Energia słoneczna jest jednym z alternatywnych źródeł energii. Z uwagi na kryzys energetyczny z jednej strony, a ochronę środowiska z drugiej, powstają projekty bezpośredniego jej wykorzystania na ogromną skalę.

Promieniowanie słoneczne

Promieniowanie słoneczne jest strumieniem energii, jaką Słońce emituje równomiernie we wszystkich kierunkach. Do zewnętrznych warstw atmosfery ziemskiej dociera wyłącznie strumień o mocy 1,4 kW/m² (tzw. stała słoneczna). Wielkość promieniowania słonecznego jaka może być wykorzystywana przez kolektor jest znacznie mniejsza całkowite promieniowanie słoneczne docierające ze słońca do ziemi i wynosi 0,7 kW/m². W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania:

• bezpośrednie – pochodzi od widocznej tarczy słonecznej (obiekty dają wyraźny cień),

• rozproszone – powstaje w wyniku wielokrotnego załamania promieni na składnikach atmosfery,

• odbite – skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia.

Suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego, tzw. promieniowanie globalne, wynosi w optymalnych warunkach (bezchmurne czyste niebo, w południe) maksymalnie 1,0 kW/m², przeciętna roczna wynosi dla Polski ok. 1000 kWh/m², co odpowiada zawartości energii w ok. 100 l oleju opałowego lub 100 m³ gazu ziemnego. Zależnie od typu kolektorów można przemienić w ciepło nawet do 75% promieniowania globalnego.

Promieniowanie jest uzależnione m.in. od: szerokości geograficznej, lokalnego klimatu czy zanieczyszczenia atmosfery. Czas nasłonecznienia, a więc suma energii promieniowania słonecznego, zależy od położenia geograficznego i pory roku. Dla Polski suma promieniowania słonecznego mieści się w granicach 950 – 1250 kW/m², natomiast średnie usłonecznienie wynosi 1600 godzin na rok.

Warunki meteorologiczne charakteryzują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. 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 godzin na dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie. Około 30% promieniowania słonecznego, dochodzącego do naszej planety, jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% energii dociera do powierzchni ziemi.

Zasoby energii słonecznej w Polsce

Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego, w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji), wyrażające ilość energii słonecznej, padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie.

Polska jest krajem położonym na stosunkowo dużej szerokości geograficznej (między 54°N a 49°N), zatem wykorzystanie energii słonecznej napotyka na wiele problemów – mała wysokość Słońca zimą, znaczne różnice w długości dnia w różnych porach roku oraz występowanie niedopasowania między szczytowym zapotrzebowaniem na energię elektryczną (jesień – zima), a szczytową wartością dostarczanej mocy (wiosna – lato).

W okresie wiosenno-letnim otrzymujemy 80% energii promieniowania słonecznego, a w okresie jesienno-zimowym – tylko 20%. Średnia energia promieniowania w czerwcu jest około 10 razy większa niż w grudniu.

Elementy systemu solarnego – budowa, zasada działania

Kolektory słoneczne

Kolektor słoneczny to podstawowy element instalacji słonecznej, którego zadaniem jest przekształcenie energii słonecznej w energię cieplną za pomocą  specjalnej płyty absorpcyjnej.

Kolektory można podzielić wg zakresu wymaganych eksploatacją temperatur na:

• niskotemperaturowe (do 1000°C, zwykle kolektory płaskie),

• wysokotemperaturowe (powyżej 1000°C, a praktycznie 20 000°C, zwykle kolektory skupiające).

Ze względu na wysoki udział promieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym, słoneczne technologie wysokotemperaturowe oparte na koncentratorach promieniowania słonecznego nie mają w naszych warunkach praktycznego znaczenia.

Płaski kolektor promieniowania słonecznego, przeznaczony zwykle do przekazywania energii cieplnej do celów grzewczych, może mieć szerokie zastosowanie. Jako medium pośredniczące w przekazywaniu energii cieplnej do eksploatacji zazwyczaj stosuje się strumień wody lub powietrza.

