Kaj običajno imenujemo sončna energija? To je energija, ki jo proizvaja sonce v obliki svetlobe in toplote. Poleg tega obstajajo sekundarne oblike sončne energije, kot sta energija vetra in valov. Vse te vrste energije predstavljajo večino zemeljske obnovljive energije.
Zemlja prejme 174 petavatov (PW) sončnega sevanja v zgornjih plasteh ozračja. 30 % se odbije nazaj v vesolje, ostalo pa absorbirajo oblaki, oceani in kopno. Zemljina površina, oceani in ozračje absorbirajo sončno sevanje, kar poveča njihovo temperaturo. Topel zrak, ki vsebuje vodo iz oceanov, se dviga, kar povzroča konvekcijo. Ko zrak doseže visoko nadmorsko višino, kjer je temperatura nizka, se vodna para kondenzira v oblake in povzroči dež. Latentna toplota kondenzacije vode povečuje konvekcijo, kar povzroča veter. Energijo absorbirajo oceani in kopno, pri čemer ohranjajo povprečno temperaturo površine okoli 14 C.
Zelene rastline pretvarjajo sončno energijo v kemično energijo s fotosintezo. Naša proizvodnja hrane je v celoti odvisna od sončne energije. Po svojem življenju rastline umrejo in razpadejo v Zemljo, tako sončna energija zagotavlja biomaso, ki je ustvarila fosilna goriva, ki jih poznamo.
Načini izrabe sončne energije
Ljudje uporabljajo sončno energijo v številnih različnih oblikah: za ogrevanje in hlajenje prostorov, proizvodnjo destilacije pitne vode, dezinfekcijo, razsvetljavo, pripravo tople vode in kuhanje. Načini izkoriščanja sončne energije so omejeni le s človeško iznajdljivostjo.
Solarne tehnologije so pasivne ali aktivne, odvisno od načina zajemanja energije, ki se nato pretvori in porazdeli.
Aktivne solarne tehnologije
Aktivne solarne tehnologije vključujejo fotovoltaični paneli in sončni toplotni kolektorji.
Pasivne solarne tehnologije
Pasivne metode vključujejo usmerjenost objekta proti soncu za čim večji prejem dnevne svetlobe in toplote ter izbor materialov z želenimi toplotnimi lastnostmi.
Našo trenutno odvisnost od fosilnih goriv počasi nadomeščajo alternativni viri energije. Nekatera goriva lahko sčasoma postanejo neuporabna, vendar sončna energija ne bo nikoli zastarela, nadzorovana s strani tujih sil ali zmanjkalo. Sonce uporablja lastne zaloge vodika, proizvajalo bo uporabno energijo, dokler ne poči. Izziv, s katerim se soočajo ljudje, je zajeti to energijo, zaenkrat pa je najlažji način za to uporaba fosilnih goriv.
Sončna energija se uporablja kot vir električne in toplotne energije. Je okolju prijazen, pri njegovi predelavi ne nastajajo škodljivi izpusti. Ta razmeroma nov način pridobivanja električne energije se je začel razvijati sredi 2000-ih, ko so države EU začele izvajati politike za zmanjšanje odvisnosti od ogljikovodikov za proizvodnjo električne energije. Drugi cilj je bilo zmanjšanje emisij toplogrednih plinov. V teh letih so se stroški proizvodnje solarnih panelov začeli zniževati, njihova učinkovitost pa se je začela povečevati.
Tropska in subtropska podnebna območja so najbolj ugodna glede dnevne svetlobe in količine sončne svetlobe, prejete skozi vse leto. V zmernih zemljepisnih širinah je poletna sezona najbolj ugodna, v ekvatorialnem pasu pa je oblačnost sredi dneva negativen dejavnik.
Lahko se izvede z vmesnim termičnim postopkom ali neposredno skozi. Fotovoltaične postaje dobavljajo električno energijo neposredno v omrežje ali pa služijo kot vir avtonomnega napajanja porabnika. Termosončne postaje se uporabljajo predvsem za pridobivanje toplotne energije s segrevanjem različnih hladilnih tekočin, kot sta voda in zrak.
Od leta 2011 so vse sončne elektrarne na svetu proizvedle 61,2 milijarde kilovatnih ur električne energije, kar ustreza 0,28 % celotne svetovne proizvedene električne energije. Ta obseg je primerljiv s polovico proizvodnje električne energije iz hidroelektrarn v Rusiji. Svetovne fotovoltaične elektrarne so v glavnem koncentrirane v majhnem številu držav: leta 2012 je imelo 7 vodilnih držav 80 % skupne zmogljivosti. Industrija se je najhitreje razvijala v Evropi, kjer je bilo skoncentriranih 68 % instaliranih zmogljivosti na svetu. Na prvem mestu je Nemčija, ki (2012) predstavlja približno 33 % svetovne zmogljivosti, sledijo ji Italija, Španija in Francija.
