Energia słoneczna. Jak ją wykorzystywać?

Energia słoneczna jest energią pochodzącą ze słońca, która jest przekształcana w energię cieplną lub elektryczną, gdy trafi na Ziemię. Energia słoneczna jest najczystszym i najobfitszym dostępnym źródłem energii odnawialnej. Jest niezbędna do życia na Ziemi i jest powszechnie wykorzystywana do zaspokajania potrzeb energetycznych.

Promieniowanie słoneczne, czyli światło – zwane również promieniowaniem elektromagnetycznym – które jest emitowane przez słońce, dociera do każdego zakątka naszej planety. Musimy jednak pamiętać, że ilość promieniowania słonecznego docierającego do dowolnego miejsca na powierzchni Ziemi jest różna. Technologie słoneczne wychwytują to promieniowanie i przekształcają je w użyteczne formy energii.

Technologie solarne mogą wykorzystać energię słoneczną do różnych zastosowań, w tym do generowania energii elektrycznej, zapewnienia światła lub komfortowego środowiska wewnętrznego w budynkach oraz ogrzewania wody do użytku domowego, komercyjnego lub przemysłowego.

Najczęściej stosowanymi technologiami słonecznymi w domach, gospodarstwach rolnych i firmach są:

• Fotowoltaika dedykowana do wytwarzania energii elektrycznej, 
• wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń,
• podgrzewanie wody użytkowej.

Energia słoneczna powstaje w wyniku syntezy jądrowej zachodzącej na Słońcu. Fuzja zachodzi, gdy protony atomów wodoru gwałtownie zderzają się w jądrze Słońca i łączą się w cząsteczki helu. Proces ten, znany jako reakcja łańcuchowa PP (proton-proton), emituje ogromną ilość energii. Szacuje się wręcz, że w swoim jądrze Słońce w ciągu sekundy łączy około 620 milionów ton wodoru. To naprawdę olbrzymie ilości, dzięki którym następnie energia, ciepło i światło ze słońca są w stanie odpłynąć w postaci promieniowania elektromagnetycznego. 

Ze względu na znaczną odległość Słońca od Ziemi, wynoszącą około 150 mln km, temperatura na powierzchni Słońca sięgająca nawet 5770°C, nie zagraża mieszkańcom naszej planety. Wspomniana odległość sprawia również, że energia wytworzona na Słońcu uwalnia się w postaci promieniowania z intensywnością na poziomie 63 MW/m2, a średnia intensywność promieniowania słonecznego na powierzchni ziemskiej atmosfery jest zredukowana do poziomu około 1000 W/m2. Zatem przez atmosferę przenika na Ziemię tylko część promieniowania słonecznego, w tym promieniowanie absorbowane, odbite i bezpośrednie.

Ze względu na możliwość wykorzystania promieniowania słonecznego w fotowoltaice, szczególną uwagę należy zwrócić na dwa ostatnie typy promieniowania. Rozproszone dociera do powierzchni naszej planety, jednak zostaje rozproszone w atmosferze. Sprawia ono, że moduły fotowoltaiczne mogą działać nawet w bardziej pochmurne dni. Z kolei promieniowanie bezpośrednie, jak sama nazwa sugeruje, stanowi największe źródło energii słonecznej, możliwej do wykorzystania w instalacjach PV.

Energia słoneczna jest bardzo elastyczną technologią energetyczną. Może mieć zastosowanie jako generacja rozproszona (zlokalizowana w punkcie poboru lub w jego pobliżu) lub jako centralna elektrownia słoneczna na skalę użytkową (podobnie jak w tradycyjnych elektrowniach). 

Obie te metody mogą również magazynować energię, którą wytwarzają do dystrybucji w okresie wzmożonego zapotrzebowania, przy użyciu najnowocześniejszych technologii magazynowania energii słonecznej. 

Energia słoneczna wykorzystywana jest w złożonym i wzajemnie powiązanym systemie elektroenergetycznym w wielu krajach na całym świecie, współpracując z innymi technologiami, takimi jak energia wiatrowa, w celu łatwej i wydajnej transformacji gospodarek na czystą energią odnawialną.

Fotowoltaika to forma aktywnej technologii słonecznej odkryta w 1839 roku przez 19-letniego francuskiego fizyka Alexandre-Edmonda Becquerela. Becquerel odkrył, że kiedy umieścił chlorek srebra w kwaśnym roztworze i wystawił go na światło słoneczne, elektroda platynowa dołączona do niego generowała prąd elektryczny. Ten proces wytwarzania energii elektrycznej bezpośrednio z promieniowania słonecznego nazywany jest efektem fotowoltaicznym.

