Energia odnawialna na pomorzu zachodnim_cz3.pdf

397

Zbigniew Zapałowicz

Ocena możliwości wytwarzania ciepła

i energii elektrycznej z promieniowania

słonecznego na Pomorzu Zachodnim

Wstęp

Ekspansywny rozwój naszej cywilizacji w końcu XX wieku spowodo-

wał realną groźbę wyczerpania się konwencjonalnych źródeł energii,

w dającej się przewidzieć perspektywie czasu. Spalanie ogromnych ilości

paliw kopalnych dodatkowo powoduje, postępującą w szybkim tempie, de-

gradację środowiska naturalnego. Fakty te wymusiły więc intensywny roz-

wój prac badawczych i konstrukcyjnych nad pozyskiwaniem energii z od-

nawialnych jej źródeł [1,3]. Źródłem takiej energii dla Ziemi jest Słońce.

Energia promieniowania słonecznego, docierająca do powierzchni na-

szej planety, może być przetwarzana na użyteczne formy energii tj. ener-

gię cieplną lub elektryczną, w wyniku konwersji fototermicznej lub foto-

woltaicznej [7]. Konwersję fototermiczną prowadzi się w powietrznych lub

cieczowych instalacjach kolektorowych, a konwersję fotowoltaiczną w ogni-

wach lub panelach fotowoltaicznych. Wymienione sposoby konwersji energii

są już technicznie opanowane. Stąd też na całym świecie wzrasta zaintere-

sowanie instalacjami tego typu. Instalacje takie powstają i będą powstawać

także na terenie województwa Zachodniopomorskiego.

W naszym społeczeństwie często stawiane są jednak pytania: czy bu-

dowa i eksploatacja instalacji słonecznych jest ekonomicznie uzasadniona?

Jakie efekty ekologiczne można osiągnąć wprowadzając jako źródło energii

– energię promieniowania? Odpowiedź na te pytania jest przedmiotem analiz

prowadzonych przez autora od wielu lat [4,5,9-14].

398

Praktyczne wykorzystanie energii odnawialnej – aspekty techniczno-organizacyjne

Promieniowanie słoneczne na obszarze Pomorza Zachodniego

Pomorze Zachodnie położone jest między 14° a 17° długości geogra-

ficznej wschodniej oraz między 52°30’ a 54°30’ szerokości geograficznej

północnej i obejmuje swym zasięgiem przede wszystkim obecne Wojewódz-

two Zachodniopomorskie [2].

Potencjał energii promieniowania słonecznego na terenie Pomorza

Zachodniego można ocenić na podstawie danych IMiGW. Sporządzona przez

ten Instytut mapa natężenia promieniowania słonecznego dla Polski [1,3]

oraz dane o tym promieniowaniu podane przez stację meteorologiczną

w Kołobrzegu [6] wskazują, że wartość natężenia promieniowania słonecz-

nego w odniesieniu do powierzchni poziomej wynosi około 1100 kWh/(m 2

a) (rys.1). Podobne wartości otrzymuje się z analizy danych stacji mete-

orologicznej znajdującej się w pobliżu elektrowni „Dolna Odra” w Gryfi-

nie. Natężenie promieniowania słonecznego jest tu niższe i wynosi około

850-1000 kWh/(m 2 a), co wynika z faktu, że stacja ta jest położona w głębi

lądu oraz blisko dużego obszaru uprzemysłowionego (rys.2).

Rysunek1. Średnie miesięczne napromieniowanie na powierzchnię poziomą – dane

stacji meteorologicznej IMiGW w Kołobrzegu [6]

Kolektorowe instalacje słoneczne

Energię cieplną pozyskuje się w instalacjach kolektorowych powietrz-

nych i cieczowych. Kolektory powietrzne stosowane są przede wszystkim

w rolnictwie do suszenia płodów rolnych. Z kolei kolektory cieczowe wy-

korzystuje się do przygotowywania ciepłej wody użytkowej oraz do wspo-

magania tradycyjnego układu ogrzewczego, natomiast rzadziej do produk-

cji pary. Najprostsza instalacja kolektorowa, stosowana w praktyce, składa

się z kolektora cieczowego, zasobnika ciepła, pompy obiegowej oraz ukła-

Ocena możliwości wytwarzania ciepła i energii elektrycznej z promieniowania słonecznego na Pomorzu Zach.

