Google+

Milwaukee

Inwestowanie w systemy pozwalające na pozyskiwanie energii ze słońca, wiatru czy biomasy – choć nad Wisłą może stanowić jeszcze swego rodzaju nowinkę – jest w wielu przypadkach jak najbardziej zasadne. Nawet pomimo dość niestabilnych przepisów i polityki państwa w zakresie OZE.

Fot.: MAREK KLONOWSKI - MIKROGENERACJA (WWW.MIKROGENERACJA.COM) "Fot.: MAREK KLONOWSKI - MIKROGENERACJA (WWW.MIKROGENERACJA.COM)

Prąd ze słońca…

Fot. 1. Do przemiany światła na energię elektryczną dochodzi w ogniwach fotowoltaicznych, czyli układach produkowanych na bazie krzemu, występującego w postaci płytek z półprzewodnika posiadającego złącze P-N. Fot.: TOMASZ PIJARCZYK - BISONENERGY (WWW.BISONENERGY.PL) Fot. 1. Do przemiany światła na energię elektryczną dochodzi w ogniwach fotowoltaicznych, czyli układach produkowanych na bazie krzemu, występującego w postaci płytek z półprzewodnika posiadającego złącze P-N. Fot.: TOMASZ PIJARCZYK - BISONENERGY (WWW.BISONENERGY.PL) Fot. 2. W polskich warunkach, w wielu lokalizacjach bardzo dobrze poradzą sobie turbiny wiatrowe. Fot.: AIRGENERATOR Fot. 2. W polskich warunkach, w wielu lokalizacjach bardzo dobrze poradzą sobie turbiny wiatrowe. Fot.: AIRGENERATOR

Po boomie na kolektory słoneczne przyszedł czas – przynajmniej od strony technicznej – na prężny rozwój instalacji fotowoltaicznych. Możliwość produkcji energii elektrycznej ze światła słonecznego oraz jej wykorzystania na potrzeby procesów zachodzących w budynku lub nawet możliwość (w niektórych krajach i w niektórych proponowanych w minionych latach w Polsce rozwiązaniach finansowo- prawnych) odsprzedaży nadwyżki energii, a dodatkowo stosunkowo krótki możliwy okres zwrotu inwestycji sprawia, że Polacy – choć początkowo ostrożnie podchodzili do wszelkich nowinek technologicznych z zakresu OZE – coraz częściej decydują się na tego typu rozwiązania we własnych domach.
Do przemiany światła na energię elektryczną dochodzi w ogniwach fotowoltaicznych, czyli układach produkowanych na bazie krzemu, występującego w postaci płytek z półprzewodnika posiadającego złącze P-N. Ogniwa wychwytują bezpośrednie oraz rozproszone promieniowanie słoneczne, powodując powstanie pary nośników o przeciwnych ładunkach elektrycznych, wskutek czego wytworzone zostaje napięcie elektryczne.
Pamiętajmy, że prawidłowa praca systemu fotowoltaicznego będzie możliwa jedynie wtedy, gdy prawidłowo zostaną dobrane moduły fotowoltaiczne zbudowane z połączonych ze sobą ogniw. Podstawą wszelkich decyzji powinny być urządzenia jednego producenta, dodatkowo tego samego typu, co ułatwi (lub wręcz umożliwi) ich konfigurację. Tym, czym się należy kierować, dobierając komponenty systemu, jest tzw. tolerancja mocy. W przypadku szeregu (12 sztuk) modułów o mocy 250 W wynosi ona od -5% do +5%. Instalatorzy przestrzegają przed szeregami osiągającymi zbyt duże granice tolerancji mocy, może to bowiem przemawiać na niekorzyść produktu. Oprócz tego konieczne jest ustalenie, ile modułów należy zainstalować (co zależy m.in. od miejsca instalacji) oraz wybranie odpowiedniej technologii – cienkowarstwowej lub krystalicznej. Moduły cienkowarstwowe są wybierane przez inwestorów m.in. z uwagi na estetykę, jednak krystaliczne mają wyższą sprawność.
Kolejną istotną dla projektanta kwestią jest dobór inwertera fotowoltaicznego. To urządzenie, które przekształca wartość napięcia prądu stałego, pozyskanego przez ogniwa, na napięcie prądu zmiennego, które może być wykorzystywane w gospodarstwie domowym. W przypadku instalacji on-grid (podłączonej do sieci elektroenergetycznej) do jego zadań należy również optymalizacja produkcji energii.

