Jak ujarzmić energię słoneczną?
SÅ‚awomir M. Kuberski
Katedra Inżynierii Molekularnej
& choćby trochę
1
Energia promieniowania słonecznego docieraj ze Słońca w postaci promieniowania
elektromagnetycznego. Ziemia otrzymuje energię stanowiącą około 0,5 x 10-9 całkowitej
energii emitowanej przez słońce. Jako wartość stałej słonecznej przyjmuje się 1368 W/m2.
Natężenie promieniowania słonecznego jest praktycznie stałe. Ze względu na eliptyczność
orbity Ziemi stała słoneczna zmienia się od 1389 W/m2 {3-01} do 2308 W/m2 {4-07}.
Rocznie do zewnętrznej warstwy atmosfery Ziemi dociera około 5,5 x 1021 kJ energii
promieniowania słonecznego; z tego 3,94 x 1021 kJ osiąga biosferę Ziemi. 2,52 x 1021 kJ
jest absorbowane przez powierzchnię lądów i oceanów.
Promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi można podzielić na dwie składowe:
promieniowanie bezpośrednie i promieniowanie rozproszone.
Całkowita energia docierająca do Ziemi ulega zmniejszeniu w wyniku selektywnej
absorpcji przez czÄ…steczki powietrza oraz czÄ…stki kurzu i kropelki wody w cienkich
warstwach chmur. Gruba powłoka chmur całkowicie eliminuje promieniowanie
bezpośrednie; do powierzchni Ziemi dociera wówczas tylko promieniowanie rozproszone.
2
 Energia słoneczna gromadzi się w postaci energii wewnętrznej lądów i oceanów,
materiałów naturalnych i sztucznych (przez ich ogrzanie) oraz energii biomasy
wytworzonej w procesie fotosyntezy. Energia słoneczna może być bezpośrednio
przetworzona na elektrycznÄ… w fotoogniwach (energia fotowoltaiczna). ZasadniczÄ… wadÄ…
energii słonecznej jako z
ródła energii, sprawiającą trudność w jej wykorzystaniu, jest jej
małe natężenie i nieregularna dostępność związana z cyklem dobowym i rocznym oraz
zmianami klimatycznymi.
Układy energetyczne wykorzystujące jako z
ródło promieniowanie słoneczne, ze
względu na jego okresowość i zmienność w czasie (godziny, dni, pory roku), muszą być
dodatkowo wyposażone w układ akumulacji energii lub wykorzystywać inne z
ródło
energii.
Opłacalność otrzymywania energii elektrycznej z energii promieniowania słonecznego
wymaga jak największej liczby słonecznych dni w roku i małej wilgotności (para wodna
rozprasza efektywnie światło słoneczne).
3
Wielkość ta zdefiniowana jest dla średniej
odległości pomiędzy Ziemią, a Słońcem i wynosi
około 1366,1 Wm-2 (tj. 1,959 cal cm-2 min-1 =
0,0326 cal cm-2 s-1)
kW/m2
1. górna granica o promieniowanie docierające od 1,36
atmosfery Słońca
1. atmosfera ziemska o promieniowanie absorbowane 0,3
o -"- rozpraszane ~ 0,1
o -"- przechodzÄ…ce 1,0
1. powierzchnia Ziemi o promieniowanie odbite i rozpraszane 0,3
o promieniowanie efektywnie 0,7
docierajÄ…ce do powierzchni Ziemi
4
5
Transmisja względna
94 GHz 64 GHz 22 GHz 3 GHz
1,0
Straty
rozpraszania
Straty absorpcji poniżej linii strat
rozpraszania
0,5
0
0,1 1 10 100 1000 10000 100000
[mikrometry]
UV Vis IR FIR Mikrofale
Absorpcja promieniowania słonecznego przez atmosferę w funkcji energii
(długości fali EM)
6
Elektrownie słoneczne
Elektrownie słoneczne można podzielić według zasady działania na
heliotermiczne i helioelektryczne.
1. W elektrowniach heliotermicznych energia promieniowania słonecznego jest
zamieniana w kolektorach energii na energię cieplną, następnie w układach opartych na
obiegach cieplnych (np. obiegu Rankine a) jest zamieniana na energiÄ™ mechanicznÄ… i z
kolei elektryczną. Stosuje się albo rozproszony układ kolektorów słonecznych, albo układ
z kolektorem centralnym.
2. W elektrowniach helioelektrycznych wykorzystuje się połączone szerego-równolegle
układy fotoogniw (ogniw słonecznych), w których następuje konwersja energii
promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną. Obecna sprawność
fotoogniw dostępnych na rynku wynosi, zależnie od ich konstrukcji 12  16%.
