Energetyka słoneczna – wykorzystywanie i perspektywy rozwoju

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. W 2012 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 100 GW (wzrost o 41% w stosunku do 2011 roku, 900% od 2007 roku) i zaspokajały one 0,4% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Promieniowanie słoneczne– do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m². 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. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m². 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/(m²rok) w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralne Afryce. W Polsce wynosi około 1100 kWh/m² na rok.
Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosymtezy. 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.
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

Konwersja fotowoltaiczna

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie pólprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się od obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

ogniwo fotowoltaiczne

Konwersja fototermiczna

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 grzanej 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, jak i duże instalacje dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.

Kolektory Słoneczne do ogrzewania wody

Konwersja fotochemiczna

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

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.

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

Wieża słoneczna

PERSPEKTYWY ROZWOJU

Po dokonaniu analizy całkowitych globalnych rezerw paliw kopalnych oraz rocznych zasobów energii odnawialnej w odniesieniu do rocznego światowego zapotrzebowania na energię okazuje się, że największe rezerwy tkwią w energii słonecznej.
Najbliższa nam gwiazda , znajdująca się w odległości zaledwie 150 mln km od Ziemi, przez astronomów nazywana żółtym karłem, corocznie traci 1,26×1014 t ze swej masy wynoszącej 1,99×1027 t. Jest to jednak ubytek masy tak nieznaczny że nie spowoduje istotnych zmian przez następnych kilka miliardów lat. Następuje on w wyniku promieniowania elektromagnetycznego, wyrzutów materii oraz rozbłysków, które są następstwem zachodzącej we wnętrzu Słońca reakcji syntezy termojądrowej, polegającej na łączeniu lekkich jąder wodoru i przekształcaniu w cięższe jądra helu (proces przebiegający w przeciwnym kierunku do reakcji rozszczepiania jąder wykorzystywanej w elektrowniach jądrowych), podczas której uwalnia się ogromna ilość energii (znacznie większa, niż w reakcji rozszczepiania). Temperatura w jądrze gwiazdy dochodzi do 14 mln °C, zaś na powierzchni osiąga 5,5 tys. °C.

Z zewnętrznych obszarów korony słonecznej wyrzucany jest tzw. wiatr słoneczny, który stanowią strumienie protonów i elektronów z niewielką domieszką jąder helu. Korona jest natomiast źródłem słonecznego promieniowania elektromagnetycznego, które w postaci światła, fal radiowych, podczerwieni, nadfioletu oraz promieni rentgenowskich przenika i wypełnia przestrzeń międzyplanetarną. Słońce wypromieniowuje energię poprzez całą swoją powierzchnię, 12 tys. razy większą od powierzchni Ziemi, we wszystkich kierunkach. Stąd na Ziemię, po ośmiu minutach i dwudziestu sekundach od wypromieniowania, dociera jedynie niewielka część energii uwalnianej przez Słońce. Bez niej jednak życie na naszej planecie nie byłoby możliwe. Energia słoneczna dostarcza światła i ciepła, które są niezbędne do wzrostu roślin dostarczających pożywienia dla zwierząt i ludzi, a także stwarza warunki sprzyjające rozwojowi tych ostatnich. Wykorzystywane dotychczas w celach energetycznych paliwa kopalne stanowią formę zmagazynowanej energii słonecznej.

Większość wypromieniowywanej przez Słońce energii to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fal rzędu 0,2-2,5 µm, które jest wysokoenergetyczne, gdyż energia promieniowania jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali. Jedynie część (46%) ww. promieniowania, o długości fal 0,35-0,75 µm, to światło widzialne, którego barwy zdolne jest zarejestrować ludzkie oko, reszta to podczerwień odczuwana w postaci ciepła (47%) i niebezpieczny dla organizmów żywych nadfiolet (7%). Łącznie do Ziemi kierowana jest jedna półmiliardowa część energii emitowanej przez Słońce, a jej strumień docierający do ziemskiej atmosfery ma średnią moc ok. 1,39 kW/m2, która w ciągu roku ulega niewielkim, kilkuprocentowym wahaniom, ze względu na zmianę odległości Ziemi od Słońca. Wskutek odbicia, absorpcji i rozproszenia, w zależności od pory dnia i roku, do powierzchni Ziemi dociera mniej niż połowa tej energii). Jedynie 1% to ultrafiolet, gdyż reszta zostaje przechwycona przez warstwę ozonową w atmosferze, natomiast 59% stanowi podczerwień, a 40% światło widzialne. Do powierzchni Ziemi okresowo dociera także promieniowanie korpuskularne (wiatr słoneczny), które powoduje powstawanie zórz polarnych oraz zakłóceń radiowych, nie odgrywa ono jednak większej roli w procesach biologicznych zachodzących na naszej planecie.

