Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do ogrzewania domu

Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera do powierzchni Ziemi. Oświetlenie powierzchni Ziemi nie jest równomierne. Zależy od szerokości geograficznej, pory roku i pory dnia. Obliczono, że jednemu metrowi kwadratowemu powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu dnia na naszej szerokości geograficznej średnio 2,7kWh energii. Jest to wartość równa energii, jaką uzyskujemy ze

Montaż modułów fotowoltaicznych na dachu domu

spalenia jednej trzeciej litra benzyny. Obecnie chcemy wykorzystać jej jak najwięcej. Energię słoneczną używa się do ogrzewania domów mieszkalnych zakładając ogniwa fotowoltaiczne zamieniające światło na prąd lub wykorzystując światło do ogrzewania wody w specjalnych zbiornikach umieszczonych na dachach zwanych kolektorami.
Kolektor słoneczny to urządzenie do zamiany energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia słoneczna padająca na kolektor ogrzewa ciecz (na przykład wodę lub glikol) lub powietrze. Typowy kolektor płaski składa się z przezroczystego pokrycia substancji pochłaniającej światło (absorber) oraz wymiennika ciepła, którym są najczęściej miedziane rurki stykające się z absorberem. Aby wystarczyło to do ogrzania średniego domu rodzinnego i dostarczenia domownikom ciepłej wody powierzchnia kolektorów musiałaby wynosić aż 60m². Jest to duża powierzchnia i oprócz ogrzewania słonecznego użytkownicy wykorzystują energię elektryczną.
Baterie słoneczne (ogniwa fotowoltaiczne) są to urządzenia elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zamiany światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale duża ilość ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z krystalicznego krzemu domieszkowanego warstwami lub z cienkich warstw półprzewodników, zwykle uwodnionego krzemu amorficznego odpowiednio domieszkowanego (czasami arsenku galu). Sprawność ogniw w laboratoriach wynosi około 15%, natomiast stosowanych komercyjnie 4 - 8%. Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.
Z myślą, z jednej strony o kryzysie energetycznym, a z drugiej o ochronie środowiska, powstają projekty bezpośredniego wykorzystania energii słonecznej na ogromną skalę, chociaż energia uzyskana z baterii słonecznych jest około pięć razy droższa niż z konwencjonalnych źródeł. Wszędzie na świecie montuje się coraz więcej systemów fotowoltaicznych, zarówno na dachach domów mieszkalnych i innych budynków oraz systemy wolnostojące.
Energię słoneczną wykorzystuje się do napędzania pojazdów samochodowych. Na zdjęciu obok widoczny jest pojazd zasilany z baterii słonecznych Sunraycer wygrał w 1987 roku wyścig na dystansie 3138 km osiągając średnią prędkość 67 km/h.
Dużo większą sprawność posiadają termalne elektrownie słoneczne skonstruowane w technologii wieżowej. Światło słoneczne z dużej powierzchni za pomocą systemu luster kieruje się na jeden zbiornik, który umieszczony jest na wysokiej wieży. Odbiornik przetwarza energie promieni słonecznych w energię wewnętrzną pary wodnej, która jest pompowana rurami w dół

