Energia słoneczna- alternatywny sposób pozyskiwania energii
Słońce jest jednym z miliarda ciał niebieskich, jest źródłem energii wszelkich znanych istot funkcjonujących na naszej planecie. Energia słoneczna dociera do Ziemi w ciągu 40 minut, jest w stanie dostarczyć zamówienia całorocznego człowieka na energię. Paliwa naturalne, czyli węgiel oraz ropa naftowa, eksploatowane ciągle w jednakowym tempie jak aktualnie skończą się w przyszłym stuleciu. Elektrownie jądrowe, które wydawać się były dobrą alternatywą są nieco ryzykowne, jak ukazała nam katastrofa w Czarnobylu (Ukraina) w 1986r. Ze wszelkich źródeł energii, energia słoneczna jest najmniej groźna. Promienie słoneczne, to ogromne źródło energii na naszej planecie, około 10000 razy większe, aniżeli aktualne zużycie energii. Obecnie bardzo niewielka ilość tego źródła jest stosowana metodami bezpośrednimi. Podstawową częścią energii stosowanej przez człowieka jest ciągle, węgiel, olej, naturalny gaz, co jest formą skumulowanej energii słonecznej. W czasie ostatnich 100 lat wykorzystaliśmy więcej energii aniżeli wszelkie generacje przed nami. Skutki tego są już odczuwalne! Zmiany klimatu są w stanie wpłynąć jeszcze bardziej dotkliwie dla naszych dzieci czy wnuków. Jesteśmy w stanie temu zapobiec! Stosujemy promieniowanie słoneczne. Energia słoneczna jest czysta, ekologiczna a co najważniejsze bezpłatna.
Promieniowanie słoneczne
W czasie 2 tygodni na naszą planetę dochodzi tyle energii w formie promieni słonecznych ile wszyscy ludzie funkcjonujący na naszej planecie ludzie wykorzystują w czasie jednego roku. Niestety nie jesteśmy w stanie zakryć całej naszej planety kolektorami słonecznymi. Prawie 30% promieniowania słonecznego jakie dochodzi do Ziemi jest odbijane przez atmosferę, 20% jest pochłaniane przez nią, natomiast jedynie 50% energii dochodzi do powierzchni naszej planety. Kilkanaście pożarów w ciepłych regionach Ziemi jest spowodowanych przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Pierwsze instalacje solarne zrobione były ponad 6500 lat temu. Pierwsze rozwiązania były wykorzystane przez Majów do nagrzewania pól uprawnych. 400 lat p.n.e. Grecy zastosowali promienie słoneczne, które były skupione w szklanej kuli, która wypełniona była wodą, do rozniecania ognia. Chińczycy, 200 lat p.n.e., zastosowali skrzywione zwierciadła by skupić promienie słoneczne. W najnowszych kuchenkach słonecznych promienie skupione wykorzystuje się do ogrzewania jedzenia. Skrzywiony koncentrator ogniskuje promienie słoneczne na produktach. Są także i takie kuchenki, które zamiast skrzywionego zwierciadła, mają płaskie reflektory, które ustawione są pod konkretnym kątem. Tak sama technologia jest wykorzystana w piecach przemysłowych. W Mont Louis, we Francji kilkupiętrowa budowla niewielkich reflektorów, specjalnie ułożonych, buduje wielkie, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia otrzymujemy temperaturę do 3000°C - właściwą do obróbki kilku metali. W ogniskowej lustra ilokowano piec hutniczy.
ENERGIA SŁONECZNA
W Kalifornii na pustyni Mojave, 200 km na północny wschód od Los Angeles, w latach 1984-1992 otworzono kompleks 13 elektrowni heliotermicznych o przeróżnej mocy. Także w Kalifornii w 1984 r. otworzono elektrownię Carissa Plain produkującą energię elektryczną metodą helioelektryczną. Sposób ten polega od razu na zamianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną przy pomocy ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa te zamieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, ale również promieniowanie rozproszone, przy zachmurzeniu. Elektrownia helioelektryczna o mocy 300 kW działa również od 1983 r. na niemieckiej wyspie Pellworm, która mieści się na Morzu Północnym.
Obecnie w Europie ogromna elektrownia słoneczna działa we Włoszech, produkując prąd o mocy 3,3 MW. Grecja ma w planach zbudować do 2003 r. największą na świecie elektrownię słoneczną. Będzie ona w stanie wyprodukować prąd o mocy 50 MW, co spowoduje, że energii elektrycznej wystarczy dla 100 tys. mieszkańców.
Elektrownie słoneczne charakteryzują się ogromnymi cenami ich produkcji, co sprawia, iż większe nadzieje związane są z zastosowaniem energii słonecznej w niewielkich instalacjach, do wyrobu ciepłej wody.
