Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Gnieźnie

Kierunek: Ochrona Środowiska

Specjalność: Ekotechnologia

Magazynowanie Energii Słonecznej.

Firma AKUSUN

Barbara Bilska

Irena Budnik

Marta Kędzierska

Agnieszka Wieczorek

Wstęp

Energia odnawialna, a perspektywy odnowy budownictwa

Energia słoneczna jest specyficzną formą energii odnawialnej. Wszędzie łatwo dostępna, ale silnie zależna od miejsca na Ziemi, pory dnia i roku. I choć od zawsze była przez ludzi wykorzystywana, to jednak dopiero współczesne technologie, dopasowane do warunków klimatycznych i typu obciążeń energetycznych, umożliwiły jej efektywne pozyskanie i przetwarzanie do celów użytkowych.

W Europie problem potrzeb grzewczych jest ciągle minimalizowany, a to właśnie obciążenia grzewczo-klimatyzacyjne odpowiadają za 49% w bilansie energii finalnej. Dla spełnienia tych obciążeń energia słoneczna może być wykorzystywana w coraz większym stopniu. Jeśli większość budynków byłaby wyposażona w słoneczne instalacje grzewcze, to moc zainstalowana w instalacjach słonecznych wzrosłaby do roku 2030 do 200 GWh, co w porównaniu z rokiem 2005 dawałoby wynik dwudziestostokrotnie wyższy.

Mówiąc o energetyce słonecznej trzeba wziąć pod uwagę zarówno rozwiązania instalacyjne, jak i koncepcję architektoniczną budynku, jego ustrój, zastosowane materiały budowlane, lokalizację oraz jego otoczenie. Pozyskiwanie energii słonecznej może się bowiem odbywać dzięki odpowiednio zaprojektowanej bryle budynku i jego otoczeniu.

Od lat 70-tych...

Technologie energetyki słonecznej nie są na rynku żadnym novum. I choć dostępne są od ponad 30 lat, choć urządzenia stają się coraz sprawniejsze, to stopień wykorzystania energii słonecznej do celów użytkowych jest nadal niewielki. Instalacje słoneczne najczęściej stosowane są w budownictwie jednorodzinnym, gdzie w krajach Europy Centralnej zaspakajają około 30% potrzeb grzewczych (c.w.u. i c.o.) użytkowników. Coraz więcej instaluje się ich także w dużych budynkach mieszkalnych.

Na rynku europejskim istnieje kilka systemów słonecznych wielkogabarytowych, podłączonych do centralnych sieci ciepłowniczych. Niektóre instalacje słoneczne są wyposażone w systemy sezonowego magazynowania energii. Pojawiły się także instalacje demonstracyjne wytwarzające wysokotemperaturowe ciepło technologiczne.

Do podstawowych słonecznych technologii grzewczych należą technologie kolektorowe:

·         bez osłon, czyli tzw. absorbery basenowe;

·         z osłonami, czyli kolektory płaskie i próżniowe rurowe.

Co kraj, to obyczaj              

Wykorzystanie słonecznych systemów grzewczych różni się poszczególnych regionach świata w zależności od ich sytuacji gospodarczej. W USA i Kanadzie dominują np. absorbery basenowe o łącznej mocy zainstalowanej 17,9 GWth, podczas gdy w Chinach (35,5 GWth), Europie (10,1 GWth) i Japonii (8,9 GWth) występują przede wszystkim kolektory płaskie i próżniowe, stosowane do podgrzewania wody użytkowej i ogrzewania pomieszczeń.

W 2003 roku najwięcej kolektorów (płaskich i próżniowych) na 100 000 mieszkańców było zainstalowanych na Cyprze, w Izraelu, Grecji, Austrii i na Barbadosie. Szwajcaria, Kanada i Holandia przodowały pod względem liczby absorberów bez pokryć.