Elektrownie wieżowe PS10 i PS20 uruchomione w Hiszpanii

do generatora napędzanego turbiną u podstawy wieży. Elektrownie takie zajmują niestety bardzo dużo miejsca i wymagają dużego naświetlenia przez wiele dni w roku.
Jedną z największych na świecie wieżowych elektrowni słonecznych powstaje w Hiszpanii niedaleko Sewilli. Docelowo ma być 9 wież i 300 MW mocy. Na razie uruchomiono dwie wieże. PS10 (z języka hiszpańskiego Planta Solar 10) to pierwsza na świecie konstrukcja komercyjna elektrownia wieżowa wybudowana w 2004 roku o mocy 11 MW. Na wieżę o wysokości 115 metrów kierowane jest światło odbite przez 624 dużych ruchomych luster zwanych heliostatami. Każdy z serwerów lustrzanych o powierzchni 120 m? sterowany jest komputerowo. Odbiornik światła słonecznego przy szczycie wieży wytwarza nasyconą parę wodną w temperaturze 275°C. Sprawności przemiany energii wynosi około 17%.
Druga wieża, Planta Solar 20 (PS20) rozpoczęła działalność w 2009 roku i ma moc 20MW. Zastosowano tutaj kilka znaczących usprawnień technologicznych w stosunku do PS10 . Należą do nich odbiornik z wyższej efektywności, różnych systemów operacyjnych, poprawy kontroli i oraz system magazynowania energii lepiej cieplnej. PS20 składa się z pola słonecznego 1255 lustrzanych heliostatów odbijających promieniowanie słoneczne, które kieruje się na odbiornik, znajdujący się na szczycie 165 metrowej wysokości wieży, tworząc parę, która jest przekształcana w energię elektryczną. Pozostałe elektrownie wieżowe będą budowane w ciągu najbliższych kilku lat.
W lutym 2014 roku oficjalnie uruchomiono największą na świecie termalną wieżową elektrownię słoneczną Ivanpah, znajdującą się w Stanach Zjednoczonych na południe od Las Vegas. Na Ivanpah składają się trzy jednostki generujące energię. Na powierzchni 13 kilometrów kwadratowych umieszczono niemal 350 000 sterowanych komputerowo luster. Kierują one promienie słoneczne w stronę zbiorników z wodą umieszczonych na trzech 140 metrowych wieżach. W bojlerach podgrzewana jest woda i powstaje para wodna, która napędza turbiny. Całość generuje niemal 400 megawatów energii, co wystarczy do zasilania 140 000 gospodarstw domowych. Podobne obiekty planują wybudować inne kraje.
Jeszcze większą elektrownie słoneczna buduje się w północnej Afryce na terenie Maroka. Cała elektrownia ma mieć moc 580 MW. W końcu 2015 roku oddano do użytku pierwsze z czterech urządzeń nazwanej Noor 1 o mocy 160MW. Siłownia ta zaopatrzona jest w 500 tysięcy "luster słonecznych", mierzących 12 metrów wysokości każde. Docelowo kompleks Noor będzie miał powierzchnię 120 kilometrów kwadratowych, czyli taką samą jak stolica Maroka - Rabat.
Innym przykładem wykorzystania energii słonecznej jest istniejący we Francji wielki piec przemysłowy w Mont Louis ogrzewany przez wielopiętrową konstrukcję małych reflektorów (luster), odpowiednio ustawionych, co tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę około 3000°C, wystarczającą do obróbki wielu metali.
Istnieją inne często fantastyczne pomysły wykorzystania energii słonecznej. Japoński projekt GENESIS zakłada ustawienie w pustynnych rejonach elektrowni słonecznych, zbudowanych z cienkowarstwowych ogniw i utworzenie globalnej sieci energetycznej z nadprzewodzących kabli. Żeby zaspokoić światowe potrzeby energetyczne wystarczyłoby pokryć ogniwami zaledwie 4% powierzchni pustyń i nauczyć się przesyłać prąd bez strat.
Powstał również projekt wykorzystania energii słonecznej z przestrzeni kosmicznej. ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską 40 satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS - Solar Power Satelites), wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych. Wytworzona elektryczność ma być zamieniana na promieniowanie mikrofalowe, transmitowane do odbiorników na Ziemi, gdzie nastąpi znowu zamiana w prąd elektryczny. Niestety, mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych elektrowni słonecznych spaliłby wszystkie napotykane na drodze niemetalowe

Bariera potencjału

przedmioty oraz żywe istoty.


