Energetyka słoneczna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Elektrownia słoneczna Nellis w Stanach Zjednoczonych

Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie[1]. W 2013 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 139 GW[2][3](wzrost o 36,8% w stosunku do 2012 roku)[4] i zaspokajały one 0,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną[2].

Promieniowanie słoneczne[edytuj | edytuj kod]

Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej. Zaczernione obszary (kropki) mogłyby pokryć całkowite światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną (18 TW czyli 568 Eksadżuli (EJ) rocznie), gdyby zostały pokryte ogniwami o efektywności 8%.
Teoretycznie dostępna energia źródeł odnawialnych w porównaniu z aktualnym światowym zapotrzebowaniem[5].

Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m² (patrz stała słoneczna). Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów. Około 30% tej mocy jest odbijane natychmiast w kosmos, a kolejne 20% jest pochłaniane przez atmosferę[6][7]. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m²[7]. Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic. Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/(m²*rok) w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce[8]. W Polsce wynosi około 1100 kWh/(m²*rok)[9].

Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy[10]. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych. Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430 ZJ energii, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni[5].

Cała energia promieniowania słonecznego pochłonięta przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez rośliny i zwierzęta, przekształca się w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego[edytuj | edytuj kod]

Konwersja fotowoltaiczna[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobne artykuły: ogniwo słonecznefotowoltaika.

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące 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.

Obecnie znanych jest wiele typów materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są ogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego, ale produkuje się też ogniwa oparte na krzemie polikrystalicznym, krzemie amorficznym, polimerach, tellurku kadmu (CdTe), CIGS i wielu innych. Intensywny rozwój przemysłu fotowoltaicznego w ostatnich latach pociąga za sobą duże zainteresowanie badaniami nad wydajniejszymi i tańszymi ogniwami.

Konwersja fototermiczna[edytuj | edytuj kod]

Kolektory słoneczne do ogrzewania wody w Grecji

Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe'a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym, a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody oraz przy suszeniu płodów rolnych.

Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m² kolektorów słonecznych), jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m²) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.

Konwersja fotochemiczna[edytuj | edytuj kod]

Information icon.svg Osobny artykuł: Sztuczna fotosynteza.

Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego.

Termoliza wody[edytuj | edytuj kod]

Wieże słoneczne PS10 i PS20 koło Sewilli w Hiszpanii

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. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń ich szybkie zużywanie i małą sprawność.

Wieże słoneczne[edytuj | edytuj kod]

Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem.

Zastosowanie energii słonecznej[edytuj | edytuj kod]

Zasilany energią słoneczną Tramwaj Wodny na Brdzie w centrum Bydgoszczy
Zasilanie akumulatora jachtu za pomocą ogniwa fotowoltaicznego
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do zasilania budynku

Skala indywidualna[edytuj | edytuj kod]

Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były zawsze wielokrotnie wyższe niż przy wykorzystaniu innych źródeł energii, przez długi czas była ona stosowana jedynie tam, gdzie ich wykorzystanie było bardzo utrudnione lub niemożliwe. Przykładem takich zastosowań były:

Energetykę słoneczną wykorzystuje się coraz powszechniej. Związane jest to, między innymi ze spadkiem cen (100-krotnym w latach 1977-2003 - patrz "ekonomika" poniżej), z większą dostępnością technologii, programami dofinansowania instalacji tego typu urządzeń, rosnącą świadomością ekologiczną oraz wzrostem cen energii pochodzącej z tradycyjnych źródeł. Na rynku pojawiły się również nowe rozwiązania łączące tradycyjne źródła energii (np. LPG) z energią słoneczną, które umożliwiają uniezależnienie się od negatywnych warunków atmosferycznych (np. w czasie zimy).

Skala przemysłowa[edytuj | edytuj kod]

Widok na elektrownię słoneczną SEGS III–VII, Kramer Junction, CA, USA
Kraje o największym wykorzystaniu energii słonecznej w latach 2004-2013[2].

Od początku XXI wieku różne państwa zaczęły wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalacji słonecznych: min. Niemcy, Czechy, Francja, Grecja, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania, Słowacja, Serbia, Bułgaria, Chiny, Tajwan, Indie, Korea Południowa. Wywołało to gwałtowny rozwój fotowoltaiki przemysłowej. Od 2000 roku produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40% rocznie[1]. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy 277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej mocy 24 047 MW. Wzrost ten spowodował stopniowy spadek cen ogniw słonecznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5$/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3$/wat[11].

Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w poszczególnych krajach w MW[2][3][12] :

