BZB nr 27 - Silva rerum. Ekologiczne miscellanea

EKO-ENERGIA

1.1 ENERGIA ELEKTRYCZNA W ŻYCIU CZŁOWIEKA

Trudno w dzisiejszych czasach wyobrazić sobie życie bez użytkowania energii elektrycznej. Energia elektryczna jest nam tak samo potrzebna jak woda i powietrze. Samo słowo energia pochodzi od greckiego słowa energeia i oznacza działalność.

Energia elektryczna zaś jest energią układu ładunków elektrycznych wzajemnie oddziałujących na siebie. Siły elektrostatyczne i elektrodynamiczne między naładowanymi cząstkami powodują ich przyciąganie lub odpychanie. Wykorzystanie energii elektrycznej polega na celowym uporządkowaniu tych elementarnych oddziaływań. Niezbędne do tego jest dysponowanie ciałami różniącymi się między sobą pod względem potencjału elektrycznego.

Robert Siudak Ożarowska 107 27-600 Sandomierz

Globalne zapotrzebowanie na energię zależy od wielu czynników, spośród których do najważniejszych należy zaliczyć: tempo rozwoju gospodarczego poszczególnych krajów, wzrost liczby ludności, ewolucję struktur społecznych, postęp techniczny w zakresie stosowania urządzeń i tworzenia nowych rozwiązań technicznych. Przemysł energetyczny stanowi główną gałąź gospodarki każdego kraju, ponieważ z energii elektrycznej korzystają w coraz większym stopniu wszystkie inne działy gospodarki narodowej. Współczesny postęp techniczny odznacza się elektryfikacją stosowanych urządzeń napędowych, procesami automatyzacji, powszechnym zastosowaniem elektroniki, wzrostem potrzeb oświetleniowych itp. Zwiększone użycie energii elektrycznej jest wywołane także pełniejszą elektryfikacją rolnictwa i wzrostem wyposażenia gospodarstw domowych w odbiorniki elektryczne, substytucją gazu w nich, ogrzewaniem elektrycznym oraz zastępowaniem paliw ciekłych energią elektryczną w transporcie.

Zwiększone zapotrzebowanie na energię elektryczną wynika także z zalet tego nośnika energii, do których przede wszystkim możemy zaliczyć:

• latwość przemiany w inne formy energii, czyli w energię cieplną, świetlną i mechaniczną;
• znakomitą podzielność i możliwość płynnej regulacji parametrów w zakresie od mikro do makro;
• latwość przesyłania (błyskawicznego) na duże odległości, co umożliwia wykorzystanie odległych od miejsc zapotrzebowania zasobów surowców energetycznych;
• ponoszenie małych strat w porównaniu z innymi postaciami energii w trakcie ich przesyłania.

Tak szerokie zastosowanie jakie znalazła energia elektryczna sprawiło, że powstało wiele metod jej pozyskiwania, począwszy od tradycyjnych, a skończywszy na niekonwencjonalnych.

Konwencjonalne źródła energii elektrycznej wykorzystują energię chemiczną i cieplną zawartą w paliwach kopalnych. Szacując najogólniej ten sposób wytwarzania energii elektrycznej obecnie zużywa się ponad jedną trzecią wydobywanych w świecie surowców energetycznych.

1.2 WPŁYW TRADYCYJNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII ELEKTRYCZNEJ NA ŚRODOWISKONATURALNE

Spalanie paliw mineralnych powoduje narastające zanieczyszczenie środowiska. Degradacja środowiska występuje już w fazie pozyskiwania surowców przez niszczenie powierzchni Ziemi, tworzenie hałd kopalnianych oraz powstawania dużych ilości zasolonych wód odprowadzanych do rzek. W fazie wytwarzania energii elektrycznej za pomocą konwencjonalnych technologii polegających na spalaniu węgla i ropy powstają ogromne ilości zanieczyszczeń w postaci emitowanych do atmosfery pyłów i gazów. Zanieczyszczenia te często występują na obszarach gęsto zaludnionych.

W wyniku całkowitego spalenia paliwa mineralnego w komorze paleniskowej kotła energetycznego powstają spaliny zawierające: dwutlenek węgla (CO₂), parę wodną (H₂O), azot (N₂), dwutlenek siarki (SO₂), trójtlenek siarki (SO₃) oraz popiół. Ze składników tych toksycznymi są: SO₂, SO₃ oraz częściowo popiół (pył), ze względu na zawartość w nim takich pierwiastków jak kadm, ołów, arsen.

Ilość substancji pyłowych i gazowych
emitowanych przez krajowe elektrownie zawodowe

Przy wysokiej temperaturze w jądrze płomienia komory paleniskowej zachodzi częściowe utlenienie azotu z powietrza i azotu z paliwa, a w jego wyniku tworzenie się tlenków azotu (tlenek azotu NO i dwutlenek azotu NO₂). Tlenki azotu (NO_x) nawet w minimalnych stężeniach w powietrzu działają drażniąco na organy układu oddechowego, niszczą urządzenia i materiały, przyczyniają się do powstawania smogów, pogarszają widoczność i ograniczają nasłonecznienie powierzchni Ziemi. Są one szkodliwe dla organizmów żywych, co stawia je zaraz za dwutlenkiem siarki SO₂, jako najgroźniejsze zanieczyszczenie powietrza atmosferycznego.

Na około połowie powierzchni kraju występują stężenia SO₂ wyższe od 20 mg/m³ co może już powodować pierwszy stopień uszkodzenia lasów iglastych.

Znaczne stężenia SO₂ w powietrzu atmosferycznym powodują, że na powierzchnię gleby dociera rocznie w Polsce ok. 8 ton związków siarki na 1 km², przy czym na ok. 10% powierzchni kraju wartości te przekraczają rocznie 50 t/km².

Duże przekroczenia dopuszczalnych stężeń zanieczyszczeń pyłowych i gazowych występują również na terenach chronionych i specjalnie chronionych.

Ponad połowa emisji SO₂ pochodzi z energetyki. Również z energetyki pochodzi ok. 40% emitowanych pyłów.

W przypadku niezupełnego spalania w komorze paleniskowej, powstaje: tlenek węgla CO, sadza oraz rakotwórczy benzo-a -piren. Energetyka jadrowa, choć nie wprowadza takich zmian w powietrzu atmosferycznym, grozi jednak bardzo niebezpiecznym zatruciem środowiska w cyklu paliwowym, awarią w procesie eksploatacji i zmusza do wieczystego przechowywania wysokoaktywnych odpadów promieniotwórczych.

Główne zagrożenia środowiska jakie niosą ze sobą tradycyjne metody wytwarzania energii elektrycznej to:

• emisja znacznych ilości tlenków azotu i siarki odpowiedzialnych za występowanie kwaśnych deszczów niszczących faunę i florę oraz budowle, także zabytkowe, korozję metali, zwiększenie zużycia maszyn i mechanizmów w promieniu wielu setek kilometrów, gdyż wysokie kominy powodują przemieszczanie się ich na wielkie odległości;
• emisja dwutlenku węgla, przyczyniającego się do powstania tzw. efektu cieplarnianego, co grozi zmianami klimatycznymi (podwyższaniem temperatury na Ziemi, topnienie lodowców, co może w konsekwencji spowodować zmianę zarysu lądów);
• emisja pyłów;
• promieniowanie jonizujące elektrowni jądrowych;
• zagrożenia radiacyjne przy przewożeniu materiałów rozszczepialnych i odpadów z elektrowni jądrowych;
• zrzuty podgrzanej wody do rzek i jezior;
• bezzwrotne straty wody w obiegach chłodzenia;
• zrzuty ścieków technologicznych;
• dewastacja terenu i pylenie wtórne na składowiskach odpadów paleniskowych (popiół, żużel);
• hałas.

Wśród barier energetyki konwencjonalnej, oprócz trudności z pozyskiwaniem węgla należy wymienić również deficyt wody, który utrudnia lokalizację dużych elektrowni ze względu na brak wody chłodzącej.

Dodatkowo należy zaznaczyć, że węglowy charakter energetyki odznacza się:

• stosunkowo małą sprawnością przemian energetycznych co powoduje duże zużycie energii w postaci pierwotnej;
• dużym kosztem urządzeń energetycznych spalających węgiel;
• znacznym obciążeniem środków transportu przewozem węgla;
• zagrożeniem dla środowiska naturalnego przez wydobywanie, transport i użytkowanie węgla;
• co 8 tona wydobytego węgla wraca do kopalni w postaci energii.

Konwencjonalne metody sprzyjają skoncentrowanemu sposobowi wytwarzania energii elektrycznej, co pociąga za sobą pewne negatywne skutki przy przesyłaniu energii:

• oddziaływanie pola elektrycznego pod liniami najwyższych napięć, ograniczające użytkowanie terenu;
• wycinanie lasów na terenach linii elektroenergetycznych;
• straty mocy na długich odcinkach przesyłania energii elektrycznej;
• wzrost kosztów inwestycyjnych.

1.3 WZROST ZNACZENIA ŹRÓDEŁ NIEKONWENCJONALNYCH

Wyżej wymienione względy ochrony środowiska, stopniowe zużywanie się paliw kopalnych (szacuje się, że za ok. 40 lat wyczerpią się złoża ropy naftowej przy obecnym stanie jej zużywania) oraz kryzys energetyczny w 1973 r. sprawiły, że wzrosło na świecie zainteresowanie niekonwencjonalnymi metodami wytwarzania energii elektrycznej.

Niefrasobliwy stosunek do gospodarki paliwami i energią, tania ropa pochodząca z Bliskiego Wschodu powodowały zwalnianie względnego tempa prac badawczych nad nowymi źródłami energii elektrycznej. Ostatnio jednak daje się zauważyć wzrost świadomości społecznej jeśli chodzi o trwonienie zasobów kopalnych, które są przecież tylko jedne, przez kilka pokoleń. Coraz więcej ludzi przestaje traktować Ziemię tylko jako swoją własność i oszczędzić choć część tych zasobów dla przyszłych pokoleń. Alternatywne metody pozyskiwania energii elektrycznej dają taką szansę.

Tym niekonwencjonalnym źródłom nadaje się często, raczej niesłusznie, miano "nowych", pomimo, że większość z nich jest znana i użytkowana od setek, a nawet tysięcy lat.

Projekty techniczne umożliwiają wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, które kryją się w tych źródłach. Poza tym, oprócz względów ochrony środowiska, na szersze wykorzystanie energii pochodzącej z niekonwencjonalnych źródeł, mają wpływ czynniki ekonomiczne i polityczne:

• dążenie wielu krajów i regionów do uniezależnienia się od importu energii;
• obniżenie się cen urządzeń do pozyskiwania energii odnawialnej w następstwie postępu technicznego i masowości ich wytwarzania;
• wzrost kosztów inwestycyjnych w konwencjonalnych elektrowniach, spowodowany koniecznością montowania drogich urządzeń mających na celu ograniczenie wpływu tych elektrowni na środowisko.

