obnovljivi izvori energije -...

Obnovljivi izvori energije1/21/2020 SKIS - 2017/18. 1

ENERGIJA VETRA

ENERGIJA VODE

GEOTERMALNAENERGIJA

BIOENERGIJA

ENERGIJASUNCA

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

Doc. dr Sanja Aleksić, 327, sanja.aleksic@elfak.ni.ac.rs

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 3

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 4

1. Izvori energije.

Termin izvor energije u fizičkom smislu nemasmisla, jer se kosi sa osnovnim Zakonom o održanju energije

Pod izvorima energije se podrazumevaju onielementi koji mogu dati određenu korisnuenergiju tj. energiju koja će vršiti koristanrad

Dele se u dve osnovne grupe:

◦ Obnovljivi izvori energije◦ Neobnovljivi (konvencionalni) izvorienergije

Kada se govori o obnovljivim izvorimaenergije (često se koristi i termin ekološkičista energija)

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 5

2. Obnovljivi izvori energije.

Obnovljivi izvori energije su izvori energije koji se nalaze u prirodi i obnavljaju se:

Sunčeva energija Energija vetra Hidroenergija Termalna energija Energija plime i oseke Energija talasa Kapilarni sistemi Gorive ćelije Vodonik

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 6

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 7

3. Neobnovljivi izvori energije.

Neobnovljivi izvori energije po samoj svojoj definiciji imaju ograničenu količinu i samim tim nisu dugoročno održivi:

Nuklearna energija Ugalj Nafta Prirodni gas

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 8

4. Koje su tri osnovne tehnologije korišćenja (konverzije) solarne energije?

Postoje tri tehnologije korišćenja solarnog zračenja kao aktivnog izvora energije:◦ Solar photovoltaics (PV) – električna energija se

generiše direktnom konverzijom sunčevog zračenja◦ Concentrating solar power systems (CSP) – koristi

se koncentrisano solarno zračenje kao izvor visoke temperature, koji se dalje koristi za dobijanje električne energije.

◦ Solar heating and cooling (SHC) – za zagrevanje ili hlađenje vode ili prostorija koriste termičku energiju direktno od Sunca.

Ova tri načina iskorišćavanja solarnog zračenja nisu konkurentna. Naprotiv, oni se dopunjavaju i u zavisnosti od postojećih uslova i zahteva, bira se najpogodniji način za korišćenje solarnog zračenja.

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 9

5. Navedite osnovne PV tehnologije.

Crystalline silicon (c-Si) moduli predstavljaju 85-90% godišnje svetske proizvodnje. C-Si moduli su podeljeni u dve kategorije:◦ single crystalline (sc-Si) i ◦ multi-crystalline (mc-Si).

Thin films moduli trenutno predstavljaju 10% do 15% godišnje prodaje PV modula. Oni su podeljeni u tri kategorije:◦ amorphous (a-Si) i micromorph silicon (a-Si/µc-Si), ◦ Cadmium-Telluride (CdTe), i ◦ Copper-Indium-Diselenide (CIS) and Copper-Indium-Gallium-Diselenide

(CIGS).

Emerging technologies – obuhvataju napredne tanke filmove i organske ćelije.

Concentrator technologies (CPV) – koriste optičke koncentratorse sisteme koji fokusiraju solarno zračenje na male, visokoefikasne ćelije. CPV tehnologije su trenutno u fazi intenzivnog testiranja.

Novel PV concepts – cilj je dobijanje vrlo efikasnih solarnih ćelija korišćenjem naprednih materijala i foto-hemijskih procesa. Trenutno su predmet intenzivnih proučavanja.

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 10

6. Navedite bar tri različite vrste solarnih ćelija.

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 11

7. Skicirati na jednom grafiku efikasnost i cenu I, II i III generacije solarnih ćelija.

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 12

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 13

8. Kolika je maksimalna teorijska efikasnost Si solarnih ćelija? Objasniti zašto efikasnost ne može biti veća od te vrednosti.

