Elektrownie słoneczne
Słońce jest centralną gwiazdą Układu Słonecznego, wokół której krąży Ziemia, inne planety
oraz mniejsze ciała niebieskie. Stanowi najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii
docierającej do Ziemi.
Graniczną 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 1000 W/m2.
Ludzie od wieków wykorzystywali słońce – np. starożytni Grecy potrafili rozniecić ogień za
pomocą szklanej kuli wypełnionej wodą skupiającej promienie słoneczne. W 212 r.p.n.e.
Archimedes miał rzekomo użyć wklęsłych luster do podpalenia drewnianych okrętów
oblegających Syrakuzy. Prawdziwość tego podania wydaje się raczej wątpliwa, chociaż w
1973 roku grecka marynarka przeprowadziła doświadczenie potwierdzające działanie lustra
Archimedesa;
źródło
Paliwa kopalne takie jak ropa, węgiel tworzyły się przez miliony lat dzięki promieniowaniu
słonecznemu. Nawet energia wiatrowa jest również pochodną energii słonecznej. Dzięki
postępowi technologicznemu obecnie jesteśmy w stanie w coraz większym stopniu
wykorzystywać energię która dociera do nas bezpośrednio ze słońca. A jest o co walczyć – w
warunkach polskich w ciągu roku potencjał napromieniowania wynosi 1000 kWh/m2, co
odpowiada energii jaką można uzyskać ze 100 litrów oleju napędowego.
Energię promieniowania słonecznego można wykorzystywać na dwa podstawowe sposoby:
•
zamieniać ją bezpośrednio w energie elektryczną w ogniwach fotowoltanicznych
(konwersja fotowoltaniczna),
•
zamieniać ją w ciepło, które z kolei może być wykorzystane np. do ogrzewania wody
użytkowej, lub w elektrowniach słonecznych do wytwarzanie energii elektrycznej.
Konwersja fotowoltaniczna
Konwersja fotowoltaniczna umożliwia bezpośrednią zamianę energii promieniowania
słonecznego (światła) na prąd elektryczny. Zachodzi ona w fotoogniwach
półprzewodnikowych. Do ich budowy wykorzystuje się najczęściej najczęściej: krzemu (Si),
german (Ge) lub selen (Se). Wielkość napięcia i mocy uzyskiwanej z pojedynczego ogniwa
nie jest imponująca – zazwyczaj 0,5 V – aby urządzenie było więc użyteczne ogniwa łączy się
szeregowo w celu podwyższenia napięcia i równolegle w celu zwiększenia mocy. W ten
sposób powstaje bateria słoneczna.
Krajem przodującym w świecie pod względem wykorzystania energii słonecznej są Niemcy.
W ostatnich latach oddano do użytku szereg instalacji które można już określić mianem
elektrowni słonecznych. Jedną z największych jest plantacja baterii fotowoltanicznych
zlokalizowana w miejscowości Pocking w Bawarii kosztem 40 mln euro. Zajmuje
powierzchnie 32 ha i osiąga moc 10MW. Twórca projektu Martin Bucher twierdzi, że
1
oszczędzi on środowisku 10 tys ton zanieczyszczeń każdego roku jednocześnie zaopatrując w
energię 3 tys. Gospodarstw domowych.
Największa na świecie podłączona do sieci elektrownia z ogniwami fotowoltanicznymi -
widok z lotu ptaka (10 MW, 32 ha).
Źródło:
http://www.martin-bucher.de
Ekologia ponad wszystko - teren zajmowany przez baterie słoneczne można wykorzystać do
wypasu owiec.
Źródło:
http://www.martin-bucher.de
Ogniwa fotowoltaniczne, mimo że nie mogą konkurować pod względem wydajności i
ekonomiki z tradycyjnymi formami wytwarzania energii elektrycznej znalazły szereg
zastosowań. Używa się ich powszechnie do zaopatrywania w prąd sztucznych satelitów i
stacji kosmicznych. Na orbicie okołoziemskiej ogniwa są bardziej wydajne, gdyż
promieniowanie słoneczne nie jest tam pochłaniane i rozpraszane przez atmosferę. Ogniwa
nadają się też świetnie do zasilania odbiorników o bardzo małej mocy – np. kalkulatorów.
Oczywiście zastosowań można znaleźć dużo więcej – zbudowano samochód zasilany energią
2
słoneczną a nawet samolot (Solar Challenger – odbył udany lot przez kanał La Manche),
jednak za sprawą ograniczeń technologicznych wynalazki te mogą być traktowane co
najwyżej jako ciekawostki naukowe – energia słoneczna jeszcze długo nie będzie
konkurencyjna w stosunku do tradycyjnych źródeł.
