Obnovljivi izvori energije11/17/2019 SKIS - 2018/19 1

ENERGIJA

VETRA

ENERGIJA

VODE

GEOTERMALNA

ENERGIJA

BIO

ENERGIJAENERGIJA

SUNCA

11/17/2019 SKIS - 2018/19 2

Obnovljiviizvori

energije

Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEU5C03)

Modul US - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEE5A05)

Modul E - 2019/20.Izborni predmet – V semestar – 2+2+1 – 5 kredita (2OEM5A04)

Modul EKM - 2019/20.

Prof. dr Dragan Pantić, kabinet 337, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rsDoc. dr Sanja Aleksić, kabinet 347, dragan.pantic@elfak.ni.ac.rs

Prof. dr Dragan Mančić, M2-4, dragan.mancic@elfak.ni.ac.rs

Solarna fotonaponska energija11/17/2019 SKIS - 2018/19. 4

2019/20.

Zašto solarna energija?11/17/2019 SKIS - 2018/19 5

11/17/2019 SKIS - 2018/19 6

11/17/2019 SKIS - 2018/19 7

Raspodela godišnje solarne iradijacije u kWh/m2

11/17/2019 SKIS - 2018/19 8

11/17/2019 SKIS - 2018/19 9

11/17/2019 SKIS - 2018/19 10

11/17/2019 SKIS - 2018/19 11

11/17/2019 SKIS - 2018/19 12

11/17/2019 SKIS - 2018/19 13

11/17/2019 SKIS - 2018/19 14

11/17/2019 SKIS - 2018/19 15

Da li je ovo

jedino rešenje?

???

Primena nanotehnologije

Pretvaranje CO2 u CH4

Mešavina vode i CO2 se korišćenjem klastera nanocevi od titanijum oksida koje su prekrivene katlizatorom pretvara u CH4 pri čemu se kao izvor energije koristi Sunce.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 16

11/17/2019 SKIS - 2018/19 17

RECTENNA

Specijalni tip antene koji se koristi za direktnu

konverziju elektromagnetne energije u DC struju

11/17/2019 SKIS - 2018/19 18

Oktobar 2015. istraživači sa Georgia Institute of Technology su

predstavili prvu optical rectenna za koju se pretpostavlja da će biti

osnova za razvoj nove generacije visokoefikasnih solarnih ćelija.http://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/optical-rectenna-could-doube-solar-cell-efficiency

11/17/2019 SKIS - 2019/20. 19

OPV – novi rekord, 17.3% - avgust 2018.

Pregled

11/17/2019 SKIS - 2019/20. 20

Grafen solarne ćelije – 15.6% (Oxford University) – prethodno 8.6%

6. jul 2019.11/17/2019 SKIS - 2019/20. 21

Toyota

11/17/2019 SKIS - 2019/20. 22

1.2kW, mono-Si solarne ćelije

Efikasnost 24%

330 ćelija

Decembar 2019.

11/17/2019 SKIS - 2019/20. 23

Alta Devices - Hanergy

2019.

Naučnici (University of Tokyo) su otkrili novi materijal

Kada se formira u obliku nanocevi (nantube) generiše električnu struju kada se osvetli

tungsten disulfid

11/17/2019 SKIS - 2019/20. 24

Šta je sledeće?11/17/2019 SKIS - 2018/19 25

Šta je sledeće?11/17/2019 SKIS - 2018/19 26

Šta je sledeće?11/17/2019 SKIS - 2018/19 27

Šta je sledeće?11/17/2019 SKIS - 2018/19 28

11/17/2019 SKIS - 2018/19 29

Karakteristike solarnog zračenja

11/17/2019 SKIS - 2018/19 30

Energija zračenja11/17/2019 SKIS - 2018/19 31

Nuklearna fuzija Solarno zračenje

11/17/2019 SKIS - 2018/19 32

Sunce

Sunce je vrela sfera gasa čija unutrašnja temperatura prelazi 20∙106K, zbog nuklearne fusije.

Zračenje iz unutrašnjosti nije vidljivo jer ga apsorbuje sloj vodonikovih atoma u blizini površine.

Kroz ovaj sloj se toplota prenosi konvekcijom.

Površina Sunca, fotosfera, se nalazi na temperaturi od 6000K (5762K)

11/17/2019 SKIS - 2018/19 33

Sunce kao izvor energije

Sunce daje energijuu vidu zračenja.

