Energetyka słoneczna

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
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]. Globalne inwestycje w energię słoneczną w 2014 wyniosły 149,6 mld dolarów[2][3]. W 2022 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 1053 GW (wzrost o 22% w stosunku do 2021 roku) a wyprodukowały one 1023 TWh (3,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną)[4].

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 promieniowania 1366 W/m² (patrz stała słoneczna). Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów. Około 30% tej mocy jest odbijane 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 do powierzchni 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, część jest wykorzystywana przez rośliny i inne organizmy w procesie fotosyntezy, powstająca biomasa odpowiada około 0,05% tej mocy. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych. Całkowita moc uzyskiwana przez przetwarzanie energii słonecznej przez człowieka na inne rodzaje energii to około 10 % energii gromadzonej przez fotosyntezę[10]. 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, bezpośrednio lub pośrednio w różnych procesach, przekształca się w ciepło, a ta jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego[edytuj | edytuj kod]

Chociaż energia słoneczna odnosi się przede wszystkim do wykorzystania promieniowania słonecznego do celów praktycznych, wszystkie rodzaje energii odnawialnej, z wyjątkiem energii geotermalnej i energii pływów, pochodzą bezpośrednio lub pośrednio ze Słońca. W zależności od sposobu, w jaki wychwytują i przekształcają światło słoneczne oraz umożliwiają wykorzystanie jego energii, technologie słoneczne dzieli się na pasywne lub aktywne. Aktywne techniki słoneczne wykorzystują fotowoltaikę, skoncentrowaną energię słoneczną, kolektory słoneczne, do przekształcania światła słonecznego w użyteczną moc wyjściową, pompy i wentylatory do jej przenoszenia. Pasywne techniki słoneczne obejmują wybór materiałów o korzystnych właściwościach termicznych, projektowanie przestrzeni, w których w naturalny sposób energia słoneczna jest wykorzystywana bezpośrednio w miejscu pochłonięcia a także zapewnienie krążenia powietrze ogrzewanego słonecznie, odpowiednie położenie budynku względem nasłonecznienia. Aktywne technologie słoneczne zwiększają podaż energii i są uważane za technologie po stronie podaży, natomiast pasywne technologie słoneczne zmniejszają zapotrzebowanie na energię i są ogólnie uważane za technologie po stronie popytu[11].

Konwersja fotowoltaiczna[edytuj | edytuj kod]

Ogniwo fotowoltaiczne

Ogniwo słoneczne to urządzenie przekształcające bezpośrednio energię 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]

 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%, a w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach około 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 się 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 (200-krotnym w latach 1977-2015 – 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[4]

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.

Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w poszczególnych krajach w MW[4]:

Region 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Wzrost
2018/2017 		Udział
 Chiny 140 300 800 3300 7000 17639 28199 43480 78070 130816 175032 33.8% 35.9%
 Japonia 2144 2627 3618 4914 6632 13599 23300 35400 42750 49040 55500 13.2% 11.4%
 Stany Zjednoczone 1169 1616 2534 3910 7328 12079 18280 25600 40300 43031 51450 19.6% 10.5%
 Niemcy 6120 10566 17900 25400 33000 36300 38200 39700 41275 42339 45932 8.5% 9.4%
 Włochy 458 1181 3502 12803 16454 18074 18460 18900 19279 19688 20126 2.2% 4.1%
 Indie 71 101 161 481 1176 2320 3062 5062 9010 9647 17873 85.3% 3.7%
 Wielka Brytania 23 26 70 976 1747 2780 5228 9070 11727 12776 13108 2.6% 2.7%
 Australia 105 188 571 1377 2407 3226 4136 5065 5488 5993 9769 63.0% 2.0%
 Francja 186 335 1054 2974 4090 4733 5660 6557 7130 8610 9483 10.1% 1.9%
 Korea Południowa 358 524 656 812 1025 1475 2384 3408 4350 5835 7862 34.7% 1.6%
 Hiszpania 3635 3698 4110 4897 5216 5333 5358 5432 5490 7029 7048 0.3% 1.4%
 Turcja 4 5 6 7 12 19 41 250 834 3422 5064 48.0% 1.0%
 Holandia 57 68 99 150 363 737 1098 1405 2100 2903 4150 43.0% 0.9%
 Belgia 108 627 1055 2057 2768 3009 3074 3251 3422 3610 4026 11.5% 0.8%
 Kanada 33 95 281 558 766 1211 1900 2504 2715 2873 3113 8.4% 0.6%
 Południowa Afryka 0 12 40 68 75 122 920 1120 2174 2486 2959 19.0% 0.6%
 Tajlandia 33 43 49 243 388 824 1299 1420 2150 2702 2725 0.8% 0.6%
 Grecja 18 55 205 624 1536 2579 2595 2606 2611 2606 2652 1.8% 0.5%
 Szwajcaria 48 74 111 211 440 756 1076 1361 1640 1906 2246 17.8% 0.5%
 Chile 0 0 0 0 0 3 368 848 1125 1809 2137 18.1% 0.4%
 Czechy 64 462 1952 1959 2072 2132 2134 2075 2073 2070 2078 0.4% 0.4%
 Austria 32 53 96 187 360 626 766 937 1096 1269 1431 12.8% 0.3%
 Rumunia 0 0 0 3 49 1022 1293 1325 1372 1374 1377 0.2% 0.3%
 Izrael 3 25 70 190 237 481 731 881 872 975 1076 10.4% 0.2%
 Bułgaria 1 7 35 141 1010 1020 1022 1036 1028 1036 1036 0.0% 0.2%
 Dania 3 5 7 17 379 563 603 783
 Słowacja 0 0 148 508 543 588 590 600
 Portugalia 68 102 123 158 226 281 391 454
 Meksyk 22 25 31 37 55 112 176 282
 Malezja 9 11 13 14 36 73 160 231
 Szwecja 8 9 11 16 24 43 79 130
 Finlandia 4 5 7 8 9 10 14 19
 Norwegia 8 9 9 10 10 11 13 15
Świat 16 063 24 263 41 330 71 218 102 076 140 150 180 396 230 606 301 473 392 263 487 829 24.4% 100.0%
Wzrost w roku +73% +51% +70% +72% +43% +37% +29% +28% +33% +30% +24%

