Odnawialne źródła energii cz.1 - energetyka słoneczna
Każde dziecko wie, że w związku z coraz gorszym stanem środowiska, oraz wyczerpywaniem się zapasów paliw kopalnych, od kilkudziesięciu lat świat dąży do rozwoju energetyki alternatywnej, której największą gałęzią są OZE, czyli odnawialne źródła energii. Jako, że do 2020 roku Polska zobowiązała się pozyskiwać aż 15% energii ze źródeł odnawialnych, warto przyjrzeć się tej gałęzi energetyki, poszczególnym rozwiązaniom, oraz nadzieja nauki na przyszłość.
Stara nowość
Mimo że pomysł uzyskiwania energii bezpośrednio ze słońca uznawany jest za nowość, nie jest to prawdą. Już starożytni Grecy i Rzymianie starali się budować domy pod takim kątem by jak najmniej drewna potrzebne było na ogrzanie pomieszczeń. W podobny "naturalny" sposób ludzkość wspomagała się słońcem przez następne parę tysiącleci, aż do wieku XIX, kiedy to wielu ludzi nauki zaczęło badać energię słoneczną i efekt fotowoltaniczny. Jeden z nich, Auguste Mouchout w 1861 skonstruował silnik parowy napędzany energią słoneczną, niedługo potem zaś z sukcesem skonstruował pierwszą baterię słoneczną. Niestety to odkrycie nie rozpoczęło rewolucji technologicznej, ani nawet lawiny badań nad tą technologią. Powodem okazały się koszta badań i produkcji, co w połączeniu z brakiem potrzeby poszukiwań alternatywy dla paliw kopalnych, doprowadziło do uznania metody za nieekonomiczną.
Nie oznacza to jednak że zaprzestano eksperymentów nad wykorzystaniem energii słonecznej całkowicie. Za badania nad efektem fotoelektrycznym Albert Einstein uzyskał w 1921 roku nagrodę nobla. To doprowadziło do poszerzenia możliwości poznawczych dotyczącymi energetyki słonecznej, której rewolucyjny okres przypadł na przełom lata 40 i 50 XX wieku. Własnie wtedy Maria Telkes pracowała nad konwersją fototermiczną, pojawił się pierwszy napędzany energią słoneczną samochód "Sunmobile", a wystrzelony w kosmos satelita Vanguard 1C posiadał nadajnik radiowy zasilany sześcioma bateriami słonecznymi. Niestety, to wszystko ciągle traktowano jako ciekawostki, których ze względu na koszty nie brano pod uwagę w kontekście masowego użycia. Dopiero kryzys naftowy w latach 70tych spowodował dostrzeżenie przez rządzących oraz przedsiębiorców, potrzeby znalezienia alternatywy dla paliw kopalnych, co zwróciło ich uwagę na OZE, w tym także energetykę słoneczną.
Silnik Augusta Mouchouta
Słońce - Wielka bateria
Gwiazda oświetlająca Ziemię, jest z naszego ludzkiego punktu widzenia, niewyczerpanym źródłem energii. Wedle wyliczeń naukowców, mimo że aż 70% docierającej do nas energii słonecznej, odbija się z powrotem do kosmosu, gdybyśmy posiedli technologię będąca w stanie przetwarzać i magazynować pozostałe 30% bez żadnych strat, roczne światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną pokryto by w 40 minut. Niestety dostępne obecnie metody są znacznie mniej skuteczne.
Najpopularniejsze obecnie, są ogniwa fotowoltaniczne, zbudowane z półprzewodników. Zasada działania ogniw oparta jest na zjawisku fotoelektrycznym, zachodzącym pod wpływem światła wewnątrz struktury półprzewodnikowej. Jako że moc pojedynczego ogniwa wynosi zwykle około pół Volta, łączy się wiele sztuk w gotowe do użycia baterie słoneczne. Mimo znacznie wyższych kosztów w porównaniu do innych sposobów pozyskiwania energii na skalę masową, fotowoltaniki zyskują na popularności. Jest to zasługą ich mobilności oraz liniowej zależności kosztu od wielkości dostarczanej energii. Dzięki temu bardzo dobrze nadają się one do zasilania małych urządzeń przenośnych, pojazdów czy budowli wzniesionych w trudno dostępnych miejscach oraz urządzeń umieszczonych w przestrzeni kosmicznej.
