Solarna energija i fotoelektrični efekat: kako uhvatiti Sunce?

Danas se mnogo priča o solarnoj energiji, kao alternativi fosilnim gorivima? Šta je to solarna energija i kako rade solarni paneli te koliko je ovaj način dobijanja energije efikasan? O svemu tome za Nauka Govori je pričao profesor Petar Gvero s Mašinskog fakulteta Univerziteta u Banjaluci.

Kraće informacije: 11 činjenica o solarnoj energiji koje bismo trebali znati

Cio razgovor s profesorom Gverom možete naći na našem Podkastu Nauka Govori na Youtube.

Solarna enegija: čist i obnovljiv izvor energije

Sunce je  glavni izvor elektomagnetnog zračenja koje prolazi kroz atmosferu i predstavlja praktično neiscrpan izvor energije. Ono o čemu se danas najviše govori je iskorišćavanje te energije preko fotonaponskog efekata sa ciljem proizvodnje električne energije na čist i obnovljiv način. Fotonaponski efekt — je, uprošteno, emisija elektrona kada elektromagnetsko zračenje (tj. svjetlost) pogodi određeni materijal, metal ili poluprovodnik, što za manifestaciju ima uspostavu električnog toka.

Prema podacima NASA-e, u prosjeku tokom cijele godine, otprilike 342 vata (W) solarne energije padne na svaki kvadratni metar Zemlje. Ovo je ogromna količina energije – radi se o 44 kvadriliona (4,4 x 10¹⁶) vata snage. Većini ljudi je teško i zamisliti koja je to količina energije.  Jedan prosječni američki dom dnevno troši oko oko 29 130  W, a domovi širom svijeta troše možda i manje. U svakom trenutku na Zemlju dolazi od Sunca više energije nego što treba svim potrošačima. Ukupna količina dozračene energije od Sunca na Zemlju je 1,53·10¹⁸ kWh/godišnje, što je 100000 veća količina energije od one koju proizvedu sve elektrane na svijetu, kad rade punim kapacitetom.  Iskoristiti samo djelić energije Sunca koji dolazi do Zemlje je ogroman napredak. Da li bismo se u budućnosti mogli u potpunosti oslanjati na energiju Sunca?

Šta čini energiju Sunca? Sunce emituje  elektromagnetno zračenje gotovo duž cijelog spektra, 100 nm do oko 1 mm, ali ne treba zaboraviti da je svjetlost ima svojstvo dualnosti, odnosno da pokazuje talasna ili čestična svojstva u zavisnosti od situacije. Tako da se kao nosioci energije pojavljuju fotoni, čestice i zračenje. Od Sunca do Zemlje postoji neprestan protok ovih čestica bez mase.

Kako rade solarni paneli?

Solarni paneli pretvaraju ovu solarnu energiju elektromagnetnog zračenja u električnu. Solarni paneli se sastoje od manjih jedinica koje se nazivaju solarne ćelije,  a one su najčešće napravljene od silicijuma. Radi se o materijalu koji je poluprovodnik (poluvodič) i koji je ujedino koji je drugi najzastupljeniji element na Zemlji.

„Bombardovanjem neke površine koja se sastoji od dva sloja poluprovodnika, poluprovodnika i metala, imate situaciju da foton „ubaci“ dodatnu energiju u atomsku ljusku i izbijete jedan elektron van. Ako to uspijete na način tako da se spoje dva poluprovodnike, jedan uslovno rečeno pozitivan, jedan negativan, uspostavljate tok električne struje“, kazao je profesor Petar Gvero s Mašinskog fakulteta Univerziteta u Banjaluci.

U solarnoj ćeliji kristalni silicij je u sendviču između vodljivih slojeva. Svaki atom silicijuma je povezan sa susjednim s četiri jake veze koje drže elektrone na mjestu tako da struja ne može teći.  Međutim, silicijumska solarna ćelija koristi dva različita sloja silicija: silicijum n-tipa koji ima dodatne elektrone, i silicijum p-tipa koji ima dodatne prostore za elektrone.  Tako u solarnoj ćeliji elektroni mogu lutati p-n spojem ostavljajući pozitivan naboj s jedne strane i stvarajući negativan naboj s druge strane. To zapravo stvara strujno kolo.

