Odnawialna energia w gospodarstwie
Stale rosnące ceny energii zmuszają do poszukiwania alternatywnych rozwiązań, które pozwolą na zastąpienie źródeł konwencjonalnych odnawialnymi: promieniowaniem słonecznym, energią wiatru, geotermią.
Do przetworzenia energii słonecznej na energię elektryczną służą ogniwa (panele) fotowoltaiczne. Są to krzemowe płytki półprzewodnikowe. Promienie słoneczne padając na ogniwo wytrącają elektrony z miejsca na półprzewodnikach, w wyniku czego pojawia się napięcie elektryczne, które można wykorzystać po podłączeniu urządzeń czerpiących energię. Panele słoneczne działają od świtu do zmierzchu. W pochmurne dni wykorzystują promienie rozproszone, co sprawia, że mogą pracować bez względu na pogodę.
Obecnie produkuje się cztery typy ogniw słonecznych: selenowe, krzemowe, barwnikowe oraz polimerowe, jednak na polskim rynku znajdują się wyłącznie krzemowe. W domach jednorodzinnych stosowane są ogniwa monokrystaliczne, polikrystaliczne lub amorficzne:
– Ogniwa monokrystaliczne wyprodukowane są z pojedynczego kryształu krzemu pociętego na niewielkie kawałki. Łatwo je rozpoznać po bardzo ciemnej barwie. Panele te charakteryzują się dużą żywotnością oraz wysoką sprawnością (17–22%). Pojedynczy panel ma moc 150–180 W. Jedynym istotnym mankamentem są koszty.
– Ogniwa polikrystaliczne można rozpoznać po niebieskiej barwie. Charakteryzują się sprawnością 14– –18%, dużą odpornością oraz dość atrakcyjną ceną. Zdaniem wielu ekspertów są najlepszym rozwiązaniem w naszych warunkach klimatycznych.
– Ogniwa amorficzne powstają z niewykrystalizowanego krzemu. Można je odróżnić po delikatnym bordowym zabarwieniu oraz nieco mniejszych rozmiarach. Ogniwa te mogą tworzyć eleganckie moduły, które montuje się na daszkach lub balustradach. Ich sprawność wynosi 6–10%, ale cena jest najbardziej atrakcyjna.
Same panele nie wystarczą do przetworzenia energii słonecznej na elektryczną. Potrzeba do tego zintegrowanego systemu, który umożliwi pracę ogniw. W ofertach można znaleźć dwa typy systemów: off grid (system autonomiczny tworzący układ zamknięty, w którym energia jest przekazywana do akumulatora bądź bezpośrednio do urządzeń elektrycznych) oraz on grid (system otwarty, gdzie nadwyżki energii elektrycznej nie są magazynowane, lecz odprowadzane do sieci publicznej). Oba systemy mogą być podłączone bezpośrednio do urządzeń elektrycznych bądź wyposażone w dodatkowy falownik, który zamienia prąd stały w zmienny. Najbardziej zaawansowane technologicznie elektrownie słoneczne wyposażone są w wydajne akumulatory oraz sterowniki, które automatycznie przełączają zasilanie z solarnego na energię dostarczaną z sieci publicznej.
Przed zakupem ogniw fotowoltaicznych warto zwrócić uwagę na następujące parametry techniczne:
– Tolerancja mocy – określa minimalną moc modułu w określonych warunkach. Wartość powinna mieścić się w zakresie 0–5%.
– Moc szczytowa (Wp) – określa maksymalną moc uzyskaną przez ogniwa w optymalnych warunkach pogodowych. Wraz z upływem czasu pracy ogniw Wp będzie malała.
– Maksymalne napięcie, w którym mogą pracować panele połączone z systemem. Wartość waha się pomiędzy 600 a 1000 V.
– Napięcie jałowe (napięcie obwodu otwartego) – określa maksymalne napięcie modułów, które nie są podłączone do odbiorników. Wartość waha się w granicach 20–25 V.
– Maksymalne napięcie mocy – uzyskiwane przy pracy z mocą maksymalną.
– Współczynnik wypełnienia – określa stosunek rzeczywistej energii uzyskanej z ogniw do ich mocy pozyskanej przy maksymalnym natężeniu i napięciu. Nie powinien być niższy niż 70%.
– Natężenie prądu w mocy maksymalnej – określa maksymalne natężenie prądu przy pracy z maksymalną mocą.
– Temperatura pracy – parametr szczególnie istotny. Panele słoneczne są narażone na działanie zmiennych warunków pogodowych, dlatego temperatura pracy powinna mieć zakres jak najszerszy, np. od -45 do +90°C.
Parametrem ważnym podczas prac instalacyjnych jest waga paneli. Warto zwrócić uwagę i obliczyć maksymalne obciążenie dachu. Z reguły pojedynczy panel o standardowych wymiarach waży do 30 kg. W ofertach handlowych można znaleźć też małe panele modułowe, o wadze około 2 kg, które przeważnie montuje się na balustradach i niewielkich zadaszeniach.
Panele fotowoltaiczne nadal są w Polsce dość dużym wydatkiem. Cenniki poszczególnych producentów mogą być dość zróżnicowane, dlatego przed zakupem ogniw warto przejrzeć jak najwięcej ofert. Na ostateczną cenę zakupu składa się również inwerter, systemy mocowania, koszty montażowe oraz konfiguracji systemu, a także przewody i zabezpieczenia. Aby zwiększyć wydajność systemu fotowoltaicznego (aż o około 45% w skali roku), stosuje się trackery fotowoltaiczne (systemy nadążania). Ruch uniemożliwia osadzanie się kurzu oraz innych zanieczyszczeń, które mogą spowodować efekt miejscowego przegrzania paneli. Układ nadążny podnosi wydajność pracy inwerterów kontrolujących proces wytwarzania energii elektrycznej. Inwertery pracują najlepiej przy wysokim obciążeniu, które uzyskiwane jest tylko przy zastosowaniu trackerów.
