Sončna elektrarna

Kako deluje sončna elektrarna?

Objavljeno: 06. 01. 2012, revizija 04. 07. 2012
Andrej Lavrič

Sonce nam da energijo za življenje na Zemlji. Večina energentov, ki jih uporabljamo za proizvodnjo električne energije, mehanske energije ali toplote, je nastalih kot posledica delovanja sonca sedaj ali v preteklosti. To so vodna energija, energija vetra, les, premog, nafta in plin.
Kako ekonomično lahko danes pretvarjamo sončno energijo v električno energija?

Sevalna moč sonca na zemlji

Sevalna temperature “fotosfere” sonca je 5760 K. Kolikšnen je svetlobni tok, ki ga seva sonca pravokotno na zemeljsko površino? Predpostavi 35 % absorbicijo svetlobnega toka na zameljski atmosferi.

Podatki:
T=5760 K                                 sevalna temperatura sonca v Kelvinih
R= 0,696 milijonov km           radij sonca
r= 149,6  milijonov km           oddaljenost sonca od zemlje

Moč, ki jo seva sonce, izračunamo po Stefanovem zakonu:

P=\sigma \,T^{4}\,4\,\pi\,R^{2}

kjer je σ Stefanova konstanta.
Del moči, ki pade na kvadratni meter Zemlje je:

J=\frac{P}{4\,\pi\,R^{2}}=1{,}35\,kW/m^{2}

Če upoštevamo še absorbcijo na zemeljskem ozračju, dobimo:

J=1\,kW/m^{2}

Ta moč bi se absorbirala na zemlji, če bi bila Zemlja črno telo.

 Kaj je nazivna moč sončne elektrarne?

Nazivna moč sončne elektrarne je po definiciji enaka  njeni moči pri gostoti sevalnega toka 1kW/kvadratni meter. Pri tem predpostavimo, da so sončni žarki pravokotni na vpadno površino.

Kakšna je dejansko sevalna energija sonca?

Meritev sevalne energije sonca na različnih lokacijah izvaja Agencija Republike Slovenije za okolje  v okviru Ministrstva za kmetijstvo in okolje. Meri globalno sončno obsevanje kot vsoto neposrednega sevanja, difuznega (razpršenega) in odbitega sončnega sevanja. Difuzno sevanje nastane s sipanjem direktnega in odbitega sevanja na zraku. Difuzno in odbito sevanje sta ob jasnem vremenu manjša od direktnega, vendar postaneta pomembna v oblačnem vremenu, ko direktnega ni.

Podatki za globalno sevanje v Ljubljani in na Kredarici za leto 2006 so na sliki 1.

Povprečna dnevna energija/kvadratni meter sončnega sevanja v Ljubljani in KredariciSlika1 Povprečna dnevna energija sončnega sevanja/kvadratni meter v Ljubljani in Kredarici

Uporabimo podatke za sevanje v Ljubljani in jih preračunano na mesečno in letno raven. Dobimo gostoto sevalne energijo. To je celotna energijo, ki nam jo da sonce tekom enega leta na kvadratni meter površine, ki je pravokotna na sončne žarke.

w=1246\,kWh/m^{2}      (1)

Če rezultat delimo s številom ur v letu dobimo povprečno moč sonca  na kvadratni meter površine (gostoto moči J):

J_{sr}=\frac{w}{t}=\frac{1246\cdot 10^{3}\,Wh}{m^{2}\cdot 365\cdot 24\,h}=142\,W/m^{2}      (2)                                                                                                                                                                       

Proizvodnja električne energije iz energije sonca – fotovoltaika

Paneli sončne elektrarne sledijo soncuSolarni paneli sledilne sončne elektrarne

Glavni elementi sončne elektrarne so solarni moduli in paneli s fotoelektričnimi pretvorniki (PV – Photo Voltaic). Razlikujejo se po ceni in izkoristku pretvorbe. Na izhodu dajo enosmerno napetost. Če želimo proizvedeno električno energijo posredovati električnemu omrežje, ga moramo pretvoriti na omrežno napetost in frekvenco ter ga fazno uskladiti z omrežjem. Za to uporabimo razsmernik. Ostali deli elektrarne so zaščitni elementi in števci proizvedene in oddane energije.

