ENERGETYKA
SŁONECZNA

I WPŁYW

NA ŚRODOWISKO

Każdego dnia słońce dostarcza

energię 15 tyś. razy przewyższającą
zapotrzebowanie

całej

światowej

populacji. W czasie krótszym niż 30 minut
słońce dostarcza na naszą planetę więcej
energii niż wynosi jej konsumpcja w ciągu
całego roku.
W roku 2004 konsumpcja ta wyniosła
około 118.858.600.000.000 kWh.

(Sto osiemnaście bilionów osiemset pięćdziesiąt osiem
miliardów sześćset milionów kilowatogodzin)

Gigantyczna elektrownia słoneczna na
Saharze

(490000

km

2

)

mogłaby

całkowicie

zaspokoić

globalne

zapotrzebowanie na energię (dane z roku
2006).

Pod pojęciem globalnego zapotrzebowania nie kryje się samo
zapotrzebowanie na energię elektryczną ale całkowite zużycie
energii przez człowieka. Zasobne i przyjazne środowisku słońce
jako źródło energii dostępne będzie przynajmniej przez
najbliższych 5 miliardów lat.

Energię słoneczną można

wykorzystywać

w 3 głównych systemach

przetwarzania:

Bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego na
prąd elektryczny przy pomocy różnego rodzaju ogniw
fotowoltaicznych (fotowoltaika)

Systemach aktywnych (czynnych), zamieniających energię
słoneczną na energię cieplną (ciepła woda, ciepłe powietrze), w
różnego rodzaju urządzeniach grzewczych zwanych kolektorami
słonecznymi

Systemach pasywnych (biernych), zamieniających energię
słoneczną na energię cieplną (np. ciepłe powietrze, ciepłe ściany,
ciepłe dachy, ciepłe posadzki) z wykorzystaniem takich zjawisk
fizycznych jak: konwekcja, przewodzenie, promieniowanie ciepła.

Wykorzystanie energii słonecznej w krajach

Unii Europejskiej (dane z 2006 r.)

KOLEKTORY SŁONECZNE

Podział kolektorów

słonecznych

• płaskie
• rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę

izolacji spełniają próżniowe rury)

• skupiające

Kolektor płaski składa

się z:

- absorber, wykonany z aluminium lub miedzi,
z zewnętrznej strony poczerniony warstwą czerni
selektywnej,

absorbującej

promieniowanie

słoneczne,

- osłony przeźroczyste chroniące przed stratami
cieplnymi oraz zabrudzeniem

- izolacja termiczna, chroniąca ściany boczne i tylne
absorbera przed stratami ciepła do otoczenia

Budowa kolektora płaskiego

Kolektory próżniowe

Do bardziej nowoczesnych, ale też znacznie droższych
konstrukcji należą rurowe kolektory próżniowe z wyższą
sprawnością

przetwarzające

energię

rozproszonego

promieniowania

słonecznego.

Kolektory

próżniowe

występują w dwóch odmianach. W pierwszej odmianie
czynnik roboczy (glikol) przepływa przez rurki miedziane
przylutowane do absorbera znajdującego się w rurze
próżniowej. Odbiór ciepła następuje bezpośrednio z
absorbera. Drugi rodzaj to kolektory zbudowane z rur
próżniowych, w których znajdują się rurki cieplne, zwane
również Heat pipe, z płynem parującym w temp. 25

o

C. Gdy

rurka się nagrzeje, płyn ten zaczyna parować i kieruje się
do kondensatora. Następuje tam wymiana ciepła, w wyniku
której następuje nagrzanie glikolu, który krąży w instalacji,
a para skrapla się i grawitacyjne powraca na dno rurki
cieplnej.

Kolektory skupiające

W kolektorach skupiających stosuje się różne układy luster
lub soczewki do zwiększenia gęstości strumienia
promieniowania słonecznego, padającego na powierzchnię
pochłaniającą promieniowanie, wykonana w formie
płaskich lub rurkowych pochłaniaczy. Oprócz zwierciadeł
parabolicznych stosuje się zwierciadła płaskie lub
cylindryczne.

