Ekologiczna energia ze słońca i wiatru

Dodano: poniedziałek, 15 października 2018 09:05
Ekologiczna energia ze słońca i wiatru

Dbałość o środowisko naturalne, dążenie do ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, a także kurczące się zasoby surowców energetycznych sprawiają, że w coraz większym stopniu wykorzystujemy odnawialne źródła energii. Ograniczenia w zużyciu zasobów nieodnawialnych nakładają również międzynarodowe umowy nakazujące zwiększenie udziału "czystej energii" w ogólnym jej zużyciu. Wykorzystanie słońca i wiatru umożliwia pozyskanie ekologicznej "darmowej" energii, ale wymaga z reguły poniesienia wysokich nakładów inwestycyjnych.

Potencjał wytwórczy energii w Polsce

Geograficzne położenie Polski sprawia, że całkowita energia słoneczna docierająca do Ziemi wynosi średnio ok. 1000 kWh na m2 powierzchni w ciągu roku, przy mocy szczytowej sięgającej 1000-1100 W/m2. Jednak jej dopływ w poszczególnych miesiącach jest bardzo różny - ponad 3/4 tej wartości przypada na miesiące "ciepłe" maj - wrzesień, a więc w okresie, gdy zmniejsza się ogólne zapotrzebowanie na energię użytkową.

Znaczne zróżnicowanie występuje też w cyklu dobowym - w porze nocnej zanika przekazywanie energii z promieniowania świetlnego.

Oczywiście nie całą potencjalnie dostępną energię słoneczną udaje się wykorzystać, gdyż zależy to od efektywności przejmowania przez urządzenia solarne i fotowoltaiczne.

Przeciętny zysk energetyczny bezpośredniego przejmowania ciepła przez kolektory słoneczne w skali roku wynosi 300-400 kWh/m2 powierzchni kolektora, z czego większość przypada na ciepłe miesiące roku, co zaspakaja głównie zapotrzebowanie na przygotowanie c.w.u.

Promieniowanie Słońca pozwala również na wykorzystanie energii świetlnej przetwarzanej w ogniwach fotowoltaicznych na prąd elektryczny.

Efektywność konwersji światła na prąd elektryczny jest stosunkowo niewielka i wynosi 12-15 % , a obecnie wytwarzane ogniwa pozwalają na uzyskanie mocy przekazywanej energii na poziomie 140-160W/m2 z powierzchni panelu fotowoltaicznego.

Miesięczna suma promieniowania słonecznego w Polsce w kWh/m2, fot. budujemydom.pl
Miesięczna suma promieniowania słonecznego w Polsce w kWh/m2, fot. budujemydom.pl

Moc taka osiągana jest w warunkach szczytowych (natężenie promieniowania 1000 W/m2 i temperatura 25°C) i oznaczana symbolem "Wp" .(Wat peak). Przy przeciętnym rocznym nasłonecznieni na terenie Polski z metra kwadratowego panelu fotowoltaicznego można pozyskać do ok. 150 kWh energii elektrycznej.

Potencjał energii z wiatru w Polsce

Znacznie trudniejsze jest określenie potencjału energetycznego wykorzystującego siłę wiatru. Teoretyczna moc ta zależy od jego prędkości i rośnie wykładniczo wraz z jej wzrostem.

Przykładowo przy prędkości wiatru 4 m/s teoretyczna moc wynosi 39 W/m2 powierzchni skrzydła, przy 7m/s - 210W/m2, przy 12 m/s - 1058 W/m2, a przy przeciętnej sprawność siłowni wiatrowej rzędu 20%, pozyskiwana moc użyteczna będzie odpowiednio mniejsza.

Na obszarze Polski występuje duże zróżnicowanie intensywności wiatru i na podstawie map meteorologicznych można wyznaczyć tereny korzystne dla lokalizacji tych urządzeń.

