Od ogniwa do modułu

Spis treści

SOLARNE INSTALACJE AKTYWNE

Rys. 2. Pasywna solarna instalacja grzewcza, w której zbiornik na wodę jest umieszczony nad kolektorem

W systemach aktywnych wykorzystuje się pompy - przykład instalacji tego typu ilustruje rysunek 3. Ponieważ działa ona w obiegu otwartym, sprawdza się jedynie w ciepłym klimacie. Problem zamarzania wody rozwiązano w systemie, którego uproszczony schemat zamieszczono na rysunku 4. Jest to aktywna instalacja grzewcza, w której nośnikiem ciepła jest niezamarzający czynnik grzewczy - np. woda z dodatkiem glikolu - krążacy w zamkniętym obiegu.

W systemie tym woda użytkowa nie przepływa przez kolektor, ale doprowadzana jest do głównego zbiornika. Przez kolektor przepływa jedynie czynnik grzewczy, który pochłania energię promieniowania słonecznego i następnie przez wężownicę (wymiennik ciepła) wraca do głównego zbiornika, oddając ciepło zgromadzonej w nim wodzie użytkowej. Ostudzony czynnik grzewczy jest następnie pompowany z powrotem do kolektora.

Zaletą zastosowania niezamarzającego płynu jest możliwość montażu kolektora w dowolnym miejscu bez względu na warunki klimatyczne. W porównaniu do systemów pasywnych instalacje aktywne wymagają jednak oprócz pomp także innych dodatkowych komponentów (odpowietrzników, regulatorów, czujników itp.), a także większego zaangażowania w zakresie utrzymania i konserwacji.

PRZYKŁAD INSTALACJI GRZEWCZEJ FIRMY VIESSMANN

Na rysunku 5 przedstawiono najważniejsze elementy przykładowej aktywnej instalacji grzewczej, którą można zrealizować z produktów oferowanych przez firmę Głównym elementem kolektora płaskiego jest absorber, czyli płyta wykonana z metalu o dużej przewodności cieplnej - np. miedzi, która pokrywana jest specjalną matową warstwą. Tą ostatnią może być np. czarny chrom lub powłoka na bazie tlenku tytanu, która zwiększa pochłanianie ciepła i ogranicza jego emisję na zewnątrz. Dodatkowo od góry płyta absorbera jest przykrywana szybą, której zadaniem jest m.in. ochrona kolektora przed wpływem czynników atmosferycznych.

Ważne jest, aby materiał, z jakiego wytwarzana jest szyba, charakteryzował się jak najwyższą przepuszczalnością promieniowania słonecznego. Dlatego najczęściej górną pokrywę kolektora wykonuje się ze szkła o małej zawartości tlenku żelaza. Pod płytą absorbera montowany jest zestaw rur, najczęściej również miedzianych, którymi przepływa niezamarzający płyn, np. glikol, transportujący ciepło z kolektora do pozostałych komponentów solarnej instalacji grzewczej. Ważny jest sposób ułożenia tych rur oraz dokładność ich zespolenia z absorberem.

Kwestie te decydują bowiem o sprawności przepływu ciepła od płyty absorbera do rur, a w efekcie o sprawności całego kolektora. Całą opisaną konstrukcję zabezpiecza się, umieszczając ją w odpowiednio uszczelnionej aluminiowej obudowie izolowanej termicznie, np. wełną mineralną. Drugim najczęściej spotykanym typem kolektorów są konstrukcje rurowe próżniowe. Kolektory tego typu składają się z zestawu kilkunastu (a nawet kilkudziesięciu) szklanych tub.

Każda z nich zbudowana jest z dwóch rur: wewnętrznej, pokrytej powłoką absorpcyjną i zewnętrznej, oddzielonych próżnią pełniącą funkcję izolatora cieplnego. W rurze wewnętrznej znajduje się przewód, przez który przepływa czynnik grzewczy. Przewody z poszczególnych absorberów znajdują ujście najpierw w przewodzie zbiorczym, a stamtąd nagrzany czynnik grzewczy przepływa do pozostałej części instalacji grzewczej. Po schłodzeniu płyn wpływa z powrotem do kolektora. Jest to jedna z kilku spotykanych konstrukcji kolektora rurowego próżniowego, z tzw. bezpośrednim przepływem czynnika grzewczego.

TERMICZNE ELEKTROWNIE SŁONECZNE - WYZWANIA...

Rys. 3. System aktywny z otwartym obiegiem wody

Solarne termiczne elektrownie, tzw. CSP (Concentrated Solar Power), ogólnie podzielić można na dwie grupy: z liniową (rys. 6a) i punktową (rys. 6b) koncentracją promieni słonecznych. Do pierwszej zaliczane są instalacje budowane z metalicznych reflektorów, w ognisku których montowana jest rura z płynem roboczym (patrz ramka). W drugim przypadku CSP składa się najczęściej z zespołu luster skupiających promienie słoneczne w zlokalizowanym centralnie odbiorniku energii cieplnej (również opisanym w ramce).

