Energetyka słoneczna

Skocz do: nawigacji, szukaj

Elektrownia słoneczna Nellis w Stanach Zjednoczonych

Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie^[1]. W 2011 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 69 GW i zaspokajały one 0,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną^[2].

Spis treści 1 Promieniowanie słoneczne 2 Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego 2.1 Konwersja fotowoltaiczna 2.2 Konwersja fototermiczna 2.3 Konwersja fotochemiczna 2.4 Termoliza wody 2.5 Wieże słoneczne 3 Zastosowanie energii słonecznej 3.1 Skala indywidualna 3.2 Skala przemysłowa 4 Energetyka słoneczna w Polsce 5 Zobacz też 6 Przypisy 7 Linki zewnętrzne

Promieniowanie słoneczne

Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej. Zaczernione obszary mogłyby pokryć światowe zapotrzebowanie na energię, gdyby zostały pokryte ogniwami o efektywności 8%.

Teoretycznie dostępna energia źródeł odnawialnych w porównaniu z aktualnym światowym zapotrzebowaniem^[3].

Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m² (patrz stała słoneczna). Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów. Około 30% tej mocy jest odbijane natychmiast w kosmos, a kolejne 20% jest pochłaniane przez atmosferę^[4][5]. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m²^[5]. Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic. Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/m²/rok w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce^[6]. W Polsce wynosi około 1100 kWh/m²/rok^[7].

Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy^[8]. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych. Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430 ZJ energii, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni^[3].

Cała energia promieniowania słonecznego pochłonięta przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez rośliny i zwierzęta, przekształca się w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego

Ogniwo fotowoltaiczne

Konwersja fotowoltaiczna

 Osobne artykuły: ogniwo słoneczne i fotowoltaika.

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

Obecnie znanych jest wiele typów materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są ogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego, ale produkuje się też ogniwa oparte na krzemie polikrystalicznym, krzemie amorficznym, polimerach, tellurku kadmu (CdTe), CIGS i wielu innych. Intensywny rozwój przemysłu fotowoltaicznego w ostatnich latach pociąga za sobą duże zainteresowanie badaniami nad wydajniejszymi i tańszymi ogniwami.

Konwersja fototermiczna

Kolektory słoneczne do ogrzewania wody w Grecji

Schemat słonecznej instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej
A – Kolektor słoneczny,
B – pompa,
C – grzejnik pomocniczy,
D – ciepła woda użytkowa,
E – woda powrotna.

Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe'a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym, a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody oraz przy suszeniu płodów rolnych.

Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m² kolektorów słonecznych), jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m²) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.

Konwersja fotochemiczna

 Osobny artykuł: Sztuczna fotosynteza.

Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę 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.

Termoliza wody

W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi efuzja możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie wirówek. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń ich szybkie zużywanie i małą sprawność.

Wieże słoneczne

Wieże słoneczne PS10 i PS20 koło Seville w Hiszpanii

Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem.

Zastosowanie energii słonecznej

Zasilany energią słoneczną Tramwaj Wodny na Brdzie w centrum Bydgoszczy

Zasilanie akumulatora jachtu za pomocą ogniwa fotowoltaicznego

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do zasilania budynku

Skala indywidualna

Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były zawsze wielokrotnie wyższe niż przy wykorzystaniu innych źródeł energii, przez długi czas była ona stosowana jedynie tam, gdzie ich wykorzystanie było bardzo utrudnione lub niemożliwe. Przykładem takich zastosowań były:

• urządzenia przenośne wymagające niewielkich ilości energii, np. kalkulatory, zegarki elektroniczne,

• trudno dostępne miejsca, gdzie doprowadzenie linii elektrycznej byłoby nieopłacalne, np. domy stojące pojedynczo, kamery monitorujące, fotoradary,

• pojazdy, w których wykorzystanie innych źródeł energii byłoby nieopłacalne, np. sztuczne satelity, jachty żaglowe, wozy kempingowe.

Energetykę słoneczną wykorzystuje się coraz powszechniej. Związane jest to, między innymi z większą dostępnością technologii, programami dofinansowania instalacji tego typu rozwiązań, rosnącą świadomością ekologiczną oraz wzrostem cen energii pochodzącej z tradycyjnych źródeł. Na rynku pojawiły się również nowe rozwiązania łączące tradycyjne źródła energii (np. LPG) z energią słoneczną, które umożliwiają uniezależnienie się od negatywnych warunków atmosferycznych (np. w czasie zimy).

