Svi smo pročitali da su „Junonini“ solarni paneli „majstori“ za konvertovanje solarne energije u struju. Ako su tako dobri na 800 miliona kilometara, kakvi li bi bili tek ovde na Zemlji? Ipak, znamo da ih ni (naj)bogati Amerikanci ne koriste na svojim rančevima. Zašto?
Pišući nedavno u više navrata o Nasinoj sondi „Junona“ (engl. „Juno“), susretao sam se sa mnogim naučnim ali i tehničkim zanimljivostima. Naučna su OK ali nekako je normalno da me više interesuju tehnička čuda i njihova genijalna rešenja.
Ono što već na prvi pogled skreće pažnju kada ugledate ovu sondu to je njena veličina. Zapravo, ne veličina same sonde – koja nije mala: recimo, 3,5×3,5 metara – već njenih solarnih panela! Evo slike koja govori „više od 1000 reči“:
Ono što privlači pažnju to je informacija da je ova misija rekorder po mnogo čemu. Jedna od favoritnih je da se radi o sondi koja na najvećoj udaljenosti do sada od Sunca koristi solarnu energiju za dobijanje vitalne električne energije. Razlozi za to su brojni, ali jedan je da su konstruktori iz „Lockheed Martina“ želeli da naprave što bolju sondu a da ne iskoče iz limitiranog budžetskog okvira programa „New Frontiers“, a drugi da NASA za radioizotopski generator jednostavno nije imala dovoljno plutonijuma!
Razloga za brigu je bilo na pretek. Trebalo je konstruisati panele koji će biti dovoljno veliki da na preko 5 astronomskih jedinica daju dovoljno struje za rad sonde, konstruisati nešto što će biti dovoljno lako da svojom težinom ne poskupljuje misiju a opet dovoljno robusno da se izbori sa užasnim elektromagnetnim zračenjem Jupitera. Uz to, sve to je trebalo spakovati da može da se smesti u ograničeni prostor vrha rakete-nosača. Ispuniti sve zahteve značilo je napraviti nešto što do sada nije niko.
Ali inženjeri su odneli pobedu! 13. januara 2016. godine, kada se „Junona“ nalazila na 793 miliona kilometara od Sunca, oboren je rekord – sonda je postala najudaljenija letilica koja uspešno koristi solarnu energiju. Prethodni rekord je držala evropska sonda „Rosetta“ koja je 2012. ušla u orbitu oko komete 67P/Čurjumov-Gerasimenko.
Pre „Junone“, osam letilica je navigavalo hladnim i mračnim kosmosom toliko udaljenih od Sunca koliko i Jupiter. Sve one su za obavljanje svog posla koristile nuklearni pogon. Solarno napajanje na „Junoni“ je postalo moguće zahvaljujući pojačanim performansama modernih solarnih ćelija, instrumentima i samom brodu koji su energetski skromni konzumenti, dizajnu misije smišljenom da izbegava Jupiterovu senku, i polarnuojorbiiu koja će znatno umanjiti ukupno zračenje. Najveća udaljenost „Junone“ tokom planirane misije biće 832 mil. km, što će za 5% poboljšati dosadašnji rekord za letilice na solarni pogon.
Nasina sonda ima 3 pravougaona tročlana[1] panela širine 2,7 metara i dužine 8,9 metara. Na Zemlji, količina solarne energije koja pada na panele može da se konvertuje u 168 vati električne struje po kvadratu. Na Jupiteru, koji je 5,2 puta dalji od Sunca od Zemlje, količina solarne energije koja pada na panele je 27 puta manja. Prostim računom dobijamo da je ukupna površina sva tri panela 72 m2, a da na Jupiteru oni daju oko 480 W struje, što je jednako jačini 4 sobne sijalice. Vremenom, usled degradirajućeg faktora izazvanog zračenjem, jačina struje će pasti za ~15% (420 W).
„Junonini“ solarni paneli izgledaju savršeni! Ali ako su tako dobri i efikasni, zašto ih ne bi mi instalirali u našima gradovima, ili makar na našim kućama, i dobijali jaku i jeftinu struju?
Pitanje je zanimljivo a zanimljiv je i odgovor. U zavisnosti koji aspekt razmatramo, njih ima nekoliko.
Recimo, stvar možemo da posmatramo na sledeći način. Kada bi želeli da napravimo sopstveni energetski sistem ne bi nas toliko interesovala njegova efikasnost (odnos unešene i proizvedene energije), već cena po jedinici proizvedene energije.
Kada su sonde i sateliti u pitanju, ima smisla koristiti skupe i visokoefikasne panele jer troškovi proizvodnje energije učestvuju u ceni lansiranja. Noseći panele veće površine to podrazumeva veću težinu, a to povlači veću cenu lansiranja.
S druge strane, sisteme na Zemlji ne moramo da šaljeno u kosmos, već samo da ih instaliramo.