Innym elementem wykorzystania energii słonecznej są kolektory. W warunkach Polski szczególną przydatność kolektory słoneczne wykazują dla podgrzewania ciepłej wody użytkowej i wody basenowej. Najkorzystniejszy dla pracy kolektorów jest okres od kwietnia do października. Pokrycie potrzeb ciepła dla podgrzewania cwu może wówczas sięgać 100%, a kocioł grzewczy może całkowicie wyłączyć się z pracy.
Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje kolektorów słonecznych:
– Kolektory płaskie składają się z absorbera wykonanego najczęściej z metalowej płyty pokrytej powłoką o specjalnych własnościach optycznych, pokrywy szklanej, rurociągu cieczowego i odpowiednio zaizolowanej obudowy.
– Kolektory próżniowe to najbardziej zaawansowany produkt techniki solarnej. Zbudowane są z kilkunastu lub kilkudziesięciu rur próżniowych wsuniętych w przepływowy wymiennik ciepła. Kolektory tego typu są sprawniejsze o 30% w stosunku do kolektorów płaskich, zazwyczaj są także trochę droższe.
Coraz większym zainteresowaniem cieszą się małe turbiny wiatrowe. Znajdują one szerokie zastosowanie do zasilania samodzielnych systemów telekomunikacyjnych i nawigacyjnych, gospodarstw, domków letniskowych, niewielkich osad, pompowni i stacji odsalania wody morskiej, nawadniania, oświetlenia wolnostojących obiektów oraz wielu innych systemów odległych od sieci energetycznej. Małe elektrownie wiatrowe często współpracują w systemach hybrydowych z modułami fotowoltaicznymi lub generatorami, co pozwala na niezawodne i optymalne zaspokojenie zapotrzebowania na energię.
Przed podjęciem decyzji o wyborze elektrowni wiatrowej warto zastanowić się nad sposobem wykorzystania wytworzonej energii. Najbardziej efektywnym odbiornikiem i jednocześnie akumulatorem jest woda, dlatego pierwszym zastosowaniem jest ogrzewanie wody bieżącej lub c.o. W ten sposób można wykorzystać 100% energii wytworzonej przez wiatrak – zwłaszcza przy użyciu grzałki na prąd stały podłączonej bezpośrednio do kontrolera.
Elektrownie wiatrowe w zależności od położenia osi mogą być pionowe lub poziome, jednak najpopularniejszym rozwiązaniem jest turbina o osi poziomej z łopatkami wykonanymi z profili podobnych do tych stosowanych w lotnictwie.
Zasada działania generatorów o pionowej osi obrotu jest taka sama. Główną wadą takiego rozwiązania jest wyższy koszt, ale ma ono również zalety:
– praca niezależna od kierunku wiatru;
– prosta konstrukcja, pozwalająca na długą bezawaryjną pracę;
– możliwość łatwego montażu na obiektach, hotelach, sklepach, blokach, halach produkcyjnych i innych;
– estetyczny wygląd;
– cicha praca;
– odporność na silny wiatr;
– możliwość wykorzystania łopaty jako przestrzeni reklamowej;
– mała prędkość startowa wiatru (ok. 1 m/s);
– praca w szerokim zakresie temperatur (od -40°C do +70°C).
Ponieważ elektrownia pionowa nie ma ogona, a siły wiatru działające na łopatki turbiny są rozpraszane we wszystkich kierunkach, nie ma potrzeby stosowania odciągów do słupa masztu. Również zamontowanie takiej elektrowni na płaskim dachu budynku (garażu, bloku) może być ze względów bezpieczeństwa lepszym rozwiązaniem niż próba mocowania znacznie wyżej klasycznego wiatraka.
Innym rozwiązaniem wykorzystywanym do ogrzewania domów są pompy ciepła. Działanie typowej najprostszej pompy ciepła przypomina lodówkę. W lodówce ciepło jest odbierane z wewnątrz i odprowadzane do pomieszczenia. Podobnie ciepło jest odbierane od gruntu, który się ochładza, a następnie oddawane w pomieszczeniu, w którym znajduje się skraplacz.
Na podobnej zasadzie działa transformator ciepła. Jest to nowoczesne urządzenie niewymagające wykonywania odwiertów w ziemi oraz innych czasochłonnych i kosztownych prac przygotowawczych. Charakteryzuje się bardzo niskim kosztem eksploatacji w stosunku do konwencjonalnych form ogrzewania takich jak: energia elektryczna, gaz płynny, olej opałowy, gaz ziemny, węgiel, koks i drewno. Sprawdza się w budynkach jedno- i wielorodzinnych oraz obiektach użyteczności publicznej wyposażonych w niskotemperaturowe instalacje grzewcze.
Wszystkich zainteresowanych przedstawioną pokrótce tematyką zapraszamy 14 listopada do Przysieka koło Torunia na Forum Energetyki Odnawialnej.
pompa ciepła z instalacją
schemat kolektora prozniowego
Stanisław Pająk
Kujawsko-Pomorski Ośrodek Doradztwa Rolniczego
Fot. S. Pająk, internet
