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 spalenia jednej trzeciej litra benzyny.

Montaż modułów fotowoltaicznych na dachu domu

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 w specjalnych zbiornikach umieszczonych na dachach zwanych kolektorami. 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. W Niemczech planuje się w bieżącym dziesięcioleciu zainstalować systemy fotowoltaiczne na 100 tysiącach dachów, w Unii Europejskiej (nie licząc Niemiec) 400 tysięcy, w Japonii 700 tysięcy, a w Stanach Zjednoczonych ponad milion takich urządzeń.
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.
We Francji wielki piec przemysłowy w Mont Louis ogrzewany jest przez wielopiętrową konstrukcję małych reflektorów, odpowiednio ustawionych, tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia uzyskuje się temperaturę około 3000 ^oC, 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.
Istnieje 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 przedmioty oraz żywe istoty.

Bariera potencjału

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 tzw. 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

Budowa baterii słonecznej

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 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.


W Australii już być może w tym roku ruszy budowa potężnej elektrowni słonecznej. Rząd Australii jest szczególnie wyczulony na sprawę ochrony środowiska. Od 2001 r. skupuje energię ze źródeł odnawialnych po korzystnych dla producentów cenach i udziela im preferencyjnych kredytów. Przed rokiem 2010 dziesięć procent energii produkowanej w Australii ma pochodzić ze słońca, wiatru i wody (dziś jest to siedem procent).

Zasada działania "Wieży Słońca"

Pomysł jest niezwykły. Zbudowana będzie potężna wieża o wysokości jednego kilometra na środku gigantycznej szklarni w kształcie koła o średnicy siedmiu kilometrów. Lekko spadzisty dach umieszczony kilka metrów nad ziemią zasłoni powierzchnię 3800 hektarów. Szklarnia będzie otwarta, bez zewnętrznych ścian na brzegach koła, co zapewni swobodny przepływ powietrza. Obiekt nazwano "Wieżą Słońca". Ze względu na zachęty ekonomiczne rządu, silne słońce i brak trzęsień ziemi, australijskie pustkowia są idealną lokalizacją. Koszt wzniesienia elektrowni szacuje się na 350 mln dolarów.
Pomysł powstał pod koniec lat siedemdziesiątych. Jego autorem jest niemiecki inżynier, profesor Jörg Schlaich. W latach osiemdziesiątych jego firma, przy współudziale rządu Hiszpanii, wybudowała w Manzenares w Kastylii prototyp Wieży Słońca. Komin niedaleko Madrytu jest pięć razy niższy od australijskiego, a szklarnia zajmuje "tylko" 4 hektary. To przesądza o czysto eksperymentalnym charakterze elektrowni. Osiągając śmiesznie niską moc 50 kilowatów, pracowała ona do roku 1989. Technologia słonecznego komina będzie dopiero efektywna, dopiero gdy jego rozmiary są ogromne. Dlatego tak duże rozmiary obiektu.
Zasada działania wieży jest prosta. Opiera się na tym, że ciepły gaz jest lżejszy od zimnego i unosi się ku górze. Słońce ogrzeje powietrze w szklarni do temperatury o 30-40^oC wyższej niż na zewnątrz. To spowoduje ruch powietrza do środka, w stronę betonowego komina o średnicy 130 m, który niczym odkurzacz samorzutnie zassie je do góry. Hulający pod szklanym dachem wiatr osiągnie prędkość 50 km na godzinę. Napędzać będzie 32 turbiny o mocy 6,5 megawata każda. Turbiny przetworzą energię mechaniczną na elektryczną.
Wieża Słońca będzie wytwarzać 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 wystarczy do podtrzymania pracy megaodkurzacza. Oczywiście na niższych obrotach niż w południe, ale nocą maleje zapotrzebowanie na prąd.
Wieża Słońca będzie mieć ogromną zaletę - nie wyemituje ani grama zanieczyszczeń. Z drugiej strony Wieża 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 Wieża zniweluje straty, jakie środowisko poniesie przy jej wznoszeniu.

---

« Poprzednia  Następna »