Energia słoneczna: Jak efektywnie wykorzystać moc słońca

23 minute read

Zaktualizowano Mon Dec 14 2020

W ciągu 2 godzin Słońce przesyła na Ziemię tyle energii, ile zużywamy na całym świecie w ciągu roku.

Porozmawiajmy krótko o świetle, zanim zgłębimy sposób, w jaki panele słoneczne przekształcają je w użyteczną energię.

Czym tak naprawdę jest światło?

Możemy myśleć o świetle jako o fali. Odległość między szczytami fali nazywana jest długością fali. Długość fali czerwonego światła wynosi około 700 nanometrów (700 miliardowych metra), natomiast niebieskiego światła około 450 nanometrów:

Długości fal

Nasze oczy widzą tylko światło o długości fal od około 380 nm do 700 nm. A co z resztą?


Pełny zestaw długości fal nazywany jest widmem spektroskopowym. Tylko niewielka jego część jest widocznym światłem, które możemy zobaczyć:

Widmo spektroskopowe

Światło przenosi energię – im krótsza jest fala, tym więcej energii przenosi.

Które trzy z następujących typów fal docierają na Ziemię ze Słońca w dużych ilościach?


Widmo promieniowania słonecznego

Jakie trzy metody są wykorzystywane do pozyskiwania energii słonecznej?


Energia słoneczna cieplna jest najbardziej intuicyjną formą energii, więc zacznijmy od niej.

Energia słoneczna cieplna

W słoneczny dzień jest ci cieplej w słońcu niż w cieniu, prawda? Dzieje się tak dlatego, że gdy skóra absorbuje światło słoneczne, zamienia część tego światła w energię cieplną. Możemy wykorzystać to ciepło!

Skoncentrowana energia słoneczna (CSP) wykorzystuje wiele luster, aby skoncentrować światło słoneczne na małej powierzchni. Skoncentrowane światło jest używane do podgrzewania płynu (wody, ropy lub ciekłej soli) do bardzo wysokich temperatur. Ciepło to może być albo

  • wykorzystane do ogrzewania,
  • magazynowane do wykorzystania później,
  • albo przekształcone w energię elektryczną poprzez odparowanie wody i wytworzenie pary, która napędza turbiny. Działa to jak większość innych elektrowni. Oto cały proces na jednej ilustracji:
Skoncentrowana energia słoneczna (CSP)

Obecnie energia elektryczna ze skoncentrowanej energii słonecznej cieplnej jest kosztowna, ale ma pewne wyjątkowe zalety:

  • Można ją zintegrować z magazynowaniem energii cieplnej w celu dostarczania energii elektrycznej na żądanie.
  • Przyczynia się do stabilności i elastyczności systemu energetycznego.

Energia słoneczna cieplna może być również wykorzystywana do ogrzewania domów. Słoneczne panele termiczne lub termiczne kolektory słoneczne pochłaniają energię światła słonecznego w celu podgrzania płynu przepływającego przez panel. Następnie wykorzystuje się go do podgrzewania wody, która może być wykorzystywana do różnych zastosowań domowych.

Żarówka wsteczna: zamiana światła w energię elektryczną?

Komórka słoneczna, moduł/panel i tablica

Dzięki technologii fotowoltaicznej (Solar PV) przetwarzamy światło bezpośrednio w energię elektryczną. Średnia cena wytworzonej energii elektrycznej jest już podobna do ceny energii pochodzącej z paliw kopalnych – brzmi obiecująco! Jak to działa?

Większość ogniw słonecznych wytwarza się z krzemu. Krzem ma w zewnętrznej powłoce elektronowej 4 elektrony. Gdy wiele atomów krzemu łączy się, tworzą krystaliczną siatkę, co wynika ze zjawiska znanego w chemii jako wiązania kowalencyjne. Wygląda to następująco:

Budowa krzemu

Jeśli dodamy niewielką liczbę atomów z 5 elektronami w ich zewnętrznych powłokach (takich jak fosfor), to związek ten nadal będzie tworzyć kryształy. Pojawią się jednak swobodne elektrony poruszające się wokół, ponieważ po prostu nie mieszczą się one nigdzie w strukturze kryształów.

