Strony tytułowe zaprojektowała Anna Gogolewska

Redaktor inicjujący Agnieszka Nowak

Redaktor Maria Kasperska

Redaktor prowadzący Jolanta Kowalczuk

Koordynator produkcji Mariola Grzywacka

Opracowanie rysunków Katarzyna Gubrynowicz

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2012

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2012 r., (wyd. I)

Warszawa 2019

ISBN 978-83-01-20552-2

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: mobisfera.pl

Spis treści

1. Wstęp

2. Promieniowanie Słońca

3. Kolektory słoneczne

3.1. Kolektory dla basenów kąpielowych

3.2. Kolektory powietrzne

3.3. Kolektory cieczowe

3.3.1. Zasada działania

3.3.2. Magazynowanie ciepła

3.3.3. Kolektory próżniowe

3.4. Usytuowanie baterii kolektorów

3.5. Rozwój technologii kolektorów słonecznych

3.6. Światowy rynek kolektorów słonecznych

3.7. Kolektory słoneczne w Unii Europejskiej

3.8. Rynek kolektorów słonecznych w Polsce

3.9. Zalety kolektorów słonecznych

3.10. Finansowe wsparcie budowy kolektorów słonecznych

4. Ogniwa fotowoltaiczne

4.1 .Wstęp

4.2. Energia elektryczna z odnawialnych źródeł

4.3. Energia elektryczna z promieniowania słonecznego

4.4. Ogniwa fotowoltaiczne

4.4.1. Zjawisko Fotoelektryczne

4.4.2. Typy ogniw fotowoltaicznych

4.4.3. Systemy fotowoltaiczne

4.5. Rozwój fotowoltaiki w Niemczech

4.6. Rozwój fotowoltaiki w innych krajach

4.7. Mechanizmy wsparcia rozwoju fotowoltaiki

4.8. Magazynowanie energii

4.9. Zastosowania systemów fotowoltaicznych

4.10. Podsumowanie

5. Elektrownie słoneczne

5.1. Wstęp

5.2. Rodzaje elektrowni słonecznych

5.3. Światowy rozwój elektrowni słonecznych

5.4. Program DESERTEC

5.5. Elektrownia słoneczna na orbicie okołoziemskiej

6. Zakończenie

1 Wstęp

Nasza planeta, Ziemia, jest szczęśliwym dzieckiem kosmosu. Jako planeta jeszcze nie wygasła, dlatego do jej powierzchni dociera z wnętrza stały, znaczny strumień energii. Ponadto nieporównanie więcej energii dociera do Ziemi z kosmosu, od jej najbliższej gwiazdy, którą nazywamy Słońcem. Jednak nie na tym polega uprzywilejowane miejsce Ziemi w kosmosie. Gdyby krążyła ona po peryferiach Układu Słonecznego, na nic by się zdały te dwa strumienie energii – słoneczny i geotermalny. Ziemia byłaby wtedy zimną, zamrożoną kulą, bez szansy na istnienie na niej życia.

Gdyby z kolei orbita Ziemi przebiegała zbyt blisko Słońca, wówczas temperatura na jej powierzchni byłaby zbyt wysoka, aby mogło rozwinąć się życie. Na stronie zwróconej ku Słońcu na Merkurym temperatura wynosi ponad 300°C, podczas gdy na stronie przeciwnej zaledwie –170°C.

Uprzywilejowane położenie Ziemi względem Słońca nie jest jedynym czynnikiem umożliwiającym powstanie na niej życia. Cr dyby nie utworzyła się wokół naszej planety atmosfera o bardzo szczególnym składzie, energia słoneczna byłaby wypromieniowana z powrotem w kosmos, a temperatura na powierzchni Ziemi byłaby wysoce ujemna.

Warto uświadomić sobie, że atmosfera, jaka w toku długiego, ewolucyjnego procesu otoczyła Ziemię, jest bardzo cienką warstewką, niezwykle wrażliwą na oddziaływania zewnętrzne.

Spójrzmy na globus. Jeżeli założymy, że jego średnica wynosi 50 cm, to grubość atmosfery wyniesie 2-3 cm. Na jej skład jest w stanie oddziaływać nawet takie pojedyncze zjawisko, jak erupcja wulkanu czy uderzenie w Ziemię potężnego meteorytu. Ostatnio człowiek, przez swą działalność gospodarczą, jest w stanie wpływać na jej skład i właściwości.

