Michał Wasik

Perspektywa wykorzystania energii promieniowania słonecznego w energetyce

zawodowej

Koło Naukowe Energetyków

Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Warszawska

Konferencja: Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

Opiekun naukowy: prof. dr hab. inż. Dorota Chwieduk

Abstrakt

Wyczerpujące się zasoby naturalne oraz kryzysy energetyczne sprawiają, że coraz częściej

zadajemy sobie pytanie dokąd jako ludzkość zmierzamy? Czy powinniśmy robić zapasy

świeczek na przyszłe okresy bez energii elektrycznej? Na szczęście dysponujemy w praktyce

nie wyczerpanym źródłem energii jakim jest Słońce. W artykule przedstawiono istniejące

sposoby konwersji energii promieniowania słonecznego z uwzględnieniem podziału na

konwersję fototermiczną i fotoelektryczną. Zaprezentowano podstawy teoretyczne do

zrozumienia potencjału energetycznego Słońca, jak również objaśniono rozwiązania

techniczne stosowane w instalacjach. Na zakończenie dokonano analizy ekonomicznej

stosowanych dziś technologii i zastanowiono się nad możliwością rozpowszechnienia się ich

w przyszłości.

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

2

1. WSTĘP

1.1. Dlaczego energetyka słoneczna?

W niniejszym artykule przybliżono możliwości jakie daje energetyka słoneczna. Człowiek,

aby przeżyć potrzebuje różnych form energii, na przykład elektryczną do zasilenia lodówki, w

której przechowuje potrzebną mu żywność, czy zmagazynowaną w ciepłej wodzie dzięki,

której ogrzewa dom w zimie. Obecnie większość zapotrzebowania na energię pokrywana jest

z paliw kopalnych, jednak prędzej czy później naturalne zasoby, czy to węgla czy ropy się

wyczerpią. Skłania to do poszukiwania innych źródeł zaspokojenia zapotrzebowania na

energię. Dzięki Słońcu na Ziemi mogło zaistnieć życie, zapewnia ono odpowiednią

temperaturę na Ziemi oraz jest źródłem energii dla roślin. Słońce będzie świeciło jeszcze

przez około 4,5 miliarda lat, niewyobrażalnie dłuższy czas niż długość ludzkiego życia.

Jednocześnie wykorzystanie promieniowania słonecznego, nie cechuje się tak negatywnym

wpływem na środowisko, jak spalanie paliw kopalnych czy biomasy. Wszystko to skłania do

wniosku, że energetyka słoneczna może być odpowiedzią na potrzeby energetyczne

ludzkości.

1.2. Krótki rys historyczny

Słońce było obiektem zainteresowania ludzi od prehistorii, najpierw uznawane za bóstwo

dające życie, później coraz bardziej świadomie wykorzystywane. W starożytności i

średniowieczu największe znaczenie miało Słońce jako źródło oświetlenia w budynkach,

wtedy też rozpowszechniły się w Europie zegary słoneczne. Wraz z rozwojem nauk

przyrodniczych oraz techniki coraz to kolejni naukowcy eksperymentowali z

promieniowaniem słonecznym. Jednym z ciekawszych doświadczeń, a jednocześnie

świadomym wykorzystaniem energii promieniowania słonecznego była konstrukcja

wykonana w 1769 przez Szwajcara Horace’a B. de Saussere’a. Umieścił on 5 szklanych

pudełek, jedno wewnątrz drugiego, wystawił je na Słońce i uzyskał temperaturę 160˚C w

pudle wewnętrznym. Piekł w nim owoce oraz destylował wodę. Przez następne stulecia

techniki wykorzystania promieniowania słonecznego były wciąż rozwijane, pojawiały się

coraz to bardziej skomplikowane rozwiązania, zaczęto wprowadzać obiegi termodynamiczne,

aby uzyskać pracę mechaniczną. W 1913 roku w Egipcie powstała duża pompownia

słoneczna o maksymalnej użytecznej mocy pomp około 74 kW. [1] Instalacja ta służyła do

nawadniania pobliskich terenów rolniczych. Ze względu na niską cenę paliw kopalnych

energetyka słoneczna nie cieszyła się dużą popularnością, aż do roku 1972.W wyniku kryzysu

naftowego zaczęto zauważać potrzebę poszukiwania alternatywnych źródeł energii. Pojawiły

się również względy ekologiczne, które przemawiają za odnawialnymi źródłami energii.

