Słońce źródłem energii odnawialnej

Energia słoneczna jako źródło energii odnawialnej
Słońce jest niewyczerpalnym, największym i najbardziej wydajnym dostępnym ludzkości źródłem energii.
Dostarcza ono tyle energii, że gdybyśmy umieli ją wykorzystać nie musielibyśmy stosować innych źródeł
energii. Zarówno biomasa, energia wodna oraz energia wiatru zaliczają się też do źródeł energii pośrednio
zasilanych przez słońce. Według szacunków każdego dnia słońce dostarcza energię 15 000 razy
przewyższającą nasze zapotrzebowanie. W czasie krótszym niż 30 minut słońce dostarcza na naszą planetę
więcej energii niż wynosi jej zużycie w ciągu całego roku. Zasobne i przyjazne środowisku słońce jako źródło
energii dostępne będzie przynajmniej przez najbliższych 5 miliardów lat. To tyle jeżeli chodzi o cyfry, więc
nasuwa się pytanie - dlaczego nie czerpiemy w pełni z tak doskonałego źródła energii ? Odpowiedź jest
prosta, na dzień dzisiejszy nie znamy technologii pozwalającej tą energię w pełni wykorzystać, przechwycić i
zmagazynować. Prawie cała energia, która dociera do Ziemi pochodzi właśnie od Słońca ponieważ do
żadnej innej gwiazdy nie mamy tak blisko jak do Słońca. Dzieli nas od niego jedynie 149,6 mln km.
Promieniowanie słoneczne jest promieniowaniem elektromagnetycznym, obejmuje ono promieniowanie
podczerwone, światło widzialne oraz promieniowanie ultrafioletowe UV. Skład promieniowania słonecznego
zmienia się w zależności od pory dnia i roku oraz przejrzystości powietrza i wysokości nad poziomem morza.
W zależności od rodzaju powierzchni, Ziemia mniej lub bardziej pochłania dostarczoną mu przez Słońce
energię. Oceany wchłaniają aż 95% promieniowania słonecznego zamieniając je na ciepło, które umożliwia
przeżycie organizmom wodnym, w czasie ochłodzeń dobowych i rocznych. Podobne ilości ciepła (ok. 70%)
kumuluje piasek pustynny, co również ratuje życie wielu organizmom poddawanym na pustyni dużej różnicy
temperatur między dniem, a nocą. Natomiast tam gdzie Słońce przesyła najmniej energii, gdzie panują
śniegi i lody, powierzchnia odbija do 85% dostarczonego promieniowania. Dlatego też w czasie zimy,
zwierzęta zapadają w sen zimowy, co pozwala im obniżyć swój metabolizm do minimum, aby utrzymanie
temperatury ciała nie pochłaniało za dużo zgromadzonej na zimę energii. Energia słoneczna jest nie tylko
nieustannie dostarczana na powierzchnię Ziemi, ale także krąży w przyrodzie, ulegając przemianom
biologiczno - chemicznym i "dokarmiając" całą biosferę. Każdy z nas po chwili zastanowienia potrafiłby
wymienić co najmniej kilka cech, na które wpływa u niego Słońce. Nie trzeba być też naukowcem, aby
zauważyć, że ilość dni słonecznych w roku znacznie wpływa na różnice społeczno - kulturowe oraz
psychologiczne między nacjami. Słońce wpływa korzystnie na samopoczucie, pobudza wydzielanie wielu
hormonów, umożliwia syntezę witaminy D. Podstawową "korzyścią" wynikającą z narażania się na
promieniowanie słoneczne jest opalenizna, dzięki której możemy czuć się atrakcyjniejsi. Światło korzystnie
wpływa również na nasza psychikę, poprawia nastrój, ma działanie przeciwdepresyjne, szczególnie w
okresie jesienno-zimowym.
Wizja rozwoju energetyki słonecznej w Polsce do 2020 roku.
Energetyka słoneczna cieplna jest jednym z najszybciej rozwijających się sektorów energetyki odnawialnej w
Polsce i w Unii Europejskiej. Średnie roczne tempo wzrostu w latach 2001-2008 wyniosło ponad 43%. Rok
2008 był rekordowym pod względem sprzedaży instalacji słonecznych – 130 tyś m2, „zielonego” ciepła
zużytego na podgrzewanie wody użytkowej oraz na cele grzewcze. Polska stała się siódmym rynkiem
energetyki słonecznej w UE. Ponadto, krajowi producenci kolektorów słonecznych ponad 50 %
produkowanych urządzeń eksportują poza granice Polski. Badania przeprowadzone m.in. przez Komisję
Europejską potwierdzają, że energetyka słoneczna należy do najbardziej efektywnych technologii produkcji
ciepła z punktu widzenia ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Na dzień dzisiejszy, krajowe fundusze
wspierające rozwój sektora energetyki odnawialnej nie dostrzegają w pełni istotnej roli energii
promieniowania słonecznego. W latach 2005-2008 ogólna kwota dofinansowania projektów energetyki
słonecznej cieplnej ze środków publicznych wynosiła zaledwie 24 mln zł/rok.
Wg wykonanych analiz, łączny potencjał energetyki słonecznej możliwy do praktycznego wykorzystania do
2020 r. wyniesie ponad 22 mln m2 kolektorów słonecznych, w szczególności w systemach do podgrzewania
ciepłej wody użytkowej CWU, ogrzewaniu pomieszczeń CO oraz w przemyśle.
Niewątpliwą korzyścią dla społeczeństwa w przypadku dalszego rozwoju energetyki słonecznej cieplnej w
Polsce jest zapewnienie miejsc pracy dla ponad 40 tyś. osób. Energetykę słoneczną należy traktować
bardziej sprawiedliwie i poważniej niż dotychczas.
Sumaryczna pomoc publiczna dla sektora energetyki słonecznej w okresie do 2014 r. powinna wynosić ok.
800 mln zł. Takie wsparcie umożliwi utorowanie drogi pod dalszy rozwój w latach 2014-2020, już przy niższej
intensywności pomocy publicznej i przejściu w większym stopniu z silnych dotacyjnych instrumentów
wsparcia na instrumenty podatkowe. W obliczu globalnych problemów związanych ze zmianą klimatu oraz
ograniczonych zasobów kopalnych źródeł energii energia słoneczna musi w przyszłości kontynuować
uzupełnianie zasobów energii. Na dłuższą metę nie ma alternatywy dla energii słonecznej. 17 czerwca br.
Zarząd NFOŚiGW podpisał z sześcioma bankami umowy, uruchamiające program dopłat do kredytów
bankowych na zakup i montaż kolektorów słonecznych do ogrzewania ciepłej wody użytkowej.
Kredyty z 45% dotacją Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Warszawie
adresowane są do osób fizycznych posiadających prawo do dysponowania nieruchomością, na której
zamierzają zamontować zakupione kolektory słoneczne oraz wspólnot mieszkaniowych które nie są
podłączone do miejskiej sieci ciepłowniczej. Wysokość tego kredytu będzie mogła sięgać nawet 100%
kosztów kwalifikowanych przedsięwzięcia. Dopłaty będą udzielane do kredytów zarówno na zakup i montaż
kolektorów słonecznych jak i aparatury niezbędnej do ich prawidłowego funkcjonowania. Kredyty oferowane
są przez wybrane sieci banków, które oferują prostą i tanią pomoc finansową. Umowy podpisano z :
Bankiem Ochrony Środowiska S.A.
Bankiem Polskiej Spółdzielczości S.A.
Gospodarczym Bankiem Wielkopolski S.A.
Krakowskim Bankiem Spółdzielczym
Mazowieckim Bankiem Regionalnym S.A.
Warszawskim Bankiem Spółdzielczym.
Część banków uruchomiła ten kredyt już w lipcu, natomiast wszystkie zadeklarowały w swojej ofercie kredyty
na kolektory słoneczne w sierpniu br. Oznacza to, że kredyty z dopłatami będą dostępne w 4,5 tys. placówek
bankowych na terenie całego kraju. Środki z kredytu bankowego z dotacją NFOŚiGW wypłacane będą
bezgotówkowo, bezpośrednio na konto wykonawcy lub dostawcy kolektorów słonecznych, na podstawie
faktur wystawionych na zakup i montaż tych urządzeń. Dotacja na spłatę części kapitału kredytu bankowego
wypłacana będzie po zakończeniu realizacji przedsięwzięcia.
Na dopłaty Fundusz zarezerwował 300 mln zł do wypłacenia w latach 2010-2012. Pozwoli to na osiągnięcie
efektu ekologicznego w postaci zainstalowania kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni ponad 250 tys.
m kw., co przyczyni się do redukcji emisji dwutlenku węgla o 36 tys. ton.
