Energia słońca
Energia słoneczna to energia pozyskiwana z bezpośredniego oraz rozproszonego (odbitego) promieniowania słonecznego. Maksymalną mocą jaką można uzyskać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1 367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest odbijana lub pochłaniana przez atmosferę, więc efektywnie wykorzystać przy powierzchni Ziemi możemy do 1 000 W/m2.
Charakterystyka promieniowania słonecznego w danym regionie określa możliwości i kierunki wykorzystania energii promieniowania słonecznego. Promieniowanie słoneczne osłabiane jest podczas przechodzenia przez atmosferę na skutek odbicia, rozpraszania i pochłaniania przez pyły i gazy. Ta część promieniowani, która dociera do powierzchni ziemi bez przeszkód nazywana jest promieniowaniem bezpośrednim. Promieniowanie docierające natomiast na określoną powierzchnie za wszystkich kierunków jest promieniowaniem rozproszonym (dyfuzyjnym).
Istotnymi w energetyce wielkościami związanymi z ilością energii słonecznej docierającej do powierzchni ziemi są:
- promieniowanie słoneczne całkowite (W/m2), będące sumą gęstości strumienia energii promieniowanie bezpośredniego i rozproszonego;
- napromieniowanie (J/m2) przedstawiające energię padającą na jednostkę powierzchni w określonym czasie;
- nasłonecznienie (h) wyrażające liczbę godzin z bezpośrednią widoczną operacją słoneczną.
W chwili obecnej energię promieniowania słonecznego wykorzystuje się na dwa główne sposoby:
- zmieniając ją na energię elektryczną za pomocą ogniw fotowoltaicznych (konwersja fotowoltaiczna);
- wykorzystując jego energię cieplną w celu produkcji prądu elektrycznego lub w celach ciepłowniczych (głownie podgrzewanie wody poprzez kolektory słoneczne).
Wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych jest technologią szeroko stosowaną w życiu codziennym. Są one wykorzystywane w wielu przedmiotach użytkowych jak kalkulatory, zegarki itp. Ich istnienie umożliwiło rozwój technologii satelitarnych i badań kosmosu poprzez ich instalację na obiektach wysyłanych w przestrzeń kosmiczną. Ogniwa fotowoltaiczne są to elementy, które bezpośrednio pod wpływem padających na nie promieni słonecznych generują napięcie elektryczne. W budowie każdego ogniwa wyróżniamy dwie warstwy: pozytywną (+) i negatywną (-), pomiędzy którymi, w momencie gdy na ogniwo padają promienie słoneczne, wytwarza się napięcie. Z reguły na pojedynczym ogniwie napięcie to nieznacznie przekracza 0,5V i 2W mocy, dlatego aby uzyskać bardziej użyteczne napięcie i większą moc ogniwa są łączone. Z połączenia od kilku do kilkunastu, a czasem nawet kilkudziesięciu ogniw uzyskujemy moduł (panel). Ponad 95% obecnie wykorzystywanych ogniw słonecznych zbudowanych jest na bazie krzemu (Si).
Dzisiejsze, masowo wykorzystywane ogniwa słoneczne charakteryzują się efektywnością rzędu 10%-15%. Obecnie trwają intensywne prace nad zastosowaniem innych poza krzemem substancji, których zastosowanie będzie powodowało podniesienie efektywności ogniw fotowoltaicznych oraz umożliwi ich wykorzystanie w mniej korzystnych pod względem nasłonecznienia warunkach.
Jednym z najciekawszych obecnie kierunków rozwoju jest próba zastąpienia krzemu różnego rodzaju związkami organicznymi. Rozwiązania takie mają w przyszłości przyczynić się znacznego spadku cen ogniw fotowoltaicznych. W rozwoju technologii opartych na związkach organicznych upatruje się również szansy na szersze zastosowanie ogniw fotowoltaicznych. Dzięki cechom takim jak stosunkowo wysoka wydajność przy niewielkim naświetleniu, dobra relacja efektywności do konta padania promieniowania, co umożliwia instalowanie ich na powierzchniach pionowych, oraz możliwość instalacji ogniw na wielu materiałach możliwe będzie ich masowe wykorzystanie w budownictwie mieszkaniowym oraz jako dodatkowe, niezależne źródło prądu w wielu lokalach i obiektach o różnorakim przeznaczeniu.
