Jak możemy wykorzystać energię Słońca? www.biomasa.org/edukacja Jak możemy wykorzystać energię Słońca? prezentacja dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych Prezentacja przygotowana w ramach projektu Fundacji Partnerstwo dla Środowiska współfinansowanego przez NFOŚiGW.

Odnawialne źródła energii - w skrócie OZE - to źródła energii, których zasoby uzupełniają się w naturalnych procesach, co oznacza że są praktycznie niewyczerpalne. Zaliczamy do nich: energię Słońca energię wiatru energię wody energię geotermalną biomasę Courtesy of DOE/NREL Courtesy of DOE/NREL Courtesy of DOE/NREL Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Problemem jest jednak techniczne wykorzystanie tych zasobów. Energia Słońca Energia promieniowania słonecznego jest podstawowym źródłem energii na Ziemi. Wykorzystują ją w procesie fotosyntezy rośliny, z których następnie powstają zasoby biomasy. Nawet energia paliw kopalnych w pośredni sposób pochodzi od energii Słońca: węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny to przekształcona w biochemicznych i fizycznych procesach biomasa sprzed milionów lat. Słońce w ciągu zaledwie jednego dnia dostarcza więcej energii, niż przez 27 lat zużywa cała ludzkość. Problemem jest jednak techniczne wykorzystanie tych zasobów. www.biomasa.org/edukacja

Historia wykorzystania energii Słońca Ludzie od zawsze wykorzystywali energię Słońca, początkowo do suszenia produktów żywnościowych i do rozniecania ognia. Do tego ostatniego celu starożytnym Grekom służyła wypełniona wodą szklana kula, skupiająca promienie słoneczne. Z czasem z energii Słońca zaczęto produkować energię cieplną. Już w 1897 r. , w miejscowości Pasadena koło Los Angeles właśnie w ten sposób ogrzewano aż 30% domów. © Marek Cios www.biomasa.org/edukacja

Produkcja energii elektrycznej Najpóźniej energię Słońca zaczęto stosować do produkcji energii elektrycznej. Choć efekt fotowoltaiczny, umożliwiający produkcję prądu bezpośrednio z promieniowania słonecznego został zaobserwowany już w XIX wieku, na szeroką skalę wykorzystano go dopiero w latach 50. ubiegłego stulecia, w amerykańskich satelitach i statkach kosmicznych. Courtesy of DOE/NREL Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Wykorzystanie energii Słońca Energię Słońca wykorzystuje się do produkcji: energii cieplnej, pozyskiwanej w procesie konwersji fototermicznej w kolektorach słonecznych, energii elektrycznej, wytwarzanej w procesie konwersji fotowoltaicznej w ogniwach fotowoltaicznych. Najczęściej stosowane kolektory słoneczne to płaskie kolektory gazowe lub cieczowe oraz rurowe kolektory próżniowe. Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie Obecnie największym producentem ogniw fotowoltaicznych na świecie jest Japonia. Dzięki wprowadzeniu nowego prawa dotyczącego zakupu energii i 50% dotacji rządowej w 1997 roku zainstalowano tam 9400, a rok później około 14000 systemów fotowoltaicznych. www.biomasa.org/edukacja

Rozkład promieniowania słonecznego w Polsce Cechą charakterystyczną warunków helioenergetycznych w Polsce jest wybitnie nierównomierny rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku: sezon letni gromadzi aż 43% promieniowania na półrocze letnie przypada średnio 77% całorocznego promieniowania. Ten rozkład promieniowania nie pozwala stosować kolektorów słonecznych do ogrzewania budynków, lecz sprzyja wykorzystaniu ich w rolnictwie, gdyż okres maksymalnego nasłonecznienia zbiega się z okresem suszenia pasz objętościowych. Polska była w czołówce krajów Europy, które zastosowały kolektory w rolnictwie. www.biomasa.org/edukacja

Potencjał energii Słońca w Polsce Roczne promieniowanie całkowite Słońca wynosi w Polsce średnio 990 kWh/m2 +/- 10%. Najwyższe osiągane wartości przekraczają 1199 kWh/m2/rok, najniższe zaś nie sięgają nawet 883 kWh/m2/rok. W 1994 roku na Kasprowym Wierchu zanotowano maksymalną sumę promieniowania całkowitego, zaś w roku 1980 w Suwałkach minimalną. www.biomasa.org/edukacja Courtesy of DOE/NREL

Warunki helioenergetyczne w Polsce W Polsce najlepsze warunki do wykorzystania energii słonecznej występują: w części województwa lubelskiego, obejmującej większość dawnych województw chełmskiego i zamojskiego (ponad 1048 kWh/m2/rok) na południowych krańcach województwa podlaskiego na Wybrzeżu Środkowym i Wybrzeżu Szczecińskim. Wschodni kraniec Lubelskiego charakteryzuje się rekordowym w skali kraju średnim usłonecznieniem – 1650 godzin rocznie. www.biomasa.org/edukacja