Po dokonaniu analizy całkowitych globalnych rezerw paliw kopalnych oraz rocznych zasobów energii odnawialnej w odniesieniu do rocznego światowego zapotrzebowania na energię okazuje się, że największe rezerwy tkwią w energii słonecznej.

Docierające do Ziemi zasoby energii słonecznej znacznie przewyższają dostępne w skali roku zasoby pozostałych rodzajów energii odnawialnej, a także całkowite rezerwy wszelkiego rodzaju paliw kopalnych łącznie. Problem tkwi w efektywności dostępnych systemów umożliwiających wykorzystywanie energii słonecznej.

Systemy wykorzystujące promieniowanie słoneczne po zainstalowaniu na terenach wskazanych ciemnymi punktami na rysunku powyżej, tj. na afrykańskiej Saharze oraz na pustyniach: Arabii Saudyjskiej, Chin, Australii, USA i Chile, byłyby w stanie dostarczyć więcej energii niż wynosi obecne światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną (uwzględniając efektywność konwersji rzędu 8%). W powyższych szacunkach uwzględniona została cała aktualna konsumpcja energii obejmująca zapotrzebowanie na energię cieplną, energię elektryczną oraz surowce energetyczne, w tym służące do produkcji paliw transportowych.

Do zalet energii słonecznej należą:

• powszechna dostępność,
• brak negatywnych konsekwencji dla środowiska podczas eksploatacji,
• małe koszty eksploatacji,
• pozytywny wpływ na zmniejszenie uzależnienia od dostawców energii.

Wśród wad można dostrzec natomiast:

• wysoki koszt instalacji systemów solarnych,
• dużą podatność na warunki środowiskowe,
• sezonowość dostaw, gdyż w nocy produkcja energii ustaje.

Wśród podstawowych sposobów wykorzystania energii słonecznej wymieniane są:

• pasywna konwersja fototermiczna – polegająca na ogrzewaniu wody przepływającej przez specjalny system rur – ten sposób używany jest m.in. do ogrzewania budynków i dostarczania ciepłej wody,
• aktywna konwersja fototermiczna – polegająca na podgrzewaniu specjalnych roztworów (sód, lit, azotan potasu), które parując wprawiają w ruch turbinę wytwarzającą energię elektryczną,
• konwersja fotowoltaiczna – polegająca na przetwarzaniu promieniowania słonecznego bezpośrednio na energię elektryczną (nadaje się do zastosowania głównie w warunkach dużego nasłonecznienia).

Systemy fototermiczne (tabela) występują w dwóch odmianach, które należy wykorzystywać w zależności od klimatu panującego w miejscu ich instalacji (zamieszkiwania użytkownika), tj. dla klimatu chłodnego lub ciepłego. W systemach dla klimatu chłodnego (z obiegiem zamkniętym) wykorzystywane są substancje niezamarzające, które zabezpieczają system, zwłaszcza zimą oraz podczas chłodnych jesiennych nocy. W systemach dla klimatu ciepłego (z obiegiem otwartym) woda po przejściu przez kolektor słoneczny przesyłana jest bezpośrednio do bojlera.

Poziom energii generowanej przez system fotowoltaiczny zależy od trzech czynników:

1. ilości odbieranego promieniowania słonecznego,
2. technologii budowy użytych w systemie ogniw fotowoltaicznych,
3. efektywności konwersji systemu.