Kolektory skupiające charakteryzują się małymi wymiarami
gabarytowymi. Muszą być ustawiane prostopadle do
kierunku padania promieni słonecznych, w związku z tym
muszą być wyposażone w urządzenia umożliwiające ich
obrót wraz z ruchem słońca.

Montaż kolektorów

Kolektory słoneczne można instalować praktycznie
wszędzie, w dowolnej konfiguracji. Mogą być instalowane
zarówno na dachu, na ścianie budynku lub na ziemi - na
stojaku.

-

Kolektory słoneczne powinny być zwrócone stroną szklaną na

południe

.

- Kolektory słoneczne powinny

być pochylone o około 45 stopni

względem poziomu jest to kąt idealny przy wykorzystywaniu
kolektora słonecznego od lutego do listopada.

- Jeżeli kolektory słoneczne mają być używane tylko
w miesiącach letnich (np. do ogrzewania wody w basenie lub
w domku letniskowym), należy je zainstalować pod kątem 30
stopni.

- Kolektory słoneczne należy instalować w miejscu, które nie
jest zacienione przez drzewa, krzaki, trawę, itp.

- Łatwy montaż kolektorów
- Łatwe utrzymanie i konserwacja urządzeń
- Możliwość

wykorzystywania

w

gospodarstwach

oddalonych od innych źródeł energii

- Dostarczający 35 000 l ciepłej wody użytkowej kolektor

słoneczny o powierzchni 6 m

2

pozwala zredukować roczną

emisję:

dwutlenku węgla (CO

2

) o 1,5 t,

dwutlenku siarki (SO

2

) o 12 kg,

tlenków azotu (NO

x

) o 5 kg,

pyłów o 2 kg.

Zalety:

STAWY SŁONECZNE

Innym aktywnym niskotemperaturowym systemem

konwersji energii słonecznej jest staw słoneczny.
W systemie takim energia promieniowania słonecznego
jest gromadzona, ale w przeciwieństwie do zwykłych
zbiorników wodnych nie jest oddawana do otoczenia,
szczególnie

nocą

i zimą, gdy spada temperatura. Uzyskanie takiego efektu
jest możliwe dzięki zastosowaniu dużego stężenia soli w
wodzie, gdyż właściwością solanki jest gromadzenie się jej
na dnie zbiornika mimo ogrzania, i jednoczesne nie
transportowanie ciepła, które wskutek mechanizmu
konwekcji

byłoby

kierowane

do

powierzchni

i oddawane do otoczenia.

Typowy staw słoneczny jest sztucznym zbiornikiem, zwykle
o głębokości 2  5 m z zaczernionym dnem, w którym

wyróżnia się:

o strefę magazynowania blisko dna (temperatura w niej

może osiągnąć ok. 90C)

o górną warstwę niekonwekcyjną (strefy te mogą być

oddzielone przegrodą, np.: folią przezroczystą). W warstwie
tej konwekcja swobodna jest stłumiona odpowiednim
gradientem stężenia soli NaCl lub MgCl

2

; na powierzchni

stawu znajduje się warstwa ochronna (np.: folia i cienka
warstwa wody).

Z gorącej warstwy dolnej ciepło może być odbierane
(wywołując dodatkową konwekcję).

konwekcyjny, w którym straty ciepła z parowania są
redukowane poprzez przykrycie powierzchni zbiornika, np.
transparentną folię izolacyjną, głównie w nocy, kiedy nie ma
promieniowania słonecznego,

bezkonwekcyjny, w który redukuje się straty ciepła poprzez
zapobieganie zjawisku konwekcji.