Obecnie motorem do rozwoju energetyki słonecznej nie jest ekonomia, lecz proekologiczna

polityka państw.

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

3

1.3. Podstawy teoretyczne

W jądrze Słońca cały czas zachodzi reakcja syntezy wodoru w hel, w wyniku tej reakcji

powstaje energia, która odpowiedzialna jest za wysoką temperaturę Słońca. Z analiz

widmowych promieniowania słonecznego szacuje się że powierzchnia Słońca ma temperaturę

około 5800K. Ciało o tak wysokiej temperaturze bardzo intensywnie wymienia ciepło na

drodze promieniowania. W prosty sposób można oszacować, jaka ilość promieniowania z

powierzchni Słońca (przy założeniu, że jest to ciało idealnie czarne) dociera do górnych

warstw atmosfery Ziemi. W tym celu wprowadza się stałą słoneczną – Gsc. Jest to średnia w

ciągu roku kalendarzowego gęstość strumienia promieniowania słonecznego padającego na

powierzchnię płaską ustawioną prostopadle do kierunku biegu promieni na zewnątrz

atmosfery ziemskiej.

Rys. 1 Rysunek pomocniczy do przybliżonych obliczeń stałej słonecznej [1]

Zapisując zależność energii wypromieniowanej z powierzchni Słońca oraz energii

docierającej do zewnętrznej warstwy atmosfery można obliczyć wartość stałej słonecznej.

scs GrLTR 242 )(44

Gdzie:

R – promień Słońca

L – odległość pomiędzy środkiem Słońca a środkiem ziemi

r – promień Ziemi

– stała Stefana-Boltzmana 81067,5 [W∙m-2

∙K-4

]

sT – temperatura powierzchni Słońca

Po przekształceniu uzyskano:

1367)637110496,1(

)10965,6(57771067,5

)( 28

2548

2

24

rL

RTGsc W∙m

-2

Jednak ze względu na wpływ atmosfery ziemskiej strumień promieniowania słonecznego

docierający do powierzchni ziemi jest mniejszy. Zależy on w dużym stopniu od lokalnego

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

4

składu atmosfery. Promieniowanie słoneczne docierające do odbiornika dzielimy na

promieniowanie bezpośrednie (dochodzące z widocznej tarczy słonecznej) i rozproszone

(rozpraszanie przez chmury, cząstki pyłu i aerozoli unoszących się w atmosferze).

Rys. 2 Schemat przedstawiający przejście promieniowania słonecznego przez

atmosferę [1]

Ważnym pojęciem w energetyce słonecznej jest napromieniowanie oznaczane

jako: I. Jest to energia promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni odbiornika

w ciągu określonego czasu (godziny, dnia, miesiąca, roku). Wyrażona jest w [J/m2] lub

[(kW∙h)/m2].

Rys. 3 Rozkład globalnego promieniowania słonecznego

w ciągu roku [kW∙h/m2] [3]

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

5

Inny ważnym parametrem jest usłonecznienie – h. Jest to liczba godzin z bezpośrednio

widoczną tarczą słoneczną, również odniesione do określonego przedziału czasu.

Często używanym skrótem w heliotechnice jest EPS – Energia Promieniowania

Słonecznego.

2. INSTALACJE ENERGETYCZNE

2.1. Podział sposobów pozyskiwania energii

Pozyskiwania energii z promieniowania słonecznego można podzielić na sposób w jaki

fale elektromagnetyczne oddziaływają na materię. Otrzymano tak trzy podstawowe rodzaje

konwersji EPS:

1) Konwersja fototermiczna – przetwarzanie EPS na ciepło

2) Konwersja fotoelektryczna – przetwarzanie EPS na energię elektryczną

3) Konwersja fotochemiczna ( w tym fotosynteza) – przetwarzanie EPS na

energię wiązań chemicznych cząsteczek

Należy zauważyć, że konwersja fototermiczna często prowadzi do uzyskania pracy

mechanicznej, a następnie pracę mechaniczną wykorzystuje się do generacji energii

elektrycznej (układ kolektor – kocioł – turbina – generator). Ponadto paliwa kopalne powstałe

na skutek obumarcia roślin są swoistymi magazynami EPS (konwersja fotochemiczna –

fotosynteza).