System fotowoltaiczny zwykle składa się z ogniw fotowoltaicznych (fotoogniw, ogniw słonecznych) oraz przetworników dostosowujących wytwarzany w nich prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń. Aby wytworzona energia mogła być wykorzystywana także w nocy, w systemie muszą być stosowane akumulatory (ołowiowo-kwasowe lub inne), umożliwiające jej magazynowanie. Do zasilania urządzeń prądem stałym niezbędne jest stosowanie kontrolera napięcia, zaś prądem zmiennym – falownika (zmieniającego napięcie stałe na zmienne). Materiałem najczęściej używanym do produkcji fotoogniw jest krzem krystaliczny i półkrystaliczny, ale do ich wytwarzania wykorzystywane są także: arsenek galu, tellurek kadmu, selenek indowo-miedziowy i inne materiały.

Pojedyncze ogniwa, ze względu na zbyt niską moc wytwarzaną (1-2 W), nie są wykorzystywane i zwykle łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduły fotowoltaiczne o powierzchni 0,3-1 m2, których moc wyrażona w watach mocy szczytowej (Wp – watt peak) kształtuje się na ogół w przedziale 30-120 Wp. Systemy fotowoltaiczne wykorzystywane są jako: wolnostojące (korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach fotowoltaicznych), hybrydowe (kombinacja modułu fotowoltaicznego i kolektora, bądź innego systemu wytwarzania energii, np. z wykorzystaniem generatora spalinowego, gazowego lub wiatrowego), lub dołączone do sieci (elektrownie z dużą ilością paneli, oddające energię do sieci elektroenergetycznej).

Rynek słonecznej energetyki fotowoltaicznej wykazywał w 2008 r. trzy główne trendy:

1. wzrost zainteresowania integracją budownictwa i energetyki PV,
2. najszybszy rozwój segmentu najcieńszych ogniw fotowoltaicznych,
3. budowa wielkich elektrowni słonecznych.

Według raportu GLOBENERGIA z 2009 roku ostatnie lata to dynamiczny rozwój sektora energetyki słonecznej. Wzrasta sprzedaż kolektorów słonecznych i intensywnie rozwija się krajowa produkcja urządzeń, a większość sprzedawanych w Polsce wysokiej jakości kolektorów słonecznych oraz podzespołów instalacji słonecznych jest produkowanych w kraju.
Energetyka słoneczna cieplna jest jednym z najszybciej rozwijających się sektorów energetyki odnawialnej w Polsce i w Unii Europejskiej. Średnie roczne tempo wzrostu w latach 2001–2008 wyniosło ponad 43%. Rok 2008 był rekordowy pod względem sprzedaży instalacji słonecznych – 130 tyś m2, co daje wartość skumulowaną powierzchni zainstalowanej w wysokości 365 tyś m2 i odpowiada 526 TJ „zielonego” ciepła zużytego na podgrzewanie wody użytkowej na cele grzewcze.
Badania przeprowadzone m.in. przez Komisję Europejską potwierdzają, że z punktu widzenia ograniczenia emisji gazów cieplarnianych energetyka słoneczna termiczna należy do najbardziej efektywnych technologii produkcji ciepła. Krajowe fundusze wspierające rozwój sektora energetyki odnawialnej nie dostrzegają w pełni istotnej roli energii promieniowania słonecznego. W latach 2005–2008 ogólna kwota dofinansowania projektów energetyki słonecznej cieplnej ze środków publicznych wynosiła zaledwie 24 mln zł/rok.

Obecnie energetyka słoneczna termiczna należy do jednych z najtańszych „zielonych” technologii, biorąc pod uwagę cały cykl życia instalacji, zwłaszcza na tle kilkakrotnie droższych, w przeliczeniu na GJ, technologii tzw. zielonej energii elektrycznej i biopaliw. Charakterystyczny jest jednak wysoki koszt początkowy i jest to główna bariera w rozwoju stosowania tej technologii. Dlatego niezwykle istotne jest zapewnienie w najbliższych latach odpowiednich instrumentów wsparcia, w szczególności na etapie inwestycyjnym, zachęcających inwestorów do zakupu kolektorów słonecznych.

