Energia słoneczna – jak się ją wykorzystuje?

Energia słoneczna to promieniowanie Słońca powstające w syntezie jądrowej, które człowiek zamienia na prąd w panelach fotowoltaicznych, na ciepło w kolektorach i na energię chemiczną w reakcjach napędzanych światłem. Nad Polską ten zasób rozkłada się jednak nierówno. Większość rocznej sumy przypada na półrocze letnie, a dom najwięcej energii potrzebuje zimą.

Skąd się bierze energia słoneczna i jak rozkłada się nad Polską?

Energia słoneczna to energia promieniowania elektromagnetycznego, które wysyła Słońce: światła widzialnego, podczerwieni i ultrafioletu. Powstaje w wyniku syntezy jądrowej – w jądrze gwiazdy wodór przemienia się w hel, a ubytek masy uwalnia się jako energia. Na górną granicę atmosfery dociera jej około 1361 W na metr kwadratowy ustawiony prostopadle do promieni. Tę wartość nazywa się stałą słoneczną.

Ile z tego zostaje przy powierzchni? Mniej niż połowa. Według pomiarów satelitarnych NASA 29% wraca w kosmos przez odbicie, głównie od chmur. Atmosfera pochłania kolejne 23%, a powierzchnia Ziemi 48%.

To, co dociera nad Polskę, opisuje nasłonecznienie, czyli ilość energii padającej na metr kwadratowy w określonym czasie. Dane o nasłonecznieniu nad Polską gromadzi Atlas warunków solarnych IMGW. Opracowano je na podstawie danych satelitarnych EUMETSAT CM SAF. W ciągu roku energia rozkłada się wyraźnie nierówno: zdecydowana większość rocznej sumy przypada na półrocze letnie, a miesiące zimowe dają tylko niewielką jej część. Zasób jest rozproszony na dużej powierzchni i zmienny z porą roku oraz zachmurzeniem.

Sposoby wykorzystania energii słonecznej

Energię słoneczną przetwarza się na trzy sposoby, a z każdego powstaje inna postać energii.

• Fotowoltaika (konwersja fotowoltaiczna) – panel zamienia światło bezpośrednio w prąd; pracuje na domach, halach przemysłowych i farmach.
• Fototermia (konwersja fototermiczna) – kolektor słoneczny ogrzewa płyn, który oddaje ciepło wodzie użytkowej. Pomieszczenia ogrzewa bez żadnych urządzeń sama architektura budynku, czyli okna od południa i ściany magazynujące ciepło.
• Fotochemia (konwersja fotochemiczna) – światło napędza reakcje chemiczne, a energia zostaje zmagazynowana w wiązaniach powstałych związków.

Dwie pierwsze technologie łatwo pomylić, bo panel i kolektor stoją na dachu i wyglądają podobnie. Różnią się produktem: panel oddaje prąd, a kolektor ciepłą wodę. Fototermia ma też odmianę wielkoskalową. Wśród technologii słonecznych według DOE nosi ona nazwę skoncentrowanej energii słoneczno-termicznej (CSP).

W CSP lustra skupiają światło, które zamienia się w ciepło; z tego ciepła wytwarza się prąd albo się je magazynuje. Taka elektrownia słoneczna wymaga silnego promieniowania bezpośredniego i dużej powierzchni. CSP stosuje się głównie w bardzo dużych elektrowniach.

Fotosynteza jest naturalną formą fotochemii. W roślinach napędza ją pochłonięte światło. Energia związana w dawnej biomasie przetrwała w węglu, ropie i gazie. Paliwa kopalne to zatem energia słoneczna zmagazynowana miliony lat temu.

Droga prądu z panelu fotowoltaicznego

Światło padające na krzemowe ogniwo fotowoltaiczne wytwarza prąd stały. Falownik zamienia go następnie na prąd zmienny, z którego korzystają domowe odbiorniki. Samo zjawisko nazywa się efektem fotowoltaicznym: energia światła tworzy w półprzewodniku ładunki elektryczne, a wewnętrzne pole elektryczne wprawia je w ruch. Tak płynie prąd. Ogniwa wykonuje się z różnych materiałów półprzewodnikowych, w praktyce najczęściej z krzemu.

Pojedyncze ogniwo fotowoltaiczne wytwarza jednak zwykle około 1 albo 2 W mocy. Dlatego łączy się je w łańcuchy, z których powstają moduły, czyli panele. Dzięki budowie modułowej system można dopasować do niemal każdej potrzeby: od modułu na balkonie, przez instalację na dachu, po farmę fotowoltaiczną. Zasada działania się nie zmienia, różni się tylko skala.

Najważniejszym przystankiem na tej drodze jest falownik. Zasada działania falownika polega na bardzo szybkim przełączaniu kierunku prądu stałego tam i z powrotem. W efekcie powstaje prąd zmienny. Dopiero taki prąd zasila gniazdka i może trafić do sieci.

Ile ze światła staje się prądem? Określa to sprawność modułu, czyli odsetek energii promieniowania padającego na panel, który wychodzi z niego jako energia elektryczna. Sprawność komercyjnych modułów krzemowych wzrosła w ostatniej dekadzie z około 17% do niecałych 25%. Ten wzrost odnotowuje raport fotowoltaiczny Fraunhofer ISE. Ogniwa laboratoryjne z krzemu monokrystalicznego osiągają do 27,9%.

Co przemawia za energią słoneczną, a co ją ogranicza?

W czasie pracy instalacja słoneczna nie spala paliwa i nie emituje CO₂. Emisje pojawiają się na wcześniejszych etapach cyklu życia panelu: przy oczyszczaniu krzemu, wytopie szkła i aluminium, transporcie i montażu. Energia zużyta na produkcję systemu PV zwraca się po około roku, zależnie od lokalizacji. Przez resztę swojego życia instalacja daje już energię ponad tę, którą pochłonęła jej produkcja.

Gdzie zatem jest haczyk? W czasie. Produkcja rośnie od rana, najwyższa jest w południe i zanika wieczorem. W domu tymczasem najwięcej prądu zużywa się rano i wieczorem. Rozjazd sezonowy jest jeszcze większy. Potrzeby energetyczne domu są największe zimą, czyli w porze najsłabszego słońca. Latem jest odwrotnie i nadwyżki trzeba gdzieś oddać.

Z tego rozjazdu wynika potrzeba bufora. Magazyn energii przesuwa nadwyżkę z południa na wieczór. Sieć z kolei przyjmuje ją i oddaje w innym czasie. Przy generacji rozproszonej, czyli tysiącach małych źródeł podłączonych do sieci lokalnej, południowe nadwyżki potrafią tę sieć przeciążać. Magazyn dobowy nie wypełnia zimowej luki, więc pokrywa ją sieć zasilana z innych źródeł.