Ekonomika[edytuj | edytuj kod]

Przewidywany koszt energii z instalacji fotowoltaicznych w Europie w latach 2010-2020
Spadek cen krzemowych ogniw fotowoltaicznych w latach 1977-2015

Z raportu instytutu Fraunhofer ISE (należącego do Fraunhofer-Gesellschaft) wynika, że w 2025 roku fotowoltaika będzie najtańszym źródłem energii. Koszt energii pozyskanej z paneli słonecznych w krajach środkowej i południowej Europy będzie wynosił ok. 4-6 eurocentów/kWh, zaś ok. 2050 roku 2-4 eurocenty/kWh[12]. Zgodnie z prawem Swansona każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw fotowoltaicznych o 20%[13]. W latach 1977 – 2015 ceny ogniw spadły 200-krotnie – z 76,67 USD/wat[13][14] do poziomu 0,36 USD/wat, powodując dynamiczny rozwój tego sektora przemysłu.

Dynamiczny wzrost zainstalowanej mocy spowodował szybki spadek cen ogniw fotowoltaicznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5 USD/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3 USD/wat[15], w marcu 2015 roku 0,28-0,36$/wat[16], w grudniu 2019 roku 0,08-0,16$/wat[17].

W ekonomice energetyki słonecznej ważny jest aspekt zapewniania maksymalnej wielkości wyprodukowanej energii w najwyższych letnich „pikach” jej zużycia, związanych z masowym wykorzystaniem klimatyzacji, gdy energia w systemie energetycznym jest najdroższa. 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[18][19]. W Unii Europejskiej instalacje solarne w Hiszpanii, południowych Włoszech, Holandii i w Niemczech osiągają już parytet sieci, czyli stają się konkurencyjne wobec energetyki konwencjonalnej[20][21]. W kolejnych latach, ze względu na spadek cen energii odnawialnej, parytet sieci będzie obejmował kolejne kraje UE.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. ↑ a b Annual Solar Photovoltaics Production by Country, 1995-2010. Earth Policy Institute, 2011-10-27. [dostęp 2011-10-30]. (ang.).
  2. ↑ BNEF: Clean energy investment in 2014 beats expectations: Surges in solar investment in China and the US helped to drive the global total up 16% to USD 310 billon
  3. ↑ 2014 – dobry rok dla energetyki odnawialnej na świecie, reo.pl. [dostęp 2015-03-29]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-09-19)].
  4. ↑ a b c BP Statistical World Energy Review, BP, 23 czerwca 2023 [dostęp 2023-11-05] (ang.).
  5. ↑ a b Energy flow charts. Global Climate & Energy Project. [dostęp 2012-10-16]. (ang.).
  6. ↑ Watching your heat budget. NASA. [dostęp 2012-02-09]. [zarchiwizowane z tego adresu (28 stycznia 2012)]. (ang.).
  7. ↑ a b Natural Forcing of the Climate System. UNEP GRID-Arendal. [dostęp 2012-02-09]. [zarchiwizowane z tego adresu (4 marca 2016)]. (ang.).
  8. ↑ Annual Solar Irradiance, Intermittency and Annual Variations. Green Rhino Energy. [dostęp 2014-10-29]. (ang.).
  9. ↑ Zdzisław Kusto, Politechnika Gdańska: Wykorzystanie energii słonecznej. [dostęp 2009-01-07]. [zarchiwizowane z tego adresu (2009-04-07)].
  10. ↑ Energy conversion by photosynthetic organisms. FAO. [dostęp 2012-02-09]. (ang.).
  11. ↑ Cédric Philiber: The present and future use of solar thermal energy. [dostęp 2024-03-12].
  12. ↑ Fotowoltaika będzie najtańszym źródłem energii w ciągu 10 lat. odnawialnezrodlaenergii.pl. [dostęp 2015-03-29].
  13. ↑ a b 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. ↑ Solar module pricing. solarbuzz.com. [dostęp 2012-02-14]. [zarchiwizowane z tego adresu (8 grudnia 2012)]. (ang.).
  16. ↑ EnergyTrend.com (ceny średnie) marzec 2015. Cleantechnica. [dostęp 2015-03-29]. (ang.).
  17. ↑ Solar Price, Cell (Per Watt). EnergyTrend. [dostęp 2019-12-23]. (ang.).
  18. ↑ Germany Installed Record Amount Of Solar Power In 2012, 7.6 GW Of New Capacity. Cleantechnica. [dostęp 2013-01-14]. (ang.).
  19. ↑ Zaskakujące wyniki rynku fotowoltaicznego w Niemczech w 2012 r.. Gram w zielone. [dostęp 2013-01-14].
  20. ↑ Solar grid parity comes to Spain. Forbes, 2012. [dostęp 2013-02-14].
  21. ↑ Grid parity within reach in Europe, says consortium. 2012. [dostęp 2013-02-14].

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]

Energia odnawialna
Turbina wiatrowa
Turbina wiatrowa
Źródło: „https://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Energetyka_słoneczna&oldid=73108665”