Коришћење соларне фотонапонске енергије у Србији

Transcript

1 Коришћење соларне фотонапонске енергије у Србији Миодраг Лазић Факултет техничких наука, Чачак Техника и информатика, мастер, Ментор рада: Проф. др Снежана Драгићевић Апстракт Потреба за енергијом, нарочито електричном у свету се стално повећава. На годишњем нивоу, тренд раста потреба за електричном енергијом износи 2,8%. Примарни извори електричне енергије користе углавном необновљиве изворе енергије. Када би пратили тај тренд раста дошло би до претераног загађивања околине и исцрпљивања постојећих резерви. Ови услови производње и потрошње електричне енергије, проузрокују стално повећање цене електричне енергије. Укључивање обновљивих извора енергије у глобалне стратегије развоја енергетике постало је еколошки и економски оправдано, и високо развијене земље улажу огроман капитал и ангажују велики број стручњака у развој система за коришћење обновљивих извора енергије. Кључне речи oбновљиви извори енергије; фотонапонски системи; соларна енергија. 1 УВОД Циљ овог рада је популарисање и упознавање могућности добијања енергије из обновљивих извора енергије. Главни разлог за прелазак на обновљиве изворе енергије се огледа у чињеници да се они не користе онолико колико имају капацитета и енергије, практично су не искоришћени а има их у неограниченој количини. Да би задовољили енергетске потребе за електричном енергијом користе се фосилна или нуклеарна горива која су велики загађивачи животне средине. Због тога треба користити ресурсе који су обновљиви и не загађују околину. Технологије обновљивих извора енергије су чисте, имају много мањи утицај на околину од конвенционалних енергетских технологија. Обновљиви извори енергије никада неће нестати за разлику од осталих извора енергије који су коначни и који ће једног дана бити потрошени. Обновљиви извори енергије се налазе у природи и делимично или у потпуности се обнављају сами од себе. Већина инвестиција, из домена обновљивих извора енергије, троше мање материјала и рада приликом њихове изградње као и мање инвестиције приликом њиховог одржавања. Пошто се постојеће резерве фосилних горива стално смањују, недвосмислено је да ће њихове цене и даље расти, што даје простора за развој примене обновљивих извора енергије. У првом делу овог рада се подсећа да прекомерно коришћење фосилних горива доводи до загађивања ваздуха, земљишта и воде а то негативно утиче на квалитет животних услова на земљи. Поред тога, чињеница је да наша земља оскудева у фосилним горивима и да мора да их увезе, а са друге стране, неки од обновљивих извора који су и бесплатни и еколошки потпуно чисти остају неискоришћени. У другом делу задатка се упознаје са соларном енергијом, потенцијалом соларне енергије како у свету тако и у Србији, и са могућностима за њено искоришћење. У практичном делу овог задатка, покушава се да објасни због чега не постоји међу становништвом већа заинтересованост за инвестиције у обновљиве изворе енергије који користе енергију сунца за добијање електричне енергије. Када се узме у обзир ценa једне такве инвестиције, ако се узме такође уштеда енергије која се таквом инвестицијом остварује на месечном нивоу долази се до податка који је период времена потребан да се уложена средства врате. Потреба за енергијом, нарочито електричном у свету се стално повећава. На годишњем нивоу, тренд раста потреба за електричном енергијом износи 2,8%. Примарни извори електричне енергије користе углавном необновљиве изворе енергије. Када би пратили тај тренд раста дошло би до претераног загађивања околине и исцрпљивања постојећих резерви. Ови услови производње и потрошње електричне енергије, проузрокују стално повећање цене електричне енергије. Укључивање обновљивих извора енергије у глобалне стратегије развоја енергетике постало је еколошки и економски оправдано, и високо развијене земље улажу огроман капитал и ангажују велики број стручњака у развој система за коришћење обновљивих извора енергије. Енергетски потенцијал обновљивих извора енергије у Србији је значајан и процене говоре о преко 4 милиона тона еквивалентне нафте (тен) годишње, што одговара, према проценама стручњака, готово половини годишње