Nadchodząca „zielona rewolucja” wymaga zmian paradygmatów myślenia o energetyce i większego niż dotychczas otwarcia na systemy zdecentralizowane. Realny wkład energetyki słonecznej cieplnej na pokrycie potrzeb w zakresie zaopatrzenia w ciepło i chłód wynosi prawie 28 tys. TJ na 2020 r., co odpowiada blisko 20 mln m2 powierzchni kolektorów słonecznych zainstalowanych w poniższej wskazanych sektorach według następujących udziałów:

• c.w.u. w mieszkalnictwie – 53%
• c.o. w mieszkalnictwie – 17%
• c.w.u. w usługach i sektorze publicznym – 9%
• c.o. w usługach i sektorze publicznym – 5%
• ciepło technologiczne w przemyśle i rolnictwie – 5%
• słoneczne chłodzenie w sektorze usług – 2%
• słoneczne chłodzenie w mieszkalnictwie – 1%

Pozostałe 8% energii promieniowania słonecznego to ciepło uzyskiwane w systemach ogrzewania sieciowego (na c.o. + c.w.u.).

Warto również zauważyć, że znaczenie energetyki słonecznej termicznej w nadchodzącej dekadzie wzrośnie jeszcze bardziej na tle całego sektora OZE, gdyż Pakiet 3×20 i nowa dyrektywa 2009/28/WE o promocji stosowania odnawialnych źródeł energii wprowadzają konkurencję pomiędzy nośnikami: biopaliwami transportowymi, zieloną energią elektryczną i ciepłem, a właśnie ciepło, w tym słoneczne, wydaje się być w pakiecie klimatycznym UE jednym z najtańszych sposobów redukcji emisji CO2.

Dotychczas energia słoneczna była na świecie mało docenianym źródłem energii. Jednak w niektórych państwach, w tym w wybranych krajach Unii Europejskiej, odnotowuje się ostatnio bardzo szybki przyrost mocy produkowanych i instalowanych ogniw słonecznych. W 2007 r. moc zainstalowanych w Niemczech elektrowni fotowoltaicznych sięgała 4 GW, dzięki którym wyprodukowano 3,5 TWh energii. W 2008 r. nastąpił gwałtowny rozwój energetyki słonecznej w Hiszpanii, zaś na kolejne lata szybki przyrost mocy zainstalowanych w elektrowniach słonecznych zapowiadają Włochy.

Energia słoneczna bardziej niż do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystywana jest obecnie do produkcji ciepła. Światowym liderem w tym zakresie są Chiny. Walkę o dominację, w której na najbliższe dekady pierwsza pozycja Azji będzie niezagrożona, podejmują Indie. Projekt Słonecznego Miasta w indyjskim stanie Gujarat wielokrotnie przewyższa wszystko, czego dotychczas dokonano w energetyce słonecznej.

Obecnie koszt wyprodukowania 1 MW energii z wykorzystaniem ogniw fotowoltaicznych jest dwukrotnie wyższy niż z użyciem paliw kopalnych, jednak szybko maleje i szacuje się, że po 2020 r. technologie słoneczne staną się ekonomicznie konkurencyjne. Niemcy, unijny lider w dziedzinie technologii słonecznych, na 2020 r. zapowiadają 7% udziału energetyki PV w produkcji energii elektrycznej. Wówczas także należy oczekiwać realizacji projektu Trans-Śródziemnomorskiego, który będzie w stanie w znacznym stopniu przyczynić się do zaspokojenia energetycznych potrzeb państw członkowskich Unii Europejskiej.

WYKORZYSTYWANIE

Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera do powierzchni Ziemi. Oświetlenie powierzchni Ziemi nie jest równomierne. Zależy od szerokości geograficznej, pory roku i pory dnia. Obliczono, że jednemu metrowi kwadratowemu powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu dnia na naszej szerokości geograficznej średnio 2,7kWh energii. Jest to wartość równa energii, jaką uzyskujemy ze spalenia jednej trzeciej litra benzyny.

Obecnie chcemy wykorzystać jej jak najwięcej. Energię słoneczną używa się do ogrzewania domów mieszkalnych zakładając ogniwa fotowoltaiczne zamieniające światło na prąd lub wykorzystując światło do ogrzewania wody w w specjalnych zbiornikach umieszczonych na dachach zwanych kolektorami. Aby wystarczyło to do ogrzania średniego domu rodzinnego i dostarczenia domownikom ciepłej wody powierzchnia kolektorów musiałaby wynosić aż 60m2. Jest to duża powierzchnia i oprócz ogrzewania słonecznego użytkownicy wykorzystują energię elektryczną.