Ogniwa fotowoltaiczne
Ilość użycia ogniw słonecznych w naszym otoczeniu rośnie z roku na rok. W krajach dominujących w rozwoju energetyki alternatywnej (Niemcy, USA) powstały już pierwsze elektrownie słoneczne wytwarzające prąd taką własnie metodą, a montowanie ich w roli wspomagającej stało się już dosyć powszechną praktyką. Niestety, w obecnej postaci mają one sporo wad. Pierwszą i najbardziej hamującą rozwój, jest ich niska efektywność, co przeszkadza zwłaszcza w opracowaniu środków transportu mogących w pełni polegać na tej technologii. Z tego własnie powodu, mimo że od pierwszego samochodu napędzanego energią słoneczną dzieli nas ponad 50 lat, zaś od pierwszego samolotu (Solar Challenger) równo 30, nauka ciągle nie potrafi opracować wehikułów mogących osiągnąć prędkość i efektywność porównywalną z tej do której przyzwyczaiły nas pojazdy spalinowe. Dodatkową wadą są szkodliwe materiały takie jak kadm, arsen, selen czy tellur z których wykonane są baterie słoneczne.
Obok fotowoltaniki popularną metodą pozyskiwania energii jest konwersja fototermiczna, czyli przetwarzanie promieniowania słonecznego, na energie cieplną za pomocą kolektorów słonecznych. Wykorzystać można je do dodatkowego ogrzewania domów, ogrzewania wody czy nawet zasilania klimatyzacji. Dobrze zainstalowana instalacja potrafi zaoszczędzić, nawet do 70% energii koniecznej do podgrzania wody użytkowej oraz 30% energii do centralnego ogrzewania. Na dodatek droższe kolektory próżniowe, wychwytują także promieniowanie rozproszone które przebija się przez chmury, pozwalając na działanie instalacji cały rok. Dostępność tej technologii jest na tyle duża(w czym w wielu krajach pomagają dodatkowe dofinansowania), że coraz częściej obok przedsiębiorstw, wspomagają się nią prywatne domostwa.
Kolektory słoneczne zamontowane na dachu domku jednorodzinnego
Pieśń przyszłości
Przyszłość energetyki słonecznej jest obecnie zagadką, jednak na horyzoncie już teraz pojawiło się parę projektów które mają szansę na znaczne powiększenie jej atrakcyjności.
Pierwszą opcją jest oczywiście wspomniany już wcześniej rozwój fotowoltaniki. Nowe ogniwa zbudowane z polimerów lub w przyszłości innych związków organicznych umożliwią zarówno spadek cen produkcji, jak i wzrost efektywności. Jeśli uda się poprawić także wydajność przy niewielkim naświetleniu lub nieoptymalnym kącie nachylenia, otrzymamy technologię która znajdzie szerokie zastosowanie w transporcie i budownictwie.
Inną dostępną ewentualnością, jest przetworzenie uzyskanego ciepła na energię elektryczną za pomocą słonecznych elektrowni cieplnych. Na chwilę obecną szczególnie obiecujące wydaja się trzy metody.
Pierwszą jest technologia układów rynnowych, które skupiają energię w wielu podłużnych lustrach o parabolicznym kształcie, przekazując ją następnie do wymienników ciepła w których płynie ciecz. Podgrzana ciecz wytwarza parę wodną która napędza generator prądu elektrycznego. Technologia ta już działa w paru elektrowniach słonecznych na świecie.
Drugą możliwością jest wykorzystanie silnika Stirlinga, który przetwarza energię cieplną na energię mechaniczną, bez procesów wewnętrznych takich jak spalanie które zachodzą w normalnym silniku. Połączony z układem luster skupiającym promienie słoneczne, napędza on generatory prądu Wedle przewidywań naukowców oraz przeprowadzonych testów sprawność konwersji promieniowania słonecznego na energię elektryczną wynosi do 30% co jest sporym krokiem w przód.
Ostatnią wypróbowaną z sukcesem technologią opartą na konwersji fototermicznej są układy luster z centralną wieżą. Proces działania jest prosty - wszystkie zwierciadła na dużym obszarze odbijają światło w kierunku wieży w której zmagazynowana jest substancja dobrze przyjmująca ciepło. Nagrzana ciecz wydziela parę wodną która tak jak w poprzednich metodach napędza silniki połączone z generatorami prądu.
Mimo że te metody znacząco poprawią wydajność energetyki słonecznej, nie stanie się ona podstawowym rodzajem energii dopóki nie poradzimy sobie z wysokimi kosztami, zmniejszeniem zależności od zmian pogodowych oraz efektywnym magazynowaniem energii. Jedno jest pewne - to jest własnie energia przyszłości oferująca ogromne źródło elektryczności bez efektów ubocznych dla środowiska. Kto wie, może jeszcze za naszego życia nauka zrealizuje największe i najambitniejsze projekty, takie jak masowe uzyskiwanie energii w procesie sztucznej fotosyntezy lub zainstalowanie ogromnych baterii słonecznych w kosmosie?
Układ paraboliczny z elektrowni Nevada solar one
P.S. Dalszy ciąg cyklu jak zwykle zależy od was
4 komentarze
Rekomendowane komentarze