Najważniejszym źródłem energii dla Ziemi jest jego słońce. Bez niego nasz świat nie miał by prawa istnieć. Każda komórka rośliny zielonej istnieje dzięki procesowi asymilacji energii słonecznej zawartej w fotonach. Od samożywnych organizmów zaczyna się każdy łańcuch pokarmowy ? a w zasadzie, z małymi wyjątkami, organizmy samożywne to właśnie rośliny fotosyntezujące. Gdyby nie słońce wody tej planety były by zawsze w uwięzione w postaci lodu. To dzięki słońcu istnieje ropa, gaz, węgiel i energia wiatrów. Słońce jest potężnym reaktorem dającym energię Ziemi ? bez niego Ziemia by zgasła. Potencjał energii Słońca. Ludzie już dawno dostrzegli możliwość praktycznego wykorzystania energii, jaką niosą ze sobą promienie słoneczne. Już 400 lat p.n.e. Grecy wykorzystywali promienie słoneczne skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą do rozniecania ognia. Około 30% energii słonecznej docierającej do Ziemi jest odbijana przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 50% dociera do powierzchni ziemi. Te "zaledwie" 50% to aż 27.000.000.000 MW, przy czym należy zaznaczyć że zapotrzebowanie ludzkości w energie ( nie tylko elektryczna, również mechaniczna i cieplna ) wynosi 0,01*1.000.000.000 MW. Energii ta jest praktycznie nie do wyczerpania, a jej pozyskiwanie jest nie szkodliwe dla środowiska. Niestety źródło to ma wadę. Aby zaopatrzyć całą Ziemie w energię pochodzenia słonecznego należałoby pokryć 745.000 km2 Jej powierzchni panelami fotowoltaicznymi. Jest to 0.5% całej powierzchni lądów. Uśredniony w szerokościach geograficznych, porach roku itp. strumień energii słonecznej na powierzchni Ziemi wynosi około 164 W/m2. Jest to dobowa wartość średnia. Jeżeli uwzględnić tylko 8- godzinny ?dzień pracy" Słońca, od 8 rano do 4 po południu, to dla miejscowości na szerokości geograficznej 40 o wspomniana wartość ta wyniesie około 600 W/m2. W ciągu ?dnia pracy" Słońce dostarczy wtedy 4.8 kWh/m 2 , co odpowiada mniej wię cej energii 0.5 l benzyny na m 2 na dzień. Oczywiście, nieco większa jest ta wartość latem, a mniejsza zimą. No i, oczywiście, nocą nie otrzymujemy nic z owej darmowej energii. Sposoby wykorzystania energii słonecznej. Istnieją 2 podstawowe metody wykorzystania energii słonecznej. Przemiana w energię elektryczną, przemiana w energię cieplną. Przemiana w energię elektryczną. Energia słoneczna może być przekształcona w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych. Małe baterie słoneczne zasilają nasze kalkulatory, zegarki, zabawki, radia czy nawet przenośne telewizory. Dużą uwagę przywiązuje się obecnie do wykorzystania ogniw fotowoltaicznych w systemach wolnostojących, montowanych na obszarach oddalonych od sieci elektrycznej. Takie rozwiązania stosuje się do zasilania urządzeń automatycznych takich jak: telefony awaryjne na autostradach, boje nawigacyjne, latarnie morskie, stacje meteorologiczne i telekomunikacyjne. Bateriami słonecznymi zasilane są urządzenia pokładowe w satelitach telekomunikacyjnych, badawczych, wojskowych. W krajach o dużym nasłonecznieniu, które leżą na trudnym terenie, bez możliwości dostarczania do elektrowni węgla, światło słoneczne jest często jedynym źródłem energii. W Polsce energia może być przetwarzana na prąd i ciepło przez instalacje zamontowane na dachach budynków lub w miejscach zabudowanych. Takie warunki istnieją na ok. 0,5% powierzchni Polski. Natomiast ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są głównie w urządzeniach nawigacyjnych na Morzu Bałtyckim. Zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi (PV) szybko wzrasta na świecie ze względu na to, że przetwarzają one promieniowanie słoneczne bezpośrednio na energię elektryczną, bez ubocznej produkcji zanieczyszczeń, hałasu i innych czynników wywołujących niekorzystne zmiany środowiska. Produkcja modułów fotowoltaicznych, drugiego (16,8%) najszybciej rosnącego odnawialnego źródła energii w latach 1990 - 98 zwiększała się średnio o 25% rocznie. W 1998 wyniosła ona 152 MWp (przyrost o 30% względem 1997), a w 1999 spodziewane jest, że produkcja osiągnie poziom 200 MWp. Nie jest opłacalne budowanie wielkich powierzchniowo zespołów ogniw fotowoltaicznych , ze względu na koszty transportu energii i