399

Rysunek 2. Średnie miesięczne napromieniowanie na powierzchnię poziomą – dane

stacji meteorologicznej Zespołu Elektrownii „Dolna Odra”

du kontrolno-sterującego. Dodatkowym (awaryjnym lub szczytowym) źró-

dłem energii jest grzałka elektryczna. W bardziej rozbudowanych instala-

cjach można spotkać dwa zasobniki ciepła, a także konwencjonalne źródło

energii (np. kocioł gazowy). Podstawowym elementem instalacji jest ko-

lektor: płaski, próżniowy, typu „rura cieplna” lub skupiający. W kolektorze

cieczowym energia promieniowania słonecznego zamieniana jest na ener-

gię wewnętrzną mieszaniny wody i glikolu. Mieszanina ta przepływając

przez wężownicę umieszczoną w zasobniku ciepła, ogrzewa zgromadzoną

w nim wodę. Z kolei woda użytkowa, przepływając przez drugą z wężow-

nic, odbiera energię cieplną od wody znajdującej się w zasobniku.

Przeprowadzona w pracy [9] analiza kosztów prostej instalacji kolek-

torowej, wykonana na podstawie danych katalogowych [8], wykazała na-

stępujące proporcje cenowe poszczególnych jej elementów w odniesieniu

do ceny całej instalacji: kolektor 39%, zasobnik 32%, układ kontrolno-

sterujący 24,5%, konstrukcja 4,5% (rys.3). W przeprowadzonej analizie nie

uwzględniono jednak kosztów projektu, transportu i montażu oraz podat-

ku VAT. Uwzględnienie tych kosztów w całej inwestycji może zmniejszyć

podane udziały. Ponadto proporcje te mogą się zmieniać w zależności od

dostawcy elementów instalacji. W związku z tym do analizy wprowadzono

współczynnik k, zdefiniowany jako stosunek kosztów kolektora do kosz-

tów całkowitych instalacji kolektorowej. Przyjęto, że parametr ten zmie-

nia się w zakresie od 20 do 70%. Z kolei w celu porównywania ze sobą

różnych typów kolektorów i ich cen, wprowadzono dwa wskaźniki. Doty-

czą one rocznej ilości energii cieplnej uzyskiwanej z 1m 2 powierzchni ab-

sorbera E k oraz kosztu 1 m 2 powierzchni absorbera kolektora słonecznego

K k . Pierwszy ze wskaźników można określić na podstawie badań doświad-

400

Praktyczne wykorzystanie energii odnawialnej – aspekty techniczno-organizacyjne

Rysunek 3. Koszt poszczególnych elementów instalacji kolektorowej w procen-

tach [9]

Rysunek 4. Miesięczna produkcja energii cieplnej wytworzona przez 1m 2 po-

wierzchni absorbera zestawu kolektorów

czalnych lub z danych technicznych kolektora (jeśli producent lub dostaw-

ca podaje te dane). Drugi parametr oblicza się na podstawie cennika i da-

nych technicznych kolektora [8,9,11,15].

Na rys.4 pokazano miesięczną produkcję energii cieplnej kolektora cie-

czowego pracującego w Katedrze Techniki Cieplnej Politechniki Szczeciń-

skiej. Roczna produkcja energii cieplnej z 1m 2 kolektora cieczowego z war-

stwą absorbcyjną TiNO x wynosi około 320 kWh. Z danych technicznych

kolektorów wynika z kolei, że wartość tego wskaźnika powinna być wy-

ższa [8]. Ocena taka może być jednak obarczona błędem, ponieważ podane

w katalogach wartości wskaźnika są określane w różnych warunkach. Za-

stosowanie kolektorów próżniowych i skupiających pozwala uzyskiwać jesz-

cze wyższe wartości parametru E k . Można przypuszczać, że wartość tego

parametru będzie zawarta w przedziale 300÷700 kWh/(m 2 a).

