Wykorzystywanie energii s onecznej

ł

Około 30% promieniowania słonecznego

dochodzącego do naszej planety jest odbijane

przez atmosferę, 20% jest przez nią

pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do

powierzchni ziemi. Oświetlenie powierzchni

ziemi nie jest równomierne. Zależy od

szerokości geograficznej, pory roku i poty dnia.

Obliczono, że jednemu metrowi kwadratowemu

powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu

dnia na naszej szerokości geograficznej średnio

4,8kWh energii. Jest to wartość równa energii,

jaką uzyskujemy ze spalenia 0,5 litrów

benzyny.

Obecnie chcemy wykorzystać jej jak najwięcej.

Energię słoneczną używa się do ogrzewania

domów mieszkalnych zakładając ogniwa

fotowoltaiczne zamieniające światło na prąd

lub wykorzystując światło do ogrzewania wody

w w specjalnych zbiornikach umieszczonych na

dachach zwanych kolektorami. Aby wystarczyło

to do ogrzania średniego domu rodzinnego i

dostarczenia domownikom ciepłej wody

powierzchnia kolektorów musiałaby wynosić aż

60m

2

. Jest to duża powierzchnia i oprócz

ogrzewania

słonecznego

użytkownicy

wykorzystują energię elektryczną.

Baterie słoneczne (ogniwa

fotowoltaiczne) są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do

zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża ilość

ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są

zbudowane z krystalicznego krzemu domieszkowanego warstwami lub z cienkich warstw

półprzewodników, zwykle uwodnionego krzemu amorficznego odpowiednio domieszkowanego

(czasami arsenku galu). Sprawność ogniw w laboratoriach wynosi około 15%, natomiast

stosowanych komercyjnie 4 - 8%. Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, do

ogrzewania domów, w małych zegarkach i kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni

kosmicznej,

gdzie

promieniowanie

słoneczne

jest

dużo

silniejsze.

Z myślą, z jednej strony o kryzysie energetycznym, a z drugiej o ochronie środowiska, powstają

projekty bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej na ogromną skalę, chociaż energia

uzyskana z baterii słonecznych jest około pięć razy droższa niż z konwencjonalnych źródeł. W

Niemczech planuje się w bieżącym dziesięcioleciu zainstalować systemy fotowoltaiczne na 100

tysiącach dachów, w Unii Europejskiej (nie licząc Niemiec) 400 tysięcy, w Japonii 700 tysięcy, a w

Stanach

Zjednoczonych

ponad

milion

takich

urządzeń.

Na zdjęciu obok widoczny jest pojazd zasilany z baterii słonecznych Sunraycer wygrał w 1987

roku wyścig na dystansie 3138 km osiągając średnią prędkość 67 km/h.

Wykorzystanie energii promieniowania

słonecznego do ogrzewania domu

Montaż modułów fotowoltaicznych na

dachu domu

We Francji wielki piec przemysłowy w Mont Louis ogrzewany jest przez wielopiętrową konstrukcję

małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W

punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000

o

C - właściwą do obróbki wielu metali.

Istnieją inne często fantastyczne pomysły wykorzystania energii słonecznej.

Japoński projekt GENESIS zakłada ustawienie w pustynnych rejonach elektrowni słonecznych,

zbudowanych z cienkowarstwowych ogniw i utworzenie globalnej sieci energetycznej z

nadprzewodzących kabli. Żeby zaspokoić światowe potrzeby energetyczne wystarczyłoby pokryć

ogniwami zaledwie 4% powierzchni pustyń i nauczyć się przesyłać prąd bez strat.

Istnieje również projekt wykorzystania energii słonecznej z przestrzeni kosmicznej. ten projekt

zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską 40 satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS - Solar

Power Satelites), wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych. Wytworzona

elektryczność ma być zamieniana na promieniowanie mikrofalowe, transmitowane do odbiorników

na Ziemi, gdzie nastąpi znowu zamiana w prąd elektryczny. Niestety, mikrofalowe wiązki energii z

satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłby wszystkie napotykane na drodze niemetalowe

przedmioty oraz żywe istoty.

Zasada dzia ania baterii s onecznych

ł

ł

Niestety aby dokładnie wyjaśnić to zjawisko

musimy przedstawić podstawowe własności

półprzewodników i złącza p-n.

W półprzewodniku za przewodzenie prądu

odpowiedzialne są swobodne elektrony,

których jest dużo mniej niż w metalach i

puste miejsca po elektronach, które mogą

się przemieszczać więc traktujemy je jako

ładunki

dodatnie.

Jeśli połączymy ze sobą półprzewodnik typu

p i n to taki układ nazywamy złączem p-n.

Przed zetknięciem każdy z obszarów jest

elektrycznie obojętny. Po zetknięciu Przez

granicę obu obszarów dzięki zjawisku

dyfuzji elektrony przechodzą z

półprzewodnika typu n do p, a dziury z

półprzewodnika typu p do n. Po przejściu

elektrony rekombinują (zobojętniają się) z

dziurami, a dziury z elektronami.

Rekombinacja zachodzi jedynie w cienkiej

warstwie blisko granicy zetknięcia. Ładunek

jonów dodatnich i ujemnych po obu

stronach granicy nie jest teraz

skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. W wyniku tego powstaje tzw. warstwa

zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku. Obszar

typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru typu n.. Powstała różnica potencjału nosi

nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów.

Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun źródła połączony będzie z

obszarem p, a ujemny z obszarem n to zmniejszy się bariera potencjału i prąd będzie płynął.

