Energia słońca - Młodzież

Historia wykorzystania energii słońca

Energia słoneczna jest wykorzystywana przez człowieka właściwie od zawsze. Z promieni słonecznych można korzystać bez pomocy żadnych urządzeń. Wystarczy stanąć w słońcu by poczuć przyjemne ciepło. Instynktownie wiedzą to nawet zwierzęta, które w ładny dzień wygrzewają się w promieniach słońca. Człowiek pierwotny z energii słońca korzystał właśnie w taki bierny sposób.

 

Starożytni Grecy wynaleźli pierwszą soczewkę skupiającą promienie słoneczne, która służyła do rozniecania ognia. Było to kuliste naczynie z wodą. Później energia słońca była wykorzystywana w łaźniach rzymskich.

Podobno pierwszy kolektor słoneczny został skonstruowany w Szwajcarii w XVIII wieku i służył ogrzewaniu potraw.

Pierwsze ogniwo słoneczne zostało zbudowane w 1954 roku, przeszło sto lat po odkryciu zjawiska fotowoltaicznego. Ogniwo to miało bardzo niską sprawność. Przez kolejne lata następował rozwój fotowoltaiki, napędzany przez przemysł kosmiczny.

W Polsce pierwsze prace naukowe poświęcone wykorzystaniu energii słońca w budownictwie powstawały w latach latach II wojny światowej. Jednak dopiero w 1973 roku naukowiec ze Szkoły Głownej Gospodarstwa Wiejskiego J. Pabis zaprezentował działający kolektor słoneczny. Rozwój rynku kolektorów słonecznych nastąpił w Polsce dopiero końcem lat 90-tych dwudziestego wieku. Wykorzystanie energii słońca do produkcji energii elektrycznej, ze względu na dość duże koszty inwestycyjne nie jest w Polsce spotykane. Wyjątkiem są małe autonomiczne systemy, zasilające np. światła uliczne.


Promieniowanie słoneczne

Energia słoneczna docierająca do ziemi to fala elektromagnetyczna. Fala ta ma różną długość. W zależności od długości fal wyróżniamy promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie widzialne oraz promieniowanie podczerwone.

  • Promieniowanie ultrafioletowe – to fala o najkrótszej długości, stanowi ona najmniejszy procent całego promieniowania słonecznego. Ultrafiolet odpowiada za oparzenia słoneczne u ludzi i zwierząt, ma niszczące działanie na żywe komórki. Aby uchronić się przed tym szkodliwym promieniowaniem stosujemy kremy z filtrem UV. Co ciekawe, promieniowanie ultrafioletowe ma działanie bakteriobójcze.
  • Promieniowanie widzialne- wywołuje u ludzi i zwierząt wrażenie świetlne- możliwość widzenia. Jest to po prostu światło widzialne.
  • Promieniowanie podczerwone- Jest to promieniowanie cieplne, zwane podczerwienią. Długość fali jest dłuższa niż promieniowania widzialnego. Promieniowanie podczerwone stanowi największą część całego promieniowania i jest odpowiedzialne za odczuwanie ciepła.


Spektrum promieniowania słonecznego


Energia słoneczna która dociera do granicy atmosfery ma swoją określoną moc. Jest to tzw „stała słoneczna” której moc na 1 metr kwadratowy to ok 1,36 kW. Stała słoneczna, w rzeczywistości wcale nie jest jest wartością niezmienną. Wartość natężenia słonecznego zmienia się co 11 lat i zależy od aktywności słońca. Jednak są to niewielkie różnice i podaje jedną stałą wartość „stałej słonecznej” Nie cała energia słoneczna dociera do Ziemi. To co dotrze do powierzchni ziemi nie jest nawet połową. Promieniowanie słoneczne musi przejść przez atmosferę, gdzie spora część zostaje pochłonięta lub rozproszona. Kolejną barierą są chmury, od których promienie słoneczne się odbijają, lub mogą też zostać pochłonięte przez chmury. Ostatnią stratą jest część promieniowania, która odbije się od powierzchni ziemi.



Rozproszenie promieniowania słonecznego.

