5. Energia słoneczna

5.1 Promieniowanie słoneczne

Pozyskiwanie energii ze słońca jest najbardziej znaną i powszechną formą pozyskiwania energii, zwłaszcza cieplnej. Do powierzchni Ziemi dociera jedynie część promieniowania o odpowiedniej długości fal.

Promieniowanie ultrafioletowe jest to promieniowanie bardzo szkodliwe dla ludzi i zwierząt, powoduje oparzenia słoneczne. Stanowi zaledwie 0,4% promieniowania słonecznego. Jest to promieniowanie wysokoenergetyczne, znajdujące się w paśmie 10 nm do 400 nm. Promieniowanie ultrafioletowe wykorzystywane jest w medycynie, gdyż ma właściwości bakterio- i wirusobójcze.

Promieniowanie widzialne (światło widzialne) wywołuje wrażenie świetlne, umożliwia widzenie. Stanowi około 44% promieniowania słonecznego. Promieniowanie to znajduje się w paśmie od 400 nm do 750 nm.

Promieniowanie podczerwone odpowiedzialne jest za odczucie ciepła. Stanowi 52% promieniowania słonecznego. Jest ono niewidzialne dla ludzi i znajduje się w paśmie powyżej 1000 nm.

5.2 Promieniowanie słoneczne – podstawowe pojęcia

Natężenie promieniowania słonecznego – jest to wartość gęstości mocy promieniowania słonecznego docierającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnie 1 m² (wyrażany w W/m²).

Na skutek pochłaniania i rozpraszania w atmosferze natężenie promieniowania docierającego do Ziemi w słoneczne, bezchmurne dni wynosi nawet do 1000 W/ m². Wartość ta dodatkowo ulega zmianie w zależności od pory roku i kąta padania promieni słonecznych. Im mniejszy kąt padania (mniejsza wysokość Słońca nad horyzontem) tym mniejsza ilość energii. Jest to związane z grubością warstwy atmosfery którą muszą pokonać promienie słoneczne przed dotarciem do ziemi.

Stała słoneczna = 1367 W/m² jest to średnie promieniowanie słoneczne docierające do granicy atmosfery, w praktyce oznacza to że każdy m2 powierzchni atmosfery jest ogrzewany mocą około 1,4 kW.

Usłonecznienie – liczba godzin słonecznych w ciągu roku na danym obszarze, określająca czas w jakim promienie padają bezpośrednio na powierzchnię Ziemi. Parametr ten jest wykorzystywany w energetyce słonecznej do szacowania warunków pracy instalacji. Największa wartość usłonecznienia jest w Kołobrzegu 1624 h/rok, zaś dla Zakopanego jest to 1467 h/rok.

Nasłonecznienie – suma natężenia promieniowania słonecznego na jednostkę powierzchni w przedziale czasu (przeważnie jest wyrażany w kWh/m² *rok). Parametr ten określa zasoby energii w danym miejscu i czasie. W okresach zimowych nasłonecznienie jest aż 7 razy mniejsze, niż w letnich.

5.3 Rodzaje promieniowania słonecznego

Do powierzchni Ziemi nie dociera w całości promieniowanie wyemitowane ze słońca. Wiązka ta przechodząc przez atmosferę ulega odbiciu, załamaniu oraz pochłonięciu. Z tego powodu do powierzchni dociera jedynie ok. 45% promieniowania wysłanego ze słońca. Ze względu na zmianę charakteru promieniowania rozróżniamy:

Promieniowanie całkowite – jest sumą promieniowania rozproszonego i bezpośredniego.

Promieniowanie bezpośrednie – jest promieniowaniem padającym wprost z tarczy słońca. Dochodzi do danej powierzchni ziemskiej pod postacią promieni równoległych przechodzących uprzednio przez atmosferę, bez oddziaływania na nią.

Promieniowanie rozproszone – emitowane przez atmosferę na skutek wielokrotnego załamania promieni słonecznych. Występuje znaczna przewaga udziału promieniowania rozproszonego w promieniowaniu całkowitym średni roczny udział promieniowania rozproszonego – 54% w miesiącach zimowych – od 65 do 78%

Promieniowanie odbite – promieniowanie odbite od powierzchni Ziemi i innych obiektów ku górze tzw. Albedo, jest to stosunek promieniowania odbitego od powierzchni Ziemi do całkowitego promieniowania docierającego ze słońca. Albedo przyjmuje wartość w granicach 0,2–0,8 (powierzchnia pokryta świeżym śniegiem). Średnie albedo dla Ziemi przyjmuje się 0,3.

W jedną godzinę na Ziemię dociera około 173 000 TWh energii promieniowania ze Słońca, a w roku 2021 na świecie zużyto około 165 000 TWh energii pierwotnej

Szacuje się że energia słoneczna będzie dostępna przez najbliższych 4,5 mld lat, więc w przeciwieństwie do paliw kopalnych nie grozi nam że wkrótce się wyczerpie.

