Metody wytwarzania energii elektrycznej z energii słonecznej

Energia słoneczna to jedno z najczystszych i najczęściej wykorzystywanych źródeł energii odnawialnej. Może służyć nam do ogrzewania budynków za pomocą kolektorów słonecznych lub do podgrzewania wody wykorzystywanej w naszych domach. Promienie słoneczne mogą być  też źródłem energii elektrycznej.  Taka metoda wytwarzania prądu nazywa się fotowoltaika.

Amerykańscy naukowcy obliczyli, że w godzinę nasza planeta otrzymuje ze słońca tyle energii, że wystarczyłaby ludzkości na cały rok. Promienie słoneczne codziennie docierają do powierzchni ziemi, ogrzewając ją z mocą ok. 81000x10⁶ MW. Z tej wartości ok. 27000x10⁶ MW przypada na lądy. Światowe zużycie wszystkich rodzajów energii wynosi ok. 10x10⁶ MW.

W Polsce potencjał promieniowania słonecznego wynosi ok. 1,1x10⁶ PJ rocznie, w przeliczeniu na powierzchnię kraju (czyli ok. 1000 kWh/m²/rok). Blisko 80% tej energii przypada na okres kwiecień-wrzesień. Roczny potencjał do wykorzystania energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej i cieplnej wynosi w Polsce obecnie ok. 1340 PJ. Eksperci prognozują, że od 2020 roku warunki techniczne i finansowe kraju umożliwią wykorzystanie ok. 20 PJ.

W warunkach polskich wartość energii słonecznej wynosi od 0 do 5,5 kWh/m²/dzień. W ciągu miesiąca wartość ta waha się od 11,6 do 160,1 kWh/M². Do tworzenia statystyk i obliczeń przyjmuje się średnią wartość energii słonecznej na rok, na poziomie 1000 kWh/m².

Te ogromne ilości energii dostarczane nam przez Słońce są wykorzystywane przez ludzi do wytwarzania czystej, ekologicznej energii elektrycznej. Istnieją dwie metody, które umożliwiają ten proces: metoda heliotermiczna i helioelektryczna.

Metoda heliotermiczna

Metoda heliotermiczna polega na przekształceniu energii słonecznej w ciepło, a następnie na doprowadzeniu go do turbiny napędzającej generator, który produkuje energię elektryczną. 

Wytworzenie ciepła z energii słonecznej możliwe jest dzięki heliostatom, czyli specjalnym zwierciadłom, które kierują odbite promienie słoneczne do absorbera, umieszczonego zazwyczaj na wysokiej wieży. Z kolei absorber zbudowany jest z wielu rurek, które umożliwiają ogniskowanie na sobie promieniowania słonecznego odbitego od heliostatów. Para z podgrzanego w ten sposób sodu, litu i azotanu potasu krążących wewnątrz rurek absorbera napędza turbinę wytwarzającą prąd.

Przykładem największej elektrowni słonecznej wykorzystującej takie rozwiązanie jest Bar-Barstow zlokalizowana w Kalifornii w USA, wytwarzającą energię elektryczną o mocy 10 MW i wyposażoną w 1926 luster. Kolejnym przykładem tej technologii jest również elektrownia w Hiszpańskiej Sevilli, wyposażona w 624 lustra i wytwarzająca energię elektryczną o mocy 11 MW. Jest to pierwsza tego typu komercyjna elektrownia na świecie.  Absorber ciepła umieszczony na szczycie 100 metrowej wieży wytwarza parę o temperaturze 250 stopni, potrzebną do napędzenia turbiny. Szacuje się, że elektrownia będzie wytwarzać ilość energii elektrycznej wystarczającą do zaspokojenia zapotrzebowania 6000 gospodarstw domowych. Uruchomienie elektrowni ograniczy emisję CO₂ o 18 tys. ton rocznie.

Elektrownia heliotermiczna w Sevilli

Metoda heliolektryczna

Inną metodą, pozwalającą na uzyskanie energii elektrycznej ze Słońca jest metoda helioelektryczna. Polega ona na bezpośredniej przemianie promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Proces jest możliwy dzięki wykorzystaniu ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa te przekształcają w energię elektryczną zarówno bezpośrednie promieniowanie słoneczne, jak i promieniowanie rozproszone, obecne podczas zachmurzonego nieba. Ogniwa fotoelektryczne produkowane są z krystalicznego krzemu, selenu, germanu, arsenku galu lub siarczanu kadmu. Z jednego ogniwa uzyskuje się zazwyczaj ok. 0,5 V. Aby urządzenia były bardziej wydajne łączy się je szeregowo w celu zwiększenia napięcia i równolegle, aby zwiększyć ich moc. W taki sposób powstają baterie słoneczne.

W produkcji ogniw przodują USA, Japonia, Francja, Niemcy i Chiny. Proces wytwarzania energii elektrycznej przy pomocy ogniw fotoelektrycznych nazywany jest fotowoltaiką bądź też fotowoltaniką.

Elektrownią wykorzystującą ogniwa fotowoltaiczne jest kalifornijska elektrownia Carissa Plainas, o mocy 6,5 MW. Elektrownia powstała w 1985 roku, a koszt jej budowy wynosił około 5000 dolarów za kW. Największa elektrownia fotowoltaiczna o mocy 23 MW znajduje się w Jumilii na terenie Hiszpanii. Jedną z największych farm baterii słonecznych jest też elektrownia fotowoltaiczna w Pocking w niemieckiej Bawarii, osiągająca moc 10 MW. Farma zajmuje powierzchnię 32 ha, a koszt jej wybudowania wynosił 40 mln euro.

Elektrownia fotowoltaiczna w Pocking w Bawarii

Niewątpliwym problemem związanym z budowaniem elektrowni fotowoltaicznych dużych mocy jest fakt, że zajmują one bardzo dużo przestrzeni. Na 1000 MW przypada powierzchnia 50 km². W związku z tym coraz częściej powstają też małe elektrownie fotowoltaiczne, przeznaczone na potrzeby odbiorców indywidualnych i zasilania w energię elektryczną mniejszych budynków komunalnych i przemysłowych.

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystuje się też do zaopatrywania w energię elektryczną satelitów, statków i stacji kosmicznych. Wykorzystuje się je również do zasilania kalkulatorów a nawet samochodów i samolotów. Niestety za sprawą ograniczeń technologicznych, a także pod względem ekonomicznym fotowoltaika nie może konkurować z tradycyjnymi źródłami wytwarzania energii.