Promieniowanie słoneczne ma swoje składowe: promieniowanie bezpośrednie, rozproszone i odbite. Promieniowanie bezpośrednie rozchodzi się w linii prostej od słońca i ma największe znaczenie w wykorzystaniu energii słonecznej. Wpływa na efektywną pracę kolektorów lub baterii słonecznych. Najwięcej promieniowania bezpośredniego jest w lecie, najmniej zimą. Natomiast zimą, największe wartości osiąga promieniowanie. Promienie słoneczne odbijają się w zasadzie od wszystkich powierzchni, z wyjątkiem ciał czarnych. Ale najintensywniej od świeżego śniegu. Trzecią składową jest promieniowanie rozproszone ( dyfuzyjne) Jest to promieniowanie o długiej długości fali i odpowiada za widziany niebieski kolor nieba. Udział promieniowania rozproszonego również zmienią się w ciągu roku i największe wartości osiągane są w miesiącach zimowych. Promieniowanie rozproszone powstaje wskutek załamania, odbicia, pochłonięcia promieni słonecznych i dociera do ziemi w sposób bezkierunkowy, w przeciwieństwie do kierunkowego promieniowania bezpośredniego.

Natężenie promieni słonecznych to chwilowa wartość energii słonecznej docierające do 1m2 powierzchni. Natężenie ciągle się zmienia. Jak łatwo się domyślić, najwyższe wartości notowane są w dni bezchmurne. Natężenie promieniowania słonecznego docierające do określonej powierzchni można obrazowo porównać do ilości żarówek. W dzień pochmurny, pomimo że nie widzimy słońca, jego światło do Ziemi dociera. Wielkość tego natężenia można porównać do 8 świetlówek. W piękny słoneczny dzień natężenie promieniowania może być nawet 5 razy większe.

Natężenie promieniowania słonecznego w porównaniu do światła żarówek.

Zasoby energii słonecznej
Aby mówić o zasobach energii słonecznej potrzeba znać pojęcia takie jak nasłonecznienie  i usłonecznienie, które choć brzmią podobnie, różnią się od siebie.

Nasłonecznienie to suma natężenia promieni słonecznych na danej powierzchni w danym czasie ( np. w ciągu godziny lub dnia) Nasłonecznienie podaje się w jednostce energii odniesionej do 1 metra kwadratowego powierzchni( Wh/m2, kWh/m2 ) ) Nasłonecznienie w ciągu jakiegoś czasu podawane jest jako wartość uśredniona, Np. jeśli przez pół godziny natężenie w danym miejscu wynosiło 400 W/m2 , a przez kolejne pół godziny 600 W/m2, to nasłonecznienie w ciągu tej godziny równa się 500Wh/m2 .
Usłonecznienie to liczba godzin, w ciągu których dociera bezpośrednie promieniowanie słoneczne. Parametr ten określa warunki pogodowe a nie zasoby. Ale jest istotny w przewidywaniu możliwości wykorzystania energii słońca. Parametr ten używa się do szacowania ile godzin będzie pracować instalacja. W Polsce największe usłonecznienie występuje w Kołobrzegu, przeszło 1620 godzin rocznie. W Warszawie nieco mniej 1579 godzin. W Zakopanym usłonecznienie to tylko 1467 godzin rocznie.

Nasłonecznienie w Europie


Mapa nasłonecznienia pokazuje, że Polska na tle innych państw Europy ma raczej niskie nasłonecznienie. Mniejsza ilość energii słonecznej jest w Niemczech, Wielkiej Brytanii i krajach północnych. Średnie nasłonecznienie w Polsce to ok 1000 kW/m2 rocznie. Daleko nam do Hiszpanii czy Włoch, gdzie wartość ta jest 2 razy wyższa. Nasłonecznienie w Polsce jest w miarę równomierne, jeśli chodzi o poszczególne regiony kraju. Nieco większe wartości to województwo lubelskie, max 1050 kW/m2. Najmniejsze nasłonecznienie przypada na województwo śląskie i północ kraju. Lokalnie nawet poniżej 1000 kW/m2 .


Mapa nasłonecznienia w Polsce,


Zasoby energii słonecznej w Polsce wykazują dużą zmienność w ciągu roku, a nawet w cyklu dobowym. Zimą nasłonecznienie jest aż 7 razy niższe niż latem. Najwięcej energii słonecznej dociera do ziemi w czerwcu i lipcu. Są to wartości przekraczające 150 kWh/ m2 miesięcznie. Zimą dni są krótkie, więc niewiele energii słonecznej do nas dociera. Wartość nasłonecznienie w grudniu to zaledwie 25 kWh/m2.

