje pažnje zaštiti okoline, te kontinuirani rad

u cilju poboljšanja i pojeftinjenja solarnih sistema idu u prilog korištenju Sunčeve energije.

Mudro korištenje energije je odgovornost svih nas radi osiguravanja dovoljnih količina energije

za budućnost. Učinkovito korištenje i čuvanje energije je na svima nama, a pogotovo na onima

koji osmišljavaju nove energetske tehnologije za buduće korištenje.

Svi energetski izvori izazivaju nekakve učinke na okoliš od kojih su najpoznatiji efekt staklenika,

globalno zagrijavanje i zagaĎenje zraka. Zabrinutost zbog tih učinaka i sigurnosti opskrbe

energijom dovela je do povećanog zanimanja i ulaganja u razvoj obnovljivih energetskih izvora

poput sunčeve, geotermalne, vodika, energije vjetra i energije valova.

Korištenje fosilnih goriva i nuklearne energije morat će se nastaviti sve dok ih nove i čišće

tehnologije ne budu u mogućnosti zamijeniti.

31

6. Popis slika

Slika 1. Ekstraterestičko zračenje

Slika 2. Raspodjela zračenja u atmosferi

Slika 3. Piranometar Kipp&Zonen model CM11

Slika 4. Karta BiH sa vrijednostima globalnog zračenja (izvor PVGIS)

Slika 5. Dnevna količina zračenja za Tuzlu u tok čitave godine

Slika 6. Šema veze postrojenja za grijanje objekta

Slika 7. Šema veze za kombinovano grijanje objekta i vode

Slika 8. Principi pasivnog solarnog grijanja

Slika 9. Prikaz termosifonskog sistema sa osnovnim dijelovima

Slika 10. Princip rada termosifonskog sistema

Slika 11. Šematski prikaz integriranog rada solarnog termosifonskog sistema i plinskog bojlera

Slika 12. Šematski prikaz otvorenog aktivnog sistema

Slika 13. Šematski prikaz zatvorenog – cirkulacionog sistema

Slika 14. Fotoelektrični efekat

Slika 15. Ćelija, modul i panel i njihova veza

Slika 16. Najednostavniji fotonaponski sistem

Slika 17. Šematski prikaz fotonaponskog sistema

Slika 18. Šematski prikaz fotonaponskog sistema

Slika 19. Šematski prikaz fotonaponskog sistema

Slika 20. Šema tanjuraste sunčane elektrane

Slika 21. Tanjurasta sunčana elektrana u Californiji

Slika 22. Sunčani dimnjak

Slika 23. Heliostat – element makrosolarnog sistema

32

Slika 24. Solarna elektrana sa središnjim tornjem koja kao radni fluid koristi rastopljenu sol

Slika 25. Sunčani toranj sa vodom kao radnim fluidom

Slika 26. Šema rada solarne elektrane sa koritastim kolektorima

33

7. Popis tabela

Tabela 1. Vrijednosti albelda za različite površine

Tabela 2. Podaci o toplotnom i električnom potencijalu Tuzle

34

Literatura:

http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis

http://www.eee.ba/

http://www.eihp.hr/hrvatski/projekti/revetis/revetis.htm

http://www.wikipedia.org

35

Sadržaj:

1. Uvod .......................................................................................... Error! Bookmark not defined.

2. Energija sunčevog zračenja........................................................ Error! Bookmark not defined.

2.1. Sunčevo zračenje na granici Zemljine atmosfere ................................................................. 4

2.2. Sunčevo zračenje na površini Zemlje................................................................................... 5

2.2.1. Mjerenje sunčevog zračenja .......................................................................................... 7

3. Potencijal sunčevog zračenja u BiH ........................................................................................... 9

4. Načini iskorištenja solarne energije .......................................................................................... 11

4.1. Pretvaranje solarne energije u toplotnu .............................................................................. 11

4.1.1. Sistemi za grijanje objekata solarnom energijom. ....................................................... 11

4.1.1.1. Aktivni sistemi sa tečnim radnim sredstvom. ....................................................... 12

4.1.1.2. Pasivni sistemi grijanja objekata solarnom energijom .......................................... 13

4.1.2. Sistemi za grijanje vode solarnom energijom .............................................................. 14

4.1.2.1. Pasivni - termosifonski sistemi ............................................................................ 15

4.1.2.2. Otvoreni aktivni sistemi ........................................................................................ 17

4.1.2.3. Zatvoreni – cirkulacioni sistemi............................................................................ 19

4.2. Pretvaranje solarne energije u električnu ........................................................................... 20

4.2.1. Solarne fotonaponske elektrane ................................................................................... 21

4.2.1.1. Princip rada fotonaponske ćelije (fotoelektrčni efekat) ........................................ 21

4.2.1.2. Solarne fotonaponske elektrane ............................................................................ 22

4.2.2. Solarne elektrane ......................................................................................................... 24

4.2.2.1. Tanjuraste sunčane elektrane ................................................................................ 24

4.2.2.2. Solarni dimnjak ..................................................................................................... 26

4.2.2.3. Solarni toranj ......................................................................................................... 27

4.2.2.4. Solarne elektrane sa koritastim kolektorima ......................................................... 29

5. Zaključak................................................................................................................................... 30

6. Popis slika ................................................................................................................................. 31

7. Popis tabela ............................................................................................................................... 33

Literatura ....................................................................................................................................... 34

36