Niekonwencjonalne Źródła Energii

Niekonwencjonalne źródła energii

OZE

Aby ograniczyć zapotrzebowanie na surowce kopalne celowym wydaje się zastąpienie ich odnawialnymi źródłami enerii.

Odnawialne źródła energii:

kolektory słoneczne,
PV,
elektrownie wiatrowe,
elektrownie wodne,
geotermia.

Energia z takich OZE pomniejsza znacząco zapotrzebowanie na surowce kopalne oraz zmniejsza energię jaka powinna być wyprodukowana z biomasy.

Warto zwrócić uwagę na biogaz, a przede wszystkim biogaz uzyskiwany z celowo uprawianej biomasy, która odgrywa wiodącą rolę jako przyszłościowe źródło energetyczne wielu krajów.

POMPY CIEPŁA

Pompy ciepła - zasada działania, rodzaje, zastosowanie

Pompa ciepła jest to urządzenie, które umożliwia wykorzystanie energii cieplnej zgromadzonej w środowisku naturalnym. Odbiera ona ciepło z tzw. dolnego źródła ciepła o niskiej temperaturze (powietrze, grunt, woda) i przekazuje do górnego źródła ciepła o wysokiej temperaturze (instalacje CO, CWU) kosztem energii elektrycznej użytej do napędu sprężarki.

Zasada działania pompy ciepła opiera się na lewobieżnym obiegu termodynamicznym (odwrotnym cyklu Carnota). W zamkniętym procesie obiegowym zachodzą stałe zmiany stanu fizycznego ekologicznego czynnika roboczego (np. R134, R407C), który podlega przemianom z postaci ciekłej na gazową i odwrotnie-parowaniu, sprężaniu, skraplaniu i rozprężaniu, umożliwiając tym samym przepływ energii cieplnej ze źródła dolnego do górnego.

Pompa ciepła działa analogicznie do lodówki. Różnica polega na tym, że lodówka pobiera ciepło ze swojego wnętrza a pompa z zewnętrznego źródła ciepła.

PODSTAWOWE POJĘCIA

Dolne źródło ciepła
Źródło ciepła, z którego pompa czerpie większość energii. Mogą nim być wody zarówno powierzchniowe jak i podziemne, grunt oraz powietrze. Dolnym źródłem mogą też być odpady przemysłowe, oczyszczalnie ścieków, spaliny itp.

Górne źródło ciepła

jest to medium, któremu pompa oddaje ciepło. Najczęściej woda w instalacji centralnego ogrzewania lub ciepła woda użytkowa.

Kolektor

Urządzenie służące do pobierania ciepła z dolnego źródła.

Parownik

Element pompy ciepła, w którym następuje oddawanie ciepła z dolnego źródła do czynnika roboczego. Wymiana odbywa się przez odparowanie czynnika roboczego w niskiej temperaturze i przy niskim ciśnieniu.

Skraplacz

Element pompy ciepła, w którym następuje przekazanie energii cieplnej czynnika roboczego pompy do instalacji grzewczej obiektu. Wymiana odbywa się przez skraplanie czynnika roboczego o wysokiej temperaturze i w wysokim ciśnieniu.

Sprężarka

Bardzo istotny element pompy ciepła. Pobiera energię elektryczną, służy do zwiększania ciśnienia czynnika roboczego pompy. Sprężanie czynnika odbywa się po pobraniu ciepła przez czynnik roboczy w parowniku i przed oddaniem ciepła w skraplaczu.

Zawór rozprężny

element pompy ciepła między skraplaczem i parownikiem służący do obniżenia ciśnienia czynnika roboczego do parametrów w których możliwe jest jego parowanie. Zawór rozprężny reguluje również ilość środka chłodzącego w zależności od obciążenia skraplacza.

COP - współczynnik efektywności

jest to stosunek energii wytworzonej przez pompę do energii pobranej głównie przez sprężarkę. W zależności od rodzaju pompy i przyjętych założeń eksploatacyjnych przyjmuje on wartości z zakresu 3 – 5. Wartość 5 oznacza, że pompa oddaje 5 razy więcej energii niż pobiera.

Cykl pracy pompy ciepła składa się z czterech kroków.

I. Parowanie

Do parownika trafia chłodny czynnik roboczy, jest to najczęściej ciekły freon lub amoniak o niskim ciśnieniu. Pod wpływem ciepła dostarczonego z dolnego źródła czynnik roboczy paruje.

II. Sprężanie

Będąc pod postacią gazową trafia on do sprężarki, która wykorzystując energię elektryczną podnosi ciśnienie i temperaturę czynnika roboczego.

III. Skraplanie

Dalej czynnik roboczy pod postacią gazu o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu trafia do skraplacza gdzie zmienia stan skupienia oddając energię cieplną do górnego źródła ciepła – instalacji grzewczej.

IV. Rozprężanie

Po wyjściu ze skraplacza czynnik roboczy jest cieczą o niskiej temperaturze ale o wysokim ciśnieniu. Przed powrotem do parownika ciśnienie obniżane jest w zaworze dławiącym.

Rodzaje pomp ciepła w zależności od dolnego źródła ciepła

Dolne źródło ciepła jest jednym z najistotniejszych elementów systemu.

Powinno się ono charakteryzować przede wszystkim niezmiennością temperatury
w ciągu roku. Najczęściej wykorzystywane dolne źródła ciepła to:

Grunt - można tu rozróżnić układ z gruntowym wymiennikiem ciepła poziomym oraz pionowym
Woda (studnie, jeziora, rzeki) – są to najbardziej efektywne źródła energii dla pompy ciepła
Powietrze – Wykorzystywane głównie w układach przygotowania CWU
Ciepło odpadowe – powietrze wentylacyjne, ścieki
Procesy chłodnicze – komory chłodnicze, wytwarzanie wody lodowej, klimatyzacja

Grunt - woda

Pompa ciepła grunt - woda jest konstruowana z wykorzystaniem gruntowego wymiennika ciepła poziomego lub pionowego.

Gruntowy wymiennik poziomy - kolektor poziomy

Kolektor poziomy jest budowany z rur polietylenowych PE odpornych na nacisk o średnicy jednego cala. Rury są układane w wykopanych rowach na głębokości 1,6m (jest to uzależnione od strefy przemarzania gruntu. W naszej strefie klimatycznej temperatura gruntu waha się w zakresie od 7 do 12ºC. Pomiędzy rurami stosuje się odstępy 0,5-0,8 m. Przy założeniu, że do ogrzania domu potrzeba około 50 W/m2, kolektor płaski powinien zajmować powierzchnię 1,5 do 5 razy większą niż powierzchnia domu.

