energia słoneczna

Energia słoneczna — Energia słoneczna – to promieniowanie elektromagnetyczne Słońca. Jest ono wynikiem drgań pola magnetycznego i elektromagnetycznego. Energia słoneczna uzyskiwana ze Słońca jest wysokoenergetyczna i dostępna na całej Ziemi. Z powodzeniem może zastępować konwencjonalne źródła energii jak gaz ziemny, ropa naftowa, uran czy węgiel. Jest to bardzo istotne z punktu widzenia ochrony środowiska oraz pozyskiwania czystej energii.

Dlaczego energia słoneczna?

W obecnych czasach zapotrzebowanie na energię jest pokrywane głównie z paliw kopalnych jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny. Są to jednak zasoby nieodnawialne i kiedyś ich pokłady ulegną wyczerpaniu. Aby być przygotowanym na tą chwilę już teraz poszukuje się alternatywnych źródeł energii, które w przyszłości pokryją zapotrzebowanie na nią. Rozwiązaniem idealnym wydaje się być energia pochodząca ze słońca. Wykorzystanie tej energii nie przynosi negatywnych skutków dla środowiska, jak spalanie węgla lub biomasy. Według szacunkowych wyliczeń Słońce będzie świeciło jeszcze 4,5 miliarda lat, czyli znacznie dłużej niż długość życia człowieka.

Słońce wytwarza energię na drodze procesów termojądrowych przemiany wodoru w hel. Procesy te zachodzą w bardzo wysokiej temperaturze, która jest wytwarzana przez jądro słoneczne. Energia w postaci promieniowania słonecznego dociera do Ziemi, gdzie:

• 20% jest odbijane,
• 40% rozpraszane w atmosferze – z powodu gazów oraz pyłów zawieszonych w atmosferze,
• 40% przedostaje się do powierzchni ziemi i jest wykorzystywane do produkcji energii elektrycznej oraz cieplnej.

Promieniowanie słoneczne nie dociera z takim samym natężeniem i intensywnością do każdego fragmentu ziemi, a dzieje się to za sprawą między innymi eliptycznego kształtu planety, który sprawia, że oświetlenie powierzchni nie jest równomierne. Oświetlenie zmienia się też w zależności od szerokości geograficznej, pory roku i dnia. Część promieni pada na ziemię bezpośrednio, a część poprzez odbijanie się od różnych przeszkód.

Wykorzystanie energii słonecznej

Wiele rozwiązań technicznych pozwala na pozyskiwanie energii słonecznej. Systemy, które to umożliwiają można podzielić na bierne (pasywne) i aktywne (czynne).

Systemy bierne wykorzystują zjawisko promieniowania, przewodzenia oraz konwekcji w celu zamiany promieniowania słonecznego w ciepło. Są bardzo proste i nie wymagają sporych nakładów finansowych. Przykładem prostego systemu biernego jest ogród zimowy, gdzie słońce po prostu nagrzewa szklane pomieszczenie. Obecnie buduje się budynki pasywne, które są tak ukształtowane, aby w jak największym stopniu były w stanie wykorzystywać energię ze słońca do nagrzania budynku. Elementami odbierającymi energię ze słońca mogą być wielkie okna wychodzące na odpowiednią stronę świata, duże przeszklone powierzchnie, jak szklane czy betonowe stropy lub mur z cegły.

Systemy aktywne przekształcają energię słoneczną w energię użyteczną za pomocą specjalnie przygotowanych urządzeń. Są nimi kolektory słoneczne oraz ogniwa fotowoltaiczne. W kolektorach słonecznych następuje konwersja fototermiczna, czyli przemiana promieniowania słonecznego na energię cieplną. Ogniwa fotowoltaiczne działają natomiast na innej zasadzie i promieniowanie słoneczne zostaje przetworzone na energię elektryczną. Proces ten nosi nazwę konwersji fotoelektrycznej.

Fotowoltaika

Fotony to kwanty promieniowania będące energią promieniowania słonecznego. Częstotliwość promieniowania określa energię niesioną przez foton. Przekształcenie w ogniwach fotowoltaicznych promieniowania słonecznego w energię elektryczną nie wymaga zastosowania dodatkowych urządzeń mechanicznych, ponieważ nie pojawia się pośrednia konwersja energii, jak ma to miejsce w kolektorach, gdzie ciepło jest przekształcane w pracę mechaniczną, aby w rezultacie dać energię elektryczną.