Staw bezkonwekcyjny jest to płytki zbiornik, w którym energia
promieniowania słonecznego jest kumulowana poprzez
zastosowanie dużego stężenia soli w wodzie. Solanka, nawet
ogrzana, ze względu na dużą gęstość gromadzi się na dnie i
przez to nie transportuje ciepła mechanizmem konwekcji z dna
stawu do powierzchni i następnie do otoczenia .

Rozróżnia się dwa typy
stawów:

Typowy staw o głębokości 1 m ma 6–8 warstw płynu o
zróżnicowanym stężeniu, gdzie rozróżnia się trzy typowe
strefy w zbiorniku:

akumulacji, w warstwie przydennej, gdzie występuje duża
temperatura , dochodząca nawet do 100°C oraz największe
stężenie soli,

bezkonwekcyjną,

przypowierzchniową o temperaturze ok. 30°C, zależnej
najbardziej od temperatury powietrza (przykładowo, w
południowej Australii łatwo osiągalna jest temperatura 65°C,
nawet w zimie).

Jako sole mogą być stosowane NaCL, MgCl

2

. Dookoła stawu

zakłada się materiał oddzielający zbiornik od gruntu, aby
wydzielająca się sól nie zanieczyściła otaczającego terenu
oraz wód gruntowych.

Plastikowe krążki w stawie słonecznym są zamieszczone

w celu redukcji wpływu wiatru (Australia, Pyramid Hill)

Podczas użytkowania takiego stawu często następuje proces
dyfuzji,

co

powoduje

wyrównywanie

się

stężeń.

Do

bezawaryjnego i prawidłowego działania zbiornika czynnością
konieczną

jest

wtłaczanie

czystej

wody

do

warstwy

przypowierzchniowej, a do strefy przydennej stężonego roztworu
solanki. Urządzeniami, które są wykorzystywane podczas
eksploatacji stawu słonecznego są; destylarka, przetwornik
osmotyczny, wymiennik jonitowy – instalacja odsalająca.

Staw słoneczny jest ekonomicznie opłacalny tylko
wtedy, gdy obszar przeznaczony pod budowę
zbiornika jest o dużej, płaskiej powierzchni, o stałym
dostępie do wody oraz niedrogiej soli. Czynnik
środowiskowe są również bardzo ważne, szczególnie
ze względu na możliwość zanieczyszczenia gruntu i
wód podziemnych. Ponadto korzystnie jest mieć
odbiorców ciepła, np. pobliskiej fabryki. Dlatego też
stawy najczęściej budowane są na obszarach
pustynnych.

Stawy słoneczne –

działanie:

- do napędzania urządzeń odsalających,
- jako dodatkowe źródło energii w szczycie zapotrzebowania na energię,
- jako ciepło technologiczne do produkcji chemikaliów, żywności,
tekstyliów czy innych produktów,
- jako ciepło w procesie odseparowania ropy naftowej z solanki,
- jako ciepło do szklarni, obór czy innych budynków o niskim
zapotrzebowaniu na energię cieplną,
- do powierzchniowego oczyszczania wody, np. zasolenia rzek czy
płynnych odpadów o dużym zasoleniu,
- do kontroli krystalizacji podczas działań podziemnych i górniczych.

Koszt stawu słonecznego o powierzchni 0,7 ha, w zależności od dostępu
maszyn ziemnych i soli, kształtuje się na poziomie 200 000–300 000
dolarów australijskich. W przypadku produkcji energii elektrycznej
należy doliczyć koszt i utrzymanie roczne aparatury (180 000 + 10 000
na rok dolarów australijskich).

