Odnawialne źródła energii wczoraj i dziś - cz. II – energia słońca

Nareszcie coraz głośniej i szerzej, w mediach i debatach ekonomicznych, mówi się o energetyce zielonej, odnawialnych źródłach energii i wreszcie o odstąpieniu od energetyki węglowej. Ekolodzy od dawna propagują odnawialne źródła energii. Jednym z nich, znanym od zarania jest Słonce. Promieniowanie słoneczne stanowi najpotężniejsze źródło energii. Około 30 % docierającej do powierzchni Ziemi energii jest odbijane, rozpraszane i pochłaniane w atmosferze. Natężenie promieniowania słonecznego zależy od szerokości geograficznej, największe występuje w okolicach równika na pustyniach Sahara i Kalahari. Od wieków ludzie zastanawiali się czy i jak możemy energię słoneczną pozyskać. Rozwój nauki i technologii już daje nam takie możliwości. Możemy przetwarzać energię słoneczną na energię cieplną lub wprost na energię elektryczną.

Energia cieplna ze słonecznej przetwarzana jest w wymiennikach cieplnych, powietrznych lub cieczowych. Wykorzystywana jest do ogrzewania budynków oraz wody użytkowej. Takie systemy są coraz powszechniejsze w strefie międzyzwrotnikowej oraz w miesiącach letnich w strefach umiarkowanych, czyli pomiędzy zwrotnikami a kołami podbiegunowymi. Przetwarzanie energii słońca na energię elektryczną jest procesem bardziej skomplikowanym i kosztowniejszym, obecnie znane są dwie metody:

* heliotermiczna, w której proces przemiany przebiega w skomplikowanych kolektorach słonecznych będących zespołem zwierciadeł skupiających rozproszone promienie i odbijających je na absorber. Pozyskane w ten sposób ciepło doprowadzane jest następnie do turbiny napędzającej generator produkujący energię elektryczną. Największą elektrownią słoneczną tego typu jest elektrownia Barstow w Kalifornii.

* helioelektryczna, polegająca na przemianie promieniowania słonecznego na elektryczną w wyniku zjawiska fotowoltaicznego w ogniwach fotoelektrycznych. Ogniwa takie są wykonywane z krystalicznego krzemu, arsenku galu lub siarczanu kadmu.

Obydwie metody wymagają dużych powierzchni aktywnych. Względy technologiczne oraz ekonomiczne pozwalają wykorzystywać promieniowanie słoneczne jako źródło energii elektrycznej jedynie w krajach o stabilnym rozkładzie nasłonecznienia w roku. W Polsce średnia roczna gęstość promieniowania wynosi około 105 – 125 W/m3. Warunki meteorologiczne powodują nierówny rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku, około 80 % nasłonecznienia przypada na wiosnę i lato, dlatego dotychczas ogniwa do konwersji energii słonecznej w elektryczną w naszym rejonie nie były stosowane na szeroką skalę. Do określenia opłacalności stosowania kolektorów słonecznych niezbędna jest wiedza, przez jak długi czas na danym obszarze można liczyć na bezchmurne niebo czyli tzw. usłonecznienie. Wielkość ta jest sumą godzin bezchmurnych w porze dziennej dla danego obszaru w ciągu roku. Dla Polski wynosi ona średnio 1600 godzin. W Polsce do powierzchni dociera średnio 1100 kWh/m2/rok energii słonecznej, jest to druga ważna wielkość w energetyce solarnej - nasłonecznienie. Dobrze nasłonecznione są regiony nadmorskie, np. Gdańsk 1117 czy Szczecin 1137. Polska środkowa to wartości ok. 1022, południe 1052 (Kraków).

W naszych warunkach geograficznych wykorzystanie energii słońca może jedynie częściowo zastępować inne źródła energii przez kilka miesięcy w roku. Najczęściej energię słoneczną wykorzystujemy w postaci ciepła do podgrzewania wody użytkowej oraz ogrzewania budynków. Urządzenia służące do przetwarzania energii promieniowania słonecznego na cieplną powszechnie nazywamy kolektorami. Najważniejszą częścią kolektora jest absorber wykonany z czarnej matowej płyty pochłaniający promieniowanie. Pozyskane w ten sposób ciepło przekazywane jest nośnikowi, czyli czynnikowi roboczemu opływającemu absorber, za pomącą którego ciepło przepływa do miejsca przeznaczenia. Nośnikiem może być bezpośrednio woda użytkowa lub czynnik pośredni przekazujący ciepło w obiegu zamkniętym do systemu centralnego ogrzewania. Analogicznie ogrzewane w kolektorach gazowych powietrze także służy do ogrzewania obiektów. Istnieje wiele różnych odmian kolektorów słonecznych różniących się między sobą budową i przeznaczeniem. Ze względu na konstrukcję rozróżnia się wymienione już dwa podstawowe typy kolektorów: cieczowe i powietrzne. Pośród kolektorów cieczowych największe znaczenie mają kolektory płaskie, próżniowe, magazynujące i elastyczne, czyli wykonane z tworzyw sztucznych. Wśród kolektorów powietrznych wyróżniamy: kolektory z absorberami płaskimi oraz z absorberami o powierzchni rozwiniętej. Płaski kolektor cieczowy składa się z absorbera promieniowania słonecznego, obudowy, izolacji termicznej oraz przeźroczystej osłony oraz oprzyrządowania jak: uszczelki i przyłącza umożliwiające montaż. Absorbery wykonane są z blachy miedzianej, aluminiowej lub stalowej wraz z systemem kanałów przepływowych czynnika roboczego, którym najczęściej jest woda użytkowa. W kolektorach stosowanych w temperaturach poniżej 0 stopni C czynnikiem roboczym musi być ciecz o niskiej temperaturze krzepnięcia. Taki system wymaga dodatkowego wymiennika ciepła, w którym czynnik pośredni oddaje ciepło do wody użytkowej. Ponadto ważne jest czy obieg czynnika roboczego w instalacji jest naturalny (wymuszony różnicą temperatur) czy też jest wymuszony mechanicznie i zastosowane jest automatyczne sterowanie. Te ostatnie układy są znacznie droższe a w eksploatacji potrzebują dodatkowego źródła energii. W nieco innych warunkach pracują kolektory powietrzne. Zaletą ich jest niższa cena oraz minimalna korozja, niestety mają niższą wydajność. Najczęściej stosowane do podgrzewania wody do celów sanitarnych są płaskie kolektory cieczowe. W naszym klimacie w instalacjach służących do ogrzewania budynków kolektory muszą być wspomagane przez inne instalacje zapewniające ciepło w okresach bez wystarczającego promieniowania słonecznego np. pompy ciepła lub kotły grzewcze. Na pewno kolektory sprawdzają się w obiektach sezonowych, hotelach i pensjonatach, ośrodkach wypoczynkowych, polach namiotowych, w basenach i obiektach sportowych wykorzystywanych w lecie oraz w zakładach przemysłowych zużywających duże ilości ciepłej wody, w domach jednorodzinnych wykorzystujących energie elektryczna do produkcji ciepłej wody. Kolektory muszą być zainstalowane na wystawie południowej, mogą być montowane nie tylko na dachach spadzistych ale także pionowo na ścianach budynków lub na dachach płaskich na specjalnej pochylonej konstrukcji, a nawet na tarasach czy na gruncie. Wybierając lokalizacje i system montażu należy pamiętać o dwóch zasadach. Duża odległość kolektora od wymiennika ciepła powoduje straty ciepła wynikające z długości przewodów i większy koszt instalacji. Ustawione konstrukcje na dachach płaskich muszą być trwałe i mocno przytwierdzone gdyż są narażone niekorzystne warunki pogodowe w tym silne podmuchy wiatru. Wiadomo, że największe zapotrzebowanie na ciepło w domu przypada na miesiące jesienno zimowe a wiec te o zmniejszonym promieniowaniu słonecznym. Jeżeli chcemy wykorzystać w naszym budynku słoneczną energię cieplną musimy określić ilość potrzebnego ciepła. Stosuje się kolektory o wysokiej sprawności mające rozbudowaną powierzchnie absorberów, przyjmuje się średnio 1 m2 powierzchni kolektora na każde 10 m2 powierzchni ogrzewanego budynku. Szczegóły zależą od rodzaju kolektorów oraz warunków instalacji c.o. a przygotowanie dokładnego projektu i montaż należy powierzyć fachowcom. W lecie w układzie wykorzystującym energię słoneczną do ogrzewania domu będzie nadmiar energii, którą można wykorzystać od podgrzewania wody w basenie, można też zgromadzić nadmiar ciepła w zbiorniku, ostatecznie nadmiar energii cieplnej można przenieść do stawu lub do ziemi. Wymaga to dodatkowych nakładów finansowych. Koszt całej inwestycji nie jest mały i niestety zwraca się dopiero po kilku latach. Instalacje solarne projektuje się tak, żeby w półroczu letnim zapewniały 80 - 100% zapotrzebowania na ciepłą wodę, co daje średnio w ciągu roku 60%. Tyle więc zaoszczędzimy na zużyciu konwencjonalnych źródeł energii. Na południu Europy a nawet w Czechach i Słowacji, gdzie średnie nasłonecznienie jest nieco wyższe 1200-1300 kWh/m2/rok, energia słoneczna pozyskiwana jest już od kilkunastu lat i jest to najszybciej rozwijający się sektor energetyki odnawialnej.