Każdy kolektor tego typu składa się z:

• przezroczystej szyby,

• powłoki absorpcyjnej, powleczonej czernią selektywną (płyty absorbera wykonywane bywają ze stali, mosiądzu, aluminium, gumy oraz tworzyw sztucznych),

• systemu rurek miedzianych w których przepływa ciecz solarna lub gaz. Kanały powinny odznaczać się możliwie dużą powierzchnią wymiany ciepła w stosunku do całej powierzchni płyty absorbera,

• ocieplenia od spodu stanowiące izolację cieplną,

ramy.

Nagrzana płyta absorbera przekazuje energię cieplną do czynnika przepływającego przez płytę systemem kanałów lub wężownic rurowych. Zarówno izolacja cieplna, jak i osłony przezroczyste mają zapobiec stratom ciepła do otoczenia. W zależności od użytych materiałów współczynnik pochłaniania energii słonecznej może osiągnąć wartość do 95 – 97%.

Drugi typ kolektora to tzw. kolektor rurowo-próżniowy. Jest on inaczej zbudowany niż kolektor płaski cieczowy. Oparty jest na szklanej rurze, w środku której umieszczono cienki absorber z rurką metalową. Wewnątrz rurki umieszczona jest jeszcze jedna rurka. Ciecz płynie wewnętrzną rurką i wpływając od dołu do zewnętrznej rurki nagrzewa się, przejmując ciepło od absorbera. Ten typ kolektora charakteryzuje się większą sprawnością niż kolektor płaski w okresie o zwiększonym zachmurzeniu.

Zasada działania baterii słonecznych

Baterie słoneczne to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaniczne. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża liczba ogniw wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Sprawność ogniw w laboratoriach wynosi około 20%, natomiast stosowanych komercyjnie 10 – 18%. Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i w kalkulatorach.

Moduł (panel) fotowoltaiczny składa się z wielu komórek fotowoltanicznych, które połączone szeregowo zwiększą wytwarzane napięcie. Komórka fotowoltaiczna jest zaś diodą półprzewodnikową, w której pod wpływem światła powstaje napięcie elektryczne. Przykładem takiej diody jest złącze n-p (homozłącze), jakie powstaje w wyniku gradientu koncentracji domieszki w półprzewodniku. Jeżeli złącze to zostanie oświetlone, to w wyniku absorpcji światła w półprzewodniku wygenerowane zostaną pary nośników ładunku elektrycznego elektron dziura (puste miejsce po elektronie).

Nośniki te pod wpływem pola elektrycznego, występującego w złączu (bariery potencjalnej spowodowanej tym, że obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru n), zostają rozdzielone (bariera zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów). W efekcie pojawia się nadmiar elektronów po stronie n i nadmiar dziur po stronie p, a zatem między obszarami n i p powstaje napięcie elektryczne.

W ogniwie krzemowym pochłonięte fotony światła wybijają elektrony z sieci krystalicznej i stają się swobodne, a jednocześnie tworzą się dziury. Pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego w warstwie następuje dyfuzja czyli przejście dziur do obszaru p (ładują go dodatnio), a elektronów do obszaru n (ładują go ujemnie). Powstaje różnica potencjałów. Po połączeniu obszarów p i n przewodem na zewnątrz ogniwa, popłynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diody.

Technologie ogniw słonecznych

Technologie ogniw słonecznych oparte są na materiałach półprzewodnikowych. Najczęściej stosowanymi półprzewodnikami są:

•  krzem krystaliczny (monokrystaliczny i polikrystaliczny, który zdominował rynek),

• krzem amorficzny – a-Si ( kandydat do zastąpienia krzemu krystalicznego, jednak wciąż zbyt drogi),

• arsenek galu (GaAs),

• związek trójskładnikowy miedź-ind-selen (CuInSe2),

• telurek kadmu (CdTe).