Leta 2012 je instalirana moč sončnih fotovoltaičnih elektrarn po vsem svetu znašala 100,1 GW, kar je manj kot 2 % celotnega svetovnega elektroenergetskega sektorja. Med letoma 2007 in 2012 se je ta obseg povečal za 10-krat.
Na Kitajskem, v ZDA in na Japonskem so bile nameščene zmogljivosti sončne energije 7-10 GW. V zadnjih nekaj letih se je sončna energija posebej hitro razvijala na Kitajskem, kjer se je skupna zmogljivost fotovoltaičnih elektrarn v državi povečala za 10-krat v 2 letih - z 0,8 GW leta 2010 na 8,3 GW leta 2012. Japonska in Kitajska zdaj predstavljata 50 % svetovnega trga sončne energije. Kitajska namerava leta 2015 pridobiti 35 GW električne energije iz solarnih naprav. To je posledica vedno večjega povpraševanja po energiji, pa tudi potrebe po boju za čisto okolje, ki trpi zaradi izgorevanja fosilnih goriv.
Po napovedih Japonskega združenja za fotovoltaično energijo bo do leta 2030 skupna zmogljivost sončnih elektrarn na Japonskem dosegla 100 GW.
Indija namerava srednjeročno povečati zmogljivost solarnih naprav za 10-krat, to je z 2 GW na 20 GW. Cena sončne energije v Indiji je že dosegla 100 dolarjev za 1 megavat, kar je primerljivo z energijo, proizvedeno v državi iz uvoženega premoga ali plina.
Le 30 odstotkov podsaharske Afrike ima dostop do . Tam se razvijajo avtonomne solarne instalacije in mikroomrežja. Afrika kot regija z močno rudarsko industrijo si na ta način obeta alternativo dizelskim elektrarnam, pa tudi zanesljiv rezervni vir za nezanesljiva električna omrežja.
Rusija je trenutno v obdobju nastajanja sončne energije. Prva fotonapetostna postaja z močjo 100 kW, ki se nahaja v regiji Belgorod, je bila zagnana leta 2010. Solarne polikristalne plošče zanj so bile kupljene v Rjazanski tovarni kovinsko-keramičnih naprav. V Republiki Altaj se je leta 2014 začela gradnja sončne elektrarne z močjo 5 MW. Razmišljajo tudi o drugih možnih projektih na tem območju, med drugim na Primorskem in Stavropolskem ozemlju ter v Čeljabinski regiji.
Kar zadeva sončno toplotno energijo, je po podatkih Renewable Energy Policy Network za 21. stoletje leta 2012 njena svetovna instalirana zmogljivost znašala 255 GW. Večina te toplotne zmogljivosti je na Kitajskem. V strukturi takšnih zmogljivosti imajo glavno vlogo postaje, namenjene neposredno ogrevanju vode in zraka.
Princip pretvorbe sončne energije, njegova uporaba in možnosti
Tradicionalnih virov energije je na svetu vse manj. Zaloge nafte, plina in premoga se izčrpavajo in vse gre v smeri tega, da jih bo prej ali slej zmanjkalo. Če do tega trenutka ne bodo najdeni alternativni viri energije, se bo človeštvo soočilo s katastrofo. Zato v vseh razvitih državah potekajo raziskave za odkrivanje in razvoj novih virov energije. Najprej je to sončna energija. To energijo so ljudje že od pradavnine uporabljali za osvetljevanje svojih domov, suhe hrane, oblačil itd. Sončna energija je danes eden najbolj obetavnih virov alternativne energije. Trenutno obstaja že precej modelov, ki omogočajo pretvorbo sončne energije v električno ali toplotno. Panoga postopoma raste in se razvija, vendar ima, tako kot povsod drugje, svoje težave. Vse to bo obravnavano v tem gradivu.
Sončna energija je eden najbolj dostopnih obnovljivih virov na Zemlji. Uporaba sončne energije v narodnem gospodarstvu pozitivno vpliva na okolje, saj za njeno pridobivanje ni potrebno vrtati vrtin ali razvijati rudnikov. Poleg tega je ta vrsta energije brezplačna in nič ne stane. Seveda so stroški povezani z nakupom in namestitvijo opreme.
Težava je v tem, da je sonce občasen vir energije. Torej zahteva kopičenje energije in njeno uporabo v povezavi z drugimi viri energije. Glavna težava danes je, da ima sodobna oprema nizko učinkovitost pri pretvorbi sončne energije v električno in toplotno energijo. Zato je ves razvoj usmerjen v povečanje učinkovitosti takšnih sistemov in zmanjšanje njihovih stroškov.