Kolektory słoneczne służące do pozyskiwania energii cieplnej stanowią bardzo ważną rolę w pozyskiwaniu
energii słońca. W naszych warunkach klimatycznych kolektory słoneczne są już powszechnie stosowane do
podgrzewania wody użytkowej i duża część domów nowo budowanych wyposaża się w kolektory słoneczne
jako alternatywne źródło energii. W krajach o większym nasłonecznieniu stosowane są , suszarki, kuchenki i
piekarniki słoneczne. Większość instalacji słonecznych na dużą skalę produkuje parę, która napędza turbiny
lub generatory produkujące prąd elektryczny. Gdyby na Sacharze wybudowano potężną elektrownie
słoneczną ok. 700 x 700 km to zaspokoiła by ona nasze zapotrzebowanie energetyczne. Kolektory
słoneczne są to urządzenia służące do zamiany energii promieniowania słonecznego w energię cieplną
zgromadzoną w Zasobniku Ciepłej Wody Użytkowej (tzw. bojlerze). Jest on zarazem buforem ciepła
zgromadzonego w dzień kiedy świeci słońce abyśmy mogli korzystać z tego ciepła w nocy czy dzień
pochmurny. Powszechne zastosowanie tych urządzeń w domach nastąpiło wskutek spadku ich cen, co stało
się możliwe dzięki postępowi technologicznemu i umasowieniu produkcji.
Korzyści ze stosowania systemu solarnego jest wiele:
a) oszczędność energii niezbędnej do ogrzania wody użytkowej i pomieszczeń, nawet do 60% w ciągu roku
b) uniezależnienie się od podwyżek cen nośników energii
c) wykorzystanie energii w pełni ekologicznej, bez emisji dwutlenku węgla (CO2)
d) wzrost wartości nieruchomości
e) żywotność i trwałość systemu, ponad 15 lat
f) łatwość montażu w istniejącej zabudowie i nowych obiektach
g) prosta obsługa, możliwość automatycznej regulacji temperatur
h) możliwość montażu instalacji kolektora na ścianach i dachach budynków lub w ich otoczeniu np.
ogrodach.
i) WYGODA i oszczędność czasu (nie trzeba dokładać do pieca)
j) jest to system pracujący całkowicie bez obsługowo.
Zasada działania:
Najważniejszym elementem kolektora słonecznego jest absorber czyli powłoka absorbująca energię
słoneczną. Ciepło przechwycone przez kolektor jest odprowadzane, za pomocą czynnika grzewczego
(roztworu glikolu), do magazynu ciepła, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła czyli zasobnika ciepłej
wody użytkowej. Automatyka (regulator solarny) liczy różnicę temperatur między kolektorem a magazynem
ciepłej wody i jeżeli uzyska ona zadaną maksymalną wartość, załączana jest pompa obiegowa instalacji
solarnej. W tym momencie wymuszony zostaje przepływ czynnika grzewczego w stronę wymiennika ciepła.
Wprawiony w ruch glikol, przepływa przez wężownicę solarną w wymienniku i przekazuje nagromadzone
ciepło do wody wypełniającej wspomniany wymiennik. Wraz ze spadkiem temperatury kolektora, a
jednocześnie wzrostem temperatury wody w wymienniku, maleje różnica temperatur pomiędzy tymi dwoma
urządzeniami. Jeżeli osiągnie ona minimalną zadaną wartość, regulator solarny wyłączy pompę i tym samym
kolektor zacznie się nagrzewać. Cały cykl zostaje powtarzany po nagrzaniu się ponownym kolektora. Dalsze
wykorzystanie ciepła zależy od potrzeb użytkownika: może to być wspomaganie wytwarzania, a w
miesiącach letnich wyłączne wytwarzanie ciepłej wody użytkowej, wspomaganie niskotemperaturowych
instalacji centralnego ogrzewania lub podgrzewanie wody basenowej.
W chwili obecnej na świecie stosowane są dwa podstawowe rodzaje kolektorów słonecznych tzw. kolektory
płaskie i kolektory próżniowe.
Zaletą kolektorów próżniowych jest zdolność pochłaniania promieniowania słonecznego rozproszonego oraz
ograniczone straty ciepła dzięki próżni w rurach kolektora co zwiększa sprawność kolektora w dni
pochmurne oraz w okresie od jesieni do wiosny. Wadą jest możliwość rozszczelnienia się rury, utratą próżni
a co za tym idzie spadkiem sprawności. Jednakże w razie rozszczelnienia czy rozbicia jednej z rur można ją
szybko wymienić nie przerywając przy tym pracy całego układu.