Obecnie fotowoltaika jest prawdopodobnie najbardziej znanym sposobem wykorzystania energii słonecznej. Każde ogniwo fotowoltaiczne, czyli najmniejszy element budujący panele PV, zawiera półprzewodnik, zwykle wykonany z krzemu. Kiedy półprzewodnik pochłania światło słoneczne, wybija elektrony. W sytuacji, gdy przewodniki elektryczne są podłączone zarówno do strony dodatniej, jak i ujemnej i tworzą obwód elektryczny, elektrony mogą zostać przechwycone w formie prądu elektrycznego.

Fotowoltaika była po raz pierwszy szeroko stosowana w statkach kosmicznych. Wiele satelitów, w tym także Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, są wyposażone w szerokie, odblaskowe „skrzydła” złożone z paneli PV. Dostarczają one całą energię elektryczną do ISS, umożliwiając astronautom obsługę stacji, bezpieczne przebywanie w kosmosie przez wiele miesięcy oraz przeprowadzanie eksperymentów naukowych i inżynieryjnych. Wraz z rozwojem technologii fotowoltaicznej i jej dostępnością, znalazła ona zastosowanie także i na naszej planecie. 

Jak wspomnieliśmy na początku artykułu, energia słoneczna może być także wykorzystywana do ogrzewania i chłodzenia pomieszczeń oraz do podgrzewania wody użytkowej. Instalacje solarne są coraz częściej łączone z fotowoltaiką i pompami ciepła, zapewniając tym samym niemal całkowitą niezależność energetyczną. System taki pracuje wydajnie, dążąc do minimalizacji kosztów. W pierwszej kolejności wykorzystywana jest bowiem energia pochodząca z kolektorów słonecznych. Gdy jej zasoby nie są niewystarczające, swoją pracę rozpoczyna powietrzna pompa ciepła. Natomiast w okresie wzmożonego zapotrzebowania na energię i ciepło, czyli jesienią i zimą, gdy temperatury są coraz niższe, uruchamia się grzałka elektryczna zasilana prądem pochodzącym z fotowoltaiki. 

Choć układ taki daje realne szanse na obniżenie rachunków za prąd, to jednak do kalkulacji rentowności całej inwestycji należy także dodać koszty początkowe. Te, w przypadku połączenia kolektorów solarnych, pompy ciepła i fotowoltaiki będą znaczące. Jeśli nie jesteśmy gotowi na poniesienie aż tak dużych wydatków, warto zastanowić się, który z systemów zasilanych energią słoneczną jest nam najbardziej potrzebny i w jak najlepszym stopniu odpowie na nasze potrzeby.

Często można spotkać się z opinią, że Polska nie jest krajem, w którym występuje duże nasłonecznienie. Z danych opublikowanych przez Komisję Europejską wynika jednak, że klimat naszego kraju choć nie jest tak sprzyjający, jak w krajach południowych, to jednak panujące u nas warunki pogodowe są mocno zbliżone do tych, które występującą w Niemczech czy we Francji.

Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej podaje, że wartość średniego natężenia promieniowania całkowitego dla Polski w ciągu roku waha się w przedziale między 930 a 1070 kWh/m2. Z tego blisko 80% promieniowania słonecznego przypada na okres letni. Najwyższą wartość średniej rocznej ilości godzin nasłonecznienia zaobserwowano w Polsce w Raciborzu i w Tarnowie. Wyniosła ona ponad 1250 h/rok. Z kolei najniższa wartość średniej ilości godzin usłonecznienia w skali roku wynosiła około 500 h/rok i dotyczyła takich miast, jak Kołobrzeg, Mława czy Ustka. Generalizując, największy poziom nasłonecznienia w Polsce występuje w rejonie południowym i południowo-wschodnim. Z kolei najmniejsza ilość godzin słonecznych w ciągu roku występuje na Pomorzu.

Przytoczone powyżej dane jasno pokazują, że usłonecznienie w Polsce plasuje się na tyle dobrym poziomie, że inwestycja w odnawialne źródła energii, w tym w fotowoltaikę, jest opłacalna. Świadczą też o tym coraz większe inwestycje osób prywatnych, rolników, jak i przedsiębiorców w instalacje PV.

Jak wynika z danych udostępnionych przez Agencję Rynku Energii, zainstalowana moc fotowoltaiki w naszym kraju wyniosła na koniec lipca 2021 roku ponad 5,6 GW. Oznacza to wzrost w porównaniu rok do roku o blisko 211%. W miesiącu tym powstało kolejnych 31 tys. nowych instalacji fotowoltaicznych o średniej mocy 10 kW.

Co ciekawe, rekordowy poziom produkcji prądu w instalacjach PV został zanotowany 11 maja 2021 roku. Wówczas, zgodnie z szacunkami PSE, w godzinach 12-13 systemy fotowoltaiczne wyprodukowały 3411 MWh energii elektrycznej. Niektórych może dziwić fakt, że rekordowy dzień nie przypadł na miesiące wakacyjne – czerwiec, lipiec czy sierpień. Wątpliwości powinien jednak rozwiać fakt, iż instalacje fotowoltaiczne pracują z największą wydajnością wówczas, gdy dni są słoneczne, ale jednak nieupalne. W okresie bardzo wysokich temperatur fotowoltaika niestety nie ma optymalnych warunków do wytwarzania energii elektrycznej. Zatem to właśnie miesiące z nieco niższymi temperaturami, ale długą ilością godzin słonecznych, stwarzają najlepsze okoliczności do wytwarzania prądu ze słońca.

