Rola energii słonecznej na Ziemi
Alternatywne źródła energi - energia słoneczna, kolektory słoneczne.
Słońce jest jedną z miliarda gwiazd, jest źródłem energii wszystkich znanych istot żyjących na Ziemi. Energia słoneczna docierająca na Ziemię w ciągu 40 minut pokryłaby zapotrzebowanie całoroczne człowieka. Paliwa naturalne, takie jak węgiel i ropa naftowa, eksploatowane nadal w takim samym tempie jak obecnie wyczerpią się w przyszłym stuleciu. Elektrownie jądrowe, które wydawały się być dobrą alternatywą są dość ryzykowne, jak pokazała katastrofa w Czarnobylu (Ukraina) w 1986r. Ze wszystkich źródeł energii, energia słoneczna jest najbezpieczniejsza. Promienie słoneczne, to największe źródło energii na Ziemi, około 10000 razy większe, niż obecne zużycie energii. Aktualnie bardzo mała ilość tego źródła jest wykorzystywana w sposób bezpośredni. Główną częścią energii wykorzystanej przez człowieka jest min, węgiel, olej, naturalny gaz, co nie jest niczym innym, jak formą skumulowanej energii słonecznej. W ciągu ostatnich 100 lat zużyliśmy więcej energii niż wszystkie generacje przed nami. Skutki tego już odczuwamy! Zmiany klimatu mogą być jeszcze bardziej dotkliwie dla naszych dzieci i wnuków. Można temu zaradzić! Wykorzystujmy promieniowanie słoneczne. Energia słoneczna jest czysta ekologiczna a przede wszystkim za darmo.
Promieniowanie słoneczne
W ciągu 2 tygodni na ziemię dociera tyle energii w postaci promieni słonecznych ile wykorzystują wszyscy ludzie na ziemi w ciągu roku. Niestety nie możliwe jest pokrycie całej ziemi kolektorami słonecznymi. 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. Wiele pożarów w gorących regionach Ziemi jest wywołanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Pierwsze instalacje solarne były wykonywane już 6500 lat temu. Pierwsze rozwiązania były stosowane przez Majów do ogrzewania pól uprawnych. 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne, skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą, do rozniecania ognia. Chińczycy, 200 lat p.n.e., wykorzystywali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych. W nowoczesnych kuchenkach słonecznych skupiane promienie służą do podgrzewania żywności. Zakrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Niektóre kuchenki, zamiast zakrzywionego zwierciadła, wykorzystują płaskie reflektory, ustawione pod odpowiednim kątem. Podobna technika jest stosowana w piecach przemysłowych. W Mont Louis, we Francji wielopiętrowa konstrukcja małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę do 3000°C - właściwą do obróbki wielu metali. W ogniskowej lustra umieszczono piec hutniczy.
Energia słoneczna
W Kalifornii na pustyni Mojave, 200 km na północny wschód od Los Angeles, w latach 1984-1992 powstał kompleks 13 elektrowni heliotermicznych o różnej mocy. Również w Kalifornii w 1984 r. uruchomiono elektrownię Carissa Plain wytwarzającą energię elektryczną metodą helioelektryczną. Metoda ta polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, lecz także promieniowanie rozproszone, przy zachmurzeniu. Elektrownia helioelektryczna o mocy 300 kW pracuje także od 1983 r. na niemieckiej wyspie Pellworm leżącej na Morzu Północnym.
Aktualnie w Europie największa elektrownia słoneczna pracuje we Włoszech, wytwarzając prąd o mocy 3,3 MW. Grecja ma zamiar wybudować do 2003 r. największą na świecie elektrownię słoneczną. Będzie ona wytwarzała prąd o mocy 50 MW, co zapewni energię elektryczną dla 100 tys. Mieszkańców.
Elektrownie słoneczne odznaczają się wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, co powoduje, że większe nadzieje wiąże się z wykorzystaniem energii słonecznej w małych instalacjach, do produkcji ciepłej wody.
W związku z tym chciałbym przedstawić kilka przykładów bezpośredniego zastosowania energii słonecznej w energię elektryczną np.
