Energia słoneczna

Na świecie stale ma miejsce rosnące zapotrzebowanie na energię. Jeśli w roku 1986 światowe zużycie energii wynosiło 11,2 TW lat, to prognoza na rok 2030 uwzględniając przewidywane zużycie w roku 2000 wynoszące ok. 15 TW lat, będzie wynosić prawdopodobnie 29,0 TW lat.

Dalsza produkcja energii, która jest w znacznym stopniu oparta na wyczerpywanych i nieodnawialnych zasobach przyrody, takich jak: węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, prowadzi do katastrofalnych skutków ekologicznych, a ponadto zasobom tym grozi w przyszłości całkowite wyczerpanie.

Szansę sprostania zapotrzebowaniu na znaczne ilości dodatkowej energii upatruje się coraz bardziej w energii słonecznej, która dociera do Ziemi w olbrzymiej ilości w postaci tzw. „czystej energii”. Energia ta należy do niewyczerpywalnych źródeł energii.

Słońce będące gigantycznym tyglem w którym zachodzi reakcja termojądrowa jest źródłem wypromieniowania energii promienistej.
Reakcja ta polega m. innymi na syntezie 4 jąder wodoru w warunkach olbrzymiej temperatury wynoszącej 10-20 . 106 K, tj.

4 H  He + 2v + 4,27 . 10 12 J

W wyniku tej reakcji oprócz jądra helu i 2 neutrin, wypromieniowana zostaje energia w ilości 4,27 . 1012 J docierająca także do Ziemi.
W rezultacie tego procesu masa Słońca maleje zgodnie z wzorem E = m . c 2 w tempie 4.200.000 ton/sek, a jego życie ocenia się jeszcze na kilka mld lat.
Do Ziemi dociera jedynie ok. 1/1.000.000.000 część strumienia energii wypromieniowanej przez Słońce, tj. 1,73.1014 kW, a jednak stanowi to ok. 15.000 razy więcej niż wynosi obecnie światowe zużycie energii.

Natężenie promieniowania słonecznego na granicy atmosfery w zenicie wynosi 1.380 W/m2.

Do powierzchni Ziemi dociera średnio ok. 24% tego promieniowania i zależy ono od szeregu czynników, takich jak:
- kąta padania promieni słonecznych,
- odległości Ziemi od Słońca,
- stopnia zapylenia atmosfery,
- zachmurzenia nieba,
- zawartości pary wodnej w atmosferze,
- stopnia zaabsorbowania energii słonecznej przez ozon w górnych warstwach atmosfery,
- rozproszenia i zaabsorbowania na składnikach atmosfery.

Dla Polski, która leży w strefie klimatu umiarkowanego podobnie jak Niemcy i Francja, gęstość strumienia energii wynosi 930 - 1.163 kWh/m2rok. Średnia ilość godzin rocznego nasłonecznienia dla naszego kraju wynosi ok. 1.600 h.

Energia słoneczna może być wykorzystana w różnoraki sposób.

Najbardziej naturalnym sposobem wykorzystania energii słonecznej jest spalanie biomasy powstającej w procesie fotosyntezy, która przebiega właśnie pod działaniem promieniowania słonecznego.

Do surowców energetycznych wykorzystujących ten sposób należą:
- słoma i drewno z których uzyskuje się energię cieplną w procesie spalania,
- olej rzepakowy i buraki cukrowe z których można otrzymać paliwo do zasilania silników nisko- i wysokoprężnych,
- odchody zwierząt stanowiące źródło biogazu o znacznej kaloryczności, który powstaje w procesie beztlenowej fermentacji i wykorzystywany jest głównie do celów grzewczych.

Powyższe źródła energii mają tę zaletę, że dwutlenek węgla dostający się do atmosfery w procesie ich spalania pobierany jest wcześniej przez rośliny w okresie ich wzrostu oraz to, że surowce te należą do odnawialnych zasobów przyrody.

Wadą tego systemu jest to, że sprawność całego procesu wynosi zaledwie ok. 0,2%. Na każdym bowiem etapie tego procesu część energii jest bezpowrotnie tracona.
Kolejnym sposobem zastosowania energii słonecznej jest wykorzystanie jej w kolektorach słonecznych, które mogą być skupiające lub płaskie.

