Podstawowym źródłem energii na ziemi jest promieniowanie słoneczne. Strumień energii słonecznej podążający w stronę ziemi ma gęstość mocy 1366 W/m2, co na prostopadłym do kierunku strumienia przekroju kuli ziemskiej daje stały dopływ mocy rzędu 173 000 TW Jednak znacząca część strumienia tej energii jest odbijana w kosmos (ok 30%) i pochłaniana przez atmosferę oraz powierzchnie lądów i mórz – (ok. 47%). Pozostała część dociera do powierzchni ziemi, dając w Polsce średnio 1100 kWh/m2/rok.
Wielkość energii docierającej do powierzchni ziemi w ciągu roku jest wielokrotnie większa od wszystkich kopalnych zasobów energetycznych i znacząco przewyższa potrzeby energetyczne całego świata. Jednak przez swoje rozproszenie, charakteryzuje się nierównomiernym rozkładem w czasie i jest uwarunkowana terytorialnie, klimatycznie i czasowo.
Energia promieniowania słonecznego wykorzystywana jest po transformacjach jako energia elektryczna lub ciepło. Energię promieniowania słonecznego można zamieniać bezpośrednio w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych oraz zamieniać ją w ciepło, które z kolei może być wykorzystane np. do ogrzewania wody użytkowej.
Zalety energii słonecznej:
- Wszechobecność (możliwość lokalnego wykorzystania)
- Niskie koszty eksploatacyjne
- Brak emisji zanieczyszczeń
- Brak odpadów
- Poprawa samowystarczalności energetycznej kraju
- Oszczędność paliw kopalnych
- Brak emisji hałasu
- Brak ruchomych części mechanicznych wykorzystywanych do przetwarzania energii
Wady energii słonecznej:
- Cykliczność dobowa i sezonowa wytwarzanej energii
- Problemy z magazynowaniem większych ilości
- Terenochłonność instalacji (dot. elektrowni)
- Wysokie koszty urządzeń elektroenergetycznych zapewniających właściwą pracę i współpracę instalacji z siecią
Źródło: opracowanie własne na podstawie: Lewandowski W., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2006 oraz Soliński B. (red.), Matusik M., Ostrowski J., Grabowski Ł., Soliński I., Turoń K., Kołodziej J., Małek A., Marszałek K., Stapiński T., Hybrydowy, wiatrowo-słoneczny system wytwarzania energii elektrycznej, Wydawnictwo Agencja Reklamowa TOP, Kraków 2014
Technologie wykorzystania energii słonecznej
Kolektory słoneczne
Bezpośrednia konwersja energii promieniowania słonecznego na ciepło (konwersja fototermiczna) jest dość popularną metodą wykorzystania, zwłaszcza w gospodarstwach domowych, czy też większych instalacjach (budynkach administracji publicznej, basenach itp.) do przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Wyróżnia się kilka typów kolektorów słonecznych:
– kolektory płaskie (rys.1.) – charakteryzują się prostą konstrukcją i są najbardziej rozpowszechnione i często wykorzystywane w małych instalacjach w gospodarstwie domowym do przygotowania CWU. Konstrukcja kolektora płaskiego składa się z szyby (warstwy przepuszczalnej) oddzielającej wnętrze kolektora od środowiska zewnętrznego, i izolowanej obudowy, której zadaniem jest ograniczanie strat ciepła do chłodniejszego otoczenia z absorbera. Najczęściej jest to czarna metalowa płyta o wysokim współczynniku absorpcji promieniowania słonecznego oraz wymiennik ciepła, w którym są ułożone rury (najczęściej miedziane), w których znajduje się czynnik roboczy (zazwyczaj mieszanka glikolu z wodą)
Rys. 1. Schemat kolektora płaskiego
Źródło: hewalex.pl (15.12.2017)
– kolektory próżniowo – rurowe – w których przewody ciepłownicze jak i absorber znajdują się w próżni, która przepuszcza promieniowanie słoneczne, a zapobiega uciekaniu ciepła z powrotem do otoczenia, mają zdolność pracy przy promieniowaniu rozproszonym, dzięki czemu sprawdzają się one doskonale w pochmurne lub chłodniejsze jesienne dni. Kolektor próżniowy rurowy został przedstawiony na rys. 2.
