Walking on Sunshine! – cz. 1.

Cześć!

Nadeszła sobota – więc i pora na przybliżenie kolejnego tematu powiązanego z energetyką. Dzisiaj jak mówi tytuł – zajmujemy się energią słońca. Temat jest naprawdę rozległy, dlatego podzielimy go sobie na dwa felietony. Dzisiejszy będzie krótkim wprowadzeniem, a przy okazji omówimy sobie konwersję energii słońca do energii elektrycznej, czyli powiemy o popularnych ogniwach fotowoltaicznych, o tym jak to działa, jakie są najbardziej popularne typy ogniw, jakie są wady i zalety. Zaczynamy!

1. Początki

W zeszłotygodniowym felietonie, który traktował o energii powietrza, wspominałem że początki sięgają Starożytnego Egiptu. Energia słońca jest z nami znacznie, znacznie dłużej. Bo w zasadzie od… początku istnienia gatunku ludzkiego. Słońce od zawsze stanowi źródło ciepła nie tylko dla ludzi, ale dla wszystkich organizmów żywych zamieszkujących naszą planetę. Zaletą był fakt, że nie trzeba jej w żaden sposób przetworzyć aby była użyteczna. W takim wypadku mówimy o pasywnym wykorzystaniu energii Słońca, czyli takim które nie wymaga dodatkowej instalacji, urządzeń etc. Jeśli chodzi o formę aktywną – pierwszy raz skorzystali z niej Grecy, ok. 400 p.n.e – uczeni zauważyli, że promienie słońca które padają na sferyczną soczewkę, zostają skupione i świetnie nadają się do np. rozpalenia ogniska.

Choć osobiście sam nie miałem okazji, pamiętam że będąc dzieckiem, koledzy bawili się szkłem powiększającym, skupiając promienie na gałązce, czy kawałku trawy i mieli przeogromną radochę bo coś zaczynało się dymić. Szczęśliwie tylko dymić – kolokwialnie rzecz biorąc nic z dymem nie poszło.

2. A skąd ta energia?

Cała zabawa zaczyna się na powierzchni Słońca, gdzie w każdej sekundzie setki milionów ton wodoru zamieniane jest w hel w reakcjach termojądrowych. Ale… ta wymiana nie jest w stosunku 1:1. Mała część (ok. 4%) zamienia się w energię – która wędrując w kosmosie natrafia na Ziemię…

W każdej godzinie do powierzchni naszej planety dociera ok. 200 000 TW energii pochodzącej z promieni słonecznych. Czyli mniej więcej tyle, ile na dzień dzisiejszy wynosi roczne zapotrzebowanie całej planety. Diabeł niestety tkwi w szczegółach. Mówimy o promieniowaniu, które pada na każdy cm2 naszej planety, czyli wliczamy w to oceany, niedostępne szlaki górskie, pustynie, rzeki itd. Niestety nawet najnowocześniejsze ogniwa fotowoltaiczne, mają sprawność ok. 20%. Co znaczy, że 10 jednostek energii słonecznej, jesteśmy w stanie przekonwertować do 2 jednostek energii użytecznej. W zasadzie i tak jesteśmy w tym lepsi od na przykład roślin, których sprawność konwersji to ok. 1%. Jak dobrze wiemy, rośliny wykorzystują energię słońca w procesie fotosyntezy. Broniąc jednak tej technologii – warto dodać, że gdybyśmy dziesiątą część Sahary, wyłożyli ogniwami – byłoby to wystarczająco, aby zasilić naszą planetę w energię.

3. Jak to działa

Aby dobrze zrozumieć w jaki sposób ogniwo z jednostki światła, generuje jednostkę energii elektrycznej, musimy na chwilę zagłębić się w nieco zaawansowaną fizykę. Trzymajcie kciuki, żebym się nie pogubił – gdyż grunt jest grząski i niepewny.