„Debljine ovih slojeva su od 0.2 milimetra do 0.002 mm. Te dimenzije su takve da bi se olakšao prelazak elektrona iz ljuske i  da bi se energija usmjerila u tok električne struje. Ta ćelija je nekakvih 100 kvadratnih centimetara, a te ćelije zajedno kada ih spregnete čine modul, a više modula čini solarni panel. Te ćelije spajate, jer jedna ćelija daje nizak napon i, da bi se dobilo 12 volti, morate ih nekoliko spojiti, u ovisnosti da li želite povećavati napon ili da povećavate jačinu struje“, dodaje Gvero.

Kada svjetlosna energija udari u solarnu ćeliju, elektroni se izbace iz atoma u poluprovodničkom materijalu. Zapravo, vrlo sličan fenomen se događa i u procesu fotosinteze – foton „izbaci“ elektron u atomu magnezijuma iz hlorofila i onda taj elektron pokreće kaskadu reakcija u kojima biljka stvar šećer glukozu. Ovdje je razlika što se elektron hvata u sendviču od dva tipa silicijuma, a ne putem hlorofila.

Ako su električni provodnici spojeni na pozitivnu i negativnu stranu, tvoreći električni krug, elektroni uspostavljaju tok električne struje. Ta se električna energija zatim može koristiti za napajanje potrošača, poput svjetla ili alata.

Dakle, kako je istakao Gvero, nekoliko solarnih ćelija međusobno električno povezanih i montiranih u potpornu konstrukciju ili okvir čine fotonaponski modul. Moduli su dizajnirani za opskrbu električnom energijom na određenom naponu, kao što je uobičajeni sistem od 12 volti. Proizvedena struja izravno ovisi o tome koliko svjetlosti pada na modul. Zato se izrađuju paneli takvog dizajna da se povećava šansa da foton udari na pravo mjesto i izbaci elektron.

Više modula može se spojiti zajedno u niz. Što je veća površina modula ili polja, to će se proizvesti više električne energije. Fotonaponski moduli i nizovi proizvode istosmjernu električnu energiju. Mogu se spojiti u serijsku i paralelnu električnu mrežu kako bi proizveli bilo koju potrebnu kombinaciju napona i struje.

Istorija istraživanje fotoelektričnog efekta - Nobelova nagrada za Einsteina. Istorija razvoja panela.

Fotoelektrični efekat su istraživali mnogi naučnici. Bili su to otac Henryja Becquerela, Edmond Becquerel, pa Heinrich Hertz, Philipp Lenard, Max Planck, i Albert Einstein. Zapravo, Einstein je 1921. i dobio Nobelovu nagradu za fiziku upravo za teoretske postavke fotoelektričnog efekta.

Albert Einstein je opisao fotoelektrični efekat i dokazao da svjetlost djeluje i kao čestice, a ne samo kao valovi, što je bilo uvjerenje mnogih fizičara u to vrijeme. Te čestice - fotoni - mogu izbaciti elektrone iz atoma prenoseći energiju na njih. Kada se to dogodi, ti elektroni dobivaju više energije i postaju slobodni kretati se po poluprovodniku. Ako ih kako možemo uhvatiti - recimo između slojeva različitih tipova silicijuma, možemo napraviti tok elektrona. A upravo to je struja.

Prvi fotonaponski modul izgrađen je u Bell Laboratories u Sjedinjenim Državama 1954. godine. Nazvan je solarna baterija i uglavnom je bio samo kuriozitet jer je bio preskup za široku upotrebu. Ipak, solarne ploče su se počele razvijati iako su bile skupe, jer su naučnici i inženjeri u njima vidjeli mogućnot napajanja strujom u svemiru. U 1960-ima, svemirska industrija počela je prvi put ozbiljno koristiti tehnologiju za napajanje svemirskih letjelica. Kroz svemirske programe tehnologija je napredovala, utvrđena je njena pouzdanost, a cijena je počela padati. Tokom energetske krize 1970-ih, fotonaponska tehnologija stekla je priznanje kao izvor energije za nesvemirske primjene.

„Prva solarna ćelija je imala efikasnost od nekih 2% ili 6%. Cijena je bila 300$ po jednom vatu“, kazao je Gvero, „no zahvaljuući velikim incijativama poslovnog sektora i američke vlade, došli smo do toga da je efikasnost 20-22%“, istakao je on.

