Słońce jest centralną gwiazdą Układu Słonecznego, wokół której krąży Ziemia. Stanowi najjaśniejszy obiekt na niebie i główne źródło energii docierającej do Ziemi.

Energia elektryczna wytwarzana zarówno z paliw kopalnych, takich jak ropa, węgiel (tworzyły się one przez miliony lat dzięki promieniowaniu słonecznemu), jak również z energii wiatru (różnica ciśnień w atmosferze jest spowodowana różnicą temperatur) są pochodnymi energii słonecznej. Dopiero stosunkowo niedawno nauczyliśmy się bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną do produkcji energii elektrycznej.

Energię promieniowania słonecznego można wykorzystywać na dwa podstawowe sposoby: zamieniać ją bezpośrednio w energię elektryczną w ogniwach fotowoltaicznych lub zamieniać ją w ciepło, które z kolei może być wykorzystane np. do ogrzewania wody użytkowej lub w elektrowniach słonecznych do wytwarzania energii elektrycznej.
Graniczną mocą, jaką można uzyskać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym, jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1367 W/m2 i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. Część tej energii jest jednak odbijana lub pochłaniana przez atmosferę, tak więc efektywnie wykorzystać możemy do 1000 W/m2.
Konwersja fotowoltaiczna polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Działanie ogniwa słonecznego jest oparte na zjawisku fotowoltaicznym, polegającym na powstaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika. Wielkość napięcia i mocy uzyskiwanej z pojedynczego ogniwa nie jest imponująca (ok. 0,5 V), dlatego też, aby urządzenie było użyteczne, ogniwa łączy się szeregowo w celu podwyższenia napięcia i równolegle w celu zwiększenia mocy. W ten sposób powstaje moduł
fotowoltaiczny.
 
Inna koncepcja konfiguracji elektrowni fotowoltaicznej opiera się na idei sumowania energii po stronie prądu przemiennego (nie występuje równoległe łączenie modułów). Na generator słoneczny składa się kilka modułów połączonych szeregowo, tzw. strun o stałym napięciu wyjściowym nieprzekraczającym 120V. Generator fotowoltaiczny przekazuje energię elektryczną do sieci poprzez falownik strunowy niskiej mocy rzędu 1kW. Większą moc elektrowni uzyskuje się przez równoległe dołączanie do sieci kolejnych układów. W systemie takim wyeliminowana zostaje droga aparatura łączeniowa i zabezpieczająca oraz pracuje ona przy bezpiecznym napięciu dotykowym po stronie napięcia prądu stałego. Uzyskuje się w ten sposób znaczne obniżenie kosztów inwestycyjnych oraz większą sprawność systemu dzięki indywidualnemu sterowaniu grupą modułów. Rozwiązanie strunowe jest bardzo elastyczne, jeśli chodzi o dołączanie kolejnych grup modułów, ponieważ pracują one niezależnie od siebie. Wadą tego rozwiązania jest konieczność monitorowania dużej liczby falowników w systemie.

