Autonomiczne systemy w elektroenergetyce wykorzystujące

Stanisław Gumuła
Katarzyna Stanisz
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Katedra Systemów Energetycznych
Państwowej Wyższej Szkoły Zawodowej w Krośnie
Instytut Politechniczny
Autonomiczne systemy w elektroenergetyce wykorzystujące
odnawialne źródła i akumulację energii
Autonomic electroenergetic systems using renewable sources
and energy accumulation
Zależność na rysunkach 1 i 2 pokazują jak wraz ze wzrostem
dobowego zapotrzebowania na energię elektryczną zwiększa się
moc oraz powierzchnia systemu fotowoltaicznego, w przypadku
gdy jest on złożony z fotoogniw monokrystalicznych oraz polikrystalicznych, przy lokalnej rocznej energii promieniowania słonecznego wynoszącej 993 kWh. Pokazane zależności uwzględniają
straty związane z okresową akumulacją i odzyskiem energii.
Natomiast z rysunku 3 można odczytać produkcję energii
elektrycznej przez określoną powierzchnię fotoogniw monokrystalicznych oraz polikrystalicznych.
listopad 2012
Masa systemu, kW
Dobowe zapotrzebowanie na energię elektryczną, kWh
Rys. 1. Zależność wymaganej mocy systemu fotowoltaicznego od
średniego dziennego zapotrzebowania na energię elektryczną
budynku [badania własne z wykorzystaniem 2,3]
Masa systemu fotowoltaicznego, kg
Dobór urządzeń do produkcji
energii elektrycznej wykorzystujących
konwersję energii promieniowania słońca
polikrystaliczny
monokrystaliczny
Powierzchnia czynna systemu, m2
Rozwój technologii wytwarzania urządzeń do pozyskiwania
energii ze źródeł odnawialnych, wzrost ich wydajności, trwałości,
odporności na warunki klimatyczne, powoduje że tradycyjne
urządzenia do pozyskiwania energii mogą być w coraz większym
stopniu zastępowane przez fotoogniwa słoneczne i elektrownie
wiatrowe. Poza tym możliwość zmiany kształtu oraz koloru fotoogniw słonecznych sprawiła, że sukcesywnie wkraczają one na grunt
budownictwa. W tym celu rynek komercyjny oferuje z roku na rok
coraz szerszą paletę produktów tj. elastyczne laminaty, dachówki,
moduły półprzezroczyste, szkło i laminaty szklane, które stanowią
alternatywę dla standardowych sztywnych modułów. System taki
nie tylko służy jako generator energii, lecz także pełni funkcję podstawowych elementów budynku zapewniających ochronę przed
wpływem warunków atmosferycznych na wnętrze budynku [1].
Decydując się na zasilanie budynku energią elektryczną ze
źródeł odnawialnych, należy bardzo dokładnie określić zasoby
tych źródeł w miejscu, w którym będą one mogły być wykorzystywane, gdyż ukształtowanie terenu, wysokość wzniesienia danego
terenu nad poziom morza, wielkość opadów atmosferycznych,
zanieczyszczenie powietrza czyli działalność gospodarcza człowieka, wpływają znacząco na lokalne zróżnicowanie natężenia
promieniowania słońca oraz prędkości wiatru.
Warto również określić nie tylko jakie zapotrzebowanie na
energię mamy w budynku obecnie, ale również jakie przewidujemy
w perspektywie kilku najbliższych lat.
monokrystaliczne
polikrystaliczne
Dobowe zapotrzebowanie na energię elektryczną, kWh
Rys. 2. Zależność powierzchni czynnej i masy
systemu fotowoltaicznego od dobowego zapotrzebowania
na energię elektryczną [badania własne z wykorzystaniem 2,3]
www.energetyka.eu
strona 681
nego systemu energetycznego w domu jednorodzinnym zaspokoić
zapotrzebowanie na energię elektryczną w ciągu całego roku można
jedynie przy zastosowaniu akumulatorów energii elektrycznej o odpowiednio dużej pojemności zlokalizowane w budynku.