Nawet jednak obydwa te czynniki razem, tzn. uprzywilejowane położenie w obrębie Układu Słonecznego oraz otoczenie się atmosferą, nie stanowią wystarczających warunków do tego, aby na Ziemi rozwijało się życie w znanych nam formach. Podstawowe znaczenie ma bowiem skład atmosfery. Jak wiadomo, głównymi jej składnikami są: azot (78,08%) i tlen (20,05%) oraz argon (0,93%). Razem stanowi to 99,96% składu atmosfery. Gdyby jednak zabrakło w jej składzie malej domieszki (0,04%) innych gazów, średnia temperatura przy powierzchni Ziemi byłaby na poziomie –29°C, a tymczasem wynosi ona ok. +15°C. Dzieje się tak dzięki istnieniu tzw. gazów cieplarnianych, które mają tę właściwość, że absorbują promieniowanie w paśmie podczerwieni. Tak się składa, że akurat w tym paśmie (3-30 μm) powierzchnia Ziemi wypromieniowuje energię w kosmos. Część tej energii zatrzymują właśnie gazy cieplarniane, do których należy para wodna, a także dwutlenek węgla, metan i podtlenek azotu. To im zawdzięczamy fakt, że żyjemy. Ale każda przesada jest niebezpieczna. Przykładem może być Wenus, na której panuje temperatura ok. 450°C, głównie dlatego, że 98% jej atmosfery stanowi dwutlenek węgla.

Jak widać, dzięki całemu ciągowi niezwykle korzystnych czynników, jakie zachodziły w długiej historii naszej planety, mogło się na niej narodzić i rozkwitnąć życie w formach, jakie znamy. I znowu nie byłoby to możliwe, gdyby pierwotne organizmy nie nauczyły się absorbować dwutlenku węgla z powietrza i w procesie fotosyntezy wbudowywać pierwiastek węgiel w swoje tkanki. Ten tajemniczy proces, który przed miliardami lat „wymyśliła” przyroda, jest szczególnie ważny w opisywanym ciągu zdarzeń prowadzących do istnienia życia w znanych nam formach na planecie Ziemia. Przecież to rośliny decydują o tym, że żyjemy. Rosnąc, pochłaniają dwutlenek węgla i oddają do atmosfery czysty tlen. Są one na początku łańcucha troficznego, nimi bowiem żywią się zwierzęta i człowiek – bezpośrednio, spożywając produkty roślinne, lub pośrednio, przez jedzenie mięsa zwierząt. Tak czy inaczej, materia organiczna po jakimś czasie obumiera i powoli rozkładając się z powrotem oddaje węgiel do atmosfery w formie dwutlenku węgla lub też w procesie beztlenowym w formie metanu. Proces ten może być gwałtownie przyśpieszony w czasie spalania lub też niezwykle spowolniony, kiedy materia organiczna zalega w głębszych warstwach bez dostępu powietrza. Pierwiastek węgiel jest wtedy „uwięziony” przez miliony lat w formie tzw. paliw kopalnych: węgla, ropy naftowej, gazu ziemnego, a teraz wydobywany w bardzo krótkim czasie i spalany, przez co olbrzymie ilości dwutlenku węgla (rzędu 30 mld ton rocznie) znów powracają do atmosfery.

Przypomnijmy, że na początku tego całego ciągu nadzwyczaj korzystnych okoliczności jest Słońce. To Słońcu zawdzięczamy położenie orbity i wielkość naszej planety, powstanie i skład atmosfery, a wreszcie życie roślin i człowieka.

Ale to w dalszym ciągu jeszcze nie wszystko. Przecież cywilizacja ludzka rozwinęła się dzięki użyciu energii w coraz większych ilościach. Paleontolodzy, badając prastare istoty żyjące w jaskiniach, sprawdzają, czy nie odnajdą zwęglonych szczątków pożywienia. Świadome wykorzystywanie ognia jest bowiem wskazówką, że były to istoty ludzkie. Wykorzystanie ognia przez człowieka otwierało wrota do rozwoju cywilizacyjnego. A przecież biomasa jako paliwo jest efektem procesu fotosyntezy, napędzanej energią słoneczną, a więc pierwotnym jej źródłem jest Słońce.

