Konwersja energii

2006/07

Politechnika Wrocławska W9

Halina Kruczek

Bilans promieniowania

słonecznego

całkowita energia emitowana ze

Słońca = ~3.9 10

26

W

System klimatyczny świata

Energia słoneczna

Intensywność

promieniowania

w zależności od długości fali

Energia Słoneczna

Energia słoneczna

Ze względu na fizyko-chemiczną naturę procesów

przemianom energetycznych promieniowania słonecznego

na powierzchni Ziemi wyróżnić można trzy podstawowe i

pierwotne rodzaje konwersji:

• konwersję fotochemiczną energii promieniowania

słonecznego prowadzącą dzięki fotosyntezie do tworzenia

energii wiązań chemicznych w roślinach w procesach

asymilacji; Procesy konwersji fotochemicznej zapewniają

nieprzerwaną produkcję biomasy, która może być w

dalszych procesach biochemicznych i termo chemicznych

przekształcona w energie cieplną, elektryczną lub paliwa

płynne;

• konwersję fototermiczną prowadzącą do przetworzenia

energii promieniowania słonecznego na ciepło;

• konwersję fotowoltaiczną prowadzącą do przetworzenia

energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Konwersja fotowoltaiczna

Konwersja fotowoltaiczna polega na bezpośredniej

zamianie energii promieniowania słonecznego na

energię elektryczną. Odbywa się to dzięki

wykorzystaniu tzw. efektu fotowoltaicznego

polegającego na powstawaniu siły elektromotorycznej

w materiałach o niejednorodnej strukturze, podczas ich

ekspozycji na promieniowanie elektromagnetyczne.

Tylko w specjalnie spreparowanych przyrządach

wykonanych z półprzewodników zwanych ogniwami

słonecznymi wystawionych na promieniowanie

słoneczne, efekt fotowoltaiczny mierzony powstającą

siłą elektromotoryczną jest na tyle duży, aby mógł być

wykorzystywany praktycznie do generacji energii

elektrycznej. Ogniwa słoneczne łączy się ze sobą w

układy zwane modułami fotowoltaicznymi, a te z kolei

służą do budowy systemów fotowoltaicznych.

• Systemy fotowoltaiczne można podzielić na systemy

podłączone do sieci trójfazowej elektroenergetycznej

poprzez specjalne urządzenie zwane falownikiem oraz na

systemy autonomiczne zasilające bezpośrednio urządzenia

prądu stałego, zazwyczaj z wykorzystaniem okresowego

magazynowania energii w akumulatorach

elektrochemicznych.

• Klasyfikacja powyższa nie obejmuje słonecznych systemów

z koncentratorami słonecznymi oraz systemów dużej mocy

wykorzystujące heliostaty stosowane na świecie w

elektrowniach, elektrociepłowniami i piecach słonecznych.

Urządzenia te wykorzystują jedynie promieniowanie

bezpośrednie, a jak wspomniano w Polsce promieniowanie

to stanowi w zależności od pory roku 25 -50%

promieniowania całkowitego i dlatego znaczenie praktyczne

tych technologii dla naszego kraju jest marginalne.

Konwersja fotowoltaiczna

Zasoby energii słonecznej w

Polsce

Rejonizacja

średniorocznych sum

promieniowania

słonecznego całkowitego

padającego na jednostkę

powierzchni poziomej w

kWh/m

2

/rok. Liczby

wskazują całkowite zasoby

energii promieniowania

słonecznego w ciągu roku

dla wskazanych rejonów

kraju.

Energia słoneczna

• Potencjał energii promieniowania słonecznego w polskich

warunkach klimatycznych zgodnie z przyjętą normą dla

całego kraju 3600 MJ/m

2

, odpowiada wartości 1000 kWh/m

2

z odchyłkami +/- 10%.

• Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na

płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950-1250

kWh/m

2

, natomiast średnie usłonecznienie wynosi 1600

godzin na rok. Warunki meteorologiczne charakteryzują się

bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego

w cyklu rocznym. Około 80% całkowitej rocznej sumy

nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu

wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września,

przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do

16 godz/dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin

dziennie.

Potencjalna energia użyteczna

w kWh/m

2

/rok w wyróżnionych

rejonach Polski

Rejon

Rok

(I-XII)

Półroc

ze

letnie

(IV-IX)

Sezon

letni

(VI-

VIII)

Półrocz

e

zimowe

(X-III)

Pas nadmorski

1076

881

497

195

Wschodnia część Polski

1081

821

461

260

Centralna część Polski

985

785

449

200

Zachodnia część Polski z górnym

dorzeczem Odry

985

785

438

204

Południowa część polski

962

682

373

280

Południowo-zachodnia część

polski obejmująca obszar Sudetów

z Tuchowem

950

712

393

238

Średnioroczne sumy

usłonecznienia, godz./rok dla

reprezentatywnych rejonów

Polski

Według ocen
ekspertów, potencjał
ekonomiczny
kolektorów słonecznych
w Polsce do produkcji
ciepłej wody użytkowej
wynosi 24 PJ.
Natomiast potencjał
kolektorów słonecznych
do suszenia płodów
rolnych sięga 21 PJ.