Sterowanie systemu zasilanego energia słońca

Układ bezpieczeństwa to element instalacji, w skład którego wchodzą zawory, naczynie przeponowe, pompka cyrkulacyjna i regulator mikroprocesorowy. Ma on zapewnić odpowiedni kierunek przepływu medium oraz ciepła w systemie. Ponadto przy instalacjach całorocznych automatyka jest wyposażona w system pogodowy, co zapewnia optymalne wykorzystanie energii w zależności od warunków biometeorologicznych.

Instalacje fotowoltaiczne są sterowane przez automatykę połączoną z inwerterami i/lub sterownikami ładowania akumulatorów - urządzeniami przygotowującymi prąd wytworzony przez panele fotowoltaiczne do wykorzystania przez standardowe urządzenia elektryczne.

Zastosowanie systemów solarnych

Energetyka fotowoltaiczna

Energetyka fotowoltaiczna dzieli się na:

• energetykę zdecentralizowaną, indywidualną (generowanie rozproszone)  –  moduły słoneczne instaluje się najczęściej na dachach budynków. Odbiornikami mogą być wydzielone odbiorniki (np. oświetlenie posesji), urządzenia niewydzielone lub sieć energetyczna (wówczas za energię możemy otrzymać pieniądze i "zielone certyfikaty").

• energetykę scentralizowaną, systemy fotowoltaiczne wielkiej mocy (>100 kWp)  –  systemy te składają się z olbrzymiej liczby baterii słonecznych, pokrywających wielkie powierzchnie ziemi. Przykładem może tu być elektrownia o mocy 3,3 MWp w Serre we Włoszech. Ogólna liczba modułów wynosi 60 000 (2 600 000 komórek). Elektrownia zajmuje powierzchnię 70 000 m².

Systemy solarne

Systemy solarne można podzielić na następujące grupy:

• aktywne (z wymuszonym obiegiem grawitacyjnym – całoroczne instalacje), do instalacji dostarcza się dodatkową energię z zewnątrz, zwykle do napędu pompy lub wentylatora przetłaczających czynnik roboczy (glikol, wodę lub powietrze) przez kolektor słoneczny. Funkcjonowanie kolektora słonecznego jest związane z podgrzewaniem przepływającego przez absorber czynnika roboczego, który przenosi i oddaje ciepło w części odbiorczej instalacji grzewczej.

• pasywne (grawitacyjne – instalacje letniskowe), do swego działania nie potrzebują dodatkowej energii z zewnątrz. W tych systemach konwersja energii promieniowania słonecznego w ciepło zachodzi w sposób naturalny w istniejących lub specjalnie zaprojektowanych elementach struktury budynków pełniących rolę absorberów.

Granice podziału pomiędzy dwoma wyżej wymienionymi sposobami wykorzystania konwersji termicznej są dość płynne. Z jednej strony w systemach pasywnych dopuszcza się stosowanie pewnych elementów regulujących przepływ energii uzyskanej z promieniowania słonecznego. W przypadku, gdy zastosowane są w tym celu urządzenia mechaniczne, można mówić o systemach semiaktywnych. Z drugiej strony często celowo stosuje się uzupełniająco w jednej instalacji grzewczej systemy pasywne i aktywne jednocześnie. Mówi się wtedy o systemach kombinowanych. W obu przypadkach zamiana energii promieniowania słonecznego odbywa się w specjalnych elementach kolektorów słonecznych, zwanych absorberami. Transmisja zaabsorbowanej energii słonecznej do odbiorników odbywa się w specjalnych instalacjach.

