ENERGETYKA
SŁONECZNA
I WPŁYW
NA ŚRODOWISKO
ENERGETYKA
SŁONECZNA
I WPŁYW
NA ŚRODOWISKO
Każdego dnia słońce dostarcza
energię 15 tyś. razy przewyższającą
zapotrzebowanie
całej
światowej
populacji. W czasie krótszym niż 30 minut
słońce dostarcza na naszą planetę więcej
energii niż wynosi jej konsumpcja w ciągu
całego roku.
W roku 2004 konsumpcja ta wyniosła
około 118.858.600.000.000 kWh.
(Sto osiemnaście bilionów osiemset pięćdziesiąt osiem
miliardów sześćset milionów kilowatogodzin)
Gigantyczna elektrownia słoneczna na
Saharze
(490000
km
2
)
mogłaby
całkowicie
zaspokoić
globalne
zapotrzebowanie na energię (dane z roku
2006).
Pod pojęciem globalnego zapotrzebowania nie kryje się samo
zapotrzebowanie na energię elektryczną ale całkowite zużycie
energii przez człowieka. Zasobne i przyjazne środowisku słońce
jako źródło energii dostępne będzie przynajmniej przez
najbliższych 5 miliardów lat.
Energię słoneczną można
wykorzystywać
w 3 głównych systemach
przetwarzania:
Bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego na
prąd elektryczny przy pomocy różnego rodzaju ogniw
fotowoltaicznych (fotowoltaika)
Systemach aktywnych (czynnych), zamieniających energię
słoneczną na energię cieplną (ciepła woda, ciepłe powietrze), w
różnego rodzaju urządzeniach grzewczych zwanych kolektorami
słonecznymi
Systemach pasywnych (biernych), zamieniających energię
słoneczną na energię cieplną (np. ciepłe powietrze, ciepłe ściany,
ciepłe dachy, ciepłe posadzki) z wykorzystaniem takich zjawisk
fizycznych jak: konwekcja, przewodzenie, promieniowanie ciepła.
Wykorzystanie energii słonecznej w krajach
Unii Europejskiej (dane z 2006 r.)
KOLEKTORY SŁONECZNE
Podział kolektorów
słonecznych
• płaskie
• rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę
izolacji spełniają próżniowe rury)
• skupiające
Kolektor płaski składa
się z:
- absorber, wykonany z aluminium lub miedzi,
z zewnętrznej strony poczerniony warstwą czerni
selektywnej,
absorbującej
promieniowanie
słoneczne,
- osłony przeźroczyste chroniące przed stratami
cieplnymi oraz zabrudzeniem
- izolacja termiczna, chroniąca ściany boczne i tylne
absorbera przed stratami ciepła do otoczenia
Budowa kolektora płaskiego
Kolektory próżniowe
Do bardziej nowoczesnych, ale też znacznie droższych
konstrukcji należą rurowe kolektory próżniowe z wyższą
sprawnością
przetwarzające
energię
rozproszonego
promieniowania
słonecznego.
Kolektory
próżniowe
występują w dwóch odmianach. W pierwszej odmianie
czynnik roboczy (glikol) przepływa przez rurki miedziane
przylutowane do absorbera znajdującego się w rurze
próżniowej. Odbiór ciepła następuje bezpośrednio z
absorbera. Drugi rodzaj to kolektory zbudowane z rur
próżniowych, w których znajdują się rurki cieplne, zwane
również Heat pipe, z płynem parującym w temp. 25
o
C. Gdy
rurka się nagrzeje, płyn ten zaczyna parować i kieruje się
do kondensatora. Następuje tam wymiana ciepła, w wyniku
której następuje nagrzanie glikolu, który krąży w instalacji,
a para skrapla się i grawitacyjne powraca na dno rurki
cieplnej.
Kolektory skupiające
W kolektorach skupiających stosuje się różne układy luster
lub soczewki do zwiększenia gęstości strumienia
promieniowania słonecznego, padającego na powierzchnię
pochłaniającą promieniowanie, wykonana w formie
płaskich lub rurkowych pochłaniaczy. Oprócz zwierciadeł
parabolicznych stosuje się zwierciadła płaskie lub
cylindryczne.
Kolektory skupiające charakteryzują się małymi wymiarami
gabarytowymi. Muszą być ustawiane prostopadle do
kierunku padania promieni słonecznych, w związku z tym
muszą być wyposażone w urządzenia umożliwiające ich
obrót wraz z ruchem słońca.
Montaż kolektorów
Kolektory słoneczne można instalować praktycznie
wszędzie, w dowolnej konfiguracji. Mogą być instalowane
zarówno na dachu, na ścianie budynku lub na ziemi - na
stojaku.
-
Kolektory słoneczne powinny być zwrócone stroną szklaną na
południe
.
- Kolektory słoneczne powinny
być pochylone o około 45 stopni
względem poziomu jest to kąt idealny przy wykorzystywaniu
kolektora słonecznego od lutego do listopada.
- Jeżeli kolektory słoneczne mają być używane tylko
w miesiącach letnich (np. do ogrzewania wody w basenie lub
w domku letniskowym), należy je zainstalować pod kątem 30
stopni.
- Kolektory słoneczne należy instalować w miejscu, które nie
jest zacienione przez drzewa, krzaki, trawę, itp.
- Łatwy montaż kolektorów
- Łatwe utrzymanie i konserwacja urządzeń
- Możliwość
wykorzystywania
w
gospodarstwach
oddalonych od innych źródeł energii
- Dostarczający 35 000 l ciepłej wody użytkowej kolektor
słoneczny o powierzchni 6 m
2
pozwala zredukować roczną
emisję:
dwutlenku węgla (CO
2
) o 1,5 t,
dwutlenku siarki (SO
2
) o 12 kg,
tlenków azotu (NO
x
) o 5 kg,
pyłów o 2 kg.
Zalety:
STAWY SŁONECZNE
Innym aktywnym niskotemperaturowym systemem
konwersji energii słonecznej jest staw słoneczny.
W systemie takim energia promieniowania słonecznego
jest gromadzona, ale w przeciwieństwie do zwykłych
zbiorników wodnych nie jest oddawana do otoczenia,
szczególnie
nocą
i zimą, gdy spada temperatura. Uzyskanie takiego efektu
jest możliwe dzięki zastosowaniu dużego stężenia soli w
wodzie, gdyż właściwością solanki jest gromadzenie się jej
na dnie zbiornika mimo ogrzania, i jednoczesne nie
transportowanie ciepła, które wskutek mechanizmu
konwekcji
byłoby
kierowane
do
powierzchni
i oddawane do otoczenia.
Typowy staw słoneczny jest sztucznym zbiornikiem, zwykle
o głębokości 2 5 m z zaczernionym dnem, w którym
wyróżnia się:
o strefę magazynowania blisko dna (temperatura w niej
może osiągnąć ok. 90C)
o górną warstwę niekonwekcyjną (strefy te mogą być
oddzielone przegrodą, np.: folią przezroczystą). W warstwie
tej konwekcja swobodna jest stłumiona odpowiednim
gradientem stężenia soli NaCl lub MgCl
2
; na powierzchni
stawu znajduje się warstwa ochronna (np.: folia i cienka
warstwa wody).
Z gorącej warstwy dolnej ciepło może być odbierane
(wywołując dodatkową konwekcję).
konwekcyjny, w którym straty ciepła z parowania są
redukowane poprzez przykrycie powierzchni zbiornika, np.
transparentną folię izolacyjną, głównie w nocy, kiedy nie ma
promieniowania słonecznego,
bezkonwekcyjny, w który redukuje się straty ciepła poprzez
zapobieganie zjawisku konwekcji.