Z szerokiej gamy akumulatorów energii elektrycznej najlepiej
wybrać akumulator o największej pojemności, gdyż łączenie równoległe zmniejsza sprawność odzysku energii. Przez sprawność
odzysku energii elektrycznej rozumiemy stosunek energii możliwej
do odzyskania do energii wprowadzonej do akumulatora.
monokrystaliczny
polikrystaliczny
5 kWh
8 kWh
11 kWh
14 kWh
17 kWh
20 kWh
23 kWh
26 kWh
Rys. 3. Zależność pomiędzy czynną powierzchnią
systemu fotowoltaicznego a produkcją energii elektrycznej
przez ten system (wykorzystanie bezpośrednie, bez okresowej
akumulacji) [badania własne z wykorzystaniem 2,3]
Dobór urządzeń do produkcji
energii elektrycznej wykorzystujących
konwersję energii kinetycznej wiatru
Ilość rocznej produkcji energii elektrycznej uzależniona jest nie
tylko od średniorocznej prędkości wiatru oraz od mocy nominalnej
wybranej elektrowni wiatrowej, ale również od charakterystyki mocy
wybranej elektrowni wiatrowej tzn. od prędkości startowej, nominalnej,
wyłączeniowej. Dlatego nawet znając lokalne zasoby energii wiatru
czyli średnioroczną prędkość wiatru i moc wybranej turbiny wiatrowej
nie da się określić ilości wyprodukowanej energii elektrycznej.
Tabela 1 przedstawia ilość wyprodukowanej energii przez
elektrownie wiatrowe w tysiącach kWh w zależności od średniej
prędkości wiatru i mocy elektrowni wiatrowej, odliczoną dla różnych charakterystyk mocy turbin wiatrowych [4].
Rys. 4. Zależność ilości akumulatorów energii elektrycznej oraz
ich masy i objętości od możliwości produkcji energii elektrycznej
przez system fotowoltaiczny dla różnych wielkości
dziennego zapotrzebowania na energię.
Akumulatory o pojemności 230 Ah i napięciu 12V [badania własne]
24 kWh
21 kWh
18 kWh
15 kWh
11 kWh
9 kWh
6 kWh
Tabela 1
Produkcja energii elektrycznej wyrażona w tysiącach kWh
w ciągu roku w zależności od średniorocznej prędkości wiatru
i mocy elektrowni
Prędkość
wiatru, m/s
Moc elektrowni wiatrowej
1 kW
2 kW
3 kW
5 kW
10 kW
20 kW
4
1-1,5
2-3
2-4
4-7
5-9
6-10
4,5
1,5-2
3-4
3-5
5-9
7-13
9-14
5
2-2,5
4-5
4-6
7-12
10-16
13-17
5,5
2-3
5-6
5-7
8-13
14-20
15-20
6
2,5-4
6-7
6-8
10-14
18-26
18-22
6,5
3-5
7-8
7-9
12-16
23-29
21-26
7
4-6
8-9
8-10
14-17
26-32
28-34
Dobór urządzeń
do akumulacji energii elektrycznej
Ponieważ energia elektryczna z odnawialnych źródeł energii jest
produkowana nie zawsze wtedy, gdy występuje na nią zapotrzebowanie, dlatego w przypadku systemu autonomicznego potrzebny
jest magazyn energii, który zapewni wyrównanie deficytu w okresach
wzmożonego na nią zapotrzebowania [5]. W przypadku indywidual-
strona 682
Rys. 5. Zależność ilości akumulatorów energii elektrycznej oraz
ich masy i objętości od możliwości produkcji energii elektrycznej
przez elektrownię wiatrową dla różnych wielkości
dziennego zapotrzebowania na energię.
Akumulatory o pojemności 230 Ah i napięciu 12V [badania własne]
Rysunki 4 i 5 przedstawiają zależność ilości akumulatorów
energii elektrycznej o pojemności 230 Ah (12 V) od wielkości produkcji energii przez system fotowoltaiczny lub elektrownię wiatrową
dla różnego dziennego zapotrzebowania na energię elektryczną.
Może to być np. akumulator HZY SL o napięciu 12 V firmy HAZE.
Jest to akumulator przeznaczony do współpracy z odnawialnymi
źródłami energii, żelowy, szczelny, całkowicie bezobsługowy, a jego
żywotność w warunkach 20 to 10-12 lat [6] .
www.energetyka.eu
listopad 2012
Zmienność prędkości wiatru na przestrzeni roku charakteryzuje się cyklicznością sezonową. Największe prędkości wiatru na
terenie Polski obserwuje się w okresie jesienno- zimowym, zaś
najmniejsze w okresie wiosenno- letnim, stąd też energia wiatru
jest lepiej skorelowana z potrzebami energetycznymi budynku
niż energia promieniowania słońca. Z tego też powodu przy tym
samym zapotrzebowaniu na energię elektryczną pojemność magazynu energii w przypadku wyboru turbiny wiatrowej może być
mniejsza niż w przypadku wyboru fotoogniw słonecznych.
