Naturalne y
ródła Energii
ćwiczenia
Dr inż. Adam Mroziński
Pokój: Bud. 2.5/p. 320
Tel.: [phone], Sekretariat: 3408255
WWW: www.kmsios.utp.edu.pl
e-mail: [e-mail]
Katedra Maszyn Specjalnych i Ochrony Środowiska
WYDZIAA
MECHANICZNY
Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy
Warunki zaliczenia
" Referat z wybranego tematu - lista
tematów (podwyższenie oceny)
" Obecności
" Zaliczenie końcowe - kolokwium
Odnawialne z
ródło energii
Jest to
z
ródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię
słoneczną występującą w rozmaitych postaciach, w szczególności
promieniowania słonecznego, energii wiatru, czy biomasy, a także energię
kinetyczną płynącej wody i wewnętrzne ciepło Ziemi. Przy obecnym
poziomie cywilizacji technicznej za odnawialne
z
ródło energii można w
pewnym sensie uznać także tę część odpadów komunalnych
i przemysłowych, która nadaje się do energetycznego przetworzenia,
zwłaszcza tworzywa sztuczne.
Naturalne (Odnawialne) y
ródła Energii - z
ródła energii, których zasoby
same się odnawiają i z tego powodu są praktycznie niewyczerpalne. Przeciwieństwem ich są
nieodnawialne z
ródła energii, czyli z
ródła, których wykorzystanie postępuje znacznie szybciej
niż naturalne odtwarzanie.
Najważniejszym ze z
ródeł odnawialnych jest energia spadku wody. Pozostałe z
ródła
odnawialne - energia słoneczna, energia wiatru, biomasy, biogazu, pływów morskich, energia
geotermalna i inne - są używane na mniejszą skalę.
Trudno jednoznacznie zaliczyć energię jądrową i termojądrową do którejś z tych
kategorii. Ilości uranu i toru na Ziemi są właściwie niewyczerpalne - większość jednak znajduje
się w różnych skałach w bardzo niskich stężeniach - a jedynie nieliczne złoża o relatywnie dużym
ich stężeniu są dziś wykorzystywane. Jeszcze większe są ilości dostępnego deuteru - w tym
wypadku jednak występującego w dość wysokich stężeniach w wodzie oceanicznej. Zasoby te,
jakkolwiek duże by były, nie podlegają jednak samoistnej odnowie.
Energia odnawialna jest przez niektóre środowiska przedstawiana jako synonim
energii przyjaznej dla środowiska. Nie jest to jednak pełny obraz. Ze stosowanych dziś na dużą
skalę z
ródeł energii najmniejszy efekt ekologiczny ma energetyka jądrowa, duże szkody
wyrządzają zaś zarówno energetyka oparta na surowcach kopalnych - głównie w postaci
zanieczyszczeń atmosferycznych, jak i na energii spadku wody - przez zmiany w ekosystemach
spowodowane utworzeniem zapór i sztucznych zbiorników wody.
Sprzeciw wobec energetyki jądrowej, w środowiskach ekologicznych i w części
społeczeństw bierze się z obawy o wystąpienie awarii i skutków radioaktywnego skażenia
środowiska. Podnoszone są także argumenty, wskazujące na zwiększoną zapadalność na
nowotwory i inne schorzenia wśród mieszkańców osiedli położonych w pobliżu elektrowni
jądrowych.
Zalety z
ródeł odnawialnych:
" minimalny wpływ na środowisko,
" oszczędność paliw (eliminacja zużycia węgla, ropy i gazu w produkcji
energii elektrycznej),
" duże stale odnawiające się zasoby energii,
" stały koszt jednostkowy uzyskiwanej energii elektrycznej,
" możliwość pracy na sieć wydzieloną,
" rozproszone na całym obszarze kraju, co rozwiązuje problem transportu
energii, gdyż mogą być pozyskiwane w dowolnym miejscu oraz eliminuje
straty związane z dystrybucją i pozwoli uniknąć budowy linii
przesyłowych.
