ENERGIA ODNAWIALNA

Dr. hab. inż., prof. Ara SAYEGH

Energia którą obecnie używamy w ogóle pochodzi z nieodnawialnych źródeł, które produkują

dwutlenek węgla, powodując cieplarniany efekt. To jest wynikiem naszych obecnych zwyczajów

zużycia energii. Odnosi to odnawialnych źródeł energii, takich jak biomasa, biopaliwa, energia

słoneczna, wiatrowa, i technologii wodorowych

Cieplarniane efekt = odławiające, zatrzymujące, blokujące, uwięzione ciepło

Cieplarniane efekt : Część promieniowania słonecznego podczerwonego

jest wypromieniowana w przestrzeń kosmiczną, ale większość jest

pochłaniana i odbijana we wszystkich kierunkach i uwięziona przez

chmury i gazów cieplarnianych, efektem tego jest 1) wzrost temperatury

przy powierzchni ziemi. 2) wzrost koncentracji gazów cieplarnianych

(dwutlenku węgla, metanu, ozonu i freonów…) w atmosferze,

następstwem czego jest podwyższenie średniej temperatury na Ziemi.

Największymi trucicielami są: dwutlenki siarki, tlenki azotu, siarkowodór , dwutlenek węgla i chlorowodór.

Szczególnie silnym źródłem emisji dwutlenku siarki jest spalanie węgla brunatnego, jako najbardziej

zasiarczonego.

W wyniku ocieplenia dochodzi do :

o topnienia lodowców, o podniesienia poziomu morza, o wymierania gatunków oraz intensyfikacji ekstremalnych zjawisk pogodowych (upały,

gradobicia, huragany, trąby powietrzne). o Zmiana ekosystemu , w tym ekosystemie mają wpływ czynniki geochemiczne,

fizykochemiczne, klimatyczne i biologiczne. (wodne, roślinne……) zmienną jakość oraz skutki dla środowiska …..zagrożenia toksyczności.

Gospodarka (była i jest) oparta na paliwach kopalnych i to powodowało Globalne ocieplenie

Wyzwanie Energii

A być może że : Sekwestracja (zamknięcia, utrzymywania, uwięzienia) węgla jest potencjalnym

rozwiązaniem usuwania dwutlenku węgla z atmosfery i przechowywania go w ziemi np. !

technologie wychwytywania dwutlenku węgla.

Technologia CCS:

Technologia wychwytywania i geologicznego składowania dwutlenku węgla jest sposobem na

złagodzenie zmian klimatu. Podstawowe elementy systemu CCS (Carbon Capture and Storage)

można przedstawić w schemacie :

Schemat podstawowych elementów systemu usuwania, transportu i składowania dwutlenku węgla

• Koszty CCS są zazwyczaj wyrażane w kosztach produkcji energii ($/MWh) lub w kosztach usuwania CO2 ($/t). Główne Koszty CCS wystąpią w procesie wychwytywania, transportu i magazynowaniu.

• Koszty zależą od technologii, trendów cenowych paliwa, inwestycji i przy założeniu, że technologia CCS jest stosowana komercyjnie . koszty redukcji CO2 muszą być w porównaniu do odnawialnych źródeł energii. Jeśli technologia CCS nie będzie charakteryzowała się komercyjnie lepszą w 2020 roku (nie dodając jeszcze szkody środowiskowe, koszty społeczne ), wtedy energia odnawialna może okazać się że jest lepszym potencjałem ekonomicznym.

- Zaawansowany postęp w technologii CCS osiągnięto w Unii Europejskiej, kiedy dyrektywa CCS została przejęta w 2009 r. Proces CCS będzie praktycznie osiągalny i dostępny na szerszą skalę od 2020 r. Energetyka dziś kilka słów :

Mówiąc o sytuacji dzisiejszej energetyki często porusza się takie kwestie, jak:

gwałtowny wzrost zapotrzebowania na energię, ograniczone zasoby surowców energetycznych, zmiany klimatu będący skutkiem emisji do atmosfery coraz większej ilości gazów cieplarnianych, emitowanych głównie wskutek spalania paliw kopalnych, wzrost cen paliw na światowych rynkach, monopolistyczne praktyki głównych eksporterów ropy naftowej A Przyszłość energetyki !!!

Jakie są zagrożenia lub wyzwania dla środowiska naturalnego i ekosystemu?

Skutki globalnego ocieplenia Pustynnienie Podnoszenie się poziomu oceanów Zachowanie różnorodności biologicznej… Naprawiania szkód ekologicznych u źródła …itd zarządzanie środowiskowe a zarządzania środowiskiem

Wpływ zanieczyszczenia wody na środowisku, albo braku czystej wody jedno z największych

światowych wyzwań. Czy rok 2020 jest rokiem globalnego kryzysu energetycznego ? czy zabraknie

nam ropy naftowej ! A kiedy jest ostatnia kropelka ropy naftowej . Jakie będą konsekwencje braku

energii .

Wykresy Marchetti

• Wykresy Marchetti lub model zastąpienie energii Jest to krótka relacja z modelu zastąpienie energii

opracowany przez Cesare Marchetti w 1970 roku. Wykresy dla różnych paliw są ważne bo wskazują

aktualny stan i prognozy, i najważniejsze że wskazują tempo, w którym stosuje się nowe źródło(a)

energii (paliwo) które wnika(ą), lub penetrują przez rynek. Nie dlatego, że stawka jest niezależna od

zastosowanego paliwa! Powodem jest to, że technologia może być gotowa, ale czynniki, takie jak

infrastruktura, naciski instytucjonalne, kwestie polityczne spowolniają tę penetrację, dlatego można

zapytać podstawowe następne pytania.

• Jakie nowy formy energii są dostępne ?

• Jakie są zalety i wady nowych źródeł energii ?

• Jak możemy zapewnić potrzebną nam energię przy zachowaniu równowagi ekologicznej

Przyszłość energetyki wyżej wymienione problemy skłaniają do poszukiwania odpowiedzi na pytania:

- Czy można bez ograniczeń zwiększać wydobycie węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego?

- Czy można bez negatywnych konsekwencji spalać coraz większe ilości paliw

konwencjonalnych?

- A jeśli nie, to czym zastąpić tradycyjne źródła energii?

- Czy upowszechnienie wykorzystywania alternatywnych źródeł energii jest tylko modą,

- Czy jest koniecznością?

Przewiduje się, że odnawialne źródła energii będą stanowić istotny składnik zasobów energetycznych

w okresie najbliższych 50 lat a główne przyczyny:

Rosnące zapotrzebowanie energetyczne

Spadek produkcji paliw konwencjonalnych

Spadek cen odnawialnych źródeł energii

Ekologia

Czyli Zmiany są nieuchronne nieuniknione

Zużycie energii na świecie 1990 – 2035 oko na zużyciu energii

Wzrost zapotrzebowania na energię : Potrzeby energetyczne świata ciągle się zwiększają.

Tymczasem zasoby paliw konwencjonalnych maleją, a ceny energii ciągle rosną: w czasach

wywołanego embargiem na dostawy ropy naftowej kryzysu energetycznego lat 70. cena ropy

naftowej wzrosła dziesięciokrotnie, zaś w 2005 roku osiągnęła rekordowy poziom ponad 70 dolarów

za baryłkę.

Wyczerpywanie się konwencjonalnych źródeł energii

Faktem jest Zasoby paliw kopalnych są nieodnawialne: prędzej czy później ulegną zupełnemu

wyczerpaniu. Teoretycznie ocenia się, że:

najdłużej, bo jeszcze przez prawie 200 lat będzie można korzystać ze złóż węgla, ponad 60 lat trwać będzie eksploatacja gazu ziemnego, zaś ropy naftowej wystarczy na około 30-40 lat.

A dla polskiej energetyki !!!

… z marca 2007 Decyzja Rady Europejskiej … DLA POLSKIEJ ENERGETYKI TO BARDZO TRUDNE I

KOSZTOWNE WYZWANIA ! Jeśli nic nie zrobimy to czeka nas KRYZYS energetyczny

Sytuacja Energetyczna w Polsce

1. 40% zainstalowanej mocy ma 30-40 lat (do 2015 roku musimy wyłączyć 6500 MW)

2. Trudny import: Słabe sieci wewnętrzne i transgraniczne,

3. Energetyka jądrowa dopiero po 2020 roku i tylko 3000 MW (to nas nie uratuje)

4. Dotychczasowy rozwój OZE za wolny – brak elastycznych źródeł energii ……

Jeśli nic nie zrobimy to w 2020 roku czeka nas KRYZYS energetyczny …..Co zrobić?

Nowy MIX energetyczny dla Polski !

1. Inwestycje w efektywność energetyczną

2. Inwestycje w sieci transgraniczne

3. Energetyka rozproszona – Energetyka Obywatelska

(krótkie, drobne, inwestycje, szybko mogą powstać mikro źródła…i zatrudnić kilka set tysięcy ludzi,

a więc Odnawialne Źródła Energii (w skrócie OŹE), to koło zamachowe gospodarki

Co determinuje przyszłość energetyczną świata? Jak wgląda Scenariusze rozwoju energetycznego.

Prawdopodobna bliska przyszłość pokazuje że:

- Inteligentne sieci energetyczne z OZE przechodzą do rynku w najbliższych lata

A jak wgląda prawdopodobna daleka przyszłość. Co zrobić, aby zneutralizować skutki braku energii z

konwencjonalnych źródeł ?

• W przyszłości potrzebne będzie każde racjonalne ekonomicznie źródło energii pierwotnej

• Technologie konwersji energii oraz

• Technologie u odbiorców końcowych

Czyli Trzeba szukać Alternatywa dla paliw kopalnych które Są jednak źródła energii, których zasoby

nie wyczerpują się i których wykorzystanie nie powoduje negatywnych następstw dla środowiska.

To dostępne od tysięcy lat OŹE, których wykorzystanie było znane na długo przed wykorzystaniem

węgla, ropy naftowej czy gazu.

Dziś energia odnawialna może służyć także do produkcji energii elektrycznej, a nowoczesne

technologie mogą uczynić jej eksploatację naprawdę efektywną.

kluczowe koncepcje: Zrozumieć fizyczne pojęcia OŹE i rozpoznawać je w otaczającym nas świecie

• Biomasa

• Biopaliwa

• Pochłanianie dwutlenku węgla

• Energia wodna

• Energia Geotermalna

• Energia Wiatru

• Energia słoneczna

• Moc wodoru

• Energia jądrowa

Tylko te źródła?? Może są inne też !!!

Źródła energii pierwotnej ….np.

• lekkie i ciężkie frakcje ropy

• piaski roponośne

• mokry gaz

• gaz łupkowy

• metan z kopalni

• klatraty metanu z dna mórz

• paliwa rozszczepialne ……..

Błędne koncepcje/ przekonania o energii

• Energia odnawialna jest drugą formą wskaźnika energii.

• Energia odnawialna nie jest zanieczyszczająca, i produkuje energię o tej samej jakości jak ze źródeł

nieodnawialnych.

• Systemy energii odnawialnej są zbyt drogie.

• Podczas gdy naukowcy zgadzają się, że finansowe koszty związane z energią odnawialną są wysokie,

ale ludzie powinni rozważyć koszty środowiskowe przy korzystaniu z nieodnawialnych źródeł energii.

• Turbiny (elektrownie, generatory) wiatrowe są hałaśliwe.

• Nowoczesne farmy wiatrowe w odległości do 300 metrów nie są głośniejsze niż lodówki kuchennej

• Energia słoneczna dobrze działa nie tylko w ciepłych, słonecznych klimatach.

• Technologie słoneczne mogą efektywnie pracować w dowolnym miejscu tak długo, jak są one

umieszczone prawidłowo.

• Ogniwa fotowoltaiczne (baterie słoneczne) rzeczywiście stają się bardziej skuteczne w niskich

temperaturach.

• Kolektory słoneczne do ciepłej wody można dokonać (ogrzać) odpowiedniej ilości ciepłej wody,

nawet w temperaturach ujemnych.

• Pasywne ogrzewanie słoneczne działa dobrze w każdym klimacie, o ile budynek jest dobrze

izolowany.

Oś priorytetowa: Zmniejszenie emisyjności gospodarki

• 1. Wspieranie wytwarzania i dystrybucji energii pochodzącej z OŹE

• 2. Promowanie efektywności energetycznej i korzystania z OŹE w przedsiębiorstwach

• 3. Wspieranie efektywności energetycznej, inteligentnego zarządzania energią i wykorzystania OŹE

w infrastrukturze publicznej, w tym w budynkach publicznych, i w sektorze mieszkaniowym.

• 4. Rozwijanie i wdrażanie inteligentnych systemów dystrybucji

• 5. Efektywna dystrybucja ciepła i chłodu

• 6. Promowanie wykorzystywania wysokosprawnej kogeneracji ciepła i energii elektrycznej

Formy Energii Energia jest wszędzie wokół nas, można korzystać z energii , gdy:

- Uderzyć w piłkę.

- Podnieść torbę z książkami.

- Ścisnąć sprężynę

- Można usłyszeć energię jako dźwięk

- Można zobaczyć energię jako światła

- Można je poczuć jako energia wiatru

Inne formy energii

Cieplna , Chemiczna, Elektryczna, Radiacyjna (radiacje elektromagnetyczne)

Jądrowa, Magnetyczna, Sprężystości, Dźwiękowa, Mechaniczna = Ep + Ek …..itd

Formy energii

• Energia mechaniczna : Energia mechaniczna lub energia ruchu, obejmuje zarówno energii

potencjalną (przechowywana) i kinetycznej (ruchu)

Stany energii

• Najczęściej przemiany energii jest konwersji pomiędzy energię potencjalną i kinetyczną.

• Wszystkie formy energii mogą być w jednym z dwóch stanów:

Energia kinetyczna : jest energią ruchu, Energia potencjalna : jest przechowywaną energię

Formy energii

• Energia chemiczna : Paliwa i żywności są formy przechowywanej (składowanej energii chemicznej)

np. Nowatorski system pozyskiwania energii z mikrobiologicznych ogniw paliwowych

polega na przekształceniu energii chemicznej zawartej w związkach organicznych

• Energia dźwięku : Energia dźwięku forma energii wytwarzanej przez obiekty wibracyjnych.

