KULA GAZOWA
Słońce jest kulą gazową o promieniu ponad 700000 km złożoną w dużej mierze z wodoru (92%) i helu (7,8%). Pozostałe 0,2% to takie pierwiastki jak węgiel, azot, tlen i żelazo. Na powierzchni Słońca panuje temperatura 5800K. Gwiazda wypromieniowuje z siebie energię sięgającą 400 milionów gigawatów. Energia ta wysyłana jest przez Słońce w postaci dwóch rodzajów promieniowania. Pierwszym z nich jest promieniowanie widzialne-światło białe, natomiast drugi typ to promieniowanie niewidzialne-podczerwone.
Do powierzchni Ziemi dociera tylko część energii słonecznej. Ulega ona częściowemu pochłonięciu i rozproszeniu przez gazy i cząstki w atmosferze ziemskiej. Ilość promieniowania docierająca do powierzchni Ziemi jest proporcjonalna do drogi jaką musi przebyć w atmosferze. Powoduje to zmiany w napromieniowaniu w różnych porach roku. W Polsce największe napromieniowanie występuje, gdy Słońce znajduje się nad zwrotnikiem Raka (21 czerwca). Najmniejsze - 22 grudnia, gdy słońce znajduje się nad zwrotnikiem Koziorożca. Różnica ta wynosi około 40%. Ponadto każdego dnia obserwujemy pozorny ruch słońca po nieboskłonie, powodujący zmiany intensywności promieniowania słonecznego w ciągu dnia. Osłabienie napromieniowania zależy również od zachmurzenia i zanieczyszczenia atmosfery.
GLOBALNY PROBLEM
Uwarunkowania te powodują, że możliwości wykorzystania energii słonecznej do produkcji energii elektrycznej i cieplnej nie są jednakowe dla wszystkich państw. Niestety, tam, gdzie jest najbardziej potrzebna (szczególnie energia cieplna), również jej pozyskanie ze Słońca jest utrudnione lub kilkakrotnie droższe niż w strefie tropikalnej lub podzwrotnikowej. Najbardziej nasłonecznione obszary nie pokrywają się z rejonami dużej urbanizacji i uprzemysłowienia. Drugim problemem, związanym z ruchem wirowym Ziemi, jest brak nasłonecznienia w porze nocnej, a tym samym koniecznością rozwiązania problemu magazynowania energii lub wykorzystywania, w tym czasie, innych nośników energii. Z punktu widzenia oszczędności konwencjonalnych źródeł energii w sensie globalnym, rozwiązanie problemu lokalnej energetyki narzuca potrzeby również globalnych działań. Dobrym rozwiązaniem jest budowanie elektrowni słonecznych rozrzuconych po całym kontynencie, czy to w Europie i Afryce Północnej, czy też w Ameryce, i sprzężenie ich w jeden system, także z innymi źródłami odnawialnymi. Nigdy nie dzieje się tak, że nie ma słońca na całym kontynencie. Kiedy w Hiszpanii są chmury, jest słonecznie w Turcji, na Sycylii lub w Tunezji – dzięki temu zawsze część elektrowni dostarcza energię. Do rozwiązania pozostaje oczywiście kwestia połączenia systemów energetycznych pomiędzy krajami.
DWIE METODY
Kraje o dużym potencjale ekonomicznym, takie jak Stany Zjednoczone, Niemcy, czy też Japonia, mogą pozwolić sobie, nawet w strefie umiarkowanej, na budowę elektrowni wykorzystujących energię słoneczną. Badania nad energetyką słoneczną skierowane są głównie na usprawnieniu przetwarzania energii słonecznej w elektryczną. Najczęściej stosowanymi i najbardziej badanymi metodami są: termiczna i fotoelektryczna. Istota metody termicznej polega na wykorzystaniu promieni słonecznych do wytwarzania gorącej pary. Skierowana do napędzania turbin generatorów tak wytworzona para powoduje powstanie prądu elektrycznego. Odbywa się to podobnie jak w klasycznych elektrowniach opalanych węglem. Druga z metod – fotoelektryczna – pozwala bezpośrednio uzyskać prąd elektryczny za pomocą baterii słonecznych. Działają one w oparciu o zjawisko fotowoltaniczne, zachodzące w półprzewodnikach. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował w roku 1839 francuski fizyk Edmund Becquerel.
POLSKIE REALIA
Wiele osób zadaje sobie pytanie, jakie są możliwości wykorzystania energii słonecznej w klimacie polskim. Często można spotkać się z opinią, że „w Polsce nie ma słońca.” Jest to oczywistym przekłamaniem, tym bardziej że Polska posiada jedne z najlepszych warunków do wykorzystywania energii słonecznej w naszej części Europy. Trudno obecnie powiedzieć, czy nasz kraj będzie stać na budowę elektrowni słonecznych. Oprócz walorów typowo oszczędnościowych naturalnych źródeł energii i braku negatywnych konsekwencji dla środowiska podczas eksploatacji – budowa elektrowni słonecznych jest bardzo kosztowna.
Możemy natomiast wykorzystać energię słoneczną do podgrzania wody użytkowej, tak w budynkach jednorodzinnych jak również w innych obiektach wykorzystujących w dużych ilościach ciepłą wodę użytkową. Oczywiście najlepiej, jeżeli odpowiednią instalację zaprojektujemy w nowo wnoszonych obiektach. Wykorzystać możemy różnego rodzaju kolektory. Zasada działania płaskich kolektorów słonecznych polega na absorbowaniu promieni słonecznych poprzez powłokę wykonaną z blachy miedzianej pokrytej czarnym chromem, tlenkiem tytanu lub innym związkiem chemicznym, zwaną „absorberem”, do której spodniej części przylutowane są miedziane kanały przepływowe dla płynu grzewczego. Oprócz kolektorów płaskich wyróżniamy również kolektory próżniowe, zwane także kolektorami rurowymi.
KOLEKTORY
Kolektor dostarcza ciepło najczęściej wtedy, gdy go nie potrzebujemy, czyli w ciągu dnia. A ciepłą wodę zużywamy zazwyczaj po południu i wieczorem. Żeby więc energię wyprodukowaną w ciągu dnia można było wykorzystać wieczorem, trzeba zgromadzić ją w zasobniku solarnym. Najbardziej rozpowszechnione są zasobniki dwusystemowe biwalentne. Znajdują się w nich dwa wymienniki ciepła. Dolnym przepływa czynnik roboczy z obiegu solarnego, górnym – woda ogrzana w kotle.
Firmy sprzedające i instalujące kolektory słoneczne proponują wykorzystywanie ich nie tylko do podgrzewania wody użytkowej, ale także wody na cele centralnego ogrzewania. Jest to możliwe jedynie w instalacjach niskotemperaturowych (zwłaszcza ogrzewania podłogowego), których czynnik grzewczy może mieć temperaturę około 40°C. Jednak potrzebne są wtedy kolektory o znacznie większej powierzchni i bardziej skomplikowanej instalacji niż w przypadku przygotowania ciepłej wody. Jest to rozwiązanie godne polecenia, ale tylko dla osób, które stać na taki wydatek. Z punktu widzenia ekonomiki inwestycji, nakłady są, przynajmniej narazie, zbyt wysokie w stosunku do zysków.
Ryszard Jerosz