W poszczególnych krajach różnie przedstawia się również rozwój rynku kolektorów płaskich i próżniowych. Największy wzrost odnotowano w Chinach, Australii nowej Zelandii i Europie. Moc zainstalowanych tutaj instalacji wzrosła odpowiednio o 27, 23 i 11%.

Natomiast w przypadku absorberów basenowych po latach wzrostu w 1999 - 2002 roku, w 2003 nastąpił spadek ilości nowo instalowanych urządzeń, co tłumaczy się nasyceniem rynku w krajach, w których do tej pory następował rozwój tego działu energetyki słonecznej i nierozpowszechnianiem się tej technologii na nowych rynkach.

Państwem, które odgrywa coraz większą rolę w produkcji energii cieplnej z kolektorów słonecznych są Chiny. Kraj ten obecnie zdecydowanie dominuje na światowym rynku, jeśli chodzi o wzrost produkcji energii cieplnej. W 2006 roku wynosiła ona tu tyle, co w USA w 1983 i 1984 roku łącznie - wtedy to właśnie w Stanach nastąpił największy rozwój energetyki słonecznej na świecie.

Azja w ogóle okazuje się perspektywicznym rynkiem, jeśli chodzi o produkcję energii elektrycznej. Tym razem dominującą rolę w zakresie ogniw fotowoltaicznych odgrywa Japonia. Ale Europa też stara się dotrzymywać jej kroku. Szczególnie Niemcy, gdzie od dłuższego czasu obowiązuje mechanizm bezpośredniego wsparcia produkcji energii ze źródeł odnawialnych.

Obecnie energia elektryczna z fotowoltaiki jest zdecydowanie droższa od energii uzyskiwanej ze źródeł konwencjonalnych, a także z innych źródeł OZE. Wysokie ceny systemów podłączanych do sieci sprawiają, że czas zwrotu kosztów inwestycyjnych jest dość długi. Prawdopodobnie energia elektryczna z fotowoltaiki stanie się konkurencyjna dopiero około roku 2020.

1000 słonecznych dachów w Niemczech

W latach 1991-1995 w Niemczech zainstalowano na dachach domów i podłączono 2200 systemów PV o łącznej mocy około 5,3 MWp. Wszystko dzięki "Programowi 1000 słonecznych dachów", który powstał w 1990 r. w ramach wspierania rozwoju OZE. Przedsięwzięcie to udowodniło, że istnieje możliwość zdecentralizowanego dostarczania energii elektrycznej i integracji PV z budownictwem. Stworzono odpowiednie przepisy i normy dotyczące systemów PV, które w tej chwili są korelowane z podobnymi przepisami w innych krajach UE. W czasie trwania programu instalowane na dachach domów jednorodzinnych systemy o mocy 2.5 kWp pokrywały około 50% (4500 kWh) rocznego zapotrzebowania na energię elektryczną niemieckiej rodziny. Dzięki projektowi wzrosło znacznie zainteresowanie fotowoltaiką w Niemczech. W konsekwencji pojawiły się nowe programy promocyjne i specjalne ścieżki finansowania PV.

A w Polsce...

Można oszacować, że w naszym kraju działają aktywne systemy słoneczne o łącznej powierzchni kolektorów ponad 50.000 mkw. Przy średniej wydajności cieplnej baterii na poziomie 400 kWh/m2a, przypuszczalnie przez systemy te produkujemy około 20 GWh/a energii do celów grzewczych. Trudno zatem oszacować zyski z tytułu zastosowanych rozwiązań pasywnych, choć już istnieją budynki niskoenergetyczne.

rys. 1 Średnioroczne sumy usłonecznienia, godz./rok dla reprezentatywnych rejonów Polski