1/21/2020 SKIS - 2017/18. 14

9. Koliko iznosi vrednost solarne konstante?

1/21/2020 SKIS - 2018/19 15

10. Koji su osnovni procesi prenošenja toplote u solarnom kolektoru?

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 16

10. Koji su osnovni procesi prenošenja toplote u solarnom kolektoru?

Radijacija◦ qsun – solarna iradijacija

◦ qemit – emitovana energija zračenja od panela

Konvekcija◦ qconv,air – toplotni gubici zbog vetra

◦ qconv,medium – prenos toplote ka medijumu

Kondukcija◦ qcond,panel – prenos toplote ka metalnim delovima panela

◦ qcond,insulator – toplotni gubici ka izolatoru panela

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 17

11. Princip korišćenja solarne energije za zagrevanje?

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 18

12. Koje su prednosti korišćenja solarnog zračenja za zagrevanje vode?

Dobijamo toplu vodu tokom cele godine –dogrevanje na neki drugi način je potrebno sam tokom zimskih meseci, i to ne uvek!

Značajno smanjenje računa za utrošenu električnu energiju.

Smanjenje emisije CO2.

Niska cena održavanja sistema.

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 19

13. Šta je solarni kolektor?

Predstavlja element solarnog sistema koji direktno pretvara sunčevu energiju u toplotnu energiju vode ili nekog drugog fluida koji se koristi u sistemu.

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 20

14. Vrste solarnih kolektora.

Ravni (flat-plate) kolektori

Kolektori sa vakuumskim cevima

Parabolični kolektori

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 21

15. Načini zagrevanja vode.1/21/2020 SKIS - 2018/19. 22

16. Vrste solarnih toplotnih sistema –prema načinu zagrevanja vode.

OTVORENI – voda koja se zagrejava prolazi direktno kroz kolektor koji se nalazi na krovu. Problem koji se ovde pojavljuje je mogućnost smrzavanja vode u toku zimskih meseci.

ZATVORENI – kroz kolektore prolazi tečnost koja se ne smrzava (glikol ili antifriz) i mogu se koristiti i kada je temperatura ispod nule.

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 23

17. Vrste solarnih toplotnih sistema –prema načinu cirkulacije vode.

Toplotni sistemi sa prirodnom cirkulacijom

Toplotni sistemi sa pumpom

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 24

18. Skicirati solarni sistemi za zagrevanje vode sa prirodnom cirkulacijom.

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 25

19. Skicirati solarni sistemi za zagrevanje vode sa pumpom.

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 26

20. Koja su ograničenja pri korišćenju solarne termalne energije?

Geografski aspekt◦ Solarno zračenje ima malu gustinu energije.

◦ Solarna energija je dostupna u kraktim vremenskim intervalima.

◦ Nestabilni vremenski uslovi.

Finansijski aspekt◦ Visoka cena u odnosu na tradicionalne izvore energije.

◦ Dostupnost mnogo ekonomičnijih tehnologija.

1/21/2020 SKIS - 2018/19. 27

21. Od čega sve zavisi 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.

1/21/2020 SKIS - 2018/19 28

22. Skicirati osnovne uglove koji definišu poziciju Sunca za datu lokaciju.

1/21/2020 SKIS - 2018/19 29

23. Koji su atmosferski efekti na solarno zračenje?

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.

1/21/2020 SKIS - 2018/19 30

24. Nacrtati spektar ekstraterestričnog solarnog zračenja i na njemu označiti viljdivi deo spektra i deo spektra koji može apsorbovati monokristalna Si solarna ćelija.

1/21/2020 SKIS - 2018/19 31

25. Šta je Air Mass faktor i kako se definiše?

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.

1/21/2020 SKIS - 2018/19 32

26. Koja su dva ugla najvažnija za orijentaciju PV modula?

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

1/21/2020 SKIS - 2018/19 33

27. Karakteristike svetlosti

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

Sunčeva svetlost je oblik elektromagnetnog (EM) zračenja.

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.

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).