Kolektor słoneczny pochłania promieniowanie słoneczne i przekazuje ciepło do krążącego w instalacji niezamarzającego płynu solarnego, na bazie glikolu. Płyn jest pompowany przez układ pompowo-zabezpieczający i poprzez wężownicę w podgrzewaczu pojemnościowym zostaje odebrane z niego ciepło, które następnie zostaje oddane wodzie użytkowej. Nad pracą całości czuwa sterowanie układu solarnego. Poprzez układ czujników mierzona jest temperatura na kolektorze słonecznym i w podgrzewaczu pojemnościowym. Gdy temperatura na kolektorze jest odpowiednio wyższa, zostaje włączony układ pompowy. Górna wężownica podgrzewacza podłączona jest do podstawowego źródła ciepła. ( kocioł gazowy, olejowy, pompa ciepła i inne), który dogrzewa C.W.U. w momencie braku wystarczającego nasłonecznienia. W ten sposób dzięki kolektorowi słonecznemu uzyskujemy ok. 70% wody użytkowej w skali roku za darmo. Odpowiednio dobrana instalacja solarna może również wspomagać układ centralnego ogrzewania w wysokości ok. 25% oraz sezonowo doskonale nadaje się do dogrzewania wody basenowej, dając ok. 80% zapotrzebowanego ciepła.

Zasilanie urządzeń elektrycznych

Generatory fotowoltaiczne znalazły zastosowanie jako źródła różnych urządzeń elektrycznych, których podłączenie do sieci elektrycznej jest zbyt kosztowne (np. z powodu zbyt dużego oddalenia, jak w górskich stacjach przekaźnikowych), niepraktyczne (w przypadku małych urządzeń elektronicznych, jak choćby kalkulatory) lub niemożliwe do wykonania (na jachtach, w turystyce górskiej itp.). Coraz powszechniejsze jest również stosowanie układów hybrydowych do zasilania lamp ulicznych LED – inwestor nie ponosi wówczas kosztów związanych z budową sieci zasilającej każdą lampę z osobna.

Systemy te mogą być stosowane do :

• zasilania stacji przekaźnikowych i radiotelefonów,

• zasilania pomp wodnych, urządzeń ochrony pastwisk, ochrony ogrodów i pól przed szkodnikami,

• zasilania przyczep kempingowych,

• zasilania morskich i śródlądowych znaków nawigacyjnych,

• zasilania stacji meteorologicznych,

• zasilania znaków ostrzegawczych na drogach,

• zasilania stacji ochrony katodowej (ochrona przed korozją konstrukcji stalowych: rurociągów, mostów, wież),

• oświetlenia terenów odległych od sieci elektrycznej,

• zasilania niewielkich urządzeń elektronicznych (kalkulatory, zegarki, radioodbiorniki, telewizory itp.),

• doładowywania akumulatorów samochodowych,

• zasilania tzw. elektrolizerów do produkcji wodoru z wody.

