Energia słoneczna – jak ją wykorzystać?

Już od kilku tygodni dzień jest coraz dłuższy, a wiosna właśnie dziś się rozpoczyna. To oznacza, że słońca będzie coraz więcej. I w związku z tym zadaliśmy sobie pytanie – jak wykorzystać energię słoneczną?

Ruch ciał niebieskich, położenie Ziemi względem Słońca, nieziemsko miłe dla ucha słowa jak peryhelium i aphelium czy wszystkie te przesilenia wiosenno-letnio-jesienno-zimowe – tym wszystkim nie będziemy się zajmować. Dla potrzeb tego tekstu uznamy po prostu, że Słońce świeci, a ze względu na kosmiczne siły i zasady panujące w kosmosie, Słońce raz jest bliżej Ziemi, a raz dalej. I jednego dnia jego promienie padają bardziej pionowo na powierzchnię Ziemi, a innego dnia mniej pionowo. Na początek sprawdźmy…

Ile energii daje nam Słońce?

Pytanie jest zasadne, skoro Słońce to darmowe źródło energii. Otóż we wnętrzu naszej najbliższej gwiazdy zachodzi fuzja termojądrowa, czyli jądra lżejszych pierwiastków łączą się w cięższe. Efekt? W ciągu jednej sekundy Słońce wytwarza milion razy więcej energii, niż ludzkość zużywa w ciągu roku (sic!). Co by nie mówić, to baaaaaaaaaaaaaaaaaaaaardzo duuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuużo energii.

Ciekawostka – czy wiecie, że przyciąganie Słońca jest 28 razy silniejsze niż przyciąganie Ziemi, więc człowiek, który na Ziemi waży 75 kg, na Słońcu ważyłby 2,1 tony (może Wam się kiedyś przydać w Milionerach).

energia słoneczna film sunshine

Kadr z filmu „W stronę słońca” Danny’ego Boyla / Źródło: Filmweb

W sumie to energia słoneczna jest właściwie nieskończona. Owszem, Słońce zgaśnie, ale za kilka miliardów lat i nie musimy się tym martwić (choć w filmie „W stronę słońca” z 2007 roku okazało się, że Słonce jednak gaśnie na naszych oczach, więc wysłano ekipę, by wrzuciła w nie ładunek nuklearny i je rozruszała, ale to tylko science-fiction i źródło niektórych zdjęć do tego tekstu:).

Poza tym Słońce wyłania się spoza horyzontu każdego dnia niezależnie od wszystkiego. Nie jest uwiązane polityką, ekonomią, pochodzeniem i niczym innym. Słońce było, jest i będzie. A skoro tak, to przydałoby się wiedzieć, jak wykorzystać tę energię. Pierwszy sposób to…

Ogniwa fotowoltaiczne

Padają na nie promienie słoneczne, które zamieniane są w prąd. Wydaje się to bardzo proste, ale co naprawdę dzieje się w ogniwie? W ogniwie jest zazwyczaj półprzewodnikowa płytka, najczęściej krzemowa, albo taka z tellurku kadmu (CdTe) lub mieszaniny miedzi, indu, galu, selenu (CIGS).

Promienie słoneczne padające na ogniwo, czyli de facto cząsteczki zwane fotonami (o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika), wybijają elektrony z negatywnej części płytki (strona n – negative). W ten sposób tworzą się dziury, czyli miejsca o ładunku dodatnim. Oba ładunki są rozdzielone przez barierę potencjału (złącze p-n), czyli mamy w tym miejscu do czynienia z różnicą potencjałów. Właśnie to sprawia, że elektrony zaczynają się przemieszczać względem siebie w sposób uporządkowany i voila, dzięki tak zwanej konwersji fotowoltaicznej w urządzeniu płynie prąd.

energia słoneczna ogniwa fotowoltaiczne

Tak energia słoneczna jest przetwarzana na prąd w ogniwach PV / Źródło: Renewable Solutions

Uff, przebrnęliśmy przez ten skomplikowany opis techniczny. Warto jednak wspomnieć, że efekt fotowoltaiczny został odkryty już w 1893 roku przez Becquerela. Od tego czasu nastąpił ogromny rozwój tej technologii. Przede wszystkim rośnie ich sprawność. W zależności od użytej technologii, sprawność ogniw PV zawiera się w zakresie od 10 do nawet 46% (te, które można zamontować na dachu osiągają zazwyczaj 15-20%). Na dodatek już w 60 krajach energia słoneczna jest najtańszym źródłem prądu. Nic zatem dziwnego, że Al Gore jest klimatycznym optymistą, skoro moc paneli fotowoltaicznych ciągle rośnie, a ceny spadają.