Promieniowanie słoneczne

Słońce jest podstawowym źródłem energii dla naszej planety. Przed milionami lat energia słońca docierająca do ziemi została uwięziona w węglu, ropie naftowej, gazie ziemnym itp. Również słońcu zawdzięczamy energię jaką niesie ze sobą wiatr czy fale morskie. Można także bezpośrednio wykorzystywać energię słoneczną poprzez zastosowanie specjalnych systemów do pozyskiwania i akumulowania energii słonecznej. Promieniowanie słoneczne jest to strumień energii emitowany przez Słońce równomiernie we wszystkich kierunkach. Miarą wielkości promieniowania słonecznego docierającego ze słońca do ziemi jest tzw. stała słoneczna. Jest ona wartością gęstości strumienia energii promieniowania słonecznego na powierzchni stratosfery i obecnie wynosi 1,4 kW/m2. W promieniowaniu słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi wyróżnia się trzy składowe promieniowania:
- bezpośrednie; pochodzi od widocznej tarczy słonecznej
- rozproszone; powstaje w wyniku wielokrotnego załamania na składnikach atmosfery
- odbite; powstaje w skutek odbić od elementów krajobrazu i otoczenia.

 

Zasoby energii słonecznej w Polsce

Z punktu widzenia wykorzystania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najistotniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) - wyrażające ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaszczyzny w określonym czasie. Na rysunku poniżej i w tabeli poniżej pokazano rozkład sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej dla wskazanych rejonów kraju. Według ocen ekspertów, potencjał ekonomiczny kolektorów słonecznych w Polsce do produkcji ciepłej wody użytkowej wynosi 24 PJ. Natomiast potencjał kolektorów słonecznych do suszenia płodów rolnych sięga 21 PJ. Wielkość promieniowania słonecznego jaka może być wykorzystywana przez kolektor jest znacznie mniejsza całkowite promieniowanie słoneczne docierające ze słońca do ziemi i wynosi 0,7 kW/m2. Przyczyną tego są straty przesyłanej energii powstałe w wyniku:

-rozproszenia
-pochłaniania
-strat na kolektorze

Magazynowanie energii słonecznej             

Istnieją trzy sposoby wykorzystania energii słonecznej.
- zamiana energii promieniowania słonecznego na prąd elektryczny ;
- magazynowanie tej energii w postaci ciepła;
- przemiana tej energii w energię chemiczną i biochemiczną.

Największym problemem nie jest pozyskanie tej energii lecz jej zmagazynowanie i wykorzystanie we właściwym czasie.

Za zasadnicze parametry dotyczące magazynowania energii należy uznać:

·         Zasób energii możliwy do zakumulowania w jednostce objętości lub masy

·         Liczbę cykli ładowania i rozładowania magazynu możliwą do zrealizowania

·         Sprawność cyklu określoną jako stosunek ilości energii odebranej z układu do ilości energii do niego doprowadzonej

·         Czas, w którym zmagazynowana energia może być przekazana do użytkownika, oraz czas, w którym może ona być magazynowana

Za ważny parametr pracy należy uznać także temperaturę, w jakiej dany układ (czy sposób) magazynowania może funkcjonować. Dotyczy to prawie wszystkich sposobów akumulacji energii oprócz magazynowania energii mechanicznej, gdzie parametr ten jest mniej istotny.
Należy oczywiście zwrócić uwagę także na następujące warunki:

·         Dopuszczalny całkowity czas ładowania i rozładowania systemu

·         Koszty całkowite i koszty eksploatacji

·         Warunki bezpieczeństwa pracy

·         Problemy ochrony środowiska związane z jednostką magazynującą

Magazynowanie energii elektrycznej

Przy konwersji energii słonecznej na elektryczną wykorzystuje się tu „fotoogniwo” (nazywane też „ogniwem fotowoltaicznym”, „baterią słoneczną”, „ogniwem fotoelektrycznym” itp.). Jest to element półprzewodnikowy. Kiedy na złącze typu p-n o dużej powierzchni pada strumień światła, powstają pary elektron-dziura, które dyfundując do różnych obszarów wytwarzają różnicę potencjałów. Inaczej mówiąc, oświetlanie takiego ogniwa powoduje, że staje się ono źródłem prądu.

