Odnawialne Źródła Energii » Energia słoneczna

Do górnych warstw atmosfery Ziemi dociera promieniowanie słoneczne o natężeniu napromieniowania 1366,1 W/m². Oznacza to, że całkowita moc docierająca do atmosfery wynosi około 174 petawatów.

Około 30% tej mocy jest odbijane w kosmos, a 20% pochłaniane przez atmosferę. Do powierzchni Ziemi dociera około 89 petawatów, czyli średnio 180 W/m².

Moc ta nie jest rozmieszczona równomiernie: obszar oświetlony światłem padającym prostopadle z góry może otrzymać do 1000 W/m², natomiast obszary, na których trwa noc, nie otrzymują bezpośrednio nic. Po uśrednieniu cyklu dobowego i rocznego najwięcej energii otrzymują obszary przy równiku, a najmniej obszary okołobiegunowe.

Sumaryczna energia, jaka dociera do powierzchni poziomej w ciągu całego roku, wynosi od 600 kWh/(m²*rok) w krajach skandynawskich do ponad 2500 kWh/m²/rok w centralnej Afryce[9]. W Polsce wynosi około 1100 kWh/(m²*rok).

Z 89 petawatów docierających do powierzchni, około 0,1% jest wykorzystywane przez rośliny w procesie fotosyntezy. Zmagazynowana w ten sposób energia jest źródłem zarówno żywności, jak i paliw kopalnych.

Całkowita moc wykorzystywana przez ludzi stanowi około 18 terawatów, czyli około 0,02% mocy promieniowania słonecznego. Szacuje się, że wszystkie istniejące na Ziemi złoża węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego zawierają łącznie około 430 ZJ energii, co odpowiada energii jaka dociera ze Słońca do Ziemi w ciągu 56 dni.

Cała energia promieniowania słonecznego pochłonięta przez Ziemię, również ta wykorzystana w jakikolwiek sposób przez rośliny i zwierzęta, przekształca się w ciepło, a następnie jest emitowana w postaci promieniowania podczerwonego w kosmos.

Kolory na mapie obrazują średnie miejscowe nasłonecznienie za lata 1991÷1993, przez 24 godziny na dobę, z uwzględnieniem zachmurzenia wg pomiarów satelitarnych. Obszary zaznaczone czarnymi punktami mogłyby dostarczyć teoretycznie więcej energii, niż wynosi całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną na świecie (przyjmując efektywność konwersji na poziomie 8%). To znaczy, że cała współcześnie zużywana przez ludzkość energia – wliczając ciepło, energię elektryczną oraz pozyskiwaną z paliw kopalnych – mogłaby zostać wytworzona w postaci prądu przez ulokowane tam ogniwa słoneczne.

Konwersja fotochemiczna

Metoda fotochemiczna to konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną. Jak dotąd na szeroką skalę nie jest wykorzystywana w technice, ale zachodzi w organizmach żywych i nosi nazwę fotosyntezy. Wydajność energetyczna tego procesu wynosi 19–34%, w przeliczeniu na energię jaka jest gromadzona w roślinach (ok. 1%), jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego.

Termoliza wody

W wysokich temperaturach (ponad 2500 K) następuje termiczny rozkład pary wodnej na wodór i tlen. Otrzymanie tak wysokiej temperatury jest możliwe dzięki zastosowaniu odpowiednich zwierciadeł skupiających promienie słoneczne, zatem rozbicie wody na wodór i tlen nie stanowi problemu. Trudne jest natomiast rozdzielenie tak powstałych gazów. Przy obniżaniu temperatury następuje bowiem ich ponowne spalenie (powrót do postaci wody). Trwają prace nad efektywnymi metodami rozdzielania wodoru i tlenu w tak wysokiej temperaturze. Pod uwagę brana jest między innymi efuzja możliwa dzięki dużej różnicy mas atomów wodoru i tlenu, oraz użycie wirówek. Konieczność pracy w tak wysokiej temperaturze powoduje duże straty energii, wysokie koszty budowy urządzeń, ich szybkie zużywanie się i małą sprawność.

Wieże słoneczne

Wieża słoneczna to bardzo wysoki komin słoneczny, w którym energię ruchu powietrza przekształca się na energię elektryczną za pomocą turbiny wiatrowej połączonej z generatorem.