1/21/2020 SKIS - 2018/19 34

28. Osnovne karakteristike svetlosti

Osnovne karakteristike EM zračenja su:

Brzina 𝒄 = 𝝂 ∙ 𝝀

Frekvencija

Talasna dužina

Spektar elektromagnetnog zračenja

1/21/2020 SKIS - 2018/19 35

29. Kako se definiše 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

1/21/2020 SKIS - 2018/19 36

30. Kako se definiše spektralno zračenje crnog tela

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:

1/21/2020 SKIS - 2018/19 37

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

Planck-ov zakon

31. Na kom principu se zasniva rad solarne ćelije?

Princip rada svih solarnih ćelija je u svojoj suštini isti i zasniva se na fotoelektričnom efektu.

1/21/2020 SKIS - 2011/12 38

32. Kako solarna ćelija radi?Struktura solarne ćelije

1/21/2020 SKIS - 2018/19 39

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

1/21/2020 SKIS - 2018/19 40

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

1/21/2020 SKIS - 2018/19 41

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

1/21/2020 SKIS - 2018/19 42

33. I/V karakteristika solarne ćelije.I-V karakteristika - neosvetljena SC ima istu karakteristiku kao dioda

1/21/2020 SKIS - 2018/19 43

34. I/V karakteristika solarne ćelije u zavisnosti od intenziteta.I-V karakteristika – kada se osvetli SC genriše strujuI-V karakteristika – veći intenzitet svetlosti daje veći pomeraj karakteristike

1/21/2020 SKIS - 2018/19 44

35. Označiti struju kratkog spoja na I/V karakteristici. Od čega ona zavisi?

1/21/2020 SKIS - 2018/19 45

• 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

36. Označiti napon otvorenog kola na I/V karakteristici. Kako se definiše?

1/21/2020 SKIS - 2018/19 46

37. Objasniti šta je fill faktor.Fill factor – FF predstavlja najveći pravougaonik koji fituje IV karakteristiku

1/21/2020 SKIS - 2018/19 47

Empirijski izraz:

Fill faktor1/21/2020 SKIS - 2011/12 48

38. Kako se definiše efikasnost solarne ćelije?Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

1/21/2020 SKIS - 2018/19 49

Efikasnost – h predstavlja najvažniju karakteristiku SC

1/21/2020 SKIS - 2013/14. 50

39. Kako se može povećati apsorpcija/generacija nosilaca?

Povećati broj fotona koji ulazi u strukturu solarne ćelije (AR slojevi, teksturizacija).

Optimizovati efektivnu debljinu apsorbera.

1/21/2020 SKIS - 2013/14. 51

40. Nacrtati na istom grafiku I-V karakteristiku i karakteristiku snage tipične solarne ćelije i označiti tačku maksimalne snage.

1/21/2020 SKIS - 2011/12 52

Standardtestcondition:

41. Nacrtati na istom grafiku I-V karakteristiku c-Si i a-Si solarne ćelije.

1/21/2020 SKIS - 2011/12 53

42. Gubici kod solarne ćelije.1/21/2020 SKIS - 2011/12 54

43. Ekvivalentno kolo solarne ćelije.

Ekvivalentno kolo idealne solarne ćelije I-V karakteristika

1/21/2020 SKIS - 2011/12 55

Solarna ćelija – ekvivalentno kolo

1/21/2020 SKIS - 2011/12 56

44. Uticaj RS na I/V karakteristiku

1/21/2020 SKIS - 2012/13 57

45. Uticaj RP na I/V karakteristiku

1/21/2020 SKIS - 2012/13 58

46. Uticaj RS i RP na I/V karakteristiku solarne ćelije

1/21/2020 SKIS - 2012/13 59

47. Uticaj temperature na električne karakteristike solarne ćelije.

1/21/2020 SKIS - 2011/12 60

48. Koja je uloga bypass diode?

Bypass dioda◦ Preterano zagrevanje

dovodi do trajnog uništenja solarne ćelije

◦ Ćelija pod senkom se ponaša kao potrošač

◦ Struja koja protiče kroz nju se konvertuje u toplotu

◦ Izbegava se efekat vrućih tačaka

◦ Optimalno jedna dioda na jednu ćeliju, u praksi 15-20 ćelija na diodu.