Wadą tego typu urządzenia jest jego mała moc. Z tego względu jest to źródło prądu wymagające znacznej inwestycji (jeżeli potrzebna jest dość duża moc), ale za to ma bardzo małe koszty eksploatacji. Dlatego wykorzystuje się je głównie tam, gdzie nie potrzeba dużych mocy (np. kalkulatory, zegarki itp.), a także w miejscach, do których doprowadzanie energii elektrycznej jest nieopłacalne (np. wyświetlacze na autostradach) a także tam, gdzie jest stale duże nasłonecznienie (sztuczne satelity Ziemi).

Magazynowanie energii uzyskanej wskutek zastosowania tego typu instalacji może przyjmować kilka form. Możemy bezpośrednio akumulować energię elektryczną stosując baterie drugiego rodzaju, lub co jest najlepszym rozwiązaniem, w sprzęgnięciu z siecią publiczną. Polega to na założeniu dwóch liczników energii. Jeden licznik wskazywałby ilość energii pobraną, drugi oddaną do sieci. Można również zamontować licznik energii tzw. „prawo-lewo” i wówczas byłby to „magazyn” energii o 100% sprawności. Takie rozwiązanie wymaga dodatkowo zastosowania falowników np. sunny-boy, które przystosowują prąd produkowany przez moduły fotowoltaiczne, do parametrów wymaganych przez energetykę.

Akumulatory występują w instalacjach autonomicznych, są magazynem prądu. Pozwalają używać prądu również w chwili gdy nie jest on produkowany przez moduły fotowoltaiczne, np. w nocy. Są również swoistym zbiornikiem buforowym, w którym magazynuje się prąd wyprodukowany na zapas z myślą o dniach pochmurnych, kiedy produkcja prądu jest mniejsza. Ich ilość i pojemność jest zależna od rodzaju instalacji oraz ilości dni na które potrzebna jest rezerwa. niezależnie od tego czy produkowany prąd jest prądem stałym (DC) czy też przemiennym (AC). W pomieszczeniach, w których przebywają ludzie należy stosować akumulatory żelowe ze względów bezpieczeństwa.

Wykorzystanie ogniw fotowoltaicznych nadal jest obiektem zainteresowania naukowców. Firma Soldius zaprezentowała przenośną ładowarkę do telefonów komórkowych, która wykorzystuje energię słoneczną. Jak podaje producent, aby naładować baterię do pełna wystarczą dwie lub trzy godziny słonecznej pogody. Soldius1 wykorzystuje technologię Maximum Solar Power Tracking i jest kompatybilne z większością telefonów Motoroli, Nokii, Samsunga, Siemensa i Sony Ericsson. W tym momencie ładowarka współpracuje tylko z bateriami telefonów komórkowych, ale producent zapowiada w przyszłości rozszerzenie funkcjonalności urządzenia także na baterie PDA i do iPoda.

Inne rozwiązania dotyczące akumulacji energii pozyskanej z ogniw fotowoltaicznych związane są z zamianą jej na formę np.: energii kinetycznej a co za tym idzie z pewnymi startami i wysokimi kosztami. Z tego właśnie powodu nie są one wykorzystywane w instalacjach komercyjnych. Zakumulowany prąd elektryczny można wykorzystać jako autonomiczne źródło energii do napędu pojazdów . Dostępne dziś akumulatory energii elektrycznej:

Magazynowanie energii Cieplnej

Najczęściej stosowane są jednak instalacje pozwalające na zamianę energii promieniowania słonecznego na ciepło. Mowa tu o kolektorach. Działają z większą wydajnością niż ogniwa fotowoltaiczne, ale produkują tylko ciepło. Istnieje wiele rodzajów takich urządzeń. Począwszy od najprostszych, jak czarny wąż rozłożony np. na dachu lub czarna torba z wodą (w sklepach ogrodniczo-przemysłowych bywają takie torby-prysznice o pojemności kilku litrów) aż po zaawansowane wymagające dodatkowych urządzeń sterujących lub zasilających.

