Fotowoltaiczne i wiatrowe systemy zasilania w energię elektryczną

Dla zapewnienia niezależności od dostawców energii elektrycznej i zwiększenia stopnia dywersyfikacji źródeł energii, a przede wszystkim ochrony atmosfery przed skutkami emisji gazów cieplarnianych, społeczeństwa coraz chętniej sięgają po czyste, ekologiczne, odnawialne źródła energii (OZE).

Jest wiele sposobów pozyskiwania energii odnawialnej, ale tylko fotowoltaika (PV) umożliwia bezpośrednią zamianę energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Prąd stały uzyskuje się za pomocą ogniw fotowoltaicznych połączonych w większe jednostki, tzw. moduły PV. Inne rodzaje OZE (Odnawialnych Zasobów Energii) są w mniejszym lub w większym stopniu pochodną energii słonecznej. I tak, np. energia wiatrowa wytwarzana jest na skutek nierównomiernego nagrzania energią słoneczną mas powietrza, co powoduje ich przemieszczanie się względem siebie - w efekcie czego powstaje wiatr.

Wymierne korzyści

Każda kilowatogodzina wytworzona za pomocą turbiny wiatrowej lub systemu fotowoltaicznego zapobiega emisji do atmosfery około jednego kilograma dwutlenku węgla (CO^₂) i po kilka gramów dwutlenku siarki (SO^₂) oraz tlenków azotu (NO^_x). Jeśli np. użyjemy modułów fotowoltaicznych lub turbiny wiatrowej do zasilania lamp ulicznych o mocy 250 W każda, ustawionych po obu stronach ulicy co 25 metrów na odcinku 1 km, to obniżymy emisję CO^₂ o około 73 tony rocznie.

Polska na tle innych krajów

W krajach technologicznie rozwiniętych, o dużej świadomości społecznej odnośnie ochrony środowiska naturalnego, widać dbałość o coraz szersze stosowanie źródeł odnawialnych w miejsce konwencjonalnych. Sprzyja temu odpowiednia polityka wsparcia ze strony rządów tych krajów. Również u nas sytuacja zmienia się na lepsze, chociaż trwa to zbyt wolno i wciąż jesteśmy na peryferiach pozostałych krajów europejskich, jeśli chodzi o wykorzystanie fotowoltaiki.
W połowie 2008 r. mieliśmy 350 MW mocy zainstalowanej w turbinach wiatrowych (źródło URE). W krajach UE tylko w roku 2007 zainstalowano 8554 MW w turbinach wiatrowych, z czego w samej Hiszpanii 3522 MW, natomiast w Polsce - 276 MW, a w Republice Czeskiej - 63 MW (źródło EWEA). W fotowoltaice zaś na koniec 2007 roku mieliśmy jedynie 0,6 MW. Dla porównania, w Republice Czeskiej było ponad 5,5 MW. Kraje przodujące w pozyskiwaniu energii słonecznej to: Japonia, USA, Niemcy, Hiszpania, a w dziedzinie energii wiatrowej najszybciej rozwijają się: Niemcy, Hiszpania i Dania.

Unia Europejska wprowadziła ambitne cele, które mają być zrealizowane do 2020 roku (tzw. 3 x 20%), aby zapobiec emisji gazów cieplarnianych prowadzących do globalnych zmian klimatu. Są to:

• zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych o 20% w stosunku do 1990 roku,
• zwiększenie udziału produkcji energii z OZE do 20% w odniesieniu do całkowitego zużycia energii w UE (dla Polski jest to 15%),
• zmniejszenie zużycia energii elektrycznej o 20% w stosunku do prognoz na 2020 rok.

Systemy wsparcia rozwoju OZE

Aby osiągnąć zakładane cele, różne kraje prowadzą odmienną politykę wsparcia rozwoju nowych technologii w ramach dyrektywy 2001/77/EC, przyjętej przez kraje UE w 2001 roku. Wsparcie może dotyczyć:

• badań i rozwoju,
• bezpośrednio inwestorów rynkowych poprzez: taryfy zakupu energii, portfel energii z OZE (polega to na obowiązku nałożonym na producentów i dystrybutorów energii elektrycznej zakupu lub własnej produkcji części energii z OZE  i jest stosowane w Polsce, Wielkiej Brytanii, Szwecji), subsydia inwestycyjne i zamówienia publiczne,
• specjalnych systemów dopłat dla odbiorców końcowych, tzw. Feed in Tariffs (stosują to m.in. Niemcy i Hiszpania).