Choć może trudno w to uwierzyć w ciągu kilkudziesięciu minut słońce przesyła na ziemię więcej energii niż cała ludzkość zużywa w ciągu roku. Współczesne technologie umożliwiają efektywne pozyskiwanie i przetwarzanie energii Słońca w celach użytkowych.

5.4 Energia słoneczna – potencjał energetyczny w Polsce

Potencjał energetyczny z energii słonecznej w Polsce nie różni się znacząco od potencjału naszych sąsiadów na podobnej szerokości geograficznej, Jest jednak znacząco niższy od południowych krajów europejskich. Porównanie nasłonecznienia w krajach pobliskich Polsce przestawiono na rysunku poniżej (Rysunek 5).

W cyklu rocznym rozkład promieniowania słonecznego w Polsce jest bardzo nierównomierny. Około 79% promieniowania słonecznego przypada na półrocze letnie.

Najlepsze warunki słoneczne występują na Wybrzeżu Szczecińskim i Środkowym, a także na wschodzie kraju (Zamojszczyzna, Lubelszczyzna, Polesie). Szacuje się, że wartość nasłonecznienia dla tych rejonów wynosi 1200 kWh/m2. Dla pozostałych terenów określa się ją na poziomie 1000 kWh/m2 na rok lub niższym. Rysunek poniżej przedstawia globalne nasłonecznienie w Polsce (Rysunek 6).

W Polsce roczna suma godzin słonecznych jest zawarta w granicach 1300 – 1900 h. Średnie roczne usłonecznienie wynosi 1600 h, co stanowi około 18,2% okresu całego roku, kiedy możliwe jest wykorzystanie promieniowania słonecznego do celów energetyki słonecznej.

Należy zauważyć, że 75% z tego czasu przypada w półroczu letnim, od kwietnia do końca września, średnio 1200 h. W półroczu zimowym, od października do marca, wartość usłonecznienia jest trzykrotnie mniejsza i wynosi średnio 400h. Nasłonecznienie zmienia się również w ciągu cyklu dziennego. Rysunek poniżej (Rysunek 7)przedstawia całkowite promieniowanie w ciągu roku na 1m2 w podziale na poszczególne miesiące w roku.

5.5 Energia słoneczna – przetwarzanie

Istnieją trzy podstawowe mechanizmy przetwarzania promieniowania słonecznego na inne postacie energii:

konwersja fotowoltaiczna (bezpośrednie przetworzenie na energię elektryczną) wykorzystywana w fotoogniwach,

konwersja fototermiczna (bezpośrednie przetworzenie na energię cieplną) wykorzystywana w kolektorach słonecznych, diodach cieplnych, stawach słonecznych i helioelektrowniach,

konwersja fotobiochemiczna (energia wiązań chemicznych) występująca w paliwach stałych (węglach kopalnych), ropie naftowej i biomasie.

Najpopularniejsze metody przetwarzania energii słonecznej na potrzeby użytkowników indywidulanych zostaną opisane w późniejszych rozdziałach.

5.6 Energia słoneczna – systemy słoneczne

Do wykorzystania energii słonecznej stosuje się różne systemy słoneczne umożliwiające pozyskanie i przetworzenie tej energii. Do podstawowych systemów słonecznych należą:

• systemy z ogniwami fotowoltaicznymi do pozyskania energii elektrycznej

• systemy grzewcze z kolektorami słonecznymi, przede wszystkim aktywne słoneczne systemy grzewcze

• bierne (pasywne) systemy słoneczne, tzw. systemy architektury słonecznej, które  zmniejszają zużycie energii pierwotnej do ogrzewania pomieszczeń rzędu 20 – 30% i ograniczają nadmierne oddziaływania energii słonecznej zmniejszają zapotrzebowania na chłodzenie.

5.7 System fotowoltaiczny

5.7.1 Zasada działania systemu fotowoltaicznego

W systemie fotowoltaicznym główną rolę odgrywa ogniwo fotowoltaiczne, które po wystawieniu na działanie promieniowania słonecznego generuje napięcie stałe. Pojedyncze ogniwa fotowoltaiczne są łączone w grupy i tworzą panel fotowoltaiczny. Panele montowane są na dachach domów lub na specjalnych konstrukcjach na ziemi. Na rysunku poniżej (Rysunek 12) przedstawiono instalację fotowoltaiczną umieszczoną na dachu.

Ilość paneli zależy od tego ile energii chcemy uzyskać. Dostępnych jest wiele rodzajów paneli fotowoltaicznych, różniących się głównie zastosowanymi ogniwami. Większość ogniw zbudowanych jest z krzemu.