Ciekawym zastosowaniem może być również instalacja odpowiednio wydajnych ogniw w przedmiotach typu telefony, aparaty fotograficzne, itp., co pomimo stosunkowo wysokiej ceny daje dodatkowe, nieosiągalne dotychczas możliwości częściowego uniezależnienia użytkowników od sieciowych źródeł prądu.
Najszerzej obecnie wykorzystywaną do celów produkcji masowej technologią pozyskiwania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego jest technologia oparta na wykorzystaniu ciepła zawartego w promieniowaniu słonecznym (tzw. technologia skoncentrowanych promieni słonecznych, ang. CSP). Instalacje takie składają się z dwóch elementów – segmentu zbierającego ciepło promieniowania słonecznego oraz segmentu wytwarzającego energię elektryczną. Uzyskiwana skoncentrowana energia cieplna jest wykorzystania do podgrzania nośnika ciepła, które to ciepło jest w późniejszym procesie przekształcane w energię elektryczną.
Najpowszechniej stosowanym instalacjami tego typu są:
- układy paraboliczne (rynnowe);
- układy luster z silnikiem cieplnym;
- układy luster z centralną wieżą.
Układy rynnowe składają się z wielu podłużnych luster o parabolicznym kształcie, które zbierają i skupiają energię słoneczną. Lustra te położone są na osi północ-południe i najczęściej wyposażone są w urządzenia umożliwiające im śledzenie słońca. Zebrana energia słoneczna koncentrowana jest i przekazywana do wymienników ciepła zainstalowanych przy każdym z luster. Przez wymienniki ciepła przepływa ciecz, która odbiera zgromadzoną energię cieplną i transportuje ją do systemu generującego prąd elektryczny. Dostarczona tam energia cieplna służy do wytworzenia pary, która napędza generator produkujący energię elektryczną. Technologie rynnowe są obecnie najlepiej sprawdzoną technologią uzyskiwania prądu elektrycznego przy użyciu energii cieplnej promieniowania słonecznego.
W systemach talerzowych z silnikiem termiczna energia zawarta w promieniowaniu słonecznym zamieniana jest na energię mechaniczną, ta natomiast z kolei na energię elektryczną. Systemy takie używają matrycy luster do odbijania promieniowana słonecznego, która koncentrowana jest w odbiorniku. Skoncentrowana w odbiorniku energia transferowana jest do silnika, gdzie zamienia się ją na energię elektryczną. Dominują dwa typy odbiorników (determinowane przez rodzaj silnika używanego w konkretnym rozwiązaniu): odbiorniki użytkowane w silnikach Stirlinga oraz odbiorniki użytkowane w silnikach Braytona. W silnikach Stirlinga odbiorniki muszą w sposób efektywny przekazać skoncentrowaną energię słoneczną do oscylującego pod dużym ciśnieniem gazu, zwykle helu albo wodoru. W odbiornikach typu Braytonowskiego przepływ gazu jest wolniejszy i zachodzi przy niższych ciśnieniach. Zaletą systemów typy talerzowego jest ich niezależność na poziomie modułu (każde lustro samodzielnie wytwarza energię elektryczną) co pozwala na duża dowolność w zakresie wielkości mocy osiąganej z całości danej instalacji. Charakteryzują się również stosunkowo wysoką efektywnością w okolicach 30%. Szacuje się, że z lustra o średnicy 10 metrów osiągnąć można moc zbliżoną do 25 kW.
Systemy wież mocy wykorzystują wiele śledzących słońce luster, które skupiają zebrane promienie słoneczne na znajdującym się na szczycie wieży odbiorniku. Zainstalowany tam wymiennik ciepła umożliwia nagrzanie cieczy roboczej. Przepływa ona do generatora, gdzie energia w niej zgromadzona służy do wyprodukowania pary, ta natomiast napędza generator produkujący prąd elektryczny. Instalacja taka pozwala uzyskiwać bardzo wysokie temperatury rzędu 3000 ºC. Pozwala to na produkcję energii elektrycznej również po zmroku i zapewnia stałą wielkość produkcji podczas zmiennych warunków pogodowych w czasie dnia. Jako cieczy roboczej w systemach wież początkowo używano wody, jednak okazała się ona mało efektywnym nośnikiem energii. W efekcie instalacje następnej generacji użytkowały ciecze robocze złożone ze związków sodu.