Koszt 1 m 2 powierzchni absorbera kolektora słonecznego K k wynosi

od 300 do 1400 zł/m 2 [9,11,15] . Przeciętnie 1m 2 powierzchni kolektora

Ocena możliwości wytwarzania ciepła i energii elektrycznej z promieniowania słonecznego na Pomorzu Zach.

401

kosztuje 500 zł/m 2 . Na podstawie cen katalogowych, można także oszaco-

wać koszt całej instalacji. W analizie można się wówczas posługiwać para-

metrem K i . Parametr ten określa koszt instalacji w przeliczeniu na 1 m 2

powierzchni absorbera. Z analizy danych zawartych w pracy [9] wynika, że

wskaźnik ten mieści się w przedziale 500÷4000 zł/m 2 .

W celu oceny pracy instalacji z kolektorem cieczowym autor sporzą-

dził nomogram (rys.5). Na jego podstawie można ocenić prosty czas zwro-

tu nakładów inwestycyjnych oraz oszczędność paliwa umownego. Danymi

wejściowymi są roczna produkcja energii cieplnej z 1 m 2 kolektora E k oraz

wskaźnik kosztu K k lub K i .

Jeśli energia cieplna wytwarzana jest w kolektorze cieczowym to nie trze-

ba jej kupować od dostawcy, u którego cena 1GJ energii wynosi od 20÷120

złotych. Tak duże zróżnicowanie cen energii cieplnej u dostawców, wynika ze

stosowania przez nich różnych technologii pozyskiwania oraz różnych kosz-

tów jej przesyłania. Przy założeniu, że wskaźnik E k = 700 kWh/(m 2 a), a prze-

ciętna cena energii cieplnej jest równa 60 zł za 1GJ, posiadacz kolektora „zara-

bia” wówczas około 150 zł rocznie z eksploatacji każdego metra kwadratowe-

go powierzchni absorbera. Jeśli 1m 2 kolektora kosztuje 500 zł, to przyjmując

współczynnik k równy 40%, można obliczyć koszt jednostkowy instalacji. Koszt

ten wynosi około 1250 zł. Na podstawie zysku (oszczędności) inwestora i kosztu

inwestycji można wyznaczyć prosty czas zwrotu nakładów inwestycyjnych. W

analizowanym przypadku czas ten jest równy około 8 lat.

Z drugiej strony, jeśli energia cieplna jest wytwarzana w kolektorze, to

ta sama jej ilość nie jest odbierana z przetwornika energii (np. kotła). Jeśli

w analizowanym przypadku przyjąć sprawność kotła równą 80%, to roczna

oszczędzić paliwa umownego wynosi około 110 kg. Zatem zainstalowanie

zestawu kolektorów cieczowych o powierzchni 9m 2 pozwala zaoszczędzić

około 1 Mg paliwa rocznie.

Obecnie prowadzi się intensywne prace nad udoskonaleniem istnieją-

cych technologii fototermicznej konwersji energii przy jednoczesnym ob-

niżeniu kosztów produkcji elementów instalacji, tak aby stały się one kon-

kurencyjne w stosunku do tradycyjnych sposobów wytwarzania energii.

Instalacje fotowoltaiczne

Zasadniczym elementem instalacji fotowoltaicznej jest ogniwo, moduł

lub panel fotowoltaiczny. Wytworzony w tych elementach prąd stały może

bezpośrednio zasilać odpowiednie odbiorniki. W praktyce jednak odbiorni-

ki te są zasilane z akumulatora lub zespołu akumulatorów, które są ładowa-

ne prądem wytworzonym w panelu lub zestawie fotowoltaicznym.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: