Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej
Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem
energii
promieniowania słonecznego
zaliczanej do
odnawialnych źródeł energii
.
Promieniowanie słoneczne
Do
Ziemi
dociera
promieniowanie
słoneczne zbliżone
widmowo
do promieniowania
ciała doskonale czarnego
o
temperaturze
ok. 5700
K
. Przed wejściem do atmosfery moc promieniowania jest równa 1367 W/m² powierzchni prostopadłej do promieniowania słonecznego. Część tej energii jest odbijana i pochłaniana przez atmosferę, do powierzchni Ziemi w słoneczny dzień dociera około 1000 W/m².
Ilość energii słonecznej docierającej do danego miejsca zależy od szerokości geograficznej oraz od czynników pogodowych. Średnie roczne nasłonecznienie obszaru
Polski
wynosi ~3500
MJ
*m-2*rok-1 (~1100 kWh*m-2*rok-1) na poziomą powierzchnię, co odpowiada
wartości opałowej
120 kg
paliwa umownego
[1].
Metody konwersji promieniowania słonecznego
Konwersja fotowoltaiczna
Ogniwo fotowoltaiczne
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do zasilania budynku
Elektrownia słoneczna w bazie lotniczej w Nellis USA
Zasilanie akumulatora jachtu za pomocą ogniwa fotowoltaicznego
Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na
energię elektryczną
, poprzez wykorzystanie
półprzewodnikowego
złącza typu p-n
, w którym pod wpływem
fotonów
, o energii większej niż szerokość
przerwy energetycznej
półprzewodnika,
elektrony
przemieszczają się do obszaru n, a dziury (
nośniki ładunku
) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli
napięcia elektrycznego
.
Po raz pierwszy
efekt fotowoltaiczny
zaobserwował
A.C. Becquerel
w
1839
r. w obwodzie oświetlonych
elektrod
umieszczonych w
elektrolicie
, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych
Obecnie całkowity koszt wytworzenia określonej ilości energii elektrycznej przy użyciu fotoogniw (uwzględniający ich cenę, i szacowany okres pracy) jest o rząd wielkości wyższy, niż w przypadku energii jądrowej[2]. Mimo to, stosowanie fotoogniw staje się opłacalne w miejscach trudno dostępnych, o ile zapotrzebowanie na moc elektryczną jest niewielkie (pojedynczy dom), zaś odległość od najbliższej linii energetycznej jest większa niż kilka
km
lub też budowa nowej linii jest utrudniona z powodu ukształtowania terenu.
Zaletą fotoogniw, istotnie wpływającą na obszar ich zastosowań, jest w przybliżeniu liniowa proporcjonalność mocy ogniwa do jego ceny[3]. Dzięki temu, ogniwa słoneczne mogą być tanim źródłem energii dla przenośnych urządzeń małej mocy:
kalkulatorów
, zegarków i lamp (wyposażonych w
akumulatory
magazynujące energię zgromadzoną w ciągu dnia). Są również niezastąpione w
przestrzeni kosmicznej
, gdyż każdy inny sposób wytwarzania energii wymagałby transportu paliw, zaś energia słoneczna jest stale dostępna.
W niektórych miejscach na świecie, ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są do zasilania automatów telefonicznych (o ile nie są do nich doprowadzone przewody) oraz aktywowanych ruchem kamer (na przykład monitorujących zwierzęta) lub urządzeń pomiarowych (na przykład w meteorologii). O możliwości zasilania z niewielkich fotoogniw decyduje w tych przypadkach krótki czas zapotrzebowania na energię (w trakcie rozmowy telefonicznej, przeprowadzania pomiaru lub nawiązania łączności) w porównaniu z długimi okresami czuwania, w których pobór energii jest znikomy.
W
karawaningu
, umieszczenie panelu fotoogniw na dachu
wozu kempingowego
pozwala na doładowywanie akumulatora pomimo korzystania z zasilanych z niego odbiorników energii, takich, jak radioodbiorniki lub telewizory przenośne. W podobny sposób stosuje się fotoogniwa w
żeglarstwie
, gdzie akumulator jest niezbędny do zasilania urządzeń
nawigacyjnych
i
radiokomunikacyjnych
(zwłaszcza na
jachtach pełnomorskich
).
Wzrost sprawności i spadek ceny fotoogniw może pozwolić na ich zastosowanie w transporcie lądowym (wiele eksperymentalnych konstrukcji samochodów słonecznych różnych firm) a nawet lotniczym. W
1981
r. słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem
La Manche
, wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny.
Ogniwa polimerowe
W przyszłości mają być dużo tańsze od ogniw krzemowych, a ich produkcja ma być mniej skomplikowana. Prace nad tą metodą produkcji paneli słonecznych prowadził m.in. New Jersey Institute of Technology. Ogniwa te składają się z nanorurek, pokrywa się je następnie warstwą zabezpieczającą.
Konwersja fototermiczna
Kolektory słoneczne do ogrzewania wody w Grecji
Schemat słonecznej instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej
A -Kolektor słoneczny,
B- pompa,
C- grzejnik pomocniczy,
D- ciepła woda użytkowa,
E – woda powrotna.
Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na
energię cieplną
. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii[4].
Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do
pasywnego ogrzewania
budynków
. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest
ściana Trombe'a
. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym, a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest
komin słoneczny
. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody[5] oraz przy suszeniu
płodów rolnych
.
Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m²
kolektorów słonecznych
) jak i duże instalacje (o powierzchni
kolektorów słonecznych
powyżej 500 m²) (
ciepłownie
) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.
Metody będące w trakcie badań
Konwersja fotochemiczna
Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę
fotosyntezy
. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne
dysocjujące
wodę
pod wpływem światła słonecznego.
Termoliza wody
W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi
efuzja
możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie
wirówek
. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń ich szybkie zużywanie i małą sprawność.
Elektrownie słoneczne
Elektrownie słoneczne (helioelektrownie) mogą opierać się na różnych, wyżej opisanych procesach konwersji energii. Można tego dokonać:
- bezpośrednio w ogniwie fotowoltaicznym,
- pośrednio przetwarzając promieniowanie słoneczne na
ciepło
, a ciepło na
energię elektryczną
,
- CRS (
ang.
Central Receiver System) polega na odbiciu promieni słonecznych z dużego obszaru i skierowaniu ich w jeden centralnie umieszczony punkt, gdzie można osiągnąć bardzo wysoką
temperaturę
. Na tej samej zasadzie działają
piece słoneczne
,
- DSS (
ang.
Distributed Solar System) tu promienie są kierowane (najczęściej za pomocą
kolektorów parabolicznych
) na rurę, w której płynie czynnik (najczęściej olej o małej
lepkości
i dużej
pojemności cieplnej
). Czynnik przepływając przez wiele kolektorów osiąga dość wysoką, choć dużo niższą (poniżej 400 °C) niż w systemach CRS, temperaturę,
-
Wieża słoneczna
to bardzo wysoki
komin słoneczny
, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny
wiatrowej
połączonej z
generatorem
. W trakcie realizacji (
2005
r.) jest projekt, w którym wysokość wieży wyniesie 1000 m.
Zobacz też
Przypisy