2 потребе земље за енергијом. Тај потенцијал је велики посебно у поређењу са неким европским земљама попут Малте која оскудева у обновљивим изворима енергије. У неким врстама обновљивих извора, међутим, Србија по потенцијалу заостаје за неким чланицама ЕУ, попут Данске и Шпаније у области ветра. Највећим потенцијалом у Србији се сматра биомаса. Потенцијал биомасе се процењује на око 2,7 милиона тона еквивалентне нафте (тен) или 63% укупног потенцијала. Такође, 0,6 милиона тен је у неискоришћеном хидропотенцијалу (14%), 0,2 милиона тен у геотермалним изворима (4,5%), 0,2 милиона тен у енергији ветра (4,5%) и 0,6 милиона тен у сунчевом зрачењу (14%). Слика 1. Потенцијал обновљивих извора у Србији 2. СОЛАРНА ЕНЕРГИЈА Сунчева енергија је обновљив и неограничан извор енергије од којег, директно или индиректно, потиче највећи део других извора енергије на земљи. Сунчева енергија је на неки начин примаран извор енергије, јер грејање и хлађење атмосфере производи кретање ваздуха и самим тим ветар, таласе, подржава фотосинтезу биљака од којих се стварају фосилна горива, сунце загрева нашу планету и одржава живот на њој. За мање од 9 минута земљу обасја толика количина сунчеве енергије, колико је потребно човечанству у једној години. Та енергија долази директно пред наша врата бесплатно и без штетних последица по околину. Сунчева енергија у ужем смислу подразумева количину енергије која је пренесена сунчевим зрачењем, а изражава се у Ј (Џул-има). Сунчева енергија се у свом изворном облику најчешће користи за претварање у топлотну енергију за системе припреме потрошне топле воде и грејања (у европским земљама углавном као додатни енергент), у соларним електранама, док се за претварање у електричну енергију користе фотонапонски системи. Слика 2. Поређење количине фосилних горива са годишњом расположивом енергијом сунца