Średnie nasłonecznienie w Polsce w ciągu roku

Aby skutecznie wykorzystać energię słońca kolektory i baterie słoneczne ustawia się zawsze w kierunku południowym. W ciągu roku kąt padania promieni słonecznych ulega zmianie, dlatego istotny jest kąt nachylenia urządzeń.W lecie słońce góruje wysoko na niebie, aby uchwycić jak najwięcej energii słonecznej urządzenia powinny być minimalnie nachylone, niemal płasko. Zimą odwrotnie, słońce znajduje się bardzo nisko nad horyzontem. Najbardziej efektywnym rozwiązaniem będzie ustawić urządzenia pod dużym kątem niemal pionowo. Jesień i wiosna to czas umiarkowanego górowania słońca. Optymalnym rozwiązaniem jest pochylić płaszczyzny urządzeń solarnych o kąt 45 stopni. Najczęściej kolektory i baterie słoneczne są trwale przymocowane do dachu i nie ma możliwości zmieniać ich nachylenia w ciągu roku.


„Wędrówka” słońca po nieboskłonie w ciągu roku


Na podstawie różnych analiz i obliczeń można wyznaczyć zasoby energii słonecznej. Potencjał teoretyczny to 100% energii słońca, jaką można by wykorzystać w idealnych warunkach. Jego wielkość w żaden sposób nie odzwierciedla faktycznych możliwości pozyskania energii. Należy uwzględnić sprawność urządzeń i możliwości techniczne. Kolejnym aspektem są względy ekonomiczne, pozyskiwanie energii nie może być za drogie. Potencjał ekonomiczny to realna wielkość zasobów, których wykorzystywanie jest uzasadnione. Rysunek pokazuje, że polskie zasoby energii słonecznej są wielokrotnie niższe iż zapotrzebowanie, czyli pokrywania zużycia energii na wielka ogólną krajową skalę nie jest możliwe. Ale oczywiście lokalne korzystanie z energii słońca jest jak najbardziej słuszne.

Zasoby energii słonecznej w Polsce i zapotrzebowanie energię.


Technologie wykorzystania energii słonecznej
Najbardziej popularną metodą aktywnego  pozyskiwania energii słonecznej to produkcja ciepła w  kolektorach słonecznych i produkcji prądu elektrycznego za pomocą ogniw fotowoltaicznych. Trzecia możliwość to produkcja pośrednio energii elektrycznej ze zgromadzonej cieplnej energii promieniowania słonecznego.

Sposoby wykorzystania energii słonecznej.

Kolektory słoneczne
Kolektor słoneczny to urządzenie służące zamianie energii słonecznej na energię cieplną. Nośnikiem ciepła jest ciecz, najczęściej glikol, gdyż woda zamarzałaby w zimie. Istnieją też kolektory powietrzne, w których nośnikiem jest bezpośrednio powietrze.

Rodzaje kolektorów słonecznych

Wśród kolektorów cieczowych wyróżniamy:

  •     kolektory płaskie
  •     kolektory próżniowe rurowe
  •     kolektory próżniowe płaskie

Najprostsze w budowie są kolektory płaskie. Bardzo dobrze spełniają swoją rolę w okresie letnim do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Kolektor płaski zbudowany jest z układu miedzianych rurek, które połączone są z absorberem. Absorber wykonany jest z blachy pokrytej czarną powłoką, która pochłania promieniowanie słoneczne. Elementy te chronione są odporną szybą solarną, Kolektor plaski próżniowy jest zbudowany podobnie jak klasyczny kolektor płaski, jednak pomiędzy szyba solarną a absorberem występuje próżnia (podciśnienie). Próżnia ta ogranicza straty ciepła kolektora. Z powodu podciśnienia konieczne są podpory szyby.  Z zewnątrz łatwo jest rozpoznać różnice pomiędzy zwykłym kolektorem płaskim a płaskim próżniowym.

Płaski kolektor oraz widok z góry na jego budowę

Kolektory próżniowe rurowe wykazują mniejsze straty ciepła niż kolektory płaskie.  Kolektor zbudowany jest z kilku lub kilkunastu połączonych ze sobą  wydłużonych rur szklanych. Kolektory próżniowe poza podgrzewaniem ciepłej wody użytkowej wykorzystywane są do wspomagania centralnego ogrzewania. Budowa kolektora próżniowego jest bardziej skomplikowana niż płaskiego. Przekłada się do na efektywność produkcji energii, ale również na wyższą cenę.