Baterie słoneczne (ogniwa fotowoltaiczne) są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża ilość ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z krystalicznego krzemu domieszkowanego warstwami lub z cienkich warstw półprzewodników, zwykle uwodnionego krzemu amorficznego odpowiednio domieszkowanego (czasami arsenku galu). Sprawność ogniw w laboratoriach wynosi około 15%, natomiast stosowanych komercyjnie 4 – 8%. Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.
Z myślą, z jednej strony o kryzysie energetycznym, a z drugiej o ochronie środowiska, powstają projekty bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej na ogromną skalę, chociaż energia uzyskana z baterii słonecznych jest około pięć razy droższa niż z konwencjonalnych źródeł. W Niemczech planuje się w bieżącym dziesięcioleciu zainstalować systemy fotowoltaiczne na 100 tysiącach dachów, w Unii Europejskiej (nie licząc Niemiec) 400 tysięcy, w Japonii 700 tysięcy, a w Stanach Zjednoczonych ponad milion takich urządzeń.

Na zdjęciu poniżej widoczny jest pojazd zasilany z baterii słonecznych Sunraycer wygrał w 1987 roku wyścig na dystansie 3138 km osiągając średnią prędkość 67 km/h.

We Francji wielki piec przemysłowy w Mont Louis ogrzewany jest przez wielopiętrową konstrukcję małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę około 3000 oC, wystarczającą do obróbki wielu metali.

Istnieją inne często fantastyczne pomysły wykorzystania energii słonecznej. Japoński projekt GENESIS zakłada ustawienie w pustynnych rejonach elektrowni słonecznych, zbudowanych z cienkowarstwowych ogniw i utworzenie globalnej sieci energetycznej z nadprzewodzących kabli. Żeby zaspokoić światowe potrzeby energetyczne wystarczyłoby pokryć ogniwami zaledwie 4% powierzchni pustyń i nauczyć się przesyłać prąd bez strat.
Istnieje również projekt wykorzystania energii słonecznej z przestrzeni kosmicznej. ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską 40 satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS – Solar Power Satelites), wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych. Wytworzona elektryczność ma być zamieniana na promieniowanie mikrofalowe, transmitowane do odbiorników na Ziemi, gdzie nastąpi znowu zamiana w prąd elektryczny. Niestety, mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłby wszystkie napotykane na drodze niemetalowe przedmioty oraz żywe istoty.

ZASADA DZIAŁANIA BATERII SŁONECZNYCH

Niestety aby dokładnie wyjaśnić to zjawisko musimy przedstawić podstawowe własności półprzewodników i złącza p-n.
W półprzewodniku za przewodzenie prądu odpowiedzialne są swobodne elektrony, których jest dużo mniej niż w metalach i puste miejsca po elektronach, które mogą się przemieszczać więc traktujemy je jako ładunki dodatnie.

Jeśli połączymy ze sobą półprzewodnik typu p i n to taki układ nazywamy złączem p-n. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny. Po zetknięciu Przez granicę obu obszarów dzięki zjawisku dyfuzji elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p, a dziury z półprzewodnika typu p do n. Po przejściu elektrony rekombinują (zobojętniają się) z dziurami, a dziury z elektronami. Rekombinacja zachodzi jedynie w cienkiej warstwie blisko granicy zetknięcia. Ładunek jonów dodatnich i ujemnych po obu stronach granicy nie jest teraz skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. W wyniku tego powstaje tzw. warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku. Obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru typu n.. Powstała różnica potencjału nosi nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów.

Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun źródła połączony będzie z obszarem p, a ujemny z obszarem n to zmniejszy się bariera potencjału i prąd będzie płynął. Mówimy, że złącze polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Jeśli do obszaru p dołączymy biegun ujemny, a do obszaru n dodatni to elektrony i dziury będą odciągane od złącza. Wskutek tego warstwa zaporowa poszerzy się i jej opór elektryczny wzrośnie. Będzie płynął wtedy bardzo słaby prąd. Mówimy, że dioda spolaryzowana jest w kierunku zaporowym.
Teraz przystąpimy do omówienia właściwego zjawiska. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne inaczej fotogalwaniczne znalazło zastosowanie w ogniwach fotoelektrycznych powszechnie zwanych bateriami słonecznymi. Na rysunku pokazano budowę typowego ogniwa krzemowego. Takie ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p (więcej jest w nim dziur niż swobodnych elektronów) pokrytego warstwą półprzewodnika typu n (przeważają w nim swobodne elektrony) o grubości tylko 1mm, a więc wystarczająco cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej. 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 półprzewodnika, a elektronów do obszaru n. Elektrony, które przeszły do obszaru n ładują tę część półprzewodnika ujemnie, natomiast dziury ładują obszar p półprzewodnika dodatnio. Pomiędzy obiema częściami półprzewodnika powstaje więc różnica potencjałów. Jeśli obszary p i n połączymy przewodem na zewnątrz ogniwa, to popłynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diody.

