Źródła energii odnawialnej Zasoby energii pierwotnej w Polsce Energia odnawialna, stan i perspektywy Energia słoneczna Energia geotermalna Energia wiatru Energia wodna Biomasa Termiczna utylizacja odpadów komunalnych Podsumowanie Literatura Wyszukiwarka |
Energia słonecznaPromieniowanie słoneczne jest niewyczerpywalnym źródłem energii w skali naszej cywilizacji. Wszystkie nośniki energii występujące na Ziemi z wyjątkiem energii paliw rozczepialnych i wnętrza Ziemi powstały w wyniku działania promieniowania słonecznego. Ta najbliższa gwiazda dzięki swojemu promieniowaniu umożliwia życie i rozwój wszystkich organizmów żywych na naszej planecie. Jego masa jest 330 tysięcy razy większa od masy Ziemi. Z powierzchni słońca do kuli ziemskiej dociera promieniowanie falowe o całkowitej mocy równej 1,75x1017 W. Wielkość ta jest 15 tysięcy razy większa od aktualnego zapotrzebowania na energie na naszym globie.Sposoby praktycznego wykorzystania energii słonecznej znajdziesz na tej stronie Na promieniowanie słoneczne składa się szerokie pasmo fal elektromagnetycznych - od ultrafioletu poprzez promieniowanie widzialne do podczerwieni. Ich udział procentowy w całkowitym promieniowaniu przedstawia się następująco: - promieniowanie widzialne 47 % - promieniowanie podczerwone 46 % - promieniowanie ultrafioletowe 7 %. Do górnej granicy atmosfery na 1 m2 powierzchni ustawionej prostopadle do promieni słonecznych dociera promieniowanie o mocy 1367 W. Jest to tak zwana stała słoneczna. Promieniowanie słoneczne ulega częściowemu pochłanianiu i rozpraszaniu przez gazy i różne cząstki w atmosferze ziemskiej. Przy braku zachmurzenia ilość promieniowania, które dociera do powierzchni Ziemi jest proporcjonalne do drogi jaką musi przebyć w atmosferze. Powoduje to zmiany w napromieniowaniu w różnych porach roku. Gdy słońce znajduje się nad zwrotnikiem Raka 21 czerwca ilość promieniowania docierająca do powierzchni Ziemi jest o 40 % większa niż 22 grudnia, gdy słońce osiąga zwrotnik Koziorożca. Ponadto każdego dnia można zaobserwować pozorny ruch słońca po nieboskłonie, który powoduje zmiany intensywności promieniowania słonecznego w ciągu dnia. Osłabienie napromieniowania zależy od zachmurzenia i zanieczyszczenia atmosfery. Do powierzchni Ziemi dociera promieniowanie słoneczne bezpośrednie, rozproszone i odbite. Promieniowanie bezpośrednie pochodzi od widocznej tarczy słonecznej. Promieniowanie rozproszone powstaje w wyniku wielokrotnego ugięcia i jest emitowane przez całą sferę. Promieniowane odbite związane jest z elementami krajobrazu i architektury. W szczególnych przypadkach może ono istotnie wpłynąć na ilość napromieniowania na danym obszarze (tafla wody, śnieg). Przy bezchmurnej pogodzie udział promieniowania bezpośredniego sięga 90 % promieniowania całkowitego. Wówczas może ono osiągnąć w warunkach polskich 1050 W/m2. Przy pełnym zachmurzeniu wartość ta spada do około 100 W/m2 i składa się tylko z promieniowania rozproszonego. Istotnym zagadnieniem jest kąt padania promieniowania słonecznego na daną płaszczyznę. Dokładne ustalenie jego optymalnej wartości wymaga analizy ruchu Słońca po nieboskłonie. Pozycje Słońca można ustalić za pomocą dwóch danych: wysokości Słońca nad horyzontem Hs i azymutu ys podawanych w stopniach. Parametry te są zależne od pory roku i dnia. W Polsce Słońce osiąga maksymalną wysokość 61,4° 21 czerwca, zaś minimalną 14,6° 22 grudnia. Oczywiste jest, że najwyższe napromieniowanie otrzymuje płaszczyzna ustawiona zawsze prostopadle do promieni słonecznych. Pociąga to za sobą konieczność montażu urządzeń do sterowania mechanicznego instalacją słoneczną, co obniża jej sprawność energetyczną i jednocześnie zwiększa ryzyko awarii części ruchomych mechanizmu. Urządzenia