Aktualnie zapotrzebowanie na energię pokrywane jest przede wszystkim z paliw kopalnych takich jak gaz, węgiel czy ropa naftowa. Problem z ich wykorzystaniem polega jednak na tym, że są to zasoby nieodnawialne i wyczerpywalne. Z tego względu możliwość pozyskania energii ze słońca cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze strony inwestorów prywatnych, jak i przedsiębiorców czy rolników. Energię słoneczną można czerpać niemal nieustannie, nawet w pochmurne czy deszczowe dni. Zaletą wykorzystania energii ze słońca jest także łatwa możliwość konwersji jej w inne formy energii – energię cieplną, czy też energię elektryczną. 

Wśród korzyści należy także wymienić aspekty finansowe. Wraz z popularyzacją technologii solarnych, zarówno kolektorów słonecznych, jak i paneli fotowoltaicznych, ceny poszczególnych elementów wchodzących w skład systemów zaczęły spadać. Pojawiła się też większa dostępność usług montażowych, co jak można się domyślać, przerwało monopol rynkowy kilku firm i również obniżyło koszty inwestycji w odnawialne źródła energii. 

Element ten należy jednak rozpatrywać równocześnie w kontekście zagrożeń. Wzrost liczby inwestorów chętnych do wykorzystania energii słonecznej sprawił, że zwiększyła się dostępność ekip montażowych. Niestety często ich doświadczenie w pracy z kolektorami słonecznymi czy panelami PV jest znikome. To w konsekwencji przekładać się może na awaryjność pracy instalacji i wydłużać okres zwrotu z inwestycji. Podejmując więc decyzję o wykorzystaniu energii słonecznej do ogrzewania wody czy pozyskiwania prądu, należy dobrze zweryfikować rynek i wybrać tych producentów i wykonawców, którzy pochwalić się mogą dobrą renomą.

Zaletą wykorzystania energii słonecznej jest także bez wątpienia aspekt ekologiczny. Energia pozyskiwana ze słońca, obok energii wiatrowej, należy do jednych z najbardziej przyjaznych odnawialnych źródeł dla środowiska naturalnego. Nie emituje bowiem szkodliwych gazów, nie zużywa wody, nie generuje znaczącej ilości odpadów. Co ważne, przykładowo panele PV niemal w całości podlegają recyklingowi. 

Już teraz trwają prace nad usprawnieniem tego procesu. Z ogłoszonych niedawno informacji wynika, że technologia przedstawiona przez AGH oraz firmę 2loop Tech pozwoli na odzyskanie niemal 99% surowców z paneli fotowoltaicznych. Byłoby to przełomowe i ważne dla całego świata osiągnięcie, ponieważ zamontowane dziś moduły PV stracą swoją żywotność za około 25 lat.

Jak podkreśla prof. Marek Cała, dziekan Wydziału Inżynierii Lądowej i Gospodarki Zasobami Akademii Górniczo-Hutniczej, „w samej Polsce w najbliższych latach konieczne będzie zutylizowanie ponad 100 tys. ton paneli i nie będzie można ich po prostu wyrzucić. Po pierwsze nie pozwala na to prawo, po drugie jest to, z punktu widzenia ekonomicznego, zupełnie nieracjonalne”. Pozostaje zatem cieszyć się, że to właśnie Polacy będą mieć duży wkład w ratowanie środowiska i rozwój sektora odnawialnych źródeł energii, w tym i tej pochodzącej ze słońca.

Z punktu widzenia użytkowników, ważny jest także aspekt niezależności energetycznej. Pozyskiwana ze słońca energia służyć nam może zarówno do podgrzewania wody użytkowej, jak i ogrzewania domu czy zasilania różnego rodzaju urządzeń elektrycznych. Korzystając z własnej mikroinstalacji PV zyskujemy darmowy prąd ze słońca, który, o ile posiadamy status prosumenta, możemy zarówno wykorzystywać na bieżące potrzeby, jak i oddawać do sieci energetycznej.

Bilansowanie roczne sprawia, że w okresie większego nasłonecznienia, możemy wyprodukować większą ilość energii elektrycznej, która trafi do sieci energetycznej. Stamtąd możemy ją odebrać w okresie, gdy dni są krótsze. Trzeba przy tym pamiętać, że rozliczanie to odbywa się na zasadzie upustów – w zależności od mocy posiadanej instalacji PV możemy odebrać z zakładu energetycznego 70% lub 80% skumulowanego prądu. 

Masz pytania? Potrzebujesz więcej informacji? Skontaktuj się z nami