Wykorzystywanie energii słonecznej
Około 30% promieniowania słonecznego
dochodzÄ…cego do naszej planety jest odbijane
przez atmosferÄ™, 20% jest przez niÄ…
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
60m2. Jest to duża powierzchnia i oprócz
ogrzewania słonecznego użytkownicy
wykorzystujÄ… energiÄ™ elektrycznÄ….
Wykorzystanie energii promieniowania
słonecznego do ogrzewania domu
Montaż modułów fotowoltaicznych na
dachu domu
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 z
ródeł. 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.
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 oC - 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 nastÄ…pi znowu zamiana w prÄ…d elektryczny. Niestety, mikrofalowe wiÄ…zki energii z
satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłby wszystkie napotykane na drodze niemetalowe
przedmioty oraz żywe istoty.
Zasada działania baterii słonecznych
Niestety aby dokładnie wyjaśnić to zjawisko
musimy przedstawić podstawowe własności
półprzewodników i złącza p-n.
W półprzewodniku za przewodzenie prądu
odpowiedzialne sÄ… swobodne elektrony,
których jest dużo mniej niż w metalach i
puste miejsca po elektronach, które mogą
się przemieszczać więc traktujemy je jako
Å‚adunki 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 przechodzÄ… 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. A
adunek
jonów dodatnich i ujemnych po obu
Bariera potencjału
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
z
ródła 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
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
wybijajÄ… elektrony z sieci krystalicznej i stajÄ… siÄ™
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
Budowa baterii słonecznej
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 słoneczna
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 z
ródeł
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 (dziÅ› 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 osiemdziesiÄ…tych jego firma, przy współudziale rzÄ…du 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 przesÄ…dza 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-
40oC wyższej niż na zewnątrz. To spowoduje
ruch powietrza do środka, w stronę
Zasada działania "Wieży Słońca"
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
przetworzÄ… energiÄ™ mechanicznÄ… na elektrycznÄ….
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
dwutlenku węgla). Dopiero po dwóch i pół roku pracy bez dymu i spalin Wieża zniweluje straty,
jakie środowisko poniesie przy jej wznoszeniu.