Światło jest wiązką fotonów, czyli porcji energii, które nie posiadają masy. Zgodnie z teorią korpuskularno-falową, światło jest jednocześnie cząstką i falą. W zależności od długości fali, mówimy o innej barwie światła, oraz o różnej wartości energii przenoszonej przez foton. Można wysnuć wniosek że oświetlając ogniwo światłem o różnej barwie, otrzymamy różną ilość energii. Spójrzcie na obrazek:

Ogniwo najczęściej wykonane jest z krzemu, który jest bardzo popularnym pierwiastkiem na Ziemi. Dodatkowo, jest półprzewodnikiem. Na ogniwo składają się dwie warstwy krzemu oddzielone od siebie barierą potencjału – widoczną na zdjęciu. Całość dopełnia szyba, która przepuszcza światło słoneczne.

Wróćmy teraz na chwile do fotonów. Gdy promienie słoneczne, czyli wiązka fotonów uderzają w szybę – możliwe są trzy scenariusze

  • Światło odbije się od ogniwa – zwłaszcza gdy nie pada na nie prostopadle – może dojść do takiej sytuacji
  • Przeniknie przez krzem – czyli wleci jedną, wyleci drugą stroną
  • Foton zostanie pochłonięty przez krzem – to jest sytuacja która interesuje nas najbardziej

Gdy pojedyncze ogniwo pochłonie foton, wtedy wiązka światła wybija określoną ilość elektronów ze strony w której jest ich najwięcej – czyli ze strony negatywnej (n). (Wyobraźcie sobie pocisk który trafił w butelkę, pocisk wybije w butelce dziurę). Powstałe „dziury elektronowe” zaczynają natychmiast zapełniać się ładunkami dodatnimi. Jako że pomiędzy nimi istnieje bariera potencjału – ładunki zaczynają przemieszczać się względem siebie – i w urządzeniu płynie prąd.

Domyślam się że może być to trochę skomplikowane. Ale cóż… nie wszystko musi być łatwe ;).

Jak się pewnie domyślacie – ilość energii elektrycznej generowanej w pojedynczym ogniwie jest niewielka. Dlatego ogniwa łączy się w moduły. A moduły w tablice. Takie moduły mogą być połączone ze sobą równolegle i szeregowo. Bardzo podobnie jak proste schematy elektryczne które przerabialiście na fizyce :). Każdy rodzaj połączenia, niesie za sobą pewne konsekwencje.

Wyobraźcie sobie domową instalację, złożoną z kilku modułów. Ładnie przekształca energię słońca w energię elektryczną, dzięki czemu oświetla Wam ogródek – ot taki przykład. Nadchodzi jesień, nie dość że liście spadają z drzew, to za oknem jeszcze pada deszcz. I taki nieszczęsny mokry liść – pac! – uderza w nasz moduł ogniw i zakrywa całkowicie lub częściowo pojedyncze ogniwo. W zależności od połączenia, cały system może zachować się na dwa różne sposoby.

  • Jeśli połączyliśmy wszystko równolegle – nie ma sprawy – stracimy moc tylko zasłoniętego ogniwa, na które dłużej nie padają promienie słoneczne.
  • Natomiast, jeśli moduły zostały połączone równolegle – moc generowana przez system diametralnie spadnie – przy całkowitym zacienieniu – nawet do 0

Sytuacje obrazuje wykres:

Na osi Y mamy moc generowaną przez 4 połączone ogniwa. Na osi X – stopień zasłonięcia jednego z tych ogniw dla połączenia równoległego (niebieska linia) i szeregowego (linia czerwona)

4. Od czego zależy?

Sprawność pojedynczego ogniwa zależy od kilku czynników, jak już wyżej wspomniałem – zacienienie jest jednym z nich. Co jeszcze?