• Energia elektryczna to formy energii, wytwarzanej gdy elektrony przesuną lub poruszają z jednego

miejsca do innego

• Energia cieplna czy termiczna : to jest energia ruchu cząsteczek w substancji, zwanej także energią

cieplną, ponieważ cząstki poruszają się i stworzą ciepło , i może być wytwarzana w wyniku tarcia.

Energia cieplna powoduje zmiany temperatury i fazy każdej formy materii.

• Energia świetlna

• Energia elektromagnetyczna

• Energia jądrowa/nuklearna/atomowa

MOC , ENERGIA : Ponieważ pojęcie energii jest nierozerwalnie związane z pojęciem mocy i są

często mylone między nimi, konieczne jest wyjaśnienie tych pojęć i ich wzajemnych relacji.

PRACA

• skalarna wielkość fizyczna,

• Miara ilości energii przekazywanej między układami fizycznymi w procesach

mechanicznych, termodynamicznych, elektrycznych, i innych.

• Praca (W = F * S) siła * odległość mierzona w dżulach [J].

Jeden dżul to praca wykonana przez siłę (F) o wartości 1 Niutona (N) na drodze 1 metra (m) czyli

masa razy przyspieszenie ziemskie N = kg * m/(s2). 1 [J] = 1 [N] * 1 [m] = (1 kg * m2) / (1s2)

MOC

• skalarna wielkość fizyczna,

• Moc jest wielkością określającą pracę wykonaną w jednostce czasu przez układ fizyczny

MOC : Jednostka Mocy [W], [kW] Jest pochodną pracy (W) do czasu (t), Moc (P = W/ S)

Praca/czas mierzona w Watach [W]. Jeden Wat (W) to moc takiego urządzenia , które wykonuje

pracę 1 dżula (J) w ciągu 1 sekundy (s).

Energia w języku Fizyki

• Energia (E) mierzona w dżulach (J)

Zdolność ciała do wykonania pracy. 1 J = 1 W * 1 s

Jednostki Energii [J] , [ N. m], [W.h], [W.s]

Pojęcie energii występuje powszechnie w niemal wszystkich gałęziach wiedzy nie tylko

w fizyce i astronomii, ale i chemii, biologii, medycynie, geologii i nauce o ochronie

środowiska.

- Energia jest wszechobecna.

- Człowiek wykorzystuje ją i przetwarza codziennie na tysiące rozmaitych sposobów.

Np. Uruchamianie : mikrofalówkę (1000 W), przez 12 minut czyli (0,2 h) 0.2[kWh]

Pralkę odzież (300 W) przez (1 h) 0.3 [kWh]

Mój komputer ( 75 W) na 45 minut (0.75 h) 56.25 [Wh]~0.05625 [kWh]

Energia jest miarą ilości

Podstawa konwersji: 1 [Wh] = 3,6 [kJ]

1 kilo Watt hour = kWh gdzie 1 Watt = 1 [Dżul/sekundę] = 1 [J/s] = 1000 x [J/s] x 3600 s =

3.600.000 [J] 1 [kW.h] = 3.600.000 [J]

1 [J]: Energia jako praca

Jednostki – przykłady (moc zainstalowana) 1000 W = 1 kW (kilowat)

1000 kW = 1 MW (Megawat)

1000 MW = 1 GW (Gigawat)

1000 GW = 1 TW (Terawat)

1 TW =1000 GW =1000 000 MW =1000 000 000 000 kW =1 x 1012 W

0,001 W = 1 mW (miliwat)

0,001 kW = 1 W (Wat)

0,001 MW = 1 kW (kilowat)

Lub : 1 quad (quadrillion) = 109 Milion Btu = 1015 Btu

mln toe – milion tonne of oil equivalent ton of oil equivalent – ekwiwalent ropy (paliwo o kaloryczności 10000 kcal/kg)

1 mtoe = 106 toe 1 toe = 1.00 x 1010 [cal] = 41.868 [Giga Joul] = 41.868 x 109 [J]

inne jednostki energii, które mogą być wymienione:

• Ekwiwalent twardego węgla kamiennego Hard Coal Equivalent

1 Ton HCE = 29308 [MJ] lub

kg HCE = 29308 [kJ]

• Ekwiwalentu ropy naftowej Crude oil Equivalent

1 Ton COE = 41868 [MJ]

1 kg COE = 41868 [kJ]

• naturalnym odpowiednikiem gazu

1 [m3] = 31736 [kJ]

• The British Thermal Unit, albo BTU

• 1 BTU = 1,055 [J] , 1[BTU/hour] = 0.293 [W]

• BTU (ang. British Thermal Unit) - 1 BTU jest to ilość energii potrzebna do ogrzania

jednego funta wody o jeden stopień Fahrenheita.

1 tona ropy = 7.3 baryłek ropy = 1.5 ton węgla = 4.2 m3 suche drewno = 12000 kWh prądu

elektrycznego

Formy energii :

Potencjalna w polu grawitacyjnym (na wysokości) Ep = m*g*h

Kinetyczna posiadają ciała w ruchu Ek = m*v2 /2

m – masa (kg) g – przyspieszenie ziemskie (m/s2)

h – wysokość (m) v – prędkość (m/s) Ek ciała w ruchu = pracy,

jaką może wykonać to ciało, zanim się zatrzyma.

Są inne rodzaje energii stanowią różnorodną składową formę energii potencjalnej i kinetycznej

Energia kinetyczna na przykładzie energia wiatru w [J]: przykład:

promień łopaty R = 60 [m] prędkość wiatru v = 10 [m/s] gęstość powietrza q = 1,2 [kg/m3]

powierzchnia zakreślona skrzydłami wirnika S = π R2 = 11 304 [m2]

masa przepływająca w czasie 1 s to: m = q * V (gęstość x objętość)

V = S * v * t m = q * S * v * t

Ek = 0,5 * m * v2= 0,5 * (q * S*v*t) * v2 = 0,5*(q*S*v3*t) = 6 782 400 [J ]

Inne konwersji energii : Przekłady:

• w silniku elektrycznym, energia elektromagnetycznej przekształca się w inną formę na

energię mechaniczną.

• W baterii, energia chemiczna przekształca się na energię elektromagnetyczną.

• Energia mechaniczna wodospadu przekształca się w energię elektryczną w generatorze.

Zmiana formy energii

Każdy rodzaj energii może być przekształcony w inną formę energii czyli konwersji energii

Światło -> chemiczna Elektryczna -> termiczna

Chemiczna -> mechaniczna Chemiczna -> mechaniczna

Konwersji energii w silniku samochodowym, paliwo spala się na konwersję energię

chemiczną na energię cieplną. Następnie energia cieplna jest zmieniona na energię mechaniczną.

Energia chemiczna Energia cieplna Energia mechaniczna

Energia może zmieniać swoje formy

1- Energia chemiczna w naszym organizmie zmienia się w Energię kinetyczną (możemy się

poruszać) Energię wewnętrzną (temp. naszego ciała)

2- Energia elektryczna z przewodów energetycznych ulega przemianie w

3- Żarówce na energię świetlną

4- Grzałce na energię cieplną

5- Silniku elektrycznym na energię kinetyczną

6- Latarka zamienia energię chemiczną na Energię prądu elektrycznego

7- energię cieplną

8- energię świetlną

Zasada Zachowania energii

Energia całkowita, czyli suma energii kinetycznej, potencjalnej , cieplnej i wszystkich innych

rodzajów energii nie zmienia się.

Energia całkowita jest wielkością stałą.

We wszystkich procesach przemiany całkowita ilość energii pozostaje stała.

„Rzeczy nie mogą powstać z niczego, a gdy zostały stworzone, nie mogą zmienić się w nicość”

Energia nie może być sama z siebie stworzona, ani zniszczona.

Energia się nie odnawia ! odnawia się źródło, stąd: odnawialne źródła energii (OZE)

Konwersja Energii

• Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną.

• W myśl zasady zachowania energii energia całkowita nie ulega zmianie.

Jednak poszczególne składniki wchodzące w skład energii całkowitej mogą rosnąć lub maleć.

Energia może być konwertowana lub przekształcona z jednego rodzaju energii na inny, i tak by

się postawić w stan użyteczny dla ludzi:

Energia kinetyczna Energia potencjalna

woda rzeki woda zapory

Energia potencjalna Energia kinetyczna

Węgiel ciepło

Przemiany Energetyczne

• KONWERSJA Energii – Zmiana rodzaju nośnika (postaci) energii z jednego na drugi, w

generatorze zmiana energii mechanicznej na elektryczną

• TRANSFORMACJA Energii – Zmiana parametrów tego samego nośnika energii, w wymienniku

ciepła zmiana temperatury wody, w transformatorze zmiana napięcia.

Pierwsza i druga zasada termodynamiki

I zasada termodynamiki: CIEPŁO I PRACA SĄ TAKIE SAME

II zasada termodynamiki : CIEPŁO I PRACA SĄ INNE Wszystkie Dżule są równe, ale niektóre

są równiejsze od innych

Słowo energia jest używane w dwu znaczeniach.:

• W języku fizyki : wielkość podlegającą prawu zachowania. Może ona przepływać między

różnymi postaciami materii i zmieniać swoją jakość, nie można jednak jej ani stworzyć ani zniszczyć.

• W języku potocznym : słowa energia używa się tylko dla takich postaci energii, które

charakteryzują się podwyższoną jakością i nadają się do podtrzymywania biegu procesów

wytwarzających użyteczne efekty. Są to więc takie postaci energii, które mają określoną wartość

ekonomiczną ( egzergia ).

Podstawy - Racjonalizacji użytkowania energii

• Nieodnawialne źródła energii : Są to takie źródła, których tempo wykorzystywania jest

znacznie większe niż naturalne odtwarzanie. Oznacza to, iż po upływie pewnego czasu zasoby tych

źródeł ulegną wyczerpaniu.

• Odnawialne źródła energii- są to takie źródła energii, których zasoby same ulegają

odnowieniu i dlatego też one są uznawane za niewyczerpalne.

• Dzięki temu zaczęto interesować się alternatywnymi źródłami energii, które charakteryzują się

tym, iż mają one nikły wpływ na środowisko.

Definicje źródła energii :

• Energia pierwotna: energia źródeł energetycznych przed przekształceniem - energia pierwotna

– energia czerpana z przyrody w postaci odnawialnej i nieodnawialnej – czyli to energia pod

dowolną postacią, która nie podlega jeszcze żadnej przemianie .

• Przekształcanie energii: Przekształcanie energii z jednej formy do drugiej zawsze oznacza

straty energii. Jakość i wydajność procesu przekształcania wyrażana jest za pomocą stopni

wydajności.

• Podział źródła energii

• Źródła energii pierwotnej:

• Energia efektywna: energia otrzymywana na końcu łańcucha przemian dostarczana do

ostatecznego odbiorcy (np. światło, ciepło lub energia mechaniczna)

• Energia Końcowa: (lub Finalna – bezpośrednia) pozyskana energia po przekształceniu z

pierwotnych źródeł energii (np. paliwa, energia elektryczna oraz ciepło z sieci ciepłowniczej)-Energia

przystosowana do odbiorników.

Podstawowe definicje i jednostki w energetyce

• Energia użytkowa – to energia otrzymana na wyjściu odbiorników po jej przetworzeniu, czyli

energia potrzebna człowiekowi do podtrzymywania życia i rozwijania aktywności; wyróżnia się

następujące

• postacie energii użytkowej:

- energia chemiczna żywności i paszy,

- ciepło,

- światło,

- praca mechaniczna

dźwięk- energia chemiczna materiałów (surowce energetyczne i paliwa przetworzone) …….itd.

Schemat przemian energii

Łańcuch konwersji energii w elektrowni parowej

Energia cieplna pochodzi zwykle ze spalania paliwa (Energia Chemiczna) w kotle parowym. Służy ona

do podgrzania i odparowania wody oraz przegrzewania pary wodnej.

W turbinie następuje zamiana energii cieplnej pary na energię mechaniczną doprowadzaną wałem

do generatora elektrycznego, w którym zamieniana jest na energię elektryczną.

Konwersja energii w bloku energetycznym

Trzy stopnie konwersji energii:

energia chemiczna paliwa → energia elektryczna

Sprawność konwersji całkowita: typowa ok. 25 - 35 % Sprawność kotła energetycznego: ok. 80 – 95 % Sprawność silnika cieplnego: turbina parowa ok. 80 % silnik tłokowy ok. 30 – 45 % silnik wirnikowy ok. 25 – 40 % Sprawność generatora : ok. 90 – 98 %

Konwersja Energii

• Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną.

• Ale Jak możemy dostarczać energię do konsumenta w określonym miejscu?

Transmisja Energii

• Lub Wymiana energii , ciepła , prądu elektrycznego,…….

• (nazywana także transport energii, transportem ciepła lub przekazywaniem ciepła) jest to

jeden ze sposobów (obok pracy) przekazywania energii pomiędzy układami

termodynamicznymi.

Konwersja i Transmisja Energii

• Konwersja energii jest zamianą jednej jej postaci na inną.

• Transmisja lub wymiana energii , jest to przekazywania energii pomiędzy układami

termodynamicznymi.

Transmisja lub wymiana Energii cieplnej bez zmiany stanu

Przewodzenie - Ciepło przekazywane przez substancję w bezpośrednich kontaktów cząsteczek.

Konwekcja - Energia cieplna przepływu poprzez przenoszeniem gorących cząstek w strumieniu cieczy

lub gazu, gdzie gorące powietrze (mniej gęste) unosi się i powoduje zjawiska konwekcji w cieczach.

Promieniowanie - Promieniowanie energii (promieniowanie podczerwień) poruszające się po liniach

prostych w przestrzeni.

Przekłady:

Energia w zakresie wielkości fizycznych

• Czyli stawkę konwersji lub transmisji energii jest związana • Z wielkości fizycznych takich jak :

siła, prędkość, prąd, napięcie, itp..

Przekłady: Dla układu mechanicznego, stawkę przekazywania energii (przepływ energii) do obiektu

równa się :

siła F w [Niutonach] mnożona prędkością S w [m /s]

z miejsca, w którym siła jest przykładana. P= F x S

Energia w zakresie wielkości fizycznych

Jeśli sprawność układu jest 100% wtedy : P = 3*F*S = V*I

Przekład : Człowiek strzela srebrną kulę o wadze 2 [gr] z prędkością 200 [m/sec] w ścianę. oblicz

zmiana temperatury kuli?

energia kinetyczna kuli zamienia się w ciepło, w wyniku zderzenia kuli ze ścianą i tym oczywiste jest,

że zmienia na postaci energii cieplnej. Obliczania kinetycznej energii kuli: Ek = 1/2 m . V2

Konwersja energii kinetycznej kuli w energię cieplną można obliczyć ze wzoru : Q = cwk ∙ m ∙ ∆T

załóżmy że ciepło właściwe kuli wynosi: 234 [J/kg0C]

Wymiana Energii może również powodować zmianę stanu.

• Na przykład: Do stopienia lodu, cząsteczki muszą uzyskać wystarczającą ilość energii do zerwania połączenia pomiędzy cząsteczek w celu stopienia ciała stałego.

• Podobnie : dostarczające ciepło jest potrzebne aby się obrócić cieczy na gaz, podobne tak jak para wodna.

Sprawność konwersji η (%)

skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm, układ lub proces ,…przekształca energię występującą z jednej postaci energii do innej postaci, Czyli : stosunek wartości wielkości wydawanej przez układ do wartości tej samej wielkości dostarczanej do tego samego układu. Czyli sprawność konwersji układu , η (%)

Efektywność energetyczna

Sprawność żarówki energia przetworzona = światło + Ciepło

energia dostarczona = Prąd

Sprawność żarówki

• Żarówka = 60 [W]; Światło (użyteczna energia) = 6 [W]; Ciepło = 54 [W]

Zużyta Energia E = R . t [Wh] gdzie:

• R stawka konsumpcji w [W] x t czas zużycia w [s]

Co oznacza efektywne wykorzystanie energii? Powinieneś być w stanie odpowiedzieć : czyli opisać

przelewów energii / transformacji i straty energii, które występują w zakresie układach , systemach

i urządzeniach

• obliczyć sprawność układu, urządzenia:

użyteczna energia przeniesiona

Sprawność = --------------------------------------------------

całkowita energia przekazana

• Gdy energia jest przekazywana i/lub przekształcona , tylko jej część może zostać skutecznie

przesyłane / transformowane.

Rodzaje energii: brutto – netto Energia finalna brutto EFB > Energia finalna netto EFN energia finalna brutto = energia finalna netto + własne zużycie energetyki + straty na przesyle

Przepływ zużycia Energii pierwotnej – końcowej:

Wykres Sankey`a (wykres przepływu strumieniowego) : jest graficzną poglądową ilustracją

przepływów, takich jak np. energia, materiał lub pieniędzy (koszty) stosowanego w technice. Zwykle

strumienie są przedstawione jako strzałki, szerokość tych strzałek jest proporcjonalna do wielkości

reprezentowanego przepływu. Przepływ Sankey`a: podkreśla i wizualizuje największych przeniesień

lub przepływów w ramach systemu. Są one pomocne w odnalezieniu dominujących wkładów do

ogólnego przepływu.

W jaki sposób jest stworzona inteligentna sieć

- Przy integracji infrastruktur elektrycznych i informatycznych i inkorporacji automatyki i technologii informatycznych z istniejącą obecną siecią elektryczną. - Inteligentne systemy wdrażane są do spełnienia specyficznych sterowników roboczych i regulacyjnych. W tej sieci każde narzędzie (użyteczność) ma RÓŻNE: - punkty wyjściowe - sterowniki - ścieżki - wskaźniki i stawki rozmieszczenia Inteligentne sieci : Jednym z podstawowych warunków przekształcenia tradycyjnych sieci Energetycznych jest upowszechnienie nowoczesnych układów energoelektronicznych.

Zdecentralizowane systemy zasilania:

Charakterystyka: Mała zdolność wytwarzania energii podłączonej do sieci (z średniego i niskiego

poziomu). Podstawowymi źródłami energii są odnawialne (wiatr, słońce, biomasa, biogaz, energia

wodna, energia geotermalna, oceanu …itd) i często dostępne są na poziomie lokalnym, czasowym.

Bariery: Potrzebna jest prognozowania produkcji energii ; Magazynowania nadwyżki energii;

Zapotrzebowanie na usługi pomocnicze; Obsługa systemu; Bezpieczeństwo dostaw energii;

Elastyczność i rozbudowa infrastruktury sieci

Co to jest Trigeneracja

• KOGENERACJA- (także skojarzona gospodarka energetyczna lub CHP (Combined Heat and Power). Układ skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej (CHP) jest to proces technologiczny jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej i użytkowej energii cieplnej. • TRÓJGENERACJĘ - Rozwój myśli technicznej i postęp technologiczny pozwolił na rozszerzenie procesu o produkcję poza 1) ciepłem i 2)energią elektryczną także 3)chłodu, czyli TRÓJGENERACJĘ.

• TRIGENERACJA- jest to skojarzone technologicznie wytwarzanie energii cieplnej, elektrycznej oraz chłodu użytkowego przy pomocy urządzeń absorpcyjnych, mające na celu zmniejszenie ilości i kosztu energii pierwotnej niezbędnej do wytworzenia każdej z tych form energii odrębnie.

• System trójgeneracyjny zbudowany jest z modułu CHP produkującego energię elektryczną oraz ciepło odpadowe wykorzystywane z kolei w urządzeniu absorpcyjnym do produkcji chłodu na potrzeby np. klimatyzacji.

Przepływ energii

Energia źródła (Dostaw energii po stronie podaży, energia pierwotna) Energia terenowa (Energia końcowa (po stronie popytu, energia finalna, użytkowa)

Różnica pomiędzy źródłowej i terenowej (na miejscu) energii, jest istotnym pojęciem aby

zrozumieć charakterystykę energetyczną układu (budynków,…itd)

Zużycie energii można mierzyć w zakresie wykorzystania paliwa: galon oleju opałowego, kWh

energii elektrycznej, czy Therms gazu. Chociaż wszystkie z nich są w różnych jednostkach, można

je w końcu zmierzyć też w jednostkach energii, np.

Opłacalność zastosowania OZE

Zużycie energii w światowej gospodarce jest coraz większe. W Polsce zapotrzebowanie na energię rośnie wraz z rozwojem gospodarczym. Dane oraz szacunki dostępne w praktyce i statystyce mówią wyraźnie, że w 2020 roku zapotrzebowanie na energię całkowitą będzie 4,5 razy większe w stosunku do roku 1960. Dalsze prognozy zapotrzebowania są równie niepokojące i wynoszą ponad 6 razy więcej w roku 2050 do roku 1960. Pojawia się pytanie, czy istnieją tak rozbudowane systemy, by zapewnić nam wystraczającą ilość energii. Pojawiają się wprowadzania nowych trendów na rynek i rozważne wprowadzenie alternatywy jak wzrost udziału OZE w bilansie energetycznym, poprawy efektywności wykorzystania i oszczędzenia surowców i poprawy stanu środowiska przez redukcję zanieczyszczeń do atmosfery i wód, redukcje ilości wytwarzanych odpadów oraz zmniejszenie emisji CO2.

Trójkąt podaż-popyt energii : Najpierw oszczędzanie energii, a potem zastosowanie OZE a

nie odwrotnie.

1- Oszczędność energii : wykorzystując wszystkie strategie zachowania energii -Najtańsza

energia to energia zaoszczędzona

2- Zwiększenie wydajności: wszystkie niezbędne jednostki zużywających energię w

systemie powinny być optymalizowane z wykorzystaniem najnowszych energooszczędnych urządzeń i elementów

3- Wykorzystanie odnawialnych źródeł/zasobów energii: dla pozostałej ilości

niezbędnych potrzeb energetycznych Cele klimatyczne UE 2020: 3 x 20 • Rada Europy 8-9 marca 2008 przyjęła Plan Działań integrujący politykę klimatyczną i

energetyczną Wspólnoty, aby ograniczyć wzrost średniej globalnej temperatury o więcej niż

2°C powyżej poziomu sprzed okresu uprzemysłowienia oraz zmniejszyć zagrożenie wzrostem

cen i ograniczoną dostępnością ropy i gazu.

• Zmniejszenie GC o 20% w porównaniu do 1990r.

• Racjonalizacja wykorzystania energii i ograniczenie jej zużycia o 20% zwiększenie udziału

energii z OŹE do 20% całkowitego zużycia średnio w UE (w przypadku Polski – 15% wg. decyzji

ze stycznia 2008)

Eksploatacja Energii bez negatywnych wpływów na środowisko :

Bardziej progresywne poszukiwania stawiają na samowystarczalność energetyczną budynku na terenie mu przynależnym i eksploatację bez negatywnego wpływu na środowisko. Celem jest sumaryczna wielkość zerowa ‘przypływów i odpływów’ energii dla wydzielonego obiektu.

W tym zakresie, w praktyce jest wiele różnic w interpretacji pojęcie ZEB (Zero Energy Building – budynek zero-energetyczny), szczególnie pomiędzy Północną Ameryką a Europą. Poniższe definicje obrazują je:

• Zerowe zużycie energii netto przez obiekt/miejsce (Net zero site energy use) – ilość energii ze źródeł odnawialnych (OZE) uzyskana na miejscu jest równa energii jaką pobiera budynek – jest to amerykański model.

• Netto zerowe użycie energii ze źródła (Net zero source energy use) - taki ZEB generuje tyle samo energii (OZE) ile zużywa plus energii do transportu energii do budynku (uwzględnia straty podczas przesyłania więc musi generować więcej energii niż poprzednio zdefiniowany).

• Netto zerowa emisja (Net zero emissions) - emisja na terenie lub poza pochodząca ze źródeł kopalnych jest balansowana poprzez wytwarzanie energii ze źródeł odnawialnych (OZE) – ale ZEB poza USA i Kanadą jest definiowany jako zero emisji - w niektórych obliczeniach do emisji generowanych w trakcie eksploatacji budynku dolicza się szkodliwą emisję generowaną w trakcie procesu budowlanego, wytwarzania materiałów oraz transportu do miejsca przeznaczenia - uwzględniane poszczególnych w obliczeniach nie jest jednolite

• Potrójnie zerowy (Triple Zero) – budynek zerowy w trzech kategoriach: - energia (co najmniej samowystarczalny w zakresie energii potrzebnej do ogrzewania, chłodzenia, ciepłej wody użytkowej i zainstalowanych urządzeń, a wytwarzanej na terenie gdzie położony jest budynek), - emisja (budynek nie produkuje żadnych gazów cieplarnianych i niedozwolone są żadne procesy spalania w budynku i na terenie), - odpady (w razie adaptacji budynku lub jego rozbiórki wszystkie elementy są powtórnie użyte (recycled) – bez jakiejkolwiek konieczności palenia lub kierowania do składowiska śmieci, a teren może być powtórnie częścią natury bez obaw o skażenia.

Wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych

Ze względu na rodzaj wytwarzanej energii przydomowe urządzenia korzystające z OŹE można podzielić na trzy grupy:

• I . Urządzenia wytwarzające ciepło i/lub chłód, m. in. : • Pompy ciepła, • Termiczne kolektory słoneczne, • Kotły na biomasę • Gruntowe wymienniki ciepła w systemach wentylacyjnych.

• II . Urządzenia wytwarzające energię elektryczną, m. in. : • Turbiny wiatrowe, • Panele fotowoltaiczne (PV), • Turbiny wodne .

• III . Urządzenia wytwarzające ciepło i energię elektryczną, m. in. : • panele fotowoltaiczne- Termiczne (PV/T).

Z najważniejszych wskaźników wykorzystania OŹE

A) Ile energii pierwotnej ( dostawa energii - po stronie podaży) zapotrzebowanie na energię końcową

(na terenie/na miejscu). Różnica pomiędzy źródłowej i terenowej (na miejscu) energii, jest istotnym

pojęciem, aby zrozumieć charakterystykę energetyczną układu (budynków,…itd)

B) Redukcja emisji gazów cieplarnianych Najczęstszym kryterium używanym dla przeprowadzenia oceny

ekologicznej urządzeń i układów grzewczych jest :

* Zużycie energii pierwotnej i Ekwiwalentna emisja CO2

• Ślad węglowy:

Co oznacza pojęcie „Carbon Footprint” ślad węglowy i jak należy rozumieć jego funkcję dla

środowiska? ślad węglowy to jest całkowita ilość mieszanki gazów CO2 i innych gazów

cieplarnianych emitowana w trakcie całego cyklu życia procesów i produktów, wyrażona jest w

gramach ekwiwalentach CO2 na kilowatogodzinę (gCO2ek/kWh), który oprócz CO2 dotyczy również

innych GHG (gazów cieplarnianych) , wywołujących efekt globalnego ocieplenia”.

• Układ hybrydowy

Co to znaczy hybrydowe systemy energii odnawialnej ? (Hybrid Renewable Energy system)

• System hybrydowy energii składa się zwykle z dwóch lub więcej odnawialnych źródeł energii wykorzystanych razem w celu stworzenia bardziej efektywnego systemu oraz zapewnienia lepszej równowagi w zaopatrzeniu w energię. (Technologie pomostowe, układy mieszane).

• Systemy hybrydowe : Posiadają dwa rodzaje różnych komponentów wykonujących zasadniczo tę samą funkcję.

• Hybrydowe systemy energii odnawialnej stają się popularne w zasilaniu strefy generacji ze względu na postęp w technologii energii odnawialnej i wzrost cen produktów ropopochodnych.

• Który z tych komponentów można wykorzystać i kiedy?

1) Te, które zaspokajają popyt / zapotrzebowanie 2) które maksymalizują efektywność Koszty !! i minimalizują Wpływ na środowisko (CO2..) 3) które zapewniają zrównoważoną i długoterminową wydajność

• Nowe podejście do projektowania obecnie instalacji hybrydowych wiąże się ze zwróceniem baczniejszej niż dotychczas uwagi na rolę magazynowania energii i racjonalizacji użytkowania energii oraz wykorzystaniu i urynkowieniu OŹE.

• Hybrydowe systemy zasilania są doskonałym źródłem energii w miejscach, gdzie dostęp do standardowej sieci energetycznej jest utrudniony lub wręcz niemożliwy.

• System może być zintegrowany z budynkiem lub zaprojektowany jako urządzenie wolnostojące.

Przegląd nad oddziaływaniu cyklu życia OŹE: Technologia wytwarzania energii elektrycznej

obejmuje następujące zakresy wpływu na środowisko:

1- Emisja gazów cieplarnianych (GHG) za [kW]) 2- Wpływ na Ludzkie zdrowie za [kWh] 3- Wpływ na Ekosystem za [kWh] 4- Wymagana powierzchnia terenu za [kWh] 5- Nakłady materiałowe za [kWh]

Energetyka Słoneczna

Dlaczego Słońce jest czystym i niewyczerpalnym źródłem energii, które jest w stanie bez problemu

zaspokoić energetyczne potrzeby wszystkich mieszkańców Ziemi (wystarczyłoby zabudować 3%

powierzchni Sahary). Może być przetworzona w inne formy energii , Energia słoneczna jest bezpłatna,

a jej wykorzystanie coraz bardziej efektywne.

ZALETY INSTALACJI SOLARNYCH:

– Ekologiczność (brak emisji CO2 i SOx i NOx )

– Nieograniczone zasoby energii, wszechobecność jej dostępu,

– Możliwość bezpośredniej konwersji na inne formy energii,

– W przyszłości możliwość uzyskania odliczeń ze względu posiadanie ekologicznych źródeł energii

WADY:

– Wyższe w stosunku do kotłowni konwencjonalnych koszty inwestycyjne

– Instalacja ogniw zajmuje rozległe obszary

– Trudność korzystania z tego źródła energii wynika m. in. ze zmienności dobowej i sezonowej

promieniowania słonecznego i również mała gęstość dobowa strumienia energii promieniowania

słonecznego.

- Roczny strumień energii promieniowania słonecznego docierający do powierzchni polski to 1123 [EJ]

Nawet gdybyśmy wzięli pod uwagę tylko tereny zamieszkane (kolektory słoneczne głównie na

dachach), to i tak podaż energii promieniowania słonecznego w Polsce przekracza krajowe

zapotrzebowanie na energię. To dobry punkt wyjścia do wykorzystania energii słonecznej. - Energia

słoneczna stanowi ogromny potencjał do wykorzystania. Szacunkowo jej ilość docierająca w ciągu

roku na powierzchnię kuli ziemskiej, przekracza 15.000 razy roczne potrzeby ludzkości, światowe

roczne zapotrzebowanie na energię. - Dla samego obszaru Polski, globalne nasłonecznienie dostarcza

300 razy więcej energii niż tego potrzebujemy.

Krótka charakterystyka rozkładu spektralnego promieniowania słonecznego

Promieniowanie słoneczne (jako gęstość energii w kW/m2.nm) jest promieniowaniem

elektromagnetycznym w zależności od długości fal od około 300 do 2500 (nm) nanometrów i niesie w

sobie zróżnicowaną ilość energii. Tylko część tego promieniowania o długości fali (350 -700 nm) lub

(0,35-0,70 m) to zakres światła widzialnego . Spektrum światła słonecznego: 7% (300 – 400 nm)

nadfiolet , 46% (350-700 nm) widzialny, 47% (700 – 2500 nm) podczerwień.

Konwersja promieniowania słonecznego:

fotochemiczna - prowadząca dzięki fotosyntezie do tworzenia energii wiązań chemicznych w roślinach w procesach asymilacji. foto termiczna - prowadzącą do przetworzenia energii promieniowania słonecznego na energię cieplną. fotowoltaiczna (PV)- prowadząca do przetworzenia energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

Energia słoneczna w budynkach: Technologia zero obszarowa – nie wymagająca dodatkowych

powierzchni, inaczej wykorzystująca różne powierzchnie np. ściany, dachy,….ekrany akustyczne. Kolektor(y) słoneczny(e) jest(są) jednym z etapów opracowywania budynku od projektowania począwszy. Dotyczy to : Ścian zewnętrznych, fasad, skosów, dachów, itp. Energia słoneczna w budynkach = nowe podejście do energetyki słonecznej.

SYSTEM ELASTYCZNYCH FASAD SŁONECZNYCH : System Elastycznych/dynamicznych Fasad Słonecznych umożliwia kombinacje takich elementów jak:

1-Nisko energetyczne szkło (o niskim współczynniku przewodzenia ciepła) w przeszklonych balkonach i przestrzeniach słonecznych, wykorzystywane w celu : zmniejszenia strat ciepła z zabudowanych szkłem balkonów i z przylegających pomieszczeń. 2-Wentylowane ściany słoneczne: używane do wstępnego podgrzania powietrza wentylacyjnego. Są umieszczone w elewacjach oraz w parapetach na klatkach schodowych (tam gdzie fasady budynku są bardzo nasłonecznione). 3- Panele fotowoltaiczne (PV) produkujące elektryczność są zintegrowane z fasadami budynku (skierowane na kierunek Południowy oraz umożliwiające ustawienie pod katem 90°). 4- Termicznie zaizolowane panele elewacyjne stosowane w elewacjach, w celu zredukowania strat ciepła przez ściany budynku od strony północnej. 5- Niewentylowane ściany słoneczne z izolacja transparentna stosowane na końcach budynków (z cegły) wystawionych na olbrzymie nasłonecznienie.

Aktywne wykorzystanie energii słoneczne: Energia słoneczna może być pozyskana i

przetworzona w inne formy energii (cieplną, elektryczną, chemiczną, mechaniczną).

W specjalnie do tego celu skonstruowanych urządzeniach lub instalacjach. Są to tak zwane aktywne

systemy wykorzystania energii słonecznej. Systemy te, w zależności od temperatury czynników oraz

od roli, jaką wykonują w transferze energii dzielą się na :

- Niskotemperaturowe (np. kolektory słoneczne),

- Wysokotemperaturowe (np. farmy i elektrownie słoneczne),

- Wspomagające (np. magazyny energii, pompy ciepła, diody cieplne…inne)

• Cele słonecznych programów w najbliższym okresie, czyli w krótkim czasie: będą

promowane rozwiązania zwiększające wykorzystanie energii słonecznej poprzez zmniejszenie kosztów

funkcjonowania systemu energii słonecznej w następujący sposób :

- produkcji energii elektrycznej z systemów fotowoltaicznych,

- słonecznego ogrzewania wody - termalne aplikacje ,

- Energia elektryczna z koncentracji - systemów solarnych…itd.

• Długoterminowe cele:

- do 2020 i dalej celem solarnych programów jest obniżenie kosztów energii słonecznej, aby były

one konkurencyjne do systemów wykorzystujących paliwa kopalne.

- Jednym z głównych problemów - magazynowanie energii słonecznej (elektrycznej i cieplnej)

który jest w trakcie opracowywania.

Technologie słoneczne

• Pasywne: dotyczą projektu architektonicznego budynku dostosowanego do lokalnych warunków mikroklimatycznych, odpowiednie usytuowanie budynku, właściwa orientacja, prawidłowe ukształtowania najbliższego otoczenia budynku.

• Podgrzewania wody: Technologie te wykorzystania energii słonecznej w celu zapewnienia ciepłej wody dla domów i firm

• Proces ogrzewania słonecznego i chłodzenie: Technologie te wykorzystują energię słoneczną do ogrzewania lub chłodzenia obiekty handlowe i przemysłowe.

• Technologie koncentrujące : Te technologie wykorzystują energię słoneczną w celu zapewnienia energii elektrycznej dla dużych elektrowni.

• Fotowoltaiczne (ogniwa słoneczne) : Technologie te konwertują bezpośrednio światła słonecznego na energię elektryczną do zasilania domów i przedsiębiorstw.

Udział energii słonecznej

• Każdego dnia dociera do naszej planety znaczna ilość energii słonecznej.

• Moc promieniowania w danym miejscu zależy od temperatury powierzchni słońca, odległości

ziemi od słońca, warunków pogodowych i przenikania przez atmosferę (zjawiska rozproszenia,

odbicia i pochłaniania).

• Zarówno w zimie, jak i w lecie moc promieniowania padającego na powierzchnię prostopadłą do

kierunku promieniowania wynosi około 1000 [W/m2].

Rejonizacja obszaru Polski pod względem możliwości wykorzystania energii słonecznej.

Moc promieniowania w danym miejscu zależy od temperatury powierzchni słońca, odległości ziemi

od słońca, warunków pogodowych i przenikania przez atmosferę (zjawiska rozproszenia, odbicia i

pochłaniania).

Geometria słoneczna : Energia Promieniowania Słonecznego

1- Promieniowanie słoneczne całkowite W/m2

To jest chwilowa moc promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni ziemi, zależna w znaczącym stopniu o stanu atmosfery (Zjawiska w ziemskiej atmosferze).

Stała słoneczna : Jest ona wartością gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchni stratosfery i wynosi 1,366 kW/m2 (jest to mała gęstość strumienia ciepła).

Albedo Ziemi : • Albedo to stosunek światła promieniowania odbitego od przedmiotu, do całkowitego światła

docierającego do niego. • Wartość albedo waha się : od 0 (brak światła odbitego) do 1 (całe światło zostało odbite) lub

wartość ta może być wyrażana w procentach (%). Albedo Ziemi: - Średnie albedo naszej planety wynosi około 0,3. Oznacza to, że 30% światła słonecznego docierającego do Ziemi jest oddawane z powrotem w przestrzeń kosmiczną. - Nie oznacza to jednak, że w każdym miejscu na ziemi jest jednakowe: największe odbicie występuje tam gdzie występuje lód lub śnieg, natomiast najmniejsze nad oceanami.

Stosunek AM (Air Mass ratio): Wartość ta odpowiada mocy, która najkrótsza droga (prostopadle) osiąga powierzchnie Ziemi – czyli

w południe na równiku. - Dla innych szerokości geograficznych ilość energii docierającej do powierzchni

będzie zależała od kąta, pod którym to promieniowanie pada na danej szerokości geograficznej.

AM0 oznacza brak atmosfery; AM 1 Oznacza słońce jest w zenicie (nad głową); AM 1.5 Często przyjmuje się

jako średnią spektrum na powierzchni Ziemi, czyli AM1.5 Jest jako standardowa kalibracji dla ogniw

fotowoltaicznych (PV)

Przyrządy pomiarowe : Przyrządy mierzą kilka komponentów promieniowania słonecznego : Przyrządy Promieniowanie bezpośrednie -, pyrheliometr; Promieniowanie całkowite – Pyranometr, solarymetr; Promieniowanie odbite – albedometr; Promieniowanie ziemskie - pyrgeometr

2- Usłonecznienie h/rok Usłonecznienie określa liczbę godzin bezchmurnych w ciągu roku, gdy promieniowanie słoneczne dociera bezpośrednio do powierzchni ziemi.

- Dla potrzeb doboru instalacji solarnych nie jest to istotny parametr, gdyż w zasadzie jest on ujęty w wartości globalnego nasłonecznienia (kWh/m2rok), dla danego rejonu.

- Usłonecznienie dla Polski wynosi przeciętnie od 1400 do 1700 godzin rocznie , w zależności od lokalizacji.

3- Globalne nasłonecznienie, (napromieniowanie) kWh/m2 rok

- Nasłonecznienie jest najważniejszym parametrem opisującym energię promieniowania Słonecznego , ponieważ wyraża energię [kWh] docierającą do powierzchni ziemi [m2] w ciągu roku.

Przyjmując średnią wartość nasłonecznienia 1000 [kWh/m2 rok] w Polsce , można określić

roczny potencjał energii PS jako równowartość ciepła wytworzonego ze spalania 100 litrów oleju

opałowego lub 100 [m3] gazu ziemnego dla każdego 1 [m2] powierzchni.

1 – 8,5 [kWh/m2.day]

Wartość ciepła 1 litr oleju opałowego = 10 [kWh] Czyli 1 [kWh] wymaga 0,1 [litra] OP

0,1x365 = 36,5 lit. - 0,85x365 = 310,3 lit , Mając liczbę słoneczne dni (np. 280),

możemy pomnożyć przez średnią wartość natężenia promieniowania słonecznego i będąc w kraju który ma GN 5,5 [kWh/m2.day] . Możemy oszczędzać 0,55 litr oleju opałowego czyli rocznie będzie :

(280 x 0,55= 154 litr)

Oleju opałowego wykorzystując jeden metr kwadratowy kolektora słonecznego

Ile zmniejsza emisję CO2 ! spalania 1 litra oleju napędowego emituje 2,7 [kg CO2] :

Jak wgląda porównanie

efektywności przejmowania energii promieniowania słonecznego z 1 m2 powierzchni w różnych technologiach wykorzystania OZE Porównanie różnych technologii OZE do ogrzewania i chłodzenia budynków oraz przygotowania ciepłej wody pod względem:

• Dyspozycyjność i stopień pokrycia % (w małej czy dużej instalacji !!) w zakresie ogrzewania i ciepłej wody, chłodzenia… • Wpływ na szkodliwą emisję zanieczyszczeń

Obliczenie wielkości systemu solarnego : Aby oszacować powierzchnię kolektora słonecznego i

objętości zbiornika, wymagane są kilka czynników, które należy wziąć pod uwagę:

• Dzienne zapotrzebowania na CWU • Roczna moc ogrzewania – (Jeżeli wymagane są dodatkowe wsparcia ogrzewania) • rodzaj kolektora •orientacji kolektora

Wielkości systemu solarnego :

- Decydując się na budowę instalacji układu kolektorów słonecznych musimy sobie odpowiedzieć na wiele pytań zarówno natury technicznej jak i ekonomicznej.

- Należy zdecydować się na określony schemat technologiczny, wybrać odpowiedni typ urządzeń, oszacować powierzchnię kolektorów (lub paneli PV), pojemność zasobnika i rodzaj oraz wielkość uzupełniającego źródła ciepła.

