Rola energii słonecznej na ziemi

Słońce dostarcza na powierzchnię Ziemi najwięcej energii ze wszystkich ciał niebieskich. Dzieje się tak z powodu niewielkiej odległości, jaka dzieli oba te ciała niebieskie. Rola Słońca jako życiodajnej siły dla Ziemi nie zmieniła się przez 4,5 miliarda lat ewolucji naszej planety, chociaż samo Słońce podlegało w tym okresie przemianom. Promieniowanie słoneczne wykorzystywane jest bezpośrednio do produkcji energii elektrycznej oraz cieplnej. Trzeba jednak pamiętać, że jest ono również wykorzystywane w procesie fotosyntezy przez rośliny, które następnie tworzą rezerwy biomasy. Energia paliw kopalnych, stanowiących obecnie główny surowiec energetyczny jest także energią pochodzącą od Słońca. Przed milionami lat została ona uwięziona w biomasie, a następnie uległa przekształceniu w procesach biochemicznych i fizykochemicznych w węgiel, ropę naftową i gaz ziemny. Także energia wiatru i fal morskich powstaje dzięki promieniowaniu słonecznemu.
Dla przeciętnego mieszkańca Ziemi, żyjącego w umiarkowanych warunkach klimatycznych, promieniowanie słoneczne ma również istotne znaczenie. Umożliwia bowiem przemianę ergosterolu (prowitaminy witaminy D2), zawartego w tkankach roślinnych, drożdżach oraz skórze, w witaminę D. Bez niej organizm ludzki nie jest w stanie rozwijać się prawidłowo. Brak słońca może także wpływać na obniżenie nastroju, stąd odnotowuje się częstsze depresje u ludzi późną jesienią i zimą.

HISTORIA

Ludzie od zawsze wykorzystywali energię Słońca, na początku do suszenia produktów żywnościowych oraz do rozniecania ognia. Do tego ostatniego celu starożytnym Grekom ( już 400 lat p.n.e) służyła wypełniona wodą szklana kula, skupiająca promienie słoneczne, Chińczycy 200 lat p.n.e., wykorzystywali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych. Z czasem energię Słońca rozpoczęto wykorzystywać do produkcji energii cieplnej. Już w roku 1897, w miejscowości Pasadena koło Los Angeles właśnie w ten sposób ogrzewano aż 30% domów. Najpóźniej zaczęto wykorzystywać energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej. Choć efekt fotowoltaiczny, umożliwiający produkcję prądu bezpośrednio z promieniowania słonecznego został zaobserwowany już w XIX wieku, na szeroką skalę wykorzystano go dopiero w latach 50. ubiegłego stulecia, w amerykańskich satelitach i statkach kosmicznych.
Obecnie największym producentem ogniw fotowoltaicznych na świecie jest Japonia. Dzięki wprowadzeniu nowego prawa dotyczącego zakupu energii i 50% dotacji rządowej w 1997 roku zainstalowano tam 9400, a rok później około 14000 systemów fotowoltaicznych.

ZASTOSOWANIE

Słońce może nam wiele ofiarować. Człowiek dopiero niedawno zdał sobie z tego sprawę, że:
• dzieli dobę na dzień i noc, a więc wyznacza rytm życia i pracy
• promienie słoneczne nagrzewają atmosferę, oraz powierzchnię Ziemi co umożliwia wegetację rośliN
• jest głównym twórcą klimatu.
• wyznacza pory roku
• ekologicznym i dawcą taniej energii (kolektory słoneczne)
• dawcą niezbędnego do utrzymania wszelkiego życia roślinnego czynnika fotosyntezy
• ma duży wpływ na wygląd naszej opalenizny, modę oraz zachowanie
• sterylizuje powietrze, którym oddychamy.

Słońce ma również wpływ negatywny na życie ziemskie
• na niektórych terenach np. w Dolinie Śmierci i pustyniach uniemożliwia istnienie życia
• emituje między innymi promieniowanie krótkofalowe, które jest głównym czynnikiem wywołującym liczne choroby i dolegliwości (nowotwory, oparzenia, udar słoneczny) u człowieka. W wyniku działalności człowieka w atmosferze powiększają się dziury ozonowe, które przepuszczają to promieniowanie
• wywołuje samoczynne pożary na wysuszonych obszarach
• jest sprawcą biedy i głodu poprzez susze jak np. w Etiopii
• dłuższe promienie przechodzą przez warstwę ochronną Ziemi i stanowią zagrożenie promieniotwórcze dla kosmonautów
• niebezpiecznie stale wzrasta temperatura Ziemi i powstaje tzw. efekt cieplarniany
• burze słoneczne wywołują zmianę pogody na Ziemi w ciągu kilku dni. Zakłócają też fale radiowe (w 1989 w Polsce na czas około 1 godziny zostały zablokowane odbiorniki radiowe)
• w Akademii Śląskiej zaobserwowano, że w czasie zmożonej aktywności Słońca notuje się więcej wypadków. Także ważne wydarzenia historyczne można z tym faktem powiązać
• zdaniem wielu lekarzy, ataki serca są związane ze zjawiskami zachodzącymi na Słońcu
• burze szumowe tworzone przez rozbłyski, mają wpływ na pole magnetyczne Ziemi ludzi i zwierząt, jest więc nieodzownym warunkiem życia.