W miarę rozwoju cywilizacji człowiek nauczył się korzystać z energii wody i z energii wiatru, których źródłem jest też Słońce. To energia jego promieniowania czyni, że woda paruje i, skraplając się, zasila rzeki, a powierzchnia gruntu, oceanów nagrzewa się pod wpływem promieni słonecznych, powodując ruch atmosfery nazywany wiatrem.

Aż do XIX wieku, a w wielu krajach nawet do XX wieku, niemal cala energia wytwarzana przez człowieka pochodziła z drewna, wody i wiatru, a więc ze źródeł odnawialnych, które z kolei Słońcu zawdzięczały swą energię.

Wreszcie człowiek sięgnął do pokładów pierwiastka węgiel zgromadzonych pod ziemią w postaci złóż węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego, utworzonych z roślin żyjących na Ziemi w poprzednich epokach geologicznych. Koncentracja energii na jednostkę masy w paliwach kopalnych jest kilkakrotnie większa niż w biomasie, a przy tym wydobywanie tych kopalin zapobiegło wycinaniu i niszczeniu lasów na cele energetyczne w krajach, które weszły w stadium rewolucji przemysłowej XIX i XX wieku. Trzeba przyznać, że wykorzystanie na coraz większą skalę paliw kopalnych spowodowało niezwykle przyśpieszenie postępu technicznego w wielu gałęziach przemysłu w krajach gospodarczo rozwiniętych, a rewolucja energetyczna XX wieku pozwoliła na rewolucję transportową i budowlaną, a także wzrost wydajności w rolnictwie, dzięki mechanizacji prac polowych. Wystarczy wspomnieć, że dopiero w 1908 roku Ford uruchomi! pierwszą linię produkcyjną samochodów, w 1903 roku odbyły się pierwsze udane loty braci Wright, w 1917 roku w USA wyjechał na pole pierwszy traktor o napędzie spalinowym, a zastosowanie elektrycznych wind umożliwiło budowę pierwszych wieżowców w Nowym Jorku w latach osiemdziesiątych XIX wieku, co zrewolucjonizowało budownictwo w szybko rosnących metropoliach całego świata w XX stuleciu.

Warto dodać, że w ciągu XX wieku ludność świata zwiększyła się czterokrotnie (osiągając liczbę ok. 6 mld pod koniec tego wieku), a zużycie energii wzrosło aż 60-krotnie. Same tylko Stany Zjednoczone w drugiej połowie XX wieku zużyły więcej energii niż ludzkość od zarania swoich dziejów. Faktem jest, że powszechne użycie paliw kopalnych gwałtownie przyśpieszyło rozwój cywilizacji, ale także umożliwiło prowadzenie dwóch wojen globalnych, najstraszniejszych w dziejach ludzkości, które wcześniej nie byłyby możliwe na tak wielką skalę.

Obecnie, na początku XXI wieku, ludzkość coraz bardziej dostrzega wady, jakie cechują paliwa kopalne. Przede wszystkim to, że ich złoża występują tylko w niewielkiej liczbie krajów, czerpiących z tego znaczne zyski i chętnie wykorzystujących te zasoby do gospodarczego bądź politycznego uzależniania innych krajów, aż do działań zbrojnych włącznie. Złoża te nie są oczywiście niewyczerpalne. Wiele prognoz wskazuje, że za kilkadziesiąt lat liczące się i warte wydobycia zasoby węgla, ropy i gazu będą jeszcze tylko w kilku krajach świata. To będzie powodować rosnącą zależność wszystkich innych krajów, a także szybki wzrost cen tych kopalin na rynkach światowych.

Inną istotną wadą spalania kopalin jest zanieczyszczanie środowiska, jakie ten proces powoduje. W drugiej połowie XX wieku najbardziej uciążliwe były tzw. kwaśne deszcze w Europie i w Ameryce Północnej, spowodowane emisją tlenków siarki i azotu ze spalania węgla oraz smog kwaśny zimą w miastach w wyniku emisji pyłów, tlenków siarki i azotu z niskich kominów i smog utleniający w gorące, letnie dni powodowany przez pojazdy samochodowe. Jednak te zanieczyszczenia atmosfery, jakkolwiek niebezpieczne dla zdrowia ludzi i dla przyrody, miały charakter lokalny lub regionalny, a w skrajnych przypadkach był to problem na skalę kilku państw. Tymczasem w XXI wieku największym zagrożeniem dla całej cywilizacji stała się emisja dwutlenku węgla z paliw kopalnych, gdy w procesie ich spalania uwalniany jest do atmosfery węgiel zgromadzony przez przyrodę przed milionami lat. W 2007 roku światowa emisja dwutlenku węgla przekroczyła 30 mld ton rocznie i nadal rośnie. Nic dziwnego, że antropogenna emisja tego gazu do atmosfery spowodowała już wzrost jego stężenia o 40% w stosunku do ery przedindustrialnej, a obecne stężenie CO_2, wynoszące 392 ppm, nie ma precedensu w ostatnich kilkuset tysiącach lat. A przecież dwutlenek węgla jest gazem cieplarnianym, więc wzrost jego zawartości w atmosferze Ziemi musi prowadzić do wzrostu jej temperatury. I tak też się dzieje. Już obecnie notuje się w skali globalnej wzrost średniorocznej temperatury przy powierzchni ziemi o ok. 0,8°C, a prognozy wskazują, że za 30-40 lat wzrost ten może osiągnąć 2-3°C. Zaburzenia równowagi w atmosferze spowodowane przez działalność człowieka mogą okazać się wtedy dramatyczne. W krajach bogatych należy się liczyć z ogromnymi stratami w infrastrukturze technicznej w wyniku takich zjawisk jak powodzie, susze, huragany o coraz większej sile niszczenia, a wreszcie podnoszenie się poziomu mórz. Straty te już teraz idą w dziesiątki, a w przyszłości w setki miliardów dolarów rocznie. Najbardziej jednak ucierpią kraje biedne, zwane krajami rozwijającymi się. Dla nich wspomniane kataklizmy będą zabójcze ekonomicznie, a nieurodzaj w wyniku suszy będzie powodować coraz częstsze klęski głodu i migracje na niespotykaną dotąd skalę.

Wyczerpywanie się zasobów paliw kopalnych, wzrost ich cen, rosnąca zależność od krajów posiadających ich złoża, a także klimatyczne konsekwencje ich spalania, które mogą się okazać dramatyczne dla całej ludzkości, są czynnikami, które wskazują na to, że era paliw kopalnych na planecie Ziemia zbliża się do końca. W tej sytuacji ludzkość ma dwie możliwości uniknięcia globalnego kryzysu energetycznego, który zahamowałby rozwój gospodarczy i cywilizacyjny. Jedną z nich jest zastosowanie energii jądrowej, a w przyszłości może i termojądrowej, a drugą – wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. Zapewne do jakiegoś czasu obydwie drogi będą przebiegały równolegle. Trzeba jednak zaznaczyć, że uran też jest paliwem kopalnym o ograniczonych zasobach, którymi dysponują tylko nieliczne kraje.

Opanowanie przez człowieka kontrolowanej energii termojądrowej do wytwarzania czystej energii byłoby epokowym wynalazkiem. Obydwie technologie jądrowe zawsze jednak będą bardzo skomplikowane, na wysokim poziomie technicznym, bardzo drogie inwestycyjnie, a to wszystko czyni je dostępnymi tylko w krajach gospodarczo rozwiniętych, o wysokiej kulturze technicznej i zasobnych w środki finansowe.

Rysunek 1.1. Ilustracja wielkości rocznego strumienia energii ze źródeł odnawialnych w stosunku do zużycia energii przez ludzkość w 2010 roku

Druga możliwość, polegająca na jak najszerszym zastosowaniu wszystkich rodzajów odnawialnych źródeł energii, jest natomiast ofertą dla wszystkich krajów świata. Łączne światowe zasoby energii biomasy, wiatru, wody, Słońca, wraz z energią geotermalną, energią fal i pływów morskich wielokrotnie przekraczają nie tylko obecne potrzeby ludzkości, ale i potrzeby, jakie mogą się pojawić nawet w dalekiej przyszłości. Na rysunku 1.1 przedstawiona jest schematycznie wielkość rocznego strumienia energii na powierzchni Ziemi z poszczególnych źródeł odnawialnych w porównaniu do obecnego światowego zapotrzebowania na energię.