Kroki do Projektowania instalacji solarnych (termicznych)

Parametry geometryczne kolektora

Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii – Współczynniki korekcyjne

Sprawność kolektorów

Zespół pompowy (stacja pompowa)

Zasobnik(i) solarny(e)

Układ regulacji pracą instalacji słonecznej

1- temperatura robocza (eksploatacyjna) kolektorów:

- niskotemperaturowe

- Elektrownia słoneczna (wysokotemperaturowe) Zakres przemysłowego ciepła 90 oC – 450 oC

2- kolektory: Parametry geometryczne kolektora

Najważniejsze i najdroższe zarazem podzespoły instalacji słonecznej grzewczej to kolektory słoneczne, które w zależności od czynnika przepływającego przez kolektor, kolektory dzieli się na rodzaje: - cieczowe, - powietrzne, a ze względu na budowę możliwy jest podział na typy: - płaskie, Próżniowe , skupiające Z punktu widzenia budowy i procesów produkcji i montażu kolektorów słonecznych wyróżnić w nich można następujące komponenty:

- absorber, - warstwa izolacyjna, - przesłona, - obudowa.

Gdzie instalować kolektory? Położenie słońca i oznaczenie kątów lub Ustawienie kolektora w

przestrzeni lub Wpływ orientacji i pochylenia kolektora na uzysk energii

Kąt nachylenia : jest kątem między poziomem a powierzchnią kolektora słonecznego, Absorber kolektora może wchłonąć Największą ilość energii wtedy, gdy płaszczyzna kolektora jest prostopadła do kierunku promieniowania słonecznego.

Azymut Azymut określa odchylenie płaszczyzny kolektora od kierunku południowego (S);

- przy płaszczyźnie kolektora zorientowanej na południe azymut = 0°. - Ponieważ napromieniowanie jest najintensywniejsze w porze południowej, kolektor winien być

zorientowany możliwie na południe. Dobre wyniki uzyskuje się jednak także przy odchyłkach azymutu do 15° na wschód lub zachód.

- Konieczność większych odchyleń można skompensować niewielkim zwiększeniem powierzchni kolektorów.

konwersji energii słonecznej w kolektorach słonecznych • Prosta metoda do konwersji zainstalowanej powierzchni kolektora słonecznego lub

roczna produkcja energetyczna kolektora Czyli : Powierzchni kolektora (wejście) i Roczna

produkcja energetyczna (wyjście) → Roczna wytwarzanie ciepła = co wychodzi z kolektorów

Sprawność optyczna mówi wprost o cechach konstrukcji i materiałach użytych do budowy

kolektora słonecznego – jaka część energii promieniowania słonecznego dociera do absorbera i może

być wykorzystana do uzyskania ciepła. Zazwyczaj kolektory przeszklone uzyskują maksymalnie 80 ~

85% sprawności optycznej, a bez przeszklenia (np. „maty” dla podgrzewu wody basenowej) nawet

powyżej 90%.

Sprawność kolektora • Sprawność kolektora słonecznego w prostym ujęciu oznacza jaką wydajność cieplną (W/m2)

wytwarza on chwilowo w odniesieniu do promieniowania słonecznego (W/m2)

• Jeśli np. promieniowanie słoneczne wynosi 800 W/m2, a wydajność kolektora w tym samym

momencie jest 600 W/m2 a jego sprawność wynosi 75%

• Sprawność kolektora jest wartością silnie zmienną w czasie i zależną od kilku czynników jak :

• 1- Przede wszystkim zależy od różnicy temperatur powierzchni kolektora i otoczenia

• Kolektory przy nagrzewaniu się oddają ciepło otoczeniu przez przenikanie cieplne,

promieniowanie i konwekcję (ruch powietrza).

• Straty te uwzględniają współczynniki strat k1 i k2 (Zależne są one od różnicy temperatur pomiędzy

absorberem a otoczeniem).

• Sprawność chwilowa kolektora termicznego: zależy od jego charakterystycznych

parametrów: sprawności optycznej oraz współczynników start ciepła K1 i k2.

• Dla idealnego kolektora (k1 i K2 = 0)

• Wykres sprawności byłby linią poziomą - im większe współczynniki, tym bardziej pochyły będzie

wykres sprawności kolektora słonecznego

Chwilowa moc kolektora słonecznego: o chwilowej mocy decyduje wartość natężenia

promieniowania słonecznego padającego na kolektor, temperatura jego pracy oraz temperatura

otoczenia. Wraz z wzrostem temperatury pracy kolektora (Tm = (Twlot +Twylot)/2) i obniżeniem

temperatury otoczenia (Ta) zwiększa się ilość energii traconej przez kolektor. Również zmniejszające

się promieniowania słoneczne powoduje, że przy zadanej stałej różnicy temperatur (Tm-Ta) (stałych

stratach ) spada moc kolektora.

Do oceny i porównania własności użytkowych kolektorów słonecznych służy szereg parametrów

określanych i podawanych przez producentów. Umożliwiają one określenie spodziewanych efektów

pracy i porównanie między sobą różnych kolektorów. Te parametry oraz metodykę ich obliczenia określa

norma europejska EN 12975 : 2006. W oparciu o nią upoważnione certyfikujące przeprowadzają

kompleksowe badania energetyczne i jakościowe kolektorów. Każdy producent oferujący kolektory

słoneczne przynajmniej na rynku europejskim, powinien posiadać dla każdego produktu z oferty,

certyfikat Solar Keymark. Potwierdza on zgodność jakości kolektora słonecznego z wymaganiami normy

EN 12975 (w Polsce jako PN-EN 12975).

Podstawowe parametry wyznaczające sprawność danego kolektora to:

- Sprawność optyczna oznaczająca maksymalną zdolność do efektywnego absorbowania energii

słonecznej.

- współczynniki strat K1 i K2, które pozwalają na określenie wzrostu strat kolektora wraz z wzrostem

temperatury kolektora w stosunku do temperatury otoczenia,

Sprawność kolektora jest wyznaczana z zależności :

• Sprawność chwilowa kolektora słonecznego termicznego określana jest przez wzór :

Gdzie : η0 sprawność optyczna, K1 współczynniki straty ciepła liniowych (W/m2K); K2 współczynniki straty

ciepła kwadratowych (W/m2K2), T różnica temperatur pomiędzy absorberem a otoczeniem kolektora słonecznego, Eg Promieniowanie słoneczne całkowite (W/m2) (natężenia promieniowania słonecznego)

Duże instalacje słoneczne w porównaniu z małymi

• Jak rozgraniczyć lub rozróżniać małe i duże instalacje słoneczne? • Nie ma jednoznacznie ustalonej granicy, która by mówiła, czy instalacja jest jeszcze mała czy może

zalicza się już do dużych. • Źródła są dość rozbieżne w tej kwestii i podają wartości od : • 30 [m2] przez 50 [m2] aż do 100 [m2] w zależności od powierzchni i zastosowanych kolektorów

słonecznych To jednak NIE ilość kolektorów, ale sposób magazynowania ciepła jest głównym elementem rozgraniczającym te instalacje.

Wymiarowanie instalacji solarnych

1. Kolektor słoneczny, 2.układ pompowy, 3. zasobnik(i) oraz 4. Regulator(y) , sterownik(i) To są głównymi elementami instalacji solarnej i ich parametry powinny ze sobą optymalnie współgrać. Natomiast pozostałe elementy instalacji powinny tę współpracę wspierać.

Podstawowymi wielkościami mającymi wpływ na parametry instalacji solarnej są: • Wskaźniki pokrycia solarnego : Jest to stosunek solarnej energii użytecznej do całkowitych potrzeb

energetycznych związanych z przygotowaniem ciepłej wody użytkowej . Podaje on, ile procent potrzeb energetycznych związanych z przygotowaniem CWU zaspokaja instalacja solarna średnio w ciągu roku.

• Sprawność systemu solarnego: Definiowana jako stosunek energii użytecznej do wartości całkowitej

promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię Kolektorów. Określa ona, ile procent całkowitej rocznej wartości promieniowania słonecznego przekształcane jest w instalacji solarnej w

energię użyteczną. Zjawisko stagnacji (Temperatura stagnacji) a sprawność kolektora słonecznego • Stagnacja jest zjawiskiem naturalnym, w przypadku gdy występuje duże nasłonecznienie, a

użytkownik instalacji solarnej nie korzysta z energii słonecznej. • W takiej sytuacji temperatura ciepłej wody użytkowej w zasobniku osiąga wartość

maksymalną, a regulator nie ma stosowanych opcji zabezpieczających lub napięcia zasilającego.

• Stan stagnacji kolektora słonecznego następuje w momencie, gdy straty ciepła są równoważne wydajności cieplnej. Sprawność wynosi wtedy zero (na wykresie punkt tstg).

• Dzieje się tak przy braku odbioru ciepła z kolektora oraz braku przepływu czynnika grzewczego przy dużym promieniowaniu słonecznym.

• Temperatura stagnacji jest określana dla warunków słonecznego dnia przy promieniowaniu słonecznym 1000 [W/m2 ] i temperaturze zewnętrznej +30 [oC].

• Jest to temperatura mierzona na powierzchni absorbera kolektora słonecznego, a zatem będzie ona zależna przede wszystkim od : • właściwości szyby (przepuszczalności promieniowania słonecznego), • właściwości absorbera (absorbcja promieniowania słonecznego, emisyjność ciepła) oraz • izolacji cieplnej obudowy kolektora.

• Tak więc im wyższa będzie temperatura stagnacji, tym krzywa sprawności będzie miała wyższy przebieg.

Badanie i certyfikacja kolektora słonecznego: Wymagane są następujące badania:

1. Ciśnienie wewnętrzne w absorberze (patrz PN-EN 12975-2:2007, 5.2); 2. Odporność na wysoką temperaturę (patrz PN-EN 12975-2:2007, 5.3); 3. Ekspozycyjność (patrz PN-EN 12975-2:2007, 5.4); 4. Zewnętrzny szok termiczny. Można połączyć z badaniem odporności na wysoką temperaturę lub

badaniem ekspozycyjności (patrz PN-EN 12975-2:2007, 5.5); 5. Wewnętrzny szok termiczny. Można połączyć z badaniem odporności na wysoką temperaturę lub

badaniem ekspozycyjności (patrz EN PN-EN 12975-2:2007, 5.6); 6. Przeciekanie wody deszczowej, dotyczy tylko kolektorów z osłonami (patrz PN-EN 12975-2:2007, 5.7);

7. Wytrzymałość (patrz PN-EN 12975-2:2007, 5.9); 8. Charakterystyka cieplna (patrz PN-EN 12975-2:2007, Rozdział 6); 9. Odporność na zamarzanie, tylko w przypadkach określonych w PN-EN 12975-2:2007, 5.8); 10. Temperatura stagnacji (patrz PN-EN 12975-2:2007, Załącznik C). Można połączyć z badaniem odporności na wysoką temperaturę lub badaniem ekspozycyjności; 11. Przegląd końcowy (patrz PN-EN 12975-2:2007, 5.11).

Wysokotemperaturowe kolektory skupiające

kolektory skupiające • Istotnym parametrem pracy dla skupiających kolektorów słonecznych jest wysoki stopień koncentracji zwierciadła skupiającego. • Ogólnie, im wyższy jest stopień koncentracji lustra, tym większą temperaturę może wytworzyć kolektor słoneczny. • We współczesnej technice znane są różne typy kolektorów skupiających.

Skoncentruje energii słonecznej dzięki zastosowaniu luster i soczewek • Współczynnik stężenia (koncentracji, lub "liczba słońca") może być większa niż 1000.

• Systemy mogą być małe: na przykład kuchenka słoneczna .... lub duże:

- Wytwarzanie energii elektrycznej w skali użytkowej (do 900 MW zaplanowane)

- Piecowe temperatury do 3800 [oC].

• Istotnym parametrem pracy dla skupiających kolektorów słonecznych jest wysoki stopień koncentracji zwierciadła skupiającego.

• Ogólnie, im wyższy jest stopień koncentracji lustra, tym większą temperaturę może wytworzyć kolektor słoneczny.

• We współczesnej technice znane są różne typy kolektorów skupiających. • Skoncentruje energii słonecznej dzięki zastosowaniu luster i soczewek • Współczynnik stężenia (koncentracji, lub "liczba słońca") może być większa niż 1000.

• Systemy mogą być małe: na przykład kuchenka słoneczna .... lub duże: jak Wytwarzanie energii elektrycznej w skali użytkowej

- Podstawowe typy kolektorów słonecznych do Wytwarzania energii elektrycznej • Kolektory Paraboliczne • Kompaktowe reflektory liniowe Freznela • Piece słoneczne • Naczynie/talerzy paraboliczne i silnik • Centralne odbiorniki słoneczne • koncentrator soczewki

WYSOKOTEMPERATUROWE kolektory ale jakie !!

Zdecentralizowane (Paraboliczne, pole absorberów, Farmy słoneczne): Zwany też parabolicznym przepływowym koncentratorem, w którym czynnik roboczy przepływa kolektorem przez szereg koncentratorów płaskich, parabolicznych lub rynnowych, tworzących tzw. Farmy słoneczne. Scentralizowane (wieżowe lub talerzowe, kolektor centralny, Pola koncentratorów, Elektrownie słoneczne): wieżowy lub talerzowy, w którym pole heliostatów w postaci luster rozmieszczonych na znacznym obszarze lub talerz koncentrują promieniowanie słoneczne na jednym centralnym kolektorze umieszczonym na wieży lub ognisku talerza.

Dlaczego technologia koncentracji/skupiania energii promieniowania słonecznego

- Może być zintegrowana z konwencjonalnych elektrowni cieplnych. - Zapewnia zdolność magazynowania ciepła - Służy różne rynki (pod względem mocy, zdalne sterowanie, ciepło, woda) - Ma niższe koszty energii elektrycznej (słonecznej) - Posiada krótki czas zwrotu z inwestycji energii. - Wykorzystuje największych odnawialnych zasobów na świecie.