2.2. Instalacje fototermiczne

2.2.1. Informacje podstawowe

Kolektor to urządzenie, które konwertuje energię promieniowania słonecznego na ciepło.

Czynnikiem, który odbiera ciepło może być ciecz lub gaz. W zależności od konstrukcji

kolektora czynnik roboczy może mieć różną temperaturę opuszczając urządzenie. Większość

instalacji wytwarzających energię elektryczną ma takie same elementy składowe. Silnik

cieplny napędzający generator energii elektrycznej zazwyczaj realizuje obieg Rankine’a. W

specyficznych układach realizowany jest obieg Stirlinga lub turbiny gazowej w obiegu

Brytona.

Rys. 4 Schemat przemian energetycznych w typowej elektrowni słonecznej z obiegiem

termodynamicznym [2]

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

6

Silniki cieplne, aby osiągać wysokie sprawności potrzebują ciepła

wysokotemperaturowego, w tym stosuje się kolektory skupiające, które umożliwiają

uzyskanie wysokiej temperatury czynnika opuszczającego kolektor. W tego typu instalacjach

zwiększa się powierzchnię, z której zbierane jest promieniowanie słoneczne, po czym kieruje

się je na odbiornik. Powierzchnia, z której zbierane jest promieniowanie nazywana jest

aperturą kolektora, natomiast powierzchnię, która pochłania promieniowanie to absorber.

Energetyczny stopień koncentracji to zwielokrotnienie gęstości strumienia promieniowania

docierającego do absorbera w stosunku do gęstości strumienia przechwytywanego przez

aperturę kolektora.

Słoneczne instalacje energetyczne z kolektorami skupiającymi można podzielić na trzy

grupy, ze względu na sposób w jaki czynnik roboczy odbiera energię słoneczną skupioną

przez układ optyczny:

1) Układy odbiorników rozproszonych zbudowane są zazwyczaj

z rzędów kolektorów liniowych skupiających promieniowanie słoneczne na

rurze absorbera,

2) Układ z odbiornikiem centralnym, często umieszczonym na wieży. Instalacje

posiadają pole heliostatów - zwierciadeł sterowanych nadążnie za tarczą

słoneczną, odbijają promieniowanie słoneczne w kierunku absorbera

zainstalowanego na wieży,

3) Układy z kolektorami parabolicznymi dyskowymi o kształcie paraboloidy

obrotowej. Odbiornik umieszczony jest w ognisku paraboloidy.

2.2.2. Elektrownie słoneczne z odbiornikiem rozproszonym

W tego typu instalacjach energetycznych stosuje się paraboliczne kolektory liniowe. Jedną

z zalet tego typu instalacji jest prostota sterowania urządzenia poprzez pochylenie kolektora.

Rys. 5 Schemat budowy parabolicznego kolektora liniowego [7]

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

7

Temperatura eksploatacyjna czynnika roboczego w większości instalacji wynosi około

350˚C, chociaż istnieje teoretyczna możliwość osiągnięcia nawet 600˚C [2]. Stosowanie

instalacji z odbiornikami rozproszonymi, czyli układu połączonych szeregowo i równolegle

kolektorów liniowych parabolicznych, jest obecnie najpewniejszym sposobem generacji

energii elektrycznej z EPS z wykorzystaniem obiegu termodynamicznego. W wielu

konstrukcjach układy słoneczne współpracują z blokami konwencjonalnymi na paliwa

kopalne. W 1984 roku w Kramer Junction na pustyni Mojave w Kalifornii oddano do

użytkowania elektrownie zbudowaną w systemie odbiorników rozproszonych o mocy

elektrycznej 354 MW. W jej skład wchodzi 9 bloków energetycznych, najmniejszy ma moc

13,8 MWe, sześć następnych po 30 MWe a dwa największe po 80 MWe. W ostatnich blokach

czynnik opuszczający pole kolektorów ma temperaturę 390˚C, a średnia sprawność

elektrowni wynosi 21%. Całkowita apertura kolektorów we wszystkich blokach wynosi 2,085

km2. Część konwencjonalna, która jest zasilana gazem ziemnym, dostarcza około 10% energii

produkowanej prze instalację[2].