Źródło: keno-energy.istore.pl (18.12.2017)
Rys. 3. Krzywe sprawności kolektorów próżniowych i płaskich
Źródło: hewalex.pl (15.12.2017)
– kolektory skupiające (rys. 4) – dzięki zastosowaniu układu luster skupiają energię promieniowania punktowo lub liniowo co umożliwia większą koncentrację energii na absorberze, a co za tym idzie większą temperaturę czynnika roboczego (standardowo jest to ok. 100-300°C). Stosuje się je w procesach technologicznych, w których potrzebny jest czynnik o wysokiej temperaturze. Np. produkcji pary w elektrowniach heliotermicznych lub do przetapiania metali w wielkich piecach słonecznych, gdzie promienie słoneczne skupione w jednym miejscu osiągają temperaturę nawet 3000 °C.
Rys. 4. Kolektory skupiające.
Źródło: geeky-gadgets.com (16.01.2018)
Sprawność kolektorów zależy od różnicy temperatur między otoczeniem, a powierzchnia kolektora (rys. 3). Im jest ona wyższa tym większe starty ciepła, a sprawność niższa.
Ogniwa fotowoltaiczne
Kolejnym przykładem bezpośredniego wykorzystania energii promieniowania słonecznego są ogniwa fotowoltaiczne. W odróżnieniu od kolektorów słonecznych produkujących ciepło, ogniwa PV w wyniku konwersji fotowoltaicznej wytwarzają energię elektryczną prądu stałego (DC), którą wykorzystuje się obecnie m.in. w układach zasilających obiekty komunalne czy użyteczności publicznej, w zasilaniu różnego rodzaju urządzeń elektronicznych lub w elektrowniach fotowoltaicznych.
Ogniwo fotowoltaiczne składa się z następujących elementów:
- płytka krzemowa, mono- lub polikrystaliczna, w której wytworzone zostało złącze p-n,
- kontakty (elektroda przednia i tylna, przy czym przednia elektroda powinna być ukształtowana tak, aby jak największa ilość promieniowania padającego mogła dostać się do obszaru złącza, którego głębokość ogranicza możliwość przenikania promieniowania wgłąb krzemu),
- warstwa przeciwodblaskowa, która pokrywa przednią powierzchnię ogniwa.
Do podstawowych parametrów ogniwa fotowoltaicznego zaliczyć można:
- napięcie ogniwa UPV [V],
- prąd zwarcia ogniwa IZW [mA],
- sprawność ogniwa fotowoltaicznego.
Ze względu na niskie wartości parametrów wyjściowych pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego (UWY, IWY), najczęstszą spotykaną formą wykorzystania ogniw jest moduł fotowoltaiczny. Moduł taki składa się z setek połączonych ze sobą ogniw fotowoltaicznych, dzięki temu można otrzymać na wyjściu znacznie większe wartości parametrów opisujących pojedyncze ogniowo. Istnieje możliwość dalszego łączenia modułów ze sobą w celu powiększenia opisanych wyżej parametrów, a efekt połączenia modułów nosi nazwę panelu fotowoltaicznego. Na rysunku 5 przedstawiono spotykane formy ogniw fotowoltaicznych.
Rys. 5. Formy zastosowań ogniw fotowoltaicznych, a) komórka solarna, b) moduł fotowoltaiczny, c) panel fotowoltaiczny
Źródło: Soliński B. Matusik M., Ostrowski J., Soliński I., Turoń K., Modelowanie funkcjonowania hybrydowych…
Podobnie, jak ma to miejsce w przypadku kolektorów słonecznych, moduły fotowoltaiczne mogą być łączone szeregowo, równolegle lub szeregowo-równolegle, lecz w tym przypadku na sposób połączenia modułów duży wpływ mają końcowe parametry baterii słonecznej.
Budowę prostego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego przedstawiono na rysunku 6. Jak widać, ogniowo posiada budowę warstwową. Od dołu można wyróżnić następujące warstwy:
- elektrodę dodatnią, najczęściej jest to folia aluminiowa, choć może ją tworzyć nawet kilka warstw rożnych metali,
- warstwę krzemu typu p o ładunku dodatnim,
- warstwę krzemu typu n, o ładunku ujemnym,
- powłokę przeciwodblaskową podnosząca sprawność ogniwa przez zmniejszenie ilości odbitych promieni słonecznych, chroniącą półprzewodnik typu n przed korozyjnym działaniem warunków atmosferycznych oraz zapewniającą ogniwu ochronę przed mechanicznym uszkodzeniem,
- elektrodę ujemną, dla której wymagana jest minimalizacja powierzchni, tak by jak najwięcej promieni słonecznych dodarło do powierzchni półprzewodnika typu n.
