Obecnie obserwuje się wzrost globalnego zapotrzebowania na energię. Ograniczenie głównych źródeł energii, takich jak ropa naftowa czy węgiel, przyczynia się do poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Paliwa kopalne mają szkodliwy wpływ na równowagę środowiska naturalnego. Konsekwencją tego jest zanieczyszczenie powietrza oraz wzrost efektu cieplarnianego, którego skutkiem są gwałtowne zjawiska atmosferyczne: powodzie, tornada i huragany. Zanieczyszczenia, wynikające z produkcji energii „konwencjonalnymi” metodami, prócz degradacji środowiska naturalnego powodują pojawianie się nowych chorób cywilizacyjnych. Jednym z wyzwań XXI wieku jest rozwój technologii bazujących na odnawialnych źródłach energii.
Dziś energia słoneczna jest jedną z najszybciej rozwijających się technologii energetycznych oraz jednym z najszybciej rozwijających się przemysłów na świecie. Technologie energii słonecznej bazują na wykorzystaniu energii cieplnej do celów grzewczych, a także wykorzystują promieniowanie słoneczne do produkcji energii elektrycznej. Energia pochodząca z promieni słonecznych jest szeroko wykorzystywanym i coraz bardziej docenianym Odnawialnym Źródłem Energii. Powszechność tego źródła energii odnawialnej związana jest nie tylko z rozwojem innowacyjnych rozwiązań, ale także z licznymi programami wsparcia, pozwalającymi na pozyskanie dofinansowania na budowę tego typu instalacji. Duże znaczenie ma także rosnąca świadomość ekologiczna społeczeństw oraz wzrost cen energii konwencjonalnej. Postęp technologiczny, jaki dokonuje się w ostatnich latach pozwala na wykorzystanie tego źródła energii nie tylko w Hiszpanii czy Francji, ale także w Niemczech, Czechach i Polsce, a według niektórych ekspertów w niedalekiej przyszłości także w krajach skandynawskich i na dalekiej Syberii. Nie trudno jednak napotkać opinie całkowicie sprzeczne, stwierdzające, że w większości państw Unii Europejskiej nie ma odpowiednich warunków do budowy elektrowni słonecznych. Zgoda istnieje co do faktu, że w Europie z powodzeniem można wykorzystywać energię Słońca do ogrzewania budynków i wody użytkowej.
Fotowoltaika w nowoczesnej architekturze – bez technicznych i estetycznych ograniczeń stosowania (fot. ERTEX SOLAR)
Najczęściej spotykane sposoby wykorzystania energii słonecznej to:
- ogniwa słoneczne (fotowoltaika) – pozwala przekształcić energię słoneczną na energię elektryczną przy wykorzystaniu specjalnych baterii słonecznych;
- instalacje solarne – umożliwiają produkcję energii cieplnej. Ich wykorzystanie pozwala ogrzać budynki lub wodę. Z reguły stanowią one zespół dobranych do siebie urządzeń, takich jak: kolektory słoneczne, panele sterująco-zabezpieczające i pojemnościowe zasobniki wody użytkowej lub zasobniki buforowe z przepływowymi wymiennikami ciepła.
Stacja metra częściowo zasilana energią słoneczną
(...)
Przez lata koszty pozyskiwania energii z promieni słonecznych były wielokrotnie wyższe niż w przypadku innych źródeł. W związku z tym, przez długi czas technika ta była stosowana jedynie tam, gdzie ich wykorzystanie było bardzo utrudnione lub niemożliwe, na przykład w:
- małych urządzeniach przenośnych, jak zegarki elektroniczne i kalkulatory;
- miejscach, gdzie doprowadzenie linii elektrycznej było trudne lub drogie, np. mocno oddalone od siebie budynki, fotoradary czy oświetlenie znaków drogowych.
Wraz z pojawieniem się na rynku nowych rozwiązań, takich jak łączenie tradycyjnych źródeł energii z energią słoneczną, energia pozyskiwania z promieni stawała się coraz bardziej powszechna, a co za tym idzie coraz tańsza. Zgodnie z aktualnymi prognozami, ceny energii słonecznej w Chinach zrównają się z cenami wytwarzania energii elektrycznej. Zaletami energii słonecznej niewątpliwie są:
- małe koszty eksploatacji,
- powszechna dostępność,
- brak negatywnych konsekwencji dla środowiska podczas eksploatacji,
- możliwość uniezależnienia się od lokalnych dostawców energii.
