Perspektywy efektywnego wykorzystania energii słonecznej w

Paweł FRANKOWSKI
Wydział Elektryczny, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny
w Sczecinie
E–mail: [email protected]
Perspektywy efektywnego wykorzystania
energii słonecznej w gospodarstwach domowych
Streszczenie: Promieniowanie słoneczne dostarcza nam zdecydowanie więcej energii niż którekolwiek z innych zielonych źródeł energii. Potencjał dostarczanej nam przez Słońce energii może w pełni zaspokoić zapotrzebowanie naszego gospodarstwa domowego na energię. W kontekście coraz droższych paliw kopalnianych i coraz częstszych awarii sieci energetycznych,
należy spojrzeć w nowy sposób na możliwość wykorzystania energii słonecznej przez odbiorców jednostkowych. Dobrze przemyślany i zróżnicowany system solarny znacząco ograniczy lub całkowicie wyeliminuje koszta
utrzymania domu. W artykule przedstawiono podstawowe formy przekształcenia energii słonecznej na energię użyteczną dla gospodarstw domowych.
1. Wstęp
Szybki rozwój gospodarczy i ekonomiczny wymaga wzmożonego wykorzystania surowców, w tym, przede wszystkim, surowców energetycznych. Problem ten skłania
naukowców i inżynierów do zwrócenia uwagi na możliwości wykorzystania tzw. odnawialnych źródeł energii, w tym przede wszystkim energii słonecznej.
Rozważając zagadnienie teoretycznie należy przyjąć, że prawie wszystkie źródła energii, tak konwencjonalne jak i niekonwencjonalne są związane z promieniowaniem słonecznym. Węgiel i ropa powstały z szczątków organicznych, a życie na Ziemi wymaga
słońca, uprawy energetyczne także bez niego by nie wzeszły. Słońce wpływa również
na wiatr czy pływy. Jednak to w wykorzystywaniu bieżącej energii słonecznej tkwi
największy potencjał. W niniejszym artykule przedstawione zostaną trzy podstawowe,
solarne technologie: panele fotowoltaiczne, kolektory słoneczne i pompy ciepła.
2. Energia słoneczna
Co roku do Ziemi dociera około 2 810 000 EJ (Eksa = 1018) energii słonecznej, co daje
nam średnio 174 PW (Peta = 1015). Niestety aż 40% tej energii zostaje odbite lub rozproszone. Do powierzchni lądów dociera około 820 000 EJ, reszta pada na wodę (morza, oceany itd.) [1-2].
26
Rys. 1. Energia słoneczna docierająca do Ziemi [1]
Jak łatwo przeliczyć, docierająca do lądów energia słoneczna teoretycznie daje nam
w każdej chwili do dyspozycji 26 PW mocy. Rozkład tej energii jest nierównomierny,
zależy od pory roku, dnia oraz długości i szerokości geograficznej. Największe natężenie energii słonecznej na Ziemi wynosi ok. 1 kW/m2, natomiast średnia waha się od
ok. 100 W/m2 na obszarze północnej Kanady do 300 W/m2 na terenach pustynnych
w okolicy równika [3]. Co w przeliczeniu daje nam rocznie odpowiednio 800 do 2500
kWh/m2. Dokładniejszy rozkład promieniowania przedstawia rys. 2.
Rys. 2. Nasłonecznienie Ziemi w W/m2 [4]
27
Polska nie jest krajem szczególnie mocno nasłonecznionym, na jej obszar pada rocznie
około 1170 EJ energii słonecznej [2]. Średnie nasłonecznienie wynosi w zależności od
regionu od 120 do 140 W/m2, co jest wynikiem nieszczególnym w skali Europy i jeszcze słabszym w skali świata. Jednak nie oznacza to, że dostępna dla nas ilość energii
słonecznej jest ilością małą, co ilustruje tabela 1.
Tab. 1. Zapotrzebowanie na energię, a energia słoneczna [2, 6]
Polska
Świat
Ez [EJ]
4,3
480
Es [EJ]
1170
820000
Es/Ez
272
1708
Gdzie:
Ez – Szacowane zapotrzebowanie na energię pierwotną.