Niestety aby dokładnie wyjaśnić to zjawisko musimy przedstawić podstawowe własności półprzewodników i złącza p-n.
W półprzewodniku za przewodzenie prądu odpowiedzialne są swobodne elektrony, których jest dużo mniej niż w metalach i puste miejsca po elektronach, które mogą się przemieszczać więc traktujemy je jako ładunki dodatnie.
Jeśli połączymy ze sobą półprzewodnik typu p i n to taki układ nazywamy złączem p-n. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny. Po zetknięciu Przez granicę obu obszarów dzięki zjawisku dyfuzji elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p, a dziury z półprzewodnika typu p do n. Po przejściu elektrony rekombinują (zobojętniają się) z dziurami, a dziury z elektronami. Rekombinacja zachodzi jedynie w cienkiej warstwie blisko granicy zetknięcia. Ładunek jonów dodatnich i ujemnych po obu stronach granicy nie jest teraz skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. W wyniku tego powstaje tak zwana warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku. Obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru typu n.. Powstała różnica potencjału nosi nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów.
Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun źródła połączony będzie z obszarem p, a ujemny z obszarem n to zmniejszy się bariera potencjału i prąd będzie płynął. Mówimy, że złącze polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Jeśli do obszaru p dołączymy biegun ujemny, a do obszaru n dodatni to elektrony i dziury będą odciągane od złącza. Wskutek tego warstwa zaporowa poszerzy się i jej opór elektryczny wzrośnie. Będzie płynął wtedy bardzo słaby prąd. Mówimy, że dioda spolaryzowana jest w kierunku zaporowym.
Teraz przystąpimy do omówienia właściwego zjawiska. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne inaczej fotogalwaniczne znalazło zastosowanie w ogniwach fotoelektrycznych powszechnie zwanych bateriami słonecznymi. Na rysunku pokazano budowę typowego ogniwa krzemowego. Takie ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p (więcej jest w nim dziur niż swobodnych elektronów) pokrytego warstwą półprzewodnika typu n (przeważają w nim

Budowa baterii słonecznej

swobodne elektrony) o grubości tylko 1mm, a więc wystarczająco cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej. Pochłonięte fotony światła wybijają elektrony z sieci krystalicznej i stają się swobodne, a jednocześnie tworzą się dziury. Pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego w warstwie następuje dyfuzja czyli przejście dziur do obszaru p półprzewodnika, a elektronów do obszaru n. Elektrony, które przeszły do obszaru n ładują tę część półprzewodnika ujemnie, natomiast dziury ładują obszar p półprzewodnika dodatnio. Pomiędzy obiema częściami półprzewodnika powstaje więc różnica potencjałów. Jeśli obszary p i n połączymy przewodem na zewnątrz ogniwa, to popłynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diody.

Zasada działania wieżowej elektrowni słonecznej

Wieża słoneczna (solarna) składała się z potężnego, wysokiego komina oraz kolektora czyli szklarni o bardzo dużej powierzchni. Słońce ogrzewa powietrze w szklarni do temperatury około 70°C. To powoduje ruch powietrza do środka, w stronę betonowego komina o średnicy rzędu 100 metrów, w którym rozgrzane powietrze unosi się do góry, na zasadzie konwekcji (ciepłe powietrze ma mniejszą gęstość niż zimne). Wynika to z faktu, że wraz ze wzrostem wysokości średnio co 100 metrów temperatura powietrza obniża się o jeden stopień Celsjusza, co bezpośrednio przekłada się na siłę ciągu wieży, która jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy podstawą a szczytem. Powstający pod szklanym dachem wiatr osiąga prędkość do 50 km na godzinę. U podnóża wierzy znajdują się turbiny, które przetwarzają energię mechaniczną na elektryczną. Wydajność energetyczna wieży słonecznej zależy pośrednio od dwóch czynników: wielkości kolektora oraz wysokości komina. Przy dużym kolektorze, większa objętość powietrza ulega nagrzaniu, co powoduje jego większą prędkość przepływu przez komin. Teoretyczne rozważania przewidują powierzchnię o promieniu 3,5km. Przy wyższym kominie następuje z kolei większa różnica ciśnień wywołana przez tzw. efekt kominowy, co z kolei wymusza większą prędkość przepływającego powietrza. Według założeń, optymalna wysokość komina, dla dużej elektrowni, powinna wynosić około 1000 metrów. Zwiększenie wysokości komina oraz powierzchni kolektora zwiększy przepływ powietrza przez turbiny, a więc ilość produkowanej energii.
Elektrownia wieżowa wytwarza prąd przez całą dobę. Na ziemi wewnątrz szklarni rozłożone zostaną pojemniki z wodą. Za dnia woda nagrzeje się tak mocno, że ciepło oddawane przez nią w nocy