Recimo, ako napravimo i instaliramo panele površine 100 kvadratnih metara, sa efikasnošću od 5% i sa insolacijom od 1 kW/m2, dobićemo 5 kW struje. Ako instaliranje sistema košta recimo \(5000, znači da će cena vata iznositi samo 1\). Paneli sa efikasnošću od 5% su užasno jeftini[2].
Pogledajmo sada situaciju sa panelima efikasnosti 15% i koja koštaju 4 puta više. Ista površina, ista insolacija. To znači \(20.000 za instaliranje, a dobijamo 15 kW struje. Izlazi da bi takav vat koštao \)1,33.
Koji bi ti pre montirao?
Problem može da se gleda i ovako.
Jupiterova sonda poseduje fantastičnu tehnologiju, ali mi obični smrtnici moramo da mislimo da mnoge faktore, kao što su veličina, težina, efikasnost i cena. Paneli na „Junoni“ su veliki jer je aparat 5 puta dalji od Sunca od nas. Oni su i vrlo teški i jaki jer moraju da spinuju i izdrže naprezanja. Na Zemlji, težina znači samo nevolju jer panele treba popeti na krov zgrade/kuće. Treća je efikasnost. Tipična efikasnost naših solarnih panela je vrlo niska, tu negde oko 15%. To je moguće poboljšati ali uz dramatično povećanje troškova. Sigurno je isplativije uzeti jeftinije komponente i napraviti manje efikasne kolektore ali veće površine. Veliku stvar čini i način konstrukcije i konfiguracije panela. Mnogi paneli prestaju u potpunosti da rade čak ako im i mali deo padne u senku. To je jedno od ograničenja na krovovima mnogih privatnih potrošača.
Prema američkim studijama o solarnim izvorima od pre nekoliko godina, u optimalnim uslovima se dobija oko 1000 vati struje po kvadratnom metru. Prosečno američko domaćinstvo troši oko 3000 kWh mesečno (100 kWh dnevno zimi). Ako uzmemo da je površina krova 100 m2, onda zimi po sunčanom danu krov biva osvetljen oko 6 sati. Energija koja se generiše tokom tih 6 sati iznosi 300 vati po kvadratu × 100 kvadratnih metara × 6 sati = 180 kWh (dnevno), što je i više nego što je potrebno. Ali i efikasnost panela igra važnu ulogu. tipičan solarni panel ima efikasnost svega 10%. Rezultati su sledeći:
- 5% efikasnosti daje 9 kWh dnevno,
- 10% efikasnosti daje 18 kWh dnevno,
- 20% efikasnosti daje 36 kWh dnevno.
U najboljem slučaju, to predstavlja 1/3 prosečne dnevne potrošnje energije zimi, i to pod pretpostavkom da Sunce greje krov 6 sati dnevno. Uz pažljivu štednju potrošnje, izolaciju i južnu orijentaciju prozora, možda bi mogli da smanjimo dnevnu potrošnju na polovinu. U tom slučaju, ako bi solarni paneli postali čak 20% efikasniji, stvarali bi 50-75% energije koja nam je potrebna, ali bi ona bila neuporedivo skuplja.
Manju efikasnost je moguće kompenzovati većom kolektorskom površinom. Ako kuća prima 600 W po m2 solarnog zračenja u julu, a solarni paneli imaju 10% efikasnosti i osvetljeni su 8 sati, a nama treba 5000 kWh struje, onda svaki kvadratni metar daje 600 × 0,1 = 60 W, a za 8 sati 8 × 60 = 480 vat-časova, odnosno oko 0,5 kWh po m2. Pošto nama treba 5000 kWh, znači da nam treba 5000/0,5 = 10.000 m2 kolektorske površine. To je ogromna površina i teško ostvariva za najveći broj domaćinstava.
Cena koštanja jednog vata je odlučujući faktor, i glavni razlog zbog koga „Junonini“ galijumski paneli ne mogu da se koriste ovde na Zemlji. U Americi, obični prosečni solarni paneli daju vat po ceni od oko 35 centi, ali kada tome dodamo kablove, električne invertore, amortizaciju i slično, cena raste desetak puta – na oko \(3-5/W. To je još uvek daleko iznad ostalih izvora energije, koji su značajno jeftiniji. Velike turbine na vetar, naprimer, stvaraju struju za oko \)2/W (\(2000/kW). Voda stvara struju za oko \)1/W (\(1000/kW), a zemni gas još jeftinije, i uz to može da je proizvodi u kontinuitetu, dok odgovarajuća američka udruženja tvrde da je solarna energija dostupna samo tokom 18% u 24-časovnom danu.
[1] To bi značilo da ima 3×4 pojedinačna panela, tj. ukupno 12. U stvarnosti ima ih 11, jer je jedno „krilo“ umanjeno da bi bio dodat magnetometar dužine 3,6 metara.
[2] Prema podacima sa Wikipedije, 2015. prosečna krovna instalacija solarnih panela u SAD je iznosila oko \)3,50 po vatu.