Na niekorzyść tego rodzaju energii działa natomiast fakt, że:
- koszty instalacji systemów solarnych są wysokie,
- funkcjonowanie systemu jest silnie uzależnione od panujących warunków atmosferycznych (nasłonecznienia),
- nie ma ciągłości dostaw (np. w nocy produkcja energii ustaje).
Różne rodzaje moduł.w fotowoltaicznych (fot. ERTEX SOLAR)
W centrum Londynu znajduje się most kolejowy Blackfriars, na którym zlokalizowana jest także stacja o tej samej nazwie. Stacja zasilana jest częściowo energią słoneczną dzięki zainstalowanym na dachu panelom prądotwórczym. Modernizacja mostu połączona z instalacją 4,4 tys. paneli fotowoltaicznych trwała ponad cztery lata. Pomimo tak dużej skali projektu, energia słoneczna pozyskiwana dzięki panelom zapewniać będzie maksymalnie połowę energii elektrycznej potrzebnej do zasilania stacji i oświetlenia mostu. Pozwoli to jednak na zmniejszenie emisji CO2 o około 511 ton rocznie. Most ma być obecnie jedną z wizytówek brytyjskiej stolicy od lat dbającej o swój wizerunek miasta stawiającego na ekologię.
Most słoneczny, stacja metra „Blacfriars”, Londyn
Jednym z najistotniejszych czynników, które mają wpływ na sprawność ogniwa, jest odbicie światła od jego powierzchni. Efekt zminimalizowania współczynnika odbicia uzyskuje się np. poprzez nakładanie warstwy antyrefleksyjnej (ang. ARC – antireflective coating) na powierzchnię ogniwa [1]. Nowe podejście opracowane w Massachusetts Institute of Technology (USA) sugeruje że energię z promieni słonecznych można generować jeszcze skuteczniej. Można zwiększyć wydajność pozyskiwania energii słonecznej poprzez ogrzewanie materiału w wysokiej temperaturze, promieniowanie podczerwone będzie następnie zebrane za pomocą konwencjonalnego ogniwa fotoelektrycznego. Technika ta może również ułatwić przechowywanie energii do późniejszego wykorzystania, twierdzą naukowcy. Proces ten jest opisany dokładniej w artykule opublikowanym w amerykańskim czasopiśmie, którego autorami są doktorant Andrej Lenert, profesor inżynierii mechanicznej Evelyn Wang oraz doktor Nenad Miljkovic. Ogniwa konwencjonalne na bazie krzemu „nie korzystają z wszystkich fotonów”, wyjaśnia profesor Wang. Zespół naukowców wprowadził dwuwarstwowe urządzenia absorber-emiter, wykonane z nowych materiałów, w tym nanorurek węglowych i kryształów fotonicznych. Ogniwa słoneczne termowoltaiczne (ang. Solar Thermo Photo Voltaic – STPV) są w kręgu zainteresowań badaczy od kilku lat. Wcześniejsze próby wskazywały jednak na niską wydajność takich urządzeń. Dopiero nowe rozwiązanie może stanowić sposób na ominięcie teoretycznego limitu efektywności konwersji energii w półprzewodnikowych urządzeniach fotowoltaicznych. Konstrukcja dwuwarstwowego materiału absorber-emiter jest kluczem do tego ulepszenia. W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali symulowane światło słoneczne.
Profesor Inżynierii Mechanicznej Evelyne Wang (w środku), asystent dr Nenad Miljkovic (po lewej) oraz doktorant Andrej Lenert (po prawej) wraz z nowym ogniwem słonecznym w laboratorium w MIT (USA)
dr inż. Magdalena Osiadły
Źródła:
[1] B. Swatowska: Struktury cienkowarstwowe na bazie krzemu do zastosowań w ogniwach krzemowych. Rozprawa doktorska, Katedra Elektroniki AGH, Kraków 2006
http://web.mit.edu/
https://www.youtube.com/watch?v=P8-8FveMieM&featu
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacji: Świat Szkła 6/2014