Odmianą poziomego wymiennika ciepła jest kolektor spiralny. Rury tego wymiennika układane są spiralnie w wykopach o szerokości min. 80 cm. Odległość pomiędzy rowami nie może być mniejsza niż 3 m. Jednak kolektor spiralny wymaga takiej samej powierzchni działki jak kolektor płaski.

Zalety kolektora poziomego:

mała zależność pogodowa
prostota wykonania
brak konieczności stosowania specjalistycznego sprzętu

Wady kolektora poziomego:

duży obszar zajmowanego terenu
skrócony czas wegetacji roślin na terenie nad kolektorem
duże opory hydrauliczne, większe koszty pompowania glikolu

Gruntowy wymiennik pionowy – kolektor pionowy

Kolektor pionowy odzyskuje ciepło z głębszych warstw ziemi. Najczęściej wykonuje się go z rur polietylenowych układanych w ziemi w kształcie U- rury, które umieszcza się w pionowych odwiertach połączonych szeregowo lub równolegle. Głębokość odwiertów waha się od od 20 – 100 m. Z tego zakresu głębokości można uzyskać temperaturę zasilania 6-8°C. Z jednego odwiertu można uzyskać 30-100 W energii cieplnej. Jedną z większych zalet pionowych wymienników gruntowych w porównaniu z kolektorami poziomymi jest to, że wymagają znacznie mniejszych powierzchni terenu oraz mają znikomy wpływ na wyziębienie gruntu na powierzchni. Pionowe wymienniki gruntowe mogą służyć również jako źródło wody lodowej dla celów klimatyzacji.

Zalety kolektora pionowego:

brak zależności pogodowej
wysoka efektywność
mała dewastacja terenu
niskie opory hydrauliczne, niskie koszty pompowania glikolu

Wady kolektora pionowego:

potrzeba stosowania specjalistycznego sprzętu
potrzeba zezwoleń wodno-prawnych dla kolektorów powyżej 30 m głębokości

Woda-woda

Pompa ciepła typu woda – woda jest konstruowana z wykorzystaniem wody jako dolnego źródła ciepła. Najczęstszym rozwiązaniem jest system dwóch lub większej liczby studni: jednej czerpalnej i jednej lub kilku zrzutowych. Studnia czerpalna służy do poboru wody gruntowej, druga do odprowadzania wody schłodzonej. Głębokość studni w typowych warunkach geologicznych wynosi 6 – 30 m (na wykonanie głębszej studni potrzebne jest zezwolenie wodno – prawne). Odległość między studnią czerpalną i studnią zrzutową powinno wynosić minimum 15 m, aby nie dopuścić do zmieszania się wody chłodnej z wodą czerpalną. System woda – woda jest najtańszym rozwiązaniem, jednak nie zawsze warunki geologiczne są korzystne dla tego systemu.

Zalety:

niska zależność pogodowa
mała dewastacja terenu
niskie opory hydrauliczne, a więc niskie koszty pompowania glikolu
niskie koszty dolnego źródła przy istniejących zasobach wodnych

Wady:

wysokie wymagania co do jakości wody (żelazo, mangan, twardość wody)
wysokie koszty wykonania studni
ograniczony czas eksploatacji studni czerpalnej i zrzutowej (15-20 lat)

Powietrze-woda

Pompa ciepła typu powietrze – woda jest konstruowana z wykorzystaniem powietrza atmosferycznego. Takie rozwiązanie techniczne przynosi najlepsze efekty, gdy wykorzystuje się powietrze wentylacyjne. W tym układzie należy się liczyć z koniecznością zastosowania dodatkowego źródła ciepła, ponieważ pompa ciepła typu powietrze – woda pracuje efektywnie do temperatury zewnętrznej -5ºC.

Zalety:

szybka instalacja
niskie koszty wykonania dolnego źródła

Wady:

wysoka zależność pogodowa

PODSUMOWANIE – WNIOSKI

Pompa ciepła to najtańsze eksploatacyjnie źródło ciepła, gdyż 75% energii pozyskujemy za darmo z gruntu lub wody, jedynie 25% należy dostarczyć jako energię elektryczną. Oczywiście do kosztów należy doliczyć energię potrzebną do utrzymania układu w stanie pracy. Przyjmuje się orientacyjnie, że koszt ogrzewania domu pompą ciepła jest niższy o około 75% od ogrzewania elektrycznego, 50% od ogrzewania olejem opałowym i 25% gazem ziemnym.

Istnieje generalna zasada, iż pompy ciepła należy montować możliwie jak najbliżej dolnego i górnego źródła ciepła. Ponieważ wyglądem i parametrami zabudowy nie odbiegają one od tradycyjnych urządzeń grzewczych należy je lokalizować w podobnych miejscach przewidzianych w projekcie - pomieszczeniach piwnicznych pomieszczeniach gospodarczych. Istnieją pompy ciepła, które mogą być montowane na powietrzu lub umieszczone w gruncie. W nowo powstających budynkach z całą pewnością pompa ciepła może być jedynym źródłem ogrzewania i energii potrzebnej do przygotowania ciepłej wody. W budynkach już istniejących należałoby na etapie przygotowania dokonać przeglądu istniejącej instalacji mając na względzie wydajność grzejników, średnice, jakość przewodów, mogące powstać straty a także możliwości adaptacyjne. Często w takich przypadkach zachodzi konieczność stosowania systemu biwalentnego uwzględniającego stosowanie starego systemu jako uzupełnienie zapotrzebowania na ciepło w okresach największych mrozów.

Wiadomo, iż koszt inwestycji związanej z montażem układu pompy ciepła jest wyższy o około 30% od dobrej instalacji kotłowej zasilanej gazem lub olejem, jednak jak zawsze na samym początku należy dokonać bilansu kosztu zakupu z późniejszą efektywnością zamontowanego urządzenia. O ile koszty przemawiają za tradycyjnym źródłem ciepła to już efektywność szczególnie w kontekście wieloletniej eksploatacji przechyla szalę zdecydowanie na korzyść pomp ciepła. Należy wziąć także pod uwagę fakt drożejącej systematycznie energii, który jest spowodowany zwiększonym na nią zapotrzebowaniem i jednocześnie kurczącymi się jej zapasami. Stąd od dłuższego już czasu udoskonala się urządzenia wykorzystujące naturalne i bezpieczne źródła energii które jednocześnie są bardzo ekologiczne gdyż w procesie pracy nie są spalane paliwa dlatego tez nie powstają żadne emisje szkodliwych substancji.

Idealnym rozwiązaniem jest gdy decyzję o montażu pompy ciepła podejmujemy na etapie kupna działki i projektowania domu. Pozwala to na dobór dolnego źródła ciepła z większą swobodą. Dobór ten warunkuje późniejsze zagospodarowanie działki i optymalną lokalizację źródła ciepła w stosunku budynku i jego pomieszczeń gospodarczych. W sytuacji gdy mamy budynek posadowiony na już zagospodarowanej działce problem rozwiązuje się po przez taki dobór sposobu pozyskiwania ciepła by zachować normy odległościowe a jednocześnie dopasować się do istniejącej sytuacji ze względu na możliwości wykonania i poprowadzenia instalacji np. zamiast kolektora poziomego stosuje się układ pionowy.

