W stronę Słońca

Energia słoneczna w sposób naturalny była i nadal jest wykorzystywana od czasów prehistorycznych. Głównie do produkcji żywności (rośliny) i ogrzewania

Pod pojęciem technologii wykorzystujących energię słoneczną rozumie się te, które bezpośrednio wykorzystują światło i ciepło słoneczne. Dzielimy je na cztery podstawowe systemy:

ogniwa ze Spectrolab: www.spectrolab.com

1. Słoneczne technologie termiczne przetwarzają energię słoneczną na mechaniczną energię turbin elektrycznych – i dalej na prąd. Są to przeważnie duże instalacje, wykorzystujące wiele parabolicznych luster w celu skupienia światła i uzyskania wysokich temperatur, do 400–2000°C. W naszym klimacie niespotykane i raczej mało wydajne.

Komercyjne instalacje działają we Francji, Izraelu, i w Stanach Zjednoczonych. Spotyka się tu dwa rozwiązania konstrukcyjne. Pierwsze, zbudowane z luster i przebiegających w ich ognisku rur z czynnikiem przenoszącym ciepło (tzw. elektrownie heliotermiczne zdecentralizowane). Największa taka instalacja działa w Kalifornii. Skład się z 9 bloków energetycznych, uruchamianych w latach 1986-1991, o łącznej mocy 354 MW. Drugi (elektrownia heliotermiczna typu wieżowego) składa się z zespołu luster skupiających energię w jednym miejscu na wysokiej wieży z zasobnikiem przenoszącym energię (para pod wysokim ciśnieniem) na turbinę. Największe instalacje o mocy 10 MW działają w USA, w planach jest uruchomienie 30 MW elektrowni w Japonii (dane na rok 2005).

Instalacje wieżowe mogą uzyskiwać bardzo wysokie temperatury przekraczające 3000°C, dlatego są też wykorzystywane w hutnictwie. Jedna z najnowszych takich instalacji powstała w Izraelu (dysponuje mocą 300 KW i temperaturą pracy 1200°C, a stosowana jest do wytopu cynku).

2. Słoneczne technologie fotowoltaiczne – popularnie zwane bateriami lub ogniwami słonecznymi. Ich zaletą jest możliwość działania także w dni pochmurne. Z powodu dużych kosztów do niedawna rzadko spotykane w Polsce. Najczęściej w różnego rodzajach automatycznych sygnalizatorach czy czujnikach. Czas zwrotu kosztów instalacji przy użytku domowym szacuje się na około 50 lat, natomiast bardzo dobrze wypadają pod względem bezawaryjności i czasu życia, szacowanego na ponad 100 lat (gwarantowany 20–30 lat).

Badania naukowe nad nowymi, tańszymi odpowiednikami baterii słonecznych przeżywają ostatnio prawdziwy rozkwit. Niestety na razie proponowane rozwiązania charakteryzują się stosunkowo małą wydajnością. Tradycyjne panele osiągają wydajność do 20% (15% już są dobrej jakości), a z wyższej półki około 35% (American Company Spectrolab 39%). Elastyczne baterie (można je zwijać, wszywać w ubrania itd.) w cenie jednego euro za jeden wat proponuje Gerrit Kroesen – szef inżynierów z politechniki w Eindhoven. Wydajność zwijanych paneli szacowana jest na… zaledwie 7%. Planowane rozpoczęcie produkcji w ciągu 3 lat. Inne podejście zaproponowali naukowcy z Uniwersytetu w Delft (Holandia), opracowali trójwymiarowy nanokompozyt, którego cienką warstwą pokrywa się panele, znacznie zwiększając tym samym ich powierzchnię i obniżając koszty, ale wydajność na razie pozostaje w granicach 5%. Jeszcze innym pomysłem jest wykorzystanie… polimerów przewodzących prąd. Znane są już od kilkudziesięciu lat m.in. przy produkcji diod elektroluminescencyjnych. Tanie w produkcji, ale ciężko radzą sobie z produkcją prądu „ze światła”. Najlepsze osiągały wydajność 1,7%.

WIEŻA słoneczna niedaleko Sevilli w Hiszpanii. Pierwsza w pełni sprawna, komercyjnie funkcjonująca elektrownia tego typu w Europie. 11 MW mocy pozwala na dostarczenie energii do 6 000 domów

Najnowsze pomysły bazują na dodawaniu do nich fulerenów (węglowych nanorurek). W krótkim czasie pojawiły się doniesienia o skonstruowaniu „plastikowych baterii” o wydajności 2%, następnie 4,4% i 5,2% oraz zapowiedzi wprowadzenia ich do produkcji, gdy przekroczą 10%. Niestety w chwili produkcja fulerenów jest bardzo droga, więc nie wiadomo, jaka będzie cena „plastików”. Do tego polimery te są mało trwałe.

