Energia promieniowania słonecznego - alternatywne źródło energii. Słońce jest stosunkowo niewielką gwiazdą - centrum naszego Układu Słonecznego i od samego początku jego istnienia dostarcza do Ziemi energię, która ogrzewa naszą planetę stwarzając dogodne warunki do rozwoju życia. Energia słoneczna jest bez wątpienia największym źródłem energii odnawialnej i w dodatku mamy pewność, że tak długo jak będzie istnieć Ziemia, energii Słońca nam nie zabraknie. Ponadto sposoby jej wykorzystywania są czyste, więc nie emitują żadnych zanieczyszczeń do środowiska naturalnego.

Podstawową wadą tego źródła energii jest mała gęstość strumienia promieniowania słonecznego na płaszczyznę poziomą. Do atmosfery ziemskiej dociera strumień energii, którego moc wynosi 1,39 kW/m2. Oznacza to, że na 1m2 powierzchni umieszczonej prostopadle do kierunku promieni słonecznych, pada strumień energii o mocy 1.39kW. Taką gęstość promieniowania można uzyskać na granicy atmosfery, natomiast do powierzchni ziemi dociera już znacznie mniej energii, która w czasie przechodzenia przez atmosferę zostaję odbita, pochłonięta lub rozproszona. Promieniowanie słoneczne jest rozpraszane przez zanieczyszczenia zawarte w atmosferze, również zwykłe chmury rozpraszają oraz odbijają promienie słoneczne, natomiast część energii zostaje zaabsorbowana. Przyjmuje się, że w słoneczne bezchmurne dni do powierzchni ziemi dociera około 1kW/m2.

Dodatkowo na gęstość strumienia energii dochodzącej do powierzchni ziemi ma wpływ położenie geograficzne. Przyjmuje się, że największe gęstości występują w strefie równikowej. Jednak największa ilość energii, jaką oświetlany jest 1m2 powierzchni w ciągu roku wypada nie na równiku, tylko w strefie umiarkowanej około 40 równoleżnika. Jest to powodowane dłuższym dobowym czasem nasłonecznienia.

W chwili obecnej praktycznie wykorzystywany jest tylko około 1% energii słonecznej, która dociera do naszej planety. Energia ta wykorzystywana jest głównie w procesie fotosyntezy oraz jako energia wiatru (W wielkim uproszczeniu można powiedzieć, że wiatry wieją, ponieważ obracająca się wokół własnej osi Ziemia jest w różnym stopniu przez nie ogrzewana, przez co powstają ośrodki o różnym ciśnieniu, a natura dąży do wyrównania ciśnień, dlatego masy powietrza ciągle przemieszczają się tworząc wiatry.). Trudno się pogodzić z takim marnotrawieniem energii, szczególnie w momencie, gdy nad ludzkością „wisi” widmo kryzysu energetycznego. Fakt ten nieustannie skłania ludzi do rozwijania technologii wykorzystania promieniowania słonecznego.

Istnieje kilka sposobów praktycznego wykorzystania energii Słońca. Jednym z nich jest bezpośrednie przetwarzanie na energię elektryczną w procesie zwanym efektem fotowoltaicznym. Urządzeniem stworzonym do konwersji fotowoltaicznej są ogniwa fotowoltaiczne zwane też ogniwami słonecznymi lub fotoogniwami. Fotoogniwa posiadają wiele zalet. Oprócz najbardziej oczywistej polegającej na wytwarzaniu energii elektrycznej z czystej energii słonecznej są też inne. Ogniwa te tworzy się głównie z krzemu, czyli jednego z najbardziej rozpowszechnionych pierwiastków na Ziemi, nie posiadają one żadnych łatwo zużywających się elementów ruchomych, nie potrzebują żadnego dodatkowego paliwa, ani żadnych materiałów eksploatacyjnych oraz co ważne nie ulęgają korozji oraz procesowi starzenia. Oznacza to, że w praktyce mogą być wykorzystywane niesamowicie długo nie ulegając awariom.

Podstawą działania fotoogniw jest efekt fotowoltaiczny lub inaczej zjawisko fotoelektryczne. Polega ono na oświetlaniu promieniowaniem słonecznym wielowarstwowej, niejednorodnej struktury półprzewodnikowej, czego efektem jest powstanie prądu elektrycznego. Pierwszy raz zjawisko to zaobserwował w 1839 r. francuski fizyk Edmund Bequerel. Pierwsze ogniwo fotowoltaiczne zbudowano w Stanach Zjednoczonych w 1883 r. i użyto do jego wytworzenia płytki selenu z wtopionymi weń cienkimi drucikami ze złota. Sprawność takiego układu mierzona stosunkiem mocy padającego na niego promieniowania słonecznego do mocy produkowanej energii elektrycznej była mniejsza od 1%. Obecnie produkuje się ogniwa wykorzystując sześć technologii produkcji :
1. monokrystaliczne ogniwa krzemowe,
2. polikrystaliczne ogniwa krzemowe,
3. amorficzne ogniwa krzemowe,
4. ogniwa z krzemu taśmowego (gibbon),
5. CIS heterozłączowe ogniwo CuInSe2/(Cdn.)S,
6. heterozłączowe ogniwo Cite/(Cu Zn)S.

