Osnovni načini korišćenja solarne energije ENERGIJA SUNCA I ZRAČENJE SUNCA Osnovni načini korišćenja solarne energije Fotonaponska konverzija solarne energije Toplotna konverzija solarne energije Pasivna primena solarne energije

Karakteristike Sunca 99.8 % mase Sunčevog sistema 74 % H2, 24 % He i mala količina Fe, Ni, O2, Si, S, Mg, C, Ne, Ca, Cr pripada spektralnoj klasi G2V svetlije od 85 % zvezda u galaksiji Mlečni put kruži oko centra galaksije na udaljenosti od 26000-27000 svetlosnih godina brzinom 251 km/s staro 5 milijardi godina rotira slojevito, materija je u obliku plazme generiše svoju energiju nuklearnom fuzijom jezgara vodonika u He zrači energiju u vidu elektromagnetnog zračenja i neutrina

Sastav Sunca Slika 3.1: Podela Sunca na slojeve, prema uslovima koji u njima vladaju Jezgro Radijaciona zona Konvektivna zona Fotosfera Hromosfera Korona Sunčev vetar

Osnovni podaci o Suncu i Sunčevom zračenju Masa Ms = 2  1030 kg Prečnik Ds = 1,39  106 km Površinska temperatura Tp = 5700 0C Snaga zračenja sa površine S1 = 64 MW/m2 Udaljenost od Zemlje d(S,Z) = (147 ÷ 152)  106 km Luminoznost L = 3,83  1026 W Snaga Sunčevog zračenja (Luminoznost): P(S) = L = 3,83  1026 W Godišnja energija Sunčevog zračenja: EN (S) = 3,36  1030 Wh/god Snaga Sunčevog zračenja na površini Zemljine atmosfere: P(SAZ) = 0,5  10-9 P(S) = 1,73  1017 W Godišnja energija Sunčevog zračenja koju prihvata Zemlja sa atmosferom E(SAZ,Z) = 1021 Wh/god

Bilans Sunčevog zračenja na Zemlji Slika 3.2: Bilans snage Sunčevog zračenja na Zemlji

Bilans konverzije solarne energije na Zemlji: ≈30 % se reflektuje od Zemljine atmosfere 47 % apsorbuje Zemljina površina (kopno i more) 23 % na isparavanje vode 0.2 % na energiju vetra i talasa 0.02 % na fotosintezu Energija dobijena sagorevanjem fosilnih goriva, nuklearnih goriva i iz geotermalne energije: E(fg, ng, gt) ≈ 1017 Wh/god Slika 3.3: Odnos Sunčeve energije koja dospeva na Zemlju, globalne godišnje potrošnje energije,kao i ukupnih procenjenih fosilnih i nuklearnih goriva

Godišnja proizvodnja električne energije u svetu: 161015 Wh/god Snaga Sunčevog zračenja na lokacijama bluzu ekvatora: 250 W/m2 Moderni fotonaponski paneli mogu proizvesti 160 kWh/m2 Za generisanje 161015 Wh/god neophodna površina pod panelima je 100000 km2 (6 krugova prečnika po 146 km): Slika 3.4: Srednja snaga Sunčevog zračenja za različite geografske širine u W/m2

Slika 3.5: Atlas godišnje energije Sunčevog zračenja za različite geografske širine na Zemljinoj kugli u kWh/(m2 god) Srednja ozračenost u Evropi iznosi oko 1000 kWh/(m2 god) a na Bliskom Istoku oko 1800 kWh/(m2 god)

Slika 3.6: Energija Sunčevog zračenja na horizontalnoj površini u Evropi u kWh/(m2 god)

Veličine kojima se opisuje Sunčevo zračenje Iradijacija [W/m2] – predstavlja snagu Sunčevog zračenja po jedinici površine Insolacija [Wh/m2] – predstavlja količinu solarne energije koja je apsorbovana na određenoj površini u toku određenoj vremena Solarna konstanta – predstavlja srednju godišnju iradijaciju na gornjoj granici Zemljine atmosfere (srednja vrednost ekstraterestričkog solarnog fluksa): SC=1367 W/m2 (1377 W/m2) U gornjim slojevima atmosfere prosečna vrednost iradijacije je 342 W/m2 zbog loptastog oblika i rotacije Zemlje Najveća iradijacija na Zemljinoj površini iznosi oko 1000 W/m2 kada se Sunce nalazi u zenitu (pri čistoj atmosferi i vedrom danu) – jedno sunce Prosečna vrednost iradijacije na površini Zemlje je 230 W/m2 Izračunavanje insolacije na osnovu vrednosti iradijacije I u intervalu T:

