Energia słoneczna – czym jest i jak powstaje?

Energia słoneczna dociera do Ziemi w postaci promieniowania słonecznego. Może być przetworzona w procesie konwersji fotowoltaicznej, fototermicznej lub fotochemicznej. Do zalet energii słonecznej należy m.in. nieograniczoność jej zasobów oraz uniwersalność, dzięki której jest wykorzystywana niemal w każdym miejscu na Ziemi.

Energia słoneczna

Energia słoneczna ma źródło w reakcji fuzji jądrowych zachodzących we wnętrzu Słońca. Dociera do nas w postaci promieniowania słonecznego, będącego rodzajem energii odnawialnej. To łatwo dostępna energia, ale gęstość jej strumienia jest mała i zależna od miejsca na Ziemi, pory roku i dnia. Człowiek wykorzystuje energię słoneczną niemal od zawsze, w sposób zaplanowany bądź przypadkowy. Początkowo pomagała ogrzewać ciało, suszyć ubrania, a gdy ludzie okiełznali ogień, wykorzystali wieloletnie gromadzenie energii słonecznej w postaci biomasy. Współczesne technologie umożliwiają efektywne pozyskiwanie i przetwarzanie energii Słońca w celach użytkowych. Energetyka słoneczna przybiera obecnie formę rozwiązań instalacyjnych, koncepcji architektonicznych, stosowanych materiałów budowlanych oraz wielu innych.

Słońce uznaje się obecnie za największy potencjał paliwowo-energetyczny. Moc emitowanej przez nie energii szacuje się na 3,9 × 10²⁰ MW. Do powierzchni Ziemi dociera tylko jej część, ale i tak jest wiele tysięcy razy większa od ogółu energii wytwarzanej na naszej planecie. Energię słoneczną można wykorzystać na trzy sposoby: do wytworzenia energii elektrycznej, produkcji ciepła bądź w procesie fotosyntezy do pozyskania energii chemicznej.

Promieniowanie słoneczne

Promieniowanie słoneczne, które dociera do Ziemi, ma widmo zbliżone do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze około 5700 K. Długość fali promieniowania docierającego do Ziemi wynosi ok. 100-4000 nm, co oznacza, że zawiera się w nim część ultrafioletu, światło widzialne, podczerwień i fale radiowe. Maksymalna moc promieniowania przenikająca do zewnętrznych warstw atmosfery, jaką można uzyskać na 1 m², wynosi średnio 1367 W/m². Jednak ze względu na eliptyczną orbitę Ziemi, różny kąt nachylenia osi obrotu planety i grubość atmosfery ilość energii jaka dociera do powierzchni Ziemi może wynieść maksymalnie 1000 W/m².

Promieniowanie docierające do Ziemi możemy podzielić na:

• 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.

Potencjał promieniowania słonecznego w Polsce

W Polsce badania dotyczące promieniowania słonecznego prowadzone są przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Z normy PN-B-02025 wynika, iż wartość średniego natężenia promieniowania całkowitego dla Polski w ciągu roku wynosi 993,5 kWh/m² (wielkość ta waha się między 930 a 1070 kWh/m²). Aż 79% promieniowania słonecznego przypada na półrocze letnie. Najlepsze warunki słoneczne istnieją 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.

Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego

Energię słoneczną możemy wykorzystać na 3 sposoby: poprzez konwersję fotowoltaiczną, chemiczną albo konwersję fotochemiczną.

• Konwersja fotowoltaiczna – wykorzystujemy ją w ogniwach fotowoltaicznych, popularnie zwanych również fotoogniwem lub ogniwem słonecznym. To urządzenia przetwarzające bezpośrednio energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Zamiana ta jest możliwa dzięki zastosowaniu półprzewodnikowych złączy typu p-n. Foton, który pada na płytkę krzemową, jest pochłaniany przez krzem, wskutek czego wybija elektron ze swojej pozycji i zmusza go do poruszania. Ruch ten to właśnie przepływ prądu elektrycznego. Ogniwa fotowoltaiczne stosowane są m.in. w:
  • instalacjach do produkcji prądu w domach jednorodzinnych;
  • kalkulatorach, lampach solarnych, zegarkach;
  • kosmonautyce;
  • żeglarstwie;
  • telekomunikacji.
• Konwersja fototermiczna pasywna – jest bezpośrednią zamianą energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Istnieje kilka rodzajów systemów ogrzewania, takich jak m.in.:
  • bezpośrednie pozyskiwanie ciepła – realizowane może być poprzez duże oszklone powierzchnie montowane od strony południowej, gdzie nisko operujące zimą słońce ogrzewa wnętrza pomieszczeń;
  • system ze ścianami kolektorowo-magazynowymi – ogrzewanie realizowane poprzez zamontowane na południowych ścianach kolektory magazynujące, wykonane z materiałów o dużej akumulacji cieplnej. Ściana ta pochłania energię słoneczną, zamieniając ją na ciepło, a następnie magazynując je w swojej objętości;
  • szklarnie, oranżerie – system ten polega na rozbudowie ściany kolektorowo-magazynowej poprzez odsunięcie przezroczystej osłony od ściany. Uzyskaną w ten sposób przestrzeń możemy wykorzystać np. jako oranżerię czy ogród zimowy.
• Konwersja fototermiczna aktywna – polega na zamianie energii promieniowania słonecznego w inną formę energii przy pomocy specjalnie skonstruowanych urządzeń. Sprzęty te, nazywane kolektorami słonecznymi, są dostępne w kilku wersjach, które mogą się różnić ceną, wydajnością oraz stopniem zaawansowania technologicznego. Popularnymi rodzajami kolektorów słonecznych są:
  • kolektory płaskie,
  • kolektory próżniowe,
• Konwersja fotochemiczna – to zamiana energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Na szeroką skalę wykorzystywana jest jedynie przez organizmy żywe w tzw. procesie fotosyntezy.

Wady i zalety wykorzystywania energii słonecznej

Do najważniejszych zalet tego typu systemów należą:

• nieograniczone zasoby energii (promieniowania słonecznego) – można ją pozyskać nawet wtedy, gdy pada deszcz lub jest spore zachmurzenie;
• brak konieczności zużywania paliwa i transportu energii;
• możliwość bezpośredniej konwersji na różne formy energii (energia cieplna, elektryczna);
• odpowiednio zamontowane panele są w dużej mierze bezobsługowe i bezawaryjne;
• uniwersalność tej technologii sprawia, że może być zainstalowana niemal w każdym miejscu po dobraniu odpowiednich modułów;
• instalacje fotowoltaiczne mają znikomy, negatywny wpływ na środowisko naturalne z powodu braku zanieczyszczeń odpadami, produktami spalania.

Wady energetyki słonecznej:

• cykliczność oraz nierównomierność w wykorzystaniu (dostępna energia jest zależna od pory dnia i roku);
• wartość natężenia jest zależna od kąta padania promieni słonecznych;
• stosunkowo wysoki koszt urządzeń;
• dość niska sprawność modułów fotowoltaicznych;
• zależność promieniowania słonecznego od zanieczyszczenia atmosfery, zachmurzenia nieba.