Zasoby helioenergetyczne wybranych regionów Polski Średnie roczne    napromieniowanie w kWh/m2      usłonecznienie w godzinach   nadmorski 1064 1624 Zamojszczyzna 1033 1572 Dolny Śląsk 1030 1529 Podhale 988 1467 Suwalszczyzna 975 1576 warszawski 967 1580 www.biomasa.org/edukacja

Wykorzystanie energii Słońca w Polsce wśród nowych członków Unii Europejskiej Polska jest trzecim po Cyprze i Słowenii krajem, który posiada największą powierzchnię kolektorów słonecznych fakt tym bardziej zasługujący na uwagę, że – inaczej niż na Cyprze i w wielu innych krajach – w Polsce nie został wprowadzony żaden rządowy program wspierania tego typu inicjatyw jedynie w Gdańsku, Sopocie i Gdyni w ramach będącego częścią europejskiego programu Altener projektu „INSTALL” przeprowadzono kampanię promocyjną pod nazwą „Słoneczne Trójmiasto” www.biomasa.org/edukacja

Ogniwa fotowoltaiczne Ogniwo fotowoltaiczne to krzemowa płytka półprzewodnikowa, wewnątrz której istnieje bariera potencjału (pole elektryczne), w postaci złącza p-n (positive – negative). padające na fotoogniwo promieniowanie słoneczne wybija elektrony z ich miejsc w strukturze półprzewodnika, tworząc pary nośników o ładunkach przeciwnych: elektron z ładunkiem ujemnym i „dziura”, powstała po jego wybiciu, z ładunkiem dodatnim ładunki te zostają następnie rozdzielone przez istniejące na złączu p-n pole elektryczne, co sprawia, że w ogniwie pojawia się napięcie Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Budowa ogniwa fotowoltaicznego Ogniwo fotowoltaiczne zbudowane jest z dwóch płytek krzemowych. Gdy promienie słoneczne padają na ogniwo, elektrony z dolnej warstwy przemieszczają się do warstwy górnej, generując napięcie elektryczne. www.biomasa.org/edukacja

Zastosowania ogniw fotowoltaicznych Ogniwa są obecnie powszechnie stosowane: w zegarkach, kalkulatorach, odbiornikach radiowych, do zasilania radiowo-telekomunikacyjnych stacji przekaźnikowych, w telefonii komórkowej, do zasilania znaków drogowych, do zasilania satelitów, do zasilania urządzeń ochrony pastwisk i lasów, w autonomicznych systemach zasilających na przyczepach kempingowych, do zasilania odosobnionych stacji meteorologicznych. www.biomasa.org/edukacja Szczególnie istotna jest rola ogniw fotowoltaicznych na obszarach pozbawionych dostępu do sieci elektrycznej.

Kolektory słoneczne Instalacja grzewcza wykorzystująca energię Słońca składa się z: kolektora słonecznego, zbiornika zwanego też akumulatorem, w którym poprzez spiralne wymienniki wypełnione cieczą roboczą ciepło oddawane jest wodzie, automatyki i układu bezpieczeństwa w skład, którego wchodzi m. in. pompka wymuszająca obieg cieczy roboczej w kolektorach i wymienniku ciepła. www.biomasa.org/edukacja

Płaskie kolektory słoneczne Najbardziej rozpowszechnione są płaskie kolektory cieczowe składające się z: przezroczystej szyby wykonanej z materiału o niskiej zawartości tlenków żelaza, absorbera, który może być wykonany z miedzi, mosiądzu lub aluminium, izolacji, która zapobiega oddawaniu ciepła do otoczenia najczęściej wykonanej z wełny mineralnej lub poliuretanu, aluminiowej obudowy, która powinna być szczelna. Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Płaskie kolektory słoneczne Do absorbera przymocowane są rurki przez które przepływa ciecz robocza, którą najczęściej jest glikol lub ergolit. Promieniowanie słoneczne jest najefektywniej wykorzystywane, gdy kolektor będzie: zwrócony w stronę południową, pochylony pod kątem 45 stopni – jest to najlepszy kąt dla kolektorów wykorzystywanych w okresie letnim, zainstalowany w miejscu nie zacienionym przez drzewa lub budynki. www.biomasa.org/edukacja

Kolektory próżniowe są one zbudowane z dwuściennych szklanych rurek, budowa kolektorów próżniowych jest bardziej skomplikowana są one zbudowane z dwuściennych szklanych rurek, pomiędzy zewnętrzną i wewnętrzną ścianą rurki istnieje próżnia, która pełni rolę izolacji zapobiegającej stratom ciepła, powłoka absorbująca może znajdować się na rurce wewnętrznej Wykonanie tylnej ścianki kolektora rurowego z lustrzanej stali powoduje, że rurki są naświetlane także z kierunku przeciwnego do kierunku padania promieniowania słonecznego. www.biomasa.org/edukacja