Podsumowanie
Przedstawione analizy wykazały, że istnieje możliwość budowy i eksploatacji autonomicznego systemu elektroenergetycznego
opartego na wykorzystaniu lokalnych zasobów energii promieniowania słonecznego lub energii kinetycznej wiatru.
W wyniku przeprowadzonych analiz określono parametry
podstawowych elementów tego typu systemów w zależności od
rocznego zapotrzebowania na energię elektryczną. Dla systemu
opartego na fotoogniwach określono zależność pomiędzy zapotrzebowaniem na energię, mocą systemu, powierzchnią czynną
fotoogniw, rodzajem fotoogniw, pojemnością energetyczną, wagą
i kubaturą akumulatorów (przy założeniu energii promieniowania słonecznego wynoszącej 993 kWh, co odpowiada średniej
mocy promieniowania na terenie Polski). Dla systemu opartego
na energii wiatrowej zależność pomiędzy zapotrzebowaniem na
energię a mocą nominalną elektrowni, lokalnymi zasobami wiatru,
pojemnością energetyczną, wagą i kubaturą akumulatorów.
Z analiz wynika że podstawowym problemem związanym
z budową i eksploatacją autonomicznych systemów elektroenergetycznych opartych na wykorzystaniu energii promieniowania słonecznego i energii kinetycznej wiatru jest konieczność
okresowej akumulacji i odzysku energii. Konieczność akumulacji
i odzysku obniża efektywność wykorzystania produkowanej
energii i podnosi wydatnie koszt budowy systemu.
Przy budowie tego typu systemów elektroenergetycznych
warto mieć na uwadze, że dostęp do odnawialnych surowców
energetycznych takich jak promieniowanie słońca i energia kinetyczna wiatru podlega dużym wahaniom sezonowym. Przebieg
podaży energii kinetycznej wiatru jest o wiele korzystniej skorelowany z przebiegiem sezonowego zapotrzebowania na energię
elektryczną niż podaż energii promieniowania słońca. Zatem
z punktu widzenia akumulacji korzystniejszy jest system elektroenergetyczny oparty na wykorzystaniu energii kinetycznej wiatru.
W tego typu systemie większa ilość produkowanej energii będzie
wykorzystywana bezpośrednio, co pociąga za sobą mniejszą
pojemność energetyczną potrzebnych akumulatorów.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
http://www.swiat-szkla.pl/content/view/
Gumuła S., Guła A., Chojnacki J., Knap T., Tomczyk P., BĘBenek
Z., Bojarski A., Pająk T., Pytel K., Porada S., Wolszczak J., Drobnik P., Gadowski T., Mróz M., Wyrwa A., Figurski A.: Odnawialne
i niekonwencjonalne źródła energii. Poradnik, Torbonus, Kraków
2008
Kaiser H.: Wykorzystanie energii słonecznej, Wydawnictwo AGH,
Kraków 1995
Gumuła S., Knap T., Strzelczyk P., Szczerba Z.: Energetyka
wiatrowa. Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Techniczne AGH,
Kraków 2006.
Czerwiński A.: Akumulatory, baterie, ogniwa, Wydawnictwa
Komunikacji i Łączności, Warszawa 2005
http://www.bateriehaze.pl/
Stanisław Gumuła
Agnieszka WOŹNIAK
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Krośnie
Wybrane technologie produkcji energii elektrycznej
z rozproszonych surowców odnawialnych
Selected technologies of electricity production
from distributed renewable sources of energy
Wśród najpoważniejszych problemów energetyki, który pojawił się w ostatnich latach wymienić należy konieczność ograniczenia emisji dwutlenku węgla. Istnieje kilka metod ograniczenia
emisji CO2. Wszystkie są kosztowne i skomplikowane. Biorąc
pod uwagę że znaczna część odbiorców energii elektrycznej jest
rozproszona terytorialnie oraz charakteryzuje się stosunkowo
listopad 2012
niskim zapotrzebowaniem na moc i energię, ich potrzeby energetyczne można zaspokoić autonomicznymi układami produkcji
energii pracującymi bez włączenia ich do systemu energetyki
zawodowej. Są to układy oparte na odnawialnych źródłach
energii nie emitujące dwutlenku węgla lub układy hybrydowe,
wykorzystujące równocześnie kopalne i odnawialne surowce
www.energetyka.eu
strona 683