… lub powietrza

Fot. 3. Mała elektrownia wiatrowa może funkcjonować jako dodatkowe lub samodzielne źródło energii. Fot.: AIRGENERATOR Fot. 3. Mała elektrownia wiatrowa może funkcjonować jako dodatkowe lub samodzielne źródło energii. Fot.: AIRGENERATOR Fot. 4. Zaletą turbin wiatrowych jest to, że ich wydajność jest wyższa zimą i dają energię nocą, zaś panele fotowoltaiczne naturalnie pracują tylko w dzień, a największą wydajność uzyskują latem. Fot.: AIRGENERATOR Fot. 4. Zaletą turbin wiatrowych jest to, że ich wydajność jest wyższa zimą i dają energię nocą, zaś panele fotowoltaiczne naturalnie pracują tylko w dzień, a największą wydajność uzyskują latem. Fot.: AIRGENERATOR

W polskich warunkach, w wielu lokalizacjach bardzo dobrze poradzą sobie również turbiny wiatrowe, także te montowane „na małą skalę”, czyli na potrzeby budynków mieszkalnych czy gospodarskich. Inwestorzy powinni jednak mieć na uwadze, że obowiązują tu znacznie bardziej rozbudowane procedury, niż chociażby w przypadku inwestycji w instalację fotowoltaiczną. Przepisy dokładnie precyzują, które z konstrukcji wymagają zdobycia pozwolenia na budowę (np. turbina posadowiona na fundamencie, trwale związana z gruntem), a które nie (turbina zamontowana na budynku). Mała elektrownia wiatrowa może funkcjonować jako dodatkowe lub samodzielne źródło energii. W sytuacji, gdy instalacja uzupełnia zasilanie budynków podłączonych do sieci elektroenergetycznej, turbina jest przeważnie wykorzystywana do dostarczania energii na wydzielony obwód, np. oświetleniowy lub też dostarcza energię elektryczną do działania ogrzewania podłogowego; innym przykładem zastosowania jest ogrzewanie wody.
Głównym elementem turbiny wiatrowej jest wirnik, który przekształca energię wiatru w energię mechaniczną. Z tej z kolei generator produkuje energię elektryczną. Rocznie system może wyprodukować taką ilość energii elektrycznej, która odpowiada 25% iloczynu mocy nominalnej turbiny oraz liczby godzin pracy (przy mocy minimalnej 4 kW będzie to 4 kW x 24 h x 365 dni x 25% = = 8 760 kWh rocznie). Na zaspokojenie potrzeb domu jednorodzinnego (ok. 4500 kWh) wystarczy instalacja o mocy nominalnej na poziomie 2 kW. Należy poza tym pamiętać, że turbiny wiatrowe najczęściej magazynują część energii w akumulatorach – nadwyżkę można wykorzystać np. w bezwietrzny dzień. Jednocześnie warto zauważyć, że akumulator jest stabilizatorem dla urządzeń przetwarzających energię elektryczną, łagodzącym skutki nierównomiernej wydajności urządzeń OZE.
W inwestycjach prywatnych wykorzystuje się turbiny o poziomej osi obrotu tylu HAWT (czyli horizontal axis wind turbine) oraz pionowej osi obrotu typu VAWT (vertical axis wind turbine). Układy poziome stanowią niemal 95% realizowanych instalacji, co wynika przede wszystkim z niższej ceny rozwiązania.
Małe elektrownie wiatrowe o poziomej osi obrotu skonstruowane są z obrotnicy oraz prądnicy zabudowanych wewnątrz gondoli, steru regulacji kierunkowej, wirnika i sterownika elektronicznego kontrolującego i regulującego pracę urządzenia.

mgr inż. Tomasz Pijarczyk specjalista ds. energii odnawialnej Bison Energy Sp. z o.o. mgr inż. Tomasz Pijarczyk
specjalista ds. energii odnawialnej Bison Energy Sp. z o.o.

Zdaniem EKSPERTA
Czy uzasadnione jest tworzenie układów hybrydowych łączących turbiny wiatrowe z ogniwami fotowoltaicznymi?