-Baterie słoneczne - połączone szeregowo ogniwa słoneczne
Baterie słoneczne są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaniczne do zamiany światła na prąd elektryczny(przetwarzają światło na energię elektryczną). Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd. Ale duża liczba ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z cienkich warstw półprzewodników. Zwykle z krzemu. Czasem wykorzystuje się arszenik galu, ponieważ pozwala na pracę ogniw w wysokich temperaturach. Jest to istotne w zastosowaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.Pośród ogniw możemy wyróżnić min. się o ogniwa pojedyne(monokrystalicznych), wielokrystaliczne (polikrystaliczne) albo cienkowarstwowe (amorficzne). Różnica między ogniwem mono- i polikrystalicznym nie jest zbyt duża, właściwie chodzi o różny sposób produkcji materiału bazowego ogniwa. Dzięki jednolitemu materiałowi ogniwo monokrystaliczne ma nieco wyższą sprawność, tzn, że wytwarza nieco więcej energii na jednostkę powierzchni, niż ogniwo polikrystaliczne. Różnica jest jednak niewielka, 12-15% dla monokrystalicznego i 10-14 % dla polikrystalicznego.
Zwykłe ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu o wymiarach ok. 10 x 10 cm ma nominalne napięcie ok. 0,5 V. Istnieją baterie z różną ilością ogniw, w zależności od zastosowania, jak i od jakości ogniw. Bateria słoneczna, która będzie używana do ładowania baterii ołowiowych na naszej długości i szerokości geograficznej, potrzebuje co najmniej 30 ogniw, jeśli chodzi o monokrystaliczne, i 32 ogniwa, jeżeli chodzi o ogniwa polikrystaliczne. Przy wzrastającej temperaturze napięcie ogniwa spada, co oznacza, że może być potrzebna bateria z jeszcze większą ilością ogniw ( o ile jest bardzo gorąco w miejscu, gdzie będzie ona zainstalowana).
Zwykła bateria składająca się z 30-32 ogniw ma maksymalną moc rzędu 40-45 W. Inne wielkości można otrzymać poprzez albo dołożenie większej ilości ogniw, albo poprzez podział ogniwa na mniejsze części. Jest to jednak dość drogie, ponieważ wymaga dodatkowych zabiegów w procesie produkcji.
Bateria cienkowarstowa produkowana jest w ten sposób, że nakłada się cienką warstwę aktywnego materiału na specjalnie przygotowaną szybę ze szkła. Baterie słoneczne powinny być montowane w ten sposób, aby były maksymalnie wyeksponowane do światła. Moc wyjściowa jest wprost proporcjonalna do ilości energii odbieranej z baterii. Kierunek ustawienia powinno się wybierać pomiędzy południowym wschodem i południowym zachodem, a miejsce powinno być nie ocienione. Panele krystaliczne są szczególnie wrażliwe na zaciemnienie i nawet jeżeli jedno ogniwo w baterii jest zacienione traci się dużą część energii. Półcień nie jest tak niebezpieczny, jak całkowite zacienienie. Kąt ustawienia w kierunku słońca ma również znaczenie; w czasie półrocza zimowego jest ważne, aby panel był ustawiony pod kątem prostym do promieni słonecznych, podczas gdy w letniej porze roku wystarczy kąt 30-45 stopni. Bateria słoneczna produkuje energię również wówczas, gdy słońce jest za chmurami, lecz oczywiście energia, która jest produkowana jest zależna od natężenia promieniowania świetlnego. W słoneczny, letni dzień napromieniowanie wynosi aż do 1000 W/m2 i w tym czasie można ładować akumulator maksymalnie prądem 3 A, o ile oczywiście jest on już w pełni naładowany.
W pochmurny, letni dzień napromieniowanie może wynieść tylko ok. 200 W/m2 i wówczas prąd nie będzie większy niż ok. 0,5 A.
Baterii używa się również w małych kalkulatorach i zegarkach. W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challengerer przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczna. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Pojazd przypominający samochód, który był zasilany z baterii słonecznych osiągnął prędkość maksymalną 67 km/h w 1987 r podczas wyścigów tego typu pojazdów, na dystansie 3138 km. Na Florydzie, w Stanach Zjednoczonych publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne montowane na chroniącym je dachu.