Elektrownia fotowoltaiczna
Fot. 1. Elektrownia fotowoltaiczna
Konwersja fototermiczna polega na przemianie promieniowania słonecznego w ciepło doprowadzane następnie do turbiny napędzającej generator. Stosowane są dwa systemy, tzn. CRS (ang. Central Receiver System), polegający na odbiciu promieni słonecznych z dużego obszaru i skierowaniu ich w jeden, centralnie umieszczony punkt, gdzie można osiągnąć bardzo wysoką temperaturę, a także DSS (ang. Distributed Solar System) – tu promienie są kierowane (najczęściej za pomocą kolektorów parabolicznych) na rurę, w której płynie czynnik.
Układ paraboliczny
Zbudowany jest w postaci długich rynien powlekanych wewnątrz srebrem bądź polerowanym aluminium. Wzdłuż rynny biegnie rurka wypełniona medium (zazwyczaj olej), na której skupiają się odbite promienie słoneczne. Uzyskiwanie energii elektrycznej może odbywać się na dwa sposoby: albo za pomocą turbogeneratorów umieszczonych bezpośrednio przy każdym kolektorze koncentrującym, co pozwala na zmniejszenie strat, albo we wspólnym generatorze. Pierwsze rozwiązanie zmniejsza nakłady inwestycyjne dzięki możliwości seryjnego wytwarzania modułów, niestety sprawność tego rozwiązania jest mniejsza ze względu na niższe temperatury czynnika roboczego. Częściej natomiast stosuje się przesyłanie czynnika roboczego między kolektorami koncentrującymi. Pozwala to na stopniowe podwyższanie jego temperatury, ale jednocześnie powoduje straty ciepła podczas przesyłu oraz komplikuje instalację ze względu na dużą liczbę przewodów rurowych do obiegu czynnika roboczego. W celu zmniejszenia strat przewody z czynnikiem roboczym umieszcza się w większym cylindrycznym przewodzie próżniowym. Czynnik roboczy podgrzewa się w ten sposób nawet do 400 ºC i jest używany do produkcji pary wodnej. Rynny ustawia się najczęściej wzdłuż osi północ–południe, a wzdłuż osi wschód–zachód mają możliwość zmiany kąta nachylenia, aby podążać za Słońcem.

elektrownia sloneczna w oparciu o system paraboliczny
Fot. 2. Cieplna elektrownia słoneczna w oparciu o system paraboliczny
Układ luster z silnikiem cieplnym
Silnik Stirlinga to silnik cieplny, który przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, bez procesu wewnętrznego spalania paliwa, a na skutek dostarczania ciepła z zewnątrz, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go ciepłem z dowolnego źródła. Źródłem ciepła w tym przypadku są skupione przez układ luster promienie słoneczne. Silnik napędza generator elektryczny, tworząc tym samym elektrownię. Szacuje się, że przy średnim nasłonecznieniu 1000 W/m2, silnik o mocy 25 kW wymaga lustra o średnicy 10 m. Sprawność konwersji energii promieniowania słonecznego na elektryczną przy tej technologii może osiągać nawet 30%.

elektrownia sloneczna z silnikiem Stirlinga
Fot. 3. Cieplna elektrownia słoneczna z silnikiem Stirlinga
Układ luster z centralną wieżą

Instalacja taka pozwala uzyskiwać bardzo wysokie temperatury rzędu 3000 ºC. Ruchome lustra zajmujące dużą powierzchnię odbijają promienie słoneczne w jeden punkt – umieszczony na szczycie wieży piec. Wypełniony jest on substancją mającą dobre parametry gromadzenia ciepła, np. ciekły. Dzięki temu elektrownia może pracować przez kilka godzin także po zachodzie Słońca. Dalszy proces technologiczny jest taki sam jak konwencjonalnej elektrowni – ciepło służy do wytworzenia pary wodnej.

Piec Sloneczny
Fot. 4. Piec słoneczny
Energetyka słoneczna jest bardzo obiecującym sposobem pozyskiwania energii i do tego niewytwarzającym żadnych zanieczyszczeń. Coraz wyższe sprawności oraz coraz niższe ceny sprawiają, że systemy takie są coraz bardziej opłacalne, co daje nadzieję na zastąpienie energii ze źródeł kopalnych czystą energią słoneczną. Do wyprodukowania energii, jaką obecnie zużywa się na całym świecie, potrzeba by wybudować elektrownię słoneczną (przy sprawności 10%) o powierzchni równej 1/3 powierzchni Sahary. Potrzeby Polski zaspokoiłaby elektrownia słoneczna zajmująca kwadrat o boku 70 km – to jest 1,6% powierzchni kraju.
 
źródło:
www.wikipedia.org
T. Rodacki A. Kandyba, Przetwarzanie energii w elektrowniach słonecznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000
www.zb.eco.pl
Grzegorz Golubiewski
 
Cały artykuł – GLOBEnergia 4/2010
fotowoltaikastrona 1strona 2