Ziemia jako źródło ciepła

Ziemia ogrzewana promieniami słonecznymi stanowi niewyczerpane źródło energii cieplnej o niskiej temperaturze. Na głębokości 15 m. temperatura gruntu przez cały rok jest stała i wynosi ok. 10 stopni C. a wód gruntowych od 8 do 12 o C. Źródłem ciepła wykorzystywanym do ogrzewania obiektów może być także powietrze (również o temperaturze poniżej 0 o C). Urządzenie które podnosi temperaturę pobranego ciepła z otoczenia do poziomu temperatury wymaganego dla celów grzewczych nazywamy "pompą ciepła".

Systemy grzewcze z pompami ciepła

Pompy ciepła pracują w miejscu swego zastosowania zupełnie bez emisji. Nie produkują one sadzy, spalin. i wszelkich innych trujących szkodliwych produktów ubocznych. Z tego powodu możecie Państwo z jednej strony w DOMOWEJ kotłowni suszyć białe pranie i w ten sposób racjonalnie wykorzystać to pomieszczenie. Z drugiej strony nie powstają żadne odpady i substancje szkodliwe, które mogłyby zagrozić zdrowiu człowieka (czad) oraz zanieczyścić otoczenie (popiół). Także Państwa sąsiedzi będą wdzięczni za wkład w globalną ochronę środowiska. W ten sposób możecie Państwo przez cały rok wykorzystywać gospodarczo darmową energię słoneczną.

Zasada działania pompy ciepła:

Sprężarkowa pompa ciepła działa identycznie, jak klasyczne sprężarkowe urządzenie chłodnicze, czyli lodówka. Inny jest tylko sposób zagospodarowania uzyskiwanego ciepła i "zimna". W pompie ciepła parownik służy do pozyskiwania, przy niskiej temperaturze, ciepła z ziemi lub otoczenia. W skraplaczu to samo ciepło oddawane jest, przy wyższej temperaturze, do ogrzewanego medium. "Pompowanie ciepła" od niższej do wyższej temperatury jest realizowane w zamkniętym obiegu termodynamicznym, w którym krąży w sposób ciągły czynnik roboczy, będący nośnikiem energii cieplnej. "Pompowanie ciepła" odbywa się kosztem energii elektrycznej zużywanej przez sprężarkę. O efektywności transformacji ciepła (stosunek ilości energii cieplnej uzyskanej w skraplaczu pompy do ilości energii doprowadzonej do napędu sprężarki), decyduje różnica między temperaturami górnego i dolnego źródła. Mniejsza różnica powyższych temperatur gwarantuje wyższą efektywność pracy pompy ciepła. Dlatego też, pompa ciepła najefektywniej pracuje w układach grzewczych niskotemperaturowych (w których dla uzyskania temperatury komfortu w pomieszczeniach, wystarczająca jest temperatura zasilania grzejników rzędu 35°C - 45°C), przy współpracy z dolnym źródłem ciepła o temperaturze około 0 stopni C Pompa ciepła jest nowoczesnym i w pełni bezobsługowym urządzeniem, które samodzielnie może ogrzewać dom i zapewnić ciepłą wodę użytkową. Latem przy odpowiednim wykonaniu układu hydraulicznego pompa ciepła może zapewnić chłodzenie domu.

Efektywność:

Prawie 90% zużywanej w gospodarstwach domowych energii przeznacza się na cele grzewcze. I tutaj głównie należy szukać środków prowadzących do obniżenia kosztów eksploatacji mieszkań.

Średnioroczny współczynnik efektywności pracy pompy ciepła (h), zmierzony jako stosunek energii cieplnej uzyskanej (Q), do energii elektrycznej pobranej przez silnik sprężarki (En), wyraża się zależnością: h = Q/En [kW/kW] i wynosi:

- ok. 3,5 przy poborze ciepła z gruntu,
- większy od 3,5 przy poborze ciepła ze studni głębinowej,
- większy od 4,5 przy odzysku ciepła z procesów technologicznych.

Podstawowe zalety pomp ciepła

1. MAŁE KOSZTY EKSPLOATACYJNE:

Około ³/₄ energii grzewczej pochodzi z otoczenia i jest za darmo. Średni roczny koszt ogrzewania domu jednorodzinnego o powierzchni 150 m² wynosi ok. 1500 zł

2.NIEZALEŻNOŚĆ:

Własna energia zamiast uzależnienia z "zewnątrz"! Źródło ciepła dla pomp ciepła - zmagazynowana energia słoneczna z powietrza, wody i gruntu - znajdują się, bez względu na wszelkie kryzysy, w naszym zasięgu do nieograniczonego wykorzystania. Jeżeli pomyśli się o skutkach kryzysów w gospodarce naftowej i gazowej, to pozna się niebezpieczne uzależnienie od zagranicy jako dodatkowy współczynnik ryzyka.

3.WYGODA:

System grzewczy pompą ciepła pracuje cicho, automatycznie i nie wymaga konserwacji. Nie wymaga tankowania oleju, czyszczenia palenisk, serwisu urządzeń grzewczych. Wygodna regulacja spełnia automatycznie wszystkie Państwa wymagania. Niskotemperaturowe ciepło zapobiega również zwiększonym zawirowaniom powietrza i kurzu.

4.BEZPIECZEŃSTWO NA PRZYSZŁOŚĆ:

Pompy ciepła są dzisiaj najnowocześniejszym systemem grzewczym. Po piecach drzewnych i węglowych, ogrzewaniu koksowym i olejowym, pompy ciepła zastępują dziś również ogrzewanie gazowe. Nowoczesna i wartościowa technika oznaczają bezpieczeństwo. Poza tym powstaje pytanie, czy za 20 lat będziecie Państwo sobie mogli jeszcze pozwolić na dotychczasowy sposób ogrzewania. Już dzisiaj, przy prawidłowym zaprojektowaniu ogrzewania, pompy ciepła są źródłem ogrzewania o najniższych kosztach eksploatacyjnych. Ale to jeszcze nie wszystko: przy każdej podwyżce cen energii ogrzewanie przy pomocy pomp ciepła staje się względnie coraz tańsze, ponieważ zwiększają się oszczędności w stosunku do oleju i gazu, jako że w przypadku pomp ciepła ³/₄ energii pozostaje darmowe, nawet wtedy, gdy drożeje prąd. Źródła energii dla pomp ciepła są czasowo i ilościowo nieograniczone, podczas gdy nośników ciepła jak ropa, gaz itd. jest coraz mniej, przez co stają się one coraz bardziej kosztowne.