Mimogrede, veliko virov na planetu izvira iz sončne energije. Na primer veter, ki je še en obnovljiv vir, ne bi pihal brez sonca. Izhlapevanje vode in njeno kopičenje v rekah poteka tudi pod vplivom sonca. In vodo, kot veste, uporablja hidroenergija. Tudi biogoriva ne bi obstajala brez sonca. Zato sonce poleg neposrednega vira energije vpliva tudi na druga področja energije.
Sonce pošilja sevanje na površje našega planeta. Iz širokega spektra sevanja dosežejo zemeljsko površino 3 vrste valov:
- Svetloba. V emisijskem spektru jih je približno 49 odstotkov;
- Infrardeči. Tudi njihov delež je 49 odstotkov. Zahvaljujoč tem valovom se naš planet segreje;
- Ultravijolično. V spektru sončnega sevanja jih je približno 2 odstotka. Našim očem so nevidni.
Ekskurzija v zgodovino
Kako se je sončna energija razvila do danes? O uporabi sonca pri svojih dejavnostih je človek razmišljal že v pradavnini. Vsi poznajo legendo, po kateri je Arhimed v bližini svojega mesta Sirakuze zažgal sovražno floto. Za to je uporabil goreča ogledala. Pred več tisoč leti so na Bližnjem vzhodu vladarske palače grele z vodo, ki jo je segrevalo sonce. V nekaterih državah smo morsko vodo izhlapevali na soncu, da smo dobili sol. Znanstveniki so pogosto izvajali poskuse z grelnimi napravami na sončno energijo.
Prvi modeli takšnih grelnikov so bili proizvedeni v 17.-17. Zlasti raziskovalec N. Saussure je predstavil svojo različico grelnika vode. Gre za leseno škatlo, pokrito s steklenim pokrovom. Voda v tej napravi je bila segreta na 88 stopinj Celzija. Leta 1774 je A. Lavoisier uporabil leče za koncentriranje sončne toplote. In pojavile so se tudi leče, ki so omogočile lokalno taljenje litega železa v nekaj sekundah.
Baterije, ki sončno energijo pretvarjajo v mehansko, so ustvarili francoski znanstveniki. Konec 19. stoletja je raziskovalec O. Musho razvil izolator, ki je fokusiral žarke s pomočjo leče na parnem kotlu. Ta kotel je služil za obratovanje tiskarne. V ZDA je bilo takrat mogoče ustvariti enoto na sončno energijo z zmogljivostjo 15 "konjev".
Dolgo časa so izolatorje izdelovali po shemi, ki je za pretvorbo vode v paro uporabljala sončno energijo. In pretvorjena energija je bila uporabljena za opravljanje dela. Prva naprava, ki pretvarja sončno energijo v električno energijo, je nastala leta 1953 v ZDA. Postal je prototip sodobnih sončnih kolektorjev. Fotoelektrični učinek, na katerem temelji njihovo delo, so odkrili že v 70. letih 19. stoletja.
V tridesetih letih prejšnjega stoletja je akademik ZSSR A. F. Ioffe predlagal uporabo polprevodniških fotocelic za pretvorbo sončne energije. Učinkovitost baterije je bila takrat manjša od 1%. Minilo je veliko let, preden so bile razvite sončne celice z izkoristkom 10-15 odstotkov. Potem so Američani zgradili sodobne sončne celice.
Za pridobitev več energije iz solarnih sistemov se nizka učinkovitost kompenzira s povečano površino fotocelic. A to ni rešitev, saj so silicijevi polprevodniki v sončnih celicah precej dragi. Z večjo učinkovitostjo se povečajo stroški materiala. To je glavna ovira za široko uporabo sončnih kolektorjev. Ker pa bodo viri izčrpani, bo njihova uporaba postajala vse bolj donosna. Poleg tega se raziskave za povečanje učinkovitosti fotocelic ne ustavijo.
Vredno je povedati, da so baterije na osnovi polprevodnikov precej trpežne in ne zahtevajo kvalifikacij za njihovo nego. Zato se najpogosteje uporabljajo v vsakdanjem življenju. Obstajajo tudi cele sončne elektrarne. Praviloma se ustvarjajo v državah z velikim številom sončnih dni na leto. To so Izrael, Savdska Arabija, jug ZDA, Indija, Španija. Zdaj je nekaj absolutno fantastičnih projektov. Na primer sončne elektrarne zunaj ozračja. Tam sončna svetloba še ni izgubila energije. To pomeni, da se predlaga zajem sevanja v orbiti in nato pretvorba v mikrovalove. Nato bo v tej obliki energija poslana na Zemljo.
Pretvorba sončne energije
Najprej je vredno govoriti o tem, kako je mogoče izraziti in oceniti sončno energijo.
Kako lahko ocenite količino sončne energije?
Strokovnjaki za oceno uporabljajo vrednost, kot je sončna konstanta. To je enako 1367 vatov. Točno toliko energije sonca pade na kvadratni meter planeta. Približno četrtina se izgubi v atmosferi. Največja vrednost na ekvatorju je 1020 vatov na kvadratni meter. Upoštevajoč dan in noč, spremembe vpadnega kota žarkov, je treba to vrednost zmanjšati še trikrat.
O virih sončne energije so bile izražene različne različice. Trenutno strokovnjaki trdijo, da se energija sprosti kot posledica pretvorbe štirih atomov H2 v jedro He. Proces poteka s sproščanjem znatne količine energije. Za primerjavo si predstavljajte, da je energija pretvorbe 1 grama H2 primerljiva s tisto, ki se sprosti pri sežigu 15 ton ogljikovodikov.
Metode pretvorbe
Ker znanost danes nima naprav, ki delujejo na sončno energijo v čisti obliki, jo je treba predelati v drugo vrsto. V ta namen so bile ustvarjene naprave, kot so sončne celice in kolektor. Baterije pretvarjajo sončno energijo v električno. In kolektor proizvaja toplotno energijo. Obstajajo tudi modeli, ki združujejo ti dve vrsti. Imenujejo se hibridni.
Spodaj so predstavljeni glavni načini pretvorbe sončne energije:
- fotoelektrični;
- sončna toplota;
- vroč zrak;
- sončne balonske elektrarne.
Prva metoda je najpogostejša. Tu se uporabljajo fotonapetostni paneli, ki ob izpostavljanju soncu proizvajajo električno energijo. V večini primerov so izdelani iz silicija. Debelina takšnih plošč je desetinke milimetra. Takšni paneli so združeni v fotovoltaične module (baterije) in nameščeni na soncu. Najpogosteje so nameščeni na strehah hiš. Načeloma nič ne preprečuje, da jih postavite na tla. Potrebno je le, da okoli njih ni velikih predmetov, drugih zgradb ali dreves, ki bi lahko metala senco.
Poleg fotocelic se za pridobivanje električne energije uporabljajo tankoplastne ali celice. Njihova prednost je majhna debelina, slabost pa zmanjšana učinkovitost. Takšni modeli se pogosto uporabljajo v prenosnih polnilnikih za različne pripomočke.
Metoda toplotne pretvorbe zraka vključuje pridobivanje energije iz zračnega toka. Ta tok se pošlje v turbogenerator. V aerostatskih elektrarnah pod vplivom sončne energije v cilindru aerostata nastaja vodna para. Površina balona je prekrita s posebnim premazom, ki absorbira sončno svetlobo. Takšne elektrarne lahko zaradi rezerve pare v balonu delujejo v oblačnem vremenu in ponoči.
Sončna energija temelji na segrevanju površine nosilca energije v posebnem kolektorju. To je lahko na primer ogrevanje vode za sistem ogrevanja doma. Kot hladilno sredstvo se lahko uporablja ne samo voda, ampak tudi zrak. Lahko se ogreva v kolektorju in dovaja v hišni prezračevalni sistem.
Vsi ti sistemi so precej dragi, vendar se njihov razvoj in izboljšanje postopoma nadaljujeta.
Prednosti in slabosti sončne energije
Prednosti
- Zastonj. Ena glavnih prednosti sončne energije je, da zanjo ni stroškov. Sončne plošče so izdelane iz silicija, ki ga je v izobilju;
- Brez stranskih učinkov. Proces pretvorbe energije poteka brez hrupa, škodljivih emisij in odpadkov ter brez vpliva na okolje. Tega ne moremo reči za termo, hidro in jedrsko energijo. Vsi tradicionalni viri v eni ali drugi meri škodijo OS;
- Varnost in zanesljivost. Oprema je vzdržljiva (zdrži do 30 let). Po 20-25 letih uporabe fotocelice proizvedejo do 80 odstotkov nominalne vrednosti;
- Reciklirajte. Solarne panele je mogoče popolnoma reciklirati in jih je mogoče ponovno uporabiti v proizvodnji;
- Enostaven za vzdrževanje. Oprema je precej enostavna za namestitev in deluje avtonomno;
- Dobro prilagojen za uporabo v zasebnih domovih;
- Estetika. Lahko se namesti na streho ali fasado stavbe, ne da bi pri tem ogrozil njen videz;
- Dobro integriran kot pomožni sistem napajanja.