Z drugiej strony, jeśli dodamy element tylko z 3 elektronami w zewnętrznej powłoce (np. bor), będziemy mieć w strukturze dziwną dziurę elektronową.

Półprzewodniki typu n i p

Jak zatem nazywamy te różne materiały?

  • Krzem plus element z 5 elektronami zewnętrznymi nazywany jest półprzewodnikiem typu n (n oznacza ujemny). Wynika to z faktu, że krzem ma zazwyczaj 4 elektrony zewnętrzne. Przy 5 elektronach zewnętrznych ma nadmiar elektronów, co sprawia, że jest ujemny.
  • Krzem plus element z 3 elektronami zewnętrznymi nazywany jest półprzewodnikiem typu p (p oznacza dodatni).

Te nazwy mogą być nieco mylące! Zarówno materiały typu n, jak i typu p, mają ładunek neutralny (ani ujemny, ani dodatni). A zatem dlaczego są one określane jako dodatnie i ujemne? Spójrzmy na wyżej przedstawioną budowę. Materiał typu n ma dodatkowy ujemnie naładowany elektron, podczas gdy materiał typu p ma dodatnio naładowaną dziurę bez elektronów.

Kiedy umieszczamy obok siebie półprzewodniki typu n i p, tworzymy tak zwane złącze p-n. Jak myślisz, co dzieje się ze swobodnymi elektronami, gdy dwa półprzewodniki się dotykają?


Kiedy swobodny elektron z połowy typu n dociera do połowy typu p, wypełnia znajdującą się tam dziurę.

Złącze p-n

Wypełnianie dziur odbywa się na obszarze granicznym, gdzie dotykają się połowy p i n. Nazywa się go warstwą zaporową, ponieważ obszar ten został „wyczerpany” z dziur.

Atomy w warstwie zaporowej stają się negatywnie naładowane, ponieważ przemieszczają się do niej elektrony, które wypełniają dziury. Dlaczego?


Przez jakiś czas to działa, ale po wypełnieniu wielu dziur, ujemny ładunek staje się silny. To wytwarza tak zwaną barierę pola elektrycznego. W tym momencie elektrony są odpychane od warstwy zaporowej przez pole elektryczne i nie dochodzi do wypełniania kolejnych dziur.

Odpychanie elektronów do typu n

Kiedy istotne staje się światło słoneczne?

Światło przenosi energię. Kiedy światło uderza w warstwę zaporową, może sprawiać, że elektrony opuszczą dziury, które wypełniły.

W jaki sposób mobilizowane są elektrony, gdy światło uderza w warstwę zaporową

Jony ujemne wokół wyrzuconego elektronu odpychają go z powrotem do materiału typu n. O jeden mniej elektron wypełnia dziurę, więc jest miejsce (elektromagnetyczne) dla nowego!

Ale w jaki sposób elektron może pokonać barierę pola elektrycznego składającą się ze wszystkich ujemnych jonów w w warstwie zaporowej?


Elektrony poruszające się przez przewód? Jest to prąd! I w ten sposób otrzymujemy energię elektryczną przy wykorzystaniu energii słonecznej fotowoltaicznej.

Proces fotowoltaiczny

Kiedy elektron wróci na stronę p, ogniwo słoneczne wraca do stanu pierwotnego, a proces może powtarzać się tak długo, jak długo świeci słońce. Wspaniale!

Podsumowując, następujący cykl powtarza się:

  • Elektron wewnątrz dziury zostaje uderzony światłem. Energia światła powoduje wyrzucenie elektronu.
  • Pole elektryczne stworzone przez jony w warstwie zaporowej przepycha elektron na stronę typu n.
  • Teraz powstaje dodatkowa dziura w regionie po stronie p. Ta dziura chce zostać wypełniona.
  • Elektron korzysta z tylnych drzwi przez przewód lub obwód, aby wypełnić tę przestrzeń.

