Wykorzystanie energii słonecznej, energia słoneczna – historia rozwoju, wady i zalety

Moda na alternatywne źródła energii nabiera tempa. Ponadto nacisk kładziony jest na odnawialne źródła energii — pływy, wiatr, słońce. Energia słoneczna (lub fotowoltaika) jest uważana za jeden z najszybciej rozwijających się sektorów przemysłu. Dość często bardzo optymistyczne stwierdzenia, takie jak fakt, że cała energia nadchodzących czasów, nie mniej, będzie oparta na energii słonecznej.

Ściśle mówiąc, energia gwiazdy zwanej Słońcem jest obecna w „zachowanej” postaci we wszystkich rodzajach paliw kopalnych – węglu, ropie, gazie. Energia ta zaczyna się gromadzić na etapie wzrostu roślin, które zużywają światło słoneczne i ciepło, które w wyniku złożonych procesów biologicznych zamieniają się w skamieliny węglowe. Energię wody, jej krążenie wspiera również Słońce.

Gęstość energii słonecznej na górnej granicy atmosfery wynosi 1350 W/m2, nazywa się to „stałą słoneczną”. Kiedy promienie słoneczne przechodzą przez atmosferę ziemską, część promieniowania ulega rozproszeniu.Ale nawet na samej powierzchni Ziemi jego gęstość jest wystarczająca do ewentualnego wykorzystania, nawet przy pochmurnej pogodzie.

Historia rozwoju

Zjawisko fotowoltaiczne (tj. pojawienie się stacjonarnego prądu w jednorodnym materiale z jego jednorodnym fotowzbudzeniem) odkrył w 1839 r. francuski fizyk Alexandre-Edmond Becquerel. Nieco później Anglik Willoughby Smith i Niemiec Heinrich-Rudolph Hertz niezależnie odkryli fotoprzewodnictwo selenu i fotoprzewodnictwo w ultrafiolecie.

W 1888 roku w Ameryce opatentowano pierwsze „urządzenie do odzyskiwania promieniowania słonecznego”. Pierwsze osiągnięcia rosyjskich naukowców w dziedzinie fotoprzewodnictwa sięgają 1938 roku. Wtedy to w laboratorium akademika Abrama Joffe powstał pierwszy element konwersji energii słonecznej, który miał być wykorzystany w energetyce słonecznej.

Rozwój ziemskiej energii słonecznej poprzedziły liczne prace naukowców (m.in. fizyków z Leningradzko-Petersburskiej Szkoły Naukowej Borysa Kołomica i Jurija Maslakowca) w dziedzinie baterii słonecznych do celów kosmicznych. Stworzyli w Leningradzkim Instytucie Fizyki i Technologii fotokomórki z siarki talu, których wydajność była równa 1% - prawdziwy rekord w tamtych czasach.

Abram Joffe został także autorem popularnego obecnie rozwiązania instalacyjnego fotokomórki na dachach (chociaż pomysł nie przyjął się z początku, po prostu dlatego, że nikt nie odczuwał wówczas niedoboru paliw kopalnych). Dziś takie kraje jak Niemcy, USA, Japonia, Izrael coraz częściej montują panele fotowoltaiczne na dachach budynków, tworząc w ten sposób „domy energooszczędne”.

Energia słoneczna zaczęła budzić większe zainteresowanie w drugiej połowie XX wieku.Dzięki praktycznym osiągnięciom w tej dziedzinie powstały elektrociepłownie, w których chłodziwo ogrzewane jest bezpośrednim promieniowaniem słonecznym, a turbogenerator elektryczny napędza parę wytwarzaną w kotle.

Wraz z gromadzeniem wiedzy i postępem od teorii do praktyki pojawia się pytanie o opłacalność generacji słonecznej. Początkowo zadania energii słonecznej nie wykraczały poza zasilanie lokalnych obiektów, na przykład trudno dostępnych lub oddalonych od centralnego systemu elektroenergetycznego. Już w 1975 roku łączna moc wszystkich instalacji fotowoltaicznych na planecie wynosiła zaledwie 300 kW, a cena szczytowego kilowata mocy sięgała 20 tysięcy dolarów.

Zasada działania elektrowni słonecznych:

Jak energia słoneczna jest przekształcana w energię elektryczną

Popularne rodzaje paneli fotowoltaicznych

Ale oczywiście wydobycie energii słonecznej z ziemi — nawet bez uwzględnienia elementu ekonomicznego — wymagało znacznie większej wydajności. I udało im się to poniekąd osiągnąć. Sprawność nowoczesnych krzemowych generatorów półprzewodnikowych wynosi już 15-24% (zob. Sprawność ogniw i modułów fotowoltaicznych), dlatego też (podobnie jak spadek ich ceny) istnieje dziś stały popyt.

Produkcja paneli słonecznych została opanowana przez największe światowe firmy, takie jak Siemens, Kyocera, Solarex, BP Solar, Shell i inne. Koszt jednego wata zainstalowanej mocy elektrycznej z półprzewodnikowych ogniw słonecznych spadł do 2 USD.

Już w czasach sowieckich szacowano, że 4 tys. km2 modułów fotowoltaicznych jest w stanie pokryć roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną całego świata. A wydajność akumulatorów w tym czasie nie przekraczała 6%.