Niekonwencjonalne źródła energii można podzielić na:

• odnawialne: energia słoneczna, energia wiatru, energia pływów morskich i fal morskich, energia cieplna oceanów (maretermiczna), energia gorących skał;
• nieodnawialne: wodór, energia magneto-hydrodynamiczna, ogniwa paliwowe i gejzery.

1.4 CHARAKTERYSTYKA I ZALETY NIEKONWENCJONALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII

Zródła odnawialne charakteryzują się:

• minimalnym bądź nawet żadnym wpływem na środowisko;
• oszczędność paliw (eliminacja zużycia węgla, ropy i gazu w produkcji energii elektrycznej)
• ogromnymi, stale odnawiającymi się zasobami energii;
• stały koszt jednostkowy uzyskiwanej energii elektrycznej;
• możliwością pracy na sieć wydzieloną;
• stanowią energetykę bardzo elastyczną, wykorzystującą różnorodne lokalne źródła energii;
• rozproszeniem na całym obszarze kraju, co rozwiązuje problem transportu energii, gdyż może ona być pozyskiwana w dowolnym miejscu, co eliminuje również straty związane z dystrybucją i pozwala uniknąć budowy linii przesyłowych.

Jak widać obecnie lokalnie, a w niedalekiej przyszłości na szeroką skalę odnawialne źródła energii okazują się być niezastąpione. Ich ogólny potencjał techniczny, tzn. taki, który da się wykorzystać przy obecnym lub dającym się przewidzieć poziomie techniki, szacuje się na 17,245 TWa rocznie, co podwyższa przewidywane światowe zapotrzebowanie na energię pierwotną w 2000 r. Mimo tych olbrzymich zasobów jakie niesie ze sobą energia odnawialna, nie możemy zapominać o racjonalizacji użytkowania energii w naszym codziennym życiu. Przemawia za tym m.in. fakt, że w krajach rozwijających się mieszka 75% ludności świata, a zuzywa jedynie 20% paliw i energii.

Stosunkowo duży koszt budowy elektrowni zasilanych źródłami odnawialnymi jest spowodowany koniecznością stosowania trudnych technicznie, jeśli chodzi o budowę urządzeń, co spowodowane jest z kolei uwzględnieniem zmieniających się warunków atmosferycznych.

Roczna produkcja energii elektrycznej przez odnawialne źródło o mocy 160 kW zapobiega wyemitowaniu do atmosfery następujących zanieczyszczeń:

• dwutlenek siarki2.000kg
• dwutlenek azotu1.500kg
• dwutlenek węgla250.000kg
• pyły i żużle17.500kg

Koszty wytwarzania energii - rzeczywiste i przewidywalne w centach USA za kWh
(w przeliczeniu na ceny stałe bez inflacji)

Spośród odnawialnych źródeł energii w Polsce największe szanse rozwoju ma: energia słońca, wiatru, mała energetyka wodna.

2.1.1 ZASOBY

Energia ruchu atmosfery, czyli energia wiatru jest przekształconą formą energii słonecznej. Wiatr jest wywołany przez różnicę w nagrzewaniu ladów i mórz, biegunów i równika czyli przez różnicę ciśnień między poszczególnymi strefami cieplnymi oraz przez siłę Coriolisa związaną z obrotowym ruchem Ziemi. Ocenia się, że ok. 1-2% energii słonecznej dochodzącej do Ziemi ulega przemianie na energię kinetyczną wiatru, stanowi to 2700 TW. 25% tej energii przypada na stumetrowej grubości warstwę powietrza atmosferycznego otaczającego bezpośrednio powierzchnię Ziemi. Wiatry wijące nad powierzchnią lądów, jeśli uwzględni się różne rodzaje strat oraz możliwości rozmieszczenia instalacji wiatrowych, mają potencjał energetyczny o mocy 40 TW. Tylko 10% tej wartości przewyższa cały potencjał śródlądowej energii wodnej i wynosi 20 razy więcej niż obecna moc zainstalowanych na świecie elektrowni.

Zasoby energii wiatru są niewyczerpalne ponieważ wiatry są stale podtrzymywane przez Słońce. W przypadku wiatrów wiejących nad otwartym morzem, tam gdzie głębokość pozwala na instalowanie siłowni wiatrowych, ich moc energetyczną ocenia się na 20 TW.

2.1.2 HISTORIA WYKORZYSTAIA ENERGII WIATRU

Wiatr jako nośnik energii wykorzystywano już w starożytności. Około 1800 lat temu w krajach śródziemnomorskich i w Chinach pojawiły się pierwsze silniki wiatrowe. W Babilonii wykorzystywano je do osuszania mokradeł, a w innych krajach do nawadniania pól (napęd pomp wodnych w systemach irygacyjnych). W VIII wieku w Europie pojawiły się duże wiatraki 4-skrzydłowe, w których budowie wyspecjalizowali się Holendrzy. We wczesnym średniowieczu silnik wiatrowy znalazł zastosowanie w młynach prochowych. Jednocześnie w niektórych krajach na terenach polderowych stosowano wiatraki przepompowujące wodę w celu osuszenia terenu uprawy. Największą rolę energia wiatru odgrywała w XVI wieku, a w 1850 roku, ogólna moc młynów napędzanych wiatrem wynosiła 1 TW. W końcu XIX wieku siłownie wiatrowe przestały już być doskonalone, a jednocześnie w Danii funkcjonowało ponad 30 000 takich młynów i mniej więcej tyle samo wiatraków było w Holandii i w innych krajach.

Do 1940 roku Dania miała ponad 1300 działających generatorów wiatrowych. Do 1940 roku w USA zbudowano około 6 milionów takich generatorów. Turbiny wiatrowe były dla mieszkańców wsi w ówczesnych czasach jedynym dostępnym źródłem elektryczności. W 1960 roku na świecie wykorzystywano ponad 1 milion siłowni wiatrowych. Ponowny wzrost zainteresowania szerszym wykorzystaniem energii wiatru (do celów energetycznych) nastąpił po kryzysie energetycznym w 1973 roku.

2.1.3 POJĘCIA, PARAMETRY OPISUJĄCE ENERGIĘ WIATROWĄ

Oto podstawowe pojęcia określające energetykę wiatrową:

• silnik wiatrowy - to dowolne urządzenie przepływowe wykorzystujace energię poruszającego się powietrza w celu wytworzenia energii mechanicznej;
• turbina wiatrowa - tworzy system składający się z silnika wiatrowego połączonego z maszyną roboczą (generatorem, pompą, kompresorem, itp.);
• elektrownia wiatrowa (aerogenerator) to silnik wiatrowy połączony z generatorem energii elektrycznej;
• instalacja wiatrowa - obejmuje kompleks urządzeń technicznych zawierający siłownię wiatrową wraz z systemem sterowania oraz, w zależności od potrzeb, system akumulacji energii lub urządzenie dublujące, albo zespół siłowni wiatrowych ulokowanych w jednym miejscu.

Wiatr jest zjawiskiem zmiennym, dlatego wielkość energii możliwą do uzyskania w określonej chwili da się przewidzieć tylko z bardzo małym prawdopodobieństwem, jednakże łączną produkcję energii w długim okresie można ocenić ze stosunkowo dużą dokładnością, gdyż średnia prędkość wiatru i rozkład prędkości w ciągu roku zmieniają się w niewielkim stopniu. Kinetyczna energia wiatru zależy od jego prędkości oraz od temperatury powietrza i ciśnienia atmosferycznego (co decyduje o jego gęstości). Zmiana temperatury od +15^oC do 0^oC przy stałym ciśnieniu powoduje wzrost mocy o ok. 6%, a wzrost do 30^oC spadek o 5%. Przy stałej temperaturze zmiana ciśnienia od 103,7 do 97,3 kPa (od 770 do 730 mm Hg) obnizy energię strumienia powietrza o ok. 6%.

Moc turbiny wiatrowej wyraża się zatem wzorem:

Pt = 0,5 p v3 F e

gdzie:

• P_t - moc turbiny
• p - gęstość powietrza
• v - prędkość wiatru
• F - przekrój poprzeczny strumienia
• e - współczynnik wykorzystania energii

Teoretycznie współczynnik sprawności wykorzystania energii strumienia powietrza może być równy 59,3%, w praktyce jednak może on sięgać najwyżej 50%.

Moc całego agregatu turbina wiatrowa - prądnica, przy osiągalnych obecnie sprawnościach elementów, może być wyrażona wzorem:

P = (0,00011 - 0,00022) d2 v3[kW]     małe agregaty    duże agregaty

gdzie:

• d - średnica łopatek turbiny wiatrowej [m]
• v - prędkość wiatru [m/s]

2.1.4 WARUNKI SPRZYJAJĄCE DO WYKORZYSTANIA ENERGII WIATRU

Zespoły wiatrowe pracują w przedziale prędkości wiatru 4...5 - 25 m/s. Przy prędkości mniejszej od 4 m/s są osiągane zbyt małe moce, natomiast przy prędkości większej niż 30 m/s zespoły są wyłączane ze względu na możliwość uszkodzeń mechanicznych. Moc znamionowa takiego zespołu prądotwórczego jest określana przy pewnej prędkości wiatru, którą jest zwykle prędkość 10-14 m/s. Prędkość wiatru wzrasta wraz z wysokością, dlatego śmigło turbiny umieszcza się - w przypadku dużych urządzeń - kilkadziesiąt metrów nad ziemią. Wynika stąd, że najważniejszym czynnikiem jest duża prędkość wiatru, gdyż zwiększanie wysokości wieży i średnicy łopatek jest ograniczone względami konstrukcyjnymi do nieco ponad 100 m. Nie mniej ważna niż prędkość wiatru jest jego stałość występowania w danym miejscu, gdyż od niej zależy ilość wyprodukowanej przez silnik wiatrowy energii elektrycznej w ciągu roku, a to decyduje o opłacalności całej instalacji. Z tego względu elektrownie wiatrowe są budowane w miejscach ciągłego występowania wiatrów o odpowiednio duzej prędkości zwykle większej od 4 m/s.

Roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych wynosi 1000-2000 h/a, a czasami przekracza nawet 2500 h/a. Turbina powinna być usytuowana daleko od wirów powietrznych, które powstają w pobliżu wysokich drzew lub zabudowań. Dlatego tak ważna jest konfiguracja terenu w otoczeniu planowanego miejsca pracy elektrowni oraz ewentualne przeszkody terenowe. Najkorzystniejsze miejsce to tereny przybrzeżne, wzgórza, pagórki dominujące nad wolnymi, nie zabudowanymi i nie porośniętymi drzewami terenami.