Es – Energia słoneczna padająca na lądy w ciągu roku.
Rys. 3. Alternatywne źródła energii – potencjał [26]
Energia słoneczna jest również najbardziej obiecująca z tak zwanych alternatywnych
źródeł energii. Porównanie rocznego potencjału energetycznego różnych odnawialnych
źródeł energii przedstawia rysunek 3.
Zużycie energii w ciągu ostatnich 30-50 lat wzrastało w niesamowitym tempie, a ilość
surowców wykorzystanych w tym okresie czasu znacznie przekracza ilość wykorzystaną w ciągu całej nowożytnej historii ludzkości [2]. Obecnie eksploatowane surowce
energetyczne według różnych źródeł wystarczą na 30-100 lat [2, 8-10, 13]. Nie dziwią
zatem próby wykorzystania energii słonecznej, którą dostajemy niezależnie od naszych
starań i która może w całości zaspokoić zapotrzebowanie energetyczne calej ludzkości
przez kilka najbliższych miliardów lat. Perspektywa ta staje się coraz bardziej atrakcyjna również dla gospodarstw domowych. Nic dziwnego, koszta pozyskania energii słonecznej są coraz mniejsze, możemy eksploatować ją bez pozwoleń i bez żadnych negatywnych skutków np. ekologicznych w naszym najbliższym sąsiedztwie.
28
3. Technologie Solarne
W współczesnych gospodarstwach domowych wykorzystuje się trzy podstawowe technologie solarne. Są to:
•
•
•
ogniwa fotowoltaiczne (panele słoneczne),
pompy ciepła,
kolektory słoneczne.
3.1. Ogniwa fotowoltaiczne
Panele słoneczne są bardzo czystym, coraz bardziej efektywnym i coraz tańszym źródłem energii elektrycznej zdolnym wytwarzać prąd elektryczny dzięki zachodzącemu
w nich zjawisku fotowoltaicznemu.
Rys. 4. Ogniwo słoneczne – budowa. Źródło http://www.kotly.krakow.pl
W skutek oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego na niejednorodny
półprzewodnik na złączu P-N dwóch odpowiednio domieszkowanych półprzewodników
lub półprzewodnika i metalu indukuje się SEM. Dzieje się tak za sprawą pochłanianych
fotonów, które powodują zerwanie wiązań chemicznych i uwolnienie elektronów. Aby
było to możliwe należy dostarczyć odpowiednią ilość energii (dla krzemu jest to około
1,12 eV). Oderwany elektron (-) pozostawia za sobą dziurę (+). Powstała dziura może
się „przemieszczać” pochłaniając elektron z sąsiedniego wiązania, jednak za sprawą
odpowiedniego domieszkowania nie łapie z powrotem wybitego elektronu. Praktycznie
wszystkie domieszki, które są nieruchome w krysztale zostają zjonizowane. W skutek
tego procesu na granicy złącza (warstwa zaporowa) gromadzą się ładunki, które nie
mogą dyfundować. Rozdzielone ładunki powodują powstanie napięcia, a po podłączeniu obciążenia przepływ prądu [16, 17].
Sprawność panelu jest zdefiniowana przez [16]:
η=
I ⋅U
U 
= ( FF ) ⋅ J SC ⋅  OC 
E⋅S
 E 
29
(1)
FF =
Pmax
I SC ⋅U OC
(2)
gdzie:
E – natężenie promieniowania,
S – powierzchnia ogniwa,
Jsc – gęstość prądu zwarcia,
Isc – prąd zwarcia,
Uoc – napięcie otwartego obwodu,
FF – współczynnik wypełnienia – Fill Factor.
Rys. 5. Energia pochłaniana przez panel [19]
Uoc jest wyznaczany przez potencjał złącza oraz rekombinację dziur i elektronów. Dla
krzemu amorficznego wynosi on około 1,1 V [22]. Jest więc powiązane z wartością
przerwy, a co zatem idzie pochłanianej długości fali. Współczynnik FF ze względu na
efekty dyfuzji nigdy nie osiąga 1. Dla krzemu w temperaturze pokojowej jego wartość
wynosi około 0,89, a jeśli uwzględnić rekombinację jego wartość maleje do 0,86.
