Solarni paneli su prošli dug razvojni put kako bi postali tehnologija koja bi u budućnosti trebalo da napaja već prenaseljenu planetu
Tekst: Boris Klobučar
U malom gradu u Holandiji osvanula je tehnologija iz futurističkih filmova. Svet je dobio svoj prvu stazu koja proizvodi električnu energiju. Biciklistička staza u gradiću Kromeni nadomak Amsterdama dugačka 70 metara napravljena je od solarnih ploča i tokom šest meseci test perioda proizvela je preko tri hiljade kilovata električne energije. Srazmere radi, ova količina je dovoljna da napaja prosečno holandsko domaćinstvo energijom tokom čitave godine.
Danas su solarne ćelije postale stvar svakodnevnice. One energiju elektromagnetnog zračenja sa Sunca, svetlost, pretvaraju u električnu. Tehnologija koju u ovom trenutki čovečanstvo poseduje u svemiru bila bi gotovo nezamisliva bez ovih izvora struje. Kao mlađi, bili smo impresionirani kalkulatorima koji se ugase kada im prstom prekrijemo crna polja iznad ekrana, ne razmišljajuči da tako u stvari zatvaramo dovod zračenja na solarnu bateriju. Solarne ploče napajaju (makar u razvijenijim zemljama u svetu) uličnu rasvetu, semafore, a solarne farme sve su češći prizor pored auto-puteva kroz Slovačku, Mađarsku, SAD, Francusku…
Kako energiju Sunca pretvoriti u električnu?
U osnovi solarnih ploča nalaze se foto-naponske ćelije. Ove komponente služe da energiju elektromagnetnog zračenja pretvore u električni napon,. Ove foto-ćelije, kako ih često zovemo, su u suštini poluprovodničke komponente u čijoj su osnovi najčešće silicijum ili germanijum, dopirane, odnosno obogaćene drugim elementima kako bi se u kristalnoj rešetci materijala dobili elektroni (ili šupljine, odnosno prazna mesta u ljusci atoma) viška. Ovakvi materijali prave takozvani p-n spoj, koji je osnova poluprovodničkih komponenti poput diode, tranzistora i da, solarnih ćelija.
Kada p-n spoj dobije energiju spolja, u ovom slučaju u vidu zračenja sa Sunca, elektroni u p-n spoju se pobude, ”izlaze” iz atoma i kreću se kroz kristalnu rešetku, te dolaze do elektroda, koje se nalaze na krajevima komponente. Energija zračenja, odnosno fotona koji dolaze na foto-ćeliju mora biti veća od takozvanog energetskog procepa poluprovodnika, koji zavisi od materijala koji se koristi. Ovako se dobija razlika potencijala na elektrodama, odnosno napon. Istoimena naelektrisanja se skupljaju na istim stranama, pa ukoliko su elektrode povezane – teče struja. Jednostavno govoreći, kada foton padne na poluprovodnik, elektroni se u njemu pobude i dobijamo napon.
Zvuči sjajno, zar ne? Pa zašto onda ne koristimo više ovaj čisti, obnovljivi izvor električne energije, koji nam je ”ispred nosa”? Nije sve baš tako jednostavno. Jedan od glavnih problema jeste efikasnost solarnih ćelija. Najosnovnije – fotoćelija može da prikupi samo određenu količinu ukupnog zračenja koje na nju padne, a i sva ta energija se u potpunosti ne pretvori u električnu, već se delom izgubi. Deo energije, na primer, troši se na zagrevanje. Danas prosečne fotoćelije iskoriste tek između 10 i 25 odsto ukupne energije koju prikupe. Ovo nije dovoljno efikasno da bi solarna tehnologija u potpunosti zamenila termoelektrane, automobile na fosilna goriva i ostale ”prljave” izvore električne energije.