2.1.5 NAJPOPULARNIEJSZE ROZWIĄZANIA TECHNICZNE ZESPOŁÓW WIATROWYCH

Typowy wirnik elektrowni wiatrowej

Wirnik elektrowni wiatrowej osadzony na wale głównym napędza poprzez przekładnię zębatą generator. Przy zastosowaniu wielobiegunowych prądnic jest możliwe zrezygnowanie z pośredniej przekładni. Ze względu na niestabilność prędkości wiatru, konieczne są specjalne systemy regulacji. Silnik wiatrowy może pracować bądź ze stałą prędkością obrotów turbiny, regulowaną kątem nachylenia łopat lub osi turbiny, ale z regulacją obrotów generatora. Rozwiązanie z turbiną o zmiennych obrotach umożliwia pełniejsze wykorzystanie energii wiatru gdyż pozwala lepiej dostosować częstotliwość obrotów turbiny do jego prędkości.

Według niektórych źródeł dla elektrowni o P = 200 kW efektywnym rozwiązaniem jest turbina wiatrowa ze zmienną liczbą obrotów i zastosowaniem przekładni hydraulicznych do napędu generatora synchronicznego. W dużych instalacjach stosuje się zazwyczaj rozwiązanie ze stałą prędkoscią turbiny, ponieważ pozwala ono na zmniejszenie sił odśrodkowych działających na turbinę i zabezpiecza instalację przed przeciążeniem.

Wirnik, zespół wału głównego, przekładnia oraz generator, są połączone razem (kołnierzowo) i stanowią zwarty zespół napędowy, umieszczony w gondoli na odpowiednich poduszkach wibroizolacyjnych. Gondola jako podzespół głowicy jest samonośną konstrukcją wsporczą dla zespołu napędowego. Głowica osadzona jest najczęściej na teflonowym łożysku wieńcowym, umożliwiającym jej obrót wokół wieży przy pomocy elektronicznych serwomechanizmów śledzących kierunek wiatru wraz z zespołem anemometru i steru kierunku wiatru. Teoretycznie, wirnik może być usytuowany zarówno po stronie zawietrznej, jak też po stronie frontowej względem wieży turbiny. Drugie rozwiązanie jest korzystniejsze, gdyż łopatki turbiny nie muszą przechodzić przez obszary silnej turbulencji spowodowanej obecnością wieży na kierunku wiatru. Przy projektowaniu elektrowni wiatrowych należy również zwrócić uwagę na bardzo ważny czynnik, jakim jest wyróżnik szybkobieżności czyli stosunek prędkości obwodowej elementu obracającego się turbiny silnika wiatrowego do prędkości wiatru.

Ze względu na wyróżnik szybkobieżności silniki wiatrowe dzielimy na: wolnobieżne, średniobieżne i szybkobieżne. Porównując dwa silniki wiatrowe o podobnej mocy, gdzie pierwszy ma mały wyróżnik szybkobiezności (dużo łopat), a drugi ma duży wyróżnik szybkobieżności (mało łopat), większym momentem siły będzie się charakteryzował pierwszy.

W typowych elektrowniach wiatrowych układ sterowania i aparatura elektryczna zamontowane są wewnątrz wieży u jej podstawy. Systemy sterowania komputerowego na ogół obejmują:

• automatyczne naprowadzanie wirnika na wiatr w celu maksymalnego wykorzystania energii wiatru;
• automatyczną płynną regulację napięcia i częstotliwości generatora prądu;
• załączanie i wyłączanie elektrowni;
• odkręcanie kabli wiązki energetyczno-sygnałowej;
• współpracę z kompleksem zewnętrznym (monitoring, rozkazy);
• rejestrację i opracowanie statystyki pracy poszczególnych podzespolów elektrowni;
• rejestrację zapisu tzw. "czarnej skrzynki" dla sytuacji awaryjnych.

Układ sterowania kontroluje pracę elektrowni poprzez pomiar podstawowych parametrów siłowni, takich jak:

• kierunek wiatru;
• prędkość wiatru;
• stan zużycia hamulców tarczowych;
• temperatura generatora, przekładni i sterownika;
• obroty wału;
• obroty generatora;
• napięcie generatora i prądy fazowe;
• kolejność faz;
• kąt natarcia łopat wirnika;
• kąt skręcania kabla w głowicy;
• drgania własne;
• napięcie zasilania układów wykonawczych;
• moc generatora.

Energetyka wiatrowa fascynuje pomysłowością i różnorodnością rozwiazań. Turbiny wiatrowe mają zwykle dwie lub trzy łopatki (śmigła). Są budowane jako poziomoosiowe lub pionowoosiowe tzw. panemony. Łopatki są najczęściej o profilu skrzydła lotniczego. Niekiedy stosowane są turbiny rozwiązaniami konstrukcyjnymi. Coraz częściej wykorzystuje się także osiągnięcia przemysłu lotniczego, szczególnie przemysłu budowy śmigłowców, w którym znajdują zastosowanie coraz ciekawsze rozwiązania w zakresie budowy łopat wirników nośnych. Do budowy śmigieł wykorzystywane są również różnorodne materiały takie jak np. stal, kompozyt, włókno szklane itp. Przy budowie elektrowni wiatrowej konieczna jest optymalizacja wielkości agregatu i jego mocy w zależności od warunków wiatrowych. W niektórych warunkach bowiem siłownia elektryczna składająca się z sześciu aerogeneratorów o mocy 100 kW każdy i pracujacych dla wspólnego odbiorcy jest bardziej opłacalna niż jeden aerogenerator o mocy 600 kW.

2.1.6 SYSTEMY ZABEZPIECZEŃ

Systemy zabezpieczeń w typowych elektrowniach wiatrowych:

• automatyczna diagnostyka elektrowni, wykrywanie stanów awaryjnych elektrowni i jej wyłączanie;
• automatyczne zatrzymywanie pracy elektrowni dla wiatrów o prędkosciach spoza przedziału od 4-5 m/s do 25-30 m/s;
• dwa niezależne układy hamowania:

1. hamowanie aerodynamiczne (zmiana kąta nastawienia łopat).
2. hamulec tarczowy - uruchamiany przez sterownik mikroprocesorowy.

Przy prędkości wiatru większej od 25-30 m/s prądnice są wyłączane automatycznie a turbina wiatrowa ustawiana jest równolegle do kierunku wiatru, w celu uniknięcia zniszczenia.

2.1.7 PESPEKTYWY ZWIĘKSZANIA MOCY UZYSKIWANEJ Z ENERGII WIATRU

W celu zwiększenia uzyskiwanej mocy budowane są tzw. "farmy wiatrowe", tj. zespoły prądotwórcze zajmujące zwarty obszar o dużej lokalnej prędkości wiatru. Na ogół budowane są one na nieużytkach. Farma wiatrowa ma pewne elementy wspólne jak transformatory łączące je z siecią, drogę dojazdową. Jest ona centralnie sterowana i nadzorowana. Moc zespołów zainstalowanych na farmach bywa rożna. Aby uniknąć zakłócania sobie wzajemnie strumieni powietrznych wykorzystywanych przez każdy zespół, odległość między wieżami jest zwykle większa niż 10 m. Według innych ocen na 1 km² nie można umieszczać instalacji o większej łącznej powierzchni wirników niż 1500 m². Oznacza to, że agregaty ze śmigłem o rozpiętości 60 m nie mogą być rozmieszczone bliżej jeden od drugiego niż w odległości ok. 2 km. Za perspektywistyczne uważa się umieszczanie instalacji wiatrowych na otwartym morzu. Jest to podyktowane następujacymi względami:

• na morzu możliwe jest uzyskanie większej mocy z 1 km² powierzchni koła roboczego, gdyż wraz o oddalaniem od brzegu wzrastają średnie roczne prędkości wiatru, co związane jest z mniejszym tarciem powietrza o powierzchnię wody niż lądu. Oddalenie instalacji o 40 km od brzegu daje wzrost prędkości wiatru o 20-25% co oznacza prawie dwukrotny wzrost produkcji energii, bowiem jest ona proporcjonalna do trzeciej potęgi prędkości wiatru.
• szczególnie korzystne jest zasilanie w ten sposób oddalonych od lądu wysp oraz platform wydobywczych.
• na lądzie istnieje czasami trudność ze znalezieniem terenów pod budowę bardzo dużych instalacji wiatrowych.

Istnieją również plany elektrowni wiatrowych zakotwiczonych u wybrzezy oceanicznych, z których wytwarzana elektryczność byłaby doprowadzona do podwodnych elektrolizerów wytwarzających wodór, który miałby być przesyłany rurociągami na ląd i tam wykorzystany jako paliwo. Projektowane są również urządzenia do bezpośredniej przemiany energii wiatru w energię elektryczną, wykorzystujące zjawiska piezoelektryczne lub przemieszczanie się naładowanych aerozoli. Instalacje takie pełnią na razie funkcje doświadczalne.

2.1.8 MAGAZYNOWANIE WYTWORZONEJ ENERGII

Aby siłownie elektryczne mogły optymalnie wykorzystać swoją moc przy zmieniających się prędkościach wiatru, korzystne jest magazynowanie energii. Choć wiele ze sposobów jej magazynowania nie jest jeszcze na poziomie dojrzałości technicznej zapewniającej opłacalne jej magazynowanie, rozważa się jednak wiele wariantów:

• w postaci sprężonego powietrza;
• w postaci ciepła;
• przy wykorzystaniu kół zamachowych;
• przy użyciu akumulatorów elektrochemicznych;
• za pomocą magnesów nadprzewodzących;
• w postaci wodoru.

2.1.9 PERSPEKTYWY ROZWOJU ENERGETYKI WIATROWEJ W POLSCE

Żywotność turbin wiatrowych szacuje się na 20 lat, a amortyzacja całych elektrowni wiatrowych następuje w bardzo krótkim czasie i zależy najczesciej od zużycia wyprodukowanej energii. Koszty eksploatacji elektrowni wiatrowych są minimalne. Remonty pochłaniają rocznie do 1% nakładów inwestycyjnych. Ilość energii zawartej w ruchomych masach powietrza przepływającego co roku nad Polską szacuje się na 1400 - 2000 TWh.

W Polsce w wielu okolicach użyteczne wiatry o prędkości 3-10 m/s wieją przez ponad 300 dni w roku. Miejsca o średniej rocznej prędkości wiatru 5-6 m/s uznaje się za granicę strefy, w której budowanie elektrowni wiatrowych jest opłacalne, nawet gdy jest możliwość korzystania z normalnej elektrycznej sieci energetycznej. W miejscach odosobnionych granica ta obniża się do 3 m/s. Siłownie wiatrowe pracują bez obsługi i produkują energię elektryczną według stałego kosztu jednostkowego.

