Archiwum

                Systematyczny wzrost cen energii elektrycznej powoduje, że społeczeństwo coraz częściej sięga do dużo tańszych, odnawialnych źródeł energii. Słońce, wiatr, woda, gleba – to naturalna energia, którą można z powodzeniem wykorzystać w domu lub gospodarstwie. Poniższy artykuł poświęcony został kolektorom fotowoltaicznym oraz możliwościom jakie dają instalacje wykorzystujące ten rodzaj urządzeń energetycznych.

 

                Gospodarstwo rolne stanowi specyficzną działalność produkcyjną, charakteryzującą się znacznym potencjałem energii, którą możnaby wykorzystać – a która zazwyczaj jest marnowana. Chodzi tutaj głównie o energię cieplną, wytwarzaną przy okazji produkcji zwierzęcej, rzadziej roślinnej.

                Ceny energii systematycznie rosną, a jest to związane przede wszystkim z faktem, iż produkcja energii – zwłaszcza elektrycznej wynika głównie z przetwarzania surowców kopalnych – takich jak węgiel kamienny i brunatny. To z kolei wynika z faktu coraz większych kosztów pozyskiwania tych surowców. Należy także pamiętać, że świat zmierza w kierunku redukcji przetwarzania takich surowców jak węgiel, ropa naftowa czy gaz ziemny, ze względu na naglącą potrzebę ochrony środowiska, a raczej tego, co z niego jeszcze zostało. Zapotrzebowanie na energię ciągle wzrasta – wynika to głównie z coraz większej liczby ludności, ale także z uwagi na znaczny postęp cywilizacyjny charakteryzujący się coraz większą liczbą urządzeń i maszyn zasilanych energią elektryczną i pociągającą tym samym za sobą coraz większą potrzebę produkcji energii elektrycznej.

                O kurczeniu się krajowych zasobów węgla może świadczyć tendencja spadkowa poziomu wydobycia węgla: w 2010 r. pozyskano ponad 65 mln ton węgla kamiennego (energetycznego) tj. o ok. 36% mniej niż w roku 2003 (101 mln t) i o ok. 56% mniej niż w roku 1990 (147 mln t) [GUS, RCSS 2004]. Notuje się równocześnie wzrost importu węgla kamiennego, który w roku 2010 osiągnął wartość 5,09 mln ton (w porównaniu z rokiem 2006 – 3,06 mln ton i 1990 – 0,6 mln ton). Zjawisko to pociąga za sobą zagrożenie dla bezpieczeństwa energetycznego, które definiuje się jako „zapewnienie stabilnych dostaw paliw i energii na poziomie gwarantującym zaspokojenie potrzeb krajowych (...) przy założeniu optymalnego wykorzystania krajowych zasobów surowców energetycznych oraz poprzez dywersyfikację źródeł i kierunków dostaw ropy naftowej, paliw ciekłych i gazowych” z naciskiem na pozyskanie energii elektrycznej „ze źródeł niskoemisyjnych” [Polityka Energetyczna... 2009].

                Kolejną sprawą jest problem stanu krajowej sieci elektroenergetycznej. Obserwacje wykazują stałe pogarszanie się warunków zasilania odbiorców, zwłaszcza na terenach wiejskich. Przejawia się to ciągłym wzrostem liczby awaryjnych przerw w dostawie energii elektrycznej i wydłużaniem się czasu napraw. Na wsiach przerwy te występują 10-krotnie częściej niż w miastach, a czasy wyłączeń awaryjnych są 4-15 razy dłuższe. Fakty wskazują na to, że jest to skutkiem wieloletniego niedoinwestowania wiejskich sieci elektroenergetycznych i stosowania zastępczych tzw. oszczędnościowych rozwiązań technicznych. Szacuje się, że ok. 20% sieci elektroenergetycznych zasilających odbiorców wiejskich ma przekroczone dopuszczalne spadki napięcia, co skutkuje tym, że 500 tys. odbiorców rolniczych jest zaopatrywanych w energię elektryczną o napięciu znacznie niższym od znamionowego. Konsekwencją takiego stanu rzeczy jest pogorszenie sprawności działania odbiorników i skrócenie czasu ich żywotności. Dotyczy to w szczególności urządzeń wyposażonych w systemy sterowania mikroprocesorowego powszechnie używanych w nowoczesnych instalacjach np. wentylacyjnych. Wg Dołęgi [2012] istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia zagrożenia dla bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej w Polsce po 2015 roku.

                Zachodzi zatem potrzeba zadania sobie pytania: skąd wziąć tanią, ekologiczną energię elektryczną?