Systemy solarne można więc podzielić na następujące grupy:

·         aktywne ( z wymuszonym obiegiem grawitacyjnym - całoroczne instalacje), do instalacji dostarcza się dodatkową energię z zewnątrz, zwykle do napędu pompy lub wentylatora przetłaczających czynnik roboczy (najczęściej wodę lub powietrze) przez kolektor słoneczny. Funkcjonowanie kolektora słonecznego jest związane z podgrzewaniem przepływającego przez absorber czynnika roboczego, który przenosi i oddaje ciepło w części odbiorczej instalacji grzewczej.

·         pasywne ( grawitacyjne - instalacje letniskowe), do swego działania nie potrzebują dodatkowej energii z zewnątrz. W tych systemach konwersja energii promieniowania słonecznego w ciepło zachodzi w sposób naturalny w istniejących lub specjalnie zaprojektowanych elementach struktury budynków pełniących rolę absorberów.

Granice podziału pomiędzy dwoma wyżej wymienionymi sposobami wykorzystania konwersji termicznej są dość płynne. Z jednej strony w systemach pasywnych dopuszcza się stosowanie pewnych elementów regulujących przepływ energii uzyskanej z promieniowania słonecznego. W przypadku, gdy zastosowane są w tym celu urządzenia mechaniczne można mówić o systemach semiaktywnych. Z drugiej strony często celowo stosuje się uzupełniające się wzajemnie w jednej instalacji grzewczej systemy pasywne i aktywne jednocześnie. Mówi się wtedy o systemach kombinowanych.

Ponieważ kolektory wykorzystywane są najczęściej do produkcji ciepłej wody użytkowej to zajmiemy się najpierw właśnie takimi instalacjami. Składają się one z trzech zasadniczych elementów bez których nie było by możliwe magazynowanie energii:

Kolektor słoneczny to podstawowy element instalacji słonecznej, jego zadaniem jest przekształcenie energii słonecznej w energię cieplną poprzez specjalną płytę absorpcyjną. Najczęściej stosuje się tzw. kolektory płaskie cieczowe.

Każdy kolektor tego typu składa się z:

·         przezroczystej szyby

·         powłoki absorpcyjnej

·         systemu rurek miedzianych w których przepływa ciecz solarna

·         ocieplenia od spodu

·         obudowy aluminiowej w której zamknięte są ww. elementy.

W zależności od użytych materiałów współczynnik pochłaniania energii słonecznej może osiągnąć wartość do 95-97%.

Drugi typ kolektora to tzw. kolektor rurowo-próżniowy. Jest on inaczej zbudowany niż kolektor płaski cieczowy. Oparty jest na szklanej rurze w środku której umieszczono cienki absorber z rurką metalową, wewnątrz której umieszczona jest jeszcze jedna rurka. Ciecz płynie wewnętrzną rurką i wpływając od dołu do zewnętrznej rurki, nagrzewa się przejmując ciepło od absorbera. Ten typ kolektora charakteryzuje się większą sprawnością niż kolektor płaski w okresie o zwiększonym zachmurzeniu.

Automatyka i układ bezpieczeństwa. Ten element instalacji w skład którego wchodzą zawory, naczynie przeponowe, pompka cyrkulacyjna, regulator mikroprocesorowy ma zapewnić odpowiedni kierunek przepływu medium oraz ciepła w systemie. Ponadto przy instalacjach całorocznych automatyka jest wyposażona system pogodowy co zapewnia optymalne wykorzystanie energii w zależności od warunków biometeorologicznych. Przy odpowiednio dobranym układzie automatyka pogodowa może w miarę potrzeb załączać lub wyłączać odpowiednie źródła ciepła.