Ogrzewanie domów
Wszystkie domy są ogrzewane przez słońce, ale tylko niektóre są skonstruowane w taki sposób, aby uzyskać jak najwięcej energii cieplnej. Umożliwia to znaczną redukcję zapotrzebowania energii. W takich domach duże okna projektuje się od strony najbardziej nasłonecznionej, a małe od przeciwnej. W niektórych rozwiązaniach stosuje się zasłony izolujące ciepło, które zamykane na noc nie Pozwalają na ucieczkę ciepła nagromadzonego w dzień. Takie rozwiązanie jest tzw. systemem pasywnym. Inne zastosowanie energii słonecznej w domu polega na podgrzewaniu wody. Promienie słoneczne podgrzewają wodę, która przepływa przez płaskie panele tworzące kolektory absorbujące ciepło. Kolektory słoneczne wykonane są z wysokiej jakości materiałów jak: miedź, aluminium, specjalne szkło solarne i izolacja cieplna. Te panele umieszcza się zazwyczaj na dachu domu, pod kątem zapewniającym największy pobór ciepła słonecznego. Zimna woda jest pompowana do paneli i tam podgrzewana przez ciepło absorbowane z promieni słonecznych. Umożliwiają one ogrzanie wody do 40°C, co przy ogrzewaniu podłogowym wystarcza do ogrzania całego domu.
Większe kolektory słoneczne, podgrzewające wodę do temperatury 65°C. Wykorzystywane są w rolnictwie, do ogrzewania basenów kąpielowych oraz do wytwarzania ciepłej wody tam, gdzie nie ma systemów ciepłowniczych
Ogólnie są znane dwa rodzaje kolektorów: płaskie oraz skupiające.
Płaskie kolektory słoneczne są idealnym rozwiązaniem dla , warunków klimatu polskiego. Wynika to m.in. z faktu, iż promieniowanie słoneczne docierające na powierzchnię ziemi dzieli się na promieniowanie bezpośrednie i tzw. rozproszone. Udział promieniowania rozproszonego w całkowitym można szacować na poziomie 50% w skali roku. Nie wszystkie rodzaje kolektorów słonecznych mogą pracować przy promieniowaniu rozproszonym. Cechą płaskich kolektorów słonecznych jest fakt, iż pracują one nawet w warunkach promieniowania rozproszonego. W optymalnych warunkach pogodowych przy bezchmurnym niebie gęstość promieniowania wynosi około 1000 W/m2, w innych warunkach gęstość promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię ziemi kształtuje się następująco
Kolektory skupiające pracują tylko przy promieniowaniu bezpośrednim. W czasie, gdy występuje promieniowanie rozproszone, kolektory te nie pracują.
Z uwagi na własności kolektorów, w których wydziela się energia cieplna wskutek pochłaniania energii promieniowania słonecznego, praktycznie nie można wyłączyć kolektorów (poza ich przykryciem np. materiałem). Jeżeli promieniowanie słoneczne padające na kolektor jest intensywne i nie ma odbioru energii cieplnej (np. wskutek zaniku energii elektrycznej), stosunkowo gwałtownie wzrasta temperatura i ciśnienie w układzie. Prowadzi to z reguły do otwarcia zaworu bezpieczeństwa.
Istnieją również kolektory słoneczne z próżniowymi rurami szklanymi, w których znajduje się rura połączona z absorberem. Należy zaliczyć je do grupy kolektorów płaskich. Wewnątrz rury jest ciecz, która w cyklu parowanie-kondensacja przekazuje energię cieplną wytworzoną w absorberze do strefy skraplania, gdzie następuje odbiór ciepła do wody ogrzewanej.
Rosnące ceny energii i świadomość konieczności działania na rzecz ochrony środowiska naturalnego, powodują coraz większe zainteresowanie wykorzystaniem energii słonecznej. Kolektory słoneczne mogą w ciągu roku zaoszczędzić średnio nawet do 75% energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz do 40% ciepła zużywanego na ogrzewanie. Zaoszczędzanie każdej kilowatogodziny energii cieplnej pozwala zmniejszyć emisję tlenków węgla od 0,56 do 1,1 kg a także w zależności od jakości paliwa również odpowiednie ilości tlenków siarki i azotu.