Energija Sunčevog zračenja na površini Zemlje (insolacija) zavisi od trajanja insolacije (trajanje sijanja Sunca) i nagiba površine Trajanje insolacije zavisi od - geografske širine - godišnjeg doba - stanja oblačnosti - osobina atmosfere (vlažnost i zagađenost) Potencijalna energija zračenja predstavlja maksimalnu energiju koja dođe do površine Zemlje, zavisi od - nadmorske visine Potencijalna energija zračenja za Srbiju iznosi oko 2500 kWh/m2 godišnje, a stvarna oko 1270 kWh/m2 godišnje Promenljivost snage zračenja Mane korišćenja energije Sunčevog zračenja

Slika 3.7: Ukupna, direktna i difuzna iradijacija na horizontalnoj površini Zemlje za 1. i 2. jul 2009. godine u Beogradu

Spektar Sunčevog zračenja Energija jednog kvanta (fotona) elektromagnetnog zračenja: f - frekvencija kvanta h=6.624 10-34 Js - Plankova konstanta c=3108 m/s Spektralna gustina snage zračenja crnog tela: snaga zračenja po jedinici površine i po jedinici talasne dužine (Plankov zakon): Pλ [W/(m2 μm)] – spektralna gustina snage zračenja k=1.38×10−23 [J/K] – Boltzman-ova konstanta T [K] - apsolutna temperatura crnog tela

Slika 3.8: Spektar zračenja crnog tela Snaga zračenja crnog tela po jedinici površine između dve talasne dužine P: Izračunavanje iradijacije na osnovu spektralne gustine snage:

Slika 3.9: Primer izračunavanja iradijacije na osnovu spektralne gustine snage

Spektralni fluks (protok) fotona u funkciji spektralne gustine snage Fluks fotona u funkciji spektralnog fluksa fotona: Spoljašnja kvantna efikakasnost (External Quantum Efficiency): Jλ [A/(m2 μm)] – spektralna gustina struje fotonaponske ćelije q=1.6×10−19 [C] – naelektrisanje elektrona

Slika 3.10: Primer izračunavanja fluksa fotona na osnovu spektralnog fluksa fotona

Slika 3.11: Primer spoljašnje kvante efikasnosti

Ukupna snaga zračenja crnog tela (Stefan-Bolcmanov zakon): A [m2] – površina crnog tela σ = 5.6710-8 [W/(m2 K4)] - Stefan-Bolcmanova konstanta Wien-ov zakon pomeranja:

Sunce: T=5800K → λm=0.5 μm Zemlja: T=288K → λm=10.1 μm Slika 3.12: Elektromagnetni spektar Sunčevog zračenja na ulazu u atmosferu (levo) i zračenja sa Zemlje (desno)

Snaga zračenja na površini Zemljine atmosfere: Slika 3.13: Spektar zračenja Sunca na površini Zemljine atmosfere (ekstraterestrički fluks solarnog zračenja)

Snaga zračenja po jedinici površine (iradijacija) na površini Zemljine atmosfere: Ds=1392520 km – prečnik Sunca, rs=Ds/2 rsz=1.5 108 km – rastojanje između Sunca i Zemlje Na površini Sunca:

Slika 3.14: Spektri ekstraterestričkog i terestričkog zračenja Smanjenje snage zračenje koja stiže do Zemljine površine usled apsorpcije i rasejanja Slika 3.14: Spektri ekstraterestričkog i terestričkog zračenja

Slika 3.15: Objašnjenje koeficijenta vazdušne mase Koeficijent vazdušne mase (AM – Air Mass) pokazatelj debljine atmosfere, tj. putanje kroz atmosferu kroz koju prolazi direktan Sunčev zrak h1 – dužina puta zraka kroz atmosferu kada je Sunce u zenitu h2 – dužina puta zraka kroz atmosferu do površine Zemlje β – altitudni ugao Sunca Slika 3.15: Objašnjenje koeficijenta vazdušne mase

Podaci o iradijaciji i srednjoj energiji fotona