Od tog vremena, fotonaponska tehnologija se razvija, pojeftinjuje i stvaraju se novi materijali koji bi se mogli koristiti za solare. Neki eksperimentalnim materijali za panele, koji se tek ispituju imaju efikasnost od 40-42%, napomenuo je profesor Gvero. A jedan od takvih novih materijala koji se istražuju je perovskit.

„To možemo da očekujemo u nekoj komercijalnoj upotrebi za nekih desetak godina“, kazao je Gvero.

„Imate i jako puno sistema u kojima se, nažalost, kombinuju teški metali kao što je kadmijum, koji povećavaju efikasnost, ali nisu ekološki prihvatljivi, jer su to teški metali, koje je uvijek problem reciklirati, nažalost svaki napredak ima svoju ima svoju cijenu“, dodao je Gvero.

Današnji paneli se rade tako da se trudi povećati površina. Postoje i zanimljiva rješenja u kojima se solari uklapaju u arhitekturu, ili kao zamjena za crijep, PV aktivne fasade ili zastakljenja, itd...

„Dosta se energije može izvući, ali morate i gledati gdje je panel smješten i koliko je dugo aktivan“, dodaje Gvero.

Zato se razvijaju i paneli koji se, poput suncokreta, mogu okretati za Suncem i primati više energije. Ako zemlje, poput Njemačke, koje zbog  geografske širine imaju manju insolaciju tj. „količinu Sunca“, osunčanost, a svjetski su lideri u korištenju Sunčeve energije, zašto se tom trendu ne bismo prilagodili i mi u BiH, i regionu, koji imamo daleko više Sunca?

Moemo li postaviti panele tamo gdje ima dosta Sunca, recimo u pustinje i dobijati energiju za cijelu planetu?

No ovdje se javlja jedno pitanje – zašto onda ne napraviti solarne panele tamo gdje ima mnogo Sunca i proizvoditi struju preko cijele godine?

„To bi bilo idealno ako bismo bežično prenosili električnu energiju, ali bitan aspekt, čak bitniji od proizvodnje jesu prenos i skladištenje električne energije. Solarna energija spada u takozvane intermitentne, prekidne, izvore, to znači da jedan dan u toku dana imate Sunce, u toku noći nemate. Ne znate da li ćete u toku dana imati neki smetnju u smislu oblačnosti, smanjenja inteziviteta i zato je solarnim sistemima teško upravljati na velikoj skali jer vi nikada ne znate koju količinu energije vi možete isporučiti u mrežu, zato je distribucija energije jedna posebna nauka, a druga je nauka o tome kako skladištiti energiju“, kazao je Gvero.

Najčešće se u kontekstu skladištenja energije priča o baterijama, ali na relativno maloj skali, poput punjenja automobila, a svaka veća skala podrazumijeva veće investicije i upravljanje tim sistemima, jer su baterije relativno skupe. „Međutim skladištenjem se može  smatrati još jedan pristup. Korištenjem solarne energije radite elektrolizu vode i dobijate zeleni vodonik koji je forma uskladištene energije i onda je možete koristiti kroz gorivne ćelije ili slične tehnologije da biste je maksimalno valorizovali“, istakao je profesor Gvero.

Optimizam za solare

Ako  bi se zanemario utjecaj pojedinih materijala, poput kadmija, i njihovog utjecaja na tlo i okoliš, radi se o jednom vrlo elegantnom sistemu za konverziju energije – nema emisija stakleničkih plinova, pokretnih dijelova, nečega između Sunca i solarnog panela. Ova energija fotonaponskih sistema postaje jeftinija, kao i svaka tehnologija. Tek razvijena tehnologija mora vratiti ulaganja i zato je u početku skupa. 

Svaka sljedeća generacija tehnologije postaje jeftinija iradi se na podizanju efikasnosti. Problem je što je sada potrebna velika površina da se proizvede ovakva električna energija, pa se to kompenzuje tako što se solari grade na manje naseljenim područjima ili na krovovima. Proboj će se desiti kada na manjem prostoru budemo mogli proizvoditi istu ili veću količinu energije. Vezano za ovu energiju ipak treba biti optimist.