Istorija solarne energije
Nije jednostavno zabosti čiodu u kalendar koja bi predstavljala početak priče o solarnoj energiji. Jedna od velikih godina je 1905. kada je Albert Ajnštajn objasnio fotoelektrični efekat, u čijoj je osnovi interakcija elektrona i fotona, odnosno svetlosti. Međutim, ovaj princip je još 1888. koristio ruski naučnik Aleksandar Stoletov, kada je napravio eksperiment koji je u mnogome prototip današnje foto-ćelije. Čak i pet godina pre toga, još jedan naučnik, Čarls Frits, eksperimentisao je sa silicijumom koji je prekriven zlatnim česticama i koji je jedva oko 1 odsto zračenja pretvarao u naelektrisanje.
Modernu solarnu ćeliju patentirao je Rasel Ohl, američki pronalazač, 1946. godine. On je do patenta došao pokušavajući da unapredi konstrukciju tadašnjih tranzistora. Osam godina kasnije, Bel Laboratorije u SAD konstruisale su i plasirale komercijalne solarne ćelije.
Razvoj solarne tehnologije do sada je bio prilično brdovit. Kada su se pojavile, ćelije su bile vrlo neefikasne i velike. Cena vata električne energije dobijene na ovaj način bila je nekoliko stotina dolara. Ovu cenu prosečno domaćinstvo nije moglo da plati.
Koncept iskorišćavanja solarne energije je ipak bio previše dobar da bi se odbacio. Tehnologiju je ”preuzela” svemirska industrija, sa idejom je da van Zemljine atmosfere zračenje mnogo intenzivnije, pa se više energije može prikupiti na pločama. Velike svemirske agencije imale su novca da plate visoku cenu solarnih ćelija, čije su karakteristike svake godine bivale sve bolje, ali je isto tako i cena postajala sve veća. Činilo se da je tehnologija solarnih ćelija namenjena samo bogatim industrijama da će tako i ostati.
Začarani krug prekinula je kompanija Ekson, krajem šezdesetih godina prošlog veka. Eliot Berman, jedan od istraživača i konstruktora u ovoj firmi, dobio je zadatak da proračuna i osmisli koncept solarne ćelije čija bi cena bila ispod 20 dolara po vatu – sasvim prihvatljivo za široku upotrebu.
Berman je ovaj zadatak shvatio veoma ozbiljno, počevši uštede od samog procesa proizvodnje solarnih ploča. Umesto da se poluprovodne ploče seku, poliraju pa zatim prevlače antirefleksivnim slojem, on je primetio da samo grubo sečenje ploča već ostavlja površinu antirefleksivnom. Ispostavilo se da ovakvi poluprovodnici više nego dobro rade, čime su dva veoma skupa procesa u proizvodnji – poliranje i zaštita sloja, potpuno elimisana. Tehnologija štampanih elektronskih pločica omogućila je gušće pakovanje ćelija sa manje žica i materijala za povezivanje. Rezultat Bermanovih ušteda – prizvodnja ćelija za 10 dolara po vatu.
Danas, napretkom tehnologije integrisanih elektronskih komponenti, poluprovodničkih materijala i proizvodnje cena solarnih ploča pala je na ispod jednog dolara po vatu u proizvodnji. Solarni paneli su od tehnologije budućnosti prošle preko stigme elitističke tehnologije svemirskog programa, napajanja za igračke i svetiljke, ponovo do tehnologije koja bi u budućnosti trebalo da napaja ovu već prenaseljenu planetu.
Projekat Desertec
Jedan od najvećih projekata za korišćenje obnovljivih izvora energije (ponajviše solarne) bio je takzvani projekat Desertec koji je predložila grupa organizacija iz čitave Evrope, kao i delova Afrike i Azije. Njihov plan – mreža obnovljivih izvora energije kroz čitavu Evropu, Severnu Afriku i Istočnu Aziju sa centrima solarnih farmi u Sahari i Vetrenjača na severu Evrope. Ovakva mreža, naišla je na inicijalno odobravanje zemalja u Evropi. Međutim projekat je zvanično prekinut 2014. godine. Razlozi su uglavnom politički, od bojazni od terorističkih napada na centre izvora energije, preko nestabilnosti u državama Severne Afrike, pa do straha od prevelike političke moći država sa ovim izvorima.