Hiszpańska nieistniejąca prototypowa słoneczna elektrownia wieżowa

wystarczy do podtrzymania pracy wierzy słonecznej. Oczywiście na niższych obrotach niż w południe, ale nocą maleje zapotrzebowanie na prąd. Wieża solarna ma ogromną zaletę, ponieważ nie wyemituje ani grama zanieczyszczeń. Z drugiej strony taka elektrownia wcale nie będzie tak nieszkodliwa, jakby się zdawało. Żeby wyprodukować beton i stal potrzebne do jej budowy, trzeba wyemitować do atmosfery 2 mln ton zanieczyszczeń (głównie dwutlenku węgla). Dopiero po dwóch i pół roku pracy bez dymu i spalin zniweluje ona straty, jakie środowisko poniesie przy jej wznoszeniu. Zaletą takiej elektrowni jest, że koszty jej utrzymania zamykają się jedynie w okresowych przeglądach turbin. Dzięki zastosowaniu tak wysokiego komina sprawność elektrowni wynosić ma około 60%, co jest wynikiem dużo lepszym w porównaniu do innych odnawialnych źródeł energii. Koszty budowy powinny się zwrócić po około dziesięciu latach, czyli szybciej niż inne elektrownie. Wadą wież słonecznych jest konieczność pracy w obszarach silnie nasłonecznionych oraz zajęcie znacznej powierzchni pod kolektor. Tereny nadające się do budowy to tereny o niskiej wartości, takie jak na przykład pustynie.
Pomysł zbudowania takiej elektrowni słonecznej powstał pod koniec lat siedemdziesiątych. Jego autorem jest niemiecki inżynier, profesor Jörg Schlaich. W 1982 roku jego firma, przy współudziale rządu Hiszpanii, oddała do użytku w Manzenares w Kastylii 150 km na południe od Madrytu prototyp takiej siłowni. Konstrukcja składała się z komina o wysokości 195 m i średnicy 10 m, oraz kolektora o całkowitej powierzchni niecałe 5 hektarów (średnica szklarni wynosiła 244 m), uzyskując na wyjściu moc elektryczną 50 kW. Podczas pracy instalacji zgromadzono wiele danych, niezbędnych do zaprojektowania, budowy i eksploatacji większych konstrukcji. Konstrukcja pilotażowa pracowała 7 lat, lecz z powodu niestabilności komina wywołanej przez wiry, została rozebrana w roku 1989 roku.
Budowa elektrowni wieżowych planowana jest w Australii w stanie Nowa Południowa Walia i na pustyni w stanie Arizona w USA. Komin ma mieć 800 metrów wysokości i 130 metrów średnicy. Elektrownia ma zajmować powierzchnię ponad 40 kilometrów kwadratowych, układ kolektorów powinien mieć promień wynoszący 3,5 kilometra. Szklarnia będzie otwarta, bez zewnętrznych ścian na brzegach koła, co zapewni swobodny przepływ powietrza. Rozgrzany gaz napędzać będzie 32 turbiny o mocy 6,5 megawata każda, wiec całkowita moc elektrowni wyniesie około 200MW.
Konstrukcja taka planowana jest również w miejscowości Ciudad Real w Hiszpanii. Jeśli zostanie wybudowana, będzie to pierwsza taka instalacja w Unii Europejskiej. Elektrownia ma obejmować obszar 350 hektarów, co w połączeniu z kominem o wysokości 750 metrów pozwoli na uzyskanie 40 MW energii wyjściowej.

---

Azobenzen, jeden z aromatycznych związków azowych, występuje w dwóch odmianach izomerycznych trans (po lewo) i cis (po prawo). Izomer trans jest bardziej stabilny termodynamicznie od izomeru cis. Przejście od bardziej stabilnej formy trans do formy cis zachodzi pod wpływem fali świetlnej o odpowiedniej długości. Powrotna zmiana może zajść pod wpływem fali świetlnej o innej długości fali lub samoistnie po pewnym czasie wynoszącym kilkadziesiąt sekund.

Jeśli na ciało pada światło białe, czyli składające się ze wszystkich długości fali inaczej wszystkich barw, to na ogół część długości fali jest pochłaniana (absorbowana) przez to ciało, natomiast część jest odbijana. Mieszanina długości fali odbitych (dokładniej rozproszonych) decyduje o kolorze tego ciała. Jeśli ciało całą wiązkę odbija to ma barwę białą, jeśli wszystko pochłania to postrzegamy to ciało jako czarne.
Substancje, które zmieniają kolor pod wpływem promieniowania nadfioletowego lub inaczej ultrafioletowego (w skrócie UV), noszą nazwę barwników fotochromowych. Pod wpływem światła nadfioletowego cząsteczki barwnika

