Energetyka słoneczna

Elektrownia słoneczna Nellis w Stanach Zjednoczonych

Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie[1]. Globalne inwestycje w energię słoneczną w 2014 wyniosły 149,6 mld dolarów[2][3]. W 2019 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 586 GW[4] (wzrost o 98 GW w stosunku do 2018 roku)[5] i zaspokajały one 2,7% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną[4].

Promieniowanie słoneczne

Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej. Zaczernione obszary (kropki) mogłyby pokryć całkowite światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną (18 TW czyli 568 eksadżuli (EJ) rocznie), gdyby zostały pokryte ogniwami o efektywności 8%
Teoretycznie dostępna energia źródeł odnawialnych w porównaniu z aktualnym światowym zapotrzebowaniem[6]

Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m² (patrz stała słoneczna). Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów. Około 30% tej mocy jest odbijane natychmiast w kosmos, a kolejne 20% jest pochłaniane przez atmosferę[7][8]. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m²[8]. Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic. Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/(m²*rok) w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce[9]. W Polsce wynosi około 1100 kWh/(m²*rok)[10].

Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy[11]. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych. Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430 ZJ energii, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni[6].

Cała energia promieniowania słonecznego pochłonięta przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez rośliny i zwierzęta, przekształca się w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Uzyskiwanie energii z promieniowania słonecznego

Konwersja fotowoltaiczna

Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.

Obecnie znanych jest wiele typów materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są ogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego, ale produkuje się też ogniwa oparte na krzemie polikrystalicznym, krzemie amorficznym, polimerach, tellurku kadmu (CdTe), CIGS i wielu innych. Intensywny rozwój przemysłu fotowoltaicznego w ostatnich latach pociąga za sobą duże zainteresowanie badaniami nad wydajniejszymi i tańszymi ogniwami.

Konwersja fototermiczna

Kolektory słoneczne do ogrzewania wody w Grecji

Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.

Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe’a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody oraz przy suszeniu płodów rolnych.

Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2–6 m² kolektorów słonecznych), jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m²) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.

Konwersja fotochemiczna

Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego.

Termoliza wody

Wieże słoneczne PS10 i PS20 koło Sewilli w Hiszpanii

W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi efuzja możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie wirówek. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń, ich szybkie zużywanie się i małą sprawność.

Wieże słoneczne

Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem.

Zastosowanie energii słonecznej

Zasilany energią słoneczną Tramwaj Wodny na Brdzie w centrum Bydgoszczy
Zasilanie akumulatora jachtu za pomocą ogniwa fotowoltaicznego
Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych do zasilania budynku

Skala indywidualna

Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były zawsze wielokrotnie wyższe niż przy wykorzystaniu innych źródeł energii, przez długi czas była ona stosowana jedynie tam, gdzie ich wykorzystanie było bardzo utrudnione lub niemożliwe. Przykładem takich zastosowań były:

Energetykę słoneczną wykorzystuje się coraz powszechniej. Związane jest to, między innymi ze spadkiem cen (200-krotnym w latach 1977-2015 – patrz „ekonomika” poniżej), z większą dostępnością technologii, programami dofinansowania instalacji tego typu urządzeń, rosnącą świadomością ekologiczną oraz wzrostem cen energii pochodzącej z tradycyjnych źródeł. Na rynku pojawiły się również nowe rozwiązania łączące tradycyjne źródła energii (np. LPG) z energią słoneczną, które umożliwiają uniezależnienie się od negatywnych warunków atmosferycznych (np. w czasie zimy).

Skala przemysłowa

Widok na elektrownię słoneczną SEGS III–VII, Kramer Junction, CA, USA
Kraje o największym wykorzystaniu energii słonecznej w latach 2004-2013[4]

Od początku XXI wieku różne państwa zaczęły wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalacji słonecznych: min. Niemcy, Czechy, Francja, Grecja, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania, Słowacja, Serbia, Bułgaria, Chiny, Tajwan, Indie, Korea Południowa. Wywołało to gwałtowny rozwój fotowoltaiki przemysłowej. Od 2000 roku produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40% rocznie[1]. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy 277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej mocy 24 047 MW.

Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w poszczególnych krajach w MW[4]:

Region20082009201020112012201320142015201620172018Wzrost
2018/2017
Udział
 Chiny140300800330070001763928199434807807013081617503233.8%35.9%
 Japonia2144262736184914663213599233003540042750490405550013.2%11.4%
 Stany Zjednoczone1169161625343910732812079182802560040300430315145019.6%10.5%
 Niemcy6120105661790025400330003630038200397004127542339459328.5%9.4%
 Włochy4581181350212803164541807418460189001927919688201262.2%4.1%
 Indie711011614811176232030625062901096471787385.3%3.7%
 Wielka Brytania23267097617472780522890701172712776131082.6%2.7%
 Australia1051885711377240732264136506554885993976963.0%2.0%
 Francja18633510542974409047335660655771308610948310.1%1.9%
 Korea Południowa358524656812102514752384340843505835786234.7%1.6%
 Hiszpania363536984110489752165333535854325490702970480.3%1.4%
 Turcja45671219412508343422506448.0%1.0%
 Holandia5768991503637371098140521002903415043.0%0.9%
 Belgia10862710552057276830093074325134223610402611.5%0.8%
 Kanada33952815587661211190025042715287331138.4%0.6%
 Południowa Afryka012406875122920112021742486295919.0%0.6%
 Tajlandia334349243388824129914202150270227250.8%0.6%
 Grecja185520562415362579259526062611260626521.8%0.5%
 Szwajcaria48741112114407561076136116401906224617.8%0.5%
 Chile00000336884811251809213718.1%0.4%
 Czechy644621952195920722132213420752073207020780.4%0.4%
 Austria32539618736062676693710961269143112.8%0.3%
 Rumunia0003491022129313251372137413770.2%0.3%
 Izrael32570190237481731881872975107610.4%0.2%
 Bułgaria173514110101020102210361028103610360.0%0.2%
 Dania35717379563603783
 Słowacja00148508543588590600
 Portugalia68102123158226281391454
 Meksyk2225313755112176282
 Malezja91113143673160231
 Szwecja891116244379130
 Finlandia45789101419
 Norwegia8991010111315
Świat16 06324 26341 33071 218102 076140 150180 396230 606301 473392 263487 82924.4%100.0%
Wzrost w roku+73%+51%+70%+72%+43%+37%+29%+28%+33%+30%+24%

Ekonomika

Przewidywany koszt energii z instalacji fotowoltaicznych w Europie w latach 2010-2020
Spadek cen krzemowych ogniw fotowoltaicznych w latach 1977-2015

Z raportu instytutu Fraunhofer ISE (należącego do Fraunhofer-Gesellschaft) wynika, że w 2025 roku fotowoltaika będzie najtańszym źródłem energii. Koszt energii pozyskanej z paneli słonecznych w krajach środkowej i południowej Europy będzie wynosił ok. 4-6 eurocentów/kWh, zaś ok. 2050 roku 2-4 eurocenty/kWh[12]. Zgodnie z prawem Swansona każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw fotowoltaicznych o 20%[13]. W latach 19772015 ceny ogniw spadły 200-krotnie – z 76,67 USD/wat[13][14] do poziomu 0,36 USD/wat, powodując dynamiczny rozwój tego sektora przemysłu.

Dynamiczny wzrost zainstalowanej mocy spowodował szybki spadek cen ogniw fotowoltaicznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5 USD/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3 USD/wat[15], w marcu 2015 roku 0,28-0,36$/wat[16], w grudniu 2019 roku 0,08-0,16$/wat[17].

W ekonomice energetyki słonecznej ważny jest aspekt zapewniania maksymalnej wielkości wyprodukowanej energii w najwyższych letnich „pikach” jej zużycia, związanych z masowym wykorzystaniem klimatyzacji, gdy energia w systemie energetycznym jest najdroższa. W ten sposób energia słoneczna zapobiega tzw. letnim „blackoutom”.