Fotowoltaiczne lokalne

systemy

Energia wiatru

Kolor

Lokalizacja

zielony

wybitnie korzystna

żółty

korzystna

pomarań-

czowy

dość korzystna

czerwony

niekorzystna

brązowy

wybitnie

niekorzystna

czarny

tereny wyłączone,

wysokie partie gór

Potencjał energetyczny wiatru w
Polsce

Wyznaczono go na wysokości 20 m nad poziomem ziemi

Wyznaczono go na wysokości 20 m nad poziomem ziemi

i obliczono dla prędkości wiatru 4 - 16 m/s w terenie

i obliczono dla prędkości wiatru 4 - 16 m/s w terenie

wolnym

wolnym

od drzew i nadbudowy. Średnioroczna prędkość wiatru

od drzew i nadbudowy. Średnioroczna prędkość wiatru

wyznaczona jest na wysokości 20 m (pomiary prędkości

wyznaczona jest na wysokości 20 m (pomiary prędkości

wiatru wykonywano w stacjach IMGW, przeważnie na

wiatru wykonywano w stacjach IMGW, przeważnie na

wysokości 10 m).

wysokości 10 m).

Rejony

Potencjał

energetyczny

wiatru

( H = 20m, v = 4-

16 m/s)

Średnioroczn

a prędkość

wiatru

H = 20m

kWh/m

2

m/s

Rejon 1

wybrzeże, suwalskie, część

ciechanowskiego 

1250-2250

5-6

Rejon 2

poznańskie, ciechanowskie, część

bydgoskiego,łódzkiego,

warszawskiego i szczecińskiego 

1000-1250

4,5 - 5,0

Rejon 3

środkowa część Polski, województwa

od szczecińskego do krosnieńskiego 

750 – 1000

4,0 - 4,5

Moc zainstalowanych

elektrowni wiatrowych

W roku 1988 moc zainstalowana
elektrowni wiatrowych pracujących na
świecie wynosiła ok. 1700 MW, z czego
w Europie ok. 300 MW, w tym w Danii
ok. 210 MW, natomiast w USA moc
zainstalowana wynosiła ok. 1400 MW.

Przykładowe parametry techniczne

i eksploatacyjne elektrowni

wiatrowych

Typ elektrowni - WE-12 W,konstrukcja IBMER

Średnioroczna prędkość wiatru

ok. 4,5 m/s

Moc znamionowa

37,5 kVA

Wysokość zawieszenia wirnika

12 m

Średnica wirnika

12 m

Powierzchnia zarysu wirnika

113 m2

Liczba łopat

3 szt.

Prędkość obrotowa wirnika

60 obr./min

Prędkość startowa elektrowni

4 m/s

Prędkość odregulowania

18 m/s

Roczna produkcja energii

elektrycznej

24 000 kWh

Czas wykorzystania mocy

zainstalowanej

640 godzin

Masa kompletnej elektrowni

13,4 t

Lokalizacja Rzezawa k/Bochni, PREBUD

Przykładowe parametry techniczne

i eksploatacyjne elektrowni

wiatrowych

Typ elektrowni NTK 150 XLR,firma NORDTA,NK, Dania

Średnioroczna prędkość wiatru

5,6 m/s

Moc znamionowa

150 kW

Wysokość zawieszenia wirnika

32,7 m

Średnica wirnika

24,6 m

Powierzchnia zarysu wirnika

47.5 m2

Liczba łopat

3 szt.

Prędkość obrotowa wirnika

38 obr./min

Prędkość startowa elektrowni

4 m/s

Prędkość odregulowania

25 m/s

Roczna produkcja energii

elektrycznej

250 000 kWh

Czas wykorzystania mocy

zainstalowanej

1660 godzin

Masa kompletnej elektrowni

ok. 16 t

Lokalizacja Lisewo k/Żarnowca, ESP Zarnowiec

Elektrownie wiatrowe

• Właściciel:

VATTENFALL AB, 162 87 Sztokholm

Producent:

Kvaerner Turbin AB

Projekt: WTS80-3/1 (prototyp)

Lokalizacja:

Näsudden (jedna z wysp Gotlandii na

morzu

Bałtyckim)

• Turbina została zainstalowana w listopadzie 1992 i po

badaniach technicznych w marcu 1993 roku przeszła do
eksploatacji.