BIOMASA

Biomasa:

To produkty podatne na rozkład biologiczny oraz frakcje, odpady i pozostałości przemysłu rolnego (łącznie z substratami roślinnymi i zwierzęcymi), leśnictwa i związanych z nim gałęzi gospodarki, jak również podatne na rozkład biologiczny frakcje odpadów przemysłowych i miejskich (Dyrektywa 2001/77/WE).

Biomasa

Biomasą nazywamy substancję organiczną powstającą w wyniku procesu fotosyntezy. Wielkość zasobów biomasy na danym terenie zależy od intensywności nasłonecznienia oraz jakości (czystości) gleby i wody. Biomasa jest niczym innym jak zakumulowaną w postaci roślin energią słoneczną. W Polsce możliwe jest uzyskanie około 10 ton biomasy z 1 ha użytków rolnych. Stanowi to równowartość 5 ton węgla kamiennego. W wyniku spalania biomasy, do atmosfery przedostaje się dwutlenek węgla, ale tylko w takiej ilości jaka została pochłonięta przez rośliny podczas wegetacji. Właściwość ta jest istotną zaletą biomasy jako paliwa gdyż jej spalanie nie zwiększa ogólnej emisji gazu cieplarnianego jakim jest dwutlenek węgla.

Biomasa, szczególnie odpady drzewne i rolnicze, mogą być bezpośrednio spalane w odpowiednio przystosowanych do tego typu paliw kotłach. Jest to najprostsze rozwiązanie wykorzystania biomasy. W bardziej złożonych przypadkach przetwarza się rośliny na biopaliwa. Źródłem takich paliw mogą być rośliny oleiste takie jak słonecznik, rzepak, soja i orzeszki ziemne. Z innych roślin - ziemniaków, buraków cukrowych i trzciny cukrowej można uzyskać alkohol, który można dodawać do benzyny (do 10%). W Polsce przewiduje się, że do celów energetycznych największe zastosowanie będą miały produkty i odpady rolnicze i leśne takie jak:
- słoma roślin zbożowych,
- gałęzie ze ścinek sadów i inne odpady produkcji roślin i warzyw,
- alkohole z ziemniaków, buraków cukrowych, zbóż jako dodatek do beznyn silników gaźnikowych,
- olej rzepakowy jako paliwo do silników wysokoprężnych,
- biogaz z nawozu organicznego produkcji zwierzęcej,
- biogaz z osadów ściekowych, odpadów komunalnych płynnych i stałych,
- drzewa i gałęzie ze ścinek i cięć sanitarnych lasów,
- gałęzie z cięć produkcyjnych,
- odpady z przemysłu drzewnego, trociny itp.,
- plantacje lasów energetycznych liściastych.

     Przydatność biopaliw można określić na podstawie ich wartości opałowej, która w najgorszym przypadku stanowi około 50 % wartości opałowej węgla kamiennego. Jest to więc paliwo o znaczącej kaloryczności, a ponadto mniej uciążliwe dla środowiska naturalnego. Istotną zaletą energii uzyskanej z biomasy jest również jej koszt uzyskania, który jest porównywalny z energią ze źródeł tradycyjnych, a niejednokrotnie jest niższy. Przykładem może być biogaz uzyskiwany z wysypiska, którego koszt pozyskania wynosi od 7 do 25 gr/m3 gazu w zależności od wielkości ujęcia.
Typowe wartości opałowe produktów biomasy wynoszą:
- słoma żółta 14,3 MJ/kg,
- słoma szara 15,2 MJ/kg,
- drewno odpadowe 13 MJ/kg,
- etanol 25 MJ/kg.
     Przy średniej kaloryczności węgla na poziomie około 25 MJ/kg, wartość opałowa biopaliw wydaje się być atrakcyjna. Istnieją już w Polsce pierwsze instalacje grzewcze opalane słomą. Produkcje słomy ocenia się na około 25 mln ton rocznie co stanowi już znaczny potencjał energetyczny ( odpowiada to 12,5 mln ton węgla kamiennego). Spalanie słomy jest ekonomiczne tylko w miejscu jej wyprodukowania, dlatego przewiduje się iż, będzie ona jedynie lokalnym źródłem energii, głównie dla celów ogrzewania małych i średnich gospodarstw rolnych. Drugim znaczącym biopaliwem w Polsce jest drewno. Istnieją duże zasoby odpadów drzewnych, które dotychczas były marnowane poprzez spalanie ich na wolnym powietrzu. Źródłami odpadów drzewnych w większości są małe, prywatne warsztaty stolarskie i tartaki. Dużą ilość drewna uzyskuje się również w wyniku pielęgnacji lasów państwowych i zieleni miejskiej. Zasoby drewna odpadowego z samych tylko lasów oceniane są na poziomie 20 mln m3. Rozważa się założenie plantacji roślin szybko rosnących takich jak topola, które będzie można traktować jako stałe źródło biopaliwa.

W rolnictwie coraz większego znaczenia nabiera wykorzystanie odchodów zwierzęcych, a w miastach odpadów komunalnych do produkcji biogazu. Otrzymywany biogaz ma następujący skład procentowy:
- metan CH4 52 - 85 %,
- dwutlenek węgla CO2 14 - 18 %,
- siarkowodór H2S 0,08 - 5,5 %,
- wodór H2 0 - 5 %,
- tlenek węgla CO 0 - 2,1 %,
- azot N2 0,6 - 7,5 %,
- tlen O2 0 - 1 %.
Wartość opałowa biogazu:
- z fermentacji odchodów zwierzęcych 21 - 23 MJ/m3,
- z odpadów komunalnych 16 - 19 MJ/m3.
Dla porównania wartość opałowa gazu ziemnego wynosi 35 MJ/m3. Otrzymywany biogaz jest wykorzystywany przeważnie na miejscu jego wytworzenia. Poniżej przedstawiono przykładową instalację do otrzymywania biogazu na drodze fermentacji gnojowicy. Odchody zwierzęce spływają grawitacyjnie z budynków inwentarskich przez kanał do zbiornika wstępnego. Jego objętość powinna być taka aby można było zgromadzić dwudniową produkcję gnojowicy. Aby uzyskać jednolitą płynną konsystencję w zbiorniku wstępnym zainstalowana jest pompa, która uśrednia skład biomasy. Gnojowica jest zatłaczana do komory fermentacyjnej, która stanowi główny element instalacji. Składa się ona z metalowego zbiornika, mieszadła napędzanego silnikiem elektrycznym i grzejnicy wodnej. Raz dziennie komora fermentacyjna zasilana jest świeżą gnojowicą uzyskaną w ciągu ostatniej doby. Równocześnie taka sama ilość przefermentowanej gnojowicy jest odprowadzana rurą przelewową do zbiornika masy przefermentowanej.