I dlatego teraz przedstawimy kilka możliwości bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej w energię elektryczną np.
-Baterie słoneczne - łączone szeregowo ogniwa słoneczne
Baterie słoneczne są to przyrządy elektroniczne, gdzie zastosowane są zjawiska fotowoltaniczne do zamiany światła na prąd elektryczny (zamieniaj światło na energię elektryczną). Wszystkie niewielkie ogniwa produkują niewielki prąd. Natomiast ogromna liczba ogniw, wzajemnie złączonych może wyprodukować prąd o użytecznej mocy. Ogniwa te są skonstruowane z cienkich warstw półprzewodników. Na ogół z krzemu. Niejednokrotnie stosuje się arszenik galu, gdyż zezwala na pracę ogniw w dużych temperaturach. Jest to ważne w wykorzystaniach w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest bardzo silne.
Pośród ogniw jesteśmy w stanie wyróżnić min. Ogniwa o pojedynczych (monokrystalicznych), wielokrystalicznych (polikrystaliczne) lub cienkowarstwowych (amorficzne). Różnica pomiędzy ogniwem mono- oraz polikrystalicznym jest niewielka, dlatego chodzi o przeróżny sposób wyrób materiału bazowego ogniwa. Na skutek jednolitego materiału ogniwo monokrystaliczne ma trochę większą sprawność, tzn, że produkuje trochę więcej energii na jednostkę powierzchni, aniżeli ogniwo polikrystaliczne. Różnica jest bardzo mała, 12-15% dla monokrystalicznego oraz 10-14 % dla polikrystalicznego.
Na ogół ogniwo słoneczne z krystalicznego krzemu o wymiarach ok. 10 x 10 cm ma nominalne napięcie ok. 0,5 V. Są również baterie z przeróżną ilością ogniw, w zależności od wykorzystania, jak i od jakości ogniw. Bateria słoneczna, którą będziemy używać do ładowania baterii ołowiowych na naszej długości oraz szerokości geograficznej, wymaga co najmniej 30 ogniw. Jeśli chodzi o monokrystaliczne, oraz 32 ogniwa, jeśli chodzi o ogniwa polikrystaliczne. Przy rosnącej temperaturze napięcie ogniwa maleje, co znaczy, iż może być konieczna jeszcze bateria z dużą ilością ogniw ( o ile jest bardzo ciepła w miejscu, gdzie będzie ona umieszczona).
Zwykła bateria składa się z 30-32 ogniw ma największą moc rzędu 40-45 W. Pozostałe wielkości jesteśmy w stanie uzyskać przez albo dołożenie dużej ilości ogniw, lub przez podział ogniwa na niewielkie części. Jest to jednak bardzo drogie, gdyż potrzebuje dodatkowych zabiegów w procesie wyrobu.
Bateria cienkowarstwowa wyrabiana jest takimi metodami, iż nakłada się cienką warstwę aktywnej substancji na wcześniej przygotowaną szybę ze szkła. Baterie słoneczne muszą być montowane takimi metodami, by były najbardziej zwrócone do światła. Moc na początku jest wprost proporcjonalna do ilości energii odbieranej z baterii. Kierunek skierowania powinien być wybrany między południowym wschodem a południowym zachodem, Natomiast miejsce musi być bardzo jasne. Panele krystaliczne są szczególnie wrażliwe na zaciemnienie, Dlatego nawet jeśli jedno ogniwo w baterii jest zacienione traci się ogromną energię. Półcień nie jest tak szkodliwy, jak całkowite zacienienie. Kąt ustawienia w stronę słońca ma także wpływ, Podczas półrocza zimowego jest istotne, by panel był skierowany pod kątem prostym do promieni słonecznych. Natomiast w czasie lata kąt może wynosić 30-45 stopni. Bateria słoneczna wytwarza energię także wtedy, gdy słońce jest za chmurami, ale oczywiście energia, która jest wyprodukowana wtedy jest uzależniona od natężenia promieniowania świetlnego. W ciepły, letni słoneczny dzień napromieniowanie może wynosić ona nawet do 1000 W/m2. W tym momencie jesteśmy w stanie ładować akumulator największym prądem 3 A, jeśli jest on całkowicie naładowany.
Natomiast w deszczowy, pochmurny letni dzień napromieniowanie równe jest jedynie ok. 200 W/m2 . Wtedy prąd nie będzie większy aniżeli ok. 0,5 A.
Baterie wykorzystuje się także w niewielkich kalkulatorach oraz zegarkach. W 1981 r. słoneczny samolot Solar Challengerer przeleciał nad kanałem La Manche gdzie jako źródło zasilania wykorzystywał jedynie energię słoneczna. Skrzydła tegoż samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny. Samolot, który przypominał samochód, był zasilany z baterii słonecznych uzyskał prędkość największą 67 km/h w 1987 r w czasie wyścigów tego rodzaju pojazdów, na dystansie 3138 km. Na Florydzie, w USA publiczne automaty telefoniczne są zasilane przez baterie słoneczne, które są zamontowane na chroniącym je dachu.