Aspekty ekonomiczne wykorzystania energii słonecznej

Większość urządzeń o wysokiej sprawności przetwarzania energii słonecznej wykorzystuje zwierciadła skupiające, których położenie trzeba zmieniać tak, by podążać za pozornym ruchem Słońca po niebie. Takie zwierciadła i mechanizmy nimi sterujące są jednak bardzo kosztowne i mogą stanowić aż 3/4 całkowitych kosztów urządzenia. W zasadzie nie jest możliwe, aby można było produkować je nawet na szeroką skalę taniej niż po około 200$ za m² powierzchni zbierającej, przy średnicach zwierciadeł rzędu kilku metrów. Kolektory ze zwierciadłami płaskimi są ponad dziesięciokrotnie tańsze. Różnice w kosztach wypływają głównie ze znacznie większych wymagań dotyczących uzyskania odpowiedniego kształtu powierzchni odbijających w wypadku zwierciadeł skupiających, z konieczności sterowania układem skupiającym i zabezpieczenia go przed działaniem wiatrów. W rezultacie wyższy koszt urządzeń z układami skupiającymi przekracza zazwyczaj wydajność i dlatego urządzenia z płaskimi zwierciadłami (obecnie najpopularniejsze) są w stanie produkować moc taniej. Na pytanie jaki koszt należy uznać za umiarkowany, można odpowiedzieć dopiero po obszernej analizie ekonomicznej, obejmującej dane zapotrzebowanie (dom jednorodzinny, budynek użyteczności publicznej itd.). Podstawowym elementem takiej analizy powinien być koszt produkcji mocy w stosunku do kosztu produkcji mocy konkurencyjnym systemem. Trudność polega na tym, że nie wszędzie ta sama metoda jest najtańsza. W jednym kraju najtańsza będzie produkcja mocy przy użyciu generatora napędzanego silnikiem wysokoprężnym, w drugim – za pomocą turbiny parowej. Ponadto koszt określonego urządzenia zasilanego energią słoneczną będzie zależał od lokalnej ceny materiałów, robocizny, a nawet wysokości oprocentowania pożyczek. Nie ulega wątpliwości, że najtańszym do wytworzenia i eksploatacji jest układ maszyna cieplna-kolektor-zwierciadło płaskie. Budowa urządzenia tego rodzaju jest prosta i niewiele jest na świecie miejsc, w których nie można by ich produkować lokalnie. Koszt jednego kW znamionowej mocy wyjściowej to około 600$.Na pierwszy rzut oka taki koszt wydaje się nieporównywalny z kosztami w wypadku dużych elektrowni konwencjonalnych lub hydroelektrowni, który jest bliższy 100$ za każdy kW mocy wyjściowej. Jednak jeśli weźmie się pod uwagę ceny paliw, porównanie przestaje być takie niekorzystne. Można oczekiwać, że koszt utrzymania niskotemperaturowych urządzeń zasilanych energią słoneczną będzie zaniedbywalnie mały oraz że będą one instalacjami trwałymi, podczas gdy konkurencyjne systemy są obciążone kosztami paliw. Obliczono, że małe niskotemperaturowe urządzenia wykorzystujące energię słoneczną mogą produkować elektryczność, której koszt dla użytkownika wynosi 0,05 – 0,1 $/kWh. Są to co prawda koszty od 2 do 10 razy wyższe od kosztów produkcji elektryczności sposobami konwencjonalnymi w krajach wysokorozwiniętych, jednakże cena kWh dla odbiorcy jest zazwyczaj zwiększona trzykrotnie ze względu na koszty transmisji energii. W krajach mniej rozwiniętych koszt energii wytwarzanej konwencjonalnie jest jeszcze większy, szczególnie w krajach, w których nie ma miejscowych zasobów paliw kopalnych i są one trudnodostępne pod względem eksportowym. Niektóre urządzenia zasilane energią słoneczną, lecz nie służące do produkcji mocy, także stanowią konkurencję dla konwencjonalnych urządzeń, a nawet są lepsze od innych instalacji, wykorzystywanych w tych samych celach. Za przykład mogą posłużyć słoneczne grzejniki wody, szeroko stosowane w krajach takich, jak Japonia czy Izrael, a także niektórych regionach USA i Rosji. Natomiast dotychczas w małym stopniu znalazły one zastosowanie na ogromnych obszarach Azji, Ameryki Południowej lub Afryki, gdzie potencjalnie mają ogromną wartość. Podstawowy koszt najprostszych rodzajów słonecznych grzejników wody z niezbędnymi zbiornikami magazynującymi wynosi około 12 $ za m² powierzchni zbierającej. Nawet w południowych stanach USA bardziej złożone i wydajne urządzenia dostępne są w cenie 38$ za m² powierzchni kolektora lub mniej. W większości krajów na świecie koszt własny prostego urządzenia zasilanego energią słoneczną, będącego w stanie zaspokoić większość potrzeb 4 – 5 osobowej rodziny byłby mniejszy niż 180$. Prawie wszędzie na obszarze 40 stopni szerokości geograficznej północnej i południowej takie urządzenie dostarczałoby ciepłą wodę ponad dwukrotnie taniej niż w przypadku ogrzewania jej elektrycznością gazem lub paliwami stałymi. W zasadzie urządzenie takie zamortyzowałoby się w ciągu 7 lat. Dzięki zastosowaniu urządzeń słonecznych można by uczynić nowy krok na długiej drodze do czasów, gdy wszyscy – niezależnie od tego, gdzie przyjdzie im mieszkać – będą mieli równe szanse życiowe. Słońce przecież świeci dla wszystkich ludzi.

 

Dowiedz się więcej