dbałości o takie konstrukcje. Rozwiązaniem tego problemu jest rozmieszczenie paneli na dachach budynków które mają one zaopatrywać w energie. Przemiana w energię cieplną Energii promieniowania słonecznego nie musimy jednak przetwarzać tylko w energie elektryczną. Istnieje również możliwość wykorzystywania tej energii w sposób pasywny. Polega to na zastosowaniu takiej architektury domu (lub innego budynku ), aby wpuścić do pomieszczenia maksymalnej ilości światła bądź ciepła w takiej formie w jakiej występują. Dzięki temu zbędne są skomplikowane urządzenia i instalacje przetwarzające energie słoneczną w prąd elektryczny lub ciepło. Jest to pasywna metoda wykorzystania energii słonecznej, jest ona najprostsza i przez to niezawodna i względnie tania. Drugim sposobem uzyskania energii cieplnej ze słońca są tzw. kolektory słoneczne. Zasada ich działania jest prosta ? wewnątrz przezroczystej konstrukcji przepływa wymiennik ciepła, promienie docierają do niego i są przekształcone w jego ciepło ( dzięki różnym mechanizmom tj. specjale membrany ) . Energia słoneczna może być przetwarzana w kolektorach wodnych i powietrznych w ciepło służce do: * ogrzewania mieszkań - pomieszczeń produkcyjnych, obiektów sportowych, szkół, ośrodków kultury * podgrzewania wody w gospodarstwach domowych, rolnych, basenach, zakładach przemysłowych * suszenia: ziarna zbóż, tytoniu, nasion, owoców, ziół, grzybów (kolektory powietrzne) Wykorzystanie i plany na przyszłość. Łączna produkcja energii ze słońca od 1980 r. wynosi obecnie 800 MW. Około 50% rynku światowego jest ulokowana w zastosowaniach nie podłączonych do sieci elektroenergetycznej, takich jak telefony awaryjne, stacje telekomunikacyjne, pompy wody, itp., gdzie jedyną alternatywą są kosztowne systemy z generatorami dieslowymi. Zastosowania w urządzeniach powszechnego użytku, takich jak zegarki, kalkulatory, itp. wykorzystują 20% zainstalowanej mocy. Jednakże obecny gwałtowny wzrost produkcji związany jest z zastosowaniami w budownictwie (pozostałe 30%). Systemy fotowoltaiczne mają ogromny potencjał do zasilania urządzeń na obszarach nie podłączonych jeszcze do sieci elektroenergetycznej (ok. 2 mld ludzi na świecie nie ma dostępu do prądu elektrycznego). Ocenia się, że ok. 500 tysięcy gospodarstw domowych na całym świecie korzysta obecnie z systemów fotowoltaicznych do pokrycia większości lub całości swojego zapotrzebowania na energię elektryczną. Rząd japoński ma bardzo ambitne plany, które spowodowały silny rozwój PV w ostatnich dwóch latach. Dzięki nowemu prawu dotyczącemu zakupu energii i 50% dotacji rządowej zainstalowano 9,400 systemów w 1997 r. i ok. 14,000 w 1998 r. Japoński program spowodował, że produkcja modułów PV wzrosła 2,5-krotnie w ostatnich dwóch latach do prawie 50 MWp rocznie. Cele programu koordynowanego przez Ministerstwo Handlu i Przemysłu (MITI) jest instalacja ponad 70,000 dachowych systemów PV do roku 2000. Zakłada się, że te systemy słoneczne staną się całkowicie konkurencyjne do roku 2001, w którym to roku zamierza się znieść bezpośrednie dotacje do programu. W ostatnich latach duży nacisk, szczególnie w krajach wysoko uprzemysłowionych, kładziony jest na rozwój systemów fotowoltaicznych podłączonych do sieci elektroenergetycznej, ponieważ zapewniają one najwyższy potencjał na długofalową redukcję zużycia paliw kopalnych i zmniejszenie emisji dwutlenku węgla. W Niemczech, po sukcesie programu 1000 słonecznych dachów realizowanego w latach 1991-1995 (do 1995 r. zainstalowano 2200 instalacji o łącznej mocy 5,3 MW). Rząd federalny ogłosił w końcu 1998 r. program 100.000 dachów. Szybki rozwój fotowoltaiki w Niemczech wynika z dotacji rządowych i wysokiej ceny zakupu energii elektrycznej przez zakłady energetyczne. Wykorzystując obecny boom budowlany w Berlinie zainstalowano systemy fotowoltaiczne w Parlamencie, Ministerstwie Gospodarki, stacji kolejowej i budynkach mieszkalnych. W Monachium na dachu hali targowej zainstalowano system o mocy 1 MW. Gwałtowny wzrost rynku na systemy fotowoltaiczne oraz Protokoł z Kioto przyśpieszyły inwestowanie w technologie słoneczne w ostatnich dwóch latach. Kilka dużych koncernów energetycznych (Canon, British Petrolium, Shell) zwiększyło