Mieszadło w komorze fermentacyjnej jest uruchamiane trzy razy dziennie na czas około 10 minut, co zapewnia równomierną fermentację gnojowicy. W czasie fermentacji gnojowica przemieszcza się z dolnej części komory do górnej. Grzejnica wodna zapewnia odpowiednią temperaturę fermentacji. Jest ona wykonana z pionowych rur tworzących gorący płaszcz wodny. Temperatura fermentacji jest stale utrzymywana na poziomie 40°C.

     Rys.1 Schemat instalacji do otrzymywania biogazu z odchodów zwierzęcych.

Kocioł grzewczy, z którego ciepła woda dostarczana jest do grzejnicy może być zasilany biogazem jak również grzejnikami elektrycznymi. Są one używane w przypadku rozruchu instalacji, gdy niema jeszcze biogazu oraz na wypadek zakłóceń w procesie fermentacji.

Nadmiar przefermentowanej gnojowicy za pomocą pompy jest przetłaczany do zbiornika przeznaczonego do jej przechowywania, skąd pobierana jest do celów gospodarstwa. Przefermentowana gnojowica jest znakomitym nawozem, nie wydziela zapachu, nie przyciąga owadów i nie stwarza warunków do rozwoju chwastów.
     Biogaz jest odprowadzany z komory fermentacyjnej do zbiornika gazu. Na gazociągu odprowadzającym biogaz zainstalowane są następujące urządzenia:
- przerywacz płomienia mający za zadanie nie dopuścić do jego przedostania się do wnętrza rury,
- zawór bezpieczeństwa zapobiegający przedostaniu się powietrza do rury i wypuszczający nadmiar gazu do atmosfery,
- zawór odcinający,
- odwadniacz gazu,
- odsiarczalnik (biogaz może zawierać do 5,5 % siarkowodoru H2S),
- gazomierz w celu kontroli uzysku gazu.
Zbiornik biogazu jest typowym zbiornikiem z ruchomym dzwonem. Dzięki temu w zbiorniku panuje niezmienne ciśnienie, bez względu na ilość zmagazynowanego gazu. Ze zbiornika biogaz kierowany jest do budynków mieszkalnych i kotłów grzewczych. Biogaz może być również wykorzystany do napędu agregatów spalinowo-elektrycznych o niewielkich mocach.

Czas fermentacji zależy od pochodzenia gnojowicy i w poszczególnych przypadkach wynosi:
- gnojowica z bydła od 15 do 30 dni,
- z trzody chlewnej od 10 do 15 dni,
- z drobiu 20 do 40 dni.
Temperatura fermentacji powinna mieścić się w zakresie od 30 do 60 °C, odczyn pH od 6,5 do 8,0 (optymalnie 7,5). Warunkiem koniecznym jest brak dostępu powietrza i światła do komory fermentacyjnej. Uzysk biogazu wynosi:
- 1 do 2 m³ biogazu na 1 krowę na dzień,
- 0,2 do 0,3 m³ biogazu na 1 świnię na dzień,
- 0,8 do 1,4 m³ biogazu na 100 sztuk drobiu na dzień.
Na podstawie tych parametrów i wielkości gospodarstwa, można zaprojektować i ocenić celowość montażu instalacji do uzyskania biogazu.

Przy dobrej organizacji potencjalne zasoby biogazu w Polsce wynoszą około 6 mld m³/rok, przy założeniu , że 70 % odpadów rolnych byłoby oddawane do biogazowni. Próby szerszego wykorzystania biogazu nie powiodły się ponieważ:
- stosowano ciężkie i drogie komory betonowe,
- gaz ziemny był konkurencyjny,
- nie ma przekonania do produkcji energii odnawialnej i odpadowej.
W Polsce rocznie produkuje się około 50 mln m³ biogazu. Dla porównania w Szwajcarii jest to około 1,5 mld m³ biogazu rocznie.

Biogaz z wysypisk i odpadów komunalnych ma nieco niższą wartość opałową od biogazu z fermentacji gnojowicy. Z 1 tony odpadów komunalnych powstaje 400 m³ biogazu/rok o zawartości 55 % CH4 i wartości opałowej 16 - 19 MJ/m³. Wysypisko o powierzchni 5 ha i miąższości 4 m w ciągu roku wyprodukuje ponad 200 tysięcy m³ biogazu. Zwrot nakładów inwestycyjnych w tym przypadku jest dość krótki i wynosi 2,5 do 4 lat. Biogaz wykorzystywany jest w ciepłownictwie, produkcji skojarzonej energii elektrycznej i cieplnej. Można go bezpośrednio użyć do ogrzewania lub jako paliwo dla generatora prądu elektrycznego. Głównym powodem pozyskiwania gazu z wysypisk odpadów jest ochrona środowiska. Jest to też opłacalne ekonomicznie. W chwili obecnej nie buduje się wysypisk bez zaprojektowania ujęcia biogazu.

BIOGAZ

Co to jest biogaz?

Paliwo gazowe wytwarzane przez mikroorganizmy z materii organicznej w warunkach beztlenowych.

Jest to mieszanina metanu i dwutlenku węgla.

Produkcja biogazu może odbywać się samorzutnie w procesach rozkładu substancji organicznej lub może się odbywać celowo.

Skład biogazu może się wahać w zależności od rodzaju materii organicznej czyli tzw. substratów:

metan CH4 40% - 80%
dwutlenek węgla CO2 20% - 55%
siarkowodór H2S 0,1% - 5,5%
wodór H2, tlenek węgla CO, azot N2, tlen O2 ? w śladowych ilościach.

Produkcja biogazu może odbywać się samorzutnie w procesach rozkładu substancji organicznych lub może się odbywać celowo.

Ze względu na rodzaj substratu wykorzystywanego do wytwarzania biogazu można wyróżnić źródła:

zwierzęce (z produkcji rolniczej) - odchody zwierząt,
- obornik bydlęcy,
- obornik świński,
- gnojowica bydlęca,
- gnojowica świńska.
z produkcji roślinnej - uprawy energetyczne, odpady zielone,
- trawy,
- żyto,
- kukurydza,
- buraki,
- rzepak,
- koniczyna, lucerna,
- słonecznik,
- trawa sudańska,
- ziarno zbóż.
komunalne - odpady organiczne, osad ściekowy,
- osad ściekowy,
- odpady z terenów zielonych,
- odpady organiczne,
- odpady kuchenne,
- gliceryna,
- serwatka.