Zaletą kolektorów płaskich jest prosta konstrukcja i brak elementów które mogły by się uszkodzić w trakcie
użytkowania oraz bardzo wysoka sprawność w okresie letnim. Wadą kolektorów płaskich jest niższa
sprawność w okresie zimowym ale w naszym klimacie w okresie zimy i tak musimy korzystać z dodatkowych
źródeł energii.
Według stanu wiedzy i techniki na dzień dzisiejszy energia słoneczna użytkowana może być na dwa
sposoby: bezpośredni i pośredni. Do wykorzystania bezpośredniego potrzebne jest odpowiednie urządzenie,
przetwarzające energię słoneczną bezpośrednio w energię elektryczną np. ogniwa słoneczne. Stosowanie
fotoogniw staje się opłacalne w miejscach trudno dostępnych, o ile zapotrzebowanie na moc elektryczną jest
niewielkie, zaś odległość od najbliższej linii energetycznej jest większa niż kilka kilometrów lub też budowa
nowej linii jest utrudniona z powodu ukształtowania terenu. Fotoogniwa niezastąpione są w przestrzeni
kosmicznej, lotnictwie, żeglarstwie, karawaningu oraz do zasilania urządzeń elektrycznych małej mocy,
kalkulatorów, zegarków a ostatnio telefonów komórkowych.
Nazwa „fotowoltaika” pochodzi od dwóch słów: greckiego „photos”, oznaczającego światło i nazwiska
włoskiego fizyka Aleksandro Volta. Podstawowym elementem służącym do wytwarzania energii elektrycznej
z energii promieniowania słonecznego jest ogniwo fotowoltaiczne zwane też ogniwem słonecznym, solarem
czy fotoogniwem. Fotoogniwo uformowane jest w materiale półprzewodnikowym, w którym pod wpływem
absorpcji promieniowania słonecznego powstaje napięcie. Po dołączeniu obciążenia w obwodzie popłynie
prąd elektryczny.
Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W, co jest niewystarczające dla większości
zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle
tworząc moduł fotowoltaiczny. System fotowoltaiczny składa się z modułów, paneli lub kolektorów
fotowoltaicznych, oraz elementów dostosowujących wytwarzany w ogniwach prąd stały do potrzeb
zasilanych urządzeń. Gdy system jest przewidziany do dostarczania energii elektrycznej w nocy, konieczne
jest stosowanie odpowiedniego systemu magazynowania energii (akumulator) wyprodukowanej ciągu dnia.
Jeżeli system zasila urządzenie stałoprądowe potrzebny jest kontroler napięcia. Do zasilania z systemu
fotowoltaicznego urządzeń zmiennoprądowych konieczne jest użycie falownika. Potrzebna jest także
odpowiednia konstrukcja kierująca moduły lub panele w kierunku Słońca oraz zabezpieczająca przed
kradzieżą.
Czas życia modułów fotowoltaicznych szacuje się przynajmniej na 20 - 30 lat., natomiast czas zwrotu
kosztów waha się od 2 do 6 lat w zależności od regionu i klimatu. Najlepsze moduły konstruowane są do
zastosowań kosmicznych mają sprawności powyżej 20% i zawierają ogniwa słoneczne z arsenku galu o
sprawnościach dochodzących do 30%. W Polsce coraz częściej możemy zobaczyć systemy baterii
słonecznych na dachach budynków firm, budynków użyteczności publicznej i domów jednorodzinnych.
Ogniwa fotowoltaiczne są obecnie powszechnie stosowane wszędzie tam gdzie niemożliwe jest
doprowadzenie linii energetycznej, ze względów ekonomicznych (darmowa energia) lub ochrony środowiska
naturalnego. Znalazły zastosowanie np: w zegarkach, kalkulatorach, odbiornikach radiowych, latarniach,
szyldach reklamowych, do zasilania radiowo-telekomunikacyjnych stacji przekaźnikowych, w telefonii
komórkowej, znaków drogowych, satelitów, urządzeń ochrony pastwisk i lasów, w autonomicznych
systemach zasilających na przyczepach kempingowych czy do zasilania odosobnionych stacji
meteorologicznych. Ostatnim osiągnięciem w tej dziedzinie jest wytworzenie półprzezroczystego modułu,
który może być używany jako okno w budynkach. Obecnie w każdym hipermarkecie możemy kupić
niewielkie fotoogniwa do oświetlenia alejek ogrodowych które powszechnie możemy zaobserwować
spacerując wieczorem po alejkach osiedli domków jednorodzinnych. Zapewne już wkrótce i ta technologia
stanie się powszechna i ogólnie dostępna.
