Energia słońca i budownictwo ekologiczne

Wykorzystywanie energii słonecznej.Około 40% promieniowania słonecznego dochodzącego do naszej planety
jest odbijane przez atmosferę, 20% jest przez nią pochłaniane, a tylko 40% energii dociera do powierzchni Ziemi.

Oświetlenie powierzchni Ziemi nie jest równomierne. Zależy odszerokości geograficznej, pory roku i pory dnia. Obliczono, że jednemumetrowi kwadratowemu powierzchni Ziemi Słońce dostarcza w ciągu dnia na naszej szerokości geograficznej średnio 2,7kWh energii. Jest to wartość równa energii, jaką uzyskujemy ze spalenia jednej trzeciej litra benzyny.

Montaż modułów fotowoltaicznych na dachu domu

Obecnie chcemy wykorzystać jej jak najwięcej. Energię słoneczną używa
się do ogrzewania domów mieszkalnych zakładając ogniwa fotowoltaiczne
za ieniające światło na prąd lub wykorzystując światło do ogrzewania
wody w w specjalnych zbiornikach umieszczonych na dachach zwanych
kolektorami. Aby wystarczyło to do ogrzania średniego domu rodzinnego i
dostarczenia domownikom ciepłej wody powierzchnia kolektorów musiałaby
wynosić aż 60m². Jest to duża powierzchnia i oprócz ogrzewania słonecznego użytkownicy wykorzystują energię elektryczną.

Baterie słoneczne (ogniwa fotowoltaiczne) są to urządzenia
elektroniczne, które wykorzystują zjawisko fotowoltaiczne do zamiany
światła na prąd elektryczny. Każde małe ogniwo wytwarza mały prąd, ale
duża ilość ogniw, wzajemnie połączonych jest w stanie wytworzyć prąd o
użytecznej mocy. Ogniwa są zbudowane z krystalicznego krzemu
domieszkowanego warstwami lub z cienkich warstw półprzewodników, zwykle
uwodnionego krzemu amorficznego odpowiednio domieszkowanego (czasami
arsenku galu). Sprawność ogniw w laboratoriach wynosi około 15%,
natomiast stosowanych komercyjnie 4 – 8%. Wykorzystuje się je w
elektrowniach słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i
kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni kosmicznej, gdzie
promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.

Z myślą, z jednej strony o kryzysie energetycznym, a z drugiej o
ochronie środowiska, powstają projekty bezpośredniego wykorzystania
energii słonecznej na ogromną skalę, chociaż energia uzyskana z baterii
słonecznych jest około pięć razy droższa niż z konwencjonalnych źródeł.

W Niemczech planuje się w bieżącym dziesięcioleciu zainstalować systemyfotowoltaiczne na 100 tysiącach dachów, w Unii Europejskiej (nie licząc
Niemiec) 400 tysięcy, w Japonii 700 tysięcy, a w Stanach Zjednoczonych
ponad milion takich urządzeń.
Na zdjęciu obok widoczny jest pojazd zasilany z baterii słonecznych
Sunraycer wygrał w 1987 roku wyścig na dystansie 3138 km osiągając
średnią prędkość 67 km/h.

We Francji wielki piec przemysłowy w Mont Louis ogrzewany jest przez
wielopiętrową konstrukcję małych reflektorów, odpowiednio ustawionych,
tworzy gigantyczne, zakrzywione zwierciadło. W punkcie skupienia
uzyskuje się temperaturę około 3000 ^oC, wystarczającą do obróbki wielu metali.

Istnieją inne często fantastyczne pomysły wykorzystania energii
słonecznej. Japoński projekt GENESIS zakłada ustawienie w pustynnych
rejonach elektrowni słonecznych, zbudowanych z cienkowarstwowych ogniw
i utworzenie globalnej sieci energetycznej z nadprzewodzących kabli.
Żeby zaspokoić światowe potrzeby energetyczne wystarczyłoby pokryć
ogniwami zaledwie 4% powierzchni pustyń i nauczyć się przesyłać prąd
bez strat.
Istnieje również projekt wykorzystania energii słonecznej z przestrzeni
kosmicznej. ten projekt zakłada wystrzelenie na orbitę okołoziemską 40
satelitarnych elektrowni słonecznych (SPS – Solar Power Satelites),
wyposażonych w olbrzymie panele baterii słonecznych. Wytworzona
elektryczność ma być zamieniana na promieniowanie mikrofalowe,
transmitowane do odbiorników na Ziemi, gdzie nastąpi znowu zamiana w
prąd elektryczny. Niestety, mikrofalowe wiązki energii z satelitarnych
elektrowni słonecznych spaliłby wszystkie napotykane na drodze
niemetalowe przedmioty oraz żywe istoty.

Bariera potencjału

Niestety aby dokładnie wyjaśnić to zjawisko musimy przedstawić podstawowe własności półprzewodników i złącza p-n.
W półprzewodniku za przewodzenie prądu odpowiedzialne są swobodne
elektrony, których jest dużo mniej niż w metalach i puste miejsca po
elektronach, które mogą się przemieszczać więc traktujemy je jako
ładunki dodatnie.
Jeśli połączymy ze sobą półprzewodnik typu p i n to taki układ nazywamy
złączem p-n. Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie
obojętny. Po zetknięciu Przez granicę obu obszarów dzięki zjawisku
dyfuzji elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do p, a dziury z
półprzewodnika typu p do n. Po przejściu elektrony rekombinują
(zobojętniają się) z dziurami, a dziury z elektronami. Rekombinacja
zachodzi jedynie w cienkiej warstwie blisko granicy zetknięcia. Ładunek
jonów dodatnich i ujemnych po obu stronach granicy nie jest teraz
skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. W wyniku tego
powstaje
tzw. warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma
prawie nośników ładunku. Obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny
od obszaru typu n.. Powstała różnica potencjału nosi nazwę bariery
potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przechodzeniu elektronów.
Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun
źródła połączony będzie z obszarem p, a ujemny z obszarem n to
zmniejszy się bariera potencjału i prąd będzie płynął. Mówimy, że
złącze polaryzujemy w kierunku przewodzenia. Jeśli do obszaru p
dołączymy biegun ujemny, a do obszaru n dodatni to elektrony i dziury
będą odciągane od złącza. Wskutek tego warstwa zaporowa poszerzy się i
jej opór elektryczny wzrośnie. Będzie płynął wtedy bardzo słaby prąd.
Mówimy, że dioda spolaryzowana jest w kierunku zaporowym.