Z rysunku wynika, że każde z odnawialnych źródeł energii jest w stanie w całości pokryć światowe zapotrzebowanie na energię. Jednak w każdym z krajów zasoby tych źródeł występują w różnych proporcjach. Nie wszędzie opłaca się instalować elektrownie wiatrowe, w krajach nizinnych energetyczny potencjał rzek jest mały, produkcja biomasy do celów energetycznych nie powinna konkurować z produkcją żywności, nadmierne wycinanie lasów jest gospodarką rabunkową itd. Każdy kraj powinien sam określić optymalną dla siebie strategię wykorzystania tych przyjaznych dla środowiska źródeł energii. Energia ze źródeł odnawialnych jest produkowana na rynki lokalne, w dużym rozproszeniu, a więc jest dostępna wszędzie, daje zatrudnienie na lokalnych rynkach pracy, jest tania w eksploatacji, zapewnia bezpieczeństwo energetyczne, uniezależniając od importu paliw.

Każdy z rodzajów odnawialnych źródeł energii ma jednak swoje mniejsze lub większe limity, oprócz jednego – energii promienistej Słońca. Wystarczy zaledwie 0,03% tej energii, aby pokryć cale zapotrzebowanie na energię ludzkości. Problem z wykorzystaniem energii Słońca polega jednak na tym, że gdy dochodzi ona do powierzchni Ziemi, jest silnie rozproszona, zatem na jednostkę powierzchni przypada mała jej „gęstość”, a poza tym jej natężenie jest bardzo zmienne w czasie, w ciągu godziny, doby, pory roku. Człowiek nauczył się już koncentrować ją w celu energetycznego wykorzystania zarówno do podgrzewania wody dla celów sanitarnych i centralnego ogrzewania, jak i do wytwarzania prądu elektrycznego. Ciągle jeszcze czyni to mało efektywnie, zwłaszcza jeśli chodzi o magazynowanie energii już wytworzonej. Warto jednak przypomnieć, że energetyka słoneczna jest bardzo młodą dziedziną techniki i z pewnością czekają nas jeszcze wynalazki i ulepszenia, które doprowadzą do stanu, w którym będzie ona konkurencyjna w stosunku do wszystkich innych sposobów wytwarzania energii. Niezwykle dynamiczny rozwój w ostatniej dekadzie zarówno w zakresie instalowania kolektorów słonecznych, paneli fotowoltaicznych, jak i całych elektrowni słonecznych pozwala przypuszczać, że już za 10-20 lat techniki solarne będą stanowiły znaczącą część energetyki światowej, a po 2050 roku nadejdzie dla ludzkości era Słońca. Jeżeli tak się stanie, to wszystkie kraje świata będą miały dostęp do czystego, całkowicie bezpiecznego, a co najważniejsze bezpłatnego paliwa, co pozwoli im na rozwój gospodarczy i cywilizacyjny, a wtedy wszelkie konflikty polityczne o dostęp i użytkowanie zasobów energii przestaną istnieć.

Obecnie jesteśmy dopiero na początku drogi do świadomego wykorzystywania najbardziej czystego i niewyczerpalnego źródła energii, jakim na naszej planecie dysponujemy. Przecież jeszcze 30 lat temu techniki solarne były tylko ciekawostkami, a panele fotowoltaiczne montowane były jedynie na statkach kosmicznych, bo ich cena odstraszała od zastosowań na dużą skalę. Dziś obroty na tym rynku są rzędu dziesiątek miliardów dolarów i powiększają się z dynamiką 20-60% rocznie. Nie jest to więc rynek peryferyjny, ale coraz bardziej znacząca gałąź przemy-siu, stale przy tym fascynująca dla wielu grup naukowców. Niestety, opinia publiczna w wielu krajach nadal uznaje, że zastosowanie technik solarnych w umiarkowanym klimacie jest kosztowną zabawką bez większych szans na rozwój. Głównym celem napisania tej książki jest zapoznanie szerokich kręgów czytelników, w szczególności polityków, dziennikarzy, studentów i inżynierów różnych specjalności, a także wszystkich, którzy interesują się przyszłością kraju i świata, z aktualnym stanem tych technik, z ich problemami i dynamicznym rozwojem, jaki dokonuje się na naszych oczach. Państwa, które już teraz zrozumieją doniosłość i przyszłościowy charakter tego sektora energetyki, skorzystają najwięcej. Czy wśród nich będzie także Polska?