Na pustyni Mojave w Kalifornii znajduje się wiele instalacji słonecznych, jak również

planowana jest budowa kolejnych. Przykłady elektrowni słonecznych znajdujących się w

Kalifornii pojawiają się w dalszej części artykułu.

Rys. 6 Schemat elektrowni w Kramer Junction. Czynnikiem roboczym w części

słonecznej jest syntetyczny olej. 1 – podgrzewacz gazowy, 2 – magazyn

energii, 3 – słoneczny przegrzewacz part, 4 – wytwornica part, 5 –

słoneczny podgrzewacz wstępny, 6 – słoneczny podgrzewacz wtórny, 7 –

zbiornik wyrównawczy, 8 – kocioł gazowy, 9 – odgazowywacz, 10 –

skraplacz, 11 – wstępny podgrzewacz niskiego ciśnienia [2]

Cena energii elektrycznej pozyskiwanej z elektrowni z odbiornikiem rozproszonym jest

generalnie niższa, niż z elektrowni z odbiornikiem centralnym i w najbliższych

dziesięcioleciach może być porównywalna z ceną energii z elektrowni konwencjonalnej [2].

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

8

Wiele instalacji tego typu powstaje lub jest planowanych w krajach o dużym nasłonecznieniu,

jak miedzy innymi Hiszpania, Meksyk, Egipt, Maroko.

2.2.3. Elektrownie słoneczne z odbiornikiem centralnym

Instalacje elektrowni słonecznej z odbiornikiem centralnym zazwyczaj składają się z pola

heliostatów skupiających promieniowanie na odbiorniku energii umieszczonym zazwyczaj na

wieży, często nazywanej wieżą słoneczną. W niektórych układach na wieży umieszcza się

specjalne zwierciadło, które kieruje promieniowanie do odbiornika znajdującego u podstawy

wieży. Takie rozwiązanie jest korzystne ze względu na zmniejszenie długości rurociągów

transportujących gorący czynnik roboczy. Odbiornikiem energii promieniowania słonecznego

jest zazwyczaj specjalnej konstrukcji wymiennik ciepła, przez który przepływa czynnik

roboczy. Stosowany zazwyczaj środek przenoszący energię z odbiornika do magazynów jest

woda/para wodna, powietrze, ciekły sód lub roztopione sole azotowe. Temperatura czynnika

opuszczającego kolektor dla cieczy wynosi około 600˚C, a dla gazów może wynosić ponad

1000˚C. Jednym z problemów związanym z tego typu instalacjami jest skomplikowane

sterowanie heliostatów, ponieważ każdy z nich musi posiadać oddzielny system sterowania

nadążnego za Słońcem. Skutkuje to bardzo dużymi kosztami inwestycyjnymi przy budowie

tego typu elektrowni.[2]

Warunkiem efektywnego działania instalacji z odbiornikiem centralnym i polem

heliostatów jest natężenie roczne składowej bezpośredniej promieniowania na powierzchnię

poziomą (Direct Normal Irradiance, w skrócie DNI) na poziomie 2000 kW∙h/m2 lub

wyższym. Przykładowo w Polsce napromieniowanie roczne wynosi około 1000kW∙h/m2.

Przy udziale promieniowania bezpośredniego koło 50%, dyskwalifikuje to tereny Polski jako

miejsca budowy dużej instalacji z układem skupiającym [2].

W obecnie budowanych instalacjach tego typu para potrzebna do zasilenia turbiny nie jest

wytwarzana bezpośrednio w odbiorniku promieniowania słonecznego. Stosuje się układ

magazynowania energii, z którego pobierana jest energii potrzeba do wytworzenia pary.