Większość prac nad ogniwami organicznymi skupia się na powiększeniu ich powierzchni lub liczby warstw generujących prąd. Postęp w tym kierunku jest bardzo szybki, już pojawiają się doniesienia o ogniwach o wydajności powyżej 10%.

Inne rozwiązanie proponuje Solar System z Australii – budowę paneli w postaci dużych anten skupiających światło w ognisku. Umieszczone tam ogniwo zaprojektowane do pracy z silnym światłem, jest zdolne do generowania prądu o mocy 35 kW.

Korzystne rządowe programy zachęt promujące używanie paneli słonecznych wprowadzono w Niemczech, Wielkiej Brytanii, Szwajcarii i USA, a ostatnio także w Czechach. Szerzej są stosowane między innymi w Niemczech. Niemcy posiadają także największe instalacje, elektrownie o mocy 10 MW na wyspie Bundeswehry, otwartą w kwietniu ubiegłego roku. Druga, w trakcie budowy – o mocy 12,4 MW – powstaje w okolicach miasta Amstein.

W przemysł ten inwestują także biedniejsze kraje. Portugalia buduje dużą instalację fotowoltaiczną. Zajmie 114 ha i da 11 MW mocy. Rozruch planowany jest na połowę 2007 r.

Mimo dużych kosztów to właśnie fotowoltaikę uważa się za energię przyszłości (Departament Energii USA 2005 r.) i przeznacza się znaczne środki na badania w tym zakresie. Związane jest to z olbrzymią dawką mocy, jaką daje nam słońce (w ciągu godziny Ziemia otrzymuje jej tyle, ile ludzkość zużywa przez rok!) i niewielkim procentem, jaki udaje się obecnie wykorzystać (gdyby w USA wszystkie dachy pokryć bateriami słonecznymi przy obecnej technice pokryłyby one 1/10 obecnego zapotrzebowania). Nie można zapominać, iż ogniwa fotowoltaiczne mogą być stosowane na znacznych obszarach naszej planety.

3. Pasywne technologie słoneczne – wykorzystywane w budownictwie, zdobywające sobie coraz większą popularność, prawidłowo zaprojektowane są bardzo wydajne. Polegają na wykorzystaniu różnego rodzaju materiałów budowlanych oraz projektowaniu gwarantującym jak najszersze wykorzystanie słońca w budynkach. Stosuje się tu między innymi: duże powierzchnie szklane, dwuwarstwowe powierzchnie ścian wychwytujące ciepło, stawianie izolowanych patio, werand, szklarni wyłapujących ciepło. Do tego potrzebna jest odpowiednio zaprojektowana wentylacja z małymi otworami na północnej ścianie, aby rozprowadzić ciepło po cały budynku, a jednocześnie zapobiec jego przegrzaniu.

4. Słoneczne systemy grzewcze – wykorzystujące kolektory słoneczne do ogrzewania wody lub pomieszczeń – najpowszechniej wykorzystywane w naszym klimacie. Umieszczane są na dachach w kierunku południowym, południowo-wschodnim. Wykorzystuje się tu szybko nagrzewające się materiały (aluminium, miedź, tworzywa sztuczne), które ogrzewają krążący w nich płyn. Pobrane w ten sposób ciepło oddawane jest następnie do zbiornika z wodą. Systemy takie dobrze sprawdzają się nie tylko w krajach południowych, ale zaczynają się upowszechniać na północy w Skandynawii (Norwegia, Szwecja, Finlandia).

Wyróżniamy dwa rodzaje kolektorów: płaskie i próżniowe (rurowe). W kolektorach płaskich elementy wystawione do słońca pokrywa się czarną farbą albo warstwami selektywnymi, wychwytującymi ciepło, ale niewypuszczającymi go do otoczenia. Powoduje to znaczne zwiększenie sprawności kolektora. Cały element absorpcyjny umieszcza się w izolowanej obudowie przykrytej szkłem. Znacznie wydajniejsze, ale i dużo droższe, są kolektory próżniowe (rurowe). Zbudowane z wielu szczelnie zamkniętych szklanych termosów, pokryte warstwami pochłaniającymi ciepło i z lustrami skupiającymi na tylnych ściankach dają nawet trzykrotnie większą wydajność od kolektorów płaskich. Niestety najczęściej są również tyle samo droższe. Spotyka się instalacje samoobiegowe (grawitacyjne), samosterujące, gdzie szybkość przepływu czynnika zależy od jego temperatury. W konstrukcji występują ograniczenia w długości rurociągów przenoszących ciepło, ustawieniu zbiornika, korzyścią natomiast jest brak zasilania prądem i elektroniki do sterowania działaniem. Instalacje z wymuszonym obiegiem (aktywne) wymagają zaopatrzenia w pompę i elektronikę sterującą.