Elektrownia wiatrowa wykonana amatorsko

Pojedyncza elektrownia wiatrowa może mieć różne przeznaczenie i zastosowanie:

• produkcja energii elektrycznej na potrzeby własne i na sprzedaż do sieci państwowej
• praca na sieć wydzieloną - oświetlenie, ogrzewanie pomieszczeń mieszkalnych, przemysłowych i rolniczych (domy mieszkalne, kościoły, jednostki wojskowe, porty, schroniska, zabudowania rolnicze)
• rolnictwo, zasilanie elektryczne maszyn i urządzeń gospodarczych, zasilanie pomp melioracyjnych (nawadnianie, odwadnianie)
• hodowla ryb, zasilanie urządzeń do napowietrzania i rekultywacji zbiorników wodnych (jeziora, stawy), podgrzewanie wody
• oczyszczalnie ścieków - zasilanie urządzeń elektrycznych oraz dotlenianie osadników
• rzemiosło - zasilanie elektryczne silników maszyn i urządzeń
• ogrodnictwo - oświetlenie i ogrzewanie elektryczne w produkcji szklarniowej
• zasilanie elektryczne (małych) skupisk ludzkich w strefach odosobnionych lub ekologicznie chronionych (stacje meteo, klasztory, latarnie morskie, stacje naukowe, jednostki wojskowe, farmy hodowlane).

2.1.10 PODSUMOWANIE

Często zarzuca się elektrowniom wiatrowym, że są zbyt małej mocy, szpecą krajobraz, wytwarzają podczas pracy hałas i mogą spowodować nowe nieznane dotąd zagrożenia ekologiczne. Wszystkie te zarzuty są jednak bezzasadne, ponieważ: energia wiatru jest bardzo elastyczna, niezależna i dogodna do stosowania w oddalonych miejscach, jest powszechnie dostępna i uniezależniona od importu. Rozwój techniki sprawia, że elektrownie wiatrowe są coraz doskonalsze, osiągają coraz większe sprawnosci i coraz mniej agresywną, jeśli chodzi o hałas i zagrożenie, pracę dla środowiska.

Poza tym, obiekty elektrowni konwencjonalnych o wiele bardziej szpecą lokalny krajobraz, nie mówiąc już o skażeniu jakie powodują.

Ileż w tym wietrze jest energii, nieujarzmionej, traconej bezpowrotnie i tak wspaniale odtwarzanej przez naturę na nowo. Jak się ocenia minuta huraganu wyzwala więcej energii niż połączone arsenały bomb atomowych USA i byłego ZSRR.

Według danych zachodnich w rejonach gdzie wiatr wieje ze średnią roczną prędkością 8 m/s wielkość oszczędności paliwa dzięki wykorzystaniu izolacji złożonej ze stu siłowni o łącznej mocy 300 MW jest równa zużyciu paliwa w tradycyjnej elektrowni cieplnej o mocy 200 MW przy jej wykorzystaniu w ciągu 5500 h rocznie tzn. jest równa 1,1 TWh (10¹⁵ J), w strefach o v_{śr. rocznej} 9-10 m/s oszczędność zwiększa się o 20-30%.

Siłownie wiatrowe, bez względu na ich rodzaj, rozmiary czy też liczebność nie powodują skażeń radioaktywnych, dewastacji terenu ani strat w naturalnych zasobach i zmian w środowisku naturalnym Ziemi. Poszukiwanie tanich i doskonalszych rozwiązań prowadzi jednak do dużej różnorodności projektów, co utrudnia produkcję seryjną.

Powinniśmy traktować wiatr jako surowiec energetyczny, ze znacznie większym rozmachem korzystać z tego źródła o niewyczerpalnych zasobach. Energia wiatru nadaje się do natychmiastowego wykorzystania, a jej przetworzenie np. na energię elektryczną jest dość proste i nie wymaga stosowania złożonych procesów. W wielu krajach w opanowaniu energii wiatru już obecnie przykłada się duże nadzieje. Miejmy nadzieję, że niedługo nauczymy się lepiej korzystać z tych nieogarniętych zasobów energii.

2.2.1 ZASOBY

Znanym i od dawna wykorzystywanym surowcem energetycznym jest "biały węgiel". Tak nazywa się w przenośni przemieszczające się masy wody rzecznej i morskiej. Spośród elektrowni wodnych najbardziej rozpowszechnione są zasilane energią kinetyczną rzek. Do rzadkości należą wciąż elektrownie wykorzystujące energię pływów morskich. Opracowywane są projekty morskich elektrowni falowych.

Najobficiej obdarzona "białym węglem" - w stosunku do powierzchni kontynentu - jest Europa, najskromniej Australia. Dotychczas zagospodarowano energetycznie ok. 15% całkowitego potencjału energetycznego rzek. Rozwój elektrowni wodnych - czystych dla otoczenia, niezależnych od wydobycia i transportu paliw - ograniczony jest jedynie wymogami odpowiednich warunków zewnętrznych (terenowych i geologicznych) oraz zależy od wielkości kapitału posiadanego przez inwestora. Najwięcej pieniędzy pochłania budowa obiektów hydrotechnicznych, nieco mniej - ich wyposażenie.

Charakterystyczne dla tego typu elektrowni są natomiast znikome koszty eksploatacji (wynoszące średnio ok. 0,5% łącznych nakładów inwestycyjnych rocznie) oraz wysoka sprawność eneretyczna (90-95%).

Moc elektrowni wodnej wyraża się przybliżonym wzorem:

P = 8.Q.H

gdzie:

• P - moc [kW]
• Q - przepływ wody [m³/s]
• H - wysokość spadu użytecznego [m]

Łączny potencjał hydroenergetyczny świata na początku lat osiemdziesiatych oceniano na 2,2 TW, co teoretycznie pozwoliłoby uzyskać produkcję energii elektrycznej, której równowartość odpowiada 2 mld ton ropy naftowej rocznie lub 5 mln ton ropy na dobę.

Potencjał energetyki wodnej może być liczony w kategorii brutto jako suma potencjałów wszystkich cieków, przy uwzględnieniu wysokości spadku, wielkości przepływu oraz teoretycznej sprawności przetwarzania energii wody w energię elektryczną lub jako potencjał techniczny. Potencjał techniczny jest pomniejszony w stosunku do potencjału brutto o współczynnik sprawności turbiny i generatora oraz uwzględnia stopień wykorzystania spadu i przepływu wody, część bowiem wody może być przeznaczona do potrzeb komunalnych, rolniczych i nie przechodzić przez turbiny.

Ocenia się, że potencjał techniczny wynosi 30-40% potencjału brutto, przy czym wartości te nie są stabilne. Potencjał brutto może się zmienić wraz ze zmianą warunków hydrogeologicznych związanych z sytuacją klimatyczną, potencjał techniczny zaś uzależniony jest od postępu technicznego i zapotrzebowania na wodę innych odbiorców.

Obecnie energetyka wodna dostarcza ok. 2% światowego zużycia energii i ok. 20% światowej produkcji energii elektrycznej. Przewiduje się, że w 2000r. stopień wykorzystania potencjału hydroenergetycznego w świecie wyniesie 35% tj. 3500 TWh; będzie to stanowiło 6,5% łącznego zużycia energii i 15% światowego zużycia energii elektrycznej.

2.2.2 ZALETY I WADY

Główna korzyść wynikająca ze stosowania elektrowni wodnych polega na zaoszczędzeniu określonej ilości paliwa kopalnego, wraz ze wszystkimi pozytywnymi skutkami tego faktu, a więc uniknięciem kosztownego i niebezpiecznego wydobycia kopalin oraz ich transportu, a także zużycia energii na te cele. Ten sposób wytwarzania energii elektrycznej jest czysty ekologicznie i technicznie łatwiejszy. W konsekwencji mniejsze są koszty obsługi, większa niezawodność pracy elektrowni i w rezultacie niższe koszty eksploatacji. Wiąże się to z mniejszą awaryjnością elektrowni wodnych, ponieważ proces technologiczny jest tu prostszy niż np. w elektrowniach cieplnych.

Proces wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach wodnych jest traktowany jako odnawialny, tzn. oparty na potencjale energetycznym, który samoczynnie ulega odtworzeniu. W przyszłości zapewne ilość opadów będzie można korzystnie regulować, gdyż już obecnie uzyskano pomyślne rezultaty w sztucznym wywoływaniu deszczu z chmur za pomocą środków chemicznych. Jest to istotne z tego względu, że w sposób naturalny ok. 90% wilgoci przemieszcza się tylko nad suchymi terenami w postaci chmur i wraca do oceanu, nie zasilając rzek.

Odnawialność zasobów wodnych jest jednak względna jeśli chodzi o elektrownie zbiornikowe. Określone skutki środowiskowe występują już w czasie wznoszenia budowli hydrotechnicznych, a mianowicie hałas i zanieczyszczenia w trakcie budowy. Spiętrzenie wody w zbiorniku może zatopić osiedla i tereny rolnicze, powodując konieczność przesiedleń ludności, może również podtopić tereny osiedlowe, czyniąc je niezdatnymi do użytku. Powstanie zbiornika wodnego przerywa ponadto dotychczasową sieć drogową, powodując konieczność jej modyfikacji. Budowa zapór prowadzi do zmiany stosunków wodnych i intensywności zasilania wodą obszarów przyzbiornikowych, a to z kolei wpływa na warunki przyrodnicze, a więc życia fauny i flory. Może ona mieć ujemny wpływ na żyzność gleb w obszarze nadrzecznym i na lokalne warunki klimatyczne, powodując powstawanie mgieł, zapór lodowych na stopniach wodnych itp. Przegrodzenie koryta rzeki często prowadzi do zamulenia zbiornika i erozji brzegów, pogorszenia warunków samooczyszczania się płynących wód i zmniejszenia zwartości w nich tlenu, utrudnienia swobodnego ruchu ryb oraz uszkodzenia ekosystemu przybrzeżnego w wyniku budowy urządzeń hydrotechnicznych prowadzącej do zatopienia wysp, likwidacji wielokorytowości i starorzeczy. Mogą wreszcie wystąpić skutki wtórne w postaci niebezpieczeństwa pękania stopni wodnych i katastrof wodnych, a w niektórych rejonach także zagrożenia sejsmicznego w rezultacie zmian naprężeń skorupy ziemskiej.

Zmiany klimatyczne przejawiają się w mikroklimacie: ogólnym spadkiem temperatur, ochłodzeniem w okresie wiosenno-letnim i ociepleniem w okresie jesienno-zimowym, zwiększonymi opadami i zachmurzeniem oraz prędkością wiatru (mniejsze tarcie między powietrzem przepływającym nad powierzchnią wody niż nad lądem) itp. Skala oddziaływania elektrowni wodnej na środowisko w konkretnym przypadku zależy oczywiscie od wielkości obiektu. Skłania to więc do inwestowania w małe elektrownie wodne (MEW).