3 3. МОГУЋНОСТИ КОРИШЋЕЊА СОЛАРНЕ ЕНЕРГИЈЕ Када би само домаћинстава у Србији имало бар 5 m² соларних колектора за грејање или санитарне потрошне воде или ваздуха уштедело би се GWh годишње, што одговара инсталисаном производном капацитету од око 400 МW. Таква инвестиција би се исплатила за две године без икакве потрошње енергената. Сунчево зрачење на земљу достиже енергију од 1000W/m² при чему корисно дозрачена енергија на јединицу површине зависи од оријентације и нагиба површине, од конструкције и енергетских карактеристика пријемника сунчеве енергије, доба дана, доба године, времена инсолације, атмосферских услова и др. Најчешће примењивана технологија за коришћење сунчевог зрачења базирана је на принципу топлотног дејства сунчевог зрачења, при чему се енергија сунчевог зрачења трансформише у топлоту на апсорберу пријемника сунчеве енергије (топлотни колектори). Код ових типова колектора остварује се степен ефикасности трансформације дозрачене сунчеве енергије у корисно одведену топлоту од 35 до 55%. У поређењу са добијањем енергије из фотонапонских ћелија или ветрогенератора употреба соларних колектора је најекономичнија у садашњем тренутку и може се примењивати од индивидуалних корисника до већих система. Сиромашне земље би морале да учине напор да крену у развој производње онога што је најпогодније уместо да скупо плаћају увозне енергенте и ту морају да нађу неку економску рачуницу. Други начин коришћења сунчеве енергије је производња електричне енергије. Електрична енергија се производи из енергије сунца на два различита начина: посредно преко топлотног кружног процеса у соларним енерганама и директно коришћењем фотоефекта у соларним панелима. Први је приступ знатно економичнији, али за други приступ постоји веће интересовање и брже се развија. Разлог се огледа у чињеници да је технологија бешумна, еколошки чиста, да нема хабања покретних механичких делова који захтевају честа сервисирања. 4. ПРОИЗВОДЊА ЕЛЕКТРИЧНЕ ЕНЕРГИЈЕ 4.1 СОЛАРНЕ ЕНЕРГАНЕ Соларне термалне енергане су извори електричне енергије добијене претварањем сунчеве енергије у топлотну (за разлику од фотонапонских ћелија код којих се електрична енергија добија директно). Пошто немају штетних утицаја по околину приликом производње електричне енергије, а ефикасност им је велика (20 до 40%), предстоји им светла будућност. Како је количина енергије која пада на површину земље изузетно велика, изградњом таквих електрана, на сунчаним подручјима, енергијом би се снабдевао велики број потрошача. Основни принцип функционисања соларних термалних електрана је употреба концентришућих параболичних рефлектујућих система (огледала), такозваних соларних поља, који усмеравају сунчево зрачење на пријемник или абсорбер. Концентрисано зрачење се затим претвара у топлотну енергију која производи температуру од 200 до преко 1000ºC (зависно од система). Као и у конвенционалним електранама, ова топлотна енергија се може претворити у електричну енергију путем парних турбина. Ефикасна конверзија сунчевог зрачења у топлоту захтева коришћење фокусирајућих или фокусирајуће-вакуумираних пријемника. Соларне електране се најчешће изводе са комбинованим погоном где уз енергију сунца, радни флуид загрева и погон на неки од фосилних горива а то је најчешће природни плин. Према овом принципу, соларне електране омогућавају генерисање топлотне енергије веома једноставно и ефикасно, обезбеђујући електричну енергију и током ноћи. Употребом одговарајућег флуида може се знатно повећати учинак и поузданост, а у те сврхе користе се материјали велике енергетске густине као што је нпр. синтетичко уље, кухињска со, чији састојак натријум спада у метале са управо таквим својствима, а могућа је употреба и прегрејане водене паре при високом притиску (50 бара) и температури (готово 300ºC ), или прочишћени графит. Сви системи морају да прате кретање сунца како би могли да сакупљају директно зрачење. Кроз колекторе као радни флуид измене топлоте струје: синтетичко уље, растопљена со или пара под притиском, који се под утицајем сунчевих зрака загрејавају. Израдом таквих колектора у вакуумираном стаклу могуће је спречити топлотне губитке кондукцијом и конвекцијом. Степен искоришћења оваквих уређаја је око 30% (теоријски до 90%), а концентрирана снага је обично од 30 до 50 сунаца. То практично значи да се толико пута повећа доток сунчевог зрачења по јединици површине у односу на стање без концентрисања помоћу огледала.

4 Слика 4.1. Добијање електричне енергије у соларној енергани 5. ФОТОНАПОНСКА КОНВЕРЗИЈА СУНЧЕВЕ ЕНЕРГИЈЕ Реч фотонапонска тј. photovoltaic представља комбинацију грчке речи φωτόν што представља светлост и волт што је презиме Александра Волте, у част проналазача батерије и јединица за напон који се појављује на крајевима фотонапонске ћелије. Фотоволтаика је једна од грана светске економије која се најбрже развија. Фотоволтаика важи за најприхватљивији обновљиви извор који одликују модуларност, распрострањеност, стабилност, нечујан рад, еколошка али за сада не баш конкурентна цена. Директна конверзија сунчеве енергије у електричну, тзв. фотонапонски ефекат, први је пре скоро два века уочио француски научник Едмонд Бекерел (Edmond Becquerel). Он је приметио да се јачина струје између две електроде у електролиту повећава приликом осветљавања електрода. Међутим тек је развојем квантне теорије почетком 20-ог века овај ефекат објашњен, чиме је омогућена израда фотонапонских уређаја. Прва соларна ћелија израдена је у Бел лабораторијама (Bell Laboratories) 1954.године. Фотонапонске ћелије израђене од полупроводног силицијума убрзо су, са развојем истраживања свемира, постале основни извори електричне енергије на сателитима примарно због своје поузданости, док је цена била од мањег значаја. Значај њихове земаљске употребе постао је актуелан у току светске енергетске кризе раних 70-их година, када се почело размишљати о побољшању њихових радних карактеристика, повећању ефикасности, већој поузданости, нижој производној цени. Данас фотонапонска конверзија подразумева високу технологију производње електричне енергије из сунчеве енергије. Концептуално, фотонапонски уређај у свом најједноставнијем облику представља потрошач искључиво сунчеве енергије, који нема покретних делова, чији рад задовољава највише еколошке стандарде и уколико је добро заштићен од утицаја околине нема делова који могу да се похабају. Фотонапонски системи су модуларни тако да се њихова снага може пројектовати за практично било коју примену. Штавише, додатни делови којима се повећава излазна снага лако се прилагођавају постојећим фотонапонским системима, што није случај са конвенционалним изворима електричне енергије, као што су термоелектране и нуклеарне електране, чија економска исплативост и изводљивост захтева мулти-мегаватне инсталације.