Okazuje się że, jeśli chodzi o fotowoltaikę, to najskuteczniejszym jak dotąd sposobem jej rozwoju jest wprowadzenie systemu dopłat Feed in Tariffs. Polega to na tym, że dostawcy energii wyprodukowanej z OZE mają zagwarantowaną wyższą cenę jej sprzedaży do sieci energetycznej (nawet kilkukrotnie, np. w Hiszpanii czy w Niemczech), niż wynosi ona dla energii kupowanej z sieci energetycznej. Okres obowiązywania Feet In Tariffs to najczęściej 15–20 lat dla PV. W tym czasie możliwe jest stopniowe obniżanie dopłat o kilka procent w stosunku rocznym. Daje to producentom poczucie stabilności w długim okresie czasu i sprzyja rozpowszechnianiu wytwarzania czystej, zielonej energii. Feet In Tariffs stosują Niemcy, Hiszpania, Francja, Portugalia, Holandia, a ostatnio Republika Czeska, Słowenia i Bułgaria.

Źródła: EPIA (European Phptovoltaic Industry Association), " Status Photovoltaics 2007 in the European Union New Memebers States" Centrum Fotowoltaiki, Politechnika Warszawska

Widać wyraźnie na przykładzie Niemiec, Hiszpanii czy Republiki Czeskiej (tabela 1), że wsparcie na zasadzie Feed in Tariffs prowadzi do szybkiego wzrostu zainstalowanej mocy energii uzyskanej z ogniw fotowoltaicznych. Przykładowo cena 1 megawatogodziny [MWh] wyprodukowanej w modułach fotowoltaicznych wynosi 530 € w Czechach, ponad 500 € w Niemczech. Zakłady energetyczne, do których dołączone są instalacje OZE, mają obowiązek odkupienia energii po tych dużo wyższych cenach.

W Polsce jako zachętę do rozwoju OZE stosuje się system portfela, czyli obowiązku zakupu lub wytworzenia odpowiedniej ilości energii w ciągu roku z OZE przez jednostki związane z obrotem energią. Reguluje to prawo energetyczne: ustawa o prawie energetycznym z 10 kwietnia 1997 roku, rozporządzenie Ministra Gospodarki o obowiązku zakupu energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych oraz wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła z dnia 15 grudnia 2000 r.  Dz. U. z 2003 r. Nr 153, poz. 1504 z późniejszymi zmianami. Dowodem, że obowiązek ten został na dany rok wypełniony, jest uzyskanie tzw. świadectwa pochodzenia, (są to tzw. zielone certyfikaty), które należy przedstawić do umorzenia lub uiścić opłatę zastępczą. Są to dokumenty w formie elektronicznej wydawane przez prezesa Urzędu Regulacji Energetyki (URE). Podlegają one obrotowi na Towarowej Giełdzie Energii. Przedsiębiorstwa, które mają nadwyżkę produkcji energii z OZE, mogą poprzez zbycie zielonych certyfikatów uzyskać dodatkowe źródło przychodu. Natomiast te przedsiębiorstwa, które się nie wywiązały z takiego obowiązku, muszą dokupić brakującą liczbę certyfikatów lub uiścić opłatę zastępczą.
Zielone certyfikaty wspomagają rozwój tańszych technologii. Nie stanowią skutecznej metody dla rozwoju dość drogiej jeszcze fotowoltaiki (ok. 4–6 € za 1 Wp zainstalowanej mocy), tak jak system dopłat Feet in Tariffs. Wprawdzie technologia produkcji modułów fotowoltaicznych jest  coraz lepsza i ceny modułów spadają z roku na rok, to jednak są one nadal zbyt wysokie, aby traktować taką inwestycję za konkurencyjną w porównaniu z innymi źródłami OZE, takimi jak np. biomasa.

Podstawowe zalety generatorów  fotowoltaicznych i wiatrowych

Najważniejsze korzyści wynikające ze stosowania fotowoltaicznych i wiatrowych generatorów prądu to: niezależność od dostawców energii, brak strat przesyłowych, bardzo niskie koszty obsługi, modułowość tych systemów, a więc możliwość ich rozbudowy w miarę potrzeb, niezawodność, prostota działania i łatwość montażu, żywotność ponad 25 lat dla PV (spadek mocy maksymalnie o 20%). Są one przyjazne dla środowiska, ograniczają emisję gazów cieplarnianych. Generatory PV pracują cicho i można je zintegrować z fasadą lub dachem budynku zastępując nimi część materiałów budowlanych i ograniczając do minimum straty przesyłowe.

Rodzaje i podstawowe elementy systemów

Systemy zarówno fotowoltaiczne jak i wiatrowe (w tym hybrydowe) mogą być autonomiczne, czyli niewłączone do sieci energetycznej lub też dołączone do sieci energetycznej. Autonomiczne świetnie sprawdzają się w miejscach, gdzie nie ma sieci energetycznej lub jej doprowadzenie jest nieopłacalne ekonomicznie, bądź z różnych względów niedozwolone. Ale wymagają one na ogół kłopotliwych w użytkowaniu akumulatorów, które magazynują produkowaną przez generatory energię elektryczną i z których jest ona dostarczana w miarę potrzeb do odbiorników. Dlatego na świecie dąży się głównie do instalacji systemów dołączonych do sieci, gdzie nie ma potrzeby magazynowania energii. Produkowana "zielona" energia jest odprowadzana i sprzedawana najczęściej w całości do sieci, a potrzebna z sieci pobierana. W Polsce, ze względu na wysoką cenę modułów PV (z powodu braku skutecznego systemu wsparcia dla rozwoju fotowoltaiki), buduje się głównie systemy autonomiczne. Mogą one zasilać hotele, schroniska górskie, campingi, latarnie morskie, sygnalizację i oświetlenie drogowe, parkingi, przystanki autobusowe, pompy wodne itp. W przypadku zasilania oświetlenia, dobrze komponują się z bardzo energooszczędnym źródłami światła - diodami LED.

W skład systemu autonomicznego wchodzą:

• generator (PV i/lub turbina),
• akumulator zapewniający autonomię systemu najczęściej na 2-4 dni,
• kontroler ładowania akumulatora (chroni akumulator przed przeładowaniem lub zbyt głębokim rozładowaniem),
• opcjonalnie inwerter (falownik), jeśli układ ma zasilać odbiorniki prądu zmiennego.

Akumulatory powinny być specjalnie przystosowane do współpracy z OZE.

Natomiast w skład systemu dołączonego do sieci wchodzi, poza generatorem energii, inwerter, np. Sunny Boy dla PV lub Windy Boy dla turbiny przetwarzający prąd stały na prąd zmienny, zgodny z wymaganiami sieci, do której system jest dołączony.

Układ hybrydowy

Ponieważ na naszej szerokości geograficznej mamy kilka razy mniejsze nasłonecznienie zimą niż latem (ze względu na krótkie dni i niskie położenie słońca nad horyzontem), więc generator PV wytwarza proporcjonalnie mniej energii elektrycznej zimą niż latem. Na ogół odwrotnie jest w przypadku zasobów wietrzności: zimą te zasoby są dwukrotnie wyższe. Dlatego dla zrównoważenia ilości produkowanej energii elektrycznej i dla zoptymalizowania ekonomicznego inwestycji warto stosować układy hybrydowe. Łączą one w sobie dwa lub więcej różnych generatorów energii. Połączenie generatora PV i turbiny wiatrowej pozwala na harmonijną i równomierną produkcję energii w ciągu roku: latem więcej energii wyprodukuje generator PV, a zimą turbina. Taki system wzajemnie się uzupełnia.
Dla zapewnienia energii w okresie, gdy jednocześnie jest słabe nasłonecznienie i słaby wiatr lub ich brak, do układu dołącza się akumulatory gromadzące nadmiar energii produkowanej w dni słoneczne bądź wietrzne (system autonomiczny). Inny sposób zabezpieczenia ciągłości dostaw polega na podłączeniu układu PV i turbiny do sieci (w systemach podłączonych do sieci). Wówczas w miarę potrzeb energia do odbiorników pobierana jest albo z akumulatora, albo z sieci.

Ilość produkowanej energii

Z jednego kWp (kilowat tzw. mocy szczytowej) zainstalowanej mocy fotowoltaiki można uzyskać w naszej szerokości geograficznej (Polska i Niemcy mają podobne warunki nasłonecznienia) około 950 kWh energii rocznie (z czego w miesiącach letnich ok. 120 kWh/mies. i jedynie ok. 20 kWh/mies. w miesiącach zimowych). Warunkiem jest przy tym optymalna orientacja modułów względem słońca, tzn. usytuowanie ich w kierunku na południe, pod kątem 30-60 stopni do poziomu.
Z turbiny wiatrowej AirX o mocy 400 W uzyskuje się średnio 45 kWh miesięcznie, a z turbiny Sky Stream 3.7 o mocy 1800 W ok. 450 kWh miesięcznie przy prędkości wiatru ok. 6 m/s. Małe turbiny wiatrowe o mocy do kilku kW można montować jako przydomowe. Należy je mocować na wysokich masztach lub na dachach domów, o ile wytrzymuje to konstrukcja dachu, by wykorzystać silniejsze wiatry na wyższych wysokościach. Na ogół nie ma problemu z zamocowaniem turbiny AirX (