Kiraga Paweł
Praca przejściowa
Ogniwa Fotowoltaiczne
Energia wytwarzana przez człowieka
Do życia człowiek potrzebuje wiele rodzajów energii. Wraz z rozwojem człowieka
i otaczającej go techniki wzrasta jego zapotrzebowanie na energie np. elektryczną, niezbędną w codziennym życiu. Energia ta jest wykorzystywana w wielu dziedzinach życia codziennego począwszy od elektrycznej szczoteczki do zębów po przemysł, transport, ogrzewanie, oświetlenie i wiele innych. Jak bardzo człowiek jest uzależniony od tej energii można było zaobserwować kilka lat temu, gdy wystąpiła awaria zasilania w Stanach Zjednoczonych
i wiele miast zostało pogrążonych w ciemnościach, a transport i wiele niezbędnych instytucji zostało sparaliżowanych.
Większa części energii, nie tylko elektrycznej, dostępnej na ziemi pochodzi
z konwencjonalnych źródeł opartych na spalaniu, z elektrowni atomowych oraz z coraz bardziej popularnych źródeł odnawialnych.
Źródła energii można podzielić na dwa rodzaje:
- źródła nieodnawialne – węgiel kamienny, węgiel brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny
i izotopy radioaktywne
Rysunek 1. Co spalamy, aby uzyskać energię cieplną i elektryczną?
- źródła odnawialne – siła wiatru, energia słoneczna, energia wody, energia geotermalna, biomasa
Rysunek 2. Odnawialne źródła energii
Proces spalania jest najpopularniejszym sposobem uzyskania energii elektrycznej
ale również bardzo nie ekologicznym. W procesie tym przy produkcji 1 MW energii w ciągu godziny powstaje 16 kg dwutlenku siarki, 12 kg tlenku węgla i węglowodorów oraz 4 kg tlenków azotu. Powoduje to nasilenie efektu cieplarnianego oraz wielu innych zjawisk niekorzystnych dla środowiska naturalnego i gospodarki człowieka.
Rysunek 3. Źródła energii na Świecie
W Polsce ponad 75 %. energii uzyskuje się przez spalanie paliw kopalnych, kosztem dużej emisji dwutlenków siarki, węgla i azotu, a także pyłu. W roku 1999 w Polsce elektrownie zasilane węglem kamiennym wyprodukowały łącznie około 80 000 GWh energii elektrycznej, a te zasilane węglem brunatnym ok. 50 000 GWh. Szacunkowa emisja gazów pochodzących
z procesów spalania węgla podczas produkcji energii elektrycznej, przy rocznej jej produkcji w ilości 140 [TWh] wynosi 1320 tys. ton SO2, 370 tys. ton CO2 i 400 tys. ton NO2. Dane
te stanowią tylko część ogólnej sumy wyemitowanych zanieczyszczeń gazowych; dwutlenek siarki (SO2) stanowi średnio 60% całkowite emisji zanieczyszczeń; tlenki azotu (wyrażone
w ekwiwalencie masowym NO2) - średnio 20%; dwutlenek węgla (CO2) - średnio 33%
emisji całkowitej.
Rysunek 4. Źródła energii w Polsce
Źródła nieodnawialne powoli wyczerpują swoje zapasy na planecie. Rabunkowa gospodarka i wzrastające zapotrzebowanie na tego typu surowce spowodowała
to, że gospodarki wielu krajów opierają się właśnie na wydobywaniu surowców.
Szacuje się, że za 200 lat wyczerpiemy pokłady węgla, do których można się bezpiecznie
i opłacalnie dostać, a za ok. 45 lat do baków naszych samochodów skapną ostatnie krople ropy.
Rysunek 5. Światowe zużycie energii
Perspektywy wyczerpania się zapasów paliw kopalnych oraz obawy o stan środowiska naturalnego człowieka znacznie zwiększyły zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii
i w konsekwencji doprowadziły do dużego wzrostu ich zastosowań. Od roku 1990 ilość energii (ciepła i energii elektrycznej) wytwarzanej z energii promieniowania słonecznego wzrosła ponad dwukrotnie. Technologie odnawialnych źródeł energii rozwinęły się już do takiego stopnia, że mogą konkurować z konwencjonalnymi systemami energetycznymi.
Te nowe źródła energii, chociaż startowały z niskiego poziomu, rozwijają się 10-krotnie szybciej niż przemysł paliw kopalnych. Odnawialne źródła energii przyciągają zarówno małych inwestorów, jak również duże międzynarodowe koncerny, takie jak British Petroleum i Shell.
Rysunek 6. Prognoza globalnego wykorzystania źródeł energii
Po podpisaniu Protokołu z Kioto w grudniu 1997 roku odnawialne źródła energii weszły
w nowy i ważny etap rozwoju.
Tabela 1. Podział odnawialnych źródeł energii
Tabela 2. Alternatywne zasoby energii
Źródło
Uwagi
Geotermiczne
Energię uzyskuje się z gorącej wody lub pary wytwarzanej pod ziemią w rejonach wulkanicznych, takich jak Hawaje czy północna Kalifornia
Źródła oceaniczne Gradienty termiczne Fale i pływy
W próbnych badaniach przeprowadzanych w Hawajskim Narodowym Laboratorium Energii wykorzystuje się różnicę temperatur pomiędzy zimną wodą głębin morskich a ciepłą wodą na obszarach płycizn. W niektórych obszarach przybrzeżnych wykorzystuje się energię kinetyczną poruszającej się wody.
Energia wiatru
Silniki wiatrowe dostarczają 1% energii elektrycznej wykorzystywanej przez Kalifornię. Pola wiatraków na wietrznym Środkowym Zachodzie mogłyby zaspokoić połowę zapotrzebowania Ameryki Północnej na energię elektryczną.
Hydroelektrownie
Rzeki i wodospady zaspokajają jedną szóstą zapotrzebowania Ameryki Północnej na energię elektryczną. Troska o środowisko naturalne uniemożliwia znaczne zwiększenie wykorzystywania tej energii
Źródła wykorzystujące światło słoneczne Biomasa Ogrzewanie słoneczne. Źródła słoneczno-termiczne Źródła słoneczno-chemiczne
Rośliny można częściowo przekształcić w paliwa alkoholowe, a także w drewno i inne roślinne paliwa palne. W chłodniejszych obszarach bierne ogrzewanie słoneczne stanowi uzupełnienie konwencjonalnych systemów grzewczych budynków mieszkalnych i publicznych. Bezpośrednie przekształcanie energii słonecznej w energię cieplną opiera się w tej metodzie na wykorzystaniu luster skupiających światło słoneczne i wytwarzających parę wodną. Chemicy opracowują układy, które wykorzystują energię świetlną Słońca do rozkładania wody na tlen i palący się bez szkodliwych produktów ubocznych wodór
Fotoogniwa
Urządzenia półprzewodnikowe zmieniające energię światła w prąd elektryczny wykorzystuje się zarówno w olbrzymich elektrowniach, jak i w przenośnych urządzeniach elektronicznych
Synteza jądrowa
Termonuklearne przekształcanie wodoru w hel i energię cieplną - źródło energii Słońca - mogłoby stanowić praktycznie niewyczerpane źródło energii dla Ziemi
Energia słoneczna
Słońce jest jedną z miliardów gwiazd, ale dla nas ma ono wyjątkowe znaczenie dzięki temu, że znajduje się stosunkowo blisko Ziemi. Ta najbliższa gwiazda, której promieniowanie elektromagnetyczne dociera obficie do powierzchni Ziemi umożliwia życie wszystkich organizmów i stanowi siłę napędową ich ewolucji. Dzieje się tak, dlatego że, Słońce
ma ogromną masę wynoszącą aż 1,991x1030 kg. Jego masa jest 330 tysięcy razy większa
od masy Ziemi. Pod wpływem grawitacji związanej z tak olbrzymią masą materii, w swoim środku Słońce ma gęstość równą 158 g/cm3, a ciśnienie osiąga tam wartość 2,5x1016 Pa. Dzięki temu zagęszczeniu materii temperatura w środku Słońca wynosi około 1,5x107 K.
W takich warunkach nie może zachować się struktura atomów lub cząsteczek i materia
staje się plazmą, w której jądra pozbawione elektronów często zderzają się ze sobą,
co prowadzi do reakcji syntezy (fuzji).