Jsc w ogniwie cienkowarstwowym jest zależne od właściwości optycznych i geometrii
drogi absorpcji światła. Dla ogniwa a-Si 3 µm maksymalna wartość może wynosić
około 22 mA/cm2 [23].
Wnioskując z tego można na podstawie wzoru (1) wyliczyć maksymalną sprawność
ogniw.
Na przykład dla amorficznego krzemu wynosi ona:
 U OC 
 1,1 
 = 0,86 ⋅ 22 ⋅ 
 ≈ 0,21.
 100 
 E 
η = ( FF ) ⋅ J SC ⋅ 
Tak teoretycznie wyliczone wartości pokrywają się zwykle z maksymalnymi sprawnościami ogniw co przedstawia tabela 2.
30
Tab. 2. Rekordowe parametry paneli PV [16, 24]
η [%]
Uoc [V]
Jsc [mA/cm2]
FF [%]
Si-c
24,7
0,706
42,2
82,8
Si-µc
19,8
0,65
38,1
79,5
GaAs-c
24,9
0,878
29,3
85,4
a-Si
21
1,1
22
86
a-Si (w module)
12
12,5
1,3
73,5
GaAs (thin film)
23,3
1,011
27,6
83,8
CIGS
19,8
0,669
35,7
77
CIGS (w module)
16,6
2,643
8,35
75,1
CdTe (ce ll)
16,4
0,848
25,9
74,5
CdTe (w module)
10,6
6,565
2,26
71,4
Nanocr. dye
6,5
0,769
13,4
63
Względnie niska sprawność paneli słonecznych wynika zatem ze strat związanych z:
•
•
•
•
•
•
rekombinacją bezpośredniej i pośredniej,
oporem omowego ogniwa,
cieniem,
nieoptymalną temperaturą (≠25°C),
odbijaniem promieniowania – bez wykorzystania warstwy antyrefleksyjnej straty te
wynoszą 36%, po zastosowaniu około 5%.
nieabsorbowaniem fotonów – około 55% strumienia promieniowania – rysunek 5 [16].
By móc wykorzystywać większą część spektrum promieniowania słonecznego, zwiększając tym samym sprawność, stosuje się ogniwa dwu i trzywarstwowe. Każda warstwa
ma inną wartość przerwy, a co za tym idzie umożliwia wykorzystanie innej długości fal.
Obecnie osiąga się sprawność ponad 41% co przedstawia rysunek 7.
Rys. 7. Przykładowy wskaźnik efektywności pompy ciepła. http://ogrzewanie.pl/pompyciepla.html
31
3.2. Pompy ciepła
Pompa ciepła to urządzenie, realizujące lewobieżny obieg termodynamiczny. Umożliwia przekazywanie ciepła z obszaru o temperaturze niższej do obszaru o temperaturze
wyższej. Opisany transport strumienia ciepła przebiega dzięki doprowadzeniu do pompy ciepła energii napędowej. Choć zaliczanie tej technologii do grupy technologii solarnych jest dyskusyjne, to jednak bezdyskusyjny jest fakt, że jest ona obok kolektorów
słonecznych głównym sposobem przetwarzania energii cieplnej emitowanej przez Słońce na energię wykorzystywaną przez człowieka.
O efektywności decyduje współczynnik wydajności cieplnej. Jest to stosunek mocy
grzewczej pompy do poboru mocy elektrycznej. Zazwyczaj osiąga on wartość od 3 do
4,5 i charakteryzuje się najwyższą sprawnością spośród dostępnych urządzeń grzewczych. Oznacza to, że z 1 kW energii włożonej uzyskujemy ok. 4 kW energii cieplnej.
Rys. 8. Pompa ciepła. http://ogrzewanie.pl/pompy-ciepla.html
W klasycznej pompie ciepła zachodzi proces pobierania ciepła z dolnego źródła ciepła
i przekazywania tego ciepła do górnego źródła ciepła. Obieg dolnego źródła ciepła pobiera energię cieplną niskotemperaturową i transportuje ją do pierwotnej strony wymiennika,
gdzie następuje parowanie czynnika roboczego. Napędzana elektrycznie sprężarka spręża
parę czynnika roboczego, w związku z czym wzrasta ciśnienie, co jest równoznaczne
z podniesieniem temperatury. Para o zwiększonej temperaturze oddaje w skraplaczu większość swojego ciepła do wody obiegu grzewczego. W wyniku ochłodzenia para ulega
skropleniu. Następnie czynnik roboczy będący już cieczą przepływa przez zawór rozprężny. Od tego momentu następuje gwałtowny spadek ciśnienia i ochłodzenia czynnika.
