Energetyka słoneczna – gałąź przemysłu zajmująca się wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego zaliczanej do odnawialnych źródeł energii. Od początku XXI wieku rozwija się w tempie około 40% rocznie[1]. W 2011 roku łączna moc zainstalowanych ogniw słonecznych wynosiła 67 GW i zaspokajały one 0,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną[2].
Spis treści |
Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m² (patrz stała słoneczna). Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów. Około 30% tej mocy jest odbijane natychmiast w kosmos, a kolejne 20% jest pochłaniane przez atmosferę[4][5]. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, co oznacza średnio około 180 W/m²[5]. Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać nawet 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic. Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe. Sumaryczna energia jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku wynosi od 600 kWh/m²/rok w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce[6]. W Polsce wynosi około 1100 kWh/m²/rok[7].
Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy[8]. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności jak i paliw kopalnych. Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. W ciągu pół roku do Ziemi dociera tyle energii słonecznej, ile zawierają w sumie wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy, gazu i uranu[3].
Cała energia promieniowania słonecznego pochłonięta przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez rośliny i zwierzęta, przekształca się w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.
Ogniwo fotowoltaiczne to urządzenie służące do bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, poprzez wykorzystanie półprzewodnikowego złącza typu p-n, w którym pod wpływem fotonów, o energii większej niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika, elektrony przemieszczają się do obszaru n, a dziury (nośniki ładunku) do obszaru p. Takie przemieszczenie ładunków elektrycznych powoduje pojawienie się różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.
Po raz pierwszy efekt fotowoltaiczny zaobserwował A.C. Becquerel w 1839 r. w obwodzie oświetlonych elektrod umieszczonych w elektrolicie, a obserwacji tego zjawiska na granicy dwóch ciał stałych dokonali 37 lat później W. Adams i R. Day.
Obecnie znanych jest wiele typów materiałów umożliwiających uzyskanie efektu fotowoltaicznego. W przemyśle najczęściej wykorzystywane są ogniwa zbudowane na bazie krzemu monokrystalicznego, ale produkuje się też ogniwa oparte o krzem polikrystaliczny, krzem amorficzny, polimery, tellurek kadmu (CdTe), CIGS i wiele innych. Intensywny rozwój przemysłu fotowoltaicznego w ostatnich latach pociąga za sobą duże zainteresowanie badaniami nad wydajniejszymi i tańszymi ogniwami.
Konwersja fototermiczna, to bezpośrednia zamiana energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. W zależności od tego, czy do dalszej dystrybucji pozyskanej energii cieplnej używa się dodatkowych źródeł energii (na przykład do napędu pomp), wyróżnia się konwersję fototermiczną pasywną oraz aktywną. W przypadku konwersji pasywnej, ewentualny przepływ nośnika ciepła (na przykład powietrza lub ogrzanej wody) odbywa się jedynie w drodze konwekcji. W przypadku konwersji aktywnej, używane są pompy zasilane z dodatkowych źródeł energii.
Konwersja fototermiczna pasywna wykorzystywana jest głównie w małych instalacjach m.in. do pasywnego ogrzewania budynków. Szczególnie efektywną metodą takiego ogrzewania jest ściana Trombe'a. Wykorzystanie różnicy gęstości pomiędzy powietrzem ogrzanym, a powietrzem chłodnym pozwala na wymuszenie takiego przepływu ciepła, że do budynku jest zasysane chłodne powietrze z zewnątrz. Urządzeniem wykorzystującym to zjawisko do chłodzenia i wentylacji budynków jest komin słoneczny. Konwersję pasywną wykorzystuje się również w termosyfonowych podgrzewaczach wody, w których kolektor jest niżej od zbiornika ciepłej wody oraz przy suszeniu płodów rolnych.
Konwersja fototermiczna aktywna wykorzystywana jest głównie do podgrzewania wody. Popularne są zarówno zastosowania w domkach jednorodzinnych (2-6 m² kolektorów słonecznych) jak i duże instalacje (o powierzchni kolektorów słonecznych powyżej 500 m²) (ciepłownie) dostarczające ciepłą wodę do budynków wielorodzinnych, dzielnic, czy miasteczek.
Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego.
W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi efuzja możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie wirówek. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń ich szybkie zużywanie i małą sprawność.
Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem.
Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były zawsze wielokrotnie wyższe niż przy wykorzystaniu innych źródłeł energii, przez długi czas była ona stosowana jedynie tam, gdzie wykorzystanie innych źródeł było bardzo utrudnione lub niemożliwe. Przykładem takich zastosowań były:
Od początku XXI wieku różne państwa zaczęły wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalancji słonecznych: min. Niemcy, Czechy, Francja, Grecja, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania, Słowacja, Serbia, Bułgaria, Chiny, Tajwan, Indie, Korea Południowa. Wywołało to gwałtowny rozwój fotowoltaiki przemysłowej. Od 2000 roku produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40% rocznie[1]. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy 277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej mocy 24 047 MW. Wzrost ten spowodował stopniowy spadek cen ogniw słonecznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5$/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3$/wat[9].
Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w poszczególnych krajach w MW[11][12][13][2]:
| Region | 2006 | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 | 2011 | Wzrost 2011/2010 | Udział |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Niemcy | 2 899 | 4 170 | 6 120 | 9 914 | 17 320 | 24 700 | 42,6% | 36,7% |
 Włochy | 50 | 120 | 458 | 1 181 | 3 502 | 12 500 | 256,9% | 18,6% |
 Japonia | 1 708 | 1 918 | 2 144 | 2 627 | 3 617 | 4 700 | 29,9% | 7,0% |
 Stany Zjednoczone | 624 | 830 | 1 168 | 1 641 | 2 519 | 4 200 | 66,7% | 6,2% |
 Hiszpania | 148 | 705 | 3 463 | 3 523 | 3 892 | 4 200 | 7,9% | 6,2% |
 Chińska Republika Ludowa | 80 | 100 | 145 | 373 | 893 | 2 900 | 224,7% | 4,3% |
 Francja | 43 | 75 | 81 | 261 | 1 025 | 2 500 | 143,9% | 3,7% |
 Czechy | 1 | 4 | 65 | 463 | 1 953 | 2 000 | 2,4% | 3,0% |
 Belgia | 4 | 23 | 94 | 379 | 803 | 1 500 | 86,8% | 2,2% |
 Australia | 70 | 82 | 104 | 183 | 503 | 1 200 | 138,6% | 1,8% |
 Wielka Brytania | 14 | 18 | 22 | 26 | 71 | 750 | 956,3% | 1,1% |
 Korea Południowa | 35 | 81 | 357 | 441 | 572 | 600 | 4,9% | 0,9% |
 Grecja | 7 | 9 | 20 | 56 | 206 | 550 | 167,0% | 0,8% |
 Kanada | 20 | 25 | 32 | 94 | 199 | 500 | 151,3% | 0,7% |
 Słowacja | 0 | 0 | 0 | 0 | 145 | 500 | 244,8% | 0,7% |
 Indie | 30 | 50 | 90 | 120 | 189 | 450 | 138,1% | 0,7% |
 Ukraina | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 140 | - | 0,2% |
 Portugalia | 3 | 17 | 68 | 102 | 130 | 0,2% | ||
 Austria | 25 | 27 | 32 | 52 | 102 | 0,2% | ||
 Szwajcaria | 29 | 36 | 47 | 73 | 100 | 0,1% | ||
 Holandia | 52 | 52 | 56 | 67 | 96 | 0,1% | ||
 Izrael | 1 | 1 | 3 | 21 | 61 | 0,1% | ||
 Meksyk | 19 | 20 | 21 | 25 | 28 | 0,0% | ||
 Bułgaria | 0 | 0 | 2 | 8 | 17 | 0,0% | ||
 Malezja | 5 | 7 | 8 | 11 | 14 | 0,0% | ||
 Szwecja | 4 | 6 | 7 | 8 | 10 | 0,0% | ||
 Norwegia | 7 | 8 | 8 | 8 | 9 | 0,0% | ||
 Dania | 2 | 3 | 3 | 4 | 7 | 0,0% | ||
 Finlandia | 4 | 4 | 4 | 4 | 6 | 0,0% | ||
 Turcja | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 0,0% | ||
| Świat | 7 013 | 9 571 | 15 900 | 23 042 | 39 777 | 67 350 | 69,3% | 100,0% |
Według Urzędu Regulacji Energetyki, całkowita moc ogniw fotowoltaiczych w Polsce na koniec roku 2011 wynosiła około 2 MW.
Lista systemów fotowoltaicznych w Polsce o mocy powyżej 20 kW[14]:
