Solarna fotonaponska energija

Ako se elektrina energija dobije direktnim pretvaranjem energije sunevog zraenja tada govori o sunevoj fotonaponskoj energiji. U fizici ovakvo pretvaranje energije je poznato pod nazivom fotoelektrini efekt. Ureaji u kojima se odvija fotonaponsko pretvaranje energije zovu se solarne elije.

Princip radaPrema kvantnoj fizici svetlost ima dvojni karakter. Svetlost je i estica i talas. estice svetlosti nazivaju se fotoni. Fotoni su estice bez mase i kreu se brzinom svetlosti. Energija fotona zavisi od njegove talasne duine odnosno od frekvencije. Energiju fotona moemo izraunati Ajntajnovim zakonom koji glasi:E=hE Energija fotonh Plankova konstanta frekvencija fotonaPlankova konstanta iznosi 6.626x10^-34 Js

U metalima i uopte u materiji, elektroni mogu postojati kao valentni ili slobodni. Valentni elektroni vezani su uz atom, dok se slobodni elektroni mogu slobodno kretati. Da bi od valentnog elektrona nastao slobodni, on mora dobiti energiju koja je vea ili jednaka energiji vezanja. Energija vezanja predstavlja energiju kojom je elektron vezan za atom u nekoj od atomskih veza. U sluaju fotoelektrinog efekta elektron potrebnu energiju dobija od sudara sa fotonom. Deo energije fotona troi se da bi se elektron oslobodio od uticaja atoma za koji je vezan, a preostali deo energije pretvara se u kinetiku energiju, sada ve slobodnog elektrona. Slobodni elektroni dobiveni fotoelektrinim efektom nazivaju se jo i fotoelektroni. Energija koja je potrebna da se valentni elektron oslobodi uticaja atoma naziva se rad izlaza Wi i zavisi od vrsti materijala u kojem se dogodio fotoelektrini efekt. Jednaina koja opisuje ovaj proces glasi:

h=Wi + Ekinh Energija fotona Wi Rad izlaza Ekin Kineticka energija emitovanog elektrona

Iz gornje jednaine vidljivo je da se elektron nee moi osloboditi ako je energija fotona manja od rada izlaza.Proces konverzije je zasnovan na fotoelektrinom efektu kojeg je otkrio Hajnrih Rudolf Herc 1887. godine, a prvi ga objasnio Albert Ajntajn 1905., za ta je 1921. godine dobio Nobelovu nagradu.

Fotoelektrina konverzija u PN spojuDa bi dobili elektrinu energiju fotoelektrinim efektom trebamo imati usmereno kretanje fotoelektrona, odnosno struju. Sve naelektrisane estice, a tako i fotoelektroni kreu se usmjereno pod uticajem elektrinog polja. Elektrino polje koje je ugraeno u sam materijal nalazi se u poluprovodnicima i to u osiromaenom podruju PN spoja (diode). Za poluprovodnike treba naglasiti da uz slobodne elektrone u njima postoje i upljine kao nosioci naelektrisanja/naboja. upljina nastaje svaki put kada od valentnog elektrona nastane slobodni elektron i taj proces naziva se generacija, dok se obrnuti proces, kada slobodni elektron popuni prazno mesto - upljinu, zove rekombinacija. Ako parovi elektron-upljina nastanu daleko od osiromaenog podruja mogue je da rekombiniraju, pre nego to ih razdvoji elektrino polje. Parovi koji nastanu uz osiromaeno podruje ili u njemu bivaju privueni, i to upljine prema P strani poluprovodnika, te elektroni prema N strani poluprovodnika. Zbog toga se fotoelektroni i upljine u poluprovodniku, nagomilavaju na suprotnim krajevima i na taj nain stvaraju elektromotornu silu. Ako na takav sistem spojimo potroa, protei e struja i dobiemo elektrinu energiju.Na ovakav nain sunane elije proizvode napon oko 0.5-0.7 V uz gustinu struje od oko nekoliko desetaka mA/cm2 zavisno od snage sunevog zraenja, ali i do spektra zraenja.

Korisnost fotonaponske solarne elije definie se kao odnos elektrine snage koju daje FN solarna elija i snage sunevog zraenja. Matematiki se to moe formulirati relacijom:gde je:

Pel - Izlazna elektrina snagaPsol - Snaga zraenja (najee Sunevog)U - Efektivna vrednost izlaznog naponaI - Efektivna vrednost izlazne strujeE - Specifina snaga zraenja (npr. u W/m2)A - PovrinaKorisnost FN solarnih elija kree se od svega nekoliko postotaka do etrdesetak posto. Ostala energija koja se ne pretvori u elektrinu uglavnom se pretvara u toplotnu i na taj nain greje eliju. Uopte porast temperature solarne elije utie na smanjene korisnosti FN elije.