Skala przemysłowa

Widok na elektrownię słoneczną SEGS III–VII, Kramer Junction, CA, USA

Od początku XXI wieku różne państwa zaczęły wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalancji słonecznych: min. Niemcy, Czechy, Francja, Grecja, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania, Słowacja, Serbia, Bułgaria, Chiny, Tajwan, Indie, Korea Południowa. Wywołało to gwałtowny rozwój fotowoltaiki przemysłowej. Od 2000 roku produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40% rocznie^[1]. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy 277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej mocy 24 047 MW. Wzrost ten spowodował stopniowy spadek cen ogniw słonecznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5$/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3$/wat^[9].

Produkcja ogniw słonecznych w latach 2001-2010 w poszczególnych regionach świata^[10].

Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w poszczególnych krajach w MW^{[11][12][13][2]}:

Region	2006	2007	2008	2009	2010	2011	Wzrost 2011/2010	Udział
Niemcy	2899	4170	6120	9914	17 320	24 820	43,3%	35,8%
Włochy	50	120	458	1181	3502	12 782	264,9%	18,4%
Japonia	1709	1919	2144	2627	3618	4914	35,8%	7,0%
Stany Zjednoczone	624	831	1169	1616	2534	4389	73,2%	6,3%
Hiszpania	148	705	3463	3523	3915	4270	9,0%	6,1%
Chiny	80	100	140	300	800	3000	275,0%	4,3%
Francja	44	75	180	335	1054	2576	144,3%	3,7%
Czechy	1	3	64	462	1952	1959	0,3%	2,8%
Belgia	4	27	108	627	1044	1820	74,3%	2,6%
Australia	70	83	105	188	571	1345	135,5%	1,9%
Wielka Brytania	14	18	23	26	70	1014	1352,7%	1,4%
Korea Południowa	36	81	358	524	656	748	14,0%	1,1%
Kanada	21	26	33	95	291	654	124,6%	0,9%
Grecja	7	8	18	55	205	631	207,7%	0,9%
Słowacja	0	0	0	0	148	462	212,2%	0,6%
Indie	30	31	71	101	161	427	165,2%	0,6%
Szwajcaria	30	36	48	74	111	211	90,2	0,3%
Izrael	1	2	3	25	70	200	186,0%	0,1%
Austria	26	28	32	53	96	174	81,9%	0,2%
Portugalia	3	18	68	102	131	144	9,7	0,2%
Ukraina	0	0	0	0	0	140	–	0,2%
Bułgaria	0	0	1	7	35	135	286,8%	0,2%
Holandia	52	53	57	68	88	118	34,1%	0,1%
Meksyk	20	21	22	25	31	41	32,7%	0,0%
Szwecja	5	6	8	9	11	19	64,0%	0,0%
Dania	3	3	3	5	7	17	135,2%	0,0%
Malezja	6	7	9	11	13	13	0,0%	0,0%
Turcja	3	3	4	5	6	12	91,6%	0,0%
Norwegia	8	8	8	9	9	10	4,3%	0,0%
Finlandia	4	4	4	5	7	8	21,7%	0,0%
Świat	6967	9564	15 981	23 299	40 030	69 371	73,3%	100,0%

Energetyka słoneczna w Polsce

Według Urzędu Regulacji Energetyki, całkowita moc ogniw fotowoltaiczych w Polsce na koniec roku 2011 wynosiła około 2 MW.

Lista systemów fotowoltaicznych w Polsce o mocy powyżej 20 kW^[14]:

• Farma fotowoltaiczna w Wierzchosławicach – 1,0 MW;

• 311 kW, Ruda Śląska, Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów;

• 100 kW, Polkowice, NG2;

• 82 kW, Łódź, Wojewódzki Specjalistyczny Szpital im. dr Wł. Biegańskiego;

• 80,5 kW, Bydgoszcz, Frosta;

• 54 kW, Warszawa, Centrum Fotowoltaiki w budynku Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej;

• 21,42 kW, Rybnik;

• 20 kW, Rzeszów, Wyższa Szkoła Prawa i Administracji;

• 20 kW, Warszawa, Ambasada Japonii.