2.2.3 MAŁE ELEKTROWNIE WODNE

W ostatnich latach ze względu na wysokie koszty inwestycyjne, długi okres budowy i niekorzystny wpływ na środowisko atrakcyjność wielkich systemów obniżyła się. Wzrost atrakcyjności MEW powoduje także stale rosnacy koszt paliw kopalnych. Zalety MEW to:

• nie zanieczyszczają środowiska i mogą być instalowane w licznych miejscach na małych ciekach wodnych;
• mogą być zaprojektowane i wybudowane w ciągu 1-2 lat, wyposażenie jest dostępne powszechnie, a technologia dobrze opanowana;
• mogą być wykonywane przy użyciu miejscowych materiałów i siły roboczej, a ich prostota techniczna powoduje wysoką niezawodność i długą żywotność;
• wymagają nielicznego personelu i mogą być sterowanie zdalnie;
• rozproszenia w terenie skraca odległości przesyłu energii i zmniejsza związane z tym koszty;
• korzystny wpływ małej retencji na środowisko naturalne oraz możliwość znacznego obniżenia kosztu produkcji energii elektrycznej w małych elektrowniach wodnych po podjęciu seryjnej produkcji stypizowanych turbin, generatorów oraz innych elementów wyposażenia elektrowni.

2.2.4 KLASYFIKACJA MEW

Jeśli chodzi o klasyfikację małej energetyki wodnej, nie jest ona tak oczywista i jednoznaczna. W większości przypadków kryterium zaliczenia zakładu do małej energetyki jest moc zainstalowana. Najczęściej za górną granicę przyjmuje się 5 MW mocy zainstalowanej.

W małej hydroenergetyce jest stosowany także następujący podział:

• mikroenergetyka wodna, do której zalicza się obiekty o mocy zainstalowanej do 50-70 kW;
• minienergetyka wodna obejmująca obiekty o mocy 50-100 kW lub w niektórych krajach do 1 MW;
• mała energetyka wodna, z mocą zainstalowaną od 0,5-1 MW (np. Chiny), do 5-15 MW (kraje uprzemysłowione).

Różnica doboru kryteriów wynika z warunków miejscowych, różnego stopnia rozwoju poszczególnych krajów, wielkości kapitału obrotowego i in.

Elektrownie te dzieli się ponadto w zależności od wysokości spadu na trzy kategorie:

• niskospadowe 2-20 m;
• sredniospadowe 20-150 m;
• wysokospadowe powyżej 150 m.

MEW mogą wykorzystywać potencjał niewielkich rzek, rolniczych zbiorników retencyjnych, systemów nawadniających, wodociągowych, kanalizacyjnych, kanałów przerzutowych. Konstrukcja urządzeń hydrotechnicznych w MEW jest zawsze nieskomplikowana. Również budynki małych elektrowni mają niewielkie gabaryty. Całość wyglądem niczym nie różni się od zwykłych budynków gospodarczych.

W budownictwie MEW nie należy ograniczać wyposażenia elektrycznego, które stanowi tylko 3-10% całkowitych kosztów inwestycyjnych, a przeciwnie - tak je rozbudowywać, aby obiekt mógł być całkowicie zautomatyzowany.

2.2.5 ZASADA DZIAŁANIA MEW

Na początku woda w ujęciu zostaje pozbawiona wszystkich zbędnych rzeczy z nią płynących, jak np. patyki, liście, papiery. W specjalnym zbiorniku umieszczonym pod ziemią woda musi się ustać. Tam cały piach i mniejsze śmieci, które nie zostały usunięte przy ujęciu opadają na dno. Zbiornik automatycznie oczyszcza się co pewien czas z nagromadzonego materiału rzecznego. Drugie zadanie tego zbiornika to magazynowanie wody. Pozwala on na pracę elektrowni bez dostarczania wody przez strumień przez czas od jednej do kilku godzin w zależności od mocy zainstalowanej i wielkości zbiornika.

Dalej woda spływa kanałem. Jest on również zakopany pod ziemią i zazwyczaj ciągnie się wzdłuż rzeki lub strumienia, choć nie zawsze. Po kilkunastu lub kilkudziesięciu metrach woda dostaje się do budynku elektrowni. Turbiny wraz z generatorami zwykle są pod powierzchnią ziemi. Woda uderzając w łopatki turbiny napędza ją, ta z kolei napędza generator wytwarzający energię elektryczną. Po tym procesie woda jest doprowadzona do ujścia i trafia do strumienia, z którego została pobrana.

Często zdarza się, że MEW mają na swoim wyposażeniu dwa generatory różnej mocy. Udogodnienie to stosuje się w celu lepszego wykorzystania energii zawartej w wodzie. Gdy spływająca woda ma małą masę załączany jest hydrozespół o mniejszej mocy, gdyż ten drugi miałby o wiele mniejszą sprawność.

W obecnej sytuacji energetycznej powrócił znów problem budowy malych elektrowni wodnych. Kilkadziesiąt lat wstecz na terenie naszego kraju było czynnych 8 500 siłowni wodnych, w tym 200 elektrowni wodnych. W latach pięćdziesiątych i dalszych z różnych przyczyn nastąpiła stopniowa likwidacja tych urządzeń.

2.2.6 MANKAMENTY MEW

Trudności techniczne związane z realizacją małej energetyki wodnej są spowodowane zazwyczaj:

• złym stanem technicznym obiektów hydrotechnicznych, zwłaszcza zamuleniem, zarośnięciem zbiorników i kanałów dopływowych lub odpływowych, uszkodzeniem zapór, urządzeń piętrzących i upustowych, dewastacją budynków lub ich całkowitą ruiną, podmyciem budynku, a także znacznym zużyciem lub brakiem wyposażenia mechanicznego i elektrycznego;
• brakiem możliwości nabycia na krajowym rynku odpowiedniego wyposażenia, zwłaszcza takich podstawowych elementów turbozespołu, jak: turbin (praktycznie jedynie dostępnym typem turbin jest turbina Banki, inne możliwości to remont starych turbin, już nie eksploatowanych), układów regulacyjnych i niektórych typów prądnic;
• brakiem wyspecjalizowanych przedsiębiorstw przystosowanych do wykonywania robót hydrotechnicznych i mechaniczno-montażowych w małych elektrowniach wodnych.

Przeanalizowano również 860 obiektów piętrzących, których budowa planowana jest do 2000 r. Spośród nich 400 wskazano jako nadające się do uruchomienia MEW. Jest możliwe, że w 2000 r. moc obecnie istniejacych i uruchomionych do tego czasu MEW osiągnęłaby 290 MW, a ich roczna produkcja energii wynosiłaby 1180 Gwh. Stanowiłoby to 0,5% prognozowanej produkcji energii i pozwoliłoby oszczędzić w skali roku 650-800 tys. ton węgla.

Dla rolnictwa, będącego odbiorcą pochodzącej z MEW energii, ważne są następujące sprawy:

• pewność zasilania z niezależnych źródeł energii;
• wyeliminowanie strat wynikających z przerw w dostawach energii z sieci zawodowej;
• odtwarzalność źródła energii i związane z tym systematyczne oszczedzanie surowców energetycznych;
• rozproszenie w terenie, co pozwala na niewielkie odległości przesyłu, a tym samym małe straty energii;
• prosta obsługa wynikająca z automatyzacji obiektów.

Zważywszy, że aktualnie rolnictwo zużywa ok. 6% energii elektrycznej w kraju, pochodząca z MEW wcale nie byłaby dla niego mało istotna.

2.3.1 ZASOBY

Energia promieniowania słonecznego stanowi największe źródło energii, którym dysponuje człowiek. Wszystkie rodzaje źródeł energii są pochodnymi energii słonecznej pobieranej teraz lub pobranej przed milionami lat. Energia słoneczna o mocy ok. 81^.10⁹ MW ogrzewa kulę ziemską, z tego 27^.10⁹ MW przypada na lądy.

Światowe zapotrzebowanie na moc wszystkich postaci energii jest rzędu 0,01^.10⁹ MW. Na podstawie tych danych widzimy wchodzące w grę zalezności.

Gęstość energii słonecznej na granicy atmosfery wynosi 1,39 kW/m³. Okrąg średnicy równej średnicy Ziemi uzyskuje zatem łącznie ok. 178 000 TW. Jednakże nie cała ilość tej energii dociera do powierzchni Ziemi, jest ona częściowo bowiem odbijana, rozpraszana, pochłaniana w atmosferze.

W najbardziej korzystnych warunkach maksymalna gęstość energii słonecznej na poziomie morza wynosi 1 kW/m³ gdy średnia gęstość energii słonecznej to 250 W/m³. Jest ona przy tym zróżnicowana w zależności od szerokości geograficznej.

Rozkład promieniowania słonecznego na ziemi

Największa średnia gęstość mocy 270 W/m³ rocznie występuje w Arabii Saudyjskiej na pustyniach: Sahara i Kalahari.

Średnia roczna intensywność promieniowania słonecznego w polskich warunkach klimatycznych to 105-125 W/m³, co odpowiada rocznemu strumieniowi energii rzędu 3,3-4,0 GJ/(m²a). Na całej powierzchni kraju ilość energii słonecznej w ciągu roku to 1030-1250 EJ, w przypadku gdy całkowita ilość energii pierwotnej wydobyta na terenie kraju w postaci paliw konwencjonalnych w 1983 r. wynosiła nieznacznie ponad 5 EJ.

Względy techniczne oraz ograniczenia w zakresie przestrzennego zagospodarowania kraju nie pozwalają jak na razie wykorzystać w pełni tej energii.

Nasłonecznienie w różnych szerokościach geograficznych przy bezchmurnym niebie.

Występują ponadto w każdym rejonie systematyczne okresowe zmiany nasłonecznienia: dobowe, sezonowe oraz wywołane zjawiskami klimatycznymi, działalnością przemysłową prowadzącą do zanieczyszczenia powietrza i innymi przyczynami (np. wybuchami wulkanów).

Energię słoneczną można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej i do produkcji ciepłej wody.