Każda z wymienionych technologii wytwarza ogniwa o różnej sprawności, również koszty produkcji są zróżnicowane. Największą sprawność osiągają monokrystaliczne ogniwa krzemu – 28%, rekordem było wyprodukowanie dwuwarstwowego ogniwa z monokrystalicznego krzemu oraz monokrystalicznego arsenku galu, osiągnęło ono wydajność 31%. W obydwu przypadkach koszty produkcji były bardzo duże. Postęp w tworzeniu tanich technologii produkcji jest bardzo wyraźny. Na przełomie ostatnich trzydziestu lat koszty produkcji za jeden Wat mocy użytecznej w tzw. piku (przy natężeniu promieniowania słonecznego na powierzchnię fotoogniwa wynoszącym 1000 W/m2) zmalał z około 200 000 USD do 4 USD. Prognozuje się jednak, że w ciągu najbliższej dekady koszty te zmaleją do około 1 USD za Wat pik. W tym momencie energia słoneczna stanie się konkurencyjna cenowo dla pozostałych konwencjonalnych sposobów pozyskiwania energii elektrycznej.

Obecnie wytwarzanie ogniw odbywa się przy użyciu nanotechnologii z wykorzystaniem techniki laserowej, napylania dyfuzyjnego „sito-druku”, trawienia oraz innych nowoczesnych metod. Naukowcy i badacze uważają, że w niedalekiej przyszłości możliwe będzie wytwarzanie ogniw przy użyciu zwykłych domowych drukarek atramentowych. W tym kierunku prowadzone są nieustanne badania.

W chwili obecnej, pomimo ciągłego rozwijania technologii fotowoltaicznych problemem nie jest ilość energii jaką dostarcza słońce, ponieważ ta znacznie przekracza nasze obecne zapotrzebowanie na energię elektryczną. Problemem jest fakt niskiej sprawności przemysłowo produkowanych modułów fotowoltaicznych (Moduły fotowoltaiczne są to połączone ze sobą fotoogniwa, zaś połączone ze sobą moduły tworzą systemy fotowoltaiczne). Obliczono, że przy obecnym stanie techniki, aby zaopatrzyć w energię elektryczną, wyprodukowaną przy użyciu ogniw fotowoltaicznych, wszystkich mieszkańców naszego globu na poziomie zużycia energii w Stanach Zjednoczonych, powierzchnia wszystkich modułów fotowoltaicznych musiałaby wynieść 0,5% ogólnej powierzchni lądów, co stanowi 745 000 km2.

Kolejnym popularnie stosowanym sposobem wykorzystania energii słonecznej są kolektory słoneczne, które połączone w większe systemy nazywane są bateriami słonecznymi. Budowa kolektora słonecznego jest dość prosta, składa się on z powłoki szklanej jedno lub dwuwarstwowej, pod którą znajduje się dylatacja, następnie absorber metalowy z wbudowanym układem kanałowym, pod którym instaluje się izolację z wełny mineralnej, a wszystko zamknięte jest w obudowie zewnętrznej z metalu lub tworzywa. Dlatego też kolektory są wytwarzane nie tylko w specjalnych fabrykach, ale również w warunkach warsztatowych. Urządzenia te absorbują ciepło promieniowania słonecznego, dzięki czemu ogrzewany jest tzw. czynnik roboczy (zazwyczaj woda), który przepływa przez kolektor. Ogrzany czynnik roboczy przepływa przez wężownicę w bojlerze, oddając ciepło ogrzewa wodę w zbiorniku, po czym wraca do kolektora, w którym zostaje znów ogrzany. Kolektory słoneczne są głównie wykorzystywane do ogrzewania wody użytkowej, mogą również podgrzewać baseny. Istnieje możliwość ogrzewania pomieszczeń przy użyciu kolektorów, jednak jest to obecnie bardzo rzadko stosowane rozwiązanie ze względu na fakt, że w takiej instalacji konieczne jest zainstalowanie skomplikowanej i dość drogiej aparatury akumulującej ciepło oraz złożonej elektroniki sterującej.

Aby wytworzyć energię elektryczną z promieniowania słonecznego na większą skalę budowane są elektrownie słoneczne. Heliostaty są to zwierciadła, które skupiają promienie słoneczne na absorbencie, przez który podobnie jak w kolektorach przepływa substancja robocza. Za jego pośrednictwem ciepło przekazywane jest do wytwornicy pary, której strumień pod ciśnieniem napędza turbiny generatora elektrycznego. Sprawność tego typu elektrowni mieści się w przedziale 18-25% i są one z powodzeniem wykorzystywane. Na chwilę obecną osiągają moce do 10 MW, natomiast w budowie są już większe.

Duża ilość heliostatów jest w stanie tak bardzo skupić energię w jednym punkcie, że wykorzystuje się je jako tzw. piece słoneczne, których temperatura osiąga kilka tysięcy stopni Celsjusza. W takim piecu można topić różnego rodzaju materiały trudnotopliwe metale lub materiały ceramiczne. Dobrym przykładem takiego wykorzystania energii Słońca jest usytuowany we francuskich Pirenejach piec słoneczny, który jest w stanie wytworzyć w ognisku skondensowaną moc około 1MW oraz temperaturę oscylującą w granicach 4000 stopni Celsjusza.

Największy kompleks elektrowni słonecznych tego typu powstał w Kalifornii na pustyni Mojave, gdzie 9 naziemnych instalacji o mocach od 14 do 80 MW dostarcza do sieci łącznie 354 MW. Średnia sprawność tego systemu wynosi 14%, zaś maksymalna sięga 21%. Kompleks ten składa się z 400 tys. luster rozlokowanych na obszarze 400 ha. Każde z luster ma ponad 6 m długości, nad nimi znajdują się rury o średnicy 10 cm wypełnione olejem.

Słoneczne elektrownie cieplne mają przewagę nad układami fotowoltaicznymi, gdyż są one w stanie zapewnić ciągłość produkcji energii elektrycznej. Podczas zachmurzenia lub w nocy włączany jest dodatkowy generator pary, na bazie gazu, oleju, czy też innych nośników energii. Takim nośnikiem może być nawet biomasa (o której będzie mowa w dalszej części pracy).