Przykładem takiej instalacji jest konstrukcja wybudowana w europejskim ośrodku badań

słonecznych w Almerii (Hiszpania).

Rys. 7 Schemat elektrowni słonecznej SSPS w Almerii [2]

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

9

Największą na świcie siłownią słoneczną jest Ivanpah Solar Electric Generating System.

Jest to elektrownia z odbiornikiem centralnym wybudowana w 2014 roku na pustyni Mojave

w Kalifornii. Instalacja słoneczna w Ivanpah jest nowsza od elektrowni wymienionej

wcześniej w Kramer Junction, jak również opiera się na innej technologii konwersji energii

promieniowania słonecznego. Elektrownia składa się z trzech bloków po 126 MWe każdy,

dając sumaryczną moc 378 MWe. Każdy blok wyposażony jest we własną wieżę słoneczną

oraz pole heliostatów. Miesięczna energia generowana przez elektrownię wynosi około 1000

GW∙h, przy średniej sprawności całkowitej 31%, a elektrownia zajmuje powierzchnie 14,2

km2. Obieg parowy tej elektrowni jest największym obiegiem, w którym wytwarza się parę

jedynie z energii uzyskanej z promieniowania słonecznego. Tak wielka inwestycja nie mogła

by powstać bez odważnych decyzji inwestorów, jak również wsparcia Departamentu Energii

Stanów Zjednoczonych, który udzieli gwarancji kredytowych o wysokości 1,6 biliona

dolarów. [11]

Rys. 8 Widok na Elektrownię Ivanpah [8]

2.3. Fotowoltaika

Promieniowanie słoneczne niesie ze sobą energię rozłożoną w sposób dyskretny w postaci

kwantów promieniowania jakimi są fotony. Energia niesiona przez foton zależy od

częstotliwości promieniowania, co opisuje poniższa zależność:

hE

Gdzie:

E - energia

h - stała Plancka, 341066256,6 h J s

- częstotliwość promieniowania

Foton docierając do atomu może wybić elektron z powłoki walencyjnej. Na skutek wybicia

elektronów wewnątrz półprzewodnika tworzy się nadmiar nośników prądu elektrycznego.

Efekt fotowoltaiczny został zaobserwowany i opisany przez Edmunda Bequerela w XIX

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

10

wieku. Konwersja energii promieniowania słonecznego w ogniwach fotowoltaicznych w

energie elektryczną odbywa się bez dodatkowych urządzeń mechanicznych i bez

zanieczyszczenia środowiska naturalnego. Instalacje fotowoltaiczne cechują się innym

stopniem skomplikowania, niż elektrownie fototermiczne. W instalacjach fotowoltaicznych

nie pojawia się pośrednia konwersja energii, jak to miało miejsce w instalacjach

fototermicznych (ciepło – praca mechaniczna – energia elektryczna). Elektrownie

fotowoltaiczne potrzebują urządzeń sterujących ogniwami oraz przetwornic napięciowo

prądowych potrzebnych do synchronizacji z siecią elektroenergetyczną.

Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały o stosunkowo niskim napięciu, dodatkowo

napięcie, jak i moc generowana przez ogniwo w dużej mierze zależy od ilości

promieniowania docierającego do ogniwa. Stosuje się selektywne wyłączanie ogniw, które są

częściowo zacienione, aby poprawić warunki eksploatacyjne pozostałych. Wymaga to

wprowadzenia dodatkowych układów sterowania z możliwością wyłączania poszczególnych

modułów. Praca instalacji ogniw fotowoltaicznych z siecią elektroenergetyczną wymaga

zastosowania falowników, które przekonwertują prąd stały w prąd zmienny o odpowiedniej

częstotliwości, co zmniejsza sprawność.