Zimny czynnik znów przepływa przez parownik i odbiera ciepło od czynnika roboczego
dolnego źródła ciepła i cykl obiegu termodynamicznego się powtarza [32].
Dolne źródło ciepła jest to naturalny akumulator energii cieplnej. Zasoby tej energii
praktycznie nie ulegają wyczerpaniu gdyż źródłem ich odnawiania jest oddziaływanie
promieniowania słonecznego. Źródła energii odnawialnej potrafią zakumulować energię
32
słoneczną i zapewniają jej zapas na całą zimę. Temperatura dolnego źródła ciepła nie
musi być wysoka, aby mieć duży potencjał energetyczny. Jednak im wyższa jest temperatura źródła, tym efektywniejsza jest praca pompy ciepła.Wyróżnić można źródła odnawialne (naturalne) i sztuczne:
1. Odnawialne źródła ciepła:
•
Powietrze atmosferyczne – pompy ciepła, w których źródłem ciepła jest powietrze
najefektywniej pracują dla temperatury od 3 do 15ºC. Charakteryzują się niskim
współczynnikiem przejmowania ciepła, co wpływa na pracę systemu grzewczego.
Kolejnym negatywnym zjawiskiem jest pojawienie się szronu, gdy temperatura jest
niższa od 0ºC. Wydajność pompy ciepła tego typu wynosi od 2,0 do 2,5.
• Woda – jest dobrym akumulatorem ciepła. Sprawność często przekracza 5. Temperatura wody będącej w obiegu dolnego źródła nie może być niższa niż 7ºC. Warunek ten musi być spełniony, aby woda nie przekroczyła punktu zamarzania.
W związku z zanieczyszczeniem wód powierzchniowych stosuje się układy filtrujące, a to zmniejsza efektywność energetyczną pompy ciepła oraz zwiększa koszta
technologiczne.
• Grunt – energia ciepła gruntu przekazywana jest do nośnika energii w gruntowych
wymiennikach ciepła, które w zależności od konstrukcji stanowi kolektor pionowy
zakopany w ziemi, bądź płaski kolektor. Kolektory poziome układa się na głębokości od 1,2 do 1,8 m. Temperatura na tych głębokościach zmienia się od 6ºC w lutym
do 15ºC w sierpniu. Ważnym czynnikiem jest rodzaj gleby. W zależności od tego
wydajność dolnego źródła ciepła wynosi od 12 do 40 W/m2. Kolektory pionowe
umieszcza się na głębokości od 20 do 100 m. Temperatura na tych głębokościach
jest stała i wynosi około 10ºC. Wybór kolektora zależy od powierzchni gruntu i od
funduszy przeznaczonych na inwestycje [35].
2. Sztuczne (w tym przypadku wykorzystujemy energię odpadową, tzn. temperaturę
ścieków, spalin itp.)
Górnym źródłem ciepła jest instalacja centralnego ogrzewania. Odbiera ona energie od
źródła niskotemperaturowego i rozprowadza je do określonych pomieszczeń. W systemach ogrzewania rozróżniamy trzy sposoby rozchodzenia się ciepła:
•
•
•
Ogrzewanie podłogowe – ułożone w formie wężownicy lub spirali na powierzchni
stropu. Zapewnia komfort cieplny przy temperaturze powietrza 18ºC. Dopuszczalna
temperatura podłogi może dochodzić do 29ºC, w łazience do 33ºC. Charakteryzuje
się niskimi kosztami instalacyjnymi.
Ogrzewanie grzejnikowe – rodzaj ogrzewania konwekcyjnego, w którym ciepło
przekazywane jest przez ruch powietrza. Do 15% ciepła oddane jest do otoczenia
przez promieniowanie, reszta poprzez ruch powietrza.