7
 Produkcja i magazynowanie energii przez konwersjÄ™ fotochemicznÄ… ma jak siÄ™ wydaje,
duże możliwości. Dzięki zanurzonemu w ciekłym elektrolicie półprzewodnikowi energia
słoneczna może być albo bezpośrednio przemieniana w energię elektryczną, albo
magazynowana jako energia chemiczna w wyniku produkcji paliwa chemicznego, zwłaszcza
wodoru. W układzie elektrochemicznym światło słoneczne zastępuje konwencjonalne z
ródło
energii w procesie elektrolitycznego rozkładu wody.
Każdy z tych układów można wykorzystywać jako uzupełniające z
ródło energii
działające tylko wtedy, gdy świeci Słońce. Układ powinien być wyposażony w urządzenia
do chwilowego magazynowania niewielkiej ilości energii (np. wystarczające na 1 godzinę
pełnej mocy wyjściowej), dzięki któremu może dostarczyć energię w czasie krótkotrwałego
zniknięcia Słońca za chmurami. System ten można również uzupełniać konwencjonalnym
układem wytwarzania energii elektrycznej, zastępującym układ słoneczny w nocy i w dni
pochmurne. Mogą istnieć również układy wyposażone w akumulatory energii o dużej
pojemności, dzięki którym możliwe jest ciągłe dostarczanie energii.
8
Wieże słoneczne PS10 i PS20 koło
Sewilli w Hiszpanii
W wysokich temperaturach (ponad
2500 K) następuje termiczny rozkład
pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie
tak wysokiej temperatury jest możliwe
dzięki zastosowaniu
Elektrownia słoneczna Nellis w USA
9
Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem
wpływu atmosfery ziemskiej. Zaczernione obszary (kropki)
mogłyby pokryć całkowite światowe zapotrzebowanie na
energię pierwotną tj. 18 TW czyli 568 Eksadżuli (EJ)
rocznie), gdyby zostały pokryte ogniwami o efektywności 8%.
Teoretycznie dostępna energia
z
ródeł odnawialnych w
porównaniu z aktualnym
światowym zapotrzebowaniem
10
Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w
poszczególnych krajach w MW :
Wzrost
Region 2006 2008 2010 2011 2012 2013 Udział
2013/2012
Niemcy 2899 6120 17554 25039 32643 35948 10,1% 25,7%
Chiny 80 140 800 3300 7000 18300 161,4% 13,1%
50 458 3502 12803 16139 17600 9,1% 12,6%
WÅ‚ochy
Japonia 1709 2144 3618 4914 6743 13643 102,3% 9,8%
Stany
624 1169 2534 3910 7271 12022 65,3% 8,6%
Zjednoczone
Hiszpania 148 3635 4110 4472 4685 4828 3,1% 3,5%
Francja 44 186 1054 2660 3692 4632 25,5% 3,3%
70 105 571 1377 2407 3255 35,2% 2,3%
Australia
Belgia 4 108 1055 2057 2768 2983 7,8% 2,1%
Wielka
14 23 70 976 1900 2892 52,2% 2,1%
Brytania
Grecja 7 18 205 624 1536 2579 67,9% 1,8%
Indie 30 71 161 481 1176 2291 94,8% 1,6%
Czechy 1 64 1952 1959 2072 2160 4,2% 1,5%
11
W 99% składa się na nie krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali
od 0,1 do 4 µm z czego 45% przypada na promieniowanie widzialne Vis (0,38÷0,76 µm),
46% stanowią promienie podczerwone IR odczuwane przez nas w postaci ciepła
(0,76÷2000 µm), a 6-8% to promieniowanie nadfioletowe UV o dÅ‚ugoÅ›ci fali < 0,38 µm.
Pozostały l% promieniowania to promieniowanie EM spoza wymienionego zakresu oraz
emisja korpuskularna, w skład której wchodzą głównie protony i cząsteczki ą.
Napromieniowanie całkowite to suma energii promieniowania słonecznego.
Dla Polski przyjmuje się średnią wartość 3600 MJ/m2 w ciągu roku.
12
Natural weathering plant Arizona
13
Wysokość Ilość energii słonecznej docierającej do
Słońca powierzchni Ziemi
45º 55%
30º 34,5%
10º 6,5%
Ważnym wskaz
nikiem określającym, jaka część promieniowania słonecznego jest
pochłaniana przez Ziemię jest albedo, czyli stosunek natężenia promieniowania
słonecznego odbitego od powierzchni Ziemi do natężenia promieniowania padającego na
tÄ… powierzchniÄ™.
świeży śnieg - 75-95%
zielona trawa - 26%
asfalt - 5-10%
woda - 2-6%
las liściasty - 10-20%
czarnoziem - 10%
Średnie albedo kuli ziemskiej wynosi w zależności od z
ródła od 30% do 49%.
Obecnie Å›rednia roczna temperatura powierzchni Ziemi wynosi 15,0°C. Gdyby nasza
planeta byÅ‚a pokryta lasami jej temperatura siÄ™gaÅ‚aby 24,0°C, gdyby pokrywaÅ‚a jÄ…
pustynia -13,0°C. Pokrycie caÅ‚ej Ziemi przez oceany spowodowaÅ‚oby wzrost temperatury
do 32,0°C, gdyż wody oceanu sÄ… ciemne i majÄ… niższe albedo, zaÅ› gdyby caÅ‚Ä… ZiemiÄ™
pokrył lód to temperatura spadłaby do 1414(według J. Gourdeau, LaMP Clermont-
Ferrand, Francja).
14
Przetwarzanie energii solarnej
Metody:
oTermosłoneczne (kolektory słoneczne, stawy słoneczne, elektrownie słoneczne)
oFotofizyczne (fotoogniwa)
oFotochemiczne (biomasa, etanol, metanol, olej rzepakowy, biogaz)
oMechaniczne wody (Młyny wodne, elektrownie wodne, elektrownie falowania mórz,
elektrownie dyfuzyjne, elektrownie prądów morskich)
oMechaniczne wiatru (wiatraki, pompy wodne, siłownie wiatrowe)
Metody można pogrupować w trzy podstawowe rodzaje konwersji energii słonecznej:
oFototermiczną (przetworzenie na ciepło)
oFotowoltaicznÄ… (przetworzenie na energiÄ™ elektrycznÄ…)
oFotochemiczną (energia wiązań chemicznych)
15
Konwersja fototermiczna polega na zamianie energii promieni słonecznych w ciepło.
Można ją jeszcze podzielić na dwa typy, pasywną i aktywną, w zależności od tego czy
wytworzone ciepło transportowane jest bez udziału dodatkowych mechanizmów zasilanych
z innych z
ródeł energii czy też z ich udziałem.
o Pasywny typ konwersji znajduje zastosowanie głównie w małych, indywidualnych
instalacjach, np do ogrzewania domu, gdzie różnica gęstości powietrza zimnego oraz
nagrzanego powoduje swobodny, pasywny przepływ ciepła.
o Konwersja fototermiczna aktywna znajduje zastosowanie tak w instalacjach
indywidualnych jak i przemysłowych, np do ogrzewania wody, której transport
wspomagany jest m. in. przez pompy zasilane z innych z
ródeł energii, przeważnie
tradycyjnych.
Granice podziału pomiędzy dwoma wymienionymi sposobami wykorzystania
konwersji termicznej są dość płynne. Z jednej strony w systemach pasywnych dopuszcza się
stosowanie pewnych elementów regulujących przepływ energii uzyskanej z promieni
słonecznych. Gdy zastosowane są w tym celu urządzenia mechaniczne można mówić o
systemach semiaktywnych. Często celowo stosuje się uzupełniające się wzajemnie w jednej
instalacji grzewczej systemy pasywne i aktywne jednocześnie. Mówi się wtedy o systemach
kombinowanych.
16
Konwersja fotowoltaiczna polega na bezpośredniej zamianie energii promieniowania
słonecznego na energię elektryczną. Odbywa się to dzięki wykorzystaniu tzw. efektu
fotowoltaicznego polegającego na powstawaniu siły elektromotorycznej w materiałach
podczas ich ekspozycji na promieniowanie EM. Tylko w ogniwach wystawionych na
promieniowanie słoneczne, efekt fotowoltaiczny jest na tyle duży, aby mógł być praktycznie
dwykorzystywany do generacji energii elektrycznej. Ogniwa słoneczne łączy się ze sobą w
moduły fotowoltaiczne, a te z kolei w systemy fotowoltaiczne.
Systemy fotowoltaiczne można podzielić na systemy podłączone do sieci trójfazowej poprzez
specjalne urządzenie zwane falownikiem oraz systemy autonomiczne zasilające bezpośrednio
urządzenia prądu stałego, z wykorzystaniem okresowego magazynowania energii w
akumulatorach elektrochemicznych.
Klasyfikacja powyższa nie obejmuje słonecznych systemów z koncentratorami słonecznymi
oraz systemów dużej mocy wykorzystujące heliostaty stosowane na świecie w elektrowniach,
elektrociepłowniami i piecach słonecznych. Urządzenia te wykorzystują promieniowanie
bezpośrednie. W Polsce promieniowanie to stanowi w zależności od pory roku 25 -50%
promieniowania całkowitego. Znaczenie praktyczne tych technologii dla naszego kraju jest
marginalne.
17
Drewno w postaci kawałkowej, rozdrobnionej (zrębków, ścinków, wiórów, trocin, pyłu
drzewnego) oraz skompaktowanej (brykietów, peletów). Słoma i pozostałe biopaliwa z
roślin nie-zdrewniałych są wykorzystywane w postaci sprasowanych kostek i balotów,
sieczki jak też brykietów i peletów.