Energia Elektryczna z energii cieplnej słońca

1- Odbieranie i skoncentrowanie promieniowania słonecznego z możliwością minimalnego rozpraszania, zapewniającego maksymalną stabilność i przebywania na słońcu. Zawiera zwierciadła i konstrukcję nośną z systemem śledzenia promieniowania słonecznego. 2- Zbiera skoncentrowane promieniowanie słoneczne i zamienia go w energię cieplną. 3- Prowadzi energię cieplną z kolektorów do systemu zasilania. Zawiera połączenia ze strukturą rurociągów i płynami przenikania ciepła. 4- Magazynuje energię (np. termiczną lub elektryczną) przez nośniki (takie jak stopiona sól, koło zamachowe lub baterie) do opóźnionego użycia. 5- Transmituje ciepło z jednego nośnika ciepła do przesyłania innego (na przykład, za pomocą generatora pary) 6- Przekształca energię cieplną w mechaniczną 7- Konwertuje energię mechaniczną w energię elektryczną 8- Zmniejsza temperaturę i kondensacje ciecz roboczą 9- Posiada funkcję sterowania systemem STE

Metody zbioru światła słonecznego

Zasada działania/efekt fotowoltaiczny

• Ogniwa fotowoltaiczne, znane także jako ogniwa słoneczne, są produkowane z tych samych rodzajów materiałów półprzewodnikowych (np. krzem) jak te wykorzystywane w mikroelektronice.

• Jest to materiał półprzewodnikowy, w którym następuje konwersja promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

• Gdy promieniowanie słoneczne (fotony) uderza w ogniwo słoneczne, elektrony wybijane są luźne z atomów w materiale półprzewodnikowym.

• Jeżeli przewody elektryczne są dołączone do pozytywnych i negatywnych stron, tworzących obwód elektryczny, elektrony mogą być przechwytywane w postaci prądu elektrycznego.

• Jest to metoda wytwarzania energii elektrycznej poprzez konwersję promieniowania słonecznego bezpośrednio na prąd elektryczny. Konwersja odbywa się w półprzewodnikach, w których zachodzi efekt fotowoltaiczny.

• Podstawowym elementem fotowoltaicznym jest ogniwo, z którego wykonuje się panele (zestaw wielu ogniw) i matryce paneli.

• Jak to działa? - jest to złącze p-n - Przez absorbowane światło słoneczne tworzą się pary elektron-dziura, które są separowane

przez pole w złączu i transportowane przez złącze. gdy powstaje złącze p-n, dziury z obszaru p dyfundują do obszaru typu n, elektrony z n do p; powstaje pole elektryczne; to pole powoduje, że prąd łatwo płynie w jednym kierunku a przepływ w drugim kierunku jest utrudniony; to pole również separuje elektrony i dziury, które zostały wykreowane przez zaabsorbowane światło, dzięki tej separacji można uzyskać moc elektryczną.

Prosty schemat przekroju krzemowego, krystalicznego ogniwa słonecznego

Rodzaje instalacji PV

• - Stacjonarna • - Nadążna, śledząca • - Samodzielna (off grid) oddalone od sieci lub nie podłączonych do sieci • - Dołączona do sieci elektrycznej • - Moduły PV/T (ciepło i prąd) fotowoltaiki i kolektora słonecznego, czyli MIX energetyczny • - Zintegrowana z budynkiem (BIPV) lub systemy fotowoltaiczne montowane na budynkach

Składniki systemu PV- Podstawowe elementy systemu Każdy system fotowoltaiczny składa się z kilku podzespołów, należy tu wyróżnić: - moduły fotowoltaiczne - inwerter - system mocowania - akcesoria łączeniowe…

• A) Moduły: Ogniwo fotowoltaiczne jest podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego. Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj kilka Watów energii elektrycznej. W celu uzyskania większych napięć i prądów ogniwa łączone są szeregowo-równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny (zwany też panelem fotowoltaicznym).

Technologie PV

I Generacje II Generacja III Generacja Ogniwa krzemowe Ogniwa cienkowarstwowe Ogniwa pozbawione złącza p-n Monokrystaliczne GaAs Barwnikowe

Polikrystaliczne CdTe (tellurek kadmu) Organiczne Amorficzne CIS, CIGS (selenek miedziowe indowe) Polimerowe Termoelektryczne

Dobór modułów PV: 1) Moduły monokrystaliczne

• Najbardziej wydajne, nawet 20% (małe powierzchnie) • Bardziej estetyczne (1 kolor) • Długa żywotność (ok. 25 lat) • Niższe koszty instalacyjne na 1Wp

2) Moduły polikrystaliczne • Stosunkowo wydajne 10-16% • Krótszy i mniej energochłonny proces produkcji • Lepsze osiągi w wyższych temperaturach (południe Europy) • Tańsze od monokrystalicznych

3) Moduły cienkowarstwowe (amorficzne, CdTe, CIS, CIGS) • Warunki z małą ilością światła lub z światłem nieregularnym (odbitym) • Dowolność instalacji (na ścianie, różne kąty, nachylenia, ekspozycje, materiał

dachu), budownictwo BIPV • B) Inwerter (falownik): Inwerter jest urządzeniem elektronicznym, które steruje pracą systemu

fotowoltaicznego. Najważniejszą funkcją inwertera jest zamiana prądu stałego wytwarzanego przez system fotowoltaiczny na prąd zmienny o parametrach umożliwiających zasilanie urządzeń elektrycznych, a także jego dostarczanie do sieci elektroenergetycznej.

• C) Akumulatory : W systemach fotowoltaicznych zwykle używa się akumulatorów: • Niklowo-kadmowych (NiCd) lub niklowo-wodorkowych (NiMH). • Jednakże w użyciu są także akumulatory ołowiowe, litowo-jonowe i kondensatory (zwane

kondensatorami dwuwarstwowymi).

Systemy fotowoltaiczne

W tym zakresie można się spotkać z różnimy definicjami, pierwszym krokiem przy dokonywaniu doboru elementów instalacji fotowoltaicznej jest określenie rodzaju lub systemu instalacji fotowoltaicznej: Instalacja stacjonarna (stand-alone) czy nadążna (sun tracking) Instalacja samodzielna (off grid0 czy dołączona do sieci (in grid)

Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do celów chłodzenia • Maksymalne zapotrzebowanie na chłód (budynku np.) występuje w tym samym czasie co

maksymalne natężenie promieniowania słonecznego.

• W czasie, w którym występuje potrzeba chłodzenia, ciepło wytworzone przez kolektory słoneczne jest wykorzystywane w niewielkim stopniu do przygotowania CWU

• w przypadku wykorzystania energii promieniowania słonecznego do celów chłodzenia unika się problemów spowodowanych jego zmiennym natężeniem.

Instalacji PV /T : Produkcja prądu elektrycznego oraz energii cieplnej (lub termicznej).

• Wzrost wydajności ogniwa nawet o 25% w stosunku do tradycyjnego modułu w tym układzie . Dłuższa żywotność struktury fotowoltaicznej • Zastosowanie w podgrzewaniu ciepłej wody użytkowej • Wspomaganie centralnego ogrzewania • Oszczędność powierzchni- jeden moduł w miejsce dwóch • Niższy koszt instalacji systemu

Wpływ temperatury na wydajności paneli PV : Fizyczny aspekt zmniejszenia sprawności ogniw fotowoltaicznych ze wzrostem temperatury obejmuje dwa zasadnicze czynniki:

- Wzrost amplitudy drgań krystalicznej, utrudniają przepływ nośników ładunków wskutek zmniejszenia ich ruchliwości;

- Utratę zdolności rozdzielania foto generowanych ładunków przez złącze. Te efekty redukują aktywność ogniwa i jego sprawność zmniejsza się.

Jak podnieść sprawność ogniw PV? 1) Koncentratory światła 2) Systemy śledzące 3) Stosując system chłodzenia ogniw (np. PV/T) zwiększamy efektywność elektryczną i wytwarzamy

dodatkowo energię cieplną.

Charakterystyka instalacji Instalacja wyspowa (on grid) i podłączona do sieci (off grid):

- Instalacja wyspowa : Nadwyżki energii poprzez regulator wykorzystywane są do ładowania

akumulatorów w celu późniejszego wykorzystywania zgromadzonej energii.

- Instalacja podłączona do sieci : Nadwyżki energii sprzedawane są do sieci energetycznej .

Sprawność hybrydowego systemu kolektora PV/T (Fotowoltaiczne – termiczny):

Sprawność zintegrowanego systemu kolektora PV/T określa się zatem wzór:

Ik – prąd zwarcia [A], Uoc – napięcie otwartego obwodu [V], E- promieniowanie słoneczne [W/m2] ,

FF –współczynnik wypełnienia charakterystyki ; A- powierzchnia fotoogniwa (kolektora) [m2]

Opracowano wiele korelacji dotyczących temperaturę w paneli fotowoltaiczny (TC) w zależności od parametrów

klimatycznych (promieniowania słonecznego, temperatury powietrza, prędkości wiatru, ….). Ponadto, dostępne

są liczne korelacje w celu obliczenia wpływu temperatury ogniwa fotowoltaiczne (PV) na wydajność ogniwa

fotowoltaicznego (c), w większości zastosowań praktycznych przyjęty jest następująca zależność liniowa:

Gdzie:

ref : wydajność referencyjną ogniwa fotowoltaicznego w temperaturze Tref .

ref : współczynnik temperaturowy zależy przede wszystkim od materiału PV, który zapewniany przez producenta przy temperaturze Tref

Fotowoltaiczny system hybrydowy: jako generatory pomocnicze można użyć:

• Generatory benzynowe • Generatory na biopaliwa • Turbiny wiatrowe • Generatory diesla • Ogniwa paliwowe • Mikroelektrownie wodne • Generatory gazowe • Generatory termoelektryczne • Generatory termofotowoltaiczne • Elektrochemiczne źródła energii

Systemy klimatyzacji słonecznej, wykorzystanie energii promieniowania słonecznego

do celów chłodzenia:

• Maksymalne zapotrzebowanie na chłód (budynku np.) występuje w tym samym czasie co

maksymalne natężenie promieniowania słonecznego. W czasie, w którym występuje potrzeba

chłodzenia, ciepło wytworzone przez kolektory słoneczne jest wykorzystywane w niewielkim

stopniu do przygotowania CWU. w przypadku wykorzystania energii promieniowania

słonecznego do celów chłodzenia unika się problemów spowodowanych jego zmiennym

natężeniem. Dlatego też zastosowanie adsorpcyjnej wytwornicy wody lodowej spowoduje

zwiększenie wykorzystania potencjału energii promieniowania słonecznego, obniżając znacznie

zapotrzebowanie (budynków np.) na energię pierwotną do celów chłodzenia oraz obniżenie

kosztów eksploatacji budynku. W Europie systemy klimatyzacji słonecznej stosowane są głównie

w Niemczech i Hiszpanii, Przykłady te odnoszą się w większości do instalacji o mocach

chłodniczych powyżej 50 [kW].

Programy komputerowe solarne: Do czego potrzebne są programy komputerowe

energii słonecznej ?

• Zapobiegają popełnieniu błędów w obliczeniach

• Oszczędność czasu, poprzez wprowadzanie niewielkiej ilości danych i otrzymywanie wielu wyników:

zysku, sprawności, pokrycia solarnego itp.

• Obliczenia oparte na danych meteorologicznych co daje większą dokładność oczekiwanych efektów

stosowania systemu.

• Możliwość łatwej i szybkiej zmiany urządzeń oraz wyniki obliczeń podawane są często w formie

tabelarycznej, opisowej, graficznej pozwalając na lepszą orientacje wśród możliwych wariantów.

• Szybkie przeprowadzenie analizy ekonomicznej i ekologicznej wybranego systemu.

Energetyka Wiatrowa

Energetyka wiatrowa: Zajmuje się przetwarzaniem energii wiatru (za pomocą silników, lub

turbinów wiatrowych) w elektrowniach i siłowniach wiatrowych. - Moc elektrowni wiatrowych jest zależna od prędkości wiatru, w wielu regionach warunki klimatyczne nie sprzyjają wykorzystywaniu energii wiatru. Elektrownia wiatrowa : Elektrownia wytwarzająca energię elektryczną przy pomocy

generatorów (turbin wiatrowych) napędzanych energią wiatru. - Energia elektryczna uzyskana z energii wiatru jest uznawana za ekologicznie czystą, gdyż,

pomijając nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni, wytworzenie energii nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa.

- Praca elektrowni wiatrowych powoduje jednak nietypowe i trudne do oceny oddziaływanie na środowisko.

Siłownie wiatrowe: Energia wiatru to przekształcona forma energii słonecznej. Wiatr jest

wywołany przez różnicę w nagrzewaniu lądu i mórz, biegunów i równika, czyli przez różnicę ciśnień między różnymi strefami cieplnymi. Ocenia się, że około 1-2% energii słonecznej dochodzącej do Ziemi ulega przemianie na energię kinetyczną wiatru, stanowi to 2700 TW. 25% tej energii przypada na stumetrową grubość warstwy powietrza atmosferycznego otaczającego bezpośrednią powierzchnię Ziemi. Jeśli uwzględni się różne rodzaje strat, oraz możliwości rozmieszczenia instalacji wiatrowych, mają one potencjał energetyczny o mocy 40 TW.

• Energia wiatru to przekształcona forma energii słonecznej. • Wiatr jest wywołany przez różnicę w nagrzewaniu lądu i mórz, biegunów i równika, czyli

przez różnicę ciśnień między różnymi strefami cieplnymi. Energia wiatru powstaje dzięki różnicy temperatur mas powietrza, spowodowanej nierównomiernym nagrzewaniem się powierzchni Ziemi. Dlatego jak długo kula ziemska się kręci a słońce świeci, tak długo będzie istniał Wiatr, Stąd energia wiatrowa jest energią odnawialną.

Elektrownia wiatrowa Jak to działa? - Ogólna zasada wytwarzania energii z wiatru jest oparta na zasadzie działania prądnicy. Gdy

wiatr trafia na opór w postaci łopaty rotoru, energia kinetyczna wiatru zamieniana jest na pracę mechaniczną w postaci ruchu obrotowego wirnika.

- Energia obrotowa wirnika przenoszona jest za pomocą wału i przekładni do generatora, który przekształca ją w energię elektryczną. Nowoczesne elektrownie wiatrowe wykorzystują zaawansowane technologie, oparte na doświadczeniach przemysłu lotniczego.