• Dane techniczne:
● Konstrukcja pozioma ● Prędkość wyłączenia 25 m/s
● Prędkość wiatru 6 m/s ● Średnica wirnika 80 m
● Moc max. 3000 kW

● Liczba łopat 2

● Optymalna prędkość 14 m/s ● Masa głowicy 162,000 kg
● Wysokość wieży 78 m ● Kąt uniesienia łopat 8 deg

Elektrownia wiatrowa na

morzu

HYDROENERGETYKA

Najbardziej rozpowszechnione w kraju są małe
elektrownie wodne (MEW). Według przyjętej
nomenklatury MEW są to elektrownie o mocy
zainstalowanej nie większej niż 5 MW. Istnieje również
podział małych elektrowni na małe, mini-
i mikroelektrownie (poniżej 500 kW).  

Z punktu widzenia ochrony środowiska i rolnictwa

wprowadza się dodatkową ich klasyfikację, tj.
według kryterium hydrograficznego:

• zlokalizowane przy zbiomikach retencyjnych na

rzekach (zbiornikowa)

• zlokalizowane na kanałach przerzutowych

(derywacyjna),

• zlokalizowane przy piętrzeniach bezzbiornikowych na

rzekach (rzeczne)

Według kryterium dotychczasowego zagospodarowania:
• zlokalizowane przy piętrzeniach istniejących

(adaptacja),

• zlokalizowane przy piętrzeniach w przekrojach

zniszczonych siłowni wodnych (rekonstrukcja),

• zlokalizowane w przekrojach dotychczas nie

zagospodarowanych

Elektrownie wodne

Każda MEW składa się z kilku
podstawowych elementów, usytuowanych
w różnych układach kompozycyjnych:

• ujęcie wody,
• doprowadzenie wody do budynku

elektrowni,

• budynek elektrowni,
• odpływ wody z budynku elektrowni.

Elektrownie wodne

Dobór podstawowego wyposażenia zależy

głównie od:

• spadu i przełyku nominalnego elektrowni,
• rodzaju inwestycji (elektrownia nowo budowana,

odbudowywana lub modernizowana)

• wymagań dotyczących elektrowni: praca

wyłącznie na sieć energetyczną, praca na sieć
wyłącznie wydzieloną lub praca mieszana tzn.
zasilanie wydzielonych odbiorów lub współpraca
z lokalną siecią energetyczną,

Elektrownie wodne

• turbiny i prądnice,
• regulatory turbin i prądnic,
• przekładnie pomiędzy turbinami i prądnicami, koła

zamachowe,

• instalacje technologiczne (wody chłodzącej,

sprężonego powietrza i odwadniania),

• urządzenia dźwigowe,
• zamknięcie główne (awaryjne),
• zamknięcie remontowe,
• kraty wlotowe,
• czyszczarki krat,
• rurociągi stalowe doprowadzające wodę do turbin,
• wyposażenie elektryczne.  

Wyposażenie MEW

Dobór turbin

Turbiny stanowią najistotniejsze i najkosztowniejsze

urządzenie wyposażenia mechanicznego elektrowni

wodnych.

W związku z tym przy wyborze turbin należy kierować

się następującymi wymaganiami:

• wyposażać elektrownię w jedną turbinę, która byłaby

w stanie przetworzyć cały przełyk,

• dobierać turbiny posiadające maksymalne sprawności

w całym zakresie ich pracy,

• przyjmować turbiny o jak największej przepustowości

i szybkobieżności, aby uzyskać najmniejsze gabaryty,

a także uniknąć zastosowania przekładni.

Dobór turbin

Przy doborze turbin należy brać pod uwagę ich krzywe
sprawności w funkcji przełyku, czyli natężenia
przepływu. Szczególnie dotyczy elektrowni o dużych
wahaniach przełyku. Najkorzystniejsza charakterystykę
posiadają turbiny Kaplana, a w dalszej kolejności turbiny
rurowe z regulowanymi łopatkami wirnika i stałą
kierownicą, turbiny Francisa, turbiny rurowe z
regulowanymi łopatkami kierownicy i stałymi łopatkami
wirnika, oraz - na końcu - turbiny Banki-Michella, które
mogš pracować ze zmiennymi przełykami, ale mają
najniższe sprawności maksymalne. Podstawowe
parametry turbin można określić z nomogramów
dostarczanych przez producentów

Rodzaje prądnic stosowanych w

MEW

W MEW stosowane są dwa rodzaje

prądnic:

• asynchroniczne (indukcyjne)

trójfazowe prądu przemiennego,

• synchroniczne trójfazowe prądu

przemiennego.

Koszty energii z OŹE

Rodzaj elektrowni

na paliwo

Koszt

jednostkowy

energii

elektrycznej

w USD/kWh

biomasa

0,080

węgiel

0,068

energia geotermalna

0,065

gaz ziemny

0,054

energia jądrowa

0,150

energia wodna

0,100

energia słoneczna

termiczna

0,100

energia wiatrowa

(farmy)

0,069