Podstawowym materiałem wykorzystywanym w fotowoltaice jest krzem. Jest on dobrze

poznanym materiałem i szeroko stosowanym w elektronice, dodatkowo jest powszechnie

spotykanym na ziemi. Krzem może tworzyć struktury monokrystaliczne, polikrystaliczne oraz

strukturę amorficzną. Ogniwa wyprodukowane z krzemu monokrystalicznego charakteryzują

się większą sprawnością od ogniw opartych na krzemie polikrystalicznym, jednak koszty

wytworzenia monokryształu są znacznie większe niż polikryształów. Technologia

cienkowarstwowa polega na osadzeniu cienkiej warstwy półprzewodnika na przygotowanym

podłożu z tanich materiałów. Przy użyciu krzemu powstaje warstwa amorficzna. W tej

technologii używa się również innych materiałów, między innymi arsenku galu, dwuselenku

miedziowo-indowego lub tellurku kadmu. Zaletą technologii cienko warstwowej jest

oszczędność materiału, a co za tym idzie obniżenie kosztów produkcji ogniwa. Dodatkową

zaletą tej technologii jest możliwość tworzenia ogniw na podłożu z materiałów elastycznych

jak również nadanie dowolnego kształtu ogniwu. Jest to szczególnie korzystne ze względu na

możliwość wkomponowania ogniw w elewacje budynku.

Rozwój technologii cienkowarstwowej umożliwił wytworzenie ogniw wielozłączowych,

złożonych z kilku cienkich warstw wykonanych z materiałów o różnych właściwościach

absorbcji widma promieniowania słonecznego. Każda warstwa najlepiej absorbuje inną

długość fali, dzięki temu takie ogniwo w lepszym stopniu wykorzystuje widmo

promieniowania słonecznego niż ogniwo wykonane tylko z jednego materiału. W celu

lepszego wykorzystania powierzchni ogniwa, która wykonana jest z drogich materiałów

stosuje się układy optyczne, które skupiają promieniowanie słoneczne na ogniwie. Umożliwia

to lepsze wykorzystanie materiałów i zmniejszenie kosztów inwestycji przy takiej samej

mocy zainstalowanej. W takich instalacjach stosuje się skupiające soczewki Fresnela oraz

zwierciadła odbijające promienie w kierunku ogniwa. Negatywnym skutkiem stosowania

układów skupiających promieniowanie słoneczne jest podniesienie temperatury ogniwa, co

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

11

skutkuje zmniejszeniem jego sprawności, dlatego najlepsze efekty daje zastosowanie

energetycznego stopnia koncentracji na poziomie 15.[5]

Tabela 1 Sprawność ogniw fotowoltaicznych [2],[5],[6]

Topaz Solar Farm to największa na świecie działająca elektrownia fotowoltaiczna o mocy

550 MW. Instalacja znajduje się w Kalifornii i zajmuje powierzchnię 25 km2. Roczna

produkcja energii elektrycznej wynosi około 1100 GW∙h. Obiekt został oddany do

użytkowania w 2014 roku.[12] W Kalifornii budowana jest instalacja o znamionowej mocy

579 MW, planowane zakończenie prac przypada na koniec 2015 roku[13],[14].

3. PERSPEKTYWY NA PRZYSZŁOŚĆ

3.1. Rachunek ekonomiczny

W dzisiejszych czasach na inwestycję patrzy się przez pryzmat ekonomiczny, a sukces

przedsięwzięcia liczy się w zarobionych pieniądzach. Właśnie względy ekonomiczne były

motorem napędowym do rozpoczęcia badań nad odnawialnymi źródłami energii, tak teraz są

pewną przeszkodą przed rozpowszechnieniem się tych instalacji. Problemy pojawiają się już

przy szukaniu lokalizacji pod elektrownie. Powinno to być miejsce, o jak największej liczbie

dni słonecznych w ciągu roku, dużym nasłonecznieniu i o przeważającej składowej

bezpośredniej promieniowania. Warunkiem potrzebnym, aby budowa elektrowni

fototermicznej z odbiornikiem centralnym miała rację bytu jest odpowiedni poziom

napromieniowania, Instalacje fotowoltaiczne mają mniej rygorystyczne wymagania

środowiskowe niż elektrownie fototermiczne, co stało się przyczyną do bardzo intensywnego

rozwoju fotowoltaiki. Według corocznego raportu za rok 2014 międzynarodowej organizacji

Photovoltaic Power Systems Programme (PVPS) moc zainstalowana w fotowoltaice wyniosła

180 GW, a udział generacji energii elektrycznej po raz pierwszy w historii przekroczył 1%

globalnej energii. Ponadto wzrost mocy zainstalowanej w fotoowltaice w 2014 roku był

większy niż prognozowany[9].