Korzyści z energetycznego wykorzystania biomasy
Korzyści inwestora to:
" wytworzenie energii tanim kosztem,
" redukcja opłat za korzystanie ze środowiska,
" efektywne zagospodarowanie bioodpadów (bez konieczności ich utylizacji),
" możliwość uzyskania pomocy finansowej z funduszy ekologicznych.
Korzyści globalne wiążą się z obniżeniem ujemnego wpływu na środowisko
wynikającego z zastosowania paliw kopalnych (emisja zanieczyszczeń, powstawanie
odpadów, degradacja gleb i krajobrazu), stanowią szansę zwiększenia przychodów dla
rolnictwa, gospodarki leśnej czy sadownictwa oraz stworzenia nowych miejsc pracy w
sektorze pozyskiwania i przygotowania biopaliow.
W warunkach polskich, w najbliższej perspektywie można spodziewać się, znacznego
wzrostu zainteresowania, wykorzystaniem biopaliw z drewna i słomy. Wykorzystanie
osadów ściekowych i makulatury jest marginalne. Naturalnym kierunkiem rozwoju
wykorzystania biopaliw z drewna i słomy jest i będzie produkcja energii cieplnej. W
dłuższej perspektywie przewiduje się wykorzystanie biopaliw stałych w instalacjach
kogeneracji ciepła i elektryczności (wytwarzania ciepła i elektryczności w skojarzeniu).
18
Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię
chemicznÄ…. Jak dotÄ…d na szerokÄ… skalÄ™ nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w
organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu
wynosi 19 34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%),
jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła
słonecznego.
Zasilany energią słoneczną Tramwaj
Wodny na Brdzie w centrum
Bydgoszczy
Zastosowanie ogniw
fotowoltaicznych do zasilania
budynku
19
Metoda fotochemiczna nie znajduje obecnie szerokiego zastosowania w energetyce, ale
jest wykorzystywana przez organizmy żywe i nosi nazwę fotosyntezy. Dzięki fotosyntezie
energia promieni słonecznych jest akumulowana w biomasie, która następnie w procesie
spalania wydziela ciepło. Ciepło można wówczas przekształcić w energię elektryczną.
ENERGIA BIOMASY
Charakterystyka
Biopaliwa, ze względu na stan skupienia podzielić można na stałe, płynne oraz biogaz
występujący w postaci gazowej. Biopaliwa stałe używane mogą być na cele energetyczne
w procesach bezpośredniego spalania, gazyfikacji oraz pyrolizy w postaci:
" drewna i odpadów drzewnych (w tym zrębków z szybko-rosnących gatunków
drzewiastych tj.: wierzba, topola)
" słomy jak i ziarna (zbóż, rzepaku)
" słomy upraw specjalnych roślin energetycznych z rodziny Miscanthus, Topinambur itp.
" osadów ściekowych,
" makulatury,
" szeregu innych odpadów roślinnych powstających na etapach uprawy i pozyskania jak też
przetwarzania przemysłowego produktów (siana, ostatek kukurydzy, trzciny cukrowej i
bagiennej, łusek oliwek, korzeni, pozostałości przerobu owoców itp.)
Różnorodność materiału wyjściowego i konieczność dostosowania technologii oraz mocy
powoduje, iż biopaliwa wykorzystywane są w rożnej postaci.
20
Zasoby energii słonecznej w Polsce
Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach
płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) tj.
ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni w określonym czasie. Rozkład
sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii i
Gospodarki Wodnej. Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę
poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2, natomiast średnie nasłonecznienie
wynosi 1600 godzin na rok.
Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia
przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-
letniego, od początku kwietnia do końca września,
przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża
się do 16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do
8 godzin dziennie.
Półrocze Sezon Półrocze
Rok
Rejon letnie letni zimowe
(I-XII)
(IV-IX) (VI-VIII) (X-III)
Pas nadmorski
1076 881 497 195
Wschodnia część Polski
1081 821 461 260
Centralna część Polski
985 785 449 200
21
W rzeczywistych warunkach terenowych, wskutek lokalnego zanieczyszczenia atmosfery i
występowania przeszkód terenowych, rzeczywiste warunki nasłonecznienia mogą odbiegać
od podanych. Innym parametrem, decydującym o możliwościach wykorzystania energii
promieniowania słonecznego są średnioroczne sumy promieniowania słonecznego.
Wartości godzin nasłonecznienia (ilości godzin trwania promieniowania słonecznego w
ciÄ…gu roku) dla Polski wg IMGiW
Potencjał kolektorów słonecznych
w Polsce do produkcji ciepłej wody
użytkowej wynosi 24 PJ.
Potencjał kolektorów słonecznych
do suszenia płodów rolnych sięga
21 PJ.
22
23