- można wykorzystać energie słoneczną do innych celów takich jak;
Do ładowania akumulatorów, co umożliwia korzystanie z energii elektrycznej również w nocy. Raz zamontowane nic wymagają konserwacji przez wiele lat.
W Wielkiej Brytanii niektóre niezamieszkane domy są zasilane energią słoneczną.
Także stacje meteorologiczne korzystają z baterii słonecznych. Ilość energii pochodząca z baterii słonecznej nie zależy od temperatury otoczenia, a od nasłonecznienia. Dlatego też jest możliwe, aby latarnia o mocy 320 kW na lądowisku samolotów pracowała na zamarzniętej Alasce.
Najnowsza technologia ogniw fotowoltanicznych ma być zastosowana w stacji kosmicznej Freedom konstruowanej w Stanach Zjednoczonych. Ma być ona wyposażona w osiem skrzydeł, fotowoltanicznych, które umożliwili wytworzenie energii elektrycznej o mocy 75 kW. Możliwe, że w następnym stuleciu, będziemy korzystać z energii dostarczanej z przestrzeni kosmicznej. Ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę około ziemską zestawu 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 mikrofal w prąd elektryczny. Zdaniem Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej 40 SPS-ów zaspokoi jedna czwarta zapotrzebowania na energię elektryczna Zjednoczonej Europy do 2040 roku. Niestety mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłyby wszystkie napotkane na drodze niemetalowe przedmioty oraz żywe istoty. Wielu naukowców uważa jednak, że w niedalekiej przyszłości będziemy korzystać z energii wytworzonej w przestrzeni okołoziemskiej. Może w następnym stuleciu satelitarne elektrownie słoneczne (SPS) rozwiążą problem pokrycia zapotrzebowania na energię.
W Szwajcarii opracowano również nowy sposób spożytkowania energii słonecznej. Na szosie w pobliżu Interlaken oddano do użytku instalację, która “zbiera” latem ciepło z rozgrzanej promieniowaniem słonecznym szosy, natomiast zimą oddaje je i podgrzewa jezdnię, przeciwdziałając jej oblodzeniu. Zasada działania instalacji jest następująca: pod jezdnią umieszczono wielkie wężownicę, przez które przepływa mieszanina wody i glikolu. Podgrzana ciecz kierowana jest do wnętrza góry, gdzie następuje oddawanie ciepła skałom za pośrednictwem 91 sond wykonanych z polietylenu. Latem, gdy temperatura asfaltu często przekracza 60°C, skały wewnątrz góry podgrzewają się do ok. 20°C. Cała góra może akumulować 200 tys. kWh energii cieplnej, którą zimą stopniowo się wykorzystuje. W Polsce nasłonecznienie trwa 1600 godzin w skali roku. Na budowę helioelektrowni i elektrociepłowni nie mamy wiec odpowiednich warunków.
Powstały już pierwsze, należące do właścicieli prywatnych, obiekty, w których energia słoneczna wykorzystywana jest do podgrzewania wody w basenach kąpielowych i ogrzewania budynków w okresie przejściowym.
KOLEKTORY SŁONECZNE
Budowa kolektora
Kolektor słoneczny jest urządzeniem wysokowydajnym stosowanym w celu przetworzenia energii słonecznej na niskopotencjalne ciepło, czyli na energię, która może być wprost wykorzystywana przez człowieka. Urządzenia te, najczęściej są stosowane do podgrzewania wody użytkowej. Wypromieniowana energia słoneczna przenika przez specjalne, dobrze przepuszczalne szkło i jest pochłaniana przez wysokowydajną warstwę rozdzielczą na podkładzie aluminiowym. Z powierzchni absorbcyjnej kolektora przechodzi ciepło do rury miedzianej lub aluminiowej zgiętej w kształcie litery "S", a z niej dalej, do cieczy przenoszącej ciepło. Ciecz jest transportowana rurami zbiorczymi do wyjścia z kolektora. Wszystkie części funkcyjne kolektora są umiejscowione między zabezpieczającym hartowanym szkłem przykrywającym i wanną aluminiową wypełnioną dobrze izolującym materiałem
Opracował: Jan Kozyra kl. III TB