W 2012 roku, mimo ograniczenia finansowego wsparcia dla sektora solarnego, w Niemczech zainstalowano rekordową moc ogniw słonecznych – 7600 MW, dając całkowitą moc 32 000 MW dla tego źródła odnawialnego[18][19]. W Unii Europejskiej instalacje solarne w Hiszpanii, południowych Włoszech, Holandii i w Niemczech osiągają już parytet sieci, czyli stają się konkurencyjne wobec energetyki konwencjonalnej[20][21]. W kolejnych latach, ze względu na spadek cen energii odnawialnej, parytet sieci będzie obejmował kolejne kraje UE.

Zobacz też

Przypisy

  1. a b Annual Solar Photovoltaics Production by Country, 1995-2010. Earth Policy Institute, 2011-10-27. [dostęp 2011-10-30]. (ang.).
  2. BNEF: Clean energy investment in 2014 beats expectations: Surges in solar investment in China and the US helped to drive the global total up 16% to USD 310 billon
  3. 2014 – dobry rok dla energetyki odnawialnej na świecie, reo.pl. [dostęp 2015-03-29]. [zarchiwizowane z tego adresu (2015-09-19)].
  4. a b c d BP Statistical World Energy Review, BP, 20 czerwca 2019 [dostęp 2019-06-20] (ang.).
  5. Growth of Global Solar and Wind Energy Continues to Outpace Other Technologies
  6. a b Energy flow charts. Global Climate & Energy Project. [dostęp 2012-10-16]. (ang.).
  7. Watching your heat budget. NASA. [dostęp 2012-02-09]. [zarchiwizowane z tego adresu (28 stycznia 2012)]. (ang.).
  8. a b Natural Forcing of the Climate System. UNEP GRID-Arendal. [dostęp 2012-02-09]. [zarchiwizowane z tego adresu (4 marca 2016)]. (ang.).
  9. Annual Solar Irradiance, Intermittency and Annual Variations. Green Rhino Energy. [dostęp 2014-10-29]. (ang.).
  10. Zdzisław Kusto, Politechnika Gdańska: Wykorzystanie energii słonecznej. [dostęp 2009-01-07]. [zarchiwizowane z tego adresu (2009-04-07)].
  11. Energy conversion by photosynthetic organisms. FAO. [dostęp 2012-02-09]. (ang.).
  12. Fotowoltaika będzie najtańszym źródłem energii w ciągu 10 lat. odnawialnezrodlaenergii.pl. [dostęp 2015-03-29].
  13. a b Geoffrey Carr: Sunny Uplands: Alternative energy will no longer be alternative. The Economist, 2012. [dostęp 2012-12-28].
  14. Pricing Sunshine. The Economist, 2012. [dostęp 2012-12-28].
  15. Solar module pricing. solarbuzz.com. [dostęp 2012-02-14]. [zarchiwizowane z tego adresu (8 grudnia 2012)]. (ang.).
  16. EnergyTrend.com (ceny średnie) marzec 2015. Cleantechnica. [dostęp 2015-03-29]. (ang.).
  17. Solar Price, Cell (Per Watt). EnergyTrend. [dostęp 2019-12-23]. (ang.).
  18. Germany Installed Record Amount Of Solar Power In 2012, 7.6 GW Of New Capacity. Cleantechnica. [dostęp 2013-01-14]. (ang.).
  19. Zaskakujące wyniki rynku fotowoltaicznego w Niemczech w 2012 r.. Gram w zielone. [dostęp 2013-01-14].
  20. Solar grid parity comes to Spain. Forbes, 2012. [dostęp 2013-02-14].
  21. Grid parity within reach in Europe, says consortium. 2012. [dostęp 2013-02-14].