Wyróżniamy:

• ogniwa monokrystaliczne:

• wykonane są  z ogniw powstałych z dużego monokryształu krzemu,
• zazwyczaj barwy ciemnoniebieskiej lub czarnej,
• wykonane z płytek o przekroju kołowym, które następnie są przycinane do przekroju kwadratowego,
• cechuje je nieznacznie większa sprawność, niż panele polikrystaliczne, co przekłada się na mniejszą powierzchnię potrzebną do zainstalowania takiej samej mocy,
• ze względu na wysoką jakość materiału półprzewodnikowego ogniwa tego typu są stosunkowo drogie.

• ogniwa polikrystaliczne

• składają się z ogniw powstałych z polikrystalicznego krzemu,
• barwy niebieskiej,
• wytwarzane są w procesie odlewania, krzepnięcia kierunkowego lub techniki wzrostu węglowego,
• charakteryzuje je wysoka odporność,
• są łatwo dostępne i stosunkowo tanie.

• ogniwa amorficzne

• wykonane z bezpostaciowego, niewykrystalizowanego krzemu, ma barwę lekko bordową.
• posiada niską sprawność 6–10%, przez co są stosunkowo tanie.
• mają bordowy lub brązowy kolor
• wystarczy minimalna ich grubość aby promieniowanie słoneczne absorbowane było z dużo większą sprawnością niż w przypadku ogniw monokrystalicznych
• mogą być najbardziej opłacalnym ze stosowanych rozwiązań

• ogniwa CdTe

• inaczej cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne na bazie kadmu i telluru, których sprawność w warunkach laboratoryjnych może osiągać nawet 22,1 %. Sprawność ich wynosi 11–13% a moduły są wykonane zazwyczaj z jednego ogniwa.

• CIGS

• półprzewodnik wykonany ze stopu miedzi, indu, galu i selenu
• należą do ogniw cienkowarstwowych
• ich sprawność wynosi 12–14%
• warstwa aktywna układów może być naniesiona na elastyczne podłoże np. folię plastikową.

Ogniwa fotowoltaiczne produkowane są również z innych pierwiastków. Najczęściej są to CdTe i CIGS. Ogniwa CdTe wykonane są z półprzewodnikowego tellurku kadmu. Ogniwa CIGS wykonane są z miedzi, indu, galu i selenu. i podobnie jak CdTe moduły wykonane są z jednego ogniwa. Oba typy ogniw to ogniwa cienkowarstwowe, gdyż warstwa aktywnego półprzewodnika ma grubość kilku mikrometrów, zaś ogniwa krzemowe są nawet 100 razy grubsze.

Na rysunku poniżej (Ryc. 13) przedstawiono zdjęcia różnych paneli fotowoltaicznych.

Powyżej opisane ogniwa grupowane w moduły i panele fotowoltaiczne, które tworzą tzw. generator PV w ramach systemu fotowoltaicznego. Wytwarzają one prąd stały (DC), podczas gdy większość urządzeń w naszych domach oraz lokalne sieci elektroenergetyczne działają na prąd zmienny (AC). Dlatego w systemie fotowoltaicznym instalowany jest falownik, który pełni funkcję konwersji prądu stałego na prąd zmienny. Na rysunku poniżej przedstawiono schemat instalacji fotowoltaicznej.

Powyżej przedstawiony system instalacji składa się z następujących elementów:

1. Generator PV – składa się z modułów fotowoltaicznych zawierających ogniwa służące do przetwarzania promieniowania słonecznego na prąd elektryczny (prąd stały – DC).
2. Falownik (inwerter) – urządzenie przetwarzające prąd stały DC na prąd zmienny (AC).
3. Dwukierunkowy licznik energii zliczający energię wyprodukowaną w instalacji PV oraz pobraną z sieci. 
4. Sieć energetyczna.  
5. Urządzenia domowe.

Gdy system fotowoltaiczny jest podłączony do lokalnej sieci energetycznej, nadmiar energii, który jest generowany przez system, może być przesyłany do sieci elektrycznej obsługiwanej przez lokalnego dostawcę energii elektrycznej. Ta zaleta tego rozwiązania polega na tym, że nie są potrzebne dodatkowe urządzenia do magazynowania energii, ponieważ nadwyżka może być zużyta w innych miejscach.

5.7.2 Metody wymiarowania systemów fotowoltaicznych

Istnieją różne metody wymiarowania systemów fotowoltaicznych. Wybór metody wymiarowania powinien być uzależniony od rodzaju konkretnej instalacji. Głównymi aspektami branymi pod uwagę jest to czy instalacja będzie podłączona do sieci czy też nie, ilość oddawanej energii do sieci oraz istnienie dodatkowego źródła zasilania. Poniżej przedstawiono metody wymiarowania instalacji w zależności od powyższych warunków.

