ZAVRŠNI RAD
SOLARNE ELEKTRANE
Učenik: Mentor:
Josip Živković Vladimir Matković, dipl. ing.
Zagreb, lipnja 2017.
2
2. Sunce i solarna energija
Sunce je samo jedna od preko 100 milijardi zvijezda u našoj galaksiji. Ni po veličini,
ni po sjaju, ni po ostalim osobinama Sunce se ne ističe među zvijezdama. Ali, od
planeta se razlikuje po ogromnim dimenzijama, masom, gravitacijom, temperaturama
i velikom količinom energije koju zrači u okolni prostor i zagrijava planete. Sunce, kao
i sve zvijezde, posjeduje termonuklearni izvor energije. U jezgri se dešava nuklearna
fuzija, proces u kojem se svake sekunde oko 3 tone mase pretvara u energiju
zračenja koja se potom emitira u okolni prostor.
2.1. Nuklearna fuzija
Sunce je zvijezda u čijoj jezgri se kao u fuzijskom reaktoru dešava nuklearna fuzija.
Visoke temperature u unutrašnjosti zvijezda osiguravaju velike brzine čestica,
velike gustoće, te veću vjerojatnost za njihovo približavanje i odvijanje fuzije. Visoka
unutrašnja temperatura Sunca inicijalno je osigurana gravitacijskom silom. Ona je
posljedica velike Sunčeve mase, koja sabija plinove i to uzrokuje njegovo
zagrijavanje. Promjene kemijskog sastava zvijezda uslovljene su fuzijskim reakcijama
p-p lanca i CNO ciklusa. Osnovne fuzijske reakcije u jezgri Sunca odvijaju se tako što
u konačnici četiri jezgre vodika stvaraju jezgru helija.
Termonuklearne reakcije su egzotermne i u njima se na račun defekta mase
1
oslobađa energija koju Sunce emitira. Ove reakcije se dešavaju u proton-protonskom
(p-p) ciklusu. U prvoj fazi dva protona stvaraju deuteron, jezgru deuterija koja uz
proton sadrži i neutron, uz oslobađanje energije od 1,44 MeV
2
. Potom, deuteron
stupa u reakciju s još jednim protonom gradeći izotop helija. U posljednjoj fazi p-p
ciklusa dva izotopa helija grade treći, teži izotop i dva protona uz oslobođenje
energije. Nastali protoni započinju novu lokalnu reakciju čija je posljedica emitiranje
energije.
1
Gubitak mase prilikom prelaska fizikalnog sustava u niže energetsko stanje zbog zračenja energije iz
sustava
2
Megaelektronvolt, iznosi
1.6 × 10
-13
J
3
3. Iskorištavanje solarne energije u povijesti
Kroz povijest mogu se naći brojni primjeri iskorištavanja energije Sunca, od drevnih
civilizacija do otkrića heliocentričnog sustava čime se zaključilo da je Sunce u
središtu Sunčeva sustava, a ne kako se prije vjerovalo – Zemlja, pa sve do novijeg
doba i pojave solarnih ćelija, kolektora i elektrana. Najstariji i vjerojatno najpoznatiji
oblik upotrebljavanja Sunca za dobivanje nekog oblika energije koji se može
iskoristiti je dobijanje vatre. Stari Kinezi, Inke i Rimljani su rano otkrili da sferna zrcala
mogu koncentrirati Sunčeve zrake na bilo čemu zapaljivom s visokim intenzitetom
koje uzrokuje da predmete zahvati plamen u trenu.