Kolektor próżniowy rurowy i jego budowa.

Kolektory powietrze – ich budowa jest bardzo prosta i mogą być wykonane w domu przez majsterkowicza. Nośnikiem ciepła jest powietrze, które nagrzewa się od promieni słonecznych. Urządzenia tego typu stosowane są głównie w suszarniach. Chociaż w ostatnich latach znajdują zastosowanie do ogrzewania powietrza w systemie wentylacji mechanicznej. W nowoczesnych energooszczędnych budynkach kolektory powietrzne mogą np. pokrywać całą południową fasadę budynku.

Fotowoltaika

Ogniwa fotowoltaiczne- baterie słoneczne
Baterie słoneczne produkują prąd elektryczny wykorzystując zjawisko zwane efekt fotowoltaiczny, którego motorem jest promieniowanie słoneczne. Na skutek padających  promieni światła powstaje siła elektromotoryczna. Przemieszczanie się ładunków powoduje powstanie napięcia elektrycznego. Ogniwo zbudowane jest z półprzewodnika np krzemu- Si i tworzy złącze typu p-n


Budowa ogniwa fotowoltaicznego

Pojedyncze ogniwo łączy się w grupy po kilkanaście sztuk. Jest to panel fotowoltaiczny, który montuje się na dachu lub za pomocą stelaży na ziemi. Pojedynczy panel jest urządzeniem, które może produkować prąd. Ale zazwyczaj buduje się instalację z kilku modułów fotowoltaicznych. Panele można ze sobą łączyć metodą w sposób równoległy lub szeregowy

Budowa instalacji fotowoltaicznej. Sposoby połączeń paneli.


Połączenie szeregowe baterii słonecznych

Połączenie równoległe baterii słonecznych

Moc danego panelu fotowoltaicznego to iloczyn napięcia i natężenia prądu. W połączeniu szeregowym napięcie całej instalacji to suma poszczególnych napięć modułów, natomiast natężenie prądu jest stałe. W połączeniu równoległym stałe jest napięcie. Natężenie prądu jest sumą wszystkich prądów paneli. Budując instalację należy pamiętać, aby zawsze łączyć, ze sobą panele o takiej samej mocy, napięciu i natężeniu.


Istnieje kilka rodzajów ogniw, w zależności od użytego do produkcji materiału:


Ogniwo monokrystaliczne/ polikrystaliczne/ amorficzne

Ogniwa monokrystaliczne -wykonane z jednego monolitycznego kryształu krzemu. Charakteryzuje się wysoką sprawnością zazwyczaj 18-22% i są najdroższe. Posiadają charakterystyczny ciemny kolor.
Ogniwa polikrystaliczne -wykonane z wykrystalizowanego krzemu. Mają sprawność w przedziale 14-18% oraz umiarkowaną ceną. Zazwyczaj charakteryzują się niebieskim kolorem, oraz wyraźnie zarysowane kryształy krzemu
Ogniwa  amorficzne- wykonane bezpostaciowego niewykrystalizowanego krzemu ( amorficznego) Ich sprawność jest niska, około 6-10%, dlatego są najtańsze. Zazwyczaj posiadają charakterystyczny lekko bordowy kolor i brak widocznych kryształów krzemu
Instalacji fotowoltaiczna może być połączona z siecią elektroenergetyczną lub dostarczać prąd jedynie do sieci domowej. W drugim przypadki potrzeba jest magazynować nadwyżki prądu i stosowanie akumulatorów.
Poza panelami fotowoltaicznymi w skład instalacji wchodzi:

  • Inwerter (przekształtnik) prądu stałego produkowanego w ogniwach fotowoltaicznych na prąd zmienny o parametrach zgodnych z prądem z sieci elektroenergetycznej
  • Bateria akumulatorów- jest niezbędny w przypadku sieci wydzielonych i służy do magazynowania wyprodukowanej energii
  • Regulator ładowania- odpowiada za kontrolę ładowania i rozładowania akumulatora



Rys. 1- Inwerter, 2- akumulator, 3- regulator ładowania

 

Loga patronów

Projekt biogazownie

biogazownie korzyści czy zagrożenia

Kalkulatory

Gry Edukacyjne

Sponsorzy

Sondy

Co sądzisz o projekcie?
 

Odwiedziło Nas

osób