Analiza rozwoju energetyki do roku 2060 opracowana
przez koncern Shell
Struktura przyrostu mocy w energetyce
odnawialnej w Polsce do roku 2010 wg
Strategii rozwoju energetyki odnawialnej
Cieplownie geotermalne
Elektrociepłownie na drewno
Kotły indywidualne na biomasę
Ciepłownie automatyczne na slomę
Ciełownie automatyczne na drewno
Kolektory słoneczne wodne
Kolektory słoneczne powietrzne
Gaz wysypiskowy
Biogazownie rolnicze
Biogazownie komunalne
Systemy fotowoltaiczne
Male elektrownie wodne
Elektrownie wiatrowe
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
[MW]
Podstawowe cele zawarte w narodowej
Strategii rozwoju energetyki odnawialnej
" Cel ilościowy na rok 2020  14% w bilansie energii pierwotnej
" Cel ilościowy na rok 2010  7,5% w bilansie energii pierwotnej
 Nakłady inwestycyjne w latach 2000-2010: 14,5 -19,1 mld zł
 Środki publiczne: 230  310 mln zł/rok (15,7-16,4 %
całkowitych nakładów inwestycyjnych na instalacje OZE)
 Udział energii elektrycznej z OZE w bilansie zużycia energii
elektrycznej:7,5- 9,0- 12,5%
Udział produkcji energii elektrycznej z
poszczególnych OZE w Polsce  2010
Scenariusz OZE 7,5% Scenariusz środowiskowy 12,5 %
energetyka
wiatrowa
inne
inne
EC BREC 2001
33% EC BREC 2001
0%
0%
biomasa
udział energii z OZE w bilansie zużycia energii elektrycznej w %
udział energii z OZE w bilansie zużycia energii elektrycznej w %
energetyka
39%
wiatrowa
49%
energetyka
wodna
biogaz
biomasa
biogaz energetyka
3%
7%
60%
wodna
4%
5%
Przełamywanie barier rozwoju OZE
w Polsce
 BA

DNE KOA
O
Obszar
TECHNOLOGII OZE
współpracy z
przemysłem i
ośrodkami
naukowymi
Stymulowanie rynku
poprzez dotacje i
MAA
A SKALA WYSOKIE
Badania i rozwój
instrumenty prawne
technologii OZE
PRODUKCJI KOSZTY
Obszar
współpracy z
samorządami
terytorialnymi
w realizacji
inwestycji
Wysokość zewnętrznych środków
możliwych do pozyskania
na rozwój wykorzystania OZE w Polsce
Zestawienie szacunkowych kwot zewnętrznej pomocy publicznej dla energetyki
odnawialnej w Polsce w latach 2004 - 2006 (mln euro.).
Fundusze bilateralne
Środki z ekokonwersji
200
polskiego długu
Mechanizmy elastyczności
Protokołu z Kioto
150
Fundusz Globalnego
Środowiska GEF
Fundusze strukturalne i
100
spójności UE
6 Program Ramowy Badań i
50 Rozwoju UE
Program energetyczny UE
 Inteligent Energy for Europe
0
Program przedakcesyjny
2002 2003 2004 2005 2006
SAPARD
Program pomocowy PHARE
Lata
ENERGIA SA
ONECZNA
Promieniowanie słoneczne docierające do Ziemi
jest podstawowym z
ródłem energii we wszystkich
procesach fizycznych, chemicznych i biologicznych
zachodzących na powierzchni, atmosferze i wodach.
Rozróżnia się trzy rodzaje konwersji EPS. Rozróżnia
się trzy rodzaje konwersji EPS:
" konwersję fotowoltaiczną (przetworzenie EPS
bezpośrednio na energię elektryczną w ogniwach
fotowoltaicznych  PV),
" konwersję fototermiczną (przetworzenie EPS na
ciepło),
" konwersję fotochemiczną, w tym fotobiochemiczną, a
w szczególności fotosyntezę (przetworzenie EPS na
energię związaną z procesami chemicznymi).