takie nazywane są heliostatami. Zamiast drogich heliostatów stosuje się okresową zmianę kąta nachylenia płaszczyzny kolektorów do poziomu przy zachowaniu ekspozycji południowej. Tabela 1 przedstawia jak zmienia się napromieniowanie w poszczególnych miesiącach na szerokości geograficznej Warszawy - 52°, dane dla południa słonecznego i bezchmurnego nieba. Projektując instalacje słoneczną skierowaną na południe ze zmiennym kątem nachylenia ważnym parametrem jest dobranie jego optymalnej wartości, tak aby uzyskać możliwie największą moc grzewczą. Tabela 2 przedstawia optymalne wartości nachylenia kolektorów słonecznych do poziomu w warunkach Polski. W rzeczywistości z niewielką stratą można przyjąć kąt nachylenia kolektorów równy 30° w miesiącach od maja do sierpnia oraz 60° w sezonie zimowym. W takim przypadku mamy zapewniony odpowiednio sześcio i pięciogodzinny odbiór energii słonecznej. Osobnym zagadnieniem jest celowość wykorzystania takich instalacji w zimie ze względu na znacznie mniejsze nasłonecznienie, niskie temperatury powietrza oraz większą niż w lecie prędkość wiatru. Urządzenia wykorzystujące energię słonecznąKolektory słoneczneKolektory słoneczne dzielą się na dwie grupy ze względu na temperaturę czynnika przenoszącego ciepło. Są to kolektory:- niskotemperaturowe (do 100°C) płaskie - wysokotemperaturowe (powyżej 100°C) kolektory skupiające. Kolektory płaskie zbudowane są z absorbera, którym jest płyta stalowa, miedziana lub aluminiowa wyposażona w system przepływu czynnika grzewczego. Jako czynnik grzewczy zazwyczaj stosuje się wodę lub roztwory wody z cieczami o niskiej temperaturze zamarzania. Stosuje się też kolektory wykorzystujące jako medium powietrze - głównie w instalacjach do ogrzewania pomieszczeń. Płyta absorbera działa jak wymiennik ciepła. Jego powierzchnia pokryta jest czernią selektywną, która jest czarna w zakresie promieniowania krótkofalowego dochodzącego od słońca, a biała dla w zakresie promieniowania podczerwonego jakie emituje absorber. Dzięki temu znacznie obniża się straty ciepła na promieniowanie cieplne absorbera. Płyta absorbera jest zaizolowana od strony tylnej i bocznej. Od strony napromienianej absorber osłonięty jest osłoną przezroczystą, jedną lub dwoma. Wykonane są one ze szkła o wysokiej przepuszczalności promieni słonecznych lub ze specjalnych tworzyw sztucznych. Absorber oddaje ciepło czynnikowi grzewczemu, który przekazuje je do zbiornika z wodą użytkową. Kolektory skupiające składają się z wielu parabolicznych zwierciadeł, wyposażonych w system śledzenia słońca, tak aby odbite promienie słoneczne skierowane były na wymiennik ciepła. W tego typu instalacjach słonecznych ze względu na wysokie temperatury czynnika grzewczego można wytworzyć parę do produkcji prądu elektrycznego. Wadą tej instalacji jest to, że system sterowania zwierciadłami obniża sprawność takiej elektrowni, a okresowe zaniki promieniowania słonecznego zmuszają do zastosowania równoległej instalacji grzewczej opartej na tradycyjnych nośnikach energii. Istnieją również pasywne systemy ogrzewania słonecznego. W przeciwieństwie do kolektorów nie wymagają one czynnika grzewczego oraz charakteryzują się niskimi kosztami. Idea systemów biernych polega na uwzględnieniu promieniowania słonecznego i jego wpływu na bilans energetyczny budynku już w trakcie projektowania jego konstrukcji. Są obecnie prowadzone badania nad materiałami budowlanymi, które miałyby dużą zdolność absorbowania energii słonecznej i jej akumulacji. Budynek wykonany z takich materiałów charakteryzowałby się obniżonym zapotrzebowaniem na ciepło. Systemy fotowoltaiczneBezpośrednią przemianę energii słonecznej na elektryczną umożliwiają ogniwa fotowoltaiczne. Ogniwo takie jest diodą półprzewodnikową, w