Solary, nazywane inaczej panelami słonecznymi lub kolektorami słonecznymi, oraz panele fotowoltaiczne (PV) pozyskują energię z promieniowania słonecznego i ją przetwarzają. Na tym podobieństwa obu wynalazków się kończą. Solary przeistaczają światło słoneczne w energię cieplną, panele fotowoltaiczne zaś – w elektryczną.

Zamontowane na naszych dachach nie dziwią już chyba nikogo. Minęły czasy, gdy kojarzyły się futurystycznie. Jeśli jednak coś w tej dziedzinie może być zadziwiające, to fakt, że energia słoneczna, która intrygowała już starożytnych, dopiero w XXI wieku zaczęła być miarodajnie wykorzystywana. A przecież odkrycie efektu fotowoltaicznego i pierwsze badania nad nim miały miejsce w latach 40. XIX wieku.

Słońce w praktyce

Już w VII wieku przed Chr. rozpalano ogień z wykorzystaniem szkła i promieni słonecznych. Praktyczne zastosowanie gorącej gwiazdy odnotowano także w działaniach Greków i Rzymian, którzy w III wieku przed Chr. skupiali światło słoneczne z użyciem luster, dzięki czemu mogli zapalać pochodnie używane podczas uroczystości religijnych.

W starożytnym Rzymie zwrócono uwagę na inne walory Słońca. Łaźnie i pomieszczenia do wypoczynku budowano po stronie południowej, by maksymalnie wykorzystać naturalne ogrzewanie i światło w celach zdrowotnych. Kilkanaście wieków później Indianie Anasazi budowali swoje górskie domy na południowych stokach gór, by zachować w nich jak najwięcej ciepła.

Od końca XVIII wieku w wykorzystywaniu energii słonecznej bazowano na badaniach naukowych – najpierw stosowano ją do ogrzewania kotłów, później – wykorzystywano w mechanizmach napędowych na statkach. Można powiedzieć, że tak dostrzeżono i tak wyglądały początki uzyskiwania korzyści z naturalnych i darmowych dobrodziejstw Słońca.

Odkrycie 19-latka

Aby zrozumieć wagę odkrycia młodego naukowca i podstawy działania urządzeń, które stanowią temat niniejszego tekstu, zastanówmy się, czym jest światło słoneczne. Otóż składa się ono z pakietów energii słonecznej, zwanych fotonami. Nie są one jednakowe, a więc zawierają różne ilości energii, ponieważ odpowiadają różnym długościom fal strumienia promieniowania słonecznego.

Kiedy fotony uderzają w ogniwo fotowoltaiczne, mogą zostać przez nie odbite, pochłonięte albo mogą przez nie przejść. Zaabsorbowane fotony wytwarzają energię elektryczną.

Francuski fizyk Edmond Becquerel (żyjący w latach 1820-91) zasłynął z badań nad widmem słonecznym, magnetyzmem, elektrycznością i optyką. Bez wątpienia prawdziwego przełomu dokonał w 1839 r., kiedy to odkrył sposób wytwarzania prądu elektrycznego z energii słonecznej, wykorzystując efekt fotowoltaiczny. Czym on jest? To podstawowy proces fizyczny, w którym ogniwo fotowoltaiczne przekształca światło słoneczne w energię elektryczną.

Badacz odkrył, że prąd elektryczny można wytworzyć, jeśli skoncentruje się światło na elektrodzie zanurzonej w roztworze o wysokich właściwościach przewodzących. Epokowe odkrycie, które pociągnęło za sobą dalsze badania i liczne eksperymenty, nie przyniosło jednak przełomu energetycznego. Ówczesne oprzyrządowania fotowoltaiczne nie były w stanie wytworzyć odpowiednich ilości energii elektrycznej.

Solarni pionierzy

Do współczesnych technologii w opracowaniu paneli słonecznych znacznie zbliżyli ludzkość kolejni naukowcy, pokazując logiczną ciągłość procesu.

Willoughby Smith odkrył fotoelektryczne właściwości selenu w 1873 r. Trzy lata później William Grylls Adams i Richard Evans Day zauważyli, że selen poddany bezpośredniemu wpływowi działania światła słonecznego wytwarza prąd elektryczny. Charles Fritts w 1883 r. skonstruował pierwsze ogniwa solarne wykorzystujące płytki selenowe i tym samym jest uznawany za wynalazcę tej metody – choć jej opatentowanie miało miejsce dopiero w 1941 r. przez innego naukowca i kontynuatora badań: Russella S. Ohla. W 1954 r. Daryl Chapin, Calvin Fuller i Gerald Pearson stworzyli pierwsze krzemowe ogniwo fotowoltaiczne. Był to przełomowy moment dla tej technologii. Po raz pierwszy dostarczyła ona na tyle dużo energii, aby przez kilka godzin zasilać urządzenie elektryczne. Ogniwo miało wprawdzie mało efektywną wydajność – 4%, przez wielu naukowców uznawane jest jednak za pionierski wynalazek w zakresie współczesnych krzemowych ogniw fotowoltaicznych.

Jak to działa?

Z czego są zbudowane i jak działają współczesne panele fotowoltaiczne? Przyjrzyjmy się temu procesowi. Sam panel składa się z modułów fotowoltaicznych, a te – z ogniw, czyli płytek o właściwościach półprzewodników. Do ich produkcji wykorzystuje się wspomniane wcześniej pierwiastki: selen, krzem, a także german. Ogniwo fotowoltaiczne ma dwie warstwy. Nad górną umieszczone są elektroda ujemna i powłoka antyrefleksyjna. Na spodzie znajduje się elektroda dodatnia. Obie warstwy są oddzielone.

W ogniwie fotowoltaicznym zachodzi proces fotoelektryczny. Jak przebiega? W uproszczeniu wygląda to tak, że fotony światła padają na płytkę krzemową i tam są pochłaniane. To skutkuje zmuszaniem elektronów do ruchu, który w praktyce jest przepływem prądu elektrycznego. Złącze półprzewodnikowe umożliwia połączenie procesu z tym zachodzącym w istniejącej już sieci energetycznej. Tak energia z promieni Słońca zostaje przekształcona w energię elektryczną.

Ważna jest świadomość, że nadwyżki uzyskiwanej w ten sposób energii możemy magazynować na dwa sposoby. Jeżeli nasza instalacja podpięta jest do publicznej sieci energetycznej, nadmiar prądu oddajemy tam. Później możemy go odzyskać w postaci systemu upustów. W zależności od mocy naszej instalacji odbierzemy 70-80% wprowadzonej do sieci energii. Jeżeli natomiast nie korzystamy z publicznej sieci energetycznej, nadwyżkę energii możemy zmagazynować w akumulatorach. Takiej możliwości nie ma w przypadku kolektorów słonecznych.

Solar bez tajemnic

Nośnikiem ciepła w solarze jest niezamarzający roztwór glikolu propylenowego. Krąży on w instalacji dzięki pracy pompy obiegowej w zespole sterowniczo-pompowym. Urządzenie zbudowane jest z blachy miedzianej lub aluminiowej pokrytej warstwą pochłaniającą promieniowanie słoneczne i układu przewodów, które odbierają wytwarzane ciepło. Bateria kolektora jest połączona z wężownicą umieszczoną w podgrzewaczu wody użytkowej. Roztwór glikolu zabiera ciepło z kolektorów i przenosi je do wężownicy. Następuje proces podgrzewania i chłodzenia. Różnica temperatur między nośnikiem wypływającym z kolektora a tym dopływającym powinna wynosić maksymalnie 15°C (jeśli instalacja została poprawnie skonfigurowana).

Zwrot kosztów inwestycyjnych w przypadku kolektorów słonecznych może być nawet dwa razy dłuższy niż w przypadku wyboru instalacji fotowoltaicznej. Solary wybierają zwłaszcza ci, którym zależy przede wszystkim na obniżeniu kosztów wody użytkowej.