Zbiornik. To tutaj właśnie poprzez specjalne wymienniki spiralne odbywa się wymiana ciepła z medium cieplnego (glikol) na korzyść wody.

Zasobnik musi być indywidualnie dobierany w zależności od wielkości instalacji i jej przeznaczenia. Bardzo ekonomicznym rozwiązaniem jest zastosowanie tzw. sprzęgła cieplnego umożliwiającego połączenie paru układów grzewczych ( np. kolektory słoneczne z kotłem olejowym i kominkiem) w jeden, w pełni zautomatyzowany układ gwarantujący duże oszczędności tradycyjnych nośników energii. Jeżeli kolektory mają być- podłączone do tego samego zbiornika, co piec c.o., potrzebny będzie zbiornik z dwoma wymiennikami. Bojlery, produkowane specjalnie na potrzeby słonecznych instalacji grzewczych, umożliwiają podłączenie nawet trzech źródeł ciepła (3 wymienniki) np. kolektorów słonecznych, pieca c.o. i pompy ciepła. Bardzo ważne jest, aby zasobnik-akumulator był dobrze ocieplony co zapobiegnie stratom ciepła i podniesie wydajność całej instalacji.

W układach, w których wykorzystywana jest pojemność cieplna cieczy występuje problem stratyfikacji, w wyniku której realna pojemność cieplna zbiornika może ulec zmniejszeniu. Jest to efekt pożądany z jednego jednak względu. Ciecz powracająca do kolektora z wymiennika lub zbiornika ma niższą temperaturę co poprawia sprawność.

Nie jest to jednak jedne rozwiązanie dotyczące sposobu magazynowania ciepła uzyskanego w kolektorze słonecznym. Powstaje obecnie wiele instalacji pozwalających na ogrzewanie budynków z wykorzystaniem akumulacji ciepła w gruncie. Światowe badania i wykonane instalacje demonstracyjne wskazują na możliwość odzyskania nawet do 85 % energii w cyklu rocznym. W Polsce instalacją tego typu jest ta zastosowana w instytucie IMGW w Borowej Górze k. Serocka.

Akumulator gruntowy stanowią tu cztery sekcje z których każda składa się z 12 pionowych wymienników o średnicy 2” i długości 21 m. Wymienniki rozmieszczono w regularnej siatce kwadratowej o boku 4 m. Łączna długość wymienników wynosi 1008 mb zaś objętość akumulatora (gruntu): 16500 m3. Położenie akumulatora względem budynku oraz schemat połączeń hydraulicznych wymienników przedstawiono na rysunku 1a. Zastosowano wymienniki typu koncentrycznego składające się z dwóch rur umieszczonych jedna w drugiej. W fazie magazynowania energii cieplnej podgrzana woda (lub inny nośnik) dostarczana jest za pomocą rury wewnętrznej o średnicy 1" , wypływa w dolnej części zaślepionej rury zewnętrznej (średnica 2") i przemieszczając się do góry ogrzewa ją oraz otaczający grunt. W fazie odzyskiwania energii z gruntu czynnik krążący w akumulatorze przemieszczając się wzdłuż ścianki bocznej rury zewnętrznej ogrzewa się ciepłem zgromadzonym w gruncie otaczającym wymiennik. W ramach sekcji wymienniki połączono szeregowo. Źródłem energii zasilającym akumulator są kolektory słoneczne typu USD o powierzchni łącznej 62,92 m2 (22 sztuki po 2,86 m2). Układ hydrauliczny kolektorów stanowi obieg zamknięty a energia przekazywana jest do akumulatora za pomocą wymiennika ciepła lub do pompy ciepła. Układ hydrauliczny akumulatora gruntowego stanowią dwa niezależne obiegi zamknięte zasilające po dwie sekcje akumulatora. Układ hydrauliczny ogrzewania budynku jest zasilany z pompy ciepła. Ruch nośnika energii we wszystkich układach hydraulicznych jest wymuszony. Rozdzielnia systemu grzewczego umożliwia przełączanie systemu na różne tryby pracy z zależności od okoliczności: zasilanie akumulatora gruntowego energią uzyskaną z kolektorów słonecznych, odzyskiwanie energii cieplnej z akumulatora gruntowego i przekazywanie jej za pomocą pompy ciepła do systemu centralnego ogrzewania, dołączenie pieca gazowego jako źródła uzupełniającego w przypadku zwiększonego zapotrzebowania na energię spowodowanego niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi lub rozładowaniem akumulatora.