Jednym z podstawowych problemów wykorzystania odnawialnych źródeł energii w systemach energetycznych jest zapewnienie ciągłości dostaw. Źródła opierające się o słońce oraz wiatr posiadają naturalne ograniczenia czasu generacji, wynikające z ich specyfiki, budowy i początkowych założeń projektowych.
Tworzenie systemów hybrydowych łączących różne źródła wytwórcze jest pierwszą odpowiedzią na rozwiązanie problemu bezpieczeństwa dostaw. Kolejnym krokiem jest doposażenie wytwórczego układu hybrydowego w magazyn energii. Utworzenie tak złożonego systemu wymaga znajomości zarówno możliwości wytwórczych, w przypadku fotowoltaiki i turbiny wiatrowej, wynikających z nasłonecznienia i wietrzności w danej lokalizacji, jak i odbiorczych, bowiem to do planowanego obciążenia musimy dostosować moc naszych systemów oraz pojemność akumulatorów.
Odpowiednia kalkulacja oparta o wiedzę i znajomość lokalnych warunków pozwala nam na utworzenie autonomicznego układu hybrydowego, który w określonych ramach zapewni ciągłość dostaw. Niemniej należy pamiętać, że taki układ będzie miał zawsze ograniczenia dotyczące załączanych odbiorników energii, a użytkowanie takiego systemu będzie wymagało wiedzy i codziennej obserwacji parametrów pracy.
W Polsce obecny system prawny pozwala osobom fizycznym na bilansowanie energii wytworzonej z instalacji odnawialnego źródła energii z energią pobieraną.
Dla systemów do 10 kW mocy bilans ten odbywa się w stosunku 1,0 do 0,80 natomiast dla pozostałych mikroinstalacji 1,0 do 0,7. W praktyce oznacza to, że energię nadprodukowaną, którą oddajemy do sieci możemy w ciągu 365 dni odebrać pomniejszoną o 20 lub 30%. A zatem jeżeli posiadamy możliwość podłączenia naszej instalacji do sieci dystrybucyjnej to uwzględniając wszystkie koszty – nie ma ekonomicznego uzasadnienia tworzenie magazynu energii.
Komplementarność fotowoltaiki i turbin wiatrowych jest ściśle związana z lokalizacją, w naszych warunkach w ciągu roku latem mamy więcej słońca, a zimą więcej wiatru – stąd oba źródła mogą się uzupełniać. Ważna jest jednak skala systemu w jakim rozpatrujemy tę komplementarność, jeżeli mamy na uwadze cały system energetyczny kraju to oba źródła uzupełniają się z dość wysoką przewidywalnością tworząc ważne uzupełnienie miksu energetycznego. Natomiast w skali domowych mikroinstalacji i pojedynczych urządzeń, sprawność i prognoza wytwórcza takiej hybrydy jest bardzo trudna do oszacowania i wymaga odpowiedniego przygotowania – pomiary wietrzności, analiza zacienienia, rzeźby terenu, lokalnej infrastruktury, etc. Doświadczenie pokazuje, że w skali domowych mikroinstalacji koszty, które należy ponieść na utworzenie systemu hybrydowego są niewspółmierne do oczekiwanych uzysków energii. Po analizie ekonomicznej i poznaniu wszystkich barier projektanci oraz inwestorzy decydują się na wybór jednego źródła, z uwagi na przewidywalność uzysków w naszym kraju jest to przeważnie fotowoltaika.

Prąd i ciepło jednocześnie

Fot. 5. Schemat przykładowego hybrydowego układu zasilania 24 V DC / 230 V 50 Hz AC. Fot.: VENTUS-ENERGIA Fot. 5. Schemat przykładowego hybrydowego układu zasilania 24 V DC / 230 V 50 Hz AC. Fot.: VENTUS-ENERGIA Fot. 6. Prawidłowa praca systemu fotowoltaicznego będzie możliwa jedynie wtedy, gdy właściwie zostaną dobrane moduły fotowoltaiczne. Fot.: TOMASZ PIJARCZYK - BISONENERGY (WWW.BISONENERGY.PL) Fot. 6. Prawidłowa praca systemu fotowoltaicznego będzie możliwa jedynie wtedy, gdy właściwie zostaną dobrane moduły fotowoltaiczne. Fot.: TOMASZ PIJARCZYK - BISONENERGY (WWW.BISONENERGY.PL)

Systemy fotowoltaiczne i małe elektrownie wiatrowe pozwalają na pozyskanie w fazie eksploatacji w zasadzie darmowej energii z odnawialnych źródeł. Instalacje te są jednak w dużej mierze uzależnione od warunków pogodowych, pory dnia, roku. Dość jeszcze nierozpowszechnionym na rynku rozwiązaniem, a zapewniającym inwestorowi stabilne źródło pozyskiwania energii, są agregaty, moduły kogeneracyjne (minikogeneracyjne) wytwarzające jednocześnie prąd, jak i ciepło. Jak wskazują producenci, ich zastosowanie pozwala na zredukowanie energii pierwotnej nawet o 36%, a emisji CO2 o 58% w porównaniu do technologii konwencjonalnych. Do zasilania układów wykorzystuje się m.in. biogaz z biomasy (nie wychodzimy więc wówczas poza tematykę OZE) lub gaz ziemny bądź kopalniany.
Agregaty kogeneracyjne skonstruowane są w oparciu o agregaty prądotwórcze wyposażone w synchroniczne silniki spalinowe zasilane wspomnianym biogazem (de facto metanem). Silnik napędza generator wytwarzający prąd. Pozostała ilość ciepła pobierana jest z urządzenia (chłodzenie) i spalin oraz przekazywana do lokalnego systemu grzewczego i instalacji c.o. i c.w.u. Kompaktowe moduły dedykowane inwestorom prywatnym ukierunkowane są przede wszystkim na wypełnienie zapotrzebowania na ciepło – wytwarzają przede wszystkim prąd na potrzeby własne (lub także częściowo do zasilania sieci), a powstająca jednocześnie energia cieplna jest wykorzystywana w całości do celów grzewczych.
Wyżej wymienione instalacje pozwalają inwestorom na osiągnięcie znaczącej lub nawet kompletnej niezależności energetycznej. W związku z tym, że polskie prawo umożliwia odsprzedaż energii operatorom systemu dystrybucyjnego (OSD; choć jednocześnie nie pozwala na funkcjonowanie taryf gwarantowanych dla produkcji energii z OZE), montaż instalacji, jak turbiny wiatrowe, systemy fotowoltaiczne czy moduły kogeneracyjne, jest jak najbardziej wskazany. O rozwoju energetyki w oparciu o OZE zadecydują regulacje przyjmowane przez polskie władze państwowe. Ostatnio przyjęte przez rząd i sejm rozwiązania stawiają na produkcję energii elektrycznej i ciepła na potrzeby własne, odrzucając możliwość uczynienia z czasem OZE konkurencyjnymi wobec paliw kopalnych, w szczególności węgla.,/p>