Staw bezkonwekcyjny jest to płytki zbiornik, w którym energia
promieniowania słonecznego jest kumulowana poprzez
zastosowanie dużego stężenia soli w wodzie. Solanka, nawet
ogrzana, ze względu na dużą gęstość gromadzi się na dnie i
przez to nie transportuje ciepła mechanizmem konwekcji z dna
stawu do powierzchni i następnie do otoczenia .
Rozróżnia się dwa typy
stawów:
Typowy staw o głębokości 1 m ma 6–8 warstw płynu o
zróżnicowanym stężeniu, gdzie rozróżnia się trzy typowe
strefy w zbiorniku:
akumulacji, w warstwie przydennej, gdzie występuje duża
temperatura , dochodząca nawet do 100°C oraz największe
stężenie soli,
bezkonwekcyjną,
przypowierzchniową o temperaturze ok. 30°C, zależnej
najbardziej od temperatury powietrza (przykładowo, w
południowej Australii łatwo osiągalna jest temperatura 65°C,
nawet w zimie).
Jako sole mogą być stosowane NaCL, MgCl
2
. Dookoła stawu
zakłada się materiał oddzielający zbiornik od gruntu, aby
wydzielająca się sól nie zanieczyściła otaczającego terenu
oraz wód gruntowych.
Plastikowe krążki w stawie słonecznym są zamieszczone
w celu redukcji wpływu wiatru (Australia, Pyramid Hill)
Podczas użytkowania takiego stawu często następuje proces
dyfuzji,
co
powoduje
wyrównywanie
się
stężeń.
Do
bezawaryjnego i prawidłowego działania zbiornika czynnością
konieczną
jest
wtłaczanie
czystej
wody
do
warstwy
przypowierzchniowej, a do strefy przydennej stężonego roztworu
solanki. Urządzeniami, które są wykorzystywane podczas
eksploatacji stawu słonecznego są; destylarka, przetwornik
osmotyczny, wymiennik jonitowy – instalacja odsalająca.
Staw słoneczny jest ekonomicznie opłacalny tylko
wtedy, gdy obszar przeznaczony pod budowę
zbiornika jest o dużej, płaskiej powierzchni, o stałym
dostępie do wody oraz niedrogiej soli. Czynnik
środowiskowe są również bardzo ważne, szczególnie
ze względu na możliwość zanieczyszczenia gruntu i
wód podziemnych. Ponadto korzystnie jest mieć
odbiorców ciepła, np. pobliskiej fabryki. Dlatego też
stawy najczęściej budowane są na obszarach
pustynnych.
Stawy słoneczne –
działanie:
- do napędzania urządzeń odsalających,
- jako dodatkowe źródło energii w szczycie zapotrzebowania na energię,
- jako ciepło technologiczne do produkcji chemikaliów, żywności,
tekstyliów czy innych produktów,
- jako ciepło w procesie odseparowania ropy naftowej z solanki,
- jako ciepło do szklarni, obór czy innych budynków o niskim
zapotrzebowaniu na energię cieplną,
- do powierzchniowego oczyszczania wody, np. zasolenia rzek czy
płynnych odpadów o dużym zasoleniu,
- do kontroli krystalizacji podczas działań podziemnych i górniczych.
Koszt stawu słonecznego o powierzchni 0,7 ha, w zależności od dostępu
maszyn ziemnych i soli, kształtuje się na poziomie 200 000–300 000
dolarów australijskich. W przypadku produkcji energii elektrycznej
należy doliczyć koszt i utrzymanie roczne aparatury (180 000 + 10 000
na rok dolarów australijskich).