Ogrzewanie ścienne – płaszczyznowy system przekazywania ciepła. Projektowane
dla temperatury zasilania 35ºC i temperatury powrotu 30ºC. Dzięki dużej powierzchni
promieniującej ciepło nie odczuwa się skupiającego źródła emisji ciepła. Zapewnia
komfort cieplny przy temperaturze od 16 do 18ºC. Dużą zaletą tego typu ogrzewania
jest brak grzejników.
33
Pompy ciepła są także w stanie zapewnić ogrzanie wody użytkowej. Temperatura wynosi w tym przypadku minimalnie 55ºC [32].
3.3. Kolektory słoneczne
Kolektory słoneczne służą do przemiany energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. Najprostszym kolektorem słonecznym jest płaszczyzna wystawiona jedną
stroną na promieniowanie słoneczne i możliwie w maksymalnym stopniu je pochłaniająca oraz czynnik odbierający pochłonięte ciepło z drugiej strony. Zasadniczy element
kolektora słonecznego stanowi absorber, czyli płyta pochłaniająca, umieszczona na
warstwie izolacyjnej zapobiegającej stratom ciepła. Płyta poddana działaniu promieniowania słonecznego w odpowiednich proporcjach te promienie odbija, przepuszcza
i pochłania. Pochłonięta część energii zamienia się na ciepło, powodując wzrost temperatury, a następnie płyta przekazuje to ciepło. Wskutek jednocześnie występującego
zjawiska dopływu i odpływu energii ustala się stan równowagi – temperatura równowagi, w której szybkość emitowania promieniowania równoważona jest dopływem energii
promienistej słońca. Wysokość temperatury równowagi można określić na podstawie
prawa promieniowania sformułowanego przez Plancka [33]:
T4 =
gdzie:
α Ib
⋅
ε σ
(3)
Ib – natężenie bezpośredniego promieniowania słonecznego tzn. skierowanego
bezpośrednio od Słońca, W / m2, σ – stała Boltzmana równa (1 / 64,5)4, W/m2,
α, ε – odpowiednie współczynniki absorpcji i emisji promieniowania dla materiału płyty.
Ze względu na konstrukcję, zgodnie z normą PN EN ISO 9488 „Energia słoneczna.
Terminologia”, kolektory słoneczne można podzielić na:
•
•
•
•
Kolektory Cieczowe Płaskie – w kolektorze płaskim ciecz przepływa przez rurki
połączone trwale z płytą absorbera. Wyróżniamy kolektory:
z izolacją termiczną (z wełny mineralnej lub pianki poliuretanowej),
z izolacją próżniową.
Kolektory Powietrzne – mają niską sprawność wymiany ciepła i dlatego w instalacjach grzewczych spotyka się je rzadko. Zazwyczaj są stosowane w suszarniach. Zaletami kolektorów powietrznych są: lepsza wydajność (o 8%) od kolektorów cieczowych przy tym samym nakładzie finansowym oraz instalacja z kolektorami powietrznymi jest tańsza i prostsza pod względem konstrukcji [33].
Kolektory Rurowe Próżniowe – podstawowym elementem tego typu kolektora jest
rura szklana o podwójnej ściance, wykonywana przeważnie ze szkła borowo – krzemowego, której końce są ze sobą stopione na podobieństwo bańki termosu. Z przestrzeni pomiędzy ściankami rury zostało wypompowane powietrze tak, że powstała
tam próżnia rzędu 10-6 barów, która spełnia funkcję doskonałej izolacji cieplnej.
Inne.