Energia Promieniowania Słonecznego (EPS)
jest energią o ogromnym potencjale. Jej zasób jest
praktycznie niewyczerpalny (ok. 5 mld lat), a roczna
wartość energetyczna przewyższa potrzeby globalne
świata o ok. 15.000 razy
Na promieniowanie całkowite składa się:
Promieniowanie bezpośrednie - jest to krótkofalowe
promieniowanie o kierunku rozchodzenia się promieni w linii
prostej od słońca do powierzchni czynnej kolektora.
Promieniowanie rozproszone (dyfuzyjne) - promieniowanie to
powstaje w wyniku załamania, odbicia i częściowego pochłaniania
promieniowania bezpośredniego w atmosferze ziemskiej. Daje ono
barwę niebieską nieboskłonu w wyniku rozproszenia światła
słonecznego. Dodatkowo do promieniowania rozproszonego
zalicza się tzw. długofalowe promieniowanie atmosfery o znacznie
większej długości fali niż promieniowanie bezpośrednie i
rozproszone promieniowanie słoneczne. Jest ono emitowane przez
atmosferę niezależnie od pory doby.
Promieniowanie odbite od powierzchni ziemi i obiektów w pobliżu
absorbera kolektora słonecznego - jest to również promieniowanie
rozproszone, którego wielkość zależy od promieniowania
rozproszonego i bezpośredniego.
Zastosowanie energii słonecznej:
1. Wytwarzanie elektryczności  ogniwa fotowoltaiczne
2. Wytwarzanie ciepła
" Hotelach i pensjonatach, ośrodkach wypoczynkowych,
polach namiotowych
" W basenach i obiektach sportowych
wykorzystywanych w lecie
" W zakładach przemysłowych zużywających duże ilości
ciepłej wody
" Zakładach kąpielowych, łaz
niach
" W domach jednorodzinnych wykorzystujących energie
elektryczna do produkcji ciepłej wody
Koszt uzyskania ciepła z różnych nośników
Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii, wysyłany przez słońce. Do
zewnętrznych warstw atmosfery ziemskiej dociera moc 1,36 kW/m2 (tzw. stała
słoneczna). Promieniowanie słoneczne całkowite, docierające do powierzchni
Ziemi jest wypadkową promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. W naszej
strefie klimatycznej suma promieniowania bezpośredniego i rozproszonego
wynosi ok. 1,0 kW/m2. Kolektor słoneczny może przekształcić w ciepło użytkowe
Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.
do 75% promieniowania słonecznego całkowitego.
Zysk energii cieplnej z 1 m2 kolektora
słonecznego, w poszczególnych miesiącach
180
160
140
120
100
160,88
158,62
80
151,01
145,9
118,71
117,68
60
100,82
40
73,49
46,01
20 33,76
29,81
23,73
0
Zysk Energii [kW]
Maj
Luty
Lipiec
Marzec
Styczeń
Listopad
Sierpień
Kwiecieć
Czerwiec
Grudzień
Wrzesień
Paz
dziernik
Dostępność energii promieniowania słonecznego
Dostępność energii promieniowania słonecznego
Kolektory można podzielić na:
" płaskie
- gazowe
- cieczowe
- dwufazowe
" rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę
izolacji spełniają próżniowe rury)
" skupiające (prawie zawsze cieczowe)
" specjalne (np. okno termiczne, izolacja
transparentna)
Kolektor
płaski
Szyba solarna - najlepiej wykonana ze szkła o niskiej zawartości tlenków żelaza.
Raczej nie stosuje się pokryw z tworzyw sztucznych, gdyż niszczeją stosunkowo
szybko pod wpływem wysokich temperatur, promieniowania UV oraz mogą na
nich powstawać zarysowania, które obniżą przepuszczalność promieni
słonecznych. Zastosowanie pryzmatycznej szyby szklanej może znacznie
polepszyć wydajność kolektorów.