Mówimy, że złącze polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Jeśli do obszaru p dołączymy biegun

ujemny, a do obszaru n dodatni to elektrony i dziury będą odciągane od złącza. Wskutek tego

warstwa zaporowa poszerzy się i jej opór elektryczny wzrośnie. Będzie płynął wtedy bardzo słaby

prąd. Mówimy, że dioda spolaryzowana jest w kierunku zaporowym.

Teraz przystąpimy do omówienia właściwego zjawiska. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne

inaczej fotogalwaniczne znalazło zastosowanie w ogniwach fotoelektrycznych powszechnie

zwanych

Bariera potencjału

bateriami słonecznymi. Na rysunku pokazano budowę typowego ogniwa krzemowego. Takie

ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p (więcej jest w nim dziur niż swobodnych

elektronów) pokrytego warstwą półprzewodnika typu n (przeważają w nim swobodne elektrony) o

grubości tylko 1mm, a więc wystarczająco cienką, aby móc

łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej.

Pochłonięte fotony światła wybijają elektrony z sieci

krystalicznej i stają się swobodne, a jednocześnie tworzą się

dziury. Pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego w

warstwie następuje dyfuzja czyli

przejście dziur do obszaru p

półprzewodnika, a elektronów do

obszaru n. Elektrony, które

przeszły do obszaru n ładują tę

część półprzewodnika ujemnie,

natomiast dziury ładują obszar p

półprzewodnika

dodatnio.

Pomiędzy obiema częściami

półprzewodnika powstaje więc różnica potencjałów. Jeśli obszary p i n

połączymy przewodem na zewnątrz ogniwa, to popłynie prąd w

kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diody.

Gigantyczna elektrownia s oneczna

ł

W Australii już być może w tym roku ruszy budowa potężnej elektrowni słonecznej. Rząd Australii

jest szczególnie wyczulony na sprawę ochrony środowiska. Od 2001 r.

skupuje energię ze źródeł odnawialnych po korzystnych dla

producentów cenach i udziela im preferencyjnych kredytów. Przed

rokiem 2010 dziesięć procent energii produkowanej w Australii ma

pochodzić ze słońca, wiatru i wody (dziś jest to siedem procent).

Pomysł jest niezwykły. Zbudowana będzie potężna wieża o wysokości

jednego kilometra na środku gigantycznej szklarni w kształcie koła o

średnicy siedmiu kilometrów. Lekko spadzisty dach umieszczony kilka

metrów nad ziemią zasłoni powierzchnię 3800 hektarów. Szklarnia

będzie otwarta, bez zewnętrznych ścian na brzegach koła, co zapewni

swobodny przepływ powietrza. Obiekt nazwano "Wieżą Słońca". Ze

względu na zachęty ekonomiczne rządu, silne słońce i brak trzęsień ziemi, australijskie pustkowia

są idealną lokalizacją. Koszt wzniesienia elektrowni szacuje się na 350 mln dolarów.

Pomysł powstał pod koniec lat siedemdziesiątych. Jego autorem jest niemiecki inżynier, profesor

Jörg Schlaich. W latach osiemdziesiątych jego firma, przy

współudziale rządu Hiszpanii, wybudowała w Manzenares w

Kastylii prototyp Wieży Słońca. Komin niedaleko Madrytu

jest pięć razy niższy od australijskiego, a szklarnia zajmuje

"tylko" 4 hektary. To przesądza o czysto eksperymentalnym

charakterze elektrowni. Osiągając śmiesznie niską moc 50

kilowatów, pracowała ona do roku 1989. Technologia

słonecznego komina będzie dopiero efektywna, dopiero gdy

jego rozmiary są ogromne. Dlatego tak duże rozmiary

obiektu.

Zasada działania wieży jest prosta. Opiera się na tym, że

ciepły gaz jest lżejszy od zimnego i unosi się ku górze.

Słońce ogrzeje powietrze w szklarni do temperatury o 30-

40

o

C wyższej niż na zewnątrz. To spowoduje ruch powietrza

do środka, w stronę betonowego komina o średnicy 130 m,

który niczym odkurzacz samorzutnie zassie je do góry.

Hulający pod szklanym dachem wiatr osiągnie prędkość 50 km na godzinę. Napędzać będzie 32

turbiny o mocy 6,5 megawata każda. Turbiny przetworzą energię mechaniczną na elektryczną.

Wieża Słońca będzie wytwarzać prąd przez całą dobę. Na ziemi wewnątrz szklarni rozłożone

zostaną pojemniki z wodą. Za dnia woda nagrzeje się tak mocno, że ciepło oddawane przez nią w

nocy wystarczy do podtrzymania pracy megaodkurzacza. Oczywiście na niższych obrotach niż w

południe, ale nocą maleje zapotrzebowanie na prąd.

Wieża Słońca będzie mieć ogromną zaletę - nie wyemituje ani grama zanieczyszczeń. Z drugiej

strony Wieża wcale nie będzie tak nieszkodliwa, jakby się zdawało. Żeby wyprodukować beton i stal

potrzebne do jej budowy, trzeba wyemitować do atmosfery 2 mln ton zanieczyszczeń (głównie

Budowa baterii słonecznej

Zasada działania "Wieży Słońca"

dwutlenku węgla). Dopiero po dwóch i pół roku pracy bez dymu i spalin Wieża zniweluje straty,

jakie środowisko poniesie przy jej wznoszeniu.