  • Współczynnik odbicia promieniowania – nie każdy foton który dociera do powierzchni ogniwa, bierze udział w procesie generacji prądu. Niektóre z nich odbijają się od ogniwa i wracają w przestrzeń. Aby temu zapobiec, stosuje się specjalne powłoki, które pozwalają wychwycić więcej fotonów.
  • Temperatura na powierzchni ogniwa – bardzo istotny parametr, wbrew pozorom, wysoka temperatura wpływa negatywnie na wydajność ogniwa – w temperaturze zaczynającej się od 45 st. C, sprawność ogniwa zaczyna spadać. Spowodowane jest to złożonymi procesami, które zachodzą w krystalicznej strukturze krzemu. Optymalna temperatura zależy od materiału, z jakiego wykonane zostało ogniwo. Dla krzemu jest to ok. 20 st C. Również niska temperatura nie jest pożądana ze względu na zamrożenie procesów w strukturze krystalicznej.
  • Wpływ wiatru – tutaj trzeba spojrzeć na sprawę z dwojako. Długotrwały wpływ wiatru, może mechanicznie uszkodzić instalację montującą ogniwo – na przykład do dachu. W Polsce, średnia wartość nacisku powodowanego przez wiatr to 250 N/m2, co daje stały nacisk ok 25kg na każdy metr kwadratowy instalacji. Wyobraźcie sobie że na klatce piersiowej cały czas leży Wam kamień o wadze 25kg. Fajnie? No nie bardzo. Z drugiej jednak strony, wiatr chłodzi instalację, co jest szczególnie istotne latem. We Wrocławiu odnotowano wzrost wydajności o 12,5%, dzięki chłodzącemu wpływowi wiatru

5. Zalety i wady

Niewątpliwie słońce jest wręcz nieskończonym źródłem energii, które nie zostawia po sobie żadnych odpadów. Jest w stu procentach ekologiczne i nie wymaga dostarczenia żadnego paliwa. Więc skoro jest tak dobrze, to dlaczego jest tak źle? Po pierwsze, istnieje duży problem z przechowywaniem energii słonecznej – nie znamy wydajnych akumulatorów, które przetworzoną energię słońca mogłyby przechowywać dość długo. Co za tym idzie? Cykl dnia i nocy. Energia słońca użyteczna jest tylko w dzień – ma to związek z angielskim pojęcie intermittency (nieciągłość), tak długo jak nie potrafimy stworzyć sensownych systemów przechowywania energii, tak długo nie energia słońca nie stanie się dominującą. Dzisiejsze ogniwa mają średnią sprawność na poziomie 15-17%, najlepsze z nich dobijają do 20%. Rozwój technologii, pozwoli nam na generację większej ilości prądu elektrycznego co potencjalnie wpłynie na jego cenę.

Werdykt?

Zasoby energii słonecznej, jej rozwój nie pozwalają przejść obok tej technologii obojętnie i nie postrzegać jej jako najpoważniejszej czystej technologii zaopatrywania w energię w przyszłości, nie tylko na Ziemi, ale i innych planetach, jeśli kiedyś rozpoczniemy ich kolonizację.

6. Czy tak zielono?

Przyjęło się mówić, że energia słoneczna to najczystsza z dostępnych źródeł energii. Niewątpliwie, daleko w tyle zostawia energetykę konwencjonalną – ale spójrzmy szerzej, nie tylko na czas pracy ogniwa, ale i energii potrzebnej na stworzenie komponentów do produkcji ogniw czy późniejszego ich recyklingu. Są to procesy wysoce energochłonne, najpewniej energia w fabrykach modułów fotowoltaicznych pochodzi ze spalania kopalin, więc zanieczyszcza środowisko. Podobnie sytuacja ma się z recyklingiem. Czas życia ogniwa to 15-20 lat, później część materiałów da się odzyskać, jednak wciąż potrzebne do tego są nakłady energii.

 

Tym akcentem kończymy dzisiejszy felieton, w przyszłym tygodniu kontynuujemy rozważania nad energią słońca. Dzisiaj skupiliśmy się na produkcji energii elektrycznej, w przyszłym tygodniu porozmawiamy o kolektorach słonecznych i cieple 🙂

 

Pozdrawiam serdecznie
Paweł

P.S. Omówienie pytań drugiego quizu pojawi się w powniedziałek