- Nagrzewanie domów
Wszelkie domy są nagrzewane przez słońce, niestety tylko garstka z nich jest tak zbudowana, by otrzymać jak największa ilość energii cieplnej. Daje to możliwość znacznej redukcji zamówienia na energię. W tego typu domach ogromne okna zaprojektowane są od strony najbardziej nasłonecznionej, natomiast niewielkie od przeciwnej. W pewnych rozwiązaniach wykorzystuje się zasłony, które izolują ciepło. Zamyka się je na noc co nie pozwala na uciekanie ciepła zgromadzonego w ciągu dnia. Tego typu rozwiązania są tzw. systemem pasywnym. Dodatkowo energię słoneczną można wykorzystać do nagrzania wody. Promienie słoneczne nagrzewają wodę, która płynie przez płaskie panele, które tworzą kolektory pochłaniające ciepło. Kolektory słoneczne zrobione są z bardzo dobrej jakości substancji takich jak: miedź, aluminium, specyficzne szkło solarne oraz izolacja cieplna,. Panele te lokuje się na ogół na dachach domów, pod kątem, który zapewnia maksymalne pobieranie ciepła słonecznego. Zimna woda jest pompowana do paneli. Tam jest ona nagrzewana przez ciepło pochłaniane z promieni słonecznych. Są one w stanie ogrzać wodę do 40°C, co przy ogrzewaniu podłogowym może wystarczyć na ogrzanie całego domu.
Znacznie potężniejsze kolektory słoneczne, które są w stanie podgrzać wodę do temperatury 65°C stosowane są w rolnictwie, do nagrzewania basenów kąpielowych i do produkowania ciepłej wody tam, gdzie nie ma systemów ciepłowniczych
Aktualnie znamy dwa typy kolektorów: płaskie i skupiające.
Płaskie kolektory słoneczne są świetnym rozwiązaniem dla naszych warunków klimatycznych. Bierze się to stąd, że promieniowanie słoneczne które dociera do powierzchnię naszej planety podzielić można na promieniowanie bezpośrednie oraz tzw. rozproszone. Udział promieniowania rozproszonego w całkowitym da się oszacować na poziomie 50% w skali roku. Nie wszelkie znane typy kolektorów słonecznych są w stanie działać przy promieniowaniu rozproszonym.
Właściwością płaskich kolektorów słonecznych jest to, że działają one jedynie w warunkach promieniowania rozproszonego. W optymalnych warunkach pogodowych, gdzie niebo jest bezchmurne gęstość promieniowania równa się w przybliżeniu 1000 W/m2, natomiast w pozostałych warunkach gęstość promieniowania słonecznego które pada na powierzchnię naszej planety kształtuje się takimi właśnie metodami.
Kolektory skupiające działają jedynie przy promieniowaniu bezpośrednim. Czyli w czasie, gdy jest promieniowanie rozproszone, kolektory te nie działają.
Z uwagi na cechę kolektorów, gdzie wydzielana jest energia cieplna na skutek pochłaniania energii promieniowania słonecznego, nie da się wyłączyć kolektorów (poza ich przykryciem np. jakaś substancją). Jeśli promieniowanie słoneczne jakie pada na kolektor jest bardzo mocne oraz gdy nie ma odbioru energii cieplnej (np. na skutek zaniku energii elektrycznej), bardzo szybko rośnie temperatura oraz ciśnienie w układzie. Doprowadza to na ogół do otwarcia zaworu bezpieczeństwa.
Są także kolektory słoneczne z próżniowymi rurami szklanymi, gdzie jest się rura złączona z absorberem. Trzeba wliczyć je do grupy kolektory płaskie. W środku rury jest ciecz, która w cyklu parowanie-kondensacja przekazuje energię cieplną wyprodukowaną w absorberze do strefy skraplania, gdzie dochodzi do odbioru ciepła do wody ogrzewanej.
Wzrastające ceny energii oraz świadomość konieczności pracowania na rzecz ochrony środowiska naturalnego, sprawiają coraz to szersze zaciekawienie zastosowaniem energii słonecznej. Kolektory słoneczne zaoszczędzają nawet do 75% energii koniecznej do przygotowania ciepłej wody użytkowej i do 40% ciepła wykorzystywanego na ogrzewanie. Oszczędność każdej kilowatogodziny energii cieplnej daje możliwość na pomniejszenie wysyłania tlenków węgla od 0,56 do 1,1 kg, jak również w zależności od jakości paliwa także konkretne ilości tlenków siarki czy azotu.
