Gwiazda i planeta
Bez Słońca nie byłoby życia na Ziemi. Nie byłoby człowieka. Człowieka, który w czasach prehistorycznych otaczał Słońce kultem, jako źródło życiodajnej energii, ciepła, światła. Jasności, która stała się synonimem dobra i mądrości. Życiodajne Słońce do dzisiaj nie skąpi nam energii, a jego potencjał energetyczny szacuje się na 23000 TW/r (terawatów rocznie). Tyle energii solarnej dociera rocznie do Ziemi. Gdybyśmy tylko potrafili ją pozyskać, 1600 TW/r wystarczyłoby, żeby pokryć zapotrzebowanie całej ludzkości przez okres 100 lat (biorąc pod uwagę globalne zużycie energii w 2009 roku). Jest więc o co zabiegać.
Przed naszą erą
6000 lat temu, w epoce neolitu, ludność zamieszkująca obszar dzisiejszych Chin, budując domy, jedyne wejście umieszczała od strony południowej, aby wykorzystać ciepło promieni słonecznych, padających zimą pod niskim kątem. Już wtedy stosowano spadziste dachy, aby mniej ciepła trafiało do wnętrza w upalne dni lata. Technologię tę wykorzystywali również starożytni Grecy i Egipcjanie. Jej propagatorem był Arystoteles. O właściwym sposobie konstruowania domów pisał w I wieku p.n.e. rzymski architekt Vitruvius w dziele „De architectura”. To w tym okresie pojawiły się pierwsze okna z szybami z miki (do dziś stosowanej w przeszkleniach kominkowych), przezroczystego szkła lub półprzejrzystego marmuru. Starożytni Egipcjanie stosowali zaawansowaną technologię suszenia ziarna, dzięki której mogli przechowywać je przez kilka lat. Pozyskiwanie soli poprzez odparowanie morskiej wody stosowali ludzie na całym świecie i można powiedzieć, że jest ona stosowana do dzisiaj.
Do wnętrza megalitycznego grobowca Newgrange (Irlandia), powstałego ok. 5000 lat temu prowadzi 17-metrowy tunel o szerokości ok. 1metra. 21 grudnia przez ok. 17 minut promienie słoneczne oświetlają jego wnętrze.
Starożytni ludzie wiedzieli, jak rozpalić ogień za pomocą skupienia promieni słonecznych, a szkło powiększające znali już w 7 w. p.n.e. Grecy i Rzymianie w 3 w. p.n.e. używali luster do zapalania pochodni. Najbardziej spektakularnym ich zastosowaniem z tamtego okresu, choć historia ta pozostaje kontrowersyjna, jest zastosowanie luster i promieni słonecznych jako broni. Ponoć grecki uczony, Archimedes, użył jej do podpalenia rzymskich okrętów w obronie miasta Syrakuzy.
Pierwsze wynalazki
W okresie Średniowiecza Europejczycy głównie koncentrowali się na dopasowaniu technologii znanych w starożytnym Rzymie i Bizancjum lub pochodzących z krajów arabskich, Chin oraz Indii, do lokalnych warunków. Pierwsze znane wynalazki zaczęły pojawiać się dopiero w epoce Odrodzenia i Oświecenia. Wykorzystaniem energii słonecznej jako źródła ciepła zajmował się Leonardo da Vinci. Badał geometrię promieni równoległych po odbiciu ich od zakrzywionego metalowego talerza. Uważa się, że jako pierwszy zalecał w celu podgrzewania wody zastosowanie wklęsłego lustra jako koncentratora promieni słonecznych. Proponował też topienie miedzi za pomocą skoncentrowanych promieni słonecznych. Epoka odkryć geograficznych wywołała rozkwit zastosowania przezroczystego szkła, które od czasów upadku Cesarstwa Rzymskiego niemal zanikło. Zamożni owych czasów budowali szklarnie, by cieszyć się egzotycznymi owocami i roślinami. Niekiedy ciepło z położonych od południa przeszklonych pomieszczeń wykorzystywano do ogrzewania innych części domu. W architekturze tego okresu stosowano rozwiązania, które dzisiaj nazwalibyśmy pasywnymi: okna od południa, grube mury i podłogi sprzyjały naturalnemu ogrzewaniu, chłodzeniu i oświetlaniu. Znane były kanały wentylacyjne rozprowadzające ciepło bądź chłód.
Pierwszy kolektor słoneczny
W 1767 roku Szwajcar Horace-Benedict de Saussure, jeden z najwybitniejszych przyrodników owych czasów oraz inicjator alpinizmu, zbudował tzw. gorące pudełko, uważane za pierwszy kolektor słoneczny. (Kolektor to urządzenie do zamiany energii słonecznej na ciepło, w odróżnieniu od późniejszych paneli, zamieniających ją na prąd.) XVIII-wieczny kolektor był drewnianą skrzynką izolowaną czarnym korkiem i przykrytą szkłem. Wewnątrz skrzynki znajdowało się mniejsze szklane naczynie. Po umieszczeniu skrzynki na słońcu jego promienie doprowadzały wodę znajdującą się w wewnętrznym naczyniu do wrzenia.