5 Слика 5. Силицијумска соларна ћелија Фотонапонска (ФН) ћелија темељни је блок фотонапонског система. Она представља п-н спој који помоћу фотонапонског ефекта сунчево зрачење претвара у електричну енергију. Услед апсорпције сунчевог зрачења, у п-н споју се јављају парови електрон-шупљина. Приликом сунчевог зрачења унутар или у близини п-н споја, унутрашње електрично поље раздваја електроне и шупљине. При томе се електрони крећу према н страни, а шупљине према п страни п-н споја, и као последица тога јавља се потенцијална разлика, односно напон. Када се ФН ћелија повеже у струјно коло, кроз потрошач ће потећи струја. Сунчане ћелије производе напон око 0,5V уз густину струје око 20 mа/cm². Да би се добио одговарајући напон, односно снага, ћелије се могу спајати серијски и паралелно. Тако се добијају модули сунчаних ћелија на којој су ћелије учвршћене и заштићене од атмосферских и других утицаја. Модули се слажу један до другог у фотонапонске равне колекторе, а колектори заједно с осталим потребним елементима (претварачима, регулаторима, акумулаторима и сл.) чине фотонапонски систем. Слика 5.1. Ћелија, модул, панел и њихова веза 7. ПРИМЕНА ФОТОНАПОНСКИХ СИСТЕМА Као и сви добри производи, и електрична енергија не само да треба да задовољи потребе потрошаца, већ треба да буде од користи природној средини у којој се производ користи. Соларна електрична енергија може да допринесе енергетској понуди уз истовремену помоћ у спречавању глобалне промене климатских услова. Приближно 75% енергије која се користи у развијеном свету троши се у градовима, од чега се око 40% троши у зградама. Фотонапонски системи могу да се уграде у скоро сваку грађевинску структуру, од аутобуских станица до великих пословних зграда, па чак и у баште, паркове итд. иако тачна прогноза фотонапонског учинка у зградама захтева пажљиву анализу фактора као што су количина сунчевог зрачења које пада на зграду, електричне стабилности електро-дистрибутивне мреже итд., лако је схватити да оваква технологија има велике могућности. Чак и у климатским условима који се карактеришу осредњом соларном озраченошћу, кров зграде

6 једног домаћинства довољан је за постављање фотонапонског система који објекту може обезбедити довољно електричне енергије у току целе године. Фотонапонски модули и генератори традиционално се постављају на специјалне потпорне структуре, али могу се поставити и на грађевине, или могу да постану интегрални делови зграда образујући природан локални спој понуде и потражње електричне енергије. Употреба фотонапонских система може значајно да смањи потрошњу електричне енергије из електрана. Слика 7.1. Компоненте фотонапонског система у згради 8. СОЛАРНЕ ЕЛЕКТРАНЕ У СРБИЈИ 8.1 СОЛАРНА ЕЛЕКТРАНА У БЛАЦУ Прва соларна електрана у Србији је саграђена у Врбовцу код Блаца. Електрана је инсталисане снаге 10 кw и направљена је за осам месеци. Вредност електрана је и у власништву је тв механичара Драгољуба Петровића из Врбовца, који је склопио уговор са ЕПС-ом о продаји комплетне производње електричне енергије. Месечна добит процењена је од Слика 8.1. Соларна електрана у Блацу Панели су постављени под одговарајућим углом ради бољег абсорбовања сунчеве енергије и редно (серијски) су повезани. На слици 8.2 приказана је мапа Балкана са оптималним углом нагиба фотонапонских панела. Панели у Блацу су постављени у складу с тим под углом од 33ᵒ.