                Nie ma chyba w Polsce człowieka, który nie słyszałby o rozwoju technologii wytwarzania energii odnawialnej, czyli z tzw. źródeł ekologicznych. Coraz bardziej rozwinięte technologie i postęp techniczny pozwala na rozwój systemów umożliwiających produkcję energii cieplnej i elektrycznej w obrębie własnego gospodarstwa domowego i rolnego. W tym miejscu warto przypomnieć po krótce najistotniejsze źródła energii odnawialnej, odgrywające ogromną rolę w zasilaniu małych instalacji, w tym także przydomowych. Jest to przede wszystkim wiatr, słońce, grunt (energia geotermalna i geotermiczna). Występują także energie wydzielające się bezpośrednio przy produkcji zwierzęcej – chłodzone mleko, obornik, gnojowica, biomasa, powietrze wentylacyjne z pomieszczeń inwentarskich. Dla potrzeb niniejszego artykułu skupimy się przy energii słonecznej.

Słońce – doskonała energia

                Słońce jako źródło promieniowania elektromagnetycznego docierające do atmosfery niesie ze sobą strumień energii o mocy ok. 1,367 kW/m2 (tzw. stała słoneczna). Zjawiska absorpcji, rozproszenia i odbicia powodują, że do powierzchni Ziemi dociera jej mniej niż połowa. Przyjmuje się, że w dni słoneczne gęstość promieniowania słonecznego padającego na poziomą powierzchnię wynosi ok. 1 kW/m2. Dla zobrazowania stanu rzeczy można przyjąć, że w ciągu godziny promieniowanie słoneczne dostarcza do Ziemi więcej energii, niż w ciągu roku zużywa cała ludzkość. Na rysunku 1 przedstawiono mapę Polski z zaznaczonymi obszarami intensywności działania promieniowania słonecznego.

Usytuowanie kolektorów

                Niezwykle ważną kwestią jest usytuowanie kolektorów słonecznych. Należy uwzględnić dwa parametry: usytuowanie kolektora względem stron świata oraz kąt położenia kolektora w stosunku do powierzchni ziemi. Biorąc pod uwagę szerokość geograficzną Polski, najkorzystniejszym kątem umocowania kolektorów słonecznych – gwarantującym najefektywniejsze wykorzystanie promieniowania słonecznego jest kąt 35-45° względem powierzchni ziemi oraz usytuowanie w kierunku południowym.

Co to jest fotowoltaika?

                Nauką i działem techniki obejmującym zagadnienia związane z przetwarzaniem i zagospodarowaniem energii słonecznej jest fotowoltaika, czyli – zamiana światła słonecznego na energię elektryczną. Zamiana ta zachodzi w ogniwach słonecznych. Wiele ogniw tworzy następnie moduły fotowoltaiczne. Owe moduły są następnie łączone elektrycznie i mechanicznie w generatory solarne. Wspomniane moduły fotowoltaiczne klasyfikowane są na podstawie zastosowanej technologii:

• monokrystaliczne
• polikrystaliczne
• amorficzne
• wstążkowej („ribbon silicon”).

                Na rysunku 2 zaprezentowano przykładową instalację fotowoltaiczną, produkującą energię na potrzeby własnego gospodarstwa. Elektryczność – a więc moc elektryczna ogniwa solarnego głównie zależy od intensywności promieniowania słonecznego. Moc szczytowa ogniwa solarnego zdefiniowana jest dla mocy napromieniowania 1000W na 1 m2 przy temperaturze ogniwa 25°C. Oznacza to, że tzw. moc szczytowa podawana jest w watopikach (Wp) (ang. Watt Peak).

                Wadą systemów fotowoltaicznych jest niestety nierównomierna produkcja energii elektrycznej – zarówno w skali doby, jak i w skali całego roku – co potwierdziły liczne badania [Jastrzębska 2007]. Dochodzi do tego, że różnice wydajności w poszczególnych miesiącach są bardzo wysokie i mogą wynosić nawet 90% (różnica pomiędzy wydajnością w maju i grudniu) [Lenarczyk, 2013]. Z tego powodu, najbardziej opłacalnym obecnie rozwiązaniem może być sprzedaż wyprodukowanej energii dystrybutorowi. Pozwala to dodatkowo uniknąć kosztów związanych z zakupem i obsługą akumulatorów. Pod warunkiem oczywiście spełnienia norm technicznych i prawnych. Instalacje tego typu są proste w obsłudze i zarządzaniu. Na rysunku 3 przedstawiony został panel umieszczony na jedynej – i zarazem głównej „rozdzielni” będącej centralą całej instalacji. Przedstawiony panel posiada wyświetlacz pokazujący najważniejsze dane. Są nimi ilość wyprodukowanej energii elektrycznej w ciągu jednej doby, ilość energii (w kWh) wyprodukowanej od momentu rozpoczęcia działania instalacji (całość), moc chwilowa (Wp) oraz natężenie przepływu prądu od źródła do ewentualnych odbiorników.

                W zależności od typu paneli fotowoltaicznych można mówić o ich efektywności i sprawności. Na świecie jest obecnie produkowanych kilka podstawowych typów paneli ciekłokrystalicznych.