Piotr Hiszpański Właściciel Ventus Energia/Green Time Piotr Hiszpański
Właściciel Ventus Energia/Green Time

Zdaniem EKSPERTA
Co zyskujemy dzięki tworzeniu układów hybrydowych łączących turbiny wiatrowe z ogniwami fotowoltaicznymi? Czy takie systemy są uzasadnione ekonomicznie?

Pytanie jest ciekawe i bardzo często stawiane przez indywidualnego konsumenta razem z następującymi pytaniami już bardziej szczegółowymi:

  • dlaczego mam mało energii zimą kiedy jej najwięcej potrzebuję?
  • jakie źródło energii wybrać gdy potrzebuję energii głownie wieczorem i popołudniami gdy wracam z pracy?
  • co zrobić by uzyskać stabilne tanie źródło energii, które zrównoważy potrzeby z właściwą sobie produktywnością?

Otóż jedną z kluczowych kwestii by na nie odpowiedzieć jest konieczność zrozumienia, jak korzystamy z energii. Nasze zużycie nie jest stałe i rożni się w zależności od pory dnia czy roku, a nawet bywa różne gdy na dworze jest rożna temperatura powietrza czy prędkość wiatru. Dobrze jest zapoznać się z tą statystyką i przed decyzją o budowie własnej mikroelektrowni poprosić eksperta o dobranie właściwych rozwiązań. Elektrownia wcale nie musi być duża, natomiast powinna dostarczać energię możliwie stabilnie i w najdłuższym czasie.
Nasze domy często już stoją i rzadko wyposażone są w nowoczesne technologie, czy systemy zarządzania ciepłem, chłodem lub energią. Główną przyczyną jest to, że powstawały gdy brakowało przepisów dotyczących energii odnawialnej. Dzisiaj mimo, że wciąż są nieidealne dają nadzieję, że budując dom nie będziemy się martwić, czy w wieku emerytalnym stać nas będzie na jego utrzymanie i opłacenie stale rosnących i proporcjonalne bardzo wysokich kosztów związanych z energią i ogrzewaniem. Budując mikroelektrownię zaczynamy wytwarzać energię dla siebie i to bez opłacania kosztów dystrybucji, bo lokalne źródła na szczęście zostały z tego zwolnione. Pozostaje jednak problem stabilności wytwarzania energii wtedy gdy naprawdę jej potrzebujemy. Rozwiązaniem jest właśnie łączenie turbin wiatrowych i instalacji fotowoltaicznych. Razem potrafią one dostarczać energię zima i latem, w nocy i w dzień. Gdy dodamy do tego prawidłowo dobrany i naprawdę niewielki bank energii np. kilka kWh wyposażony w akumulatory to możemy uzyskać bardzo wysoką niezależność od obecnego dostawcy i znacząco obniżyć koszty.
Zaletą turbin wiatrowych jest to, że ich wydajność jest wyższa zimą i dają energię nocą, zaś panele fotowoltaiczne naturalnie pracują tylko w dzień, a największą wydajność uzyskują latem. Połączenie ich w ramach jednego mikro źródła energii daje możliwość stabilnej dostawy i co więcej sama mikroelektrownia możne być mniejsza = tańsza bo nie musi pracować na zapas. Jeśli pojawią się nadwyżki energii, bo na przykład wyjechaliśmy na urlop, poszliśmy do pracy lub śpimy to warto zgromadzić ją w małym power banku na wypadek, gdy kolejny dzień będzie pochmurny lub bezwietrzny.

Iwona Bortniczuk
Na podstawie materiałów firm:
Selfa GE, Ventus Energia, Viessmann