7 Слика 8.2. Карта оптималних углова нагиба фотонапонских панела 8.2 СОЛАРНА ЕЛЕКТРАНА У ЛЕСКОВЦУ Соларну електрану снаге 210 kw у Лесковцу, на југу Србије саградио је из својих извора професор др Петар Митковић, дугогодишњи професор на нишком Грађевинском факултету, који је недавно изабран и за декана ове високошколске установе. Зелени киловати су будућност и свако домаћинство може да их производи појашњава професор разлоге зашто се одлучио да инвестира у ову производњу. Енергија Сунца једини је ресурс кога ће бити док је планете Земље, тако да је то и једина инвестиција која нема рок трајања. Обновљиви извори сунчеве енергије на југу Србије су практично неограничени, али још увек не постоји довољно интересовања да се улаже у производњу зелених киловата. Професор Митковић склопио је уговор са ЕПС о испоруци енергије као повлашћени произвођач по цени 0,23 евроценти за 1 kwh. Европске државе плаћају исте киловате 0,36 евроценти, па наша земља може имати добар извозни производ. Изградња соларне електране кошта 2 /kw инсталисане снаге. Слика 8.2. Соларна централа у Лесковцу Панели су постављени на крову зграде која превасходно није била намењена у те сврхе али је пронађено компромисно решење јер је зграда и даље функционална. Два инвертера су постављена на зид а панели на кров, тј. на простор који иначе не може бити искоришћен на бољи начин па зграда и даље може да служи својој намени у исто време производивши електричну енергију.

8 РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЈА На графику је слици 8.3 је приказана снага у киловатима добијена из централе. Излазна снага измерена у 13.00h из централе је 5692 W и до 13.00h је произведено око 16 kwh електричне енергије. То су подаци са једног инвертера, а обзиром да их има два укупно произведена електрична енергија је око 32 kwh. На графику на слици 8.4 је приказан интензитет сунчевог зрачења из РХМЗ у W/m² са којег се види да је максималан интензитет сунчевог зрачења 500 W/m² у тренутку када је забележена излазна снага из централе око 10 kw. Слика 8.3. Контролни дисплеј инвертера Слика 8.4. Интензитет сунчевог зрачења измерен у РХМЗ у Лесковцу дана Мерење инсолације се врши пиранометром Kipp&Zonen CM11, тачности 3% и опсега дозрачене енергије W/m² (маx W/m²), спектралног опсега nm и осетљивости 4 6 μv/(w/m 2 ), који може да мери директно и дифузно сунчево зрачење. Измерене вредности интезитета сунчевог зрачења у Лесковцу дате су на слици 8.4, а инструменти који су коришћени за мерење (пиранометар и соларни панел) приказани су на слици 8.5.

9 Слика 8.5. Пиранометар и соларни панел, РХМЗ Лесковац Соларни панели су постављени на крову који није идеалан за постављање панела. Најбоље искоришћење сунчеве енергије је када је кров нагнут према југу под одређеним углом, за овај део Србије је то око 33. Панели на централи у Лесковцу су постављени на две стране крова тако да панели са леве стране (слика 8.7 десно) крова који су окренути према северо-истоку имају бољи положај у јутарњим часовима од панела са десне стране који су постављени ка југозападу, али у послеподневним часовима је обрнута ситуација. То је један од разлога непоклапања у потпуности дијаграма из централе и дијаграма из РХМЗ. Слика 8.7. Сателитски снимак крова са панелима (слика лево) и снимак крова из птичје перспективе (слика десно) На основу вишегодишњих мерења трајања инсолације на Земљи, формиране су соларне мапе. Једна таква је приказана на слици 8.8. Подручје јужне Србије је доста погодно за изградњу соларних централа, има много сунчаних дана и интензитет сунчевог зрачења је доста висок. Слика 8.8. Карта оптималних углова фотонапонских панела