Kako se lotimo izračuna pričakovane proizvodnje energije? Najprej izberemo primerne solarne panele (npr. panele iz silicijevih monokristalov) ter odčitamo iz podatkov proizvajalca, kakšna je nazivna električna moč pri gostoti sevalnega toka 1kW na kvadratni meter. Njun količnik je izkoristek pretvarjanja svetlobne energije v električno. Upoštevati moramo tudi izkoristek pretvornika, ki pretvarja enosmerno napetost iz sončnih panelov v izmenično napetost (razsmernika) in fazno simhronizira dobljeno napetost na omrežje

Trenutno so izkoristki fotoelektričnih pretvornikov, narejenih iz silicijevih monokristalov med 10 in 15%  – za primer izračuna vzemimo 14%. Izkoristek razsmernika je 90%. Skupni izkoristek je torej:

\eta =0,14\cdot0,9=0,126      (3)

Z upoštevanjem enačbe (2) in (3) dobimo povprečno letno električno moč na kvadratni meter površine solarnih panelov:

\frac{P_{sr}}{m^{2}}=J_{sr}\cdot \eta =18\,W      (4)

Dobljeni podatek je zanimiv za  primerjavo okoljskega odtisa različnih elektroenergetskih virov.

Izračunajmo še, koliko kvadratnih metrov solarnih panelov potrebujemo za 1 kW nazivne moči :

S_{1}=\frac{1\,m^{2}}{\eta }=8\,m^{2}      (5)

Letno proizvedeno električno energijo na kvadratni meter solarnih panelov dobim, če množimo enačbo (1) z izkoristkom pretvorbe:

W=\eta \,w=157\, kWh      (6)

Letna proizvedena energijo na 1 kW nazivne moči elektrarne pa je:

W=\eta \,w\, S_{1}=1256\, kWh      (7)

Primer sončne elektrarne:

Gradimo sončno elektrarno v Ljubljanski regiji. Elektrarna je sledilna, kar pomeni da se samostoječi sončni paneli samodejno obračajo za soncem. PV moduli so iz silicijevih monokristalov površine 137 kvadratnih metrov. Podatki in izračun proizvedene energije so v spodnji tabeli:

Proizvedena energija sončne elektrarne

A: letna sevalna energija sonca
(kWh na kvadr. meter)
1246
B: velikost panelov
(kvadr. meter)
137
C: izkoristek fotoelektrične pretvorbe 0,14
D: izkoristek razsmernika 0,9
E: NAZIVNA MOČ ELEKTRARNE:
1 kW/kvadr.meter .B.C.D
17,3 kW
F: Povprečna moč elektrarne na kvadratni meter površine:
142W . C . D
18 W
SKUPNA LETNA ENERGIJA
A.B.C.D
21,5 MWh

Donosnost sončne elektrarne

Na vsak kW nazivne moči elektrarne lahko torej pričakujemo letno proizvodnjo 1256 kWh električne energije. Pri ocenjeni investiciji 3600 € na kW nazivne moči in 15-letni amortizaciji je strošek amortizacije 0,19 €/kWh. Za mikro sončne elektrarne (nazivna moč je manjša od 50 kW) se trenutno odkupuje energija po 0,29 €, kar je približno petkratna  tržna cena – 0,05579 €/kWh. Podatek je za leto 2012. Trenutno lahko računamo na čisti prihodek iz prodaje energije 0,1€/kWh. V naslednjih letih se bodo podpore znižale, pričakujemo pa tudi padec cen sončnih panelov.

Ocena okoljskega vpliva

Okoljski odtis (Ref. 3) nam pove, kolikšna je povprečno električna moč pridobljena na  kvadratnem metru zemljišča. Pri tem upoštevamo celotno kvadraturo, do koder seže okoljski vpliv.