Chów zwierząt ze względu na konsystencję i skład odchodów do dalszej obróbki, dzielimy na ściółkowy i bezściółkowy. Odchody w systemie bezściółkowym, zwane gnojownicą, maja konsystencję płynną lub półpłynna i stanowią mieszaninę kału, moczu i resztek karmy oraz wody. Odchody zwierzęce w systemie chowu ściółkowym stanowią mieszaninę kału, moczu i ściółki i zwane są obornikiem. W systemie ściółkowym oprócz obornika występuje również gnojówka, która stanowi mieszaninę moczu i wody.

PRODUCENCI OBORNIKA

PRODUCENCI OBORNIKA:	ZWIERZĘ HODOWLANE MASA OBORNIKA [KG/ROK]
KROWA
WYŁĄCZNIE w OBORZE	12 000
CZĘŚCIOWO NA PASTWISKU	7 500
JAŁÓWKA
WYŁĄCZNIE w OBORZE	8 000
CZĘŚCIOWO NA PASTWISKU	4 000
KOŃ UWZGLĘDNIONO STRATY PRZY PRACY	8 000
ŚWINIA WYŁĄCZNIE W CHLEWIE	1 500
OWCA UWZGLĘDNIONO CZAS PRZEBYWANIA NA PASTWISKU	500

Schemat biogazowni

Typowa biogazownia rolnicza składa się urządzeń i obiektów do przechowywania, przygotowania oraz dozowania substratów. W zależności od zastosowanych substancji wejściowych, wyróżniamy trzy rodzaje budowli magazynowych:

silosy przejazdowe
zbiorniki
hale

Niektóre substraty wymagają rozdrabniania oraz higienizacji lub pasteryzacji w specjalnie do tego celu zaprojektowanych ciągach technologicznych. W formie stałej wprowadzane są do komór fermentacji przy pomocy specjalnych stacji dozujących a materiały płynne mogą być dozowane techniką pompową.

Najczęściej stosowanym obecnie rozwiązaniem konstrukcyjnym komory fermentacyjnej jest żelbetowy, izolowany zbiornik wyposażony w foliowy, gazoszczelny dach samonośny. Pełni on rolę fermentatora jak też „zasobnika” biogazu. Jego zawartość jest ogrzewana systemem rur grzewczych z wykorzystaniem ciepła procesowego, powstałego przy chłodzeniu kogeneratora. Bardzo ważną rolę spełniają urządzenia mieszające zainstalowane w komorze. Mieszanie powoduje równomierny rozkład substratów i temperatury w zbiorniku oraz ułatwia uwalnianie się metanu.

Pozostałość pofermentacyjna jest bardzo wartościowym nawozem gromadzonym w zbiorniku magazynowym, którego objętość jest dobrana specjalnie i musi wystarczyć na przechowywanie substratu na czas zakazu jego rozrzucania na polu (mowa o okresie zimowym).

W budynku gospodarczym umieszczone są trzy bardzo istotne elementy biogazowni takie jak:

pompownia obsługująca transport substratów oraz pozostałości pofermentacyjnej pomiędzy poszczególnymi zbiornikami
sterownia wraz z pomieszczeniem szaf sterowniczych będąca, dokonując porównania do pracy ciała człowieka, mózgiem całego obiektu
urządzenie przetwarzające energię biogazu na energię cieplną i/lub elektryczną czyli na przykład kogenerator wytwarzający w sposób skojarzony prąd elektryczny i ciepło.

Coraz częściej elementem integralnym wielu biogazowni stają się systemy (obiekty i instalacje budowane celowo) pozwalające na wykorzystania energii cieplnej i uzyskanie z tego tytułu dodatkowych dochodów: suszarnie zboża, trocin, drewna, sieci cieplne zasilające pobliskie budynki czy też chłodziarki absorpcyjne wytwarzające zimno z ciepła.

Systemy biogazowe

Wraz z rozwojem rynku biogazowego w Europie następuje rozwój metod wykorzystania tego paliwa. Początkowo biogaz wykorzystywany był tylko jako źródło ciepła, od kilkudziesięciu lat stanowi paliwo dla agregatów kogeneracyjnych wytwarzających jednocześnie energię elektryczną i ciepło.

Kolejnym sposobem wykorzystania biogazu jest uszlachetnienie go do parametrów zbliżonych do gazu ziemnego i stosowanie go jako zamiennik tego kopalnego paliwa - przede wszystkim jako gaz sieciowy oraz jako paliwo samochodowe - CNG - sprężony gaz ziemny, a ściślej, sprężony bio-metan.

Światowym liderem w dziedzinie uszlachetniania biogazu jest Szwecja. Obecnie funkcjonuje tam 30 instalacji oczyszczających biogaz do parametrów gazu ziemnego.

Głównym źródłem biogazu w Szwecji są oczyszczalnie ścieków, jednakże wykorzystuje się również biogaz z wysypisk śmieci oraz biogazowni utylizujących odchody zwierzęce i odpady organiczne, ponadto jako nowe interesujące źródło biogazu upatruje się plantacje roślin energetycznych.

Biogazownie

Zmiany zachodzące na rynku energetycznym prowokują do intensyfikowania działań mających na celu znalezienie alternatywnych źródeł energii. Najistotniejszymi kryteriami, jakie rządzą kierunkiem poszukiwań, doborem nowych surowców i technologii powinny być: praktycznie niewyczerpalne (odtwarzalne) źródło energii, opłacalność ekonomiczna, dostępność, wpływ na środowisko naturalne oraz zdrowie ludzi.

Nowe rozwiązania nie powinny pominąć biogazu - nośnika energetycznego łatwego w pozyskaniu i transporcie. Dotychczasowe źródła biogazu (składowiska odpadów, oczyszczalnie ścieków, biogazownie rolnicze) to tylko niewielka część możliwości produkcyjnych biogazu. Obecnie biogaz możemy produkować w odpowiednich instalacjach (biogazowniach energetycznych) wyłącznie z biomasy np.: kiszonki kukurydzy, słonecznika, zbóż itp. I to jest szansa dla naszego kraju patrząc na strukturę rolnictwa oraz możliwy areał pozyskania biomasy.

Pierwsze tego typu instalacje powstały na przełomie 2002/2003 r i do dzisiaj pracują stabilnie osiągając zamierzone zdolności wytwórcze. Obecnie buduje się równolegle w całej Europie kilkaset biogazowni energetycznych. Wytwarzany w ten sposób biogaz będzie wykorzystywany zarówno do produkcji energii elektrycznej, cieplnej oraz jako paliwo silnikowe (CNG) dla pojazdów samochodowych lub po standaryzacji wprowadzany będzie do sieci gazowej jako alternatywne źródło dla gazu wydobywczego.