5.7.3 Wady i zalety fotowoltaiki

Do zalet energetyki słonecznej można zaliczyć:

• praktyczną niewyczerpalność jej źródła pochodzenia;
• brak emisji szkodliwych zanieczyszczeń do atmosfery związanych z prowadzeniem procesu produkcji energii;
• prostotę montażu;
• nieograniczony i darmowy dostęp.

Poważnym ograniczeniem dla energetyki słonecznej są:

• niestabilna produkcja energii – zależność ilości wyprodukowanej energii od pory roku, a także od pory dnia;
• dostępność energii słonecznej w ciągu doby nie pokrywa się z maksymalnym zapotrzebowaniem na energię elektryczną;
• brak możliwości magazynowania energii elektrycznej produkowanej w czasie, gdy brak jest zapotrzebowania;
• nie produkują energii w nocy;
• uciążliwy dla środowiska proces ich produkcji;
• wysokie koszty zakupu niezbędnych urządzeń;
• konieczność udostępnienia dużych powierzchni zajmowanych przez farmy fotowoltaiczne.

5.8 Systemy grzewcze z kolektorami słonecznymi

Bezpośrednia produkcja energii cieplnej

Do produkcji energii cieplnej z energii słońca wykorzystuje się kolektory słoneczne. Zasada działania kolektora jest bardzo prosta. Zazwyczaj montuje się go na południowej części dachu. Pod wpływem promieniowania słonecznego płyn znajdujący się w kolektorze nagrzewa się, a pompa tłoczy go do zbiornika z wodą, który znajduje się w budynku. W zbiorniku płyn z kolektora ogrzewa wodę poprzez wężownicę, a schłodzony z powrotem pompowany jest do kolektora, aby na nowo się nagrzał.

W zależności od okresu pracy kolektory ustawia się pod różnymi kątami, aby w danym okresie produkowały jak najwięcej energii. W zimie płaszczyznę kolektora należy zwrócić na południe i ustawić pod dużym kątem 60–90o . Latem płaszczyzna kolektorów powinna znajdować się pod niewielkim kątem 5–20o , na stronę południową. W okresie wiosny i jesieni płaszczyznę kolektora należy zwrócić również na południe jednak pod kątem 45–60o . Zazwyczaj kolektory montuje się na stałe w danej płaszczyźnie, dlatego należy wcześniej założyć, w jakim okresie najwięcej potrzebujemy ciepłej wody.

5.8.1 Zasada działania kolektora słonecznego

Kolektor słoneczny składa się z ramy wykonanej ze stali lub aluminium ze szklana płytą umieszczoną nad absorberem (płytą, która pochłania energię promieniowania słonecznego). Poniżej absorbera znajduje się warstwa izolacji cieplnej, która pomaga zatrzymać ciepło wewnątrz kolektora.

Gdy promieniowanie słoneczne przechodzi przez szklaną płytę, trafia na absorber i ogrzewa go. Wewnątrz absorbera znajdują się małe kanaliki, przez które przepływa woda lub inna ciecz. Płytka szklana ma za zadanie zatrzymać promieniowanie słoneczne wewnątrz kolektora i nie pozwolić mu na ucieczkę, co nazywa się tzw. „pułapką promieniowania”.0

Ciepła woda, która została ogrzana przez absorber, jest pompowana za pomocą pompy do zbiornika z wymiennikiem ciepła. W zbiorniku woda oddaje swoje ciepło do instalacji grzewczej na przykład instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej w domu.

Legenda:

1. Energia słoneczna   2. Płyta szklana   3. Płytka metalowa   4. Płyta pochłaniająca (absorber)   5. Kanalik z cieczą   6. Ciecz ochładzana   7. Pompa   8. Ciecz ogrzana    9. Zbiornik z wodą   10. Wymiennik ciepła   11. Woda odprowadzana   12. Woda doprowadzana

5.8.2 Rodzaje kolektorów słonecznych

• Kolektor powietrzny – czynnikiem roboczym jest powietrze. Wykorzystuje się je zazwyczaj do ogrzewania powietrza lub do suszenia zbiorów rolnych. Posiadają bardzo prostą budowę i mogą być wykonane w domach.

• Kolektor płaski – posiada stosunkowo prostą budowę. Składa się z obudowy, izolacji termicznej, absorbera, pokrycia oraz rurek, przez które przepływa płyn solarny. Wykorzystuje się je do ogrzewania ciepłej wody użytkowej, dogrzewania wody w basenach oraz rzadko do wspomagania centralnego ogrzewania. Jest to najczęściej kupowany kolektor słoneczny.

• Kolektory próżniowe rurowe – zbudowane są z walcowatych, wydłużonych szklanych rur. Wykorzystywane są do podgrzewania ciepłej wody użytkowej i do wspomagania centralnego ogrzewania. Kolektory tego typu są droższe niż płaskie, jednak posiadają lepsze parametry cieplne i produkują więcej energii.