Energia pochodząca ze stawu słonecznego
może zostać wykorzystana:
Stawy słoneczne - wady i
zalety
Zalety:
o Moc i sprawność trochę wyższa, ale tego samego rzędu
jak kolektora słonecznego;
o Mniejsze straty ciepła do otoczenia w porównaniu z
kolektorami słonecznymi;
o Możliwość zastosowania do odsalania wody morskiej
o Prosta budowa
Stawy słoneczne - wady i
zalety
Wady:
o Konieczność utrzymywania właściwego gradientu
stężeń,
co wiąże się z utrzymywaniem instalacji odsalającej;
o Konieczność
stosowania
zabezpieczeń
przed
nieprzewidzianym wtargnięciem niepożądanych osób,
zwłaszcza dzieci, które mogą się poparzyć;
o Wyższe koszty inwestycyjne w stosunku do kolektora
słonecznego;
o Większe zużycie wody.
Podstawową zaletą stawów słonecznych jest zdolność
do magazynowania dużych ilości energii na stosunkowo
długie okresy (do kilku miesięcy). Energię tę można później
odzyskać z wykorzystaniem pompy ciepła.
Stawy słoneczne służą najczęściej do ogrzewania mieszkań
lub zasilania siłowni wytwarzających energię elektryczną,
również do ogrzewania szklarni i tuneli foliowych.
Obecnie na świecie pracuje ponad 60 instalacji stawów
słonecznych. Przykładem stawu słonecznego jest staw w El
Paso w Texasie, działający z przerwą od maja 1986 roku,
który posiada powierzchnię 3350 m
2
, głębokość 3 m i moc 75
kW.
Są
urządzeniami
półprzewodnikowymi
typu
p-n,
służącymi
do
bezpośredniej
zamiany
energii
promieniowania słonecznego na energię elektryczną.
1. półprzewodnik n
2. złącze p-n
3. półprzewodnik p
4. 5. metaliczne połączenia
6. materiał antyrefleksyjny
Cykliczne przemieszczenie się ładunków elektrycznych
powoduje wzrost różnicy potencjałów, czyli napięcia
elektrycznego.
OGNIWA FOTOWOLTAICZNE
Półprzewodnikowe fotoogniwa
Produkowane są z
wykorzystaniem krzemu (Si),
germanu (Ge), selenu (Se).
Pojedyncze krzemowe ogniwo
słoneczne generuje napięcie ok.
0,5V. Połączenie szeregowe
pojedynczych ogniw powoduje
sumowanie się napięcia i w ten
sposób tworzy się baterie
słoneczne o porządnym
napięciu wyjścia.
Zastosowania ogniw fotowoltaicznych:
Elektronika użytkowa, kalkulatory, lampy ogrodowe,
oświetlanie znaków drogowych i wspomaganie sygnalizacji
świetlnej
Zasilanie elektroniki promów i sąd kosmicznych, stacji
orbitalnych i sztucznych satelit ziemi.
Próby konstrukcji samolotów i samochodów zasilanych za
pośrednictwem ogniw fotowoltaicznych.
Doładowywanie akumulatorów w dzień i wykorzystywanie
energii w nocy na jachtach, kempingach, domach
jednorodzinnych.
Zasilanie układów telemetrycznych w stacjach pomiarowo
rozliczeniowych gazu ziemnego, ropy naftowej oraz energii
elektryczne.
Zasilanie automatyki przemysłowej i pomiarowej
Pierwsze elektrownie słoneczne.
Wady:
- Ogniwa fotowoltaniczne budowane są z użyciem
szkodliwych substancji
- Ustawione ogniwa zajmują dużą powierzchnię
- Trudność korzystania z tego źródła energii wynika m. in.
ze zmienności dobowej i sezonowej promieniowania
słonecznego.
- Mała gęstość dobowa strumienia energii promieniowania
słonecznego, która nawet w rejonach równikowych wynosi
zaledwie 300 W/m
2
, zaś w Polsce nie przekracza 100
W/m
2
(czyli 1000 kWh/m
2
w skali roku).
METODY PASYWNE
Metody
pasywne
to
bezpośrednie
wykorzystanie
energii
słonecznej do ogrzewania bez użycia dodatkowej energii z
zewnątrz. Pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego odbywa
się w sposób naturalny, dzięki naturalnym zjawiskom wymiany ciepła i
masy.