Systemy wież mocy nie są, w przeciwieństwie do systemów rynnowych, budowane w sposób modułowy. Ze względu na wysokie koszty budowy instalacje tego typu uzyskują ekonomiczną opłacalność przy mocy powyżej 30MW.
Ogrzewanie słoneczne
Ogrzewanie słoneczne wykorzystuje energię słońca do ogrzewania wody, pomieszczeń itd. Pasywne systemy ogrzewania bazują najczęściej na dużych, zorientowanych w kierunku południowym okien, które wpuszczają do pomieszczenia promienie słoneczne oraz odpowiednich materiałach wnętrz (np. podłogi), które gromadzą ciepło w ciągu dnia i oddają je w godzinach nocnych. Instalacje pasywnego podgrzewania wody najczęściej składają się ze zbiornika na wodę oraz ogrzewającego go kolektora słonecznego. Aktywne systemy ogrzewania słonecznego bazują na rozwiązaniach podobnych do systemów pasywnych, z tym, że wykorzystują dodatkowe wyposażenie, które pozwala na zwiększanie energii pozyskiwanej ze słońca, a co za tym idzie uzyskiwanie wyższych, niż w systemach pasywnych temperatur. Systemy ogrzewania słonecznego bardzo często łączone są z klasycznymi systemami grzewczymi.
Oświetlenie słoneczne
Systemy tego typu działają na zasadzie przekazywania światła słonecznego, przy pomocy systemów światłowodów, do wnętrza budynków. Występują najczęściej w połączeniu z oświetleniem elektrycznym. Specjalna automatyka zmieniając natężenie światła elektrycznego utrzymuje iluminację pomieszczeń na stałym poziomie. Obecnie trwają prace badawcze nad systemami, w których światło słoneczne zbierane przez panele słoneczne rozdzielane jest na dwie części: spektrum widzialne (ok. 45% energii dostarczanej przez światło słoneczne) dostarczane jest przy pomocy światłowodów do wnętrza budynku w celu oświetlenia pomieszczeń, natomiast pozostała część światła słonecznego, głównie w paśmie podczerwonym (ok. 40 % ogólnej energii światła), wykorzystywana jest do produkcji prądu elektrycznego przy pomocy ogniw fotowoltaicznych.
Obecnie w Polsce wykorzystanie energii słonecznej kształtuję się na śladowym wręcz poziomie. Po części wytłumaczyć to można stosunkowo wysokim kosztem wytworzenia energii elektrycznej przy wykorzystaniu słońca jak również stosunkowo niskim, w porównaniu do obszarów położonych bliżej równika, potencjale energetycznym słońca na naszej szerokości geograficznej. Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą wynosi około 950 -1250 kWh/m2, a średnie nasłonecznienie kształtuję się w okolicach 1 600 godzin rocznie. Charakterystyczny dla naszej szerokości geograficznej jest silnie nierównomierny rozkład promieniowania słonecznego w trakcie roku. 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy wiosenno-letnich. Równie zmienny jest czas operacji słonecznej na dobę. Waha się on od 16 godzin latem do 8 godzin zimą.
Promieniowanie na obszarze Polski w kWh/m2 rocznie
Warto zauważyć, że szczyt ilości energii elektrycznej możliwej do wyprodukowania poprzez wykorzystanie promieniowanie słonecznego przypada w okresie najsłabszym pod tym względem dla elektrowni wiatrowych, i vice versa. Oznacza to, iż w przypadku możliwości instalacji hybrydowych, wykorzystujących zarówno energię słoneczną jak i energię wiatru, można uzyskać znacznie stabilniejsze źródło energii elektrycznej niż w przypadku zastosowania każdego z tych źródeł osobno. Daje to szansę na znacznie szersze niż obecnie się sadzi zastąpienie tradycyjnych źródeł energii.