Wydaje się, że najkorzystniejszym miejscem pod budowę elektrowni słonecznej jest

pustynia. Dobre warunki słoneczne, dostępność ziemi, która i tak nie jest bardzo

zagospodarowana, jednakże pojawiają się inne problemy. Zazwyczaj lokując instalację

Typ ogniwa Sprawność

Krzem monokrystaliczny 12±15%

Krzem polikrystaliczny 10±11%

Cienkowarstwowe ogniwa krzemowe 5±8%

Cienkowarstwowe ogniwa na bazie telllurku

kadmu 6±9%

Ogniwa na bazie selenku indowo-

miedziowego 7±10%

Ogniwa na bazie arsenku galu 27±28

Ogniwa wielozłączowe Około 30%

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

12

energetyczną na pustyni inwestor musi dodatkowo wybudować sieć energetyczną, dodatkowo

jeśli są to elektrownie oparte na obiegu termodynamicznym, to pojawia się bardzo poważny

problem eksploatacyjny a mianowicie brak wody chłodzącej i wody do czyszczenia

powierzchni refleksyjnych. Wymienione wyżej czynniki doprowadzają do tego, że koszt

budowy elektrowni fototermicznej jest blisko trzy razy większy niż wybudowanie tej samej

mocy elektrowni najnowszej generacji opalanej gazem[2]. Powyższe szacunki uwzględniają

jedynie budowę gazowego bloku energetycznego a nie uwzględniają budowy rurociągów ani

instalacji przyłączającej do sieci gazowniczej.

Przejdźmy teraz do kosztów wytwarzania jednostki energii elektrycznej. Szacuje się, że

koszt wytwarzania energii elektrycznej za pomocą ogniw fotowoltaicznych wynosi około

0,45-0,8 Euro/kW∙h i systematycznie spada[2],[9]. Elektrownie konwencjonalne mają

zdecydowanie niższy koszt wytwarzania, niż fotowltaika, czy elektrownie fototermiczne z

odbiornikiem centralnym lub rozproszonym. Instalacje fototermiczne z odbiornikiem

rozproszonym pomimo mniejszej sprawności całkowitej mają zazwyczaj niższy koszt

wytwarzania energii od elektrowni z odbiornikiem centralnym. Związane jest to z prostotą

systemów sterowania zwierciadłami, które stanowią spory koszt w przypadku elektrowni z

odbiornikiem centralnym.

Cena wytwarzania energii elektrycznej z elektrowni słonecznych ma tendencje spadkową,

szacuje się, że w najbliższych dziesięcioleciach instalacje słoneczne staną się konkurencyjne

w stosunku do elektrowni konwencjonalnych[2].

Rys. 10 Szacunkowe koszty wytwarzania energii elektrycznej z różnych instalacji

energetycznych. Liczba przy opisie oznacza nasłonecznienie roczne

bezpośrednie na płaszczyznę normalną do kierunku promieniowania

wyrażona w kW∙h/m2. CSP – instalacje z odbiornikiem centralnym,

DCS – instalacje z odbiornikiem rozproszonym[2]

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

13

3.2. Wnioski

Obecnie energetyka słoneczna dopiero się rozwija, oferuje technologie bardzo

nowoczesne, o minimalnej ingerencji w środowisko naturalne, ale bardzo drogie.