Nasłonecznienie w kilku wybranych miejscach świata. Miasto Nasłonecznienie-natężenie promieniowania (kWh/m2) Sahara 2250 Marsylia 1860 Paryż 1500 Lugano 1500 Freiburg 1270 Zurich 1160 Berlin 1000 Braunschweig 936 Hamburg 930 Londyn 927

2.3.2 HISTORIA

Podstawowe zasady pracy elektrowni słonecznych znane są od bardzo dawna. Propozycje wykorzystania ciepła, które przychodzi do nas za darmo są bardzo stare. Już pod koniec XVIII w. chemicy (np. Lavoisier) zastanawiali się nad "piecami słonecznymi" do "czystego" topienia różnych substancji mineralnych i metali. Kilka konstrukcji silników słonecznych na gorące powietrze lub parę wodną stosowanych było w latach 1880-1920. Jedną z największych instalacji tego typu było wybudowane w Midii w Egipcie urządzenie o mocy 45 kW z silnikiem słonecznym do pompowania wody. Stosowane silniki mogą być różnego typu. Mogą to być silniki Stirlinga albo, co jest stosowane znacznie częściej, turbiny parowe.

Zdając sobie sprawę ze szczególnej łatwości wykorzystania ciepła słonecznego na obszarach pustynnych lub do nich podobnych, na początku naszego stulecia widziano raczej przyszłość w użyciu powstałej pary wodnej do napędu pomp nawadniajacych.

Swego czasu spore nadzieje wiązano z systemem bezciśnieniowego ogrzewania wody o kilkadziesiąt stopni przez wystawienie jej na bezposrednie działanie promieni słonecznych, w płaskich naczyniach metalowych tzw. kolektorach.

2.3.3 PARAMETRY TECHNICZNE I EKSPLOATACYJNE KOLEKTORÓW POWIETRZNYCH.

Podstawowe parametry techniczne i eksploatacyjne kolektorów powietrznych do podgrzania powietrza to:

• sprawność chwilowa h [%]
• temperatura absorbera T_abs [°K]
• temperatura czynnika grzewczego T [°K]
• przyrost temperatury czynnika roboczego DT [°K]
• współczynnik transmisji - absorbcji ta
• współczynnik strat ciepła z absorbera K_L [W/m²°K]
• jednostkowe natężenie przepływu czynnika grzewczego przez kolektor (w odniesieniu do powierzchni jednostkowej kolektora) m [kg/m²s lub 1/m²s]
• prędkość przepływu czynnika grzewczego przez kolektor v [m/s]
• jednostkowe opory przepływu czynnika grzewczego przez kolektor D_P [Pa/m²]
• powierzchnia kolektora F_k [m²]
• trwałość kolektora, lata.

Sprawność kolektora słonecznego:

wyjście (energia użyteczna) Sprawność = ------------------------------------------------- wejście (energia promieniowania słonecznego)

Stosuje się pojęcie sprawności chwilowej średniej dziennej oraz średniej sprawności w całym cyklu roboczym (np. w sezonie, roku).

Sprawność chwilową kolektora słonecznego oblicza się, porównując w danej chwili moc użyteczną P_U z mocą promieniowania słonecznego z zależności

PU m.c.DT h = ----------- = ----------- [%] I.FK I.FK

gdzie:

• I - natężenie promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię kolektora [W/m²]
• c - ciepło właściwe czynnika roboczego [kJ/kgK]
• P_U - moc użyteczna [W]

Powietrze jako czynnik roboczy w kolektorach słonecznych powietrznych odznacza się wieloma zaletami. Jest powszechnie dostępne, nic nie kosztuje, jest nietoksyczne, nie zamarza, jego agresywność korozyjna jest stosunkowo niska, nie zmienia stanu skupienia.

Mankamentami kolektorów powietrznych są: małe współczynniki wnikania i przejmowania ciepła (kilkakrotnie niższe niż dla wody) małe ciepło własciwe.

Istnieją dwie metody wykorzystania energii słonecznej: metoda heliotermiczna oraz metoda helioelektryczna.

2.3.4 METODA HELIOTERMICZNA

Metoda ta polega na przemianie promieniowania słonecznego w ciepło doprowadzane następnie do turbiny napędzającej generator.

2.3.4.1 SYSTEMY SCENTRALIZOWANE

Elementami stosowanymi w tej metodzie są heliostaty czyli zwierciadła ogrzewane energią Słońca i kierujące odbite jego promienie na umieszczony centralnie na wysokiej wieży absorber składający się z rurek ogniskujących na sobie odbite od heliostatów promieniowanie słoneczne. Wykorzystano tu pomysł prof. G. Francia.

Wewnątrz rurek absorbera krąży czynnik roboczy (sód, lit, azotan potasu), którego pary napędzają turbinę. Czynnikiem roboczym może być także mieszanina chemiczna, np. 40% azotynu sodu, 7% azotanu sodu oraz 53% azotanu potasu. Musi się ona charakteryzować dobrymi warunkami wymiany i magazynowania ciepła oraz wysoką sprawnością termiczną.

Usytuowanie heliostatów i wieży centralnej może być różne. Wieża może znajdować się w środku owalnego lub okrągłego pola albo na skraju pola heliostatów. Decyduje to o zmianie stopnia koncentracji w miarę pozornego ruchu Słońca.

Sposoby wzajemnego usytuowania heliostatów i wieży centralnej w elektrowni słonecznej

Heliostaty są wyposażone w urządzenia sterujące i konieczne jest wykonanie ich zgodnie z ostrymi wymaganiami jakościowymi. Są naprowadzane w kierunku Słońca za pośrednictwem centralnego mikroprocesora i silników sterujących każdym heliostatem w dwóch płaszczyznach.

Muszą one wytrzymać duże naprężenia powodowane działaniem wiatru, powinny dać się ustawiać w dowolnym położeniu poza obszarem pracy:

• pionowo - osłona przed gradem;
• poziomo - osłona przed silnym wiatrem;
• do góry dnem - ochrona ich powierzchni przed burza piaskową.

Niezbędna jest ich orientacja względem Słońca dokładnością do ± 0,1° i automatyczne śledzenie jego pozornego ruchu na niebie.

W sytuacjach awaryjnych nieodzowne jest ich natychmiastowe odłączenie, np. gdy nastąpi ucieczka cieczy roboczej i ponadto powinny być stosunkowo tanie.

Przykładowe rozwiązanie heliostatu śledzącego dwuosiowego

Także wieżowemu odbiornikowi ciepła stawia się wysokie wymagania. Powinien on: pochłaniać możliwie dużą ilość ciepła, wytrzymywać znaczne wahania temperatury, które mogą następować w bardzo krótkim czasie, zapewniać dobrą wymianę ciepła z cieczą roboczą, jego masa nie może być duża gdyż musi on być umieszczony na wysokiej wieży. Jednoczesnie jego koszt winien być niewysoki, tzn. poniżej 15% ogólnych nakładów na elektrownię. Czasami stosuje się też dwustopniowe podgrzewanie czynnika roboczego.

Pierwszy stopień podgrzewu zapewniają koncentratory paraboliczne kierujące promieniowanie słoneczne na umieszczone w ognisku rury z czynnikiem roboczym, drugi stopień, w którym następuje odparowanie czynnika roboczego jest realizowany dzięki koncentrowaniu energii słonecznej za pośrednictwem heliostatów na absorberze wieżowym. W układach tych najczęściej czynnikiem roboczy jest woda.

Znany jest projekt, w którym skoncentrowane na wieży promienie słoneczne mają ogrzewać zbiornik z powietrzem, które będzie napędzać turbinę gazową, a następnie za pomocą wymiennika ciepła ogrzewać wodę aż do jej zamiany w parę, co pozwoli na napędzanie drugiego turbogeneratora.

Poszczególne rozwiązania różnią się więc zarówno co do samej idei, jak i w zakresie opracowania poszczególnych podzespołów instalacji. Wśród projektów spotkać można takie, w których ruchome zwierciadła (heliostaty) kierują promieniowanie słoneczne na nieruchomy odbiornik ciepła, jak również takie, w których zwierciadła skupiające promieniowanie słoneczne są nieruchome, a odbiornik ciepła przemieszcza się zgodnie z pozornym ruchem słońca.

Przewiduje się budowę instalacji mieszanych słoneczno-paliwowych składających się ze słonecznej wytwornicy pary na wieży i kotła opalanego gazem, przy czym powierzchnia ogrzewalna słonecznej wytwornicy pary jest włączona w układ kotła. Instalacja taka może pracować niezaleznie od nasłonecznienia, a oszczędność paliwa uzyskiwana dzięki pracy słonecznej wytwornicy pary szacuje się na 35%.

Sprawność hybrydowej elektrociepłowni heliotermiczno-gazowej, której budowę się przewiduje wyniesie 50%.

2.3.4.2 SYSTEMY ZDECENTRALIZOWANE

Systemy te wykorzystują pole kolektorów, między którymi przepływa czynnik roboczy. W systemach zdecentralizowanych mogą być stosowane kolektory płaskie lub paraboliczne (w których ogniskowych są umieszczone rurowe absorbery z przepływającym czynnikiem roboczym) z jedno- lub dwuosiowym systemem śledzącym Słońce. Uzyskiwana moc za pomocą takiego rozwiązania dochodzi do 1 MW)

Typowy kolektor koncentrujący paraboliczny

Chociaż kolektory płaskie są najprostsze i mają tą przewagę, że wykorzystują także rozproszone promieniowanie słoneczne, to jednak ze względu na ich niską sprawność i w rezultacie pokrywanie nimi dużych powierzchni, są one ostatecznie mniej efektywne ekonomicznie od koncentrujących. Kolektory koncentrujące rynnowe z jedną osią są znacznie częściej wykorzystywane. Dzięki współczynnikowi koncentracji od 2 do 10 w zależności od ukształtowania powierzchni odbijających i ich pokrycia pozwalają one uzyskać znacznie wyższe temperatury.

Jest to szczególnie korzystne jeśli budowane są systemy skojarzone, które wytwarzają nie tylko energię elektryczną ale również cieplną dla potrzeb grzewczych. Największym współczynnikiem koncentracji sięgającym 50, odznaczają się dwuosiowe kolektory śledzące w postaci naczyń parabolicznych, ale są one najbardziej skomplikowane konstrukcyjnie, a zatem najbardziej kosztowne.

Elektrownie słoneczne wykorzystujące energię słoneczną w sposób zcentralizowany, nazywane bywają farmami słonecznymi. Uzyskiwanie energii elektrycznej może odbywać się albo za pomocą turbogeneratorów umieszczonych przy każdym kolektorze koncentrującym, co ma zmniejszyć straty, albo w większej skali, we wspólnym generatorze.

Pierwsze rozwiązanie zmniejsza nakłady inwestycyjne dzięki możliwości seryjnego wytwarzania jednakowych modułów do indywidualnej przemiany energii cieplnej, ale sprawność tych podukładów jest mniejsza ze względu na niższe temperatury czynnika roboczego.