Energia pochodząca ze stawu słonecznego

może zostać wykorzystana:

Stawy słoneczne - wady i

zalety

Zalety:

o Moc i sprawność trochę wyższa, ale tego samego rzędu

jak kolektora słonecznego;

o Mniejsze straty ciepła do otoczenia w porównaniu z

kolektorami słonecznymi;

o Możliwość zastosowania do odsalania wody morskiej
o Prosta budowa

Stawy słoneczne - wady i

zalety

Wady:

o Konieczność utrzymywania właściwego gradientu

stężeń,
co wiąże się z utrzymywaniem instalacji odsalającej;

o Konieczność

stosowania

zabezpieczeń

przed

nieprzewidzianym wtargnięciem niepożądanych osób,
zwłaszcza dzieci, które mogą się poparzyć;

o Wyższe koszty inwestycyjne w stosunku do kolektora

słonecznego;

o Większe zużycie wody.

Podstawową zaletą stawów słonecznych jest zdolność
do magazynowania dużych ilości energii na stosunkowo
długie okresy (do kilku miesięcy). Energię tę można później
odzyskać z wykorzystaniem pompy ciepła.

Stawy słoneczne służą najczęściej do ogrzewania mieszkań
lub zasilania siłowni wytwarzających energię elektryczną,
również do ogrzewania szklarni i tuneli foliowych.

Obecnie na świecie pracuje ponad 60 instalacji stawów
słonecznych. Przykładem stawu słonecznego jest staw w El
Paso w Texasie, działający z przerwą od maja 1986 roku,
który posiada powierzchnię 3350 m

2

, głębokość 3 m i moc 75

kW.

Są

urządzeniami

półprzewodnikowymi

typu

p-n,

służącymi

do

bezpośredniej

zamiany

energii

promieniowania słonecznego na energię elektryczną.

1. półprzewodnik n

2. złącze p-n

3. półprzewodnik p

4. 5. metaliczne połączenia

6. materiał antyrefleksyjny

Cykliczne przemieszczenie się ładunków elektrycznych
powoduje wzrost różnicy potencjałów, czyli napięcia
elektrycznego. 

OGNIWA FOTOWOLTAICZNE

Półprzewodnikowe fotoogniwa

Produkowane są z

wykorzystaniem krzemu (Si),

germanu (Ge), selenu (Se).

Pojedyncze krzemowe ogniwo

słoneczne generuje napięcie ok.

0,5V. Połączenie szeregowe

pojedynczych ogniw powoduje

sumowanie się napięcia i w ten

sposób tworzy się baterie

słoneczne o porządnym

napięciu wyjścia.

Zastosowania ogniw fotowoltaicznych:



Elektronika użytkowa, kalkulatory, lampy ogrodowe,

oświetlanie znaków drogowych i wspomaganie sygnalizacji
świetlnej



Zasilanie elektroniki promów i sąd kosmicznych, stacji

orbitalnych i sztucznych satelit ziemi.



Próby konstrukcji samolotów i samochodów zasilanych za

pośrednictwem ogniw fotowoltaicznych.



Doładowywanie akumulatorów w dzień i wykorzystywanie

energii w nocy na jachtach, kempingach, domach
jednorodzinnych.



Zasilanie układów telemetrycznych w stacjach pomiarowo

rozliczeniowych gazu ziemnego, ropy naftowej oraz energii
elektryczne.



Zasilanie automatyki przemysłowej i pomiarowej



Pierwsze elektrownie słoneczne.

Wady:

- Ogniwa fotowoltaniczne budowane są z użyciem
szkodliwych substancji

- Ustawione ogniwa zajmują dużą powierzchnię

- Trudność korzystania z tego źródła energii wynika m. in.
ze zmienności dobowej i sezonowej promieniowania
słonecznego.

- Mała gęstość dobowa strumienia energii promieniowania
słonecznego, która nawet w rejonach równikowych wynosi
zaledwie 300 W/m

2

, zaś w Polsce nie przekracza 100

W/m

2

(czyli 1000 kWh/m

2

w skali roku).

METODY PASYWNE

Metody

pasywne

to

bezpośrednie

wykorzystanie

energii

słonecznej do ogrzewania bez użycia dodatkowej energii z
zewnątrz. Pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego odbywa
się w sposób naturalny, dzięki naturalnym zjawiskom wymiany ciepła i
masy.