Czy energia słoneczna jest zrównoważona?

Czas zwrotu energii słonecznej

Ale co dzieje się po 25 czy 30 latach, kiedy panele przestają działać? Niestety jest to w dużej mierze otwarte pytanie. Aby przygotować się na czas, kiedy produkowane dziś panele słoneczne staną się odpadami, musimy opracować przystępne cenowo metody recyklingu na dużą skalę.

Jaki obszar byłby potrzebny, aby wyprodukować całą energię z energii słonecznej fotowoltaicznej?

Zanim wykonamy obliczenie, co sądzisz?


Będziemy potrzebowali trzech liczb, aby obliczyć to szacunkowo:

  • Ludzkość zużywa 157 000 TWh energii rocznie.
  • Do USA trafia średnio 250 MW mocy na km².
  • Nowoczesne panele fotowoltaiczne działają przy wydajności około 20%, co oznacza, że mogą zamienić 20% energii świetlnej, która w nie uderza, w energię elektryczną.

Ze względu na wydajność w wysokości 20%, pokrycie obszaru 1 km² panelami słonecznymi zapewnia 50 MW mocy. Pamiętasz, że energia = moc x czas? Zatem ilość energii wytwarzanej przez te panele w ciągu jednego roku będzie wynosić 50 MW x 365 dni x 24 godziny = 438 GWh. Jest to równe 0,438 TWh.

Aby pozyskać 157 000 TWh wymaganych przez ludzkość, potrzebujemy więc 157 000 / 0,438 = 358 500 km² paneli słonecznych. Albo, ujmując to prościej: obszaru Niemiec.

Powierzchnia paneli słonecznych potrzebna do zaopatrzenia całego świata w energię

To dużo, ale mieści się w racjonalnych granicach. 34% powierzchni Ziemi pokryte jest uprawami i zwierzętami gospodarskimi przeznaczonymi na żywność, a więc farma fotowoltaiczna wielkości Niemiec (0,3% powierzchni Ziemi) nie stanowi aż tak wielkiego wymogu.

Wykorzystanie energii słonecznej na bardzo dużą skalę niesie jednak ze sobą problemy, które zostały pominięte w powyższych obliczeniach. Najistotniejszy jest taki, że dostawy energii słonecznej są bardzo zmienne: nie możemy produkować energii w nocy, a kiedy słońce świeci, możemy produkować jej za dużo! Sposobami rozwiązania tego problemu zajmiemy się później.

Czy możemy udoskonalić energię słoneczną fotowoltaiczną i cieplną?

Istnieje wiele sposobów na produkcję energii słonecznej fotowoltaicznej. Ogniwa fotowoltaiczne z krzemu krystalicznego (technologia, o której mówiliśmy) absorbują około 20% energii słonecznej, która w nie uderza. Inne technologie wykorzystujące energię słoneczną charakteryzują się wydajnością do 40%, ale też wyższymi kosztami.

Tak zwane techniki „cienkiej warstwy” mogą stać się jeszcze tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska. Aby zilustrować prędkość zmian, stworzyliśmy poniższy wykres:

Wydajność typów energii słonecznej fotowoltaicznej na przestrzeni czasu

Energia słoneczna cieplna może wytwarzać odnawialną energię cieplną, zamiast bezpośrednio produkować energię elektryczną. Dlaczego jest to przydatne?


Systemy skoncentrowanej energii słonecznej (CSP) mogłyby być obecnie stosowane na dużą skalę – mamy surowce do ich budowy. Mimo, że CSP jest obecnie droższy niż paliwa kopalne, może stać się bardziej opłacalny w przypadku skalowania.

Technologią o wiele mniej zbadaną, ale wciąż obiecującą, jest sztuczna fotosynteza. Jeżeli uda nam się ją uruchomić na dużą skalę, rozwiązałoby to jednocześnie wiele problemów – więcej na ten temat w rozdziale poświęconym wodorowi. Nie pomijaj jednak rozdziałów! Kolejne omawiają technologie, które są równie ekscytujące i ważne.

Następny rozdział