Svake sekunde se 600 miliona tona H pretvori u He.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 34

Sunce11/17/2019 SKIS - 2018/19 35

Energija zračenja:

Zemlja prima:

Trenutno se koristi!!!

Sunce kao izvor energije

Od ukupno 3,8×1026 W koju Sunce zrači u svemir, Zemlja primi 1,75 ×1017 W.

◦ 30% primljene energije Zemlja reflektuje natrag u svemir,

◦ 47% zadrži u vidu toplote, ◦ 23% ide na proces kruženja vode u prirodi,◦ Ostatak se “potroši” na fotosintezu.

Čak i fosilna goriva predstavljaju jedan vidakumulirane Sunčeve energije: nafta, gas, ugalj.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 36

Solarno zračenje u svemiru11/17/2019 SKIS - 2018/19 37

Na rastojanju D od Sunca, ista snaga se širi

na mnogo veću površinu pa se intenzitet

solarne radijacije smanjuje.

Solarno zračenje van Zemljine atmosfere

Računa se koristeći sledeće podatke:◦ Gustina snage na površini Sunca Hsun=5.961×107W/m2

◦ Poluprečnik Sunca Rsun=6.96×105km

◦ Rastojanje između Zemlje i Sunca

11/17/2019 SKIS - 2018/19 38

1.36kW/m2

Zračenje Sunca

Kretanje planete Zemlje se odvija po eliptičnoj putanji, tako da se rastojanje od Sunca menja u toku godine.

Priroda Sunca je takva da ono ima aktivnosti koje se ogledaju pored ostalog u promeni intenziteta zračenja.

Zato se definiše solarna konstanta S0

kao srednja energija ekstraterestričnog zračenja koja iznosi 1367W/m2.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 39

Zračenje Sunca

Ekstraterestrično zračenje može kada dođe na površinu atmosfere da apsorbuje, odbije ili transmituje kroz atmosferu.

Šta će se desiti zavisi od fizičkih parametara medijuma, kao i njihove raspodele, od talasne dužine incidentne-dolazne svetlosti, ugla pod kojim pada na površinu, itd.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 40

11/17/2019 SKIS - 2018/19 41

Solarno zračenje van Zemljine atmosfere

Gustina snage se menja s obzirom da se Zemlja oko Sunca kreće po eliptičkoj putanji – menja se rastojanje.

Menja se oko 3.4%

Najveća je u januaru a najmanja u julu.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 42

• H – gustina snage zračenja van Zemljine atmosfere (W/m2)

• Hconstant – solarna konstanta, 1.353kW/m2

• n – dan u godini

11/17/2019 SKIS - 2018/19 43

11/17/2019 SKIS - 2018/19 44

Solarno zračenje na površini Zemlje

Dok je solarna radijacija na ivici Zemljine atmosfere konstantna, zračenje na površini Zemlje zavisi od:◦ Atmosferskih efekata, uključujući apsorpciju i skaterovanje,

◦ Lokalnih uslova u atmosferi – isparenja, oblaci, zagađenja,

◦ Geografske širine,

◦ Godišnjeg doba, i

◦ Doba dana.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 45

11/17/2019 SKIS - 2018/19 46

Definicija uglova11/17/2019 SKIS - 2018/19 47

Putanja Sunca u toku godine11/17/2019 SKIS - 2018/19 48

Niš11/17/2019 SKIS - 2018/19 49

Niš11/17/2019 SKIS - 2018/19 50

Atmosferski efekti

Smanjenje snage solarnog zračenja zbog apsorpcije, rasipanja i refleksije

Promena spektra solarnog zračenja zbog veće apsorpcije ili rasipanja nekih talasnih dužina

Uvođenje difuzione ili indirektne komponente u solarno zračenje

Lokalne varijacije u atmosferi (vodena para, oblaci, zagađenje) koje utiču na snagu, spektar i pravac solarnog zračenja.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 51

11/17/2019 SKIS - 2018/19 52

11/17/2019 SKIS - 2018/19 53

Atmosferski efekti11/17/2019 SKIS - 2018/19 54

O3 – ozon

CO2 – ugljen dioksid

H2O – vodena para

11/17/2019 SKIS - 2018/19 55

Energija fotona11/17/2019 SKIS - 2018/19 56

Air Mass

Air Mass predstavlja dužinu koju svetlost prođe kroz atmosferu, pre nego što stigne do površine Zemlje, normalizovano sa najkraćim putem kada je Sunce direktno iznad glave.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 57