W praktyce jako kryterium efektywności pozyskiwania energii wiatrowej przyjmuje się wartość 1250 kWh energii otrzymanej z 1m2 powierzchni skrzydeł wiatraka (powierzchni koła zataczanego przez łopaty) w ciągu roku, dla wieży o wysokości 30 m . Warunki takie wg różnych źródeł spełnia 40-60 % powierzchni kraju.

Jak magazynować nadwyżki energii?

Korzystanie z energii słońca i wiatru charakteryzuje się bardzo dużą nierównomiernością pozyskiwanej mocy zarówno w krótkich przedziałach czasowych jak i w dłuższych okresach. Dodatkowo prognozowanie ilości pozyskiwanej energii utrudnia nieprzewidywalność tych zmian - są okresy gdy wytwarzany jest nadmiar energii przekraczający aktualne zapotrzebowanie jak i całkowity brak jej dostarczania.

W celu zapewnienia równomiernego jej dopływu konieczne będzie magazynowanie energii, a także zapewnienie współpracy z konwencjonalnymi źródłami ciepła czy prądu. W przypadku wykorzystywania kolektorów słonecznych do celów grzewczych akumulacje energii zapewniają zasobniki ciepłej wody o pojemności dostosowanej do zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową.

Z reguły są to zbiorniki z ładowaniem warstwowym, z dwiema wężownicami - jedną współpracującą z kolektorem, a drugą zasilaną z kotła gazowego, węglowego. W skali roku energia słoneczna zapewnia przeciętnie pokrycie 60-70% ciepła potrzebnego do zasilania instalacji c.w.u.

Przy przetwarzaniu energii naturalnej na prąd elektryczny rolę magazynu energii na mała skalę pełnią akumulatory. Jednak jako powszechnie stosowany "akumulator" nadmiaru energii wykorzystywana jest krajowa sieć elektroenergetyczna.

Systemowo najkorzystniejszą współpracę zasilania energią odnawialną zapewnia układ wspomagany elektrownią szczytowo-pompową, która niezwykle szybko umożliwia przestawienie trybu pracy z zasilania na pobór prądu i odwrotnie, reagując na wahania dopływu energii ze źródeł OZE, choć powoduje to dość znaczne straty przetwarzanej energii sięgające nawet 30% (sprawność pomp i turbin).

Kolektory słoneczne

Obecnie najczęściej montowane są dwa typy kolektorów - płaskie oraz rurowe. Pod względem efektywności w ciepłych porach roku są one bardzo podobne, ale zimą, dzięki zdecydowanie lepszej izolacji termicznej kolektory rurowe przekazują znacznie więcej ciepła.

W kolektorach rurowych różny też może być sposób przekazywania ciepła. W modelach CPC energia cieplna przekazywana jest bezpośrednio do czynnika w obiegu grzewczym, a paraboliczne zwierciadła umieszczone za rurą próżniową skupiają promieniowanie.

Nowa linia kolektorów słonecznych Inisol Slim, fot. De Dietrich Technika Grzewcza
Nowa linia kolektorów słonecznych Inisol Slim, fot. De Dietrich Technika Grzewcza

W systemie heat-pipe energia cieplna pobierana jest przez ciepłowód - hermetyczną rurkę miedzianą wypełnioną cieczą o niskiej temperaturze wrzenia. Instalacja solarna zawiera też pompę obiegową, zbiornik wyrównawczy i zasobnikowy, układy zabezpieczające przed wzrostem ciśnienia oraz system sterowania.

Jak zamienić energię słońca i wiatru na prąd?

Wytwarzanie energii elektrycznej w panelach fotowoltaicznych lub siłowni wiatrowej na skalę przemysłową wymaga uzyskania koncesji i ustaleń w zakresie współpracy z KSE-PSE.

Przy korzystaniu z tej formy wytwarzania energii na potrzeby własne przez tzw. mikroinstalacje o mocy do 50 kW, operator sieci dystrybucyjnej zobowiązany jest do przejmowania nadmiaru wytwarzanej energii i rozliczenia w ramach umowy prosumenckiej.