Typowy kolektor koncentrujący talerzowy

Częściej stosuje się więc przesyłanie czynnika roboczego między kolektorami koncentrującymi, co pozwala na stopniowe podwyższanie jego temperatury, ale jednocześnie powoduje to straty ciepła podczas przesyłu, a cała instalacja jest skomplikowana technicznie ze względu na dużą liczbę przewodów rurowych do obiegu czynnika roboczego.W celu zmniejszenia tych strat zaproponowano m.in. rozwiązania polegające na umieszczeniu przewodu z czynnikiem roboczym, który stanowi ciekły metal (np. sód), w większym cylindrycznym przewodzie próżniowym.

Do przewodu tego, mającego zwierciadlaną wewnętrzną powierzchnię odbijającą promieniowanie słoneczne (skoncentrowane za pomocą podłużnej soczewki Fresnela), dociera przez specjalną szczelinę i jest skutecznie pochłaniane dzięki selektywnemu pokryciu przewodu wewnętrznego.

Energia słoneczna jest wykorzystywana także za pomocą tzw. stawów cieplnych. Staw cieplny ma czarne dno absorbujące promienie słoneczne i dwie warstwy wody: dolną silnie zasoloną i górną ze zwykłej wody lub wody morskiej. Dolna warstwa pochłania promieniowanie słoneczne, a duża jej gestość utrudnia przewodzenie ciepła ku górze, wskutek czego nagrzewa się ona coraz bardziej. Ciepło jej zostaje oddane w wymienniku ciepła czynnikowi odparowującemu w stosunkowo niskiej temperaturze i jednoczesnie napedzającemu turbinę.

Duża pojemność cieplna wody daje w efekcie dużą zdolność kumulacyjną stawu, co pozwala pracować instalacji przy zmniejszeniu promieniowania słonecznego i usuwa podstawową wadę elektrowni słonecznych.

Staw cieplny o powierzchni 25 ha daje moc 5 MW - Izrael.

2.3.4.3 MAGAZYNOWANIE ENERGII

Woda pod ciśnieniem jest stosowanym od dawna sposobem magazynowania energii, który ma wiele zalet:

• woda jest nośnikiem energii nieszkodliwym dla środowiska i dlatego chętnie aprobowanym zarówno przez użytkowników jak i całe społeczeństwo;
• miejsca lokalizacji zbiorników nie są ograniczone;
• woda ma wysoką pojemność cieplną, niski koszt, nie wymaga dużej powierzchni na magazynowanie i może służyć zarówno jako nośnik energii umożliwiający jej magazynowanie, jak i będący w obiegu w instalacji bez dodatkowych wymienników ciepła;
• odzysk zmagazynowanej energii może sięgnąć 75-90%;
• system może dostosowywać się do nagłych zmian obciążenia.

2.3.4.4 PERSPEKTYWY ROZWOJU

Bezpośrednie wykorzystanie promieniowania słonecznego w przyszłym stuleciu może osiągnąć 20% globalnego zużycia energii. Będzie to możliwe dzięki:

• płaskim kolektorom, zbierającym energię promieniowania bezpośredniego i rozproszonego, wykorzystywaną następnie do ogrzewania pomieszczeń oraz dostawy ciepłej wody użytkowej;
• przestrzenne, lustrzane koncentrujące energię w ograniczonym obszarze (ognisku) wykorzystywanym następnie w procesie wytwarzania energii elektrycznej wodoru (z wody) czy metanolu (z węgla).

Do produkcji takiej ilości energii jaką obecnie zużywa cały świat elektrownia słoneczna o sprawności 10% zajęłaby 1/3 powierzchni Sahary, potrzeby Polski zaspokoiłaby elektrownia słoneczna o takiej samej sprawności zajmująca kwadrat o boku 70 km - to jest 1,6% powierzchni kraju (przy uwzględnieniu mniejszego nasłonecznienia).

Przy projektowaniu elektrowni słonecznej należy uwzględnić łatwy dostęp wody jako czynnika odbierającego i magazynującego ciepło w zakresie temperatury otoczenia do 363°K.

Powyżej równoleżnika najlepsze wyniki uzyskuje się w elektrowniach położonych wysoko w górach. W USA przewiduje się, że do 2020 r. w ten sposób będzie się uzyskiwać 35% energii na potrzeby ogrzewania i klimatyzacji. Również w krajach o znacznie mniejszym nasłonecznieniu elektrownie słoneczne budzą zainteresowanie jako sposób na wspomaganie rozwiązań konwencjonalnych, chociaż opłacalność tych instalacji jest niższa i silnie uzależniona od poziomu cen paliw tradycyjnych. Dobrym przykładem kraju, który poważnie traktuje to źródło energii jest Szwecja.

W szerokości geograficznej Europy środkowej promieniowanie na płaszczyznę kolektora pochyloną pod kątem 45° w kierunku południowym wynosi rocznie 1200 kW/m².

Najlepsze kolektory płaskie znajdujące się obecnie na rynku mają średnią sprawność 35-50%. W ten sposób ilość ciepła brutto na wyjściu kolektora wynosi 400-600 kW/m², a użytkowa ilość ciepła netto przy uwzględnieniu strat wynosi 200-300 kWh/m² rocznie, co należy brać pod uwagę przy ustalaniu zapotrzebowania na powierzchnię kolektorów.

Kolektory słoneczne umieszczone na dachu domu umożliwiają ogrzanie wody do temperatury 40°C, co wystarcza przy ogrzewaniu podłogowym. Istnieją układy wykorzystujące współpracę dachowych kolektorów słonecznych z pompą cieplną i z grzejnikiem elektrycznym na tanią nocną energię elektryczną. Kolektory słoneczne podgrzewające wodę do temperatury 65°C są wykorzystywane zarówno w rolnictwie jak i do ogrzewania basenów kąpielowych oraz do wytwarzania ciepłej wody użytkowej tam gdzie nie ma systemów ciepłowniczych. Moc elektrowni słonecznych nie jest liczącą się mocą w chwili obecnej w bilansie energetycznym świata, ale należy wziąć pod uwagę fakt, że wszystkie te elektrownie są eksperymentalne, testuje się przydatność urządzeń, bada sprawność systemów, a przede wszystkim poszukuje możliwości obniżenia kosztów.

Główne problemy projektowe obecnie dotyczą rozwoju produkcji tanich heliostatów oraz rozwiązania problemów materiałowych odnoszących się do wysokotemperaturowych odbiorników energii.

2.3.5 METODA HELIOELEKTRYCZNA

Metoda ta polega na bezpośredniej przemianie energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną za pomocą ogniw fotoelektrycznych. Ogniwa takie przemieniają w energię elektryczną nie tylko bezpośrednie promieniowanie Słońca, lecz także promieniowanie rozproszone (np. przy zachmurzonym niebie). Działanie ogniwa słonecznego jest oparte na zjawisku fotowoltaicznym, polegającym na powstaniu siły elektromotorycznej w wyniku napromieniowania półprzewodnika.

Ogniwa fotoelektryczne są wykonane z krystalicznego krzemu, arsenku galu, siarczku kadmu. W ich budowie przodują USA, Japonia, Francja.

W celu wykorzystania tego zjawiska buduje się kolektory w postaci baterii słonecznych stanowiących zestaw ogniw fotowoltaicznych połączonych szeregowo aby uzyskać odpowiednie napięcie i równolegle, aby uzyskać niezbędną moc. Oprócz kolektorów, instalacje fotowoltaiczne zawierają konstrukcję wspierającą wraz z układem sterującym ruchem kolektorów, system regulacji i kontroli, urządzenie przekształcające prąd stały uzyskiwany z kolektorów w prąd zmienny, system magazynowania energii lub rezerwowe źródło energii.

Główną zaletą instalacji fotowoltaicznych jest ich elastyczność za względu na dostarczaną moc, gdyż mają one modułowy charakter. Powierzchnia kolektorów może zmieniać się w granicach od mniej niż 1 m² do wielu kilometrów kwadratowych.

Systemy fotowoltaiczne mogą być dokładnie dostosowane do zapotrzebowania na moc, dlatego można uniknąć znacznej części nakładów zwiazanych z przesyłaniem energii i odpowiadających mu strat. Instalacje takie mogą pracować zależnie od potrzeb na użytek: domu jednorodzinnego, budynku publicznego, zakładu przemysłowego lub centralnego zakładu energetycznego.

Podstawowe cechy instalacji fotowoltaicznych:

• zadne paliwo nie jest potrzebne, a zatem wszelkie problemy związane z transportem i magazynowaniem paliwa są wyeliminowane;
• nie wymagają one intensywnego chłodzenia, zatem mogą być lokalizowane z dala od rzek na słonecznych suchych obszarach;
• ogniwa przekształcają także rozproszoną część promieniowania słonecznego padającego na Ziemię, dlatego stanowią atrakcyjną metodę produkcji energii elektrycznej w krajach o przeważającej pochmurnej pogodzie (np. Wielka Brytania);
• w przeciwieństwie do innych źródeł ich wydajność nie zmniejsza się wraz z upływem czasu. Ich żywotność wynosi 20-30 lat. Na skutek braku części ruchomych nie ulegają zużyciu, nie wymagają części zamiennych ani konserwacji;
• problemy magazynowania energii związane z instalacjami fotowoltaicznymi są podobne jak te związane z siłowniami wiatrowymi.

Ważne jest również, że elektrownie słoneczne nie zanieczyszczają atmosfery, zwłaszcza wobec narastających obaw dotyczących energii nuklearnej oraz problemów, które stwarzają kwaśne deszcze i zanieczyszczenia atmosfery dwutlenkiem węgla spowodowane spaleniem paliw kopalnych w elektrowniach.

2.3.5.1 ROZWIĄZANIA TECHNICZNE

Podstawowymi materiałami używanymi do budowy ogniw słonecznych są: krzem, siarczek kadmu (CdS) lub arsenek galu (GaAs), a prowadzi się także badania nad wykorzystaniem innych materiałów np. fosforku indu. Najczęściej stosowanym materiałem jest jednak krzem w postaci monokrystalicznej, polikrystalicznej lub w stanie bezpostaciowym. Jest on jednym z najpowszechniej występujących pierwiastków w skorupie ziemskiej, najlepiej zbadanym materiałem półprzewodnikowym, o dobrze opanowanej technologii produkcji.

Technologia produkcji ogniw monokrystalicznych obejmuje: hodowanie bloków monokryształu krzemu, cięcie ich na płytki, domieszkowanie w celu wytworzenia złącza p-n, przymocowywanie elektrod oraz nakładanie warstwy antyrefleksyjnej i specjalnej powłoki ochronnej. Rolę warstwy refleksyjnej mogą pełnić warstwy SiO, Te₂O₅, ZnS, In₂O₅ nanoszone np. metodą naparowywania próżniowego. Warstwa antyrefleksyjna zapobiega stratom na odbicie, wynoszącą nawet do 6%.