W obu przypadkach płyn roboczy (gazowy lub ciekły - np. olej) jest podgrzewany przez skoncentrowane światło słoneczne, a energię cieplną pozyskaną w ten sposób wykorzystuje się do Solarne instalacje termiczne mają kilka zalet, istotnych z punktu widzenia ich wykorzystania do budowy elektrowni dużej skali. Jedną z nich jest łatwość konserwacji. W tym zakresie wymagane jest głównie czyszczenie luster oraz, w zależności od szczegółów konstrukcyjnych, np. rur, którymi przepływa czynnik roboczy. Pierwsza czynność nie jest zbyt skomplikowana, natomiast drugą można całkowicie zautomatyzować, cyklicznie wpompowując do rur odpowiednie środki myjące. Często podkreśla się też przewagę solarnych instalacji termicznych nad modułami słonecznymi.

Wynika ona przede wszystkim z faktu, że w ogniwach zachodzi bezpośrednia przemiana promieniowania słońca w energię użyteczną. Dlatego działają one wyłącznie w dzień, tym bardziej że gromadzenie energii elektrycznej ciągle nie jest zbyt efektywnym procesem. Tymczasem w solarnych instalacjach termicznych zachodzi przemiana pośrednia, a wyprodukowane ciepło może być efektywnie magazynowane za dnia i dopiero w nocy przetwarzane w energię elektryczną. Dlatego CSP wyposażone w specjalne systemy zatrzymywania energii termicznej umożliwiają budowę elektrowni znacznie wydajniejszych i o większej mocy.

Wybór kolektora, dopłaty

Tabela 1. Wybrani polscy dostawcy oraz producenci kolektorów słonecznych i zestawów solarnych

Można się spotkać z opinią, że kolektory rurowe próżniowe mają większą sprawność konwersji promieniowania słonecznego na ciepło niż płaskie. W praktyce wiele zależy od szczegółów konstrukcji kolektora, w tym materiałów użytych do jego budowy. Dlatego czasem wbrew obiegowej opinii, tańszy kolektor próżniowy może mieć sprawność niższą niż wysokiej klasy kolektor płaski. Stąd przed podjęciem ostatecznej decyzji warto zapoznać się z ofertą różnych producentów tych urządzeń.

W tabeli poniżej przedstawimy dane kontaktowe do wybranych dostawców, a także producentów kolektorów słonecznych prowadzących działalność w różnych regionach Polski. W ostatnim czasie popularność energetyki odnawialnej w naszym kraju znacznie wzrosła, dzięki czemu przybyło też dostawców kolektorów oraz solarnych instalacji grzewczych. Wpływają na to m.in. rozmaite inicjatywy podejmowane przez instytucje państwowe, które dofinansowują inwestycje w tzw. czystą energię.

Przykładem takiego działania jest umowa, jaką latem 2010 roku zawarł Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej z kilkoma bankami działającymi na terenie naszego kraju. W ramach tego porozumienia NFOŚiGW zobowiązał się do pokrycia 45% kredytu zaciągniętego na zakup oraz montaż kolektorów słonecznych. Dopłaty obejmują też zakup niezbędnej automatyki i aparatury pomiarowej. Więcej informacji o szczegółach tego programu znaleźć można na stronie

Rys. 4. System aktywny, w którym czynnik grzewczy krąży w obiegu zamkniętym

Obecnie wiele firm zajmuje się projektowaniem, budową i obsługą termicznych elektrowni solarnych. Do najbardziej znanych należą: hiszpański koncern Abengoa oraz amerykańskie firmy: eSolar i Bright- Source Energy. Przykład ostatniej świadczy o coraz większym zainteresowaniu przedstawicieli sektora energetycznego technologią CSP. Przedsiębiorstwo to niedawno nawiązało współpracę z Alstomem, dostawcą m.in. elektrowni pod klucz oraz usług serwisowych dla energetyki.

Koncern ten rozszerzył swoją ofertę w zakresie energetyki odnawialnej, inwestując około 55 mln dolarów w zakup udziałów w BrightSource Energy. Innym przykładem jest współpraca firm Abengoa i Masdar, które zamierzają wspólnie zbudować solarną elektrownię termiczną niedaleko Abu Zabi, stolicy Zjednoczonych Emiratów Arabskich, czyli w rejonie, gdzie na brak ropy naft owej nikt nie narzeka.

CZĘŚĆ II: ROZWIĄZANIA FOTOWOLTAICZNE

OD OGNIWA DO MODUŁU

Podstawowym elementem ogniwa fotowoltaicznego jest półprzewodnikowe złącze p-n, w którym zachodzi absorpcja fotonów promieniowania słonecznego. Energia pozyskana w ten sposób umożliwia przepływ elektronów z warstwy n do p, co prowadzi do powstania różnicy potencjałów między dodatnią i ujemną elektrodą ogniwa. Pojedyncze ogniwa łączy się ze sobą i umieszcza w szklanej osłonie, tworząc panele oraz moduły fotowoltaiczne. Na rynku dostępne są moduły różnych rozmiarów i typów, w zależności od rodzaju ogniw słonecznych, które wykonuje się także z różnych półprzewodników.

Zestaw modułów tworzy instalację fotowoltaiczną, którą należy zainstalować w nasłonecznionym miejscu np. na dachu budynku lub jako instalację wolno stojącą. Do zalet paneli słonecznych zalicza się m.in. brak ruchomych części, dzięki czemu są one odporne na zużywanie i charakteryzuje je niska awaryjność oraz długi czas użytkowania (nawet do 20 lat). W praktyce oznacza to niskie koszty konserwacji i utrzymania systemu. Ponadto instalacja taka nie emituje do otoczenia hałasu, a koszty produkcji energii elektrycznej można dość precyzyjnie oszacować w skali całego cyklu pracy systemu.

Spis treści