Główne elementy turbin wiatrowych: - Fundament, - Wieża, gondola, łopaty (z regulacją kąta ustawienia), - Generator, skrzynia przekładniowa, konwerter, transformator, układ hamowania, układ

kontroli i sterowania.

W jaki sposób siła wiatru jest przetwarzana na czystą energię? • Wiatr wieje prostopadle do łopat wirnika, sprawiając, że wirnik porusza się/obraca się. • Energia łopat wirnika zostaje przeniesiona do układu napędowego znajdującego się w

gondoli.

• Układ napędowy dostosowuje prędkość wirnika do właściwej prędkości obrotowej generatora.

• Generator przetwarza energię mechaniczną na energię elektryczną, a następnie konwerter ustawia częstotliwość na wartość 50 Hz (w Europie) [60 Hz (w USA)]

• Energia elektryczna dostarczana jest do transformatora, który zwiększa napięcie wymaganego napięcia sieci dystrybucji.

Wytwarzania prądu elektrycznego w siłowni wiatrowej możemy opisać w następujący sposób:

• - siła nośna wytworzona przez śmigła (najczęściej spotyka się z układem 2 lub 3 łopat )pod wpływem wiatru obraca wał niskoobrotowy; - wał niskoobrotowy jest połączony z przekładnią, w której następuje zwiększenie ilości obrotów i przeniesienie ich na wał szybkoobrotowy; - wał szybkoobrotowy napędza generator prądu, który wytwarza energię elektryczną; - prąd elektryczny przewodami przesyłany jest do sieci energetycznej.

Uproszczony schemat elektrowni wiatrowej

Typy elektrowni wiatrowych : Elektrownie wiatrowe dzielone są ze względu na : • Zastosowanie (przydomowe lub przemysłowe), Do zastosowań przydomowych na potrzeby

własne użytkownika, najczęściej montowany w pobliżu odbiorców energii, służących do wytworzenia i magazynowania energii elektrycznej dla celów jej użycia w jednym lub kilku domach.

• Moc (mikro, mini, małe i duże) • Lokalizację (lądowe i morskie).

Farma wiatrowa: • W ustawodawstwie polskim farmą wiatrową określana jest jednostka wytwórcza lub zespół

tych jednostek wykorzystujących do wytwarzania energii elektrycznej energię wiatru, przyłączonych do sieci w jednym miejscu przyłączenia, zwykle jest to instalacja złożona z wielu turbin wiatrowych. Farmy wiatrowe mogą być lokowane na lądzie lub poza lądem.

Elektrownie wiatrowe lub turbiny wiatrowe mogą być lokalizowane pojedynczo lub w grupach zwanych farmami lub parkami wiatrowymi.

Morskie Farmy wiatrowe (off shore): • Wiatry wiejące nad morzem są : stabilniejsze i silniejsze niż nad lądami, co umożliwia

stosowanie niższych masztów i uzyskanie większej efektywności urządzeń. • Uzasadnia to budowanie farm wiatrowych na dnie morskim, mimo wyższych kosztów

infrastruktury i utrzymania. Instalowanie farm na morzu (off shore) jest obciążone większymi kosztami inwestycji i eksploatacji, ale wolne od wielu ograniczeń stawianych farmom lądowym. Do głównych zalet należą:

• Duża powierzchnia, Korzystniejsze warunki wietrzne, Odległość od osiedli ludzkich wystarczająca dla zmniejszenia potencjalnych oddziaływań.

Rodzaje elektrowni wiatrowych: • Ze względu na moc elektrownie wiatrowe dzieli się na modele "mikro", "małe" i "duże".

Do zasilania domów stosuje się głównie dwa pierwsze rodzaje. • Mikroelektrownie wiatrowe to modele poniżej 100 Watów (W) mocy. Używa się ich

najczęściej do ładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych

• Małe elektrownie wiatrowe to nieco większe modele o mocy do 50 kW. Modele z tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w małych firmach

• Duże elektrownie wiatrowe w praktyce powyżej 100 kW, oprócz tego, że mogą zasilać dom, stosowane są przede wszystkim do wytwarzania prądu, Duże elektrownie przemysłowe są przystosowane do sprzedaży energii.

Wydajność elektrowni wiatrowych: • Aby uzyskać 1 [MW] mocy, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 55 [m]. • W rzeczywistości elektrownie wiatrowe pracują ok. 1500–2000 godzin rocznie, tj. trzykrotnie

krócej niż siłownie konwencjonalne i atomowe.

• Zatem aby wyprodukować tyle samo energii elektrycznej co jedna duża siłownia klasyczna,

potrzeba ok. 3000 elektrowni wiatrowych o mocy 1 MW. Według IMGW (Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej) suma energii wiatru na powierzchnię 1

m2 wirnika wiatraka w Polsce rocznie wynosi netto 1 MW, i to zmniejsza emisji CO2 o 2780

[ton/rok]. Zasoby energii wiatru są mierzone częstością występowania prędkości wiatru w

zadanych przedziałach prędkości.

Zalety elektrowni wiatrowych: czysta ekologia, czyste źródło odnawialnej energii brak zanieczyszczeń środowiska zmniejszają emisję CO2 do atmosfery, możliwość zamontowania turbiny w miejscu oddalonym od krajowej sieci energetycznej, zmniejszenie kosztów energii elektrycznej przy turbinie w gospodarstwie domowym.

Wady elektrowni wiatrowych: Zależność od wiatru, cykliczność pracy (z powodu zmiennej prędkości wiatru) Ograniczenia w prognozowaniu produkcji energii (założenia dotyczące zmienności wiatru) Wysokie koszty inwestycji i eksploatacji i utrzymania Zajmuje rozległe obszary stracone dla rolnictwa Hałas, cienie i wibracje (efekty akustyczne generowane przez łopaty) Zakłócenia komunikacji elektromagnetycznej, Wpływ na krajobraz (szczególnie farmy wiatrowe), efekty wizualne, problemy z widocznością Wpływ na zdrowie ludzkie , Wpływ na zwierzęta (zagrożenie dla ptaków), wpływ na mikroklimat Awarie i wypadki nietypowe które trudne są do oceny oraz oddziaływania na środowisku.

Pomiar i badanie wiatru: • Anemometr jest przyrządem meteorologicznym mierzącym prędkość i kierunek ruchu płynów

(gazów i cieczy). Rodzaje anemometrów: Anemometr rotacyjny ; statyczny • Rodzajem anemometru jest wiatromierz: miernik prędkości wiatru, niekiedy także wskaźnik

jego kierunku.

Parametry pracy siłowni wiatrowych: Prędkość startową - jest to prędkość niezbędna do uruchomienia turbiny i produkcji przez nią energii elektrycznej. Prędkość nominalna - jest to prędkość wiatru przy której turbina osiąg swoją moc nominalną. Prędkość zatrzymania - jest to prędkość wiatru przy której system kontrolny turbiny zatrzymuje się ze względu bezpieczeństwa, najczęściej prędkość ta ustalana jest na 25 m/s,

Krzywa mocy turbiny wiatrowej To graficzne zobrazowanie zmiany wartości produkcji energii elektrycznej [kW, MW] w funkcji

prędkości wiatru [m/s]. Wyjściowa moc generowana przez elektrownie wiatrową zależna jest od

prędkości wiatru, krzywa mocy przedstawia wzajemne powiązania i zależności wytwarzanej mocy i

prędkości wiatru.

Krzywa mocy zależy od rozwiązań konstrukcyjnych turbiny, od rodzaju zastosowanej mechaniki, typu

turbiny, rodzaju płatów wirnika czy systemu regulacji. Powiązanie zmienności prędkości wiatru do

mocy generowanej przez elektrownię wiatrową określane przez krzywą mocy posiada kilka

charakterystycznych punktów:

Punkt startu (Cut on): w punkcie tym wiatr ma prędkość powodującą obracanie się łopat wirnika

(prędkość graniczna dolna) i wystąpienie na wale turbiny momentu mechanicznego. W zależności od

rodzaju turbiny w punkcie startu wiatr ma wartość prędkości od około od 3 m/s do 5 m/s.

Punkt prędkości znamionowej: jest to prędkość (prędkość optymalna) wiatru, przy której turbina

osiąga swoją moc znamionową. Zazwyczaj jest to prędkość z zakresu od 11 do 16 m/s.

Punkt wyłączenia (cut off): jest to prędkość, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na

zagrożenie mechaniczne konstrukcji. Punkt wyłączenia ma wartość z przedziału od 23 do 27 m/s

Rodzaje Turbin 1- Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine).

• Turbiny HAWT są najbardziej powszechnym rodzajem turbin. • Ogólna budowa turbin o horyzontalnej osi obrotu to wysoka wieża wykonana z betonu, stali lub

rur, na wieży umieszczony jest wirnik ze śmigłami. • Najczęściej spotykane są turbiny trójpłatowe Podział wirników z poziomą osią obrotu ze względu na położenie wirnika względem masztu : • Up-wind : Nawietrzne , najczęściej spotykane rozwiązanie; wymagające sztywnych łopat, systemu

nakierowywania na wiatr • Down-wind : Zawietrzne, rozwiązanie rzadziej stosowane, można tutaj stosować wirnik podatny

na podmuch wiatru, nie ma ryzyka zawadzenia łopat o maszt elektrowni, nie potrzeba też systemu nastawiania na wiatr

2- Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT - Vertical Axis Wind Turbine) : nie są powszechnie stosowane i stanowią zaledwie niewielki procent wszystkich turbin wiatrowych.

• Siłownie o osi obrotu ustawionej pionowo do kierunku wiatru nie wymagają w swojej konstrukcji układu naprowadzania na kierunek wiatru

3- Turbina Darrieus'a • W roku 1931 francuski konstruktor Darrieus opatentował wirnik nazwany od jego nazwiska

wirnikiem H-Darrieus.

Właściwości fizyczne powietrza :

W rzeczywistości gęstość powietrza jest zmienna i zależy głównie od temperatury i ciśnienia

atmosferycznego. Zmiana gęstości powietrza przekłada się wprost proporcjonalnie na moc

strumienia powietrza, czyli o ile procent „bardziej gęsty wiatr” o tyle procent większa jest jego

moc przy tej samej prędkości strumienia powietrza.

Energia strumienia powietrza (wiatru): • Energię kinetyczną strumienia powietrza E przepływającego laminarnie przez powierzchnię A

w czasie t określa się wzorem:

E = ½ m V2 = ½ (A V t ) V2 = ½ A t V3

gdzie : E energia kinetyczna strumienia powietrza w [J]

V prędkość strumienia powietrza w [m/s], gęstość powietrza w [kg/m3] t czas w [s], m masa strumienia powietrza w [kg]

We wzorze : (A. v. t . r) jest masa strumienia powietrza w [kg], przepływająca w czasie t przez

powierzchnię A Powierzchniowa gęstość mocy, to jest energia na jednostkę czasu i powierzchni : Po = E/A t = ½ V3

Z wzoru wynika, że powierzchniowa gęstość mocy zależy od prędkości strumienia powietrza w trzeciej potędze i gęstości powietrza, czyli Wiatr o dwukrotnie większej prędkości posiada ośmiokrotnie większą powierzchniową gęstości mocy.

Prawo Betza:

Prawo Betz'a mówi, że maksymalna teoretyczna sprawność konwersji mocy wiatru na moc mechaniczną wynosi 59,3% , uwzględnieniem strat aerodynamicznych czyli sprawność elektromechaniczną . Zgodnie z II zasadą dynamiki Newtona moc odbierana od wiatru przez wirnik

będzie równa : P = (1/2) m (V12 - V2

2)

Stopień wykorzystania energii kinetycznej zawartej w strumieniu powietrza zależy od : Z wykresu łatwo zauważyć, że wykres osiąga swoje maksimum równe 0,59 dla (V2 / V1) = 1/3 Oznacza to, że idealnie skonstruowana turbina wiatrowa podczas swojej pracy spowolni wiatr do 1/3 jego pierwotnej wartości i odzyska z niego tylko 59 % energii w nim zawartej.

Turbina wiatrowa konwertuje 70% limitu Betza w energię elektryczną. Więc, współczynnik Mocy Cp

tej turbiny wiatrowej będzie : 0,7 x 0,59 = 0,41 To jest rzeczywiście bardzo dobry współczynnik mocy

• Różnica w prędkościach wiatru jest miarą przetworzonej energii kinetycznej obracającej rotorem oraz podłączonego generatora energii elektrycznej.

• Współczynnik mocy Cp osiąga swe maksimum gdy prędkość V2 za wirnikiem stanowi 1/3

prędkości V1 z przodu rotora.

Mała Energetyka Wiatrowa

Małe turbiny wiatrowe (MTW) w znaczący sposób mogą wzbogacić lokalne systemy wytwarzania koniecznych / użytecznych form energii, i mogą przyczyniać się do rozwoju lokalnych inicjatyw gospodarczych i lokalnego biznesu. Wpisują się w koncepcje inteligentnych energetycznych sieci przyszłości (Smart grid). Ograniczenia lokalizacji – niestety ograniczony do miejsc wietrznych (średnioroczna prędkość wiatru > 5m/s ). - Technologia umożliwia lokalizacje na terenie zurbanizowanym. Dostępność miejsc lokalizacji – tysiące m2 dachów - Wykorzystanie struktur budynków by zwiększyć potencjał wiatru w miejscu lokalizacji – struktura aerodynamiczna budynków może kierować i koncentrować strumienie wiatru na turbiny, - Konsumpcja energii w miejscu lokalizacji – unikanie inwestycji w infrastrukturę energetyczną. Obecnie na świecie obserwujemy dynamiczny rozwój małej energetyki wiatrowej.