GIGANTYCZNA ELEKTROWNIA SŁONECZNA

W Australii ruszyła budowa potężnej elektrowni słonecznej. Rząd Australii jest szczególnie wyczulony na sprawę ochrony środowiska. Od 2001 r. skupuje energię ze źródeł odnawialnych po korzystnych dla producentów cenach i udziela im preferencyjnych kredytów. Przed rokiem 2010 dziesięć procent energii produkowanej w Australii ma pochodzić ze słońca, wiatru i wody (dziś jest to siedem procent).
Pomysł jest niezwykły. Zbudowana będzie potężna wieża o wysokości jednego kilometra na środku gigantycznej szklarni w kształcie koła o średnicy siedmiu kilometrów. Lekko spadzisty dach umieszczony kilka metrów nad ziemią zasłoni powierzchnię 3800 hektarów. Szklarnia będzie otwarta, bez zewnętrznych ścian na brzegach koła, co zapewni swobodny przepływ powietrza. Obiekt nazwano „Wieżą Słońca”. Ze względu na zachęty ekonomiczne rządu, silne słońce i brak trzęsień ziemi, australijskie pustkowia są idealną lokalizacją. Koszt wzniesienia elektrowni szacuje się na 350 mln dolarów.
Pomysł powstał pod koniec lat siedemdziesiątych. Jego autorem jest niemiecki inżynier, profesor Jörg Schlaich. W latach osiemdziesiątych jego firma, przy współudziale rządu Hiszpanii, wybudowała w Manzenares w Kastylii prototyp Wieży Słońca. Komin niedaleko Madrytu jest pięć razy niższy od australijskiego, a szklarnia zajmuje „tylko” 4 hektary. To przesądza o czysto eksperymentalnym charakterze elektrowni. Osiągając śmiesznie niską moc 50 kilowatów, pracowała ona do roku 1989. Technologia słonecznego komina będzie dopiero efektywna, dopiero gdy jego rozmiary są ogromne. Dlatego tak duże rozmiary obiektu.
Zasada działania wieży jest prosta. Opiera się na tym, że ciepły gaz jest lżejszy od zimnego i unosi się ku górze. Słońce ogrzeje powietrze w szklarni do temperatury o 30-40oC wyższej niż na zewnątrz. To spowoduje ruch powietrza do środka, w stronę betonowego komina o średnicy 130 m, który niczym odkurzacz samorzutnie zassie je do góry. Hulający pod szklanym dachem wiatr osiągnie prędkość 50 km na godzinę. Napędzać będzie 32 turbiny o mocy 6,5 megawata każda. Turbiny przetworzą energię mechaniczną na elektryczną.
Wieża Słońca będzie wytwarzać prąd przez całą dobę. Na ziemi wewnątrz szklarni rozłożone zostaną pojemniki z wodą. Za dnia woda nagrzeje się tak mocno, że ciepło oddawane przez nią w nocy wystarczy do podtrzymania pracy megaodkurzacza. Oczywiście na niższych obrotach niż w południe, ale nocą maleje zapotrzebowanie na prąd.
Wieża Słońca będzie mieć ogromną zaletę – nie wyemituje ani grama zanieczyszczeń. Z drugiej strony Wieża wcale nie będzie tak nieszkodliwa, jakby się zdawało. Żeby wyprodukować beton i stal potrzebne do jej budowy, trzeba wyemitować do atmosfery 2 mln ton zanieczyszczeń (głównie dwutlenku węgla). Dopiero po dwóch i pół roku pracy bez dymu i spalin Wieża zniweluje straty, jakie środowisko poniesie przy jej wznoszeniu.