Courtesy of DOE/NREL Kolektory słoneczne, zarówno cieczowe jak i próżniowe, służą do wytwarzania energii cieplnej. www.biomasa.org/edukacja

Zastosowania kolektorów słonecznych Kolektory wykorzystuje się: do ogrzewania pomieszczeń, a także do podgrzewania wody w domach, gospodarstwach rolnych, obiektach sportowych i rekreacyjnych oraz zakładach przemysłowych, do ogrzewania wody w basenach, do suszenia produktów rolnych: zboża, nasion, ziół, owoców i grzybów. Ocenia się, że w Polsce kolektory słoneczne są w stanie pokryć około 60% rocznego zapotrzebowania domu jednorodzinnego na energię cieplną, jeżeli budynek zostanie odpowiednio zbudowany. www.biomasa.org/edukacja

Zasada działania wieży słonecznej jest stosunkowo prosta. Wieża słoneczna Zasada działania wieży słonecznej jest stosunkowo prosta. Słońce nagrzewa znajdujące się pod szklanym dachem powietrze, które ogrzane unosi się do góry. Silny ciąg tworzony przez wieżę wciąga powietrze do turbin, które wytwarzają prąd elektryczny. Rozwiązanie to zostało już sprawdzone w Hiszpanii, gdzie przez siedem lat działała pokazowa wieża – elektrownia. Budowana w Australii wieża słoneczna będzie miała 1000 metrów wysokości, a jej dolana część, czyli masywny szklany dach ma mieć aż 7 km średnicy. Wieża ta będzie najwyższym budynkiem, wzniesionym przez człowieka. www.biomasa.org/edukacja

Zalety wykorzystania energii Słońca Energia Słońca to odnawialne źródło energii. Jej wykorzystanie nie przyczynia się do emisji gazów cieplarnianych, nie powoduje żadnych zanieczyszczeń, nie pociąga za sobą produkcji odpadów. Dostarczający 35 000 l ciepłej wody użytkowej kolektor słoneczny o powierzchni 6 m2 pozwala zredukować roczną emisję:  dwutlenku węgla (CO2) o 1,5 t, dwutlenku siarki (SO2) o 12 kg, tlenków azotu o 5 kg i pyłów o 2 kg. Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Wady wykorzystania energii Słońca Korzystanie z energii Słońca utrudnia duża zmienność dobowa i sezonowa promieniowania słonecznego oraz mała gęstość dobowa strumienia energii słonecznej. Gęstość ta nawet w rejonach równikowych wynosi zaledwie 300 W/m2, zaś w Polsce nie przekracza 100 W/m2 (czyli 1000 kWh/m2 w skali roku). Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja

Wady wykorzystania energii Słońca Wykorzystując energię Słońca napotykamy: trudności z pozyskaniem oraz trudności z magazynowaniem - będące obecnie w użyciu zasobniki ciepłej wody pozwalają magazynować pozyskaną z energii Słońca energię cieplną jedynie przez 1-2 dni, zaś średnio- i długoterminowe sposoby magazynowania znajdują się bardziej w fazie eksperymentów niż praktycznego wykorzystania, poza tym wykorzystanie energii Słońca wymaga dużych przestrzeni. www.biomasa.org/edukacja

Wady wykorzystania energii Słońca Wadą wykorzystania energii Słońca są także ceny urządzeń. Bardzo wysokie koszty pociąga za sobą na przykład produkcja wykorzystywanych w ogniwach fotowoltaicznych kryształków krzemu, wytwarzanych w próżni w temperaturze około 1500 st. C. Naukowcy planują jednak wyeliminowanie kosztownego krzemu z fotoogniw i zastąpienie go niedrogim plastikiem, a konkretnie przewodzącymi prąd polimerami. Kosztują one znacznie mniej, gdyż w przeciwieństwie do krzemu mogą być wytwarzane w temperaturze pokojowej bądź niższej. www.biomasa.org/edukacja

Społeczne i ekonomiczne aspekty produkcji energii z OZE odnawialne źródła energii są w porównaniu ze źródłami konwencjonalnymi stosunkowo tanie instalacje, przeznaczone do produkcji energii z OZE, np. instalacje solarne, mogą być długo wykorzystywane korzystanie z OZE zwiększa bezpieczeństwo energetyczne wykorzystanie lokalnych zasobów przyczynia się do tworzenia nowych miejsc pracy wykorzystanie OZE umożliwia produkcji energii w odległych, trudno dostępnych miejscach www.biomasa.org/edukacja

Ekologiczne aspekty produkcji energii z OZE Produkcja energii z OZE nie powoduje emisji gazów cieplarnianych, nie powoduje emisji zanieczyszczeń, nie pociąga za sobą produkcji odpadów. Courtesy of DOE/NREL Courtesy of DOE/NREL www.biomasa.org/edukacja