Pompy Ciepła

Pompa ciepła jest urządzeniem pobierającym energię ze środowiska otaczającego obiekt do którego doprowadza się tę energię. Pompa ciepła działa na podobnej zasadzie jak domowa chłodziarka. Ze względu na rodzaj napędu i zasadę działania możemy wyodrębnić trzy główne podstawowe grupy pomp ciepła: 1- Sprężarkowe pompy ciepła (SPC) - SPC (z napędem mechanicznym, silnik sprężarki zasilany jest najczęściej prądem elektrycznym), stosowane w technice grzewczej i chłodniczej. Jest to alternatywna dla kotłów na paliwo organiczne oraz ogrzewaczy elektrycznych. SPC to aktualnie podstawowa grupa urządzeń stosowanych w technice grzewczej i chłodniczej. 2- Termoelektryczne pompy ciepła (TPC) - Lub ogniwa Peltirea (z napędem elektrycznym). Stosowane do ciągłego i efektywnego odprowadzenia dużych ilości ciepła z niewielkich przedmiotów, np. chłodzenie półprzewodników we współczesnej elektronice. Mają zastosowanie wszędzie tam gdzie zachodzi konieczność ciągłego i efektywnego odprowadzania dużych ilości ciepła z niewielkich przedmiotów. W związku z tym pompy te zyskały popularność we współczesnej elektronice – stosuje się je do chłodzenia półprzewodników. 3- Absorpcyjna pompa ciepła (APC). Pompy absorpcyjne (z napędem cieplnym), powszechnie stosowane w dużych zakładach przemysłowych do podwyższania potencjału energetycznego ciepła odpadowego, W przeciwieństwie do pomp sprężarkowych w pompach absorpcyjnych kompresja czynnika odbywa się termicznie. W układzie przepływają dwa czynniki nisko –i wysokoprężny (np. amoniak –woda). Urządzenia tego typu stosowane są dziś powszechnie w dużych zakładach przemysłowych do podwyższania potencjału energetycznego energii odpadowej. Podobne rozwiązania stosuje się także w chłodziarkach absorpcyjnych. 4- Pompy ciepła pozostałych typów

Pompa ciepła wykorzystująca sprężanie oparów Chemiczny transformator ciepła Pompa ciepła wykorzystująca efekt Ranque’a Elektro dyfuzyjne pompy ciepła Magnetyczne pompy ciepła

POMPY CIEPŁA – możliwości i ograniczenia Pompy ciepła mają istotny wpływ stymulujący rozwój i stosowanie niekonwencjonalnych źródeł energii odnawialnych. Pozwalają nie tylko wykorzystać energię z niskotemperaturowych źródeł ciepła, ale również zagospodarować wszystkie odpadowe źródła ciepła. Wykorzystanie darmowej energii, np. słonecznej, geotermalnej i odpadowej, oprócz względów czysto ekonomicznych, ma także istotny wpływ na ograniczenie emisji produktów spalania do środowiska naturalnego i tym samym przyczynia się do jego ochrony. Pompy ciepła mają też swoje wady, np. wysoką cenę, która bez preferencyjnych kredytów stanowi istotną barierę w ich stosowaniu.

Wadą jest również konieczność wprowadzania dodatkowych systemów zabezpieczających, ponieważ istnieje niebezpieczeństwo skażenia środowiska naturalnego freonami, w przypadku pomp sprężarkowych, lub czynnikami stosowanymi w pompach absorpcyjnych (NH3, H2SO4, BrLi, CH3OH itp).

Schemat technologii pomp ciepła - lub 4 elementy

1- Dolne źródło ciepła (DŹC): to ośrodek lub materia, która ma za zadanie dostarczyć do urządzenia „wejściową” energię niskotemperaturową. Jego rodzaj decyduje o wyborze odpowiedniej pompy ciepła. Dostępne źródła ciepła można obecnie już sklasyfikować na naturalne (odnawialne !!) oraz sztuczne.

Źródło ciepła powinno charakteryzować się następującymi cechami:

jak najwyższa temperatura i jej stabilność w czasie;

łatwa dostępność;

duża pojemność cieplna;

brak zanieczyszczeń powodujących korozję materiałów instalacyjnych;

niskie koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Dolne źródło ciepła dla pomp ciepła

Grunt jako dolne źródło ciepła

Powietrze jako dolne źródło ciepła

Wody geotermalne jako dolne źródło ciepła

Woda morska jako dolne źródło ciepła

Rzeki (woda rzeczna) jako dolne źródło ciepła

Ciepło słoneczne jako dolne źródło ciepła

System ciepłowniczy jako dolne źródło ciepła

Ciepło odpadowe z przemysłu jako dolne źródło ciepła

Nietypowe dolne źródła ciepła

4- Jednostka pompy ciepła : Elementy składowe pomp ciepła oraz zachodzące dzięki nim procesy termodynamiczne.

5- Górne źródła ciepła (GŹC): Jest niezwykle ważnym elementem instalacji z pompą ciepła, czyli system dystrybucji ciepła/chłodu w budynku (Instalacja grzewcza, grzejniki, ogrzewanie podłogowe..). Temperatura górnego źródła ma istotne wpływ przede wszystkim na efektywność pracy pompy ciepła a więc kosztów jej eksploatacji, (niska temperatura zasilania to mniejsze obciążenia sprężarki i mniejsze wydatki energii).

6- Energia elektryczna: Dodatkowa energia potrzebna jest do zasilenia sprężarki i pomp

Podstawy teoretyczne

Obieg termodynamiczny pompy ciepła

W parowaczu: Ciepło odebrane z DŹ i przekazane w parowaczu powoduje parowanie czynnika roboczego krążącego w pompie ciepła. Zadaniem czynnika roboczego jest przekazywanie ciepło z DŹ do GŹ ciepła. W skraplaczu: Sprężony czynnik przekazuje ciepło do instalacji w obiekcie w wymienniku, tzw. skraplaczu, powoduje to skroplenie i spadek temperatury czynnika roboczego, a jednocześnie wzrost temperatury wody w instalacji w obiekcie. W zaworze rozprężnym : czynnik roboczy jest rozprężany i jego temperatura ulega obniżeniu, potem ogrzewa się w parowaczu czyli obieg zaczyna się od początku. W sprężarce: następnie para czynnika roboczego jest sprężana, co powoduje wzrost jej temperatury.

Czynniki robocze Jest to substancja, która krążąc podlegający cyklowi przemian termodynamicznych, jest w obiegu zamkniętym (na zmianę w postaci ciekłej i gazowej) pośredniczy w przekazywaniu ciepła. Kluczową rolę w pracy pompy ciepła, pełni czynnik roboczy. Musi on spełniać szereg warunków. Pod względem parametrów roboczych cechować się musi zdolnością wrzenia w niskiej temperaturze. W ten sposób czynnik jest zdolny wrzeć przy odbieraniu ciepła otoczenia, nawet o niskiej (ujemnej) temperaturze. Gazy będąc w zamkniętym systemie (stała objętość), zwiększają swoją temperaturę wraz z rosnącym ciśnieniem (sprężanie) i na odwrót – przy zmniejszającym się ciśnieniu (rozprężanie) ich temperatura również maleje. Obecnie w pompach ciepła najczęściej stosuje się następujące czynniki robocze w obiegu chłodniczym (Refrigerants):

• R 134 a (hydrofluorowęglowodór - czynnik jednorodny o wzorze chemicznym CH₂F-CF₃), • R 407 C (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R134a), • R 410 A (mieszanina zeotropowa R32 i R125), • R 404 A (mieszanina zeotropowa R32, R125 i R143a).

Co zawiera obliczenia i opis projektu dolnego źródła ciepła Najważniejszym zadaniem w zastosowaniu pomp ciepła jest właściwy wybór dolnego źródła:

• obliczenia i dobór wymiennika (procedura montażu dla wykonawcy, jak będzie posadowiony wymiennik, konieczny jest również rysunek z wymiarami)

• możliwość czyszczenia i konserwacji • procedurę w przypadku stwierdzenia nieszczelności (procedurę wyjęcia wymiennika) • automatyki sterującej

Współczynnik efektywności COP (Coefficient Of Performance) • Efektywności energetycznej pracy pompy ciepła wyraża się współczynnikiem COP, którego

definicja jest następująca:

• Współczynnik COP określa chwilową efektywność pracy pompy ciepła w ustalonych

warunkach, jednak dla oceny efektów zastosowania pompy ciepła w dłuższym okresie, stosowany jest współczynnik SPF (Roczna lub sezonowa efektywność pompy ciepła).

Współczynnik efektywności SPF lub SCOP (Seasonal Performance Factor , Seasonal Coefficient of Performance)

• Sezonowy współczynnik efektywności sprężarkowej pompy ciepła określa stosunek ilości ciepła przekazanego przez pompę ciepła (do instalacji grzewczej) do ilości dostarczonej do niej energii elektrycznej.

• wartość współczynnika SPF ujmuje różne warunki temperaturowe pracy pompy i jest bliższa późniejszej rzeczywistej efektywności pracy urządzenia, jako okres porównawczy dla SPF przyjmuje się rok, można zdefiniować kilka rodzajów współczynnika SPF.

Charakterystyka pomp ciepła w budynkach energooszczędnych • Pompy ciepła stanowią źródło ciepła nowej generacji, które jest szczególnie

predestynowane do zasilania niskotemperaturowych ogrzewań i instalacji przygotowania ciepłej wody użytkowej, szczególnie w budownictwie energooszczędnym i pasywnym.

• Dodatkową zaletą tych urządzeń jest możliwość ich wykorzystania do chłodzenia pomieszczeń w okresie letnim, co jest szczególnie istotne w budownictwie pasywnym.

• Główne bieżące tematy rozwoju pomp ciepła to: Pompy ciepła w inteligentnych sieciach przyszłości (smart grid), hybrydowe pompy ciepła, przemysłowe pompy ciepła, termiczne pompy ciepła oraz pompy ciepła dla ciepłej wody użytkowej.

• Współczynnik efektywności energetycznej jest stosunkiem otrzymanej energii grzewczej do włożonej energii elektrycznej, im większy jest ten współczynnik tym pompa ciepła pracuje oszczędniej.

• Wielkość tego współczynnika zależy od konstrukcji pompy ciepła i od temperatury źródła ciepła. Wielkość tego współczynnika mówi wprost o spodziewanych kosztach ogrzewania.

• Jeżeli znane jest roczne zapotrzebowanie na ciepło w budynku to po podzieleniu go przez współczynnik efektywności energetycznej otrzymamy w wyniku ilość energii za którą trzeba zapłacić.

Trendy na Europejskim rynku ciepła Istnieją trzy wyraźne tendencje na europejskim rynku ciepła i są to:

• pompy ciepła dla których dolnym źródłem jest powietrze cieszą się największym zainteresowaniem,

• urządzenia przeznaczone do ciepłej wody są najszybciej rozwijającą się częścią rynku, • ostatnim trendem są pompy ciepła dużych mocy, które wykorzystywane są w przemyśle i

ciepłownictwie.

Współpraca pomp ciepła z termicznymi kolektorami słonecznymi • Czołowi producenci pomp ciepła pracują nad połączeniem technologii pomp ciepła (PC) z

kolektorami słonecznymi. • Kolektory słoneczne wykorzystywane są jako dolne źródło ciepła lub służą do regeneracji

dolnego źródła ciepła PC. • Połączenie technologii PC (np. typu solanka/woda) z kolektorami słonecznymi prowadzi do

zwiększenia sprawności systemów kolektorów słonecznych oraz wzrostu efektywności pomp ciepła.

• W większości stosowanych układów solarnych do podgrzewania wody użytkowej sprawność systemu nie przekracza wartości 30-35%. W przypadku połączenia kolektorów z dolnymi źródłami ciepła PC sprawność systemu solarnego może przekroczyć 50-60%. Jest to możliwe dzięki stosunkowo niskiej temperaturze dolnego źródła ciepła PC (ok. 0 - 10 oC).

• Panele PV mogą być wykorzystywane do zasilania PC, pomp obiegowych centralnego ogrzewania i dolnego źródła obniżając zużycie energii pierwotnej i zwiększając udział energii odnawialnej przekazywanej przez pompę ciepła do instalacji grzewczej.

• W nowych budynkach znane są rozwiązania zasilania pomp ciepła wyłącznie z paneli (PV), czyli ze 100% procentowym udziałem energii zielonej.

• Interesujące wydaje się zastosowanie hybrydowych kolektorów słonecznych fotowoltaicznych i termicznych (PV/T) jednocześnie jako dolne źródło ciepła i źródło zasilania elektrycznego dla pompy ciepła.

Dlaczego magazynować energię

Szybkie tempo rozrostu miast na tereny oddalone od węzłów ciepłowniczych, wymusza poszukiwania innych rozwiązań. Coraz większą uwagę kieruje się na hybrydowe rozwiązania grzewcze z udziałem OŹE i magazynowaniem energii cieplnej. Lokalne, hybrydowe sieci grzewcze działają np. dzięki połączeniu pomp ciepła, kolektorów słonecznych i dużego magazynu ciepła. Magazynowanie energii stanowi ważny element rynkowego podejścia do równoważenia popytu i podaży energii, przy jednoczesnym zapewnieniu niezawodności, efektywności oraz bezpieczeństwa dostarczania energii . Magazynowanie energii jest Szeroko poruszany temat poszanowania energii, zrównoważonego rozwoju i redukcji emisji CO2 w ostatnich latach powodują wdrażanie coraz bardziej efektywnych technologii pozyskiwania energii odnawialnej.

Dlaczego musimy magazynować energię? • Prognoza zużycia energii pierwotnej w świecie i problem wystarczalności światowych zasobów podstawowych nośników energii pierwotnej [lata] • W praktycznych zastosowaniach OZE najpoważniejszym problemem jest sezonowy i losowy charakter źródeł energii odnawialnej. • Wzajemne dopasowanie wydajności źródła energii do również zmiennego zapotrzebowania na energię to właściwie jest problem efektywnego magazynowania energii.

Sposoby akumulacji energii: – Magazynowanie energii mechanicznej – magazynowanie energii cieplnej i chemicznej – Magazynowanie z wykorzystaniem procesów elektrochemicznych, procesów biochemicznych

podział systemów magazynowania ciepła: Wykorzystujące ciepło Właściwe materiałów jak woda kamienie materiały budowlane (pojemności cieplnej – ciecze, ciała stałe) Wykorzystujące ciepło przemian fazowych (PCM) Wykorzystujące przemian termochemicznych i fotochemicznych

Warunki stosowalności lub Rozwagi : należy wziąć pod uwagę:

pojemność magazynowa,

szybkość ładowania i rozładowywania ,

efektywność magazynowania

okres przechowywania