Elektrownie słoneczne

Słońce jest centralną gwiazdą Układu Słonecznego, wokół której krąży Ziemia, inne planety oraz mniejsze ciała niebieskie. Stanowi najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi. Rozwój technologii spowodaował, że dziś potrafimy je wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.

Graniczną mocą jaką można uzyskać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1 367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest odbijana lub pochłaniana przez atmosferę, więc efektywnie wykorzystać przy powierzchni Ziemi możemy do 1000 W/m2.

Ludzie od wieków wykorzystywali słońce – np. starożytni Grecy potrafili rozniecić ogień za pomocą szklanej kuli wypełnionej wodą skupiającej promienie słoneczne. W 212 r.p.n.e. Archimedes miał rzekomo użyć wklęsłych luster do podpalenia drewnianych okrętów oblegających Syrakuzy. Prawdziwość tego podania wydaje się raczej wątpliwa, chociaż w 1973 roku grecka marynarka przeprowadziła doświadczenie potwierdzające działanie lustra Archimedesa; źródło

Paliwa kopalne takie jak ropa, węgiel tworzyły się przez miliony lat dzięki promieniowaniu słonecznemu. Nawet energia wiatrowa jest również pochodną energii słonecznej. Dzięki postępowi technologicznemu obecnie jesteśmy w stanie w coraz większym stopniu wykorzystywać energię która dociera do nas bezpośrednio ze słońca. A jest o co walczyć – w warunkach polskich w ciągu roku potencjał napromieniowania wynosi 1000 kWh/m2, co odpowiada energii jaką można uzyskać ze 100 litrów oleju napędowego.

Energię promieniowania słonecznego można wykorzystywać na dwa podstawowe sposoby:

• zamieniać ją bezpośrednio w energie elektryczną w ogniwach fotowoltanicznych (konwersja fotowoltaniczna),
• zamieniać ją w ciepło, które z kolei może być wykorzystane np. do ogrzewania wody użytkowej, lub w elektrowniach słonecznych do wytwarzanie energii elektrycznej.

Konwersja fotowoltaniczna

Konwersja fotowoltaniczna umożliwia bezpośrednią zamianę energii promieniowania słonecznego (światła) na prąd elektryczny. Zachodzi ona w fotoogniwach półprzewodnikowych. Do ich budowy wykorzystuje się najczęściej najczęściej: krzemu (Si), german (Ge) lub selen (Se). Wielkość napięcia i mocy uzyskiwanej z pojedynczego ogniwa nie jest imponująca – zazwyczaj 0,5 V – aby urządzenie było więc użyteczne ogniwa łączy się szeregowo w celu podwyższenia napięcia i równolegle w celu zwiększenia mocy. W ten sposób powstaje bateria słoneczna.

Krajem przodującym w świecie pod względem wykorzystania energii słonecznej są Niemcy. W ostatnich latach oddano do użytku szereg instalacji które można już określić mianem elektrowni słonecznych. Jedną z największych jest plantacja baterii fotowoltanicznych zlokalizowana w miejscowości Pocking w Bawarii kosztem 40 mln euro. Zajmuje powierzchnie 32 ha i osiąga moc 10MW. Twórca projektu Martin Bucher twierdzi, że oszczędzi on środowisku 10 tys ton zanieczyszczeń każdego roku jednocześnie zaopatrując w energię 3 tys. Gospodarstw domowych.

Największa na świecie podłączona do sieci elektrownia z ogniwami fotowoltanicznymi – widok z lotu ptaka (10 MW, 32 ha).
Źródło: http://www.martin-bucher.de

Ekologia ponad wszystko – teren zajmowany przez baterie słoneczne można wykorzystać do wypasu owiec.
Źródło: http://www.martin-bucher.de

Ogniwa fotowoltaniczne, mimo że nie mogą konkurować pod względem wydajności i ekonomiki z tradycyjnymi formami wytwarzania energii elektrycznej znalazły szereg zastosowań. Używa się ich powszechnie do zaopatrywania w prąd sztucznych satelitów i stacji kosmicznych. Na orbicie okołoziemskiej ogniwa są bardziej wydajne, gdyż promieniowanie słoneczne nie jest tam pochłaniane i rozpraszane przez atmosferę. Ogniwa nadają się też świetnie do zasilania odbiorników o bardzo małej mocy – np. kalkulatorów. Oczywiście zastosowań można znaleźć dużo więcej – zbudowano samochód zasilany energią słoneczną a nawet samolot (Solar Challenger – odbył udany lot przez kanał La Manche), jednak za sprawą ograniczeń technologicznych wynalazki te mogą być traktowane co najwyżej jako ciekawostki naukowe – energia słoneczna jeszcze długo nie będzie konkurencyjna w stosunku do tradycyjnych źródeł.