Skala indywidualna

Ponieważ koszty otrzymywania energii elektrycznej ze światła słonecznego były zawsze wielokrotnie wyższe niż przy wykorzystaniu innych źródeł energii, przez długi czas była ona stosowana jedynie tam, gdzie ich wykorzystanie było bardzo utrudnione lub niemożliwe. Przykładem takich zastosowań były:

• urządzenia przenośne wymagające niewielkich ilości energii, np. kalkulatory, zegarki elektroniczne
• trudno dostępne miejsca, gdzie doprowadzenie linii elektrycznej byłoby nieopłacalne, np. domy stojące pojedynczo, kamery monitorujące, fotoradary,
• pojazdy, w których wykorzystanie innych źródeł energii byłoby nieopłacalne, np. sztuczne satelity, jachty żaglowe, wozy kempingowe

Energetykę słoneczną wykorzystuje się coraz powszechniej. Związane jest to, między innymi ze spadkiem cen (200-krotnym w latach 1977-2015 – patrz „ekonomika” poniżej), z większą dostępnością technologii, programami dofinansowania instalacji tego typu urządzeń, rosnącą świadomością ekologiczną oraz wzrostem cen energii pochodzącej z tradycyjnych źródeł. Na rynku pojawiły się również nowe rozwiązania łączące tradycyjne źródła energii (np. LPG) z energią słoneczną, które umożliwiają uniezależnienie się od negatywnych warunków atmosferycznych (np. w czasie zimy).

Skala przemysłowa 

Kraje o największym wykorzystaniu energii słonecznej w latach 2004-2013

Od początku XXI wieku różne państwa zaczęły wprowadzać subwencje na budowę przemysłowych instalacji słonecznych: min. Niemcy, Czechy, Francja, Grecja, Włochy, Hiszpania, Wielka Brytania, Słowacja, Serbia, Bułgaria, Chiny, Tajwan, Indie, Korea Południowa. Wywołało to gwałtowny rozwój fotowoltaiki przemysłowej. Od 2000 roku produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40% rocznie[1]. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy 277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej mocy 24 047 MW.

Poniższa tabela przedstawia sumaryczną moc ogniw fotowoltaicznych w poszczególnych krajach w MW

Region	2008	2009	2010	2011	2012	2013	2014	2015	Wzrost 2015/2014	Udział
Chiny	140	300	800	3300	7000	17639	28199	43480	53,5%	18,9%
Niemcy	6120	10566	17900	25400	33000	36300	38200	39700	3,5%	17,2%
Japonia	2144	2627	3618	4914	6632	13599	23300	35400	51,3%	15,4%
Stany Zjednoczone	1169	1616	2534	3910	7328	12079	18280	25600	39,6%	11,1%
Włochy	458	1181	3502	12803	16454	18074	18460	18900	1,6%	8,2%
Wielka Brytania	23	26	70	976	1747	2780	5228	9070	66,1%	3,9%
Francja	186	335	1054	2974	4090	4733	5660	6557	15,5%	2,8%
Hiszpania	3635	3698	4110	4897	5216	5333	5358	5432	1,0%	2,4%
Australia	105	188	571	1377	2407	3226	4136	5065	22,6%	2,2%
Indie	71	101	161	481	1176	2320	3062	5062	65,3%	2,2%
Korea Południowa	358	524	656	812	1025	1475	2384	3408	42,1%	1,5%
Belgia	108	627	1055	2057	2768	3009	3074	3251	3,0%	1,4%
Grecja	18	55	205	624	1536	2579	2595	2606	0,4%	1,1%
Kanada	33	95	281	558	766	1211	1900	2504	31,5%	1,1%
Czechy	64	462	1952	1959	2072	2132	2134	2150	0,7%	0,9%
Tajlandia	33	43	49	243	388	824	1299	1420	9,3%	0,6%
Holandia	57	68	99	150	363	737	1098	1405	34,1%	0,6%
Szwajcaria	48	74	111	211	440	756	1076	1361	28,3%	0,6%
Rumunia	0	0	0	3	49	1022	1293	1325	2,5%	0,6%
Południowa Afryka	0	12	40	68	75	122	920	1120	21,7%	0,5%
Bułgaria	1	7	35	141	1010	1020	1022	1036	1,4%	0,4%
Austria	32	53	96	187	360	626	766	937	19,1%	0,4%
Izrael	3	25	70	190	237	481	731	881	29,4%	0,4%
Chile	0	0	0	0	0	3	368	848	110,9%	0,4%
Dania	3	5	7	17	379	563	603	783	29,2%	0,3%
Słowacja	0	0	148	508	543	588	590	600	1,7%	0,3%
Portugalia	68	102	123	158	226	281	391	454	16,1%	0,2%
Meksyk	22	25	31	37	55	112	176	282	57,5%	0,1%
Turcja	4	5	6	7	9	18	58	266	360,5%	0,1%
Malezja	9	11	13	14	36	73	160	231	37,5%	0,1%
Szwecja	8	9	11	16	24	43	79	130	64,2%	0,1%
Finlandia	4	5	7	8	9	10	14	19	34,7%	0,0%
Norwegia	8	9	9	10	10	11	13	15	15,6%	0,0%
Świat	16 063	24 263	41 330	71 218	102 076	140 150	180 396	230 606	28,1%	100,0%
Wzrost w roku	+73%	+51%	+70%	+72%	+43%	+37%	+29%	+28%

Spadek cen krzemowych ogniw fotowoltaicznych w latach 1977-2015

Z raportu instytutu Fraunhofer ISE (należącego do Fraunhofer-Gesellschaft) wynika, że w 2025 roku fotowoltaika będzie najtańszym źródłem energii. Koszt energii pozyskanej z paneli słonecznych w krajach środkowej i południowej Europy będzie wynosił ok. 4-6 eurocentów/kWh, zaś ok. 2050 roku 2-4 eurocenty/kWh. Zgodnie z prawem Swansona każde podwojenie zdolności produkcyjnych przemysłu solarnego powoduje spadek ceny ogniw fotowoltaicznych o 20%. W latach 1977 – 2015 ceny ogniw spadły 200-krotnie – z 76,67 USD/wat do poziomu 0,36 USD/wat, powodując dynamiczny rozwój tego sektora przemysłu.