Słoneczny palnik Lavoisiera
W tym okresie pojawiły się też solarne palniki do topienia metali. Rekordzistą na tym polu był Francuz Antoine Lavoisier, który zbudował palnik osiągający temperaturę 1750°C, wykorzystując dwie soczewki o średnicy 1,3 i 0,2 m. Tego rekordu nikt nie pobił przez kolejne 100 lat, a i później kolektory słoneczne przypominały kształtek anteny satelitarne.
Ważne ogniwo rozwoju
Odkrycie ogniwa fotowoltaicznego uważa się za najważniejsze odkrycie w historii wykorzystania energii słonecznej. Zbudował je w 1839 roku Francuz Aleksander Edmunt Becquerel. Miał wówczas 19 lat! Umieścił chlorek srebra w elektrolicie. Oświetlając go zaobserwował napięcie elektryczne na podłączonych platynowych elektrodach. Obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day. Wydarzenie to można uznać za narodziny fotowoltaiki, której nazwa pochodzi od greckiego „phos” – światło i nazwy jednostki miary napięcia elektrycznego – wolta. Warto wspomnieć, że temu naukowcowi zawdzięczamy też pionierskie odkrycia w dziedzinie fotografii. W 1840 roku odkrył światłoczułe właściwości halogenku srebra, co przyczyniło się do rozwoju dagerotypów i innych materiałów fotograficznych. Już w 1848 roku Becquerel był w stanie wyprodukować kolorową fotografię. Dla dalszego rozwoju fotowoltaiki duże znaczenie miało odkrycie przez Anglika Willoughby’ego Smitha zwiększenia przewodniości selenu pod wpływem światła w 1873 roku. Jednak za pierwszego konstruktora ogniwa fotowoltaicznego uważa się Amerykańskiego wynalazcę, Charlesa Frittsa, który w 1883 roku umieścił selen pomiędzy żelazną płytką a półprzewodnikową warstwą złota. Sprawność tego prototypu była poniżej 1 proc. On też umieścił na dachu budynku w Nowym Jorku panele słoneczne.
Silniki solarne
W XIX w. powstał pierwszy silnik parowy z wykorzystaniem energii słonecznej do ogrzewania wody. Francuz August Manchot zbudował do tego celu metalowy pokryty srebrem kolektor o średnicy 4,5 metra i powierzchni 18,4 m2. Ważył on 1400 kg. Manchot uważał, że tylko Słońce może dostarczyć energii potrzebnej gwałtownie rozwijającemu się przemysłowi. Solarny silnik parowy zbudowany później przez jego asystenta osiągał moc 300 watów, wystarczającą do zasilania prasy drukarskiej. W 1873 roku John Ericsson zbudował pierwszy nieparowy silnik (zwany silnikiem Stirlinga), który uruchamiały promienie słoneczne padające na paraboliczny reflektor. Tym samym udowodnił, że słońce może być źródłem energii bez pośrednictwa pary.
Piekarnik solarny Adamsa
Było to pierwsze urządzenie solarne produkowane na skalę przemysłową, popularne w USA, ale także w Indiach, gdzie zostało skonstruowane przez W. Adamsa w 1876 roku. Produkty umieszczone w drewnianej skrzynce położonej wewnątrz ośmioramiennego reflektora, zbudowanego z 8 symetrycznych pokrytych srebrem szklanych luster, można było upiec w temperaturze ponad 200°C.
Domowe kolektory słoneczne
Pierwszy produkt komercyjny, który pozwalał szybko nagrzewać i przeciwdziałać stygnięciu wody użytkowej (do użytku domowego) w zbiorniku był Climax Solar Water Heater, wprowadzony na rynek w 1891 roku przez jego wynalazcę Clarence’a Kempa. Był bardzo popularny na zachodnim wybrzeżu USA.
Początek XX wieku
W 1901 roku kolektor słoneczny o średnicy 10 m zasilał stację pomp w Kaliforni. Urządzenie w kształcie parasola składało się z 1788 luster, które kierowały promienie słoneczne na bojler z wodą. W 1912 roku powstała pierwsza zasilana energią słoneczną stacja pomp do nawadniania roślin w Egipcie. Jej konstruktorem był Amerykański pionier energii solarnej – Frank Shuman. System składał się z 62-metrowej linii cylindrów o powierzchni 1200 m2. Wytwarzał 37-45 kW energii przez 5 godzin, co pozwalało przepompować 20 tys. wody z Nilu w ciągu minuty. W tym miejscu warto przypomnieć, za co Albert Eistein otrzymał w 1921 roku nagrodę Nobla z fizyki. Nie, nie za teorię względności, a za „swój wkład w rozwój fizyki teoretycznej, a w szczególności, za prawa rządzące zjawiskami fotoelektrycznymi”.W kolejnych latach projektowano i konstruowano różne formy kolektorów słonecznych. Rozwijały się dwie główne technologie: scentralizowana i rozproszona. Pierwsze, to systemy wykorzystujące heliostaty, czyli płaskie zwierciadła kierujące wiązkę światła na jeden centralny odbiornik, w formie wieżyczki. Są znane do dzisiaj jako solar power tower, charakteryzujące się wysoką temperaturą osiąganą przez odbiornik ciepła. Drugie – wykorzystywały technologię rozproszonego odprowadzania energii za pomocą rur ułożonych wzdłuż rynien, soczewek lub parabolicznych talerzy. W rurach tych znajdował się płyn odbierający ciepło słoneczne i transportujący je do zbiornika głównego.