Konwersja fototermiczna
W większości współczesnych elektrowni ciepło uzyskane ze spalania paliw kopalnych
(węgiel, gaz, paliwa rozszczepialne) wykorzystywane jest do wytworzenia pary, która z kolei
napędza turbiny wprawiające w ruch prądnice elektryczne. Dlaczego więc w takim procesie
nie zastosować innego źródła ciepła – skoncentrowanych promieni słonecznych? Okazuje się,
że jest to możliwie - prototypowe instalacje już działają. Słoneczne elektrownie cieplne
(thermal solar systems) są uważane za jedne z najbardziej perspektywicznych alternatywnych
źródeł energii. Możemy wśród nich wyróżnić trzy koncepcje:
•
układy paraboliczne (rynnowe),
•
układy luster z silnikiem cieplnym (silnik Stirlinga),
•
układy luster z centralną wieżą.
Układy paraboliczny
Zbudowane są w postaci długich rynien powlekanych wewnątrz srebrem bądź polerowanym
aluminium. Wzdłuż rynny biegnie rurka wypełniona zazwyczaj olejem, na której skupiają się
odbite promienie słoneczne. Umieszczona jest ona wewnątrz większej, próżniowej szklanej
rury, celem ograniczenia strat ciepła. Olej podgrzewa się w ten sposób nawet do 400 ºC i jest
używany do produkcji pary wodnej. Rynny ustawia się najczęściej wzdłuż osi północ
południe, a wzdłuż osi wschód-zachód mają możliwość zmiany kąta nachylenia aby podążać
za słońcem.
Technologia ta wydaje się najbardziej obiecująca – w porównaniu z innymi opartymi zarówno
na konwersji fototermicznej i fotowoltanicznej oferuje najniższe koszty i najwyższe moce.
Rząd paneli parabolicznych z elektrowni Nevada Solar One
3
Widok na elektrownie Nevada Solar One (powierzchnia 360 tys m2, moc 64 MW,
temperatura czynnikia roboczego: 390 stopni)
Układy z silnikiem Stirlinga
W 1816 roku szkocki duchowny opatentował ciekawy model silnika, który zamienia energię
cieplną na mechaniczną ale bez procesu wewnętrznego spalania jak w tradycyjnym silniku
spalinowym. Aby pracował należało tylko dostarczyć do niego ciepło z zewnątrz. Nie posiada
wydechu, rozrządu – może więc pracować praktycznie bezgłośnie (dzięki tej zalecie znalazł
praktyczne zastosowanie w szwedzkich okrętach podwodnych). Pod koniec ubiegłego wieku
narodziła się koncepcja wykorzystania takiego silnika (zwanego silnikiem Stirlinga), gdzie
źródłem ciepła były skupione przez układ luster promienie słoneczne. Silnik napędzał
generator elektryczny, tworząc tym samym elektrownie. Szacuje się że przy średnim
nasłonecznieniu 1000 W/m2 silnik o mocy 25 kW wymaga lustra o średnicy 10 m. Sprawnośc
konwersji energii promieniowania słonecznego na elektryczną przy tej technologii może
osiągać nawet 30%.
Zwierciadło słoneczne z silnikiem cieplnym (silnikiem Stirlinga) opracowane przez Stirling
Energy Systems, Inc. oraz Sandia National Laboratories (USA) o mocy 25 kW. Koszt jego
budowy wyniósł 150 000 dolarów, ale producenci zakładają, że przy produkcji seryjnej
można go zredukować trzykrotnie. Źródło:
http://www.sandia.gov
4
Kto wie, może za kilkadziesiąt lat w naszych gniazdkach popłynie prąd z takich farm
słonecznych. Na dzień dzisiejszy to tylko wizja artystyczna. Źródło:
http://www.sandia.gov
Układy luster z centralną wieżą
Instalacja taka pozwala uzyskiwać bardzo wysokie temperatury rzędu 3000 ºC. Ruchome
lustra zajmujące dużą powierzchnie odbijają promienie słoneczne w jeden punkt –
umieszczony na szczycie wieży piec. Wypełniony jest on substancją posiadającą dobre
parametry gromadzenia ciepła (np. ciekły sód – metal o dużej pojemności cieplnej). Dzięki
temu elektrownia może pracować przez kilka godzin także po zachodzie słońca. Dalszy
proces technologiczny jest taki sam jak konwencjonalnej elektrowni – ciepło służy do
wytworzenia pary wodnej.
Eksperymentalne elektrownie tego typu powstały min. w Kalifornii (1926 luster
(heliostatów), moc 10MW) oraz w Hiszpanii (okolice Sevilli, 624 lustra, moc 11MW)
Pierwsza na świecie komercyjna elektrownia słoneczna w technologii z centralną wieżą PS 10
w Hiszpanii. Składa się z 624 luster, każde o powierzchni 120 m2. Odbiornik ciepła
umieszczony na szczycie 100 metrowej wieży wytwarza parę o temp 250 stopni i ciśnieniu 40
bar. Szacuje się, że będzie generować ilość energii potrzebną dla 6000 gospodarstw i pozwoli
na ograniczenie emisji CO2 o 18 tys. ton rocznie.
Źródło:
http://www.solarpaces.org
5
Elektrownia PS 10 w czasie pracy. Źródło:
http://www.solarpaces.org
6