Dynamiczny wzrost zainstalowanej mocy spowodował szybki spadek cen ogniw fotowoltaicznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5 USD/wat, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3 USD/wat, w marcu 2015 roku 0,28-0,36$/wat.

W ekonomice energetyki słonecznej ważny jest aspekt zapewniania maksymalnej wielkości wyprodukowanej energii w najwyższych letnich „pikach” jej zużycia, związanych z masowym wykorzystaniem klimatyzacji, gdy energia w systemie energetycznym jest najdroższa. W ten sposób energia słoneczna zapobiega tzw. letnim „blackoutom”.

W 2012 roku, mimo ograniczenia finansowego wsparcia dla sektora solarnego, w Niemczech zainstalowano rekordową moc ogniw słonecznych – 7600 MW, dając całkowitą moc 32 000 MW dla tego źródła odnawialnego. W Unii Europejskiej instalacje solarne w Hiszpanii, południowych Włoszech, Holandii i w Niemczech osiągają już parytet sieci czyli stają się konkurencyjne wobec energetyki konwencjonalnej. W kolejnych latach, ze względu na spadek cen energii odnawialnej, parytet sieci będzie obejmował kolejne kraje UE.

Szał na instalacje solarne i panele fotowoltaiczne zmalał, ale branża fotowoltaiczna ma się całkiem dobrze, a osoba zainteresowana budową dom energooszczędnego nadal może liczyć na finansowe wsparcie.

Zalecenia Unii Europejskiej odnośnie Odnawialnych Źródeł Energii

Zgodnie z zaleceniami Unii Europejskiej w 2020 roku udział produkcji energii z odnawialnych źródeł w pełnym bilansie energetycznym Polski powinien wynieść 15%, gdzie średnia unijna dla innych krajów członkowskich wynosi 20%.

Żeby zachęcić do korzystania z energii ondawialnej, rząd we współpracy z samorządami prowadzi wiele kampanii na rzecz tzw. zielonej energii”. Co jakiś czas otwierają się również możliwości uczestnictwa w programach, pozwalających uzyskać dofinansowanie inwestycji w OZE. W wielu przypadkach chodzi nawet o połowe kosztów związanych z zakupem i montażem określonych produktów. Część takich programów prowadzą we własnym zakresie województwa, ale włączają się również banki i NFOŚiGW.
Kredyt na niski procent w Banku Ochrony Środowiska

Jednym ze sposobów na sfinansowanie inwestycji w odnawialne źródła energii, w tym we wciąż drogą fotowoltaikę, jest uzyskanie nisko oprocentowanego kredytu współfinansowanego np. przez Bank Ochrony Środowiska i wojewódzki fundusz.

Raty kredytu spłacane są zyskami z instalacji fotowoltaicznej. Kredyty na elektrownie słoneczne rozdzielane są przez poszczególne województwa.  Niezależnie, poszczególne oddziały Funduszy prowadzą swoje programy, w ramach których można otrzymać dofinansowanie – głównie w formie nisko oprocentowanej pożyczki lub, choć rzadziej, dotacji – do określonego udziału procentowego wszystkich kosztów kwalifikowanych instalacji PV. W niektórych przypadkach istnieje także możliwość umorzenia części pożyczki.

Zobacz więcej szczegółowych informacji: Banku Ochrony Środowiska 

Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska

Z końcem zeszłego roku Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej uruchomił nabór wniosków dla przedsiębiorców w konkursie na unijne dofinansowanie na projekty zakładające produkcję i dystrybucję energii cieplnej z wykorzystaniem OZE. Unijne dofinansowanie będzie można przeznaczyć na budowę nowych lub przebudowę istniejących jednostek wytwarzania energii cieplnej wykorzystujących biomasę (o mocy powyżej 5 MWt), energię promieniowania słonecznego (powyżej 2 MWt) lub energię geotermalną (powyżej 2 MWt). Elementem projektu może być także przyłącze do sieci ciepłowniczej należące do wnioskodawcy, będącego jednocześnie wytwórcą energii. Maksymalny poziom dofinansowania jednego projektu wynosi 85 procent wszystkich kosztów kwalifikowanych, ale łączna wartość dofinansowania dla przedsiębiorcy na konkretny projekt nie może przekraczać 15 mln euro. Nabór wniosków trwa i zakończy się 1 marca tego roku