TECHNOLOGIE

Ogniwo fotowoltaiczne zbudowane jest z dwóch płytek krzemowych. Gdy promienie słoneczne padają na ogniwo, elektrony z dolnej warstwy przemieszczają się do warstwy górnej, generując napięcie elektryczne. Ogniwa fotowoltaiczne mają dziś cały szereg zastosowań. Najczęściej wykorzystuje się je w zegarkach i w kalkulatorach, bardziej złożone instalacje służą zaś do oświetlania domów i ulic. W jednym z alzackich miasteczek osiągnięto spore oszczędności, oświetlając nocą ulice przy pomocy systemu fotowoltaicznego, zasilanego energią słoneczną za dnia.
Szczególnie istotna jest rola ogniw fotowoltaicznych na obszarach pozbawionych dostępu do sieci elektrycznej. Zasilają one telefony awaryjne przy autostradach, umożliwiają pracę latarni morskich, odpowiadają za funkcjonowanie stacji meteorologicznych i telekomunikacyjnych. Wymienione sposoby wykorzystania ogniw fotowoltaicznych nie wyczerpują całej listy ich zastosowań, która obejmuje także: pompowanie wody i destylację wody słonej, zasilanie kolejowej sygnalizacji świetlnej, telefonów komórkowych, radioodbiorników, zabawek, a nawet przenośnych telewizorów i eksperymentalnych samochodów. Również niektóre parkometry w Polsce funkcjonują dzięki bateriom słonecznym.
Kolektor słoneczny służy do zamieniania energii słonecznej na energię cieplną. Najczęściej stosowane są kolektory płaskie gazowe lub cieczowe oraz rurowe kolektory próżniowe, które posiadają wyższą sprawność przetwarzania energii. Kolektor płaski składa się z przezroczystego pokrycia, absorbera pochłaniającego energię promieniowania słonecznego, wymiennika ciepła oraz izolacji. Promienie, przenikając przez taflę szklaną trafiają na pokryty specjalną warstwą absorber i zostają przetworzone w ciepło. Energia cieplna uzyskana przez kolektor jest transportowana za pośrednictwem czynnika roboczego i za pomocą pompy do zbiornika. Kolektory najczęściej montowane są na dachach, ale mogą również być instalowane na ścianach budynków lub na specjalnym stelażu obok budynku. Należy pamiętać, że kolektor powinien być skierowany na południe, aby jak najdłużej docierało do niego promieniowanie słoneczne.
Kolektory wykorzystuje się do ogrzewania pomieszczeń, a także do podgrzewania wody w domach, gospodarstwach rolnych, obiektach sportowych i rekreacyjnych oraz zakładach przemysłowych, do ogrzewania wody w basenach. Rolnicy stosują je do suszenia produktów rolnych: zboża, nasion, owoców, ziół i grzybów. Ocenia się, że w Polsce kolektory słoneczne są w stanie pokryć około 60% rocznego zapotrzebowania domu jednorodzinnego na energię cieplną, jeżeli budynek zostanie odpowiednio zbudowany.

WYKORZYSTANIE
Potencjał energetyczny Słońca jest naprawdę olbrzymi: całoroczne światowe zapotrzebowanie na energię mogłoby zostać pokryte przez promieniowanie słoneczne, docierające do powierzchni Ziemi w ciągu zaledwie jednej godziny! Niestety, problemem pozostaje akumulacja tych ogromnych zasobów. Wykorzystywanie energii Słońca wymaga sporo miejsca, wymaga także odpowiednich warunków helioenergetycznych, które nie zawsze i nie wszędzie występują. Im większe zachmurzenie, im większa szerokość geograficzna, im bliżej wielkich miast, tym mniejsza ilość promieni słonecznych, docierających do powierzchni globu. Na przykład w Polsce najmniej korzystne warunki helioenergetyczne panują w okolicach Warszawy i na Górnym Śląsku – czyli na terenach najbardziej zanieczyszczonych. Nasz kraj posiada zresztą raczej skromne możliwości wykorzystywania energii Słońca: trudno, na przykład, ogrzewać budynki przy pomocy kolektorów słonecznych, jeśli na półrocze jesienno-zimowe – a zatem na sezon grzewczy – przypada zaledwie 20% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia. Taki rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku pozwala za to na szerokie wykorzystywanie kolektorów słonecznych w rolnictwie, gdyż okres maksymalnego nasłonecznienia zbiega się z okresem suszenia pasz objętościowych. Dlatego Polska była jednym z pierwszych krajów w Europie, które zastosowały kolektory w rolnictwie.
CIEKAWOSTKI
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. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.
Skupiane promieni słonecznych wykorzystuje się w piecach przemysłowych. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre piece, zamiast zakrzywionego zwierciadła wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000oC – właściwą do obróbki wielu metali.
Z zewnętrznych warstw korony słonecznej ciągle wypływa w przestrzeń międzyplanetarną materia w postaci tzw. wiatru słonecznego. Dotarcie do Ziemi zabiera tym cząstkom około 10 dni. Zderzenie tak silnego strumienia naładowanych cząstek z ziemską magnetosferą, powoduje różnorodne zjawiska: zmiany pola magnetycznego Ziemi, zakłócenia łączności, a nawet uszkodzenia elektroenergetyczne! Innym zjawiskiem powstającym w wyniku oddziaływania wiatru słonecznego z górnymi warstwami ziemskiej atmosfery są zorze polarne, widoczne tylko w obszarach podbiegunowych (choć czasem widać je i na niższych szerokościach geograficznych).



Bibliografia:
1. Brian J. Brinkworth: Energia słoneczna w służbie człowieka.
2. Ewa Pyłka- Gutowska: Ekologia z ochroną środowiska.
3. Wielka Encyklopedia Polonica