Dynamiczny rozwój fotowoltaiki jest jeszcze hamowany poprzez wysokie ceny paneli fotowoltaicznych i
stosunkowo małą sprawność w granicach 10% ale tempo rozwoju nowych technologii pozwoli w krótkim
czasie na uzupełnienie tej chwilowej dysfunkcji baterii słonecznych. Wystarczy przejechać granicę z naszym
czeskim sąsiadem i zobaczymy potężne farmy fotowoltaiczne. Czyżby tam inaczej słońce świeciło albo
tańsze były baterie słoneczne ? Otóż – nie. Tam porostu stworzono prawne i finansowe uwarunkowania
pozwalające wytwarzać energię elektryczną i odsprzedawać ją do sieci elektroeneretycznej. Okazuje się, że
zamiast hodować krowy, na łące można wybudować farmę fotowoltaiczną i traktować to jako źródło całkiem
niezłego dochodu. Okazuje się na przykładzie elektrowni atomowej jaka ma powstać w Polsce, wystarczyło
by postawić farmę baterii słonecznych o powierzchni ok. 95km2 co będzie równoważne w wytworzonej
energii. Niemcy (po Chinach drugi kraj na świecie) nie bez powodu zbudowali u siebie najnowocześniejsze
zakłady w europie produkujące baterie słoneczne, tworząc przy tym kilkanaście tysięcy nowych miejsc pracy,
bo za chwilę będą zaopatrywać inne kraje w wytworzone u siebie panele solarne. Instalacja fotowoltaiczna
zintegrowana z budynkiem jest to rzeczywisty kierunek rozwoju paneli słonecznych i perspektywą rozwoju
tej dziedziny. Dachówki solarne na budynkach, szyby przeźroczyste solarne, nawet elewacje budynków
pozwolą na zmniejszenie kosztów instalacji systemu, zoptymalizować wykorzystywaną przestrzeń. Systemy
fotowoltaiczne zintegrowane z budynkiem sprawiają, że instalacja nie zajmuje dodatkowej przestrzeni ponad
tą która, i tak jest wykorzystywana przez budynek. Wreszcie zastosowanie baterii słonecznych
zintegrowanych z budynkiem ograniczy niszczenie krajobrazu. System zintegrowany mniej rzuca się w oczy
niż nie zintegrowany. Obecny cel, jaki stawiają sobie naukowcy w tej dziedzinie to osiągniecie sprawności na
poziomie 30% w stosunku do tradycyjnych systemów fotowoltaicznych oraz osiągnięcie niskiej ceny nowego
systemu, tak aby cena energii fotowoltaicznej była porównywalna z ceną energii z paliw kopalnych. Zatem
bacznie przyglądajmy się poczynaniom naukowców i polityków bo pojawienie się takich instalacji u nas
będzie oznaczało, że dołączyliśmy do grona krajów proekologicznych.
Opracował:
mgr inż. Roman Głaz
Literatura:
- Raport pt.: „Wizja rozwoju energetyki słonecznej termicznej w Polsce wraz z planem działań do 2020r.”
przygotowany przez Instytut Energetyki Odnawialnej.
- J. Szargut, A. Ziębik „Podstawy energetyki cieplnej” PWN W-wa 1998
- Europejskie Centrum Energii Odnawialnej „Ekonomiczne i prawne aspekty odnawialnych źródeł w Polsce”
- A. Chochowski, D. Czekalski „Słoneczne instalacje grzewcze” W-wa 1999.
- H. Kaiser „Wykorzystanie energii słonecznej” AGH 1995.
- R. Ney Wykłady z przedmiotu „Energia przyszłości” na Wydziale Paliw i Energii
- L. Gaszyński „O nowych źródłach energii” W-wa 1993.
- Witold M. Lewandowski , „Proekologiczne odnawialne źródła energii”, 2006
- D. Chwieduk „Wykorzystanie energii słonecznej w Polsce”, 2002
- W. Gogól „Konwersja termiczna energii promieniowania słonecznego w warunkach krajowych”, 1993