Konwersja fototermiczna

W większości współczesnych elektrowni ciepło uzyskane ze spalania paliw kopalnych (węgiel, gaz, paliwa rozszczepialne) wykorzystywane jest do wytworzenia pary, która z kolei napędza turbiny wprawiające w ruch prądnice elektryczne. Dlaczego więc w takim procesie nie zastosować innego źródła ciepła – skoncentrowanych promieni słonecznych? Okazuje się, że jest to możliwie – prototypowe instalacje już działają. Słoneczne elektrownie cieplne (thermal solar systems) są uważane za jedne z najbardziej perspektywicznych alternatywnych źródeł energii. Możemy wśród nich wyróżnić trzy koncepcje:

• układy paraboliczne (rynnowe),
• układy luster z silnikiem cieplnym (silnik Stirlinga),
• układy luster z centralną wieżą.

Układy paraboliczny

Zbudowane są w postaci długich rynien powlekanych wewnątrz srebrem bądź polerowanym aluminium. Wzdłuż rynny biegnie rurka wypełniona zazwyczaj olejem, na której skupiają się odbite promienie słoneczne. Umieszczona jest ona wewnątrz większej, próżniowej szklanej rury, celem ograniczenia strat ciepła. Olej podgrzewa się w ten sposób nawet do 400 ºC i jest używany do produkcji pary wodnej. Rynny ustawia się najczęściej wzdłuż osi północ południe, a wzdłuż osi wschód-zachód mają możliwość zmiany kąta nachylenia aby podążać za słońcem.

Technologia ta wydaje się najbardziej obiecująca – w porównaniu z innymi opartymi zarówno na konwersji fototermicznej i fotowoltanicznej oferuje najniższe koszty i najwyższe moce.

Rząd paneli parabolicznych z elektrowni Nevada Solar One

Widok na elektrownie Nevada Solar One (powierzchnia 360 tys m2, moc 64 MW, temperatura czynnikia roboczego: 390 stopni)

Układy z silnikiem Stirlinga

W 1816 roku szkocki duchowny opatentował ciekawy model silnika, który zamienia energię cieplną na mechaniczną ale bez procesu wewnętrznego spalania jak w tradycyjnym silniku spalinowym. Aby pracował należało tylko dostarczyć do niego ciepło z zewnątrz. Nie posiada wydechu, rozrządu – może więc pracować praktycznie bezgłośnie (dzięki tej zalecie znalazł praktyczne zastosowanie w szwedzkich okrętach podwodnych). Pod koniec ubiegłego wieku narodziła się koncepcja wykorzystania takiego silnika (zwanego silnikiem Stirlinga), gdzie źródłem ciepła były skupione przez układ luster promienie słoneczne. Silnik napędzał generator elektryczny, tworząc tym samym elektrownie. Szacuje się że przy średnim nasłonecznieniu 1000 W/m2 silnik o mocy 25 kW wymaga lustra o średnicy 10 m. Sprawnośc konwersji energii promieniowania słonecznego na elektryczną przy tej technologii może osiągać nawet 30%.

Zwierciadło słoneczne z silnikiem cieplnym (silnikiem Stirlinga) opracowane przez Stirling Energy Systems, Inc. oraz Sandia National Laboratories (USA) o mocy 25 kW. Koszt jego budowy wyniósł 150 000 dolarów, ale producenci zakładają, że przy produkcji seryjnej można go zredukować trzykrotnie. Źródło: http://www.sandia.gov

Kto wie, może za kilkadziesiąt lat w naszych gniazdkach popłynie prąd z takich farm słonecznych. Na dzień dzisiejszy to tylko wizja artystyczna. Źródło: http://www.sandia.gov

Układy luster z centralną wieżą

Instalacja taka pozwala uzyskiwać bardzo wysokie temperatury rzędu 3000 ºC. Ruchome lustra zajmujące dużą powierzchnie odbijają promienie słoneczne w jeden punkt – umieszczony na szczycie wieży piec. Wypełniony jest on substancją posiadającą dobre parametry gromadzenia ciepła (np. ciekły sód – metal o dużej pojemności cieplnej). Dzięki temu elektrownia może pracować przez kilka godzin także po zachodzie słońca. Dalszy proces technologiczny jest taki sam jak konwencjonalnej elektrowni – ciepło służy do wytworzenia pary wodnej.

Eksperymentalne elektrownie tego typu powstały min. w Kalifornii (1926 luster (heliostatów), moc 10MW) oraz w Hiszpanii (okolice Sevilli, 624 lustra, moc 11MW)

Pierwsza na świecie komercyjna elektrownia słoneczna w technologii z centralną wieżą PS 10 w Hiszpanii. Składa się z 624 luster, każde o powierzchni 120 m2. Odbiornik ciepła umieszczony na szczycie 100 metrowej wieży wytwarza parę o temp 250 stopni i ciśnieniu 40 bar. Szacuje się, że będzie generować ilość energii potrzebną dla 6000 gospodarstw i pozwoli na ograniczenie emisji CO2 o 18 tys. ton rocznie.
Źródło: http://www.solarpaces.org

Elektrownia PS 10 w czasie pracy. Źródło: http://www.solarpaces.org