Połączenia hydrauliczne pomiędzy pionowymi wymiennikami wykonano za pomocą rur preizolowanych typu FINPOL.

Dobowe wartości energii magazynowanej i odzyskiwanej z akumulatora przedstawiono na rysunku poniżej. Na wykresie tym przedstawiono wyniki z całego okresu pomiarów automatycznych. W lecie 1999 r maksymalną wartość dobową energii magazynowanej w akumulatorze uzyskano w dniu 20 lipca (221 kWh). Maksymalny dobowy odbiór energii akumulatora wystąpił w dniu 12 grudnia 1998 r i wynosił około 233 kWh.

Współczynnik wydajności pompy zdefiniowany jako stosunek energii uzyskanej z pompy ciepła do sumy dostarczonej do niej energii elektrycznej i energii zużytej na pracę pomp obiegowych), wyniósł 2,61.Podczas rocznego eksperymentu koszt ogrzania 1 m2 powierzchni budynku dla pompy ciepła wyniósł 16,12 zł natomiast koszt ogrzania 1 m2 powierzchni budynku gazem wyniósł 24, zł. Całkowity koszt wytworzenia 1kWh energii cieplnej przy zastosowaniu pompy ciepła wyniósł 0,17 zł, a przy ogrzewaniu gazowym 0,09 zł.

W przypadku centralnego ogrzewania pozyskanie (np. za pomocą powietrznych kolektorów słonecznych) ciepła latem i korzystanie z niego zimą nie jest zadaniem prostym, aczkolwiek możliwym do realizacji. Do magazynowania energii cieplnej stosowane są takie stałe materiały naturalne jak skały (marmur, piaskowiec), ceglane ściany, bloki żeliwne. Akumulacja energii w złożach naturalnych (skałach, piasku, pokładach wodonośnych, podziemnych zbiornikach wodnych) ma szczególne znaczenie w przypadku magazynowania długoterminowego. Ze względu na duża objętość złoża w porównaniu z powierzchnią, straty w czwartym i dalszych cyklach ładowania i rozładowywania mogą być mniejsze od 10%.

Energia cieplna uzyskana w kolektorach może być wykorzystana do ogrzewania i suszenia płodów rolnych. Kolektor powietrzny nagrzewa przepływające przez niego powietrze, które przepompowywane jest za pomocą wentylatora do pomieszczenia. Tu wymuszana jest cyrkulacja ciepłego powietrza. Jednocześnie pod suszarnią znajduje się złoże skalne ogrzewane w ciągu dnia poprzez które powietrze powraca do kolektora. Czas rozładowania takiego magazynu to 16-24 godzin.

 

Magazynowanie energii uzyskanej w wyniku przemian chemicznych i biochemicznych

Najbardziej powszechnym na świecie sposobem magazynowania energii słonecznej jest niezależny od człowieka proces czyli fotosynteza - synteza cukrów z wody, dwutlenku węgla i fotonów promieniowania słonecznego z uwalnianiem tlenu. Proces ten leży u podstaw łańcucha pokarmowego.