W elektrowniach fotowoltaicznych wykorzystuje się urządzenia do sterowania ogniwami oraz przetwornice napięciowo-prądowe niezbędne do przesyłania wytworzonej energii do sieci elektroenergetycznej. Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały o niskim napięciu. Napięcie jest też w dużej mierze zależne od ilości promieniowania docierającego do ogniwa. Wytworzony prąd jest przesyłany do sieci elektroenergetycznej, po uprzednim przejściu przez falowniki, za pomocą, których prąd stały zostaje przekonwertowany na prąd zmienny.

Ogniwa są zbudowane z płytek krzemowych. Krzem jest materiałem, który szeroko wykorzystuje się w elektronice i który powszechnie występuje na ziemi. Tworzy on struktury monokrystaliczne, polikrystaliczne i amorficzne. Ogniwa zrobione z krzemu monokrystalicznego są lepsze od ogniw z krzemu polikrystalicznego, jednak cena produkcji przechyla się na korzyść krzemu polikrystalicznego, który jest dużo tańszy.

Aby produkcja ogniw nie była tak droga oraz żeby zaoszczędzić cenny materiał, wykorzystuje się technologię cienkowarstwową. Polega ona na położeniu cienkiej warstwy półprzewodnika na podłożu z innych materiałów, które są dużo tańsze. Zaletą tej technologii jest to, że można nadać ogniwu dowolny kształt, który pozwoli na wkomponowanie ogniw w elewację budynku lub stworzenie ogniwa na podłożu z materiałów elastycznych. Technologia cienkowarstwowa umożliwiła także tworzenie ogniw wielozłączowych. Ogniwo takie złożone jest z kilku warstw materiałów, z których każdy ma inne właściwości absorbcji widma promieniowania słonecznego. Ponieważ każda warstwa takiego ogniwa jest w stanie zaabsorbować inną długość fali, to finalnie całe ogniwo działa lepiej, niż to zbudowane z jednego rodzaju materiału.

Systemy fotowoltaiczne, w porównaniu do innych źródeł energii odnawialnej, jak na przykład farmy wiatrowe, nie wytwarzają dokuczliwego hałasu. Stawianie systemów fotowoltaicznych nie wymaga przekształcania środowiska naturalnego oraz zmiany zagospodarowania terenu, ponieważ podczas produkcji energii cieplnej nie wytwarzają się żadne szkodliwe substancje. Nie występuje więc zanieczyszczenie środowiska ani wytwarzanie gazów cieplarnianych.

Kolektory słoneczne

Do pozyskiwania ciepła z energii słonecznej wykorzystywane są kolektory słoneczne. Działają one na nieco innej zasadzie niż ogniwa fotowoltaiczne. Istotnym elementem kolektorów jest absorber, który pochłania energię słoneczną i przekazuje ją w postaci ciepła na element mechaniczny. Kolektory słoneczne dzieli się ze względu na różne elementy mechaniczne, czyli na:

• kolektory cieczowe,
• kolektory powietrzne.

Kolektory cieczowe dzieli się następnie na typy, jak:

• kolektory płaskie,
• kolektory próżniowe,
• kolektory magazynujące,
• kolektory elastyczne.

Najczęściej wykorzystywanymi do podgrzewania wody są kolektory płaskie, które składają się z systemu kanałów przepływowych, nośnika ciepła, którym w tym wypadku jest ciecz, absorbera promieniowania słonecznego, obudowy zewnętrznej oraz warstwy izolacji termicznej. Zadaniem izolacji termicznej jest oddzielenie dolnej powierzchni kolektora od obudowy. Od góry kolektor osłonięty jest przezroczystą szybą, która umożliwia zbieranie promieni słonecznych.

Kolektory powietrzne dzieli się na następujące typy:

• z absorberem płaskim,
• z absorberem o powierzchni rozwiniętej,
• z absorberem porowatym.

Ciepło pobierane jest przez powietrze, które przepływa nad lub pod absorberem. W celu zwiększenia ilości ciepła, które może zostać zaabsorbowane, powierzchnia absorbera jest pofałdowana. Kolektory powietrzne mają pewną przewagę nad kolektorami cieczowymi, a mianowicie nośnik ciepła nie zmienia stanu skupienia (nie ulega wrzeniu i nie zamarza) oraz mają prostą budowę kanałów. Wadą jest to, że w porównaniu do kolektorów cieczowych istnieją opory w przekazywaniu energii z absorbera do powietrza, co finalnie zwiększa temperaturę absorbera i prowadzi do powstania strat ciepła do otoczenia.