W kolektorach skupiających, po odbiciu promieniowania słonecznego przez układ luster, następuje jego przetworzenie na energię cieplną, która może być też wykorzystana do produkcji energii elektrycznej.

Przykładem rekordowego wykorzystania Słońca do produkcji energii elektrycznej są kolektory słoneczne znajdujące się na pustyni Mojave w stanie Kalifornia USA, które dostarczają 90% światowego wykorzystania w tym celu energii promieniowania słonecznego.

Maksymalne wykorzystanie energii słonecznej zapewniają tzw. heliostaty, tj. urządzenia, które umożliwiają obrót kolektorów skupiających odpowiednio do kąta padania na nie promieni słonecznych w miarę pozornego ruchu Słońca na nieboskłonie.

W kolektorach skupiających można osiągnąć temperatury dochodzącej nawet do 4.000 K.

W kolektorach płaskich wykorzystuje się zjawisko absorpcji promieniowania słonecznego w tzw. absorberze. Absorber przekazuje pochłonięte ciepło ogrzewanej powierzchni przepływającemu przez niego powietrzu lub wodzie. System ten najczęściej wykorzystuje się w rolnictwie do suszenia siana, ziarna, a także do podgrzewania wody do celów gospodarczych.

Coraz częściej ma on zastosowanie głównie w domkach jednorodzinnych, gdzie prawidłowo dobrana instalacja słoneczna zapewniająca 95% absorbcji promieniowania słonecznego może zaspokoić 50-60% zapotrzebowania na energię cieplną. Przyjmuje się, że przy dziennym zapotrzebowaniu 50 l ciepłej wody na osobę powierzchnia kolektora powinna wynosić 1-1,5 m2. Jeżeli instalacja ta będzie wykorzystana także do ogrzewania pomieszczeń, to należy doliczyć 1m2 kolektora na każde 10 m2 ogrzewanej powierzchni.

Kolejną metodą wykorzystania promieniowania słonecznego o najwyższym poziomie technicznym są ogniwa słoneczne. Są one bezpośrednim przetwornikiem energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

Ogniwa słoneczne wykorzystują zjawisko fotoelektryczne, którego odkrywcą był niemiecki fizyk Heinrich Hertz w roku 1887. Stwierdził on, że pewne substancje po wpływem promieniowania słonecznego emitują elektrony.

Najpopularniejsze ogniwa słoneczne wykonuje się z półprzewodników na bazie krzemu. Charakteryzujące się one dużą niezawodnością i długą żywotnością.
Praktyczne zastosowanie fotoogniw od początku związane było z kosmonautyką. Np. satelita Skylab posiadał 147.840 ogniw krzemowych o wymiarach 2x4 cm i osiągał moc 11,5 kW, a dla stacji Alfa planuje się baterie o mocy 75 – 100 kW.

O rozwoju zastosowania ogniw słonecznych świadczy opracowany przez NASA samolot Helios, który ma latać na wysokości 30.000 km. Napędzany jest 12 silnikami śmigłowymi zasilanymi energią elektryczną pozyskaną z ogniw słonecznych.

Samolot ten ma zastąpić kosztowne satelity telekomunikacyjne i umożliwić transmisję sygnałów telewizji cyfrowej. Może posłużyć także do obserwacji obszarów leśnych, monitorowania łowisk, śledzenia huraganów, tornad i wybuchów wulkanów.

Jakkolwiek ogniwa słoneczne charakteryzują się małą sprawnością wynoszącą ok. 12% i dużym ogólnym kosztem wytwarzania energii, bo ok. 10 razy większym niż ze źródeł konwencjonalnych, to jednak ich koszty eksploatacyjne są bardzo małe.

Duże nadzieje wiąże się z wprowadzeniem do szerokiego użytku cienkowarstwowych ogniw słonecznych, które jakkolwiek charakteryzują się w chwili obecnej niską sprawnością i małą trwałością, to jednak ich wielką zaletą jest cena, ok. 10 razy niższa niż obecnie powszechnie stosowanych.