Soczewki fotochromowe powinny być przezroczyste jak zwykłe szkło w otoczeniu o niskim naświetleniu (po lewej) i ciemne jak tradycyjne okulary przeciwsłoneczne w otoczeniu jasnym (po prawej).

fotochromowego zmieniają swoją strukturę czyli swój kształt. Dokładniej chemicy nazywają takie odmiany izomerami (są to związki chemiczne o identycznych sumarycznych wzorach cząsteczkowych, różniące się między sobą sposobami lub kolejnością wiązań atomowych albo ich innym rozmieszczeniem w przestrzeni). Ponieważ zakres długości fali światła pochłaniany przez barwnik zależy od kształtu cząsteczki, to wraz ze zmianą kształtu cząsteczki modyfikacji ulega także kolor materiału. Aby zmiana barwy była odwracalna, cząsteczki barwnika powinny powracać do pierwotnego kształtu po przerwaniu naświetlania promieniowaniem nadfioletowym. Niestety, na ogół struktura cząsteczki barwnika po naświetleniu jest niestabilna i łatwo ulega zniszczeniu. Aby temu zapobiec, dodaje się inne związki chemiczne, które zapewniają cząsteczkom barwnika stabilny kształt po naświetleniu, dzięki czemu cząsteczki mogą powrócić do oryginalnego kształtu po zakończeniu naświetlania.
Najbardziej znanym zastosowaniem materiałów zmieniających kolor są soczewki fotochromowe, które w zależności od ilości promieniowania UV automatycznie zmieniają swoje zabarwienie, ułatwiając korzystanie z okularów zarówno na zewnątrz, jak i w pomieszczeniach. Soczewki fotochromowe reagują na promieniowanie UV i tylko wystawione na działanie tego promieniowania dokonują zmiany zabarwienia. Dostępne są dwa rodzaje soczewek fotochromowych, które mają kolor szary lub brązowy. Nowoczesne soczewki fotochromowe zmieniają swój stopień przyciemnienia od 2-3% (w pomieszczeniach) do około 80% (na zewnątrz w słoneczny dzień). Soczewki fotochromowe mogą nie w pełni spełnić oczekiwania kierowców, ponieważ szyba samochodowa blokuje większość promieni UV pod wpływem których fotochrom ulega ściemnieniu.
Barwniki fotochromowe znalazły lub mogą znaleźć wiele innych zastosowań, bowiem zmieniając barwę przedmiotów w zależności od oświetlenia,

Z lewej wygląd koszulki w zamkniętym pomieszczeniu, a z prawej barwny obrazek na koszulce w świetle słonecznym, po działaniu promieni UV

czyli stają się "inteligentnymi materiałami". W przemyśle odzieżowym można wykonać koszulki z obrazkiem, który bez naświetlenia słonecznego jest czarno - bały, a pod wpływem promieniowania ultrafioletowego staje się barwny. Sukienka barwiona substancją fotochromową wraz z innymi pigmentami w pomieszczeniu może mieć inny kolor niż po wyjściu na światło słoneczne. Istnieją również lakiery do paznokci zawierające barwniki fotochromowe, które wewnątrz pomieszczeń maja stonowany kolor, a w świetle słonecznym przybierają dużo intensywniejszą barwę. Barwniki te stosuje się też do produkcji zabawek , kosmetyków , odzieży ochronnej i zastosowań przemysłowych.
Barwniki fotochromowe wykorzystuje się do ochrony markowych produktów. Można przy ich użyciu nadrukowywać firmowe logo lub inne znaki ochronne widoczne jedynie pod wpływem naświetlania promieniowaniem UV. Można również wykorzystać specjalnie zabarwione nici do szycia, lub wykonać część produktu z materiału fotochromowego. W okresie jesienno-zimowym, kiedy wcześnie zapada zmrok, dobrze jest wyposażyć się w jakiś element ostrzegawczy w postaci odblaskowej naklejki, szelek lub kamizelki, który dopiero wtedy się ujawnia. Dotyczy to zarówno uczestników ruchu drogowego jak i pieszych oraz psów wyprowadzanych na spacer.
Opracowano na podstawie artykułu zamieszczonego w numerze 19 czasopisma Neutrino.

---

« Poprzednia  Następna »