Energia słoneczna Kolektor słoneczny to urządzenie zamieniające energię słoneczną na energię cieplną. Najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Istnieją również tubowe kolektory próżniowe, które posiadają wyższą sprawność przetwarzania energii, jednak są droższe. Jeszcze parę lat temu należało pogodzić się z faktem, iż energia pozyskana z promieniowania słonecznego, nie odpowiadała całkowitemu zapotrzebowaniu na energię cieplną gospodarstwa Pewnym rozwiązaniem niwelującym te niedogodności są zasobniki z wodą, w których to ciepło może być gromadzone, jednak nie jest ono doskonałe, ponieważ nie jest w stanie pokryć w całości potrzeb w zakresie przygotowania ciepłej wody użytkowej, nie mówiąc już o ogrzewaniu pomieszczeń. Mimo to, kolektory słoneczne zyskują coraz więcej zwolenników. Jednak stanowić one będą zawsze tylko rozwiązanie uzupełniające. Kolektory słoneczne służą do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia docierające do kolektora służy do produkcji nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze). Kolektory można podzielić na: płaskie gazowe cieczowe dwufazowe płaskie próżniowe próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury) skupiające (prawie zawsze cieczowe) specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna) Budowa kolektora płaskiego 1
Kolektor płaski składa się z: przezroczystego pokrycia; absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną); wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera); izolacji (przeważnie wełna mineralna lub pianka poliuretanowa) Budowa kolektora próżniowo-rurowego Kolektor próżniowo-rurowy składa się z: rur próżniowych w których element zbierający ciepło tzw. absorber znajduje się w próżni co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych takich jak nasza. Absorpcja ciepła słonecznego nie jest wówczas uzależniona w tak znaczącym stopniu od temperatury zewnętrznej, dzięki czemu stosując panel tego typu możemy liczyć na znaczne zyski ciepła w instalacji nawet w mroźne zimowe słoneczne dni. niektóre z kolektorów posiadają zwierciadło dodatkowo doświetlające absorber ze strony odsłonecznej, jest ono wykonane poza rurkami, bądź naniesione na rurkę próżniową w postaci lustra, w zależności od producenta. Kolektory skupiające W kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji. Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego. Maksymalną mocą jaką można wykorzystać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym powierzchni jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. 35-37% tej energii odbija się od atmosfery lub jest przez nią wchłaniana, więc do powierzchni Ziemi dociera do 1000 W/m2. 2
Ogniwa fotowoltaiczne - są urządzeniami półprzewodnikowymi typu p-n, służącymi do bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Półprzewodnik bombardowany jest fotofonami promieniowania słonecznego, które posiadają większą energię niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika. Powoduje przemieszczanie się elektronów i dziur elektronowych pomiędzy obszarami n i p półprzewodnika. Cykliczne przemieszczenie się ładunków elektrycznych powoduje wzrost różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego. Efekt fotowoltaiczności to nic nowego, zastał on zaobserwowany po raz pierwszy w 1839 roku przez A.C. Becquerel a dalsze prace nad tym zjawiskiem na styku dwóch ciał stałych przez następne 37 lat prowadzili W. Adams i R. Day. Odkrycie i wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju korpuskularno-falowej teorii materii, w której obiektom mikroświata przypisywane są jednocześnie własności falowe i materialne. Wyjaśnienie i matematyczny opis efektu fotoelektrycznego zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi, który wykorzystał hipotezę kwantów wysuniętą w 1905 roku przez Maxa Plancka. Półprzewodnikowe fotoogniwa produkowane są z wykorzystaniem krzemu (Si), germanu (Ge), selenu (Se). Pojedyncze krzemowe ogniwo słoneczne generuje napięcie ok. 0,5V. Połączenie szeregowe pojedynczych ogniw powoduje sumowanie się napięcia i w ten sposób tworzy się baterie słoneczne o porządnym napięciu wyjścia. olejnym nieco bardziej skomplikowanym urządzeniem zamieniającym bezpośrednio energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną są ogniwa wykorzystujące konwersję fotochemiczną. Fotochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną jak dotąd na szeroką skalę zachodzi jedynie w organizmach żywych, ma bardzo niską sprawność (ok. 1%) i nosi nazwę fotosyntezy. Jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego. Istnieją także metody wykorzystujące fotony do dezynfekcji i detoksykacji. Zastosowania ogniw fotowoltaicznych:. Elektronika użytkowa, kalkulatory, lampy ogrodowe, oświetlanie znaków drogowych i wspomaganie sygnalizacji świetlnej Zasilanie elektroniki promów i sąd kosmicznych, stacji orbitalnych i sztucznych satelit ziemi Próby konstrukcji samolotów i samochodów zasilanych za pośrednictwem ogniw fotowoltaicznych. 3
Doładowywanie akumulatorów w dzień i wykorzystywanie energii w nocy na jachtach, kempingach, domach jednorodzinnych. Zasilanie układów telemetrycznych w stacjach pomiarowo rozliczeniowych gazu ziemnego, ropy naftowej oraz energii elektryczne. Zasilanie automatyki przemysłowej i pomiarowej Pierwsze elektrownie słoneczne. Rozpowszechnianie się ogniw fotowoltaicznych jest ograniczone ich wysoką ceną oraz jeszcze niewielką sprawnością. Natężenie promieniowania słonecznego wyrażone w watach na metr kwadratowy (W/m2) jest to gęstość mocy promieniowania padającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnię prostopadłą do kierunku promieniowania. Najwyższe natężenie promieniowania odnotowano na Kasprowym Wierchu ok.1200 W/m2 i w pasie nadmorskim - ok. 1050 W/m2. Najczęściej wartości promieniowania słonecznego wahają się od 600-800 W/m2. Napromieniowanie całkowite to sumy energii promieniowania słonecznego wyrażone w MJ na metr kwadratowy(mj/m2). Dla Polski przyjmuje się wartość 3600MJ/m2 w ciągu roku. W promieniowaniu całkowitym udział promieniowania rozproszonego waha się od około 47% w lecie do 70% w zimie. 4
5