Teraz przystąpimy do omówienia właściwego zjawiska. Zjawisko
fotoelektryczne wewnętrzne inaczej fotogalwaniczne znalazło
zastosowanie w ogniwach fotoelektrycznych powszechnie zwanych

Budowa baterii słonecznej

bateriami słonecznymi. Na rysunku pokazano budowę
typowego ogniwa krzemowego. Takie ogniwo wykonuje się z półprzewodnika
typu p (więcej jest w nim dziur niż swobodnych elektronów) pokrytego
warstwą półprzewodnika typu n (przeważają w nim swobodne elektrony) o
grubości tylko 1mm, a więc wystarczająco
cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy
zaporowej. Pochłonięte fotony światła wybijają elektrony z sieci
krystalicznej i stają się swobodne, a jednocześnie tworzą się dziury.
Pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego w warstwie następuje
dyfuzja czyli przejście dziur do obszaru p półprzewodnika, a elektronów
do obszaru n. Elektrony, które przeszły do obszaru n ładują tę część
półprzewodnika ujemnie, natomiast dziury ładują obszar p półprzewodnika
dodatnio. Pomiędzy obiema częściami półprzewodnika powstaje więc
różnica potencjałów. Jeśli obszary p i n połączymy przewodem na
zewnątrz ogniwa, to popłynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku
przewodzenia diody.

W Australii już być może w tym roku ruszy budowa potężnej elektrowni
słonecznej. Rząd Australii jest szczególnie wyczulony na sprawę ochrony
środowiska. Od 2001 r. skupuje energię ze źródeł odnawialnych po
korzystnych dla producentów cenach i udziela im preferencyjnych
kredytów. Przed rokiem 2010 dziesięć procent energii produkowanej w
Australii ma pochodzić ze słońca, wiatru i wody (dziś jest to siedem
procent).

Zasada działania „Wieży Słońca”

Pomysł jest niezwykły. Zbudowana będzie potężna wieża o wysokości
jednego kilometra na środku gigantycznej szklarni w kształcie koła o
średnicy siedmiu kilometrów. Lekko spadzisty dach umieszczony kilka
metrów nad ziemią zasłoni powierzchnię 3800 hektarów. Szklarnia będzie
otwarta, bez zewnętrznych ścian na brzegach koła, co zapewni swobodny
przepływ powietrza. Obiekt nazwano „Wieżą Słońca”. Ze względu na
zachęty ekonomiczne rządu, silne słońce i brak trzęsień ziemi,
australijskie pustkowia są idealną lokalizacją. Koszt wzniesienia
elektrowni szacuje się na 350 mln dolarów.
Pomysł powstał pod koniec lat siedemdziesiątych. Jego autorem jest
niemiecki inżynier, profesor Jörg Schlaich. W latach osiemdziesiątych
jego firma, przy współudziale rządu Hiszpanii, wybudowała w Manzenares
w Kastylii prototyp Wieży Słońca. Komin niedaleko Madrytu jest pięć
razy niższy od australijskiego, a szklarnia zajmuje „tylko” 4 hektary.
To przesądza o czysto eksperymentalnym charakterze elektrowni.
Osiągając śmiesznie niską moc 50 kilowatów, pracowała ona do roku 1989.
Technologia słonecznego komina będzie dopiero efektywna, dopiero gdy
jego rozmiary są ogromne. Dlatego tak duże rozmiary obiektu.
Zasada działania wieży jest prosta. Opiera się na tym, że ciepły gaz
jest lżejszy od zimnego i unosi się ku górze. Słońce ogrzeje powietrze
w szklarni do temperatury o 30-40^oC
wyższej niż na zewnątrz. To spowoduje ruch powietrza do środka, w
stronę betonowego komina o średnicy 130 m, który niczym odkurzacz
samorzutnie zassie je do góry. Hulający pod szklanym dachem wiatr
osiągnie prędkość 50 km na godzinę. Napędzać będzie 32 turbiny o mocy
6,5 megawata każda. Turbiny przetworzą energię mechaniczną na
elektryczną.
Wieża Słońca będzie wytwarzać prąd przez całą dobę. Na ziemi wewnątrz
szklarni rozłożone zostaną pojemniki z wodą. Za dnia woda nagrzeje się
tak mocno, że ciepło oddawane przez nią w nocy wystarczy do
podtrzymania pracy megaodkurzacza. Oczywiście na niższych obrotach niż
w południe, ale nocą maleje zapotrzebowanie na prąd.
Wieża Słońca będzie mieć ogromną zaletę – nie wyemituje ani grama
zanieczyszczeń. Z drugiej strony Wieża wcale nie będzie tak
nieszkodliwa, jakby się zdawało. Żeby wyprodukować beton i stal
potrzebne do jej budowy, trzeba wyemitować do atmosfery 2 mln ton
zanieczyszczeń (głównie dwutlenku węgla). Dopiero po dwóch i pół roku
pracy bez dymu i spalin Wieża zniweluje straty, jakie środowisko
poniesie przy jej wznoszeniu.