Karakteristike pojedinih elija

PV elije izsilicijumase izvode u vie morfolokih oblika, kao monokristalne, polikristalne i amorfne. Monokristalne Si elije: ovaj tip elije moe pretvoriti 1000 W/m2sunevog zraenja u 140 Welektrine energijes povrinom elija od 1 m2. Za proizvodnju monokristalnih Si elija potreban je apsolutno isti poluprovodiki materijal. Monokristalni tapii se izvade iz rastopljenog silicijuma i reu na tanke ploice. Takav nain izrade omoguuje relativno visoki stupanj iskoristivosti. Polikristalne Si elije: ovaj tip elije moe pretvoriti 1000 W/m2 sunevog zraenja u 130 W elektrine energije s povrinom elija od 1 m2. Proizvodnja ovih elija je ekonomski efikasnija u odnosu na monokristalne. Tekui silicijum se uliva u blokove koji se zatim reu u ploe. Tokom skruivanja materijala stvaraju se kristalne strukture razliitih veliina na ijim granicama se pojavljuju greke, zbog ega solarna elija ima manju iskoristivost. AmorfneSi elije: ovaj tip elije moe pretvoriti 1000 W/m2 sunevog zraenja u 50 W elektrine energije s povrinom elija od 1 m2. Ukoliko se tanki film silicijuma stavi nastakloili neku drugu podlogu to se naziva amorfna ili tankoslojna elija. Debljina sloja iznosi manje od 1 m, stoga su trokovi proizvodnje manji u skladu sa niskom cenom materijala. Meutim iskoristivost amorfnih elija je puno nia u usporedbi s drugim tipovima elija. Prvenstveno se koristi u opremi gde je potrebna malasnaga(satovi, depna raunala) ili kao element fasade. Galijum arsenidne (GaAs) elije: galijum arsenid jepoluprovodniknapravljen iz meavinegalijumaiarsena. Pogodan je za upotrebu u vieslojnim i visoko uinkovitim elijama. irina zabranjene vrpce (band gap) je pogodna za jednoslojne solarne elije. Ima visoku apsorpciju pa je potrebna debljina od samo nekoliko mikrona da bi apsorbovao suneve zrake. Relativno je neosetljiv na toplotu u uporeenju sa Si elijama. Zbog visoke cene koristi se u svemirskim programima i u sastavima s koncentrisanim zraenjem gde se tedi na elijama. Projekti koncentrisanog zraenja su jo u fazi istraivanja. Galijum indijum fosfidna/galijum arsenid (GaInP)/GaAs dvoslojna elija ima iskoristivost od 30% i koristi se u komercijalne svrhe za svemirske aplikacije. Ovaj tip elije moe pretvoriti 1000 W/m2sunevog zraenja u 300 W elektrine energije sa povrinom elija od 1 m2. Kadmijum telurove (CdTe) elije: ovaj tip elije moe pretvoriti 1000 W/m2sunevog zraenja u 160 W elektrine energije sa povrinom elija od 1 m2u laboratorijskim uslovima. Kadmijum telurid je jedinjenje elementa:metalakadmijumai polumetalatelura. Pogodan za upotrebu u tankim PV modulima zbog fizikih svojstava i jeftinih tehnologija izrade. Uprkos navedenih prednosti, zbog kadmijumove otrovnosti i sumnje nakancerogenostnije u irokoj upotrebi.

Povezivanje elija u vee celinePovezivanje elija moe biti izvedeno na dva naina:1. Paralelno paralelnim spajanjem dolazi do poveanja jaine struje s poveanjem povrine, izvodi se tako da se svi (+) polovi spoje na isti vodi, analogno i za (-) vodie.2. Serijski serijskim spajanjem dolazi do poveanja napona s poveanjem povrine, izvodi se tako da se naizmenino spajaju (+) i (-) pol elija u nizuOstali parametriOd ostalih parametara koji jo nisu spomenuti, sa energetskog stanovita, bitno je vreme povratka uloeneenergije. Kao i svaki ureaj, tako i FN solarne elije, da bi se proizvele, zahtevaju odreeni ulog energije. Vreme povratka uloene energije je vreme koje FN elija mora raditi da bi proizvelaelektrinu energijukoja je bila potrebna za njenu proizvodnju. To vreme iznosi od jedne do nekolikogodina, dok jerok trajanjaod 10 do 30 godina, zavisno otehnologiji

Solarne celije

Solarna elija(fotonaponska elija) jepoluprovodikiureaj koji pretvarasunevu energijudirektno uelektrinupomoufotoelektrinog efekta. Grupe elija formirajusolarne module, poznate i kao solarni paneliili fotonaponska ploa. Energija proizvedena solarnim modulima je primersolarne energije.

Za sada su jo uvek ekonomski nerentabilni, jer im je cena oko 6000$/kW.