Absorber - główny element kolektora słonecznego. Powinien być wykonany z
metalu dobrze przewodzącego ciepło; najczęściej jest to miedz
(najlepiej) albo
aluminium. Metal ten jest pokryty substancjami, tworzącymi jego powłokę. W
zależności od rodzaju kolektora, może być to powłoka nieselektywna (bardzo
dobrze absorbuje ciepło, ale także dużo go emitują) lub selektywna (również
bardzo dobrze absorbuje ciepło, a jednocześnie ogranicza emisję). Powłoki
nieselektywne wykonuje się z czarnych lakierów, a selektywne w wyniku
galwanicznego nałożenia czarnego chromu. Oczywiście powłoki selektywne są
znacznie lepsze.
Rurki przylutowane do płyty absorbera, przez które przepływa ciecz robocza 
czynnikiem grzewczym jest płyn solarny produkowany na bazie glikolu
propylenowego.
Szczelna obudowa - najczęściej aluminiowa
Izolacja termiczna - Jako izolator stosuje się najczęściej wełnę mineralną lub poliuretan
Kolektor
próżniowy
Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.
Zalety kolektorów rurowych próżniowych:
wyższa wydajność w porównaniu do innych systemów, w
przekroju całorocznym
wysokie przychody ciepła już przy niewielkiej powierzchni
kolektora
optymalna wydajność także w przypadku nieprzychylnego
kąta padania promieni słonecznych
szczególnie długa żywotność rurki szklanej
wykorzystanie tzw." promieniowania rozproszonego"
poprzez zastosowanie specjalnie profilowanych
powierzchni lustrzanych
trwała konstrukcja
Zalety i wady kolektorów słonecznych
Zalety kolektora słonecznego:
- ogólnodostępna energia słoneczna,
- nieszkodliwy dla środowiska naturalnego,
- estetyczny "futurystyczny" wygląd,
- ciepła woda bez rachunków i opłat,
- wysoka sprawność energetyczna,
- możliwość uzyskania wysokiej temperatury wody w stosunkowo krótkim czasie,
- możliwość wspomożenia instalacji centralnego ogrzewania oraz innych instalacji
grzewczych z pompami ciepła,
- długi czas eksploatacji dzięki zastosowaniu materiałów odpornych na korozję,
- minimalne zużycie prądu przez układ regulacyjno-zabezpieczający,
- automatyczna regulacja bez ingerencji człowieka,
- system pracy - "konwekcyjny", bez udziału pomp wymuszających obieg,
- instalacja bezciśnieniowa,
- zwiększenie sprawności poprzez ewentualne zastosowanie obrotowej konstrukcji
kolektora,
- szybki zwrot kosztów inwestycji instalacji solarnej (3-8 lat)
Wady kolektora słonecznego:
- możliwość najefektywniejszego wykorzystania w
miesiącach kwiecień-wrzesień,
- niższa temperatura wody w miesiącach
paz
dziernik-marzec oraz podczas dni pochmurnych,
- stosunkowo wysokie wciąż jeszcze koszty
systemów solarnych w przypadku zestawu
obsługującego dom jednorodzinny, w którym
zamieszkują 4 osoby (w zależności od producenta,
ilości kolektorów oraz innych zastosowanych
urządzeń od 6-18 tyś. złotych)
Ustawienie kolektora
Nachylenie kolektora
Nachylenie kolektora
Ukierunkowanie kolektora
Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.
Sposoby montażu kolektorów słonecznych: a) w dachu jako element poszycia,
b) na dachu, c) na statywie umieszczonym na dachu, tarasie lub gruncie
Aby uzyskać najlepsze efekty (wydajność) kolektora należy:
� Stroną absorpcyjną powinien być zwrócony na południe
� Powinien być pochylony pod kątem 45 (jest to kąt  średni
 jeśli ma być używany tylko w miesiącach letnich powinien
być nachylony pod kątem 30 a jeśli w okresie zimowym kat
nachylenia powinien wynosić 60)
� Powinien być instalowany w miejscach nie zacienionych, a
w takich gdzie jest swobodny dostęp światła słonecznego.
Ważne jest to aby kolektor miał wysoki współczynnik
absorpcji najlepiej powyżej 0,95 oraz niski współczynnik
emisji  najlepiej poniżej 0,1.
Instalacja solarna
Instalacja solarna
Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.
Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.
Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.
Na podstawie szacunków Europejskiego Centrum Energii Odnawialnej.