34
4. Panele słoneczne w gospodarstwach domowych
Panele słoneczne wykorzystuje się nie tylko w elektrowniach, ale również na dachach
domów, jako dodatkowe przydomowe źródła zasilania, w małych urządzeniach elektronicznych np.: zegarkach i kalkulatorach, a nawet, a może raczej przede wszystkim,
w urządzeniach, do których z jakichś powodów nie da się doprowadzić zasilania z sieci,
lub które muszą działać nawet gdyby je od nich odciąć. Jest również całe mnóstwo
innych, jak na razie mniej popularnych zastosowań dla tej technologii jak np. solarne
samochody. Wszelkie znane raporty firm konsultingowych przewidują znaczący wzrost
wykorzystania energii Słońca do produkcji prądu elektrycznego w ciągu następnych 20
lat. Jednak z jakichś powodów technologia ta nie cieszy się u nas popularnością. Największa instalacja w Polsce ma 80 kW a dla porównania największa farma fotowoltaiczna na świecie – w Hiszpańskim Olmedilla de Alarcón – moc 60 MW. Naturalnie
można podważyć to porównanie ze względu na całkowicie odmienny profil klimatyczny
obu krajów, ale Republika Czeska (sumaryczna zainstalowana moc szczytowa instalacji
fotowoltaicznych w roku 2008 – 54 MW [14]) już się tak znacząco walorami lokalizacji
od Polski nie różni. Od września 2009 uruchomiono 53 MW park solarny w Lieberose,
w Niemczech, 33 km od granicy z Polską. Zatem energetyka solarna może się opłacać
nawet u nas.
Należy również zauważyć, że energia z własnej przydomowej instalacji solarnej uniezależnia gospodarstwo domowe od sieci energetycznej i zabezpiecza na wypadek coraz
częstszych ostatnimi czasy awarii sieci. Ponadto wpisuje się w idee tzw. „Smart Grid”
i lokalnych rynków energii. Zaś cena energii solarnej, choć wciąż wysoka, jest coraz
bardziej konkurencyjna (tabela 3). Zwłaszcza, że wysoki koszt okazuje się często być
kosztem iluzorycznym z uwagi na dotacje UE oraz walory takie jak pewność zasilania
i niezależność energetyczna od operatora.
Tab. 3. Koszt wyprodukowania 1 W z paneli słonecznych na przełomie lat
rok
1975
1997
2009
obecna granica
konkurencyjności
cena [$/W]
50
5
4,5
1,5
5. Solarne instalacje grzewcze w gospodarstwach domowych
Z przeprowadzonych badań wynika, że pompa ciepła zaspokaja potrzeby odbiorcy na
ciepłą wodę użytkową i ciepło do ogrzewania pomieszczeń w przypadku:
•
•
•
domków jednorodzinnych – w 50%,
zespołów budynków jednorodzinnych – w 60-70%,
budynkach wielorodzinnych – w 70-80%.
Dla tak niewielkich budynków wykorzystuje się małe urządzenia wydajności kilka
kilowatów. Choć znane są przypadki stosowania pomp ciepła o mocy kilku megawatów
np. w biurowcach [34]. Znaczenie pomp ciepła w procesie dostarczania energii w ostatnich latach zarówno w świecie jak i w Polsce wzrosło. Przyczyną tego jest poszukiwa35
nie dostępnej, taniej energii, potrzeba poprawy stanu środowiska naturalnego oraz wymogi Unii Europejskiej. Na podstawie różnych badań w Polsce pracuje jak na razie
około 10 000 pomp ciepła, a rocznie sprzedaje się kilkaset tego typu urządzeń. Dla
porównania w Szwecji pracuje kilkaset tysięcy [37].
80
(%)
60
40
20
0
0
10
20
30
40
50
60
(m2)
Powierzchnia kolektorów
Stopień pokrycia potrzeb
Sprawność układu solarnego
Rys. 9. Stopień pokrycia potrzeb ciepła (%/rok) oraz sprawność całej instalacji w zależności od dobieranej powierzchni kolektorów słonecznych [39]
Instalacje słoneczne bazujące na kolektorach słonecznych w większości są stosowane
w budownictwie jednorodzinnym do podgrzewania wody użytkowej, stanowią średnio
98% stosowanych rozwiązań instalacji grzewczych na świecie oraz 90% w Europie.