Visina Sunca – podne - Berlin11/17/2019 SKIS - 2018/19 58

Određivanje AM11/17/2019 SKIS - 2018/19 59

Intenzitet direktne komponente

solarnog zračenja u funkciji AM:

Intenzitet zračenja raste sa

povećanjem nadmorske visine:

• konstanta a=0.14

• h nadmorska visina

Kretanje Sunca

Pozicija Sunca zavisi od:

◦ pozicije na Zemlji,

◦ vremena u toku godine,

◦ vremena u toku dana.

Prividno kretanja Sunca ima najveći uticaj na količinu snage koju prima solarni kolektor.

Intenzitet zračenja se menja u zavisnosti od ugla između sunčevih zraka i površine koja apsorbuje zračenje.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 60

Kretanje Sunca

Snaga je srazmerna cosq

Modeliranje putanje Sunca zahteva poznavanje:

◦ uglova (azimut i elevacija),

◦ dan u godini, i

◦ vreme u toku dana.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 61

Zavisnost snage od ugla11/17/2019 SKIS - 2018/19 62

LST i LT

11/17/2019 SKIS - 2018/19 63

LST – Local Solar Time – se definiše kada je Sunce u najvišoj poziciji na nebu

LT – Local Time – se razlikuje od LST zbog eksentričnosti Zemljine putanje,

i prilagođavanja: vremenske zone i zimsko vreme.

• DTGMT – razlika između LT i GMT• 15o=360o/24

Jednačina vremena - EoT

Equation of Time (u min.) je empirijska jednačina koja uvodi korekciju usled ekscentričnosti Zemljine putanje i njenog aksijalnog nagiba.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 64

• d – broj dana u godini od početka godine

Faktor korekcije vremena – TCLokalno solarno vreme – LSTČasovni ugao - HRA

Time Correction Factor – TC (u min.) izračunava varijaciju LST u okviru jedne vremenske zone, zbog promena geografske dužine u vremenskoj zoni, pri čemu uključuje i EoT.

Local Solar Time – LST se određuje na osnovu prethodne dve korekcije, kako bi se podesilo lokalno vreme (LT):

Hour Angle – konvertuje LST u broj stepeni koje Sunce pređe preko neba.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 65

Ugao deklinacije - d

Ugao deklinacije d se menja u toku godine zbog nagiba ose rotacije Zemlje.

Osa je nagnuta 23.45o i ugao deklinacije se menja plus ili minus ovaj ugao.

d=0 samo za prolećnu i jesenju ravnodnevicu.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 66

Ugao deklinacije - d

Ugao deklinacije se određuje korišćenjem izraza:

11/17/2019 SKIS - 2018/19 67

d je broj dana u godini

Jan 1: d=1

Ugao elevacije – a 11/17/2019 SKIS - 2018/19 68

PODNE

IZLAZAK SUNCA - JUTRO

ZALAZAK SUNCA - VEČE

Ugao elevacije – a

Važan parametar pri projektovanju PV sistema je maksimalni ugao elevacije, tj. maksimalna visina Sunca na nebu u toku godine.

Dešava se u solarno podne i zavisi od geografske širine i ugla deklinacije

11/17/2019 SKIS - 2018/19 69

Ugao elevacije u solarno podne:

Ugao elevacije:

• j geografska širina mesta• d ugao deklinacije• HRA – časovni ugao

Zenitni ugao - z

Zenitni ugao je ugao između pozicije Sunca i vertikale.

Sličan uglu elevacije, samo se meri od vertikale.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 70

Ugao azimuta11/17/2019 SKIS - 2018/19 71

PODNE

IZLAZAK SUNCA - JUTRO

ZALAZAK SUNCA - VEČE

Ugao azimuta

Ugao azimuta definiše pravac iz koga dolazi sunčeva svetlost.

Solarno podne – Sunce je direktno na jugu (za severnu hemisferu).