Inne sposoby wykorzystania energii słonecznej

Jest jeszcze coś takiego jak konwersja fototermiczna. Jest to zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Spotyka się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. Pasywna to taka, w której przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji, podczas gdy w konwersji aktywnej używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Z tym drugim typem konwersji mamy do czynienia w postaci kolektorów słonecznych (zwanych solarami). Służą one do podgrzewania ciepłej wody w domach, hotelach czy na basenach (czasem nawet wspomagają ogrzewanie). Wyróżniamy kolektory płaskie oraz próżniowe (różnią się nieco budową i sprawnością). Największy system kolektorów słonecznych powstał niedawno w duńskiej miejscowości Silkeborg. Składa się na niego 12 436 solarów, które pozwalają zaspokoić 1/5 rocznego zapotrzebowania na ciepło całego ponad 40 tysięcznego miasteczka. Nieźle.

energia słoneczna kolektory słoneczne dania

Energia słoneczna wykorzystywana w kolektorach słonecznych w Danii / Źródło: energy-supply.dk

Są też specjalne, ruchome kolektory skupiające, tzw. zwierciadła, które odbijają promienie słoneczne tak, by skupić je w jednym punkcie. Po co? Ano po to, żeby ogrzewać czynnik grzewczy (stopione sole – azotan sodu i azotan potasu) w wieży solarnej. Największa tego typu elektrownia znajduje się na pustyni Mojave w Kalifornii (a gdzież by indziej) i ma moc zbliżoną do jednego bloku elektrowni Bełchatów (392 MW).

Pozostaje jeszcze zagadnienie termolizy wody. Co to za czort? W wysokich temperaturach mamy do czynienia z termicznym rozkładem pary wodnej na tlen i wodór (wodór można zatankować i jechać w siną dal). Nie ma w tym wypadku problemu z wysoką temperaturą, bo wiele zwierciadeł skupiających promienie słoneczne w jednym miejscu wystarczy. Problemem jest rozdzielenie tak powstałych gazów, tym bardziej że przy obniżaniu temperatury następuje ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Termoliza jest droga, powoduje duże straty energii i ma małą sprawność. Konwersja fotowoltaiczna jest zatem najlepszym rozwiązaniem, jeśli chodzi o ujarzmianie energii słonecznej.

Energia ze słońca – wady i zalety

Zalety energii słonecznej to jej niezmienność (Słońce wschodzi każdego dnia), powszechność (ziemia jest skąpana w słońcu), niewyobrażalna obfitość (jak pisaliśmy, w ciągu jednej sekundy Słońce wytwarza milion razy więcej energii, niż ludzkość zużywa w ciągu roku) i bezemisyjność (energia ze słońca nie emituje żadnych zanieczyszczeń w momencie, gdy powstaje – wiatr słoneczny nie jest zanieczyszczeniem).

Wady energii słonecznej to brak ciągłości (słońce zachodzi z jednej strony ziemi, by natychmiast pojawić się po drugiej stronie, jakby zatem nie patrzeć, w każdym momencie połowa naszej planety jest bezsłoneczna). Poza tym jakość energii słonecznej i jej ilość zależą od miejsca, pory roku, pory dnia i pogody, a to uciążliwe jest, że tak powiem. Wiadomo, że Norwegowie w czasie śnieżnej zamieci w połowie grudnia nie będą mieć tyle korzyści ze słońca co Hiszpanie na początku lipca, w południe, pod doskonale pocztówkowym błękitnym niebem.

Energia słoneczna energią przyszłości

Ale co by nie mówić, przyszłość zielonej energii to przede wszystkim energia słoneczna przetwarzana na prąd. Fotowoltaika ujarzmia słońce już pod ponad 60 lat, a jej mocy wciąż przybywa i będzie przybywać. Ponad 1/3 energii w amerykańskich gniazdkach pochodzi już z wiatru i właśnie ze słońca. A w zeszłym roku natomiast Chińczycy zostali jej największym wytwórcą, stając się tym samym najbardziej oświeconym narodem świata 🙂

Inne słoneczne nowiny? Największy wizjoner naszych czasów – Elon Musk – oferuje dachy solarne, a łódzcy studenci jeżdżą samochodem na słońce. Przyczepiając gniazdko do skąpanej w słońcu szyby, można wytworzyć energię, podczas gdy Japończycy budują farmy słoneczne na wodzie. Nad tym wszystkim, w przestworzach, lata już przecież samolot zasilany słońcem. Ba, pewna ekologicznie i politycznie inspirująca kobieta we Francji buduje nawet drogi z paneli słonecznych. Mało?

Nowe technologie sprawią, że w niedalekiej przyszłości będziemy mogli zapomnieć o ładowarkach do telefonów, bo telefony będą miały ekran zrobiony ze specjalnego rodzaju ogniwa (dr Olga Malinkiewicz opatentowała już tę technologię z użyciem perowskitów). Pewnie pojawią się też farby fotowoltaiczne, ubrania z elementami produkującymi energię (czy będą pochodzić z recyklingu?). No i rzeczą dość oczywistą będą panele słoneczne na dachach naszych samochodów elektrycznych. A zatem – Słońce wysyła w kierunku Ziemi masę czystej, darmowej i nieprzerwanej energii. Powinniśmy zatem z niej korzystać.

 

Źródła: Visual Capitalist, Wikipedia, Renewable Solutions

Zapisz

(Visited 455 times, 1 visits today)