Jedną z niewielu pozytywnych stron ocieplenia klimatu w naszym rejonie jest obserwowana w ostatnich latach zdecydowanie większa liczba słonecznych dni w roku. Jeżeli prognozowane zmiany klimatu będą postępowały instalacje solarne w naszym regionie powinny się rozrastać. Nowoczesne panele fotowoltaiczne, przetwarzające energię słońca na elektryczną, można budować w rożnym nachyleniu lub pionowo, na dachach i ścianach budynków, tarasach bądź wprost na ziemi. Panele pojawiają się już nie tylko na obiektach użyteczności publicznej typu szkoły, baseny, pensjonaty, są coraz częstsze na domach jednorodzinnych oraz na biurowcach. W Warszawie koncern RWE zamontował panele fotowoltaiczne na pionowych ścianach o łącznej mocy 12 kW. Instalacje będą produkować rocznie około 9750 kWh energii elektrycznej, która zasili biura. Władze firmy przeliczają, że tym samym zmniejszy się emisja CO2 o ponad 10 ton rocznie. Coraz częściej widzimy instalacje solarne, wykorzystujące energię słoneczną w skali przemysłowej lub tylko małe, przydomowe. Praktycznie każde z takich rozwiązań jest ekologicznie pozytywne gdyż oszczędza energię ze źródeł kopalnych.

Pod wieloma względami rok 2015 był przełomowy w rodzimej energetyce solarnej. Słoneczna aura dopingowała budowę wielu inwestycji solarnych. Moc działających w Polsce paneli fotowoltaicznych wzrosła wówczas do 71 MW, czyli aż o 240 %. Przemysłowe farmy solarne pracują w Kolnie na Podlasiu (o mocy 1,84 MW projekt zrealizowany w ramach projektu Podlasie Solar Park), w Gubinie koło Poznania (instalacja 6 tys. paneli solarnych, docelowo powierzchnia ogniw fotowoltaicznych wyniesie 7 ha o łącznej mocy 4 MW, co pozwala ona na zaspokojenie potrzeb na energię elektryczną około 800 gospodarstw domowych), w Ostrzeszowie, także w Wielkopolskie (farma o mocy 2 MW, 8 tysięcy modułów), farma fotowoltaiczna na terenie Zakładu Wodociągów i Kanalizacji w Szczecinie (moc 1,45 MW) , w Mrocznie, woj. warmińsko-mazurskie ( 980 kW). Kolejne ekologiczne elektrownie są w planach. Trwają prace nad ogromną farmą fotowoltaiczną w ramach projektu o mocy 100 MW Halemba PV. Ostatnio, w lutym tego roku, w Nowej Wsi koło Włocławka powstała pierwsza farma solarna w Polsce z magazynem energii. Produkcja będzie przeznaczona na potrzeby własne inwestora. 

Intensywny rozwój technologii solarnych, między innymi jak opracowanie przez polskich naukowców super cienkich przewodów elektrycznych pozwoli na umiejscowienie paneli na mniej dostępnych niż dotychczas powierzchniach. Dostępność ogniw fotowoltaicznych i wzrastające nasłonecznienie dają energetyce słonecznej największe zalety spośród znanych źródeł energii ekologicznej. Przyspieszy to także zwrot poniesionych na inwestycje kosztów, które w dalszym ciągu nie są niskie. Obecnie koszt przydomowej instalacji solarnej, dostarczającej prąd dla gospodarstw domowego (rodzina 4-6 osób) zwraca się po 8 – 10 latach.