11/17/2019 SKIS - 2018/19 72

• j geografska širina mesta• d ugao deklinacije• HRA – časovni ugao• a - ugao elevacije

Pozicija Sunca

Ugao azimuta i ugao elevacije u solarno podne su dva najvažnija ugla za orijentaciju PV modula

11/17/2019 SKIS - 2018/19 73

11/17/2019 SKIS - 2018/19 74

11/17/2019 SKIS - 2018/19 75

11/17/2019 SKIS - 2018/19 76

11/17/2019 SKIS - 2018/19 77

Solarno zračenje na iskošenoj površini

Snaga na PV modulu zavisi od ugla između modula i Sunca

Gustina snage je maksimalna kada je PV modul normalan na Sunce.

S obzirom da se ugao između Sunca i fiksirane površine kontinuirano menja, menja se i gustina snage na fiksnom PV modulu.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 78

Solarno zračenje na iskošenoj površini

11/17/2019 SKIS - 2018/19 79

• a – ugao elevacije,• b – tilt ugao modula meren

prema horizontali

Izračunavanje solarne insolacije

Na osnovu jednačine pozicije Sunca na nebu u toku godine, solarno zračenje na površini koja je pod datim tilt uglom, može se izračunati u funkciji geografske širine i dana u godini.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 80

Izračunavanje solarne insolacije

11/17/2019 SKIS - 2018/19 81

Izračunavanje solarne insolacije

11/17/2019 SKIS - 2018/19 82

Izračunavanje solarne insolacije

11/17/2019 SKIS - 2018/19 83

Izračunavanje solarne insolacije

11/17/2019 SKIS - 2018/19 84

Karakteristike svetlosti

Svetlost koju vidimo je samo deo ukupne energije koju emituje Sunce.

Sunčeva svetlost je oblik elektromagnetnog (EM) zračenja.

Početkom XIX veka, na osnovu eksperimenata vezanim za efekte interferencije, svetlost se opisuje kao talas. (Thomas Young, Francios Arago, Augustin

Jean Fresnel)

11/17/2019 SKIS - 2018/19 85

Karakteristike svetlosti

Krajem XIX veka se uočavaju efekti koji se ne mogu objasniti talasnim jednačinama svetlosti.

Plank je predložio da se ukupna energija svetlosti sastoji od elemenata koji imaju određeni kvant energije.

Ajnštajn se pridružio ovoj pretpostavci pri proučavanju fotonaponskog efekta.

Svetlost je sastavljena od paketa, ili čestica energije, zvanih fotoni.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 86

Karakteristike svetlosti

Danas, kvantna mehanika objašnjava ova oba pristupa.

Priroda svetlosti, tj. EM zračenja je dvojaka.

U nekim pojavama EM zračenje se ponaša kao skup čestica (fotoefekat, Komptonov efekat).

U drugim, EM zračenje ima osobine talasa (interferencija, difrakcija).

11/17/2019 SKIS - 2018/19 87

Karakteristike svetlosti

Osnovne karakteristike EM zračenja su:

Brzina 𝒄 = 𝝂 ∙ 𝝀

Frekvencija

Talasna dužina

Spektar elektromagnetnog zračenja

11/17/2019 SKIS - 2018/19 88

Karakteristike svetlosti11/17/2019 SKIS - 2018/19 89

Energija fotona

Foton se karakteriše:◦ ili talasnom dužinom l

◦ ili ekvivalentnom energijom E

◦ Plankova konstanta h=6.626×10-34J∙s

◦ Brzina svetlosti c=2.998×108m/s

11/17/2019 SKIS - 2018/19 90

Fluks fotona

Fluks fotona se definiše kao broj fotona u sekundi po jedinici površine:

Fluks fotona je bitan za određivanje broja generisanih elektrona, tj. struje koju generiše solarne ćelije.

Fluks fotona ne daje nikakvu informaciju o energiji.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 91

Fluks fotona

Na određenoj talasnoj dužini, talasna dužina fotona ili energija i fluks fotona te talasne dužine se mogu iskoristiti da se izračuna gustina snage.

11/17/2019 SKIS - 2018/19 92

Spektralno zračenje

Najčešći način za karakterizaciju izvora svetlosti

Daje gustinu snage izvora na određenoj talasnoj dužini

Spektrano zračenje se češće određuje korišćenjem izraza:

11/17/2019 SKIS - 2018/19 93

• F(l) - spektralno zračenje (Wm-2mm-1)• F – fluks fotona• E – energija fotona• l – talasna dužina fotona

Spektralno zračenje11/17/2019 SKIS - 2018/19 94

Ukupna gustina snage

Izračunava se integraljenjem spektralnog sračenja po talasnim dužinama ili enegijama:

Izmereno spektralno zračenje se množi opsegom talasnih dužina u kojoj je mereno:

11/17/2019 SKIS - 2018/19 95

Ukupna gustina snage11/17/2019 SKIS - 2018/19 96

Zračenje crnog tela

Izvori svetlosti se mogu modelirati kao blackbody emiteri.