której pod wpływem światła powstaje napięcie elektryczne. Jeśli złącze typu p-n zostanie oświetlone to w wyniku dostarczenia energii w postaci światła w półprzewodniku zostaną wygenerowane pary nośników ładunku elektrycznego elektron-dziura. Nośniki te w wyniku działania pole elektrycznego działającego w złączu rozdzielają się. W efekcie otrzymujemy nadmiar elektronów po stronie n i dziur po stronie p co jest bezpośrednim powodem powstania napięcia elektrycznego. Rysunek 1 przedstawia schematycznie budowę ogniwa słonecznego. Zbudowane jest ono z płytki krzemowej typu p o grubości około 300 mikrom. Złącze uzyskuje się metodą dyfuzji atomów fosforu do krzemu. Warstwa dyfuzyjna (typu n) ma grubość około 0,2 mikrom. Na górnej powierzchni znajduje się elektroda, która powinna zajmować jak najmniejszą powierzchnię w stosunku do powierzchni całego ogniwa.System fotowoltaiczny składa się z kilku części: - układu ogniw, - elektronicznego urządzenia sterującego, - systemu magazynującego energię (akumulator). Wydajność całego układu jest iloczynem wydajności poszczególnych składowych systemu i wynosi obecnie około 5 - 8 %. Same baterie słoneczne wykonane z krzemu polikrystalicznego mają sprawność na poziomie 14 - 17 %, z krzemu monokrystalicznego 17 - 22 %, a wykonane z monokrystalicznego arsenku galu 27 - 29 %. Najtańsze w produkcji ogniwa z krzemu amorficznego mają sprawność 8 - 12 % i charakteryzują się małą stabilnością parametrów. Układy fotowoltaiczne mogą działać w następujących systemach: - jako generator podłączony do sieci elektrycznej bez możliwości magazynowania energii, - jako autonomiczny generator z magazynowaniem energii, - w układzie hybrydowym składającym się z generatora fotowoltaicznego oraz generatora na gaz lub ropę. Obecnie najpopularniejsze zastosowanie fotowoltaiki to systemy wolnostające średniej skali o mocy kilku W do kilku tysięcy W. Stosowane są w terenach trudno dostępnych lub odległych od sieci energetycznych. Ich jedyną wadą jest wciąż jeszcze wysoki koszt inwestycyjny w porównaniu z energią ze źródeł tradycyjnych. Natomiast do zalet należą: cicha i niezawodna praca oraz brak emisji szkodliwych substancji do atmosfery. Charakteryzują się dużą mobilnością co zwiększa ich potencjalne zastosowanie. Obecnie następuje duży rozwój instalacji fotowoltaicznych w Unii Europejskiej, Stanach Zjednoczonych i Japonii. W krajach tych uzyskuje się rocznie od 1000 do około 2000 kWh energii elektrycznej z ogniw słonecznych na jednego mieszkańca. W Polsce generatory fotowoltaiczne nie zyskały do tej pory szerszego zainteresowania ze względu na tańszą energię z węgla i niezbyt duże nasłonecznienie. Zasoby energii słonecznej w PolsceAby określić zasoby energetyczne promieniowania słonecznego należy określić natężenie promieniowania, sumy godzinnego, dziennego, miesięcznego i rocznego promieniowania słonecznego oraz czas nasłonecznienia. Za czas nasłonecznienia przyjmuje się okres kiedy natężenie promieniowania słonecznego przekracza 200 W/m2. W poszczególnych latach nasłonecznienie może się wahać od średnich wartości o 12 %, co świadczy o równomiernym nasłonecznieniu w przeciągu szeregu lat. Na terenie Polski istnieją niewielkie różnice regionalne w zasobach energii słonecznej, przykładowe dane prezentuje tabela 3 oraz rysunek 2 . Największe nasłonecznienie występuje na terenie wybrzeża oraz na krańcach wschodniej Polski. Najmniejszy dopływ energii słonecznej występuje na południu Polski, ale jest to równocześnie teren o największym nasłonecznieniu w miesiącach zimowych. Wykorzystanie energii słonecznej w Polsce ogranicza się do stosowania nielicznych instalacji do uzyskiwania ciepłej wody oraz w rolnictwie w procesach suszenia płodów rolnych.Strona Główna |
|