Rozpowszechnienie się elektrowni słonecznych wymaga wsparcia ze strony rządzących, ze

względu na nie możliwość konkurowania na wolnym rynku z elektrowniami

konwencjonalnymi. Fotowoltaika jest gałęzią energetyki słonecznej, która w ostatnich latach

bardzo szybko się rozwija. Zaletą ogniw fotowoltaicznych jest możliwość budowania

instalacji niewielkich mocy w rejonach, do których nie docierają sieci energetyczne, na

przykład tereny górzyste, pustynie, wyspy, dżungla. WHO (Światowa Organizacja Zdrowia)

patronuje budowie autonomicznych jednostek zasilania, opartych na ogniwach

fotowoltaicznych do zasilania chłodziarek przechowujących leki na terenach

trudnodostępnych.

Oprócz, na razie nie korzystnego rachunku ekonomicznego, innym problemem elektrowni

słonecznych jest zajmowanie dużych przestrzeni. Energia słoneczna jest rozporoszona dlatego

instalacje dużych mocy zajmują olbrzymie tereny. Jednak często zapomina się, że energetyka

konwencjonalna również wymaga zajmowania dużych przestrzeni pod kopalnie, czy sieci

kolejowe. Przykładowo Pole „Bełchatów”, jedno z dwóch eksploatowanych kopalni przez

elektrownie w Bełchatowie, zajmuje powierzchnie 3700ha. [15] Jest to większa powierzchnia

niż teren zajęty przez największe elektrownie słoneczne. W przyszłości szacuje się, że na

skutek wzrostu zaludnienia coraz większym problemem będzie pozyskiwanie żywności,

dlatego zajmowanie dużych połaci terenu pod elektrownie może stać w sprzeczności z

rolnictwem.

Podsumowując wzrost cen paliw kopalnych oraz większe zaangażowanie polityków w

rozwój energetyki niekonwencjonalnej może przyczynić się do poprawy opłacalności

inwestycji. Z drugiej jednak strony energia promieniowania słonecznego jest rozproszona i

każdy dom w pewnym stopniu może dla siebie generować energie elektryczną oraz ciepłą

wodę. Według przewidywań WBGU (The Scientific Advisory Council on Global Change)

energetyka słoneczna będzie przybierała coraz bardziej na znaczeniu i w przyszłości zacznie

wypierać inne technologie pozyskiwania energii co zobrazowane jest na wykresie poniżej.

Rys. 11 Przewidywane wykorzystanie energii pierwotnej w przyszłości [10]

Nowoczesna Energetyka Europy Środkowo-Wschodniej 2015

14

LITERATURA

[1] Zbysław Pluta. Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii

słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,

Warszawa 2013

[2] Zbysław Pluta. Słoneczne instalacje energetyczne, Oficyna

Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007

[3] Damazy Laudyn, Maciej Pawlik, Franciszek Strzelczyk. Elektrownie,

Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007

[4] Konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego w

warunkach krajowych, J. Bogdanienko, A. Chochowski, D. Chwieduk,

R. Damański,

W. Gogół, J. Krzyżanowski, L. Laskowski, J. Mikielewicz, J. Pabis, Z.

Pluta,

J. Podogrocki, W. Pomierny, G. Wiśniewski, R. Wnuk; Redakcja:

Wiesław Gogół, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,

Warszawa 1993

[5] Ewa Klugmann-Radziemska. Fotowltaika w teorii i praktyce,

Wydawnictwo btc, Legionowo 2010

[6] Mariusz T. Sarnik. Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza

Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008

[7] http://www.rynekinstalacyjny.pl/images/photos/24/3365/__b_kolektory

-przemyslowe-1.jpg

[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Ivanpah_Solar_Power_Facility

[9] http://www.cire.pl/item,111888,1,0,0,0,0,0,pvps-rozwoj-fotowoltaiki-

przekracza-wczesniejsze-prognozy.html

[10] http://www.wbgu.de/index.php?id=80&L=0

[11] http://www.ivanpahsolar.com/

[12] http://topazsolar.com/Home/About-Us/Projects/Topaz-Solar-Farm

[13] http://us.sunpower.com/utility-scale-solar-power-plants/solar-

energy-projects/solar-star-projects/

[14] http://www.greentechmedia.com/articles/read/Solar-Star-Largest-

PV-Power-Plant-in-the-World-Now-Operational

[15] https://www.kwbbelchatow.pgegiek.pl/index.php/o-oddziale/kim-

jestesmy/