Systemy pasywne doskonale nadają się do ogrzewania budynków,
podgrzewania wody, w różnego rodzaju zbiornikach naziemnych i
podziemnych,
otwartych
i zamkniętych, do suszenia płodów, drewna, żywności przetworzonej,
ceramiki itd.
W tym celu wznosi się odpowiednią konstrukcję budynków, a
zwłaszcza ścian, przegród zewnętrznych oraz dachów i otworów
okiennych, werandy, elementy szklarniowe, oranżerie, przeszklone
wykusze dachowe, loggie półotwarte, baseny otwarte i zamknięte
wbudowane w konstrukcję budynku, diafragmy koncentrujące
promieniowanie i ekrany odbijające promienie i kierujące je do
wewnątrz, powodując zwiększenie strumienia energii dostającego się do
pomieszczeń.
Stosuje się również różne wewnętrzne ściany magazynujące ciepło.
Ważnymi elementami są pułapki ciepła w postaci strychów,
antresoli
i wewnętrznych ścian wodnych, a także porcji wody lub innych
płynów wmontowanych w ściany i stropy (termofory
budowlane). Wszystko po to by utrzymać uwięzione ciepło
podczas dni słonecznych zarówno w porze letniej jak i w czasie
zimy.
Szczególnie korzystne efekty
daje zwiększanie pojemności cieplnej
stropów, a więc podłóg i sufitów.
Z tych powierzchni ciepło
oddawane jest równomiernie
i stosunkowo długo.
Znajomość tych właściwości
jest bardzo ważne na etapie
projektowania i lokalizacji
nowo wznoszonych obiektów.
1. Powietrzny kolektor słoneczny. 2. Rekuperator. 3. Wentylator.
4. Nagrzewnica 5. Rozdzielacz powietrza. 6. Zbiornik ciepłej
wody (CO i CW). 7. Pompa ciepła 8. Przepustnice powietrza. 9.
Gruntowy Wymiennik Ciepła
(BGWC - Beslera Gruntowy Wymiennik Ciepła)
Energia słoneczna.
Wpływ na środowisko
Korzyści dla środowiska z tytuły wykorzystania instalacji
solarnych podkreślane są w wielu źródłach.
Według Lewandowskiego [2006] wykorzystanie w domu
jednorodzinnym powierzchni 1 m
2
kolektorów słonecznych obniża
emisję CO
2
o 125 kg·a-1, redukuje również znacznie emisje SO
2
i NOx, ogranicza również zapotrzebowanie na energię
konwencjonalną o przeszło 1250 kWh.
Tytko i Kwapniewski [2009] podają, że zastosowanie instalacji
solarnej zmniejsza rocznie ilość spalonego węgla o 3 Mg,
jednocześnie ograniczając emisję CO
2
o 6 Mg.
Natomiast Klugmann-Radziemska [2008] podaje, iż każdy kW
pochodzący z instalacji fotowoltaicznej pozwala zaoszczędzić
w porównaniu z energią pozyskaną z paliw kopalnych,
zależnie od składu paliwa, nawet do 16 kg NOx, 9 kg SOx, jak
również
od 600 do 2300 kg CO
2
.
Chyba najistotniejszą wadą jest wysoki koszt budowy
instalacji
i urządzeń wspomagających, bez których nie można byłoby
wykorzystać
darmowej
energii
[Bogdanienko,
1989;
Gronowicz, 2008;Knaga, 2009; Lewandowski, 2006].
Energia słoneczna.
Wpływ na środowisko
Dziękujemy za
uwagę!
Dariusz Bujak,
Patrycja Cichoń,
Jerzy Cugowski,
Agnieszka Dobrowolska,
Filip Karpiński,
Paulina Modlińska,
Marceli Ptak,
Michał Słomski,
Katarzyna Sztangreciak,
Dominika Wartacz.