Systemy pasywne doskonale nadają się do ogrzewania budynków,
podgrzewania wody, w różnego rodzaju zbiornikach naziemnych i
podziemnych,

otwartych

i zamkniętych, do suszenia płodów, drewna, żywności przetworzonej,
ceramiki itd.

W tym celu wznosi się odpowiednią konstrukcję budynków, a
zwłaszcza ścian, przegród zewnętrznych oraz dachów i otworów
okiennych, werandy,  elementy szklarniowe, oranżerie, przeszklone
wykusze dachowe, loggie półotwarte, baseny otwarte i zamknięte
wbudowane w konstrukcję budynku, diafragmy koncentrujące
promieniowanie i ekrany odbijające promienie i kierujące je do
wewnątrz, powodując zwiększenie strumienia energii dostającego się do
pomieszczeń.
Stosuje się  również różne wewnętrzne ściany magazynujące ciepło.

Ważnymi elementami są pułapki ciepła w postaci strychów,
antresoli
i wewnętrznych ścian wodnych, a także porcji wody lub innych
płynów wmontowanych w ściany i stropy (termofory
budowlane). Wszystko po to by utrzymać uwięzione ciepło
podczas dni słonecznych zarówno w porze letniej jak i w czasie
zimy.

Szczególnie korzystne efekty

daje zwiększanie pojemności cieplnej

stropów, a więc podłóg i sufitów.

Z tych powierzchni ciepło

oddawane jest równomiernie

i stosunkowo długo.

Znajomość tych właściwości

jest bardzo ważne na etapie

projektowania i lokalizacji

nowo wznoszonych obiektów.

1. Powietrzny kolektor słoneczny. 2. Rekuperator. 3. Wentylator.

4. Nagrzewnica 5. Rozdzielacz powietrza. 6. Zbiornik ciepłej

wody (CO i CW). 7. Pompa ciepła 8. Przepustnice powietrza. 9.

Gruntowy Wymiennik Ciepła

(BGWC - Beslera Gruntowy Wymiennik Ciepła)

Energia słoneczna.

Wpływ na środowisko

Korzyści dla środowiska z tytuły wykorzystania instalacji
solarnych podkreślane są w wielu źródłach.

Według Lewandowskiego [2006] wykorzystanie w domu
jednorodzinnym powierzchni 1 m

2

kolektorów słonecznych obniża

emisję CO

2

o 125 kg·a-1, redukuje również znacznie emisje SO

2

i NOx, ogranicza również zapotrzebowanie na energię
konwencjonalną o przeszło 1250 kWh.

Tytko i Kwapniewski [2009] podają, że zastosowanie instalacji
solarnej zmniejsza rocznie ilość spalonego węgla o 3 Mg,
jednocześnie ograniczając emisję CO

2

o 6 Mg.

Natomiast Klugmann-Radziemska [2008] podaje, iż każdy kW
pochodzący z instalacji fotowoltaicznej pozwala zaoszczędzić
w porównaniu z energią pozyskaną z paliw kopalnych,
zależnie od składu paliwa, nawet do 16 kg NOx, 9 kg SOx, jak
również
od 600 do 2300 kg CO

2

.

Chyba najistotniejszą wadą jest wysoki koszt budowy
instalacji
i urządzeń wspomagających, bez których nie można byłoby
wykorzystać

darmowej

energii

[Bogdanienko,

1989;

Gronowicz, 2008;Knaga, 2009; Lewandowski, 2006].

Energia słoneczna.

Wpływ na środowisko

Dziękujemy za

uwagę!

Dariusz Bujak,
Patrycja Cichoń,
Jerzy Cugowski,
Agnieszka Dobrowolska,
Filip Karpiński,
Paulina Modlińska,
Marceli Ptak,
Michał Słomski,

Katarzyna Sztangreciak,
Dominika Wartacz.