Rys. 6. Budowa ogniwa fotowoltaicznego
Źródło: Soliński B. Matusik M., Ostrowski J., Soliński I., Turoń K., Modelowanie funkcjonowania hybrydowych…
Wieże słoneczne
Wieże słoneczne są obiektami wielkoskalowymi, wykorzystywanymi w produkcji energii na skalę przemysłową. Zasadniczo wyróżniamy dwa typy wież słonecznych.
Pierwsza z nich, tak zwana elektrownia konwekcyjna, ma kształt wysokiego komina, z kolektorem poziomym, który magazynuje ciepło u podstawy wieży. Dzięki temu, że ciepłe powietrze w naturalny sposób unosi się do góry, powstaje ciąg powietrza, który porusza zamontowane u podstawy komina turbiny, produkujące prąd – mechanizm działania przedstawia rysunek 7. Kolektor wieży słonecznej tworzy swego rodzaju szklarnię, dzięki czemu można przestrzeń pod nim wykorzystać do produkcji roślin nawet w mało sprzyjającym klimacie.
Rys. 7. Wieża słoneczna kominowa (elektrownia konwekcyjna)
Źródło: boungler.pl/forum/showthread.php?tid=1232 (10.01.2018)
Drugim typem wieży słonecznej jest system oparty na lustrach skupiających promienie słoneczne, rozmieszczonych wokół wieży, na której zamontowano zbiornik ze specjalną cieczą (rys. 8.). Ciecz w zbiorniku podgrzewa się do wysokiej temperatury, a następnie jest przepompowywana przez kolektor, który odbiera od niej ciepło. W kolektorze powstaje para wodna, która napędza turbinę, produkująca prąd elektryczny. Następnie, schłodzona już ciecz, wraca znów do zbiornika znajdującego się na wieży.
Rys. 8 Wieża słoneczna
Źródło: gedeongrc.com/concentrated-solar-day-night-no-batteries (15.01.2018)
Pasywne systemy wykorzystania energii słonecznej
Poza możliwościami aktywnego wykorzystania energii słonecznej do produkcji ciepła i energii elektrycznej, można również wykorzystać energię naszej gwiazdy do zasilenie budynków w ciepło bez wykorzystania urządzeń do konwersji energii. Takie systemy nazywamy pasywnymi. Należą do nich takie rozwiązania jak ściana Trombe’a, czy też duże powierzchnie przeszklone, od strony południowej, w domach energooszczędnych. Rozwiązania te służą uwiezieniu energii promieniowania słonecznego wewnątrz budynku, dzięki czemu możemy zimą korzystać z darmowego dogrzewania pomieszczeń.
Wyróżniamy systemy zysków bezpośrednich oraz pośrednich. System zysków bezpośrednich (rys. 9.), jest najprostszym pasywnym systemem grzewczym. Całkowicie przeszklona południowa ściana pomieszczenia umożliwia wnikanie promieniowania słonecznego do wnętrza, gdzie jest ono pochłaniane i magazynowane. Zmagazynowana energia jest częściowo przekazywana do powietrza wewnątrz budynku, co prowadzi do podnoszenia jego temperatury. Nieodłącznym elementem takiej instalacji jest okap, którego zadaniem jest nie dopuszczenie do przegrzania się pomieszczeń w okresie letnim. Natomiast nie stanowi on przeszkody dla promieniowania słonecznego zimą, kiedy Słońce operuje znacznie niżej nad horyzontem.
Rys. 9. System pasywny zysków bezpośrednich
Źródło: https://swiadectwa-energ.pl/swiadectwa-energetyczne/systemy-biernego-ogrzewania-slonecznego (18.01.2018)
Przypadkowe wahania temperatury w pomieszczeniu z systemem zysków bezpośrednich wpływają na dyskomfort cieplny człowieka. Sposobem zmniejszenia tych wahań z jednoczesną możliwością uzyskania przesunięcia okresu dostarczania energii do pomieszczenia na późniejsze godziny, jest odizolowanie od promieniowania słonecznego wnętrza budynku za pomocą układu magazynującego, w postaci grubej, masywnej ściany. Przejście regularnego zaburzenia temperatury przez taką ścianę związane jest z tłumieniem amplitudy zaburzenia i przesunięcia fazowego fali przenikającej na drugą stronę. Konstrukcja, która wykorzystuje ten efekt, charakteryzuje się istnieniem szczeliny wentylacyjnej między nasłonecznioną powierzchnią ściany, a szybami osłaniającymi i znana jest pod nazwą ściany Trombe’a (rys. 10).
Rys. 10. System pasywny zysków pośrednich (ściana Trombe’a)
Źródło: swiadectwa-energ.pl/swiadectwa-energetyczne/systemy-biernego-ogrzewania-slonecznego (18.01.2018)