Region 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Wzrost
2013/2012
Udział
 Niemcy 2899 4170 6120 10566 17554 25039 32643 35948 10,1% 25,7%
 Chiny 80 100 140 300 800 3300 7000 18300 161,4% 13,1%
 Włochy 50 120 458 1181 3502 12803 16139 17600 9,1% 12,6%
 Japonia 1709 1919 2144 2627 3618 4914 6743 13643 102,3% 9,8%
 Stany Zjednoczone 624 831 1169 1616 2534 3910 7271 12022 65,3% 8,6%
 Hiszpania 148 705 3635 3698 4110 4472 4685 4828 3,1% 3,5%
 Francja 44 75 186 335 1054 2660 3692 4632 25,5% 3,3%
 Australia 70 83 105 188 571 1377 2407 3255 35,2% 2,3%
 Belgia 4 27 108 627 1055 2057 2768 2983 7,8% 2,1%
 Wielka Brytania 14 18 23 26 70 976 1900 2892 52,2% 2,1%
 Grecja 7 8 18 55 205 624 1536 2579 67,9% 1,8%
 Indie 30 31 71 101 161 481 1176 2291 94,8% 1,6%
 Czechy 1 3 64 462 1952 1959 2072 2160 4,2% 1,5%
 Korea Południowa 36 81 358 524 656 812 1025 1467 43,1% 1,1%
 Kanada 21 26 33 95 281 558 766 1210 58,0% 0,9%
 Bułgaria 0 0 1 7 35 141 908 918 1,1% 0,7%
 Szwajcaria 30 36 48 74 111 211 440 740 68,2% 0,5%
 Holandia 52 53 57 68 99 150 365 722 97,8% 0,5%
 Ukraina 0 0 0 0 0 140 326 616 89,0% 0,5%
 Austria 26 28 32 53 96 187 360 580 61,1% 0,4%
 Dania 3 3 3 5 7 17 379 532 40,4% 0,4%
 Słowacja 0 0 0 0 148 508 524 524 0,0% 0,4%
 Izrael 1 2 3 25 70 190 237 420 77,2% 0,3%
 Portugalia 3 18 68 102 123 158 226 278 23,2% 0,2%
 Meksyk 20 21 22 25 31 37 55 100 81,8% 0,1%
 Malezja 6 7 9 11 13 14 36 73 102,8% 0,1%
 Szwecja 5 6 8 9 11 16 24 43 79,2% 0,0%
 Turcja 3 3 4 5 6 7 9 15 66,7% 0,0%
 Norwegia 8 8 8 9 9 10 10 11 10,0% 0,0%
 Finlandia 4 4 4 5 7 8 8 8 0,0% 0,0%
Świat 6619 9291 16 063 24 263 41 330 71 218 102 076 139 637 36,8% 100,0%
Wzrost w roku +31% +40% +73% +51% +70% +72% +43% +37%

Ekonomika[edytuj | edytuj kod]

Przewidywany koszt energii z instalacji fotowoltaicznych w Europie w latach 2010-2020.

Globalne inwestycje w energię słoneczną w 2012 wyniosły 140 mld dolarów[4]. Zgodnie z prawem Swansona każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw fotowoltaicznych o 20%[13]. W latach 1977 - 2013 ceny ogniw spadły 100-krotnie - z 76,67 USD/wat do przewidywanego poziomu 0,74 USD/wat powodując dynamiczny rozwój tego sektora przemysłu zielonej gospodarki[13][14]. W ekonomice energetyki słonecznej ważny jest aspekt zapewniania maksymalnej wielkości wyprodukowanej energii w najwyższych letnich "pikach" jej zużycia (moc szczytowa), gdy masowo włączamy np. urządzenia chłodzące/klimatyzację) a jednocześnie energia w systemie energetycznym jest najdroższa, ze względu na wysoki popyt. W ten sposób energia słoneczna zapobiega tzw. letnim "blackoutom". W 2012 roku, mimo ograniczenia finansowego wsparcia dla sektora solarnego, w Niemczech zainstalowano rekordową moc ogniw słonecznych - 7600 MW, dając całkowitą moc 32 000 MW dla tego źródła odnawialnego[15][16]. W Unii Europejskiej instalacje solarne w Hiszpanii, południowych Włoszech, Holandii i w Niemczech osiągają już parytet sieci czyli stają się konkurencyjne wobec energetyki konwencjonalnej[17][18]. W kolejnych latach, ze względu na spadek cen energii odnawialnej, parytet sieci będzie obejmował kolejne kraje UE.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Wikiquote-logo.svg
Zobacz w Wikicytatach kolekcję cytatów
Elektrownia słoneczna

Przypisy

  1. 1,0 1,1 Annual Solar Photovoltaics Production by Country, 1995-2010 (ang.). Earth Policy Institute, 2011-10-27. [dostęp 2011-10-30].
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 BP Statistical World Energy Review 2014. , 16 czerwca 2014. BP (ang.). [dostęp 16 czerwca 2014]. 
  3. 3,0 3,1 EPIA: Market Report 2013 (ang.). [dostęp 17 kwietnia 2014].
  4. 4,0 4,1 Growth of Global Solar and Wind Energy Continues to Outpace Other Technologies
  5. 5,0 5,1 Energy flow charts (ang.). Global Climate & Energy Project. [dostęp 2012-10-16].
  6. Watching your heat budget (ang.). NASA. [dostęp 9 lutego 2012].
  7. 7,0 7,1 Natural Forcing of the Climate System (ang.). UNEP GRID-Arendal. [dostęp 9 lutego 2012].
  8. Global Horizontal Irradiation (GHI) (ang.). SolarGis. [dostęp 9 lutego 2012].
  9. Zdzisław Kusto, Politechnika Gdańska: Wykorzystanie energii słonecznej.
  10. Energy conversion by photosynthetic organisms (ang.). FAO. [dostęp 9 lutego 2012].
  11. Solar module pricing (ang.). solarbuzz.com. [dostęp 14 lutego 2012].
  12. Snapshot of Global PV 1992-2013. , 2014. International Energy Agency - Photovoltaic Power Systems Programme (ang.). [dostęp 17 kwietnia 2014]. 
  13. 13,0 13,1 Geoffrey Carr: Sunny Uplands: Alternative energy will no longer be alternative. The Economist, 2012. [dostęp 2012-12-28].
  14. Pricing Sunshine. The Economist, 2012. [dostęp 2012-12-28].
  15. Germany Installed Record Amount Of Solar Power In 2012, 7.6 GW Of New Capacity (ang.). Cleantechnica. [dostęp 14 stycznia 2013].
  16. Zaskakujące wyniki rynku fotowoltaicznego w Niemczech w 2012 r.. Gram w zielone. [dostęp 14 stycznia 2013].
  17. Solar grid parity comes to Spain. Forbes, 2012. [dostęp 2013-02-14].
  18. Grid parity within reach in Europe, says consortium. 2012. [dostęp 2013-02-14].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]