Budući da se tijekom 18. stoljeća povećala upotreba stakla, polako su ljudi postajali
svjesni sposobnosti hvatanja topline. Znanstvenik Horace de Saussure je zaslužan
za izgradnju prvog solarnog kolektora. Godine 1767. odlučio je otkriti kako „zarobiti
toplinu putem stakla“ s ciljem prikupljanja energije koju emitira Sunce. Godine 1816.,
Robert Stirling izumio je stroj koji je nazvao
Heat Economiser
(regenerator), uređaj za
poboljšanje toplinske učinkovitosti u različitim procesima. Taj motor se kasnije
počinje koristiti u solarnoj termalnoj industriji koja iskorištava Sunčevu toplinsku
energiju za proizvodnju električne energije. Novi val u napretku tehnologije svakako
je otkriće fotonaponskog učinka
3
Edmonda Becquerela. Njegov daljnji rad obuhvatio
je eksperimentiranje s elektrolitičkim ćelijama koje je sastavio od dvije metalne
elektrode spojene s vodičem. Kada Sunčevo zračenje obasja fotonaponsku ćeliju, dio
njegove energije predaje se elektronima i oni se oslobađaju te pomiču prema površini
ćelije, stoga se javlja neravnoteža u broju elektrona između gornje i donje strane
ćelije. Nadalje, šezdesetih godina 19. stoljeća francuski matematičar August Mouchet
došao je do ideje o solarnim parnim strojevima. U narednim je desetljećima stvorio
prvi solarno pogonjen stroj.
Tijekom druge polovice 19. stoljeća Willoughby Smith otkrio je fotovodljivost selenija,
a tri godine kasnije William Grylls Adams i Richard Evans otkrili su da selenij
proizvodi električnu energiju kada je izložen Sunčevoj svjetlosti, ali isto tako da iako
selenij ne može proizvesti dovoljno električne energije za napajanje, dokazali su da
čvrsti materijali mogu pretvarati svjetlost u električnu energiju direktno bez topline ili
pokretnih dijelova.
3
Pojava u kojoj se pomoću apsorpcije fotona u p-n spoju stvaraju elektroni i elektronske šupljine
5
4. Suvremeni načini korištenja Sunčeve energije
Svjetlost je vrsta elektromagnetnog zračenja i ona koja dolazi od Sunca je bitna za
život na Zemlji. Dio se zadržava na Zemlji i zagrijava ju, a drugi dio se lomi zbog
nestalnih sastojaka zraka poput prašine i vodene pare, te se raspršuje. Stoga je za
prikupljanje solarne energije bitan sastav zraka i njegovo zagađenje, te zemljopisni
položaj, visina Sunca i upadni kut Sunčevih zraka. Daljnji faktori koji utječu su
vlažnost zraka i količina oblaka jer velike količine oblaka mogu utjecati na insolaciju
4
.
Na onečišćenje utječe i zagađenje zraka, gdje je najveći krivac promet, iako
elektrane pokretane fosilnim gorivima i tvornice dalje čine značajan doprinos.
Činjenica je da su neobnovljivi izvori energije ograničeni i da je njihov nestanak
siguran u bliskoj budućnosti, a uzrok su i emitiranja ugljikova dioksida. Zbog
povećane koncentracije ugljikova dioksida u atmosferi poremećen je prirodni tok
ugljika u prirodi. U tom ciklusu CO
2
se fotosintezom prevodi u organske spojeve
ugljika, a dio se otapa u vodi i s kalcijevim i magnezijevim hidrogenkarbonatima
stvara teško topive karbonate. Obrnuti tok se dešava disanjem, gorenjem i raspadom
organskih tvari. Tada se ugljikov dioksid vraća u atmosferu, a zbog nepotpunog
izgaranja fosilnih goriva jednim dijelom je to i u obliku ugljikova monoksida.
Upravo zbog remećenja toka tvari u prirodi počinje se shvaćati da su obnovljivi izvori
energije budućnost. Sunce je daleko najveći i potencijalno najiskoritivljiji izvor za
razliku od ostalih poput biomase, vodene snage i snage vjetra, koji su također samo
posljedica ili neki oblik pretvorene Sunčeve energije.
Naime, osnovni principi direktnog iskorištavanja solarne energije su:
o
Solarni kolektori
o
Fotonaponske ćelije
o
Fokusiranje Sunčeve energije
4
Obasjavanje Zemljine površine Sunčevim zrakama koje ima toplinsko, svjetlosno i biološko
djelovanje