Pri samostoječih panelih sončne elektrarne  je neposredni okoljski odtis 18 W na kvadratni meter, če upoštevamo zasedeno zemljišče okoli solarnih panelov dobimo dejanski okoljski odtis 6 W na kvadratni meter. (Za primerjavo: vetrna elektrarna ima okoljski odtis 1,2 W/kvadratni meter, nuklearka 56 W/kvadratni meter, elektrarna na biomaso le 0,4 W/kvadratni meter)

Pri oceni okoljskega vpliva proizvodne sončnih panelov se omejimo na tehnologijo izdelave sončnih celic iz monokristalnega silicija. Možna je še izdelava solarnih panelov iz selena, galijevega arzenida, kadmijevega ali cinkovega telurida (glavni in edini proizvajalec je Kitajska) itd. Slednji je namenjen izgradnji panelov za večje nazivne moči.

Da bi razumeli vpliv tehnologije izdelave sončnih celic iz monokristala slicija na okolje, si na grobo oglejmo tehnološke postopke (ref. 2):

  • Pridobivanje silicija iz silicijevega dioksida (npr. kremenčevega peska) se vrši v elektro pečeh pri visokih temperaturah do 1700 stopinj C ob prisotnosti ogljika (npr. s pomočjko elektro obločne peči z ogljikovimi elektrodami). Rezultat je probližno 99% čist silicij in ogljikov dioksid.
  • Silicij čistimo do čistoče 99,9999999% (npr. z razstapljanjem v solni kislini, pri čemer nastaja klorosilan – po redukciji z vodikom pri 900 stopinj C nastaja polikristalni silicij)
  •  S postopkom Czochralski (monokristal raste okoli kristalizacijske kali v talini čistega silicija pri okoli 1500 stopinjC) dobimo monokristalno palico – valj širine do 30cm in dolžine od nekaj dm do nekaj m. Postopek je dolgotrajen, saj je rast monokristala zelo počasna. Sledi razrez palice na rezine debeline približno 400 mikrometrov. Rezine silicija še dopiramo s 5 valentnim donorjem (npr. fosforjem) in 3 valentnim akceptorjem (npr. borom) da dobimo PN spoj. Dodamo antirefleksni sloj npr. titanov dioksid.
Najpomembnejši kvarni vpliv proizvodnje silicijevih sončnih celic na okolje (2):
  • Prah pri drobljenju kremenečevega peska (lahko povzroči silikozo)
  • Pri proizvodnji silicija iz silicijevega dioksida dobimo na vsako tono silicija  cca 1,5 t ogljikovega dioksida.
  • Elektro peči, čistilne in klimatske naprave v procesu proizvodnje so energetsko potratne. Ocena je, da potrebujemo za proizvodno sončnih celic 10 do 13% energije, ki nam jo bo vrnila sončna celica v življenskem ciklu [Ref. 1]. Električna energija za proizvodno sončnih celic bi morala biti ekološko čista – torej brez emisij toplogrednih plinov.

Zaključek

Sončne elektrarne imajo perspektivo v primeru, da bo cena električne energije iz teh elektrarn primerljiva s tržnimi cenami.  Proizvodnja sončnih celic  je energetsko potratna. V kolikor bi pri proizvodnji sončnih panelov uporabljali “umazane” vire energije ali bi pri pridobivanju surovin za sončne panele uporabljali ekološko sporne tehnologije, ne bi v ekološkem smislu veliko pridobili.

 

1. Hribernik Aleš: Obnovljivi viri energije. Maribor : Založništvo Fakultete za strojništvo,2010.

2.Marko BUDLER: Fotovoltaični materiali, Diplomsko delo, Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo, Maribor 2011

3. Rafael Mihalič: »Zelena« energija – bližnjica k energetski neodvisnosti ali slepa ulica?, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko,  ELEKTROTEHNIŠKI VESTNIK 78(5): 245-256, 2011

Andrej Lavrič

O učenju

I cannot teach anybody anything, I can only make them think.

Socrates

Inštrukcije fizike

Pokličite GSM: 041 412 998 Inštrukcije fizike 

Priporočila na spletu

Facebook stran