H20 + CO2 → związek organiczny + O2

Prawie wszystkie procesy życiowe na Ziemi mają swój energetyczny początek w tym procesie. Dzięki niemu funkcjonują wszystkie organizmy wielokomórkowe – bezpośrednio (rośliny zielone) lub pośrednio (zwierzęta i grzyby). Polega on na odwróceniu procesu fotosyntezy:

cukier + tlen → H20 + CO2 + energia

Energia związana za pomocą fotosyntezy wynosi około 3∙1021 J, co stanowi 0,1% energii docierającej do powierzchni Ziemi (w skali rocznej). Całkowita sprawność tego procesu praktycznie możliwa do osiągnięcia wynosi 5-6%, a średnia w ciągu roku dla roślin spada do 1-3%.

Magazynować energię uzyskaną w procesie fotosyntezy jest łatwo. Zasadniczą zaletą jest to, że nie wymaga wielkich nakładów finansowych, a wyprodukowana biomasa może być wykorzystana do różnych celów. Na całym świecie powstają plantacje wierzby energetycznej lub zbóż, których słomą opalane są specjalne piece. Można również wytwarzać paliwo ekologiczne sadząc rośliny oleiste. Zastosowanie alkoholi i innych paliw wytwarzanych z biomasy w transporcie i energetyce związane jest jednak z koniecznością zmiany lub modernizacji obecnie produkowanych silników i palenisk. Zaletą jest również możliwość stosowania różnych upraw odpowiednich do danych warunków klimatycznych oraz możliwość zagospodarowania do celów produkcyjnych wód słodkich i oceanów (wiele badań poświęconych jest różnym gatunkom alg). Jako wady tego systemu konwersji i magazynowania energii należy wymienić małą sprawność przy przetwarzaniu energii słonecznej, małą koncentrację produkcji biomasy na jednostkę powierzchni gruntu lub wody (np. dla ciągłej pracy elektrowni o mocy 400MW niezbędna jest powierzchnia 1,4•104 hektarów) a także dużą zawartość wody (50-95%) w otrzymanym produkcie.

Praktycznie wszystkie rodzaje paliwa, których używamy (węgiel, gaz, ropa naftowa, drewno itp.) powstały w wyniku procesu. Roztrząsając więc problem magazynowania energii nie można zapomnieć, że elektrownia konwencjonalna wykorzystuje... energię słoneczną zakumulowaną w węglu !

Dzisiaj wielu specjalistów od przechowywania i wytwarzania energii elektrycznej upatruje przyszłości energetyki w technologii wodorowej.

Wynika to z kilku przesłanek:

- nieograniczonych zasobów wodoru;
- braku emisji szkodliwych związków;
- wysokiej sprawności wytwarzania energii z wodoru;
- możliwości budowy wysokosprawnych małych siłowni.

Działanie ogniwa paliwowego opera się na reakcji syntezy wody na drodze elektrochemicznego „spalania” wodoru, czyli na odwróconej elektrolizie wody.



Innowacyjna technologia produkcji paliwa wodorowego wykorzystująca energię słoneczną została pomyślnie przetestowana na dużą skalę w Weizmann Institute of Science w Izraelu. Technologia ta dodatkowo ułatwi magazynowanie i transport wodoru. Wodór – najobficiej występujący pierwiastek na świecie jest obiecującym “kandydatem” na paliwo przyszłości nie zanieczyszczające środowiska. Obecnie wodór w przeważającej większości jest produkowany w kosztownych procesach, które wymagają spalania paliwa kopalnego i zanieczyszczają środowisko naturalne. Co więcej, magazynowanie i transport wodoru są nadzwyczaj trudne i kosztowne.
Nowa „słoneczna” technologia rozwiązuje te problemy poprzez stworzenie materiału który jest pośrednią formą źródła energii – może nim być ruda metalu - tlenek cynku. Z pomocą skoncentrowanego promieniowania słonecznego ruda jest ogrzewana w specjalnym reaktorze do temperatury około 1200°C w obecności węgla drzewnego. Proces ten powoduje rozkład rudy na tlen i gazowy cynk,...