Zastosowanie energii słonecznej ma miejsce w bardzo szerokim zakresie w zasilaniu urządzeń codziennego użytku, takich jak: radia, telewizory, kalkulatory, zegarki, lampy błyskowe, aparaty fotograficzne, kosiarki do trawy, a nawet tablice informacyjne, lampy ostrzegawcze i znaki drogowe nad autostradą, reklamy, instalacje do nawadniania użytków rolnych, zasilacze akumulatorów samochodowych, instalacje do odsalania wody morskiej i inne.

Kolejnym przykładem jest zastosowanie ogniw słonecznych jako źródła wspomagania oświetlenia stadionu olimpijskiego w Sydney.

W dziedzinie pojazdów napędzanych energią słoneczną odnotowano w Kanadzie rekord długości przebytej trasy wynoszący 7.044 km. Pojazd rozwijał prędkość do 125 km/h, a całą trasę pokonał ze średnią prędkością 70 km/h.

Stosowane są również całe zestawy baterii słonecznych instalowane na powierzchni dachów domków jednorodzinnych, zabezpieczające dobowe potrzeby na energię elektryczną. Panele słoneczne zainstalowane w Niemczech w latach 90-tych miały łączną powierzchnię 615.000 m2 ( w 2000 roku było ich o łącznej powierzchni 650.000 m2).

Całkowita moc zainstalowanych ogniw słonecznych w obiektach mieszkalnych w roku 1999 wynosiła:
Niemcy - 66,2 MW (w roku 2020 - 4,8 GW)
USA - 147 MW
Japonia - 190 MW
Włochy - 18,5 MW
Francja - 10 MW

Także planowania ilość dachów z zainstalowanymi ogniwami słonecznymi na rok 2010 w poszczególnych krajach wynosi:
USA - 1.000.000 dachów
Japonia - 70.000 dachów
Indie - 50.000 dachów
Kraje UE - 400.000 dachów

Np. f-ma Sanyo produkuje dachówki o mocy 2 W, które w ilości 1000 sztuk dają energię 6 kWh/24h.

W roku 2000 wytworzono na świecie ogniwa słoneczne o łącznej mocy 400 MW, i ilość ta z roku na rok rośnie o ponad 30%. Przewiduje się, że w roku 2020 w bilansie energetycznym krajów UE udział energii elektrycznej uzyskanej z ogniw słonecznych wyniesie 3.000 MW.

Najbardziej ambitne rozwiązania przewidują budowę satelitarnych elektrowni słonecznych. Baterie słoneczne tego typu byłyby bardziej wydajne, gdyż docierałyby do nich bez przerwy promienie słoneczne i nie musiałyby się przebijać przez atmosferę.

Promienie słoneczne wykorzystuje się także nie tylko pod względem energetycznym. Akrylowa kopuła zainstalowana na dachu pochłania promieniowanie słoneczne i kieruje je rurą światłowodową do wybranego pomieszczenia. Dzięki rozpraszaczowi światło łagodnie i delikatnie oświetla pomieszczenie przyczyniając się do poprawy samopoczucia mieszkańców.

Magazynowanie energii słonecznej z fotoogniw odbywa się najczęściej w akumulatorach, co wymaga odpowiedniej z nimi współpracy automatycznej w zależności od zmiennego natężenia promieniowania słonecznego. Automatyzacji wymaga także dostosowanie do lokalnej sieci elektrycznej prądu zmiennego z przetwornic zasilanych prądem stałym z ogniw słonecznych.

Z innych sposobów magazynowania energii elektrycznej należy wymienić:
- podgrzewanie wody w zbiornikach zamkniętych i otwartych,
- elektrolizę wody dla uzyskania wodoru i tlenu jako dalszego źródła energii,
- przepompowywanie wody z niższego na wyższy poziom, a następnie wykorzystanie energii potencjalnej wody do napędu turbogeneratora.

O bardzo dużym zainteresowaniu wykorzystaniem energii słonecznej świadczą olbrzymie nakłady finansowe ponoszone na ten cel na świecie.

Wykorzystaniem energii słonecznej w Polsce zajmuje się 30 placówek naukowo-badawczych. Zastosowanie energii słonecznej przewiduje się głównie w rolnictwie. Praca badawcze jakkolwiek są skromne, to jednak problem ten nie jest pomijany.