- można stosować energie słoneczną do innych celów takich jak;
Do ładowania akumulatorów, co powoduje wykorzystanie energii elektrycznej także w nocy. Raz umieszczone nie potrzebują naprawy przez kilka lat.
W Wielkiej Brytanii pewne niezamieszkane mieszkania są zasilane przez energię słoneczną.
Również stacje meteorologiczne wykorzystują baterie słoneczne. Ilość energii jaka pochodzi z baterii słonecznych nie jest uzależniona od temperatury środowiska, ale od nasłonecznienia. W związku z tym też jest możliwe, by latarnia o mocy 320 Kw. na lądowisku samolotów działała na zamarzniętej Alasce.
Nowoczesna technika ogniw fotowoltaicznych może być wykorzystywana w stacji kosmicznej Fredom budowanej w USA. Będzie ona zaopatrzona w osiem skrzydeł, fotowoltaicznych, które pozwolą na wyprodukowanie energii elektrycznej o mocy rzędu 75 kW. Możliwe, iż w kolejnym stuleciu, będziemy mogli korzystać z energii jaka jest dostarczana z kosmosu. Ten plan zakłada wystrzelenie na orbitę około ziemską zestawu 40 satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS - Solar Power Satelites), które wyposażone będą w ogromne panele baterii słonecznych. Wyprodukowana elektryczność powinna być zamieniana na promieniowanie mikrofalowe, wysyłane do odbiorników na naszej planecie, gdzie dojdzie po raz kolejny do zamiany mikrofal na prąd elektryczny. Według Europejskiej Agencji Przestrzeni Kosmicznej 40 SPS-ów zaspokoi jedna czwarta zamówienia na energię elektryczna Zjednoczonej Europy do 2040 roku. Niestety mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych mogłyby spalić wszelkie niemetalowe przedmioty i żywe istoty jakie napotkałyby na swojej drodze. Kilku badaczy twierdzi, iż już niedługo będziemy mogli korzystać z energii wyprodukowanej w przestrzeni okołoziemskiej. Więc w następnym stuleciu satelitarne elektrownie słoneczne (SPS) będą w stanie rozwiązać kłopot pokrycia zamówienia na energię.
.
W Szwajcarii napisano także nowoczesną metodę spożytkowania energii słonecznej. Na szosie niedaleko Interlaken oddano do użytku instalację, która w ciągu lata zbiera ciepło z nagrzanej promieniowaniem słonecznym ulicy, natomiast zimą oddaje je oraz nagrzewa ulicę, przeciwdziałając jej chłodzeniu. Zasada pracy takiej instalacji są następujące. Pod jezdnią umieszcza się ogromną wężownicę, przez które płynie mieszanka wody oraz glikolu. Nagrana ciecz skierowana jest następnie do środka góry, gdzie dochodzi do oddawania ciepła skałom przy pomocy 91 sond zrobionych z polietylenu. Latem, kiedy temperatura asfaltu jest większa niejednokrotnie niż 60°C, skały w środku góry nagrzewają się do ponad 20°C. Cała góra może akumulować 200 tys. kWh energii cieplnej, którą zimą po woli wykorzystuje. W naszym kraju nasłonecznienie trwa 1600 godzin w skali roku. Na konstrukcję helioelektrowni oraz elektrociepłowni nie posiadamy zatem odpowiednich warunków.
Utworzono już pierwsze, które należą do prywatnych osób, obiekty, gdzie energia słoneczna stosowana jest do nagrzewania wody w basenach kąpielowych oraz nagrzewania budowli w okresie przejściowym.
KOLEKTORY SŁONECZNE
Konstrukcja kolektora
Kolektory słoneczne są przyrządami wysokowydajnym wykorzystywanymi do zamiany energii słonecznej na niskopotencjalne ciepło, czyli na energię, którą jesteśmy w stanie od razu wykorzystywać.. Przyrządy te, bardzo często wykorzystuje się do nagrzewania wody użytkowej. Energia słoneczna, która wypromieniuje wnika przez specyficzne, dobrze przepuszczalne szkło oraz jest wchłaniane przez wysokowydajną warstwę rozdzielczą na podkładzie aluminiowym. Z powierzchni odbijającej kolektora przedostaje się ciepło do rury wykonanej z miedzi albo aluminium zgiętej w kształcie litery "S". Z niej później przedostaje się do cieczy przenoszącej ciepło. Ciecz jest przenoszona rurami zbiorczymi do wyjścia z kolektora. Wszelkie części funkcyjne kolektora są ułożone pomiędzy zabezpieczającym hartowanym szkłem przykrywającym oraz wanną aluminiową, która jest wypełniona doskonale izolującą substancją.