Linki zewnętrzne

Media użyte na tej stronie

Flag of the United States.svg
The flag of Navassa Island is simply the United States flag. It does not have a "local" flag or "unofficial" flag; it is an uninhabited island. The version with a profile view was based on Flags of the World and as a fictional design has no status warranting a place on any Wiki. It was made up by a random person with no connection to the island, it has never flown on the island, and it has never received any sort of recognition or validation by any authority. The person quoted on that page has no authority to bestow a flag, "unofficial" or otherwise, on the island.
Flag of India.svg
The Flag of India. The colours are saffron, white and green. The navy blue wheel in the center of the flag has a diameter approximately the width of the white band and is called Ashoka's Dharma Chakra, with 24 spokes (after Ashoka, the Great). Each spoke depicts one hour of the day, portraying the prevalence of righteousness all 24 hours of it.
Flag of Canada (Pantone).svg
Flag of Canada introduced in 1965, using Pantone colors. This design replaced the Canadian Red Ensign design.
Flag of Thailand.svg
The national flag of Kingdom of Thailand since September 2017; there are total of 3 colours:
  • Red represents the blood spilt to protect Thailand’s independence and often more simply described as representing the nation.
  • White represents the religion of Buddhism, the predominant religion of the nation
  • Blue represents the monarchy of the nation, which is recognised as the centre of Thai hearts.
Flag of Chile.svg
Łatwo można dodać ramkę naokoło tej grafiki
Flag of Israel.svg
Flag of Israel. Shows a Magen David (“Shield of David”) between two stripes. The Shield of David is a traditional Jewish symbol. The stripes symbolize a Jewish prayer shawl (tallit).
Flag of Portugal.svg
Flag of Portugal, created by Columbano Bordalo Pinheiro (1857-1929), officially adopted by Portuguese government in June 30th 1911 (in use since about November 1910). Color shades matching the RGB values officially reccomended here. (PMS values should be used for direct ink or textile; CMYK for 4-color offset printing on paper; this is an image for screen display, RGB should be used.)
Flag of Malaysia.svg
Flag of Malaysia – Jalur Gemilang (Stripes of Glory)
Flag of Finland.svg
Flaga Finlandii
Solar land area.png
Autor: Mlino76, Licencja: CC BY 2.5
Kolory na mapie obrazują średnie miejscowe nasłonecznienie za lata 1991÷1993, przez 24 godziny na dobę, z uwzględnieniem zachmurzenia wg pomiarów satelitarnych. Obszary zaznaczone czarnymi punktami mogłyby dostarczyć teoretycznie więcej energii, niż wynosi całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną na świecie w 2007 roku (przyjmując efektywność konwersji na poziomie 8%). To znaczy, że cała współcześnie zużywana przez ludzkość energia – wliczając węgiel, ropa, gaz ziemny, jądrowa i wodna – mogłaby zostać wytworzona w postaci prądu przez ulokowane tam ogniwa słoneczne.
Available Energy-pl.svg
Useful energy (exergy) in surface incident solar radiation, wind, hydro and geothermal[1] compared to global consumption - Energy Information Administration (in 2004, 447.605 Quadrillion btu/yr = 14.965 x 10^12 Watts)[2]
Giant photovoltaic array.jpg
Nellis Solar Power Plant located within Nellis Air Force Base, northeast of Las Vegas, Nevada, United States. The power plant occupies 140 acres, contains about 70,000 solar panels and generates 14 megawatts of solar power for the base.
Solar hot water panels, Santorini.jpg
Autor: Stan Zurek, Licencja: CC-BY-SA-3.0
Solar panels for water heating on top of a hotel in Perissa, Santorini, Greece.
Solarplant-050406-04.jpg
Autor: Alan Radecki Akradecki, Licencja: CC BY-SA 3.0
Solar Energy Generating Systems solar power plants III-VII at Mojave Desert, California
PS20andPS10.jpg
Autor: Koza1983, Licencja: CC BY 3.0
PS20 and PS10 in Andalusia, Spain
Solar cell.png
Solar cell
EU-PV-LCOE-Projection.png
Autor: S-kei, Licencja: CC0
European PV LCOE range projection 2010-2020
  • Includes from residential to MW-scale size segments
  • Includes crystalline silicon and thin film technologies
  • Reflects differences in national irradiation, operation costs
  • Includes VAT for residential segment
Poczta Główna od Brdy b.jpg
Autor: Pit1233, Licencja: CC0
Tramwaj wodny w Bydgoszczy przed budynkiem Poczty Głównej
Solar panels on house roof.jpg
Autor: Gray Watson User:E090, Licencja: CC BY-SA 3.0
Photovoltaic solar cell panels on the roof of a house near Boston Massachusetts.