Potencjał biogazowy Polski przekracza wielokrotnie krajowe zużycie gazu ziemnego więc jest o co walczyć. Pozytywne skutki wdrażania technologii biogazowej obejmą nie tylko sektor energetyczny i przemysł, lecz również rolnictwo, środowisko naturalne, produkcję zdrowej żywności, postęp w nauce i w szeregu innych dziedzinach. Produkcja biogazu na dużą skalę może oznaczać zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego kraju, zmniejszenie deficytu gazowego Państwa oraz w perspektywie długofalowej uniezależnienie się od importu gazu oraz wypełnienie zobowiązań unijnych dotyczących produkcji biopaliw i energii ze źródeł odnawialnych.

Kolektor słoneczny

Kolektor słoneczny to urządzenie zamieniające energię słoneczną na energię cieplną. Najczęściej wykorzystywane są płaskie kolektory słoneczne. Istnieją również tubowe kolektory próżniowe, które posiadają wyższą sprawność przetwarzania energii, jednak są droższe.

Jeśli chce się energię ze Słońca pozyskiwać bezpośrednio za pomocą kolektorów słonecznych, to trzeba pogodzić się z myślą, że słońce nie daje tyle ciepła ile nam potrzeba. Na pewno w ten sposób nie można zapewnić ciągłości i równomierności ogrzewania. Pewnym rozwiązaniem niwelującym te niedogodności są zasobniki z wodą, w których to ciepło może być gromadzone, jednak nie jest ono doskonałe, ponieważ nie jest w stanie pokryć w całości potrzeb w zakresie przygotowania ciepłej wody użytkowej, nie mówiąc już o ogrzewaniu pomieszczeń. Mimo to, kolektory słoneczne zyskują coraz więcej zwolenników. Jednak stanowić one będą zawsze tylko rozwiązanie uzupełniające.

Kolektory słoneczne służą do konwersji energii promieniowania słonecznego na ciepło. Energia docierające do kolektora służy do produkcji nośnika ciepła, którym może być ciecz (glikol, woda) lub gaz (np. powietrze).

Kolektory można podzielić na:

płaskie
- gazowe
- cieczowe
- dwufazowe
płaskie próżniowe
próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi, w których rolę izolacji spełniają próżniowe rury)
skupiające (prawie zawsze cieczowe)
specjalne (np. okno termiczne, izolacja transparentna)

Budowa kolektora płaskiego

Kolektor płaski składa się z:

przezroczystego pokrycia;
absorbera (najczęściej blachy miedzianej pokrytej powłoką selektywną);
wymiennika ciepła (najczęściej rurki miedziane przylutowane do absorbera);
izolacji (przeważnie wełna mineralna lub pianka poliuretanowa)

Schemat kolektora płaskiego

Budowa kolektora próżniowo-rurowego

Kolektor próżniowo-rurowy składa się z:

rur próżniowych w których element zbierający ciepło tzw. absorber znajduje się w próżni co znacznie poprawia działanie kolektora w obrębie szerokości geograficznych takich jak nasza. Absorpcja ciepła słonecznego nie jest wówczas uzależniona w tak znaczącym stopniu od temperatury zewnętrznej , dzięki czemu stosując panel tego typu możemy liczyć na znaczne zyski ciepła w instalacji nawet w mroźne zimowe słoneczne dni.
niektóre z kolektorów posiadają zwierciadło dodatkowo doświetlające absorber ze strony odsłonecznej, jest ono wykonane poza rurkami , bądź naniesione na rurkę próżniową w postaci lustra, w zależności od producenta.

Kolektory skupiające

W kolektorach skupiających promienie słoneczne są odbijane w kierunku absorbera, będącego jednocześnie wymiennikiem ciepła. Jednak celność zwierciadeł jest uzależniona od kierunku padania promieni słonecznych, co w praktyce oznacza, że aby utrzymać wysoką sprawność przez cały dzień, kolektor musi poruszać się zgodnie z pozornym ruchem słońca, co znacznie zwiększa koszty budowy i utrzymania takiego kolektora, ale zapewnia większą sprawność instalacji.

Sprawność kolektora

Zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur a sprawnością

Sprawność kolektora to stosunek energii odebranej przez czynnik roboczy do ilości promieniowania docierającego do kolektora. Sprawność kolektora spada wraz ze wzrostem różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem roboczym a otoczeniem.

Wykres przedstawia zależność pomiędzy zredukowaną różnicą temperatur (różnica średniej temperatury czynnika i temperatury otoczenia podzielona przez gęstością promieniowania słonecznego) a sprawnością kolektora.

Popularne zastosowania

Schemat prostej instalacji do podgrzewania cwu.

Kolektory słoneczne najpowszechniej wykorzystywane są do:

podgrzewania wody użytkowej,
podgrzewanie wody basenowej,
wspomagania centralnego ogrzewania.

Do celów tych służą cieczowe kolektory płaskie i próżniowe. Schemat prostej instalacji do podgrzewania ciepłej wody użytkowej zawiera:

kolektory słoneczne (w domkach jednorodzinnych od dwóch do czterech),
regulator (uruchamiający pompę obiegu gdy zaistnieje odpowiednia różnica temperatur pomiędzy wyjściem z kolektora a zbiornikiem),
pompę,
naczynie przeponowe (kompensujące rozszerzalność temperaturową czynnika),
zbiornik magazynujący ciepłą wodę użytkową, z dwiema wężownicami lub płaszczami grzejnymi (dolna zasilana czynnikiem z kolektorów słonecznych, górna innym źródłem ciepła),
inne źródło ciepła (kocioł, pompa ciepła, kominek z płaszczem wodnym)

Zasoby energii słonecznej w Polsce

W Polsce pogoda jest kapryśna a ilość dni słonecznych w roku zmienna, dlatego trudno jest podać formułę na ilość dostępnej energii. Najlepiej w takim przypadku posłużyć się statystyką, która mówi, że najlepsze i najsprawniejsze kolektory słoneczne są w stanie dostarczyć rocznie z każdego metra kwadratowego powierzchni czynnej około 450 kWh energii. Jest to granica wyznaczona przez prawa fizyki i pogodę w naszej strefie klimatycznej.

(źródło: Europejskie Centrum Energii Odnawialnej)

Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Poniższa mapa prezentuje rozkład średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok (wielkości wskazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w ciągu roku dla wskazanych rejonów kraju).

Istotny wpływ na wielkość pozyskiwanej energii ma kąt nachylenia kolektora w stosunku do padania promieni słonecznych. W poniższej tabeli przedstawiono optymalne wartości kątów dla ekspozycji południowej według kryterium maksymalizacji energii promieniowania całkowitego.

miesiące	I	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	IX	X	XI	XII
kąt nachylenia względem poziomu	60	55	45	30	15	10	15	30	45	55	65	65

Zasoby energii słonecznej w Polsce (źródło: www.ekologika.pl)

W naszej szerokości geograficznej Słońce oferuje około 1000 Watów mocy na każdy metr kwadratowy napromieniowanej powierzchni. Niezależnie od jakości kolektora może on pobrać tylko pewną jej część. Wynika to z faktu, że nagrzany przez słońce kolektor tym więcej traci do otoczenia im jego temperatura jest wyższa od temperatury otaczającego go powietrza.