W ubiegłym wieku 10-megawatowe elektrownie słoneczne (SPP) powstały w USA, Francji, Hiszpanii, Włoszech i innych krajach „słonecznych”. W ZSRR pierwsza eksperymentalna elektrownia słoneczna o mocy 5 MW powstała na Półwyspie Kerczeńskim, gdzie liczba słonecznych dni w roku należy do najwyższych w regionie.

Część z tych stacji nadal funkcjonuje, wiele przestało funkcjonować, ale można śmiało stwierdzić, że w zasadzie nie mogą one konkurować z nowoczesnymi systemami fotowoltaicznymi.

Elektrownie słoneczne:

Rodzaje elektrowni słonecznych

Pływające elektrownie słoneczne

Koncentratory słoneczne

profesjonaliści

Mocne strony energii słonecznej są oczywiste dla wszystkich i nie wymagają szczegółowego wyjaśnienia.

Po pierwsze, zasoby Słońca starczą na bardzo długo — długość życia gwiazdy oceniają naukowcy na około 5 miliardów lat.

Po drugie, wykorzystanie energii słonecznej nie zagraża emisjom gazów cieplarnianych, globalnemu ociepleniu i ogólnemu zanieczyszczeniu środowiska, tj. nie narusza równowagi ekologicznej planety.

Elektrownia fotowoltaiczna o mocy 1 MW wytwarza rocznie ok. 2 mln kW, co zapobiega emisji dwutlenku węgla w porównaniu z elektrownią spalinową w ilości: na gaz ok. 11 tys. ton, na produkty ropopochodne 1,1-1,5 tys. ton, na węgiel 1,7-2,3 tys. ton...

Cons

Wąskie gardła energii słonecznej obejmują, po pierwsze, wciąż niewystarczająco wysoką wydajność, a po drugie, niewystarczająco niski koszt za kilowatogodzinę - coś, co rodzi pytania dotyczące powszechnego wykorzystania dowolnego odnawialnego źródła energii.

Do tego dochodzi fakt, że spora ilość promieniowania słonecznego na powierzchni Ziemi jest rozpraszana w sposób niekontrolowany.

Ściśle stawiane jest również bezpieczeństwo środowiska — wszak wciąż nie wiadomo, co zrobić z utylizacją zużytych elementów.

Wreszcie, stopień badań nad energią słoneczną – cokolwiek mówią – wciąż jest daleki od doskonałości.

Najsłabszym ogniwem energii słonecznej jest niska wydajność baterii; rozwiązanie tego problemu jest tylko kwestią czasu.

Stosowanie

Tak, pozyskiwanie energii ze Słońca nie należy do najtańszych projektów. Ale po pierwsze, w ciągu ostatnich trzydziestu lat jeden wat wygenerowany za pomocą fotokomórek stał się dziesięciokrotnie tańszy. Po drugie, rolę energii słonecznej odgrywa dążenie krajów europejskich do zmniejszenia zależności od tradycyjnych źródeł energii. Nie zapomnij także o protokole z Kioto. Obecnie można powiedzieć, że energetyka słoneczna rozwija się w stałym tempie zarówno z punktu widzenia nauki, jak i handlu.

Obecnie energia słoneczna jest najaktywniej wykorzystywana do trzech celów:

• ogrzewanie i ciepła woda oraz klimatyzacja;

• konwersja na energię elektryczną za pomocą fotowoltaicznych konwerterów słonecznych;

• wytwarzanie energii na dużą skalę w oparciu o cykl termiczny.

Energii słonecznej nie trzeba przekształcać w energię elektryczną, ale całkiem możliwe jest wykorzystanie jej jako ciepła. Na przykład do ogrzewania i ciepłej wody w obiektach mieszkalnych i przemysłowych.

Podstawą zasady działania konstrukcji słonecznych systemów grzewczych jest ogrzewanie płynu niezamarzającego.Ciepło jest następnie przekazywane do zbiorników magazynowych, zwykle znajdujących się w piwnicy, i stamtąd pobierane.

Jednym z największych potencjalnych odbiorców energii fotowoltaicznej jest sektor rolniczy, który może samodzielnie zużywać setki megawatów szczytowej energii słonecznej rocznie. Do tego można dodać wsparcie nawigacji, zasilanie systemów telekomunikacyjnych, systemy dla kurortu i biznesu zdrowotnego i turystycznego, a także wille, słoneczne oświetlenie uliczne i inne.

Dziś poważnie rozważa się możliwość absolutnie fantastycznych, z punktu widzenia laika, sposobów wykorzystania energii słonecznej. Na przykład projekty orbit wokół stacji słonecznych lub, jeszcze bardziej fantastycznie, elektrownie słoneczne na Księżycu.

I rzeczywiście są takie projekty. W kosmosie koncentracja energii słonecznej jest znacznie wyższa niż na naszej błękitnej planecie. Przesyłanie energii na Ziemię jest możliwe za pomocą światła kierunkowego (laser) lub promieniowania ultrawysokiej częstotliwości (mikrofale).

Kontynuując temat: Rozwijaj energię słoneczną na świecie