Kolektory mogą działać niezależnie, jak i współpracować z innymi systemami grzewczymi. Ważne jest wtedy zastosowanie odpowiednio dużego zbiornika akumulującego (dla czteroosobowej rodziny przyjmuje się pojemność około 300 l.)

Dzięki zastosowaniu specjalnych niezamarzających płynów możliwe jest używanie kolektorów słonecznych także w okresie zimy, przy czym zimą ich wydajność jest znacznie mniejsza. W naszym klimacie za opłacalny okres ich stosowania uważa się czas od kwietnia do września (co ciekawe, w tym okresie, z powodu małych strat ciepła do otoczenia oraz lepszych warunków transmisji promieniowania, dobrze wykonane kolektory płaskie, przy płaskim nasłonecznieniu, osiągają wyższą wydajność od próżniowych).

Kolektory powinny być zwrócone w kierunku południowym, z dopuszczalnym niewielkich odchyleniem na wschód lub zachód – w zależności czy zależy nam na szybszym ogrzaniu rano, czy zgromadzeniu większej ilości ciepła wieczorem. Optymalny kąt ustawienia kolektorów wynosi około 30 stopni. Może być on mniejszy (ok. 20 stopni), gdy ogrzewanie będzie działać tylko latem, lub nieco większy (ok. 35 stopni) dla ogrzewania działającego większą część roku. Z powodów technicznych (takich jak samooczyszczenie kolektorów wodą deszczową, spływanie śniegu) zaleca się stosowanie kąta kilka-, kilkanaście stopni większego od optymalnego.

Duży spadek ceny zwłaszcza kolektorów płaskich powoduje, iż coraz częściej można je spotkać na różnego rodzajach budynkach użyteczności publicznej: szkołach, szpitalach, biurowcach, hotelach itd. Wykorzystywane są także w rolnictwie przy suszarniach zboża, siana i innych produktów. Szczególnie opłacalne są w budynkach turystycznych i otwartych basenach kąpielowych, gdzie z powodu największego ruchu w sezonie letnim mogą pokryć nawet 100% zapotrzebowania na ciepło. Przykładem może być Dom Sportu w Radlinie. Korzystając z dofinansowania z Eko-Funduszu, Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej, gmina – kosztem 345 tys. zł – zainstalowała 56 kolektorów o pow. ponad 100 m2, do ogrzewania budynku o powierzchni 50 tys. m2 i podgrzewania wody w dwóch basenach. Oszczędności na ogrzewaniu mają wynieść 300 tys. zł miesięcznie (!). Na samych basenach otwartych, gdzie nie ma potrzeby uzyskiwania wysokich temperatur, można wykorzystać tanie maty składające się z samego absorbera. Maty te mają bardzo dużą sprawność, gdy występuje niska różnica temperatur między wodą a absorberem.

Stosunkowo nowym pomysłem (przynajmniej w marcu 2005 r. – przyp. redakcji), można by rzec wchodzącym w zakres fantastyki, ale jak najbardziej prawdziwym – są słoneczne wieże. Stanowią one połączenie energii słonecznej i wietrznej. Elektrownia taka składa się z wysokiego komina otoczonego szklarniami. Powietrze pod szkłem nagrzewa się dużo szybciej niż na otwartej przestrzeni (łatwo się o tym przekonać zostawiając samochód na słońcu), rozgrzane w ten sposób daje silny ciąg (różnicę ciśnień między podłożem a wierzchołkiem komina) wychwytywany przez komin, w którym umieszczone są jedna nad drugą… turbiny powietrzne. Pierwsza taka instalacja powstała w Manzanares w Hiszpani w 1981 r. Miała powierzchnię 4,5 ha i dwustumetrowy komin, pozwalało to na uzyskanie mocy 50 kW. Instalację zamknięto pod koniec lat osiemdziesiątych. Był to jednak tylko prototyp. Prawdziwy gigant do wykorzystania komercyjnego projektowany był w Mildura (południowa Australia). Elektrownia miała składać się z koła pokrytego szklarniami o średnicy blisko 7 km i komina około 1 km wysokości. Zakładano osiągnięcie mocy 200 MW. W 2006 roku z powodu kłopotów w zebraniu odpowiednich finansów ogłoszono redukcję projektu do 25% planowanej wielkości. Aby elektrownia mogła działać w nocy, w szklarniach będą znajdowały się bloki szybko nagrzewających się materiałów oddających ciepło po zachodzie słońca. Według inwestora, australijskiej firmy EnviroMission elektrownia ma ruszyć w 2008 roku. Kilka dalszych instalacji jest planowanych w innych rejonach Australii i… w południowych Chinach. Ze względu na wysokie wymagania, co do nasłonecznienia wydaje się mało prawdopodobne zastosowanie tej technologii w Polsce. Ale klimat podobno się zmienia…

www.energiaodnawialna.republika.pl