1/21/2020 SKIS - 2011/12 61

Moduli (paneli)1/21/2020 SKIS - 2011/12 62

49. Koje su prednosti korišćenja energije vetra?

PREDNOSTI◦ Vetroturbine su pogodne za dobijanje električne energije u ruralnim, izolovanim područjima.

◦ Cena dobijene električne energije je uporediva sa cenom električne energije koja se dobija konvencionalnim metodama gde se za dobijanje energije uglavnom koriste fosilna goriva (ugalj, nafta, gas).

◦ Visoka pouzdanost rada postrojenja.◦ Nema troškova za gorivo.◦ Nema zagađenja okoline.

1/21/2020 OIE - 2018/19 63

50. Koji su nedostaci korišćenja energije vetra?

NEDOSTACI - MANE

◦Buka

◦Problem malih i velikih brzina vetra

◦Ometanje radio i TV signala

◦Vizuelni efekti

◦Cena

1/21/2020 OIE - 2018/19 64

51. Šta utiče na porast korišćenja energije vetra?

Zahtevi za čistom energijom

Smanjenje cene električne energije koja se dobija iz energije vetra.

1/21/2020 OIE - 2018/19 65

52. Poreklo vetra.

Vetar je pojava koja nastaje kao posledica veoma kompleksnih mehanizama koji uključuju:

rotaciju Zemlje oko Sunca,

toplotnu energiju od Sunca,

efekat hlađenja izazvan velikim vodenim površinama i polarnim ledenim kapama,

temperaturnim gradijentima koji se formiraju između kopna i vode, itd.

1/21/2020 OIE - 2018/19 66

53. Od čega zavisi snaga vetra?

Snaga vetra zavisi od:

Količine vazduha (zapremina)

Brzine vazduha (brzina)

Mase vazduha (gustina)

1/21/2020 OIE - 2018/19 67

54. Energija vetra.

Energija vetra je bazirana na kretanju vazduha, tj. kinetičkoj energiji vazdušne mase koja se kreće na visini do 150m od površine tla, što predstavlja trenutno najveću visinu vetrenjača.

Energija koja se pri tome dobija zavisi od:◦ Brzine vetra◦ Mase vazduha (preciznije od gustine vazdušnog fluida)

◦ Na gustinu utiču temperatura i pritisak vazduha, kao i visina.

1/21/2020 OIE - 2018/19 68

55. Osnovne komponente vetroturbine.

LopaticeRotor-centar

KulaOsnova

1/21/2020 OIE - 2018/19 69

56. Vrste vetroturbina.

Horizontalna osa – HAWT◦ 1, 2, 3 lopatice: veća efikasnost◦ Dobar odnos brzine i obrtnog

momenta

Vertikalna osa – VAWT◦ Darrieus – lift force◦ Savonius – drag force

1/21/2020 OIE - 2018/19 70

57. Šta je potrebno da se izračuna energija vetroturbine?

Karakteristike vetra –funkcija gusine verovatnoće

Kriva snage

Faktor kapaciteta

1/21/2020 OIE - 2018/19 71

58. Određivanje snage vetroturbineKonkretan slučaj

Brzina vetra:

𝑣 = 12m/s

Gustina vazduha:

𝜌 = 1.23kg/m3

Dužina elise:

𝑙 = 52m

Koeficijent snage:

𝐶𝑃 = 0.4

1/21/2020 OIE - 2018/19 72

58. Određivanje snage vetroturbineKonkretan slučaj

𝑙 = 𝑟 = 52m/s

𝐴 = 𝜋 ∙ 𝑟2 = 8495m2

𝜌 = 1.23kg/m3

𝑣 = 12m/s

𝐶𝑃 = 0.4

𝑃 =1

2𝜌𝐴𝑣3 ∙ 𝐶𝑃

𝑃 = 3.6MW

1/21/2020 OIE - 2018/19 73