                Przedstawiona na rysunku 2 instalacja fotowoltaiczna składająca się z 56 kolektorów o mocy 230W każdy, łącznie posiada moc 12,8kW i rocznie jest w stanie wyprodukować ok. 10480 kWh energii elektrycznej. Oczywiście można zaprojektować instalację proporcjonalnie mniejszą (mniejszej mocy) i w konsekwencji uzyskiwać proporcjonalnie mniej energii – w zależności od indywidualnych potrzeb gospodarstwa.

Panele ciekłokrystaliczne

                W tabeli 1 i 2 umieszczono i po krótce scharakteryzowano poszczególne modele i typy.

                Czytelnikom i przyszłym właścicielom i eksploatatorom warto przybliżyć też zasadę działania paneli ciekłokrystalicznych i skąd bierze się w nich prąd elektryczny?

                Krystaliczne ogniwo solarne tworzone jest przez dwie warstwy krzemu, które mają różne własności elektryczne. Na powierzchniach granicznych tych warstw wytwarza się pole elektryczne, które oddziela wolne nośniki ładunku powstające w wyniku oddziaływania promieniowania słonecznego. Dzięki temu między stykami ogniwa powstaje napięcie elektryczne. A po podłączeniu do odbiornika – płynie prąd elektryczny – Rys. 4. Przykładowa instalacja składa się z następujących podzespołów:

1. Panele solarne – zamieniające światło słoneczne na prąd stały.
2. Inwerter – prąd stały wytworzony w panelach solarnych zamieniany jest przez inwerter na prąd zmienny, którym można: zasilać sieć elektryczną lub bezpośrednio zużywać.
3. Inwerter akumulatorowy – sterownik ładowania. Reguluje ładowanie i rozładowywanie instalacji. Jeśli urządzenie fotowoltaiczne produkuje więcej energii niż jest zużywane, to inwerter akumulatorowy ładuje zasobniki akumulatorowe (IBC SOLAR). Jeśli zapotrzebowanie na energię jest większe, niż bieżąca podaż energii, to inwerter pokrywa różnicę energii przez co IBC jest rozładowywane. W dzień ładuje – w nocy jest rozładowywany.
4. Licznik elektryczny – służy do pomiaru produkcji energii elektrycznej przez inwerter.
5. Dwudrożny licznik energii (tzw. inteligentny licznik energii) – rejestruje tę część energii, która dostarczana jest do publicznej sieci energetycznej. Różnica pomiędzy wyprodukowaną ilością energii i energią zmagazynowaną daje wielkość zużycia własnego. Poza tym może mierzyć ilość energii pobranej od dostawcy energii elektrycznej.
6. IBC SolGUARD. Monitorowanie procesu. W każdej chwili można podejrzeć dane i wartości parametrów pracy instalacji.
7. Urządzenia elektryczne.

                Dla przyszłego inwestora warta uwagi jest także kwestia zweryfikowania czy układy fotowoltaiczne posiadają i / lub spełniają następujące parametry i funkcje:

• czy moduły są trudnopalne zgodnie z normą DIN 4102?
• weryfikacja, czy są to moduły grado- i mrozoodporne?
• czy są odporne na amoniak – potwierdzone np. przez Niemieckie Towarzystwo Rolnicze DLG oraz TÜV,
• maksymalne obciążenie – ok. 5,4 kN/m2 – obciążenie pod śniegiem,
• odporność na sól i mgłę (warunki nadmorskie),
• maksymalna prędkość wiatru 158 km/h,
• opcjonalna ochrona przed kradzieżą.

Technologia fotowoltaiczna

                Konieczność magazynowania energii: z uwagi na niską sprawność i nierównomierność produkcji energii systemy PV wymagają stosowania magazynów energii, najczęściej w postaci akumulatorów. Wiąże się to przede wszystkim z dodatkowymi kosztami i utrudnieniem obsługi, zwłaszcza w instalacjach o mocy szczytowej większej niż 5 kWp.

                Życie na Ziemi bez energii jest dzisiaj wręcz niemożliwe. Rozwój cywilizacyjny człowieka wymaga coraz większego zapotrzebowania na energię, a bez niej homo sapiens jest bezbronny i unieszkodliwiony egzystencjalnie – a co za tym idzie – skazany na powolną zagładę. Dlatego warto zwrócić zawczasu uwagę na zapewnienie stałych i pewnych dostaw energii, zanim tradycyjne jej źródła odmówią współpracy. Źródła energii odnawialnej wychodzą nam w tej kwestii na przeciw. Wykorzystajmy to!

                Już w kolejnym numerze przedstawiona zostanie zasada działania instalacji słonecznych kolektorów cieczowych do produkcji ciepłej wody użytkowej w gospodarstwie.

Robert Szulc

Instytut Technologiczno-Przyrodniczy
Oddział w Poznaniu