Głównym źródłem promieniowania w atmosferze ziemskiej jest strumień energii
wysyłany przez Słońce. Promieniowanie słoneczne docierające do górnych warstw atmosfery
to gł. krótkofalowe promieniowanie elektromagnetyczne o dł. fali 0,1–4 μm (9% przypada
na nadfiolet, 45% na promieniowanie widzialne, 46% na podczerwień). Promieniowanie
słoneczne przechodzące przez atmosferę ziemską ulega w niej pochłanianiu, odbiciu
i rozpraszaniu. Ta część promieniowania, która dociera do powierzchni Ziemi bezpośrednio
od tarczy słonecznej nosi nazwę promieniowania bezpośredniego. Do powierzchni Ziemi
dociera również część promieniowania rozproszonego w atmosferze, a suma obu promieniowań stanowi tzw. promieniowanie całkowite. Promieniowanie padające
na powierzchnię Ziemi jest przez nią w przeważającej części pochłaniane. Pozostała część
jest odbijana w różnym stopniu zależnie od rodzaju podłoża. W górnych warstwach atmosfery jest pochłaniane głównie promieniowanie nadfioletowe (przez cząsteczki ozonu i atomy tlenu), w dolnych — głównie promieniowanie widzialne i podczerwone (przez cząsteczki pary wodnej i dwutlenku węgla oraz kropelki wody w chmurach i cząstki pyłów). Odbicie promieniowania w atmosferze następuje przede wszystkim od dużych postaci chmurowych, rozpraszanie natomiast zachodzi gł. na cząsteczkach gazu i cząstkach aerozolu atmosferycznego. Rozpraszanie promieniowania jest tym większe, im mniejsza jest długość fali i stąd niebieska barwa nieba, która jest barwą światła rozproszonego.
Energia promieniowania pochłoniętego przez Ziemię i atmosferę jest zamieniana
Na ciepło i z powrotem wypromieniowywana. Powierzchnia Ziemi promieniuje
w przybliżeniu tak, jak ciało doskonale czarne o średniej temp. 15°C, emitując promieniowanie długofalowe w zakresie 4–80 μm (maksimum 10–12 μm). Promieniowanie to jest pochłaniane przez atmosferę, gł. przez cząsteczki pary wodnej (prawie w całym zakresie widma oprócz dł. 8,5–11 μm) i dwutlenku węgla (najintensywniej w zakresie
13–17 μm), oraz w dużo mniejszym stopniu przez cząsteczki ozonu (gł. w paśmie 9,6 μm),
a także przez chmury i pyły. Promieniowanie atmosfery to promieniowanie długofalowe skierowane bądź w stronę Ziemi (tzw. promieniowanie zwrotne), bądź w przestrzeń okołoziemską.
.
Rysunek 7. Rozkład promieniowania słonecznego
Atmosfera działa więc jak filtr, który w znacznym stopniu przepuszcza do powierzchni Ziemi krótkofalowe promieniowanie słoneczne, a zatrzymuje emitowane przez nią promieniowanie długofalowe.
Rysunek 8. Ukazuje odległość z ziemi od słońca i czas jaki potrzebny jest by promieniowanie dotarło ze słońca na ziemię.
Do powierzchni ziemi dociera ok. 8000 razy więcej TWh energii niż jest obecne zapotrzebowanie. Przy wykorzystaniu 29 % powierzchni ziemi ilość energii docierającej
tam i tak przekraczałaby 2300 razy nasze zapotrzebowanie, przy założeniu
że wykorzystywalibyśmy tylko niewielką część energii docierającą do powierzchni ziemi
i tak wystarczyłoby to do zaspokojenia całości naszych potrzeb.
Technologie wykorzystania energii słonecznej dzielą się na trzy podstawowe kategorie:
1) fotowoltaika – w technologiach tych przetwarza się energię promieniowania słonecznego wprost na energię elektryczną.
2) ogrzewanie – wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania wody
lub pomieszczeń.
3) oświetlenie – technologie te bazują na panelach, które zbierają światło słoneczne. Zebrana energia jest następnie transportowana przy pomocy światłowodów do wnętrza budynków.
Fotowoltaika
Słowo „fotowoltaika” opisuje bezpośrednia konwersję energii promieniowania
słonecznego na energię elektryczną. W nazwie są dwa elementy: greckie " photos"
,(czyli światło) oraz nazwisko włoskiego fizyka Alessandro Volta, pioniera w badaniach elektryczności. W rezultacie słowo fotowoltaika możemy tłumaczyć jako „elektryczność
ze światła” („światło- elektryczność”). Po raz pierwszy zjawisko to zaobserwował Francuski fizyk Aleksander Edmund Becquerel w 1839 roku. Doświadczenie polegało na zanurzeniu srebrnej elektrody w elektrolicie i oświetleniu jej. Badacz zaobserwował, że kondunktancja (fiz. przewodność czynna) wzrasta wraz ze wzrostem oświetlenia. Efekt ten był dokładniej opisany w 1877 roku przez brytyjskich fizyków R. Day-a i W. Adamsa, którzy zaobserwowali, że selen po oświetleniu wytwarzał prąd elektryczny.
Pierwsz...
Zywel