10 Највише енергије је добијено у септембру 2012, у износу од 1952 kwh. То су подаци са једног од два инвертера колико их има у централи што значи да је у септембру добијено око 4 МWh електричне енергије (слика 8.12). kwh Слика Електрична енергија добијена у септембру 2012 Графички приказана табела из РХМЗ на слици 8.13 где су вредности сунчевог зрачења у септембру 2012 године дате у ватима по метру квадратном површине. Слика Глобално сунчево зрачење из РХМЗ за септембар Омасовљавање производње фотонапонских уређаја би довело до смањивања цене и већег коришћења тих уређаја од стране становништва. Површина потребна за фотонапонску инсталацију која је довољна за четворочлану породицу је од 7-15 m² било где у свету. Ако је просечна сунчева енергија 4 kwh/m², а ефикасност фотонапонске технологије на ниских 10%, то значи да је могуће произвести 0.4 kwh /m² по дану. Просечна породица троши око 6000 kwh по једној години, односно 4 kwh по дану по особи. У практичном делу задатка смо дошли до података за месец септембар из РХМЗ према којима у само 5-6 дана у току месеца септембра је интензитет сунчевог зрачења био мањи од 400 W/m². Током тих дана интензитет сунчевог зрачења је био преко 300 или близу 300 W/m². Са интензитетом 400 W/m², задовољајавају се потребе за електричном енергијом са 10 m² соларних панела док са интензитетом око 300 W/m² требаће нам 14 m² панела док би са 15 m² имали довољно површине и за 14 септембар са интензитетом 240 W/m², једино за два дана у септембру а то су и не би довољно енергије. Просечна површина једног панела је око 1.6 m² а цена панела је око динара или приближно око 150 еура. Снага таквог панела је 160 W. Потребе једног просечног домаћинства задовољавају се са 10 панела чија је укупна цена 1500 еура. Знатан утицај у формирању цене има и инвертер чија је цена око 800 еура. Укупна инвестиција у овакав вид добијања енергије је око 3000 еура. Узмимо да је уштеда енергије на месечном нивоу око 30 еура колико би рецимо смањили месечни рачун за струју, долазимо до податка да се инвестиција исплати за 8 година.

11 ЗАКЉУЧАК У раду је дата анализа рада две соларне електране које су инсталиране у Лесковцу (210 kw) и Блацу (10 kw). Дата је анализа производње електричне енергије у функцији измерених вредности сунчевог зрачења. Употреба соларне енергије за производњу електричне енергије у Србији је недовољна, првенствено због великих инвестиционих трошкова фотонапонског постројења. И поред тога што се последњих година знатно напредовало у технологији израде соларних ћелија, оне су још скупе за добијање електричне енергије и углавном се примењују тамо где се не могу употребити други извори енергије. Омасовљавање производње фотонапонских уређаја би довело до смањивања цене и већег коришћења тих уређаја од стране становништва. Брз пораст фотонапонске индустрије у свету обећавају добру перспективу фотонапонским технологијама и у Србији. ЛИТЕРАТУРА [1] М. Ламбић, Енгпггеика, Технички факултет, Зрењанин, [2] С. Драгићевић, Изводи ра жпгдавања из жпгдмгеа Обновљиви извопи гнгпгијг 2012/2013. год., Факултет техничких наука у Чачку, [3] С. Драгићевић, Н. Вучковић, Evaluation of Distributional Solar Radiation parameters of Cacak Using Long- Term Measured Global Solar Radiation Data, Thermal Science, Vol. 11, No. 4, 2007, pp [4] Сесдија гнгпггерког жоегнцијала Спбијг за копишћгњг Сснчгвог зпачгња и гнгпгијг вгепа (НПЕЕ, ЕЕ А), Министарство науке и заштите животне средине Републике Србије, Београд, [5] Д. Шљивац, З. Шимић, Обновљиви извопи гнгпгијг: Впрег, жоегнцијал, егхнологијг, Загреб, [6] Обновљиви извори енергије Србија, Министрство рударства и енергетике, децембар [8] Т. Павловић, Б. Чабрић, Физика и егхника ролапнг гнгпггеикг, Грађевинска књига, Београд, 1999.