Crno telo apsorbuje kompletno zračenje koje padne na njegovu površinu i emituje zračenje na osnovu svoje temperature.

Spektralno zračenje crnog tela je dato Plankovim zakonom:

11/17/2019 SKIS - 2018/19 97

• l – talasna dužina svetlosti• T – temperatura crnog tela (K)• F – spektralno zračenje• h, c, k - konstante

Planck-ov zakon

Zračenje crnog tela

Ukupna gustina snage crnog tela, određena integraljenjem spektralnog zračenja po svim talasnim dužinama je:

Značajan parametar je talasna dužina na kojoj je spektralno zračenje najveće:

11/17/2019 SKIS - 2018/19 98

• s – Stefan-Boltzman-ova konstanta• T – temperatura crnog tela

• lp – talasna dužina na kojoj je zračenje najjače

• T – temperatura crnog tela

Wien-ov zakon

11/17/2019 SKIS - 2018/19 99

Spektralno zračenje crnog tela11/17/2019 SKIS - 2018/19 100

Kako solarna ćelija radi?Struktura solarne ćelije

11/17/2019 SKIS - 2018/19 101

Kako solarna ćelija radi?Apsorpcija fotona generiše par elektron-šupljina

11/17/2019 SKIS - 2018/19 102

Kako solarna ćelija radi?p-n spoj sprečava rekombinaciju, polje na spoju razdvaja nosioce naelektrisanja

11/17/2019 SKIS - 2018/19 103

Kako solarna ćelija radi?Posle prolaska kroz opterećenje elektron se sreće sa šupljinom i kolo se zatvara

11/17/2019 SKIS - 2018/19 104

Kako solarna ćelija radi?Verovatnoća “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

11/17/2019 SKIS - 2018/19 105

Kako solarna ćelija radi?Generisana struja zavisi od generacije nosilaca i verovatnoće “prikupljanja” nosilaca naelektrisanja

11/17/2019 SKIS - 2018/19 106

• G(x) – brzina generacije

• CP(x) – verovatnoća prikupljanja nosilaca

• q – naelektrisanje elektrona

• W – debljina komponente

• a(l) – koeficijent apsorpcije• H0 – broj fotona na određenoj talasnoj dužini

Kako solarna ćelija radi?Kvantna efikasnost (Q.E.) prestavlja odnos prikupljenih naelektisanja i ukupnog broja fotona

11/17/2019 SKIS - 2018/19 107

Kako solarna ćelija radi?Spektralni odziv predstavlja odnos generisane struje i incidentne snage koja dolazi na SC

11/17/2019 SKIS - 2018/19 108

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika - neosvetljena SC ima istu karakteristiku kao dioda

11/17/2019 SKIS - 2018/19 109

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – kada se osvetli SC genriše snagu

11/17/2019 SKIS - 2018/19 110

Kako solarna ćelija radi?I-V karakteristika – veći intenzitet svetlosti daje veći pomeraj karakteristike

11/17/2019 SKIS - 2018/19 111

Kako solarna ćelija radi?Struja kratkog spoja - ISC

11/17/2019 SKIS - 2018/19 112

• q – naelektrisanje elektrona

• G – brzina generacije

• Ln – difuziona dužina elektrona

• Lp – difuziona dužina šupljina

Zavisi od:

• površine SC

• broja fotona

• spektra incidentne svetlosti

• optičkih osobina materijala

(apsorpcija i refleksija)

• verovatnoće prikupljanja nosilaca

Kako solarna ćelija radi?Napon kratkog spoja - VOC

11/17/2019 SKIS - 2018/19 113

Kako solarna ćelija radi?Fill factor – FF predstavlja najveći pravougaonik koji fituje IV karakteristiku

11/17/2019 SKIS - 2018/19 114

Empirijski izraz:

Kako solarna ćelija radi?Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

11/17/2019 SKIS - 2018/19 115

Problem 111/17/2019 SKIS - 2018/19 116

Rešenje 111/17/2019 SKIS - 2018/19 117