Przełomowe odkrycie w Laboratorium Bella
W 1954 roku trzech Amerykańskich naukowców: Daryl Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson, eksperymentując z dopiero co odkrytym tranzystorem, zbudowali krzemowe półprzewodnikowe ogniwo solarne o sprawności 6%, zdolne zasilić prądem każde urządzenie elektryczne z tamtych czasów. „The New York Times” entuzjazmował się otwarciem drogi do realizacji najśmielszych marzeń ludzkości – ujarzmienia nieprzebranej energii słonecznej dla dobra cywilizacji. Proces ten okazał się jednak bardziej mozolny niż się spodziewano. Sprawność ogniw fotowoltaicznych rosła powoli. W 1960 roku osiągnęła 14%, ale koszt produkcji pozostawał zbyt wysoki (ca 1000 dolarów za wat). W latach 60. odkryto przydatny dla fotowoltaiki arsenek galu (mógł pracować w wyższych temperaturach niż krzem), ale wciąż były to zbyt drogie rozwiązania.
Energia z kosmosu w kosmosie
Wysoka cena powodowała, że panele słoneczne miały wówczas ograniczone zastosowanie. Zostały zamontowane m.in. w sondzie Vanguard I, jednym z pierwszych sztucznych satelitów umieszczonych przez Amerykanów na orbicie ziemskiej w 1958 roku. Od tej pory „skrzydła” z paneli fotowoltaicznych stały się znakiem rozpoznawczym sztucznych satelitów.
Coraz tańsze i coraz sprawniejsze
Pod koniec lat 70. rozpoczęła się technologiczna batalia o wzrost sprawności i obniżenie kosztów wytwarzania panele fotowoltaicznych. Od tego czasu do 2015 roku koszt wytworzenia 1 wata energii spadł z 76 dolarów do 30centów. Niska sprawność ogniw fotowoltaicznych do dzisiaj pozostaje problemem, z którym zmagają się inżynierowie i wynalazcy. Chociaż w lipcu 2017 roku naukowcy z George Washington University zaprojektowali i skonstruowali prototyp panelu słonecznego, który przekształca promieniowanie słoneczne w energię elektryczną z wysoką wydajnością 44,5% i w przyszłości ma szansę stać się najefektywniejszym ogniwem na świecie.
Elektronika użytkowa
Podbój kosmosu niewątpliwie przyczynił się do postępu fotowoltaiki, choć zastosowanie baterii słonecznych ograniczało się do niszowych zastosowań w urządzeniach odległych od sieci elektrycznej albo jako alternatywne źródło zasilania. W latach 70. próbowano zasilać nimi zegarki elektroniczne. W latach 80. kalkulatory zasilane jedynie ogniwami solarnymi pojawiły się także i w Polsce. Coraz powszechniej stosuje się je do zasilania znaków drogowych. W 2009 roku na naszym rynku pojawił się też telefon komórkowy Samsung E1107. Jednak zastosowane w nim ogniwa pozwalały po godzinie ekspozycji na słońce na wykonanie zaledwie 3 rozmów o długości 2 minut lub wysłanie 20 SMS-ów. Można by to potraktować co najwyżej jako rozwiązanie awaryjne…
Pierwsza elektrownia słoneczna
Za pierwszą komercyjną elektrownię słoneczną uważa się instalację „Planta Solar 10” założoną w 2004 roku w pobliżu Sewilli w Hiszpanii. Była to konstrukcja typu solar tower: ruchome lustra (heliostaty) kierowały promienie słoneczne na 115-metrową wieżę z zainstalowanymi odbiornikami ciepła. Elektrownia wytwarzała 11 MW energii (wystarczająco dla 5500 domów).
Perowskity i co dalej
Przełomem wykorzystaniu energii słonecznej w elektronice użytkowej może okazać się wynalazek polskiej naukowczyni, Olga Malinkiewicz. Pierwszy prototyp zasilacza na bazie perowskitów został zaprezentowany w 2016 roku w Barcelonie. Perowskity mogą też zostać zespolone z szybami lub dachówkami. Tak więc, choć ludzkość uczy się korzystać z energii słonecznej od kilku tysięcy lat, to najciekawsze odkrycia niewątpliwie wciąż jeszcze przed nami.
Dorota M. Zielińska / REO.pl