Koszt ogniwa słonecznego na monokrystalicznym krzemie jest w 30% zdeterminowany kosztem płytki krzemowej. Do hodowania monokryształów używa się polikrystalicznego krzemu o czystości 99,999%. Zmniejszenie stopnia czystości krzemu obniża zarówno sprawność ogniwa, jak i jego cenę.

Prowadzone są także badania nad zastosowaniem w ogniwach fotoelektrycznych krzemu polikrystalicznego oraz taśm krzemowych, których wytworzenie jest znacznie tańsze, a także krzemu bezpostaciowego (amorficznego).

Ogniwa CdS budowane są również jako wielowarstwowe CdS-Cu₂S.

Ostatnio duży nacisk kładzie się na produkcję ogniw, w których podstawowym materiałem jest arsenek galu. Technologia produkcji arsenku galu jest dobrze opanowana dzięki stosowaniu tego materiału w takich urzadzeniach jak lasery, światłowody, diody luminescencyjne itp. Koszt ogniw z arsenku galu jest wprawdzie bardzo wysoki, ale mają one największą sprawność ze wszystkich ogniw obecnie produkowanych.

Arsenek galu dobrze absorbuje promienie słoneczne, a jego właściwości nie pogarszają się wraz ze wzrostem temperatury. Celem badań nad tym materiałem jest wobec tego otrzymanie ogniw współpracujących z koncentratorami promieni świetlnych.

Przez zastosowanie silnej koncentracji optycznej możliwe jest zmniejszenie aktywnej części instalacji fotoelektrycznej 100-krotnie, a nawet 1000-krotnie, ale wymaga to właśnie zmniejszenia wrażliwości ogniw na wzrost temperatury. Stosując chłodzenie urządzeń, uzyskano już obecnie wzrost sprawności do 25%. Znacznie wobec tego zmniejszy się zapotrzebowanie na materiały, które mogłyby stać się barierą ograniczającą rozwój tej technologii w skali masowej.

Stosowanie koncentratorów ma za zadanie zmniejszyć niezbędną powierzchnię jaką zajmują ogniwa w celu uzyskania takiej samej mocy, a w rezultacie zmniejszenie kosztu kolektorów i konstrukcji wsporczej.

Koncentratorami nazywamy optyczne systemy ogniskowania i wzmacniania światła słonecznego kierowanego na ogniwa fotoelektryczne. Najczesciej są to koncentratory zwierciadlane, zwłaszcza rynny paraboliczne lub soczewki Fresnela. Głównym problemem przy stosowaniu koncentratorów jest to, że wysokie natężenie promieniowania słonecznego mogłoby nagrzać ogniwo zbyt silnie, zmniejszając jego sprawność (która w przypadku krzemu obniża się wraz ze wzrostem temperatury) oraz nawet doprowadzić do jego zniszczenia. W celu zwiększenia wydajności stosuje się stosy koncentratorów wyłapujące różne części widmowe i kierujące ją na ogniwa z różnych półprzewodników dopasowanych do spektralnego rozkładu promieniowania słonecznego lub stosuje się tandem ogniw umieszczonych w szeregu optycznym.

W przyszłości możliwe będzie zwiększenie wydajności przemiany ogniw półprzewodnikowych do 30-35% przez zastosowanie ogniw wielowarstwowych z półprzewodników o różnych cechach przemiany energii.

2.3.5.2 PERSPEKTYWY ROZWOJU

Obecnie energia elektryczna z ogniw fotowoltaicznych jest bardziej kosztowna niż z innych źródeł. Jednakże, jeśli najbliższa sieć elektryczna jest dalej niż 10 km od odbiorcy, a zapotrzebowanie na energię jest małe (np. pojedynczy dom), to nawet dziś może być bardziej opłacalne zainstalowanie ogniw fotoelektrycznych. Dotyczy to zwłaszcza miejsc oddalonych od infrastruktury energetycznej, w których dostarczanie energii elektrycznej zapewniały do tej pory generatory dieslowskie.

Instalacje na budynkach zmniejszają koszty wskutek skrócenia linii przesyłu energii i związane z tym jej straty. Oszczędności wynikają również z uniknięcia budowy specjalnych struktur wsporczych.

Szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem jest połączenie kolektorów termicznych z fotowoltaicznymi w jeden system, ponieważ większość budynków potrzebuje zarówno ciepła, jak i energii elektrycznej. W takim przypadku powierzchnia pochłaniająca kolektorów cieplnych jest uformowana częściowo z ogniw słonecznych, które przetwarzają część promieniowania w energię elektryczną, pozostałe zaś ok. 50% promieniowania przekształcone jest w ciepło użytkowe. Instalacje takie pozwalają łącznie spożytkować do 60% promieniowania słonecznego i są bardziej efektywne, gdyż wykorzystywana jest wspólna powierzchnia dla kolektorów cieplnych i fotowoltaicznych.

Poszukuje się nowych materiałów do produkcji ogniw fotoelektrycznych w celu zwiększenia ich sprawności. Najbardziej obiecującym materiałem, pozwalającym osiągnąć sprawność rzędu 30% jest arsenek glinowo-galowy (GaAlAs) i fosforek galowo-arsenowy (GaAsP), przy czym zamiast pojedynczych ogniw stosuje się zespół dwuogniwowy ułożony warstwowo (ogniwa danej warstwy wykonane są z krzemu). Technologią rokującą równie wielkie nadzieje są supercienkie ogniwa wykonane z krzemu amorficznego, siarczku kadmu lub selenku miedziowo-indowego (CuInSe₂).

Szacuje się, że do połowy XXI w. słoneczne systemy energetyczne mogłyby wytwarzać 20-30% potrzebnej światu energii elektrycznej.

Gdyby udało się pokryć 1% powierzchni lądów bateriami słonecznymi, wówczas przy współczynniku sprawności 10% uzyskano by 100 TW mocy elektrycznej z energii słonecznej, co pozwoliłoby zaopatrzyć w energię 10 mld ludzi na poziomie obecnego zużycia energii w Stanach Zjednoczonych.

W związku z tym, że energia słoneczna może być pozyskiwana tylko w ciągu dnia, konieczna jest przekształcenie jej w pośredni nośnik energii, który nadaje się do magazynowania i przesyłu (np. wodór).

2.3.5.3 ELEKTROWNIE SATELITARNE

Innym rozwiązaniem umożliwiającym szersze spożytkowanie energii słonecznej jest rozwijanie elektrowni satelitarnych. Elektrownie słoneczne umieszczone na satelitach geostacjonarnych wykorzystują fakt, że promieniowanie słoneczne na orbicie takiego satelity pozwala na uzyskanie co najmniej 10 razy więcej energii niż na Ziemi. Energia ta w postaci fal ultrakrótkich byłaby przesyłana na Ziemię, gdzie z dużą wydajnością bylaby zamieniana na energię elektryczną. W ten sposób można uniknąć: osłabiającego promieniowanie płaszcza atmosfery, wpływu zjawisk pogodowych, oraz występowania dnia i nocy przerywających produkcję energii.

Stan nieważkości na orbicie okołoziemskiej stwarza możliwość montowania w kosmosie konstrukcji gigantycznych rozmiarów, przy użyciu mniejszych niż na Ziemi ilości materiałów.

Wysyłanie wiązki fal ultrakrótkich wielkiej mocy w kierunku anteny odbiorczej umieszczonej na Ziemi odbywać się będzie za pomocą anteny nadawczej, która mieć będzie średnicę 1 km, antena odbiorcza zaś na Ziemi będzie elipsą (10-13 km). Uzyskiwana moc jednostkowa anteny naziemnej rzędu 23 MW/cm² jest czterokrotnie mniejsza od mocy promieniowania słonecznego. Chodzi o to, aby nie stwarzać zagrożenia dla organizmów znajdujących się w wiązce mikrofal.

Przed rozpoczęciem budowy elektrowni satelitarnych należy zbadać przechodzenie wiązki mikrofal przez jonosferę, ewentualne zakłócenia fal radiowych i wiele innych. Stosowane będą specjalne systemy zabezpieczeń sprawiające, że wiązka mikrofal z satelity ulegnie rozproszeniu w przypadku odchylenia od kierunku wyznaczonego przez wzorcowy strumień promieniowania wysyłany ze stacji odbiorczej na Ziemi. Kontrowersje budzi także fakt, że do wyniesienia na orbitę materiałów potrzebnych do budowy elektrowni słonecznej niezbędna jest duża ilość startów promów kosmicznych powodujących skażenie atmosfery.

Wszystko to są technologie przyszłego stulecia. Uruchomienie pierwszej takiej instalacji planuje się na ok. 2030 r.

Schemat elektrowni satelitarnej

Niektórzy naukowcy uważają słoneczne elektrownie kosmiczne za jedyną możliwość w przyszłości, ponieważ pozwoli na uzupełnienie deficytu energii w ciągu najblizszych 20 lat.

Tak więc coraz bardziej urzeczywistnia się, uparcie powracająca idea wykorzystania wielkich ilości energii, tak hojnie i rozrzutnie oferowanych nam przez Słońce od miliarda lat.

WYSTĘPUJĄCE JEDNOSTKI I WIELKOŚCI

Do wyrażenia produkcji energii elektrycznej produkowanej przez elektrownie niekonwencjonalne stosuje się często równoważnik energii pierwotnej, tzn. odpowiednik tej ilości paliw, która musiałaby być zużyta, aby wytworzyć analogiczną ilość energii elektrycznej w elektrowni cieplnej, przy uwzględnieniu sprawności przetwarzania, wówczas 1 MWh = 9,3 GJ.

Oznaczenia wielokrotności są następujace: kilo (k) = 10³, mega (M) = 10⁶, giga (G) = 10⁹, tera (T) = 10¹². Często stosowaną, zwłaszcza w publikacjach zachodnich, wielokrotnością kilowatogodziny jest kilowatorok, w którym mnożnikiem jest oczywiście liczba godzin w roku oraz jego wielokrotność tetawatorok (TWa). 1 kWa = 8760 kWh, 1 TWa = 8760 TWh = 32,54 10¹⁸ J.

J. Bogdanienko, Odnawialne źródła energii, PWN W-wa 1989.

J. Kucowski, D. Laudyn, M. Przekwas, Energetyka a ochrona środowiska, W-wa 1994.

Cz. Mejro, J. Troszkiewicz, B. Wierzbicka, Energetyka dziś i jutro, W-wa 1986.

G. Wiśniewski, Kolektory słoneczne, poradnik wykorzystania energii słonecznej.

A. Machalski, Elektrownie słoneczne wczoraj i dziś, "Młody Technik" 4/87.

K. Mikulski, Monitoring oświetlenia słonecznego, "Zielone Brygady" 8/96 Kraków.

ciąg dalszy