Energia odnawialna
Wind Turbine
Energia geotermalna Energia wodna Energia słoneczna Energia wiatru Biopaliwo Biomasa Biogaz

Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej

Ogniwo fotowoltaiczne

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

Elektrownia słoneczna o mocy 10 kW z zainstalowanymi silnikami Stirlinga

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

• ogniwo słoneczne
• komin słoneczny
• pasywne ogrzewanie
• energetyka jądrowa
• fotowoltaika

Przypisy