inwestycje w tej dziedzinie. Nowe linie produkcyjne są uruchomiane przez firmy Kyocera (największy producent światowy) w Japonii, Photowatt we Francji, Siemens i Solarex w USA, BP w Australii i Indiach. Shell Solar buduje największą (25 MW/rok) fabrykę modułów fotowoltaicznych w Niemczech. W Kalifornii na pustyni Mojave, 200 km na NE od Los Angeles, w latach 1984-1992 powstał kompleks 13 elektrowni heliotermicznych o różnej mocy. Również w Kalifornii w 1984 r. uruchomiono elektrownię Carissa Plain wytwarzającą energię elektryczną metodą helioelektryczną. Metoda ta polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, lecz także promieniowanie rozproszone, przy zachmurzeniu. Technologia słonecznych kolektorów termicznych jest już prawie całkowicie dojrzała. Tym niemniej istnieją możliwości dalszej obniżki kosztów produkcji w przypadku wielkiej skali produkcji oraz poprawy zarówno procesu produkcji i marketingu. W chwili obecnej w krajach Unii Europejskiej istnieje ok. 300 małych przedsiębiorstw działających w tym sektorze, bezpośrednio zatrudniających ok. 10,000 osób. Ogrzewanie przy pomocy słonecznych kolektorów termicznych jest konkurencyjne do ogrzewania elektrycznego, szczególnie na południu Europy. Idea zaspokojenia naszych potrzeb poprzez bezpośrednie wykorzystanie energii słonecznej ?tu i teraz" nie daje spokoju marzycielom. Niedawno w Montrealu zebrali się entuzjaści kosmicznej elektrowni słonecznej. Byłoby to gigantyczne urządzenie zawieszone na orbicie geostacjonarnej, przez całą dobę przetwarzające energię słoneczną w mikrofale, których strumień skierowany byłby do odbiornika na Ziemi i następnie przetworzony w energię elektryczną. Delegacja NASA przedstawiła na konferencji aż 30 pomysłów. W tzw. realistycznym wariancie stacja kosmiczna miałaby ?zaledwie" 50 km2, a stacja odbiorcza na ziemi 70 km2. Na pierwszy rzut oka pomysł wydaje się wspaniały. Ale jaka byłaby ?maksymalna" sprawność takiego urządzenia? Okazuje się, że każdy z etapów przetwarzania energii w tym urządzeniu, z energii słonecznej w elektryczną, następnie w mikrofale i znowu, już na ziemi, w elektryczność, ma sprawność poniżej 30%. Tak więc zaledwie 3% energii słonecznej dotrze w ten sposób z orbity do odbiorcy na ziemi. Polska Możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych są bardzo zróżnicowane. Położenie geograficzne Polski powoduje, iż warunki klimatyczne są bardzo specyficzne. Ma tu bowiem miejsce ścieranie się wpływu dwóch frontów atmosferycznych: atlantyckiego i kontynentalnego. Na jesieni i na wiosnę często występuje duże zachmurzenie i opady deszczu. W zimie temperatury powietrza są niskie i wieją silne wiatry. Roczna gęstość strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2. Analizując wieloletnie wyniki badań można stwierdzić, że największe wartości strumienia promieniowania słonecznego występują nad Bałtykiem. Warunki nasłonecznienia na polskim wybrzeżu odpowiadają warunkom w Europie Środkowej, np. w Austrii i na Węgrzech. Najbardziej niekorzystna sytuacja jest na Śląsku, gdzie występuje największe zanieczyszczenie powietrza. Średnie usłonecznienie dla Polski wynosi 1600 godzin, przy czym maksymalna liczba godzin słonecznych w roku występuje, jak poprzednio, nad morzem, a wartość minimalna na Dolnym Śląsku. Podsumowanie Słońce jest najlepszym możliwym źródłem energii, ale metody adaptacji tej energi na potrzeby ludzi mogą być jeszcze dużo lepsze. Niska wydajność, wysoka cena urządzeń, zależność od pogody ? wady te wciąż obniżają wartość energii słońca. Tępo rozwoju tej gałęzi energetyki i wielki potencjał energii słońca dają jednak nadzieję na szybkie przeważenie szali zalet i wad na korzyść zalet fotoenergetyki. Kwestią krótkiego czasu będzie obniżenie kosztów produkcji i zwiększenie wydajności urządzeń tego typu. Nowe technologie i proekologiczna polityka państw wysoko rozwiniętych sprzyjać będą w pokonywaniu wszelkich niedogodności. Możliwość budowania samowystarczalnych energetycznie domów jest zdawało by się wręcz utopią, ten raj jednak zbliża się do nas. Szklane domy przestaną być marzeniem.

Źródła: ?Świat nauki? 11/1998 ? ?Termiczne ogniwa fotowoltaiczne? ? T.Coutts, M.Fitzgerald; ?Inteligentny dom? 1/1998-11-22