Energetyka słoneczna - gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii.
Spis treści |
[edytuj] Promieniowanie słoneczne
Do Ziemi dociera promieniowanie słoneczne zbliżone widmowo do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze ok. 5700 K.
Graniczną mocą energii słonecznej, jaką można uzyskać bezpośrednio z jednego metra kwadratowego, jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1 367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest odbijana lub pochłaniana przez atmosferę, więc efektywnie wykorzystać przy powierzchni Ziemi możemy do 1000 W/m2.
Średnie roczne nasłonecznienie obszaru Polski wynosi ~3500 MJ*m-2*rok-1 co odpowiada wartości opałowej 120 kg paliwa umownego.
Wszystkie pozostałe źródła energii (poza energią geotermalną i pływów(też pośrednio)) są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego.
[edytuj] Metody konwersji promieniowania słonecznego
[edytuj] Konwersja fotowoltaiczna
[edytuj] Ogniwo fotowoltaiczne
Ogniwo fotowoltaiczne (inaczej fotoogniwo, solar lub ogniwo słoneczne) jest urządzeniem służącym 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.
[edytuj] Zastosowania ogniw fotowoltaicznych
- Baterii słonecznych używa się w małych kalkulatorach, lampach solarnych i zegarkach.
- Przydatne jest zastosowanie ich w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.
- W 1981 r. Słoneczny samolot Solar Challenger przeleciał nad kanałem La Manche wykorzystując jako źródło zasilania tylko energię słoneczną. Skrzydła tego samolotu pokryte były bateriami słonecznymi, które zasilały silnik elektryczny.
- W niektórych miejscach na świecie ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują np. publiczne automaty telefoniczne (baterie słoneczne montowane są na dachu).
- Karawaning - w postaci paneli na dachu wozu kempingowego są w stanie doładowywać akumulator samochodu na postoju przy używaniu różnych odbiorników energii jak telewizory przenośne itp.
- Żeglarstwo - ogólnie stosowane do doładowywania akumulatora jachtu - bardzo istotne w związku z wymogiem posiadania radia (krótkofalówki) na pokładzie jachtów pełnomorskich .
[edytuj] Ogniwa polimerowe
W przyszłości mają być dużo tańsze od ogniw krzemowych, a ich produkcja ma być mniej skomplikowana. Prace nad tą metodą produkcji paneli słonecznych prowadził m.in. New Jersey Institute of Technology. Ogniwa mają być drukowane na zwykłych drukarkach atramentowych lub tworzone przez malowanie. Ogniwa te składają się z nanorurek, pokrywa się je następnie warstwą zabezpieczającą.
[edytuj] Konwersja fototermiczna pasywna
Konwersja fototermiczna pasywna to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną bez wykorzystania dodatkowych źródeł energii (np. do napędu pomp), systemy te działają w oparciu o konwekcję swobodną. Pasywna konwersja fototermiczna może być wykorzystywana do:
- ogrzewania budynków
- chłodzenia budynków
- podgrzewania wody
- termosyfonowe podgrzewacze wody
- suszenia płodów rolnych
A -Kolektor słoneczny,
B- pompa,
C- grzejnik pomocniczy,
D- ciepła woda użytkowa,
E - woda powrotna.
[edytuj] Konwersja fototermiczna aktywna
Konwersja fototermiczna aktywna to zamiana energii promieniowania słonecznego na inną formę energii. Wykorzystują ją specjalnie skonstruowane urządzenia (w przeciwieństwie do systemów pasywnych).
Aktywne systemy przygotowania ciepłej wody użytkowej budowane są w różnej skali. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m2 kolektorów) jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów powyżej 500 m2) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.
[edytuj] Konwersja fotochemiczna
Fotochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę zachodzi jedynie w organizmach żywych, ma bardzo niską sprawność (ok. 1%) i nosi nazwę fotosyntezy, jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego. Istnieją także metody wykorzystujące fotony do dezynfekcji i detoksykacji.Istnieje również projekt wykorzystywania energii słonecznej z przestrzeni kosmicznej.Ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską 40 satelitarnych elektrowni słonecznych, wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych.
[edytuj] 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.
[edytuj] Elektrownie słoneczne
| Energia odnawialna |
|---|
 |
| Energia geotermalna Energia wodna Energia słoneczna Energia wiatru Biopaliwo Biomasa Biogaz |
Elektrownie słoneczne mogą opierać się na różnych, wyżej opisanych procesach konwersji energii. Można tego dokonać:
- bezpośrednio w ogniwie fotowoltaicznym,
- pośrednio przetwarzając promieniowanie słoneczne na ciepło, a ciepło na energię elektryczną,
- CRS (ang. Central Receiver System) polega na odbiciu promieni słonecznych z dużego obszaru i skierowaniu ich w jeden centralnie umieszczony punkt, gdzie można osiągnąć bardzo wysoką temperaturę. Na tej samej zasadzie działają piece słoneczne,
- DSS (ang. Distributed Solar System) tu promienie są kierowane (najczęściej za pomocą kolektorów parabolicznych) na rurę, w której płynie czynnik (najczęściej olej o małej lepkości i dużej pojemności cieplnej). Czynnik przepływając przez wiele kolektorów osiąga dość wysoką, choć dużo niższą (poniżej 400°C) niż w systemach CRS, temperaturę,
- Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem. W trakcie realizacji (2005 r.) jest projekt, w którym wysokość wieży wyniesie 1000 m.