Coraz więcej słonecznych instalacji grzewczych montuje się także w budynkach mieszkalnych wielorodzinnych i użyteczności publicznej, a ich powierzchnia całkowita waha
się od kilkuset do ponad tysiąca metrów kwadratowych. W 2006 r. moc zainstalowana
na świecie w słonecznych instalacjach grzewczych była już rzędu 118 GW. Przyjmuje
się, że może ona wzrosnąć do 200 GW do 2030 r., jeśli większość budynków będzie
wyposażona w słoneczne instalacje grzewcze, a tak powinno się stać ze względu na
zmieniające się uwarunkowania ekonomiczne, społeczne i polityczne, a także czysto
fizyczne, związane z wyczerpywaniem się paliw kopalnych. Zakłada się, że przy obecnym poziomie wzrostu rozwoju zastosowań technologii słonecznych moc zainstalowana
w systemach słonecznych (grzewczych i klimatyzacyjnych) w państwach UE będzie
wynosić 52 GW w 2020 r. i 135 GW w 2030 r. [41].
Optymalnie dobrana instalacja kolektorów powinna pokryć 50-60% rocznego zapotrzebowania na energię potrzebną do ogrzania ciepłej wody użytkowej (50 l na osobę
dziennie). Zimą udział promieniowania słonecznego drastycznie spada i nawet jeśli
kupimy kolektor dwukrotnie większy niż zalecany, niedobór darmowej energii i tak
będzie bardzo duży. Z kolei latem będziemy mieli znaczny nadmiar energii słonecznej,
której po prostu nie wykorzystamy. Doprowadzi to podobnie jak w przypadku paneli
PV do ogólnego pogorszenia sprawności instalacji i wzrostu czasu zwrotu inwestycji
(rysunek 9). Dla wysokiej klasy kolektorów próżniowych można przyjąć, że na jedną
osobę powinno przypadać 0,8 m2 powierzchni czynnej absorbera, w przypadku kolektora płaskiego wymagana powierzchnia absorbera jest 1,5-2 razy większa. Przy takiej
instalacji nasze zapotrzebowanie na ciepłą wodę zostanie zaspokojone od 20% w grudniu do 80% w czerwcu. Czas zwrotu takiej inwestycji może być nawet krótszy niż 5 lat.
36
Brakującą energię do podgrzania wody można oczywiście uzyskać z innych solarnych
źródeł jak np.: pompy ciepła czy ogniwa fotowoltaiczne.
6. Dom zero-energetyczny (ZNE)
Rys. 10. Budynek zero energetyczny. foto: dom.wp.pl
We wcześniejszych rozdziałach przedstawiłem technologie składowe, które umożliwiają
realizację idei domu niezależnego energetycznie. Nie wymaga on podłączenia do sieci by
mieć dostęp do energii elektrycznej, koszta ogrzewania zimą, jak i roczny koszt ciepłej
wody są zerowe, a więc i koszta utrzymania takiego domu są niezwykle niskie. Pomysł
ten nie jest jednak wizją futurystyczną, domy takie są obecnie budowane np. w Szwecji,
a ich cena jest zaledwie 10-20% większa niż budowy zwykłego domu.
7. Wnioski
Dom zero-energetyczny to nie wszystko. Technologie solarne umożliwiają nam o wiele
więcej. W obecnych czasach, gdy energetyka OZE/URE nie jest już tylko hasłem,
a raczej realnym celem krajów takich jak np. Niemcy, łatwo wyobrazić sobie domy
„Plus-energetyczne”. Domy które nie tylko zaopatrują same siebie w energię, ale również zaopatrują w nią nasz elektryczny samochód, oraz pozwalają nam zarabiać poprzez
oddawanie nadwyżek do sieci energetycznej. Energetyka OZE/URE jest realna choć
wymaga zmiany obecnego sposobu myślenia.
Literatura
1.
http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy
2.
Bartosik M., Czy Klub Rzymski miał rację? Globalny kryzys energetyczny!,
XI ODME. Politechnika Łódzka 16-19.04.2008.
3.
Michalski M. Ł., Światowe zasoby energii słonecznej i kierunki ich wykorzystania,
Czysta Energia – grudzień 2006.
37
4.
Almgren C., Collins G., Solar PV Cells Free Electricity from the Sun?
5.
http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/
6.
Nitsch F., Technologische und energiewirtschaftliche Perspektiven erneuerbarer
Energien, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), 2007
7.
Projekt polityki energetycznej do 2020 r.
8.
http://gospodarka.gazeta.pl/gospodarka/1,33181,3777189.html
9.
Kopij K., Energia-Raport bieżący.