Na przykład, w piękny słoneczny dzień kolektor może z łatwością nagrzać się do temperatury +100°C. Lecz jeśli rzecz się dzieje na przykład zimą, gdy temperatura powietrza wynosi 0°C, to w takim wypadku różnica temperatur kolektor - otoczenie wyniesie 100 stopni Celsjusza (lub jak kto woli 100K) i zgodnie z przedstawioną na wykresie zależnością sprawność absorpcji spadnie do 30% dla zwykłego kolektora płaskiego, natomiast dla próżniowego wyniesie ona 45%. Tłumacząc procenty na moce otrzymamy odpowiednio z dostarczanych w piękny słoneczny dzień 1000W - w pierwszym przypadku 350W, a w drugim 450W. Jednak nie znaczy to, że ta moc cieplna zostanie w całości wykorzystana. Po drodze jeszcze traci się od 7 do 10 % z powodu strat przy przesyłaniu ciepła. Pozostała wielkość ciepła i tak jest warta wykorzystania.

Zalecenia montażowe

W celu optymalnego wykorzystania kolektor powinien być ustawiony prostopadle do padania promieni słonecznych. Ponieważ najintensywniejsze promieniowanie występuje w godzinach południowych, dlatego płaszczyzna kolektora powinna być skierowana w kierunku południowym, zaś kąt nachylenia (kąt pomiędzy poziomem a płaszczyzną kolektora) powinien znajdować się w przedziale 30° a 45°.

Kolektory słoneczne montuje się zazwyczaj na dachach domów, rzadziej na ścianach, zaś służące do podgrzewania wody w basenach - na ziemnych konstrukcjach.

Zastosowanie

Kolektory słoneczne są stosowane przede wszystkim do ogrzewania wody, idealnie nadają się do domków letniskowych, gdzie ciepła woda jest potrzebna wtedy, gdy słońce dostarcza najwięcej energii. Często wykorzystuje je się do ogrzewania basenów. Ponadto, mogą być stosowane w domach jednorodzinnych całorocznych jako rozwiązanie uzupełniające podstawowy system grzewczy np. pompy ciepła, ogrzewanie elektryczne.

Ogniwa fotowoltaiczne

Wszystkie znane obecnie źródła energii, poza energią geotermalną i atomową, są pośrednio efektem działania promieniowania słonecznego. Maksymalną mocą jaką można wykorzystać bezpośrednio z energii słonecznej na jednym metrze kwadratowym powierzchni jest tzw. stała słoneczna, która wynosi średnio 1367 W/m² i jest mocą promieniowania słonecznego docierającą do zewnętrznej warstwy atmosfery. 35-37% tej energii odbija się od atmosfery lub jest przez nią wchłaniana, więc do powierzchni Ziemi dociera do 1000 W/m².

Ogniwa fotowoltaiczne - są urządzeniami półprzewodnikowymi typu p-n, służącymi do bezpośredniej zamiany energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Półprzewodnik bombardowany jest fotofonami promieniowania słonecznego, które posiadają większą energię niż szerokość przerwy energetycznej półprzewodnika. Powoduje przemieszczanie się elektronów i dziur elektronowych pomiędzy obszarami n i p półprzewodnika. Cykliczne przemieszczenie się ładunków elektrycznych powoduje wzrost różnicy potencjałów, czyli napięcia elektrycznego.

Efekt fotowoltaiczności to nic nowego, zastał on zaobserwowany po raz pierwszy w 1839 roku przez A.C. Becquerel a dalsze prace nad tym zjawiskiem na styku dwóch ciał stałych przez następne 37 lat prowadzili W. Adams i R. Day. Odkrycie i wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju korpuskularno-falowej teorii materii, w której obiektom mikroświata przypisywane są jednocześnie własności falowe i materialne. Wyjaśnienie i matematyczny opis efektu fotoelektrycznego zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi, który wykorzystał hipotezę kwantów wysuniętą w 1905 roku przez Maxa Plancka.

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.

Kolejnym nieco bardziej skomplikowanym urządzeniem zamieniającym bezpośrednio energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną są ogniwa wykorzystujące konwersję fotochemiczną. Fotochemiczna konwersja energii promieniowania słonecznego na energię chemiczną jak dotąd na szeroką skalę zachodzi jedynie w organizmach żywych, ma bardzo niską sprawność (ok. 1%) i nosi nazwę fotosyntezy. Jednak istnieją ogniwa fotoelektrochemiczne dysocjujące wodę pod wpływem światła słonecznego. Istnieją także metody wykorzystujące fotony do dezynfekcji i detoksykacji.

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.

Rozpowszechnianie się ogniw fotowoltaicznych jest ograniczone ich wysoką ceną oraz jeszcze niewielką sprawnością.

Systemy fotowoltaiczne

Bezpośrednią 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.

Ogniwo słoneczne- 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.

Moc promieniowanie słonecznego w Polsce

Najbardziej istotne wielkości opisujące promieniowanie słoneczne to[ Pomierny 2003]:

Usłonecznienie, czyli średnia liczba godzin słonecznych w okresie (dotyczy roku), w którym przewidujemy eksploatację systemu słonecznego. Usłonecznienie zależy od długości dnia, zachmurzenia oraz przeźroczystości atmosfery. Średnie roczne wartości usłonecznienia dla różnych miast Polski zawarto w tabeli 1 (dane wieloletnie)
Dane zawarte w tabeli obrazują ilości godzin słonecznych w ciągu roku dla Białegostoku (1780 godzin) i Suwałk(1676 godzin), świadczące o możliwości wykorzystania energii promieniowania słonecznego na terenie województwa podlaskiego.

Natężenie promieniowania słonecznego wyrażone w watach na metr kwadratowy (W/m2) jest to gęstość mocy promieniowania padającego w ciągu jednej sekundy na powierzchnię prostopadłą do kierunku promieniowania. Najwyższe natężenie promieniowania odnotowano na Kasprowym Wierchu – ok.1200 W/m2 i w pasie nadmorskim - ok. 1050 W/m2. Najczęściej wartości promieniowania słonecznego wahają się od 600-800 W/m2.

Napromieniowanie całkowite to sumy energii promieniowania słonecznego wyrażone w MJ na metr kwadratowy(MJ/m2). Dla Polski przyjmuje się wartość 3600MJ/m2 w ciągu roku. W promieniowaniu całkowitym udział promieniowania rozproszonego waha się od około 47% w lecie do 70% w zimie.