W rozliczeniu prosument może odebrać za darmo z sieci elektroenergetyczne do 70% lub 80% (przy mocy instalacji do 10k W) przekazanej wcześniej energii.

Prąd ze światła słonecznego

Instalacja fotowoltaiczna składa się z zestawu paneli instalowanych na dachu lub stelażach opartych na gruncie, inwertora przekształcającego prąd stały na zmienny o parametrach sieciowych oraz układy sterowania i zabezpieczenia.

Farma paneli fotowoltaicznych, fot. De Dietrich Technika Grzewcza
Farma paneli fotowoltaicznych, fot. De Dietrich Technika Grzewcza

Układ praktycznie nie wymaga żadnej obsługi, a konserwacja sprowadza się do zapewnienia przezroczystości powierzchni paneli. Połączenie z siecią może być symetryczne (obie instalacje jedno- lub trójfazowe) lub niesymetryczne gdy np. mała, jednofazowa fotowoltaika PV współpracuje z energetyczną siecią trójfazową.

W takich warunkach istotne jest zapewnienie bilansowania międzyfazowego, które umożliwia korzystne rozliczenie dostarczonej i pobranej energii.

Prąd z wiatru

Przydomowe mikroinstalacje OZE zasilane z siłowni wiatrowej nie są zbyt popularne choćby ze względu na wytwarzany hałas czy efekt ruchowego cienia drażniący przebywających w pobliżu ludzi.

Na większą skalę użytkowane są jako tzw. fermy wiatrowe, których lokalizacja musi uwzględniać wszystkie aspekty wpływające na środowisko, a także wymaga przeprowadzenia pomiarów określających efektywność pozyskiwanej energii w dłuższym przedziale czasu – pomiary wiatru dla profesjonalnych siłowni powinny być prowadzone przynajmniej przez rok.

Przydomowa elektrownia wiatrowe HAWT o poziomej osi obrotu (Y-type), fot. AirGenerator
Przydomowa elektrownia wiatrowa HAWT o poziomej osi obrotu (Y-type), fot. AirGenerator

W skład elektrowni wiatrowej wchodzi:

  • wieża - najczęściej jest to konstrukcja stalowa w formie tzw. masztu - stożkowej rury montowana na miejscu z prefabrykowanych elementów. W mniejszych elektrowniach stosowane są niekiedy wieże kratownicowe z odciągami. Na szczycie wieży montowana jest obrotowa konsola, umożliwiająca ustawienie łopat turbiny odpowiednio do kierunku wiatru.
  • turbina - powszechnie stosowane są turbiny z trzema łopatami z kompozytu włókna szklanego. Od kształtu profilu łopat zależy efektywność przejmowania energii, a także dostosowanie do określonego zakresu prędkości wiatru. W dużych siłowniach prędkość obrotowa turbiny zawiera się w zakresie 10-30 obr./min w mniejszych może sięgać ok. 200 obr/min. Nominalne prędkości wiatru pozwalające na uzyskanie pełnej mocy zawierają się najczęściej w przedziale 10-15 m/s.
  • generator - zależnie od mocy elektrowni stosowane są różne rodzaje generatorów, napędzanych bezpośrednio z turbiny lub za pośrednictwem przekładni zwiększającej obroty. Najczęściej są to asynchroniczne prądnice trójfazowe współpracujące przekształtnikami elektroenergetycznymi dostosowującymi parametry prądu (napięcie, fazę, częstotliwość) do parametrów sieci.
  • układ sterowania - profesjonalne elektrownie wiatrowe wyposażane są w rozbudowany układ regulacji i kontroli oparty na technologii mikropocesorowej. Zarządza on m. in. dostosowaniem położenia łopat do kierunku wiatru, regulacją obrotów turbiny i mocy wyjściowej , diagnostyką podzespołów.

Autor: Cezary Jankowski

Opracowanie: Aleksander Rembisz

Zdjęcie otwierające: Galmet - zestaw elementów do instalacji solarnej

Zdjęcia w tekście: DeDietrich Technika Grzewcza, AirGenerator, archiwum budujemydom.pl