10. http://pl.wikipedia.org/wiki/IGCC
11. www.carma.org
12. Gostomczyk M. A., Czy można ograniczyć emisję dwutlenku węgla?
13. Państwowy Instytut Geologiczny, Państwowy Instytut Badawczy Zakład Geologii
Gospodarczej. http://www.pgi.gov.pl/
14. Rejman W., Kopalnie uranu w Polsce, Wiedza i Życia nr 9/1996
15. Polityka Energetyczna Polski do 2020 r.
16. Klugman E., Klugman-Radziuemska E., Ogniwa i moduły fotowoltaiczne oraz inne
niekonwencjonalne źródła energii.
17. Ciach R., Żelazny J., Fotowoltaika – prąd elektryczny ze światła słonecznego.
18. Hołub M., Balcerek M., Jakubowski T., Topologie i sprawność przekształtników
energoelektronicznych dla Fotowoltaiki.
19. Weber E. R., Semiconductor Defect Science and Technology Opening the Door for
the Future of Solar Energy.
20. Balcerak M., Hołub M., Comparison of iterative and fuzzy logic based Maximum
Power Point Tracking (MPPT) algorithms, 14th IEEE International Conference on
Methods and Models in Automation and Robotics, Miedzyzdroje, Poland 19th –
21th August 2009.
21. EPIA, Global market outlook for photovoltaics until 2013.
22. Tiedje T., Appl.Phys.Letters, 40,627 (1982).
23. Carlson D.E., Wroński C.R., Appl.Phys, 28,671 (1976).
24. Igalson M., Ulaczyk J., Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne.
25. Almgren C., Collins G., Solar PV Cells - Free Electricity from the Sun? An Overview of
Solar Photovoltaic Electricity, materiały uniwersytetu w Colorado, (2007).
26. Nitsch F., Technologische und energiewirtschaftliche Perspektiven erneuerbarer
Energien, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), 2007.
27. Hołub M., Topologie i sprawność przekształtników energoelektronicznych dla fotowoltaiki, ENERGOTECH 2009 – Produkcja i oszczędność energii w zakładach
przemysłowych, Wrocław 2009.
28. Instrukcja LT3652.
29. Wprowadzenie do superkondensatorów.
38
30. http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_double-layer_capacitor
31. http://cds.linear.com/docs/Reference%20Design/dc1568A.pdf
32. Zawadzki M., Kolektory słoneczne, pompy ciepła – na tak, Polska Ekologia, Warszawa, 2003.
33. Wiśniewski G., Kolektory słoneczne: energia słoneczna w mieszkalnictwie, hotelarstwie i drobnym przemyśle, Medium, Warszawa, 2008.
34. Zalewski W., Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne, IPPU
MASTA, Gdańsk, 2001.
35. Oszczak W., Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła, Wydawnictwo
Komunikacji i Łączności, Warszawa, 2009.
36. Lewandowski M., Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwo Naukowo - Techniczne, Warszawa, 2007.
37. Krakowski M., Elektrotechnika Teoretyczna. Obwody liniowe i nieliniowe, PWN,
Warszawa, 1999.
38. Bałtrukiewicz D., Czysta energia. 3(77), str. 37 - 39, 2008.
39. Bałtrukiewicz D., Czysta energia. 3(89), str. 14 - 17, 2009.
40. Bałtrukiewicz D., Czysta energia. 9(83), str. 20 - 21, 2008.
41. Bałtrukiewicz D., Czysta energia. 11(73), str. 32 - 33, 2007.
42. http:// www.oznaczenie – Ce.pl
43. http://www.powiat.ostroleka.pl/prk/broszury%20prk/oznakowanie_ce.pdf
44. http:// www.atmel.com
45. http://www.aurel32.net/elec/pcf8583.pdf
46. http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/L/7/8/0/L7805CV.shtml
47. http://www.sklep.avt.com.pl/p/pl/487523/wyswietlacz+lcd+2x20+miw+wk+e6+pbf.html
48. http: // www.maxim – ic.com
49. http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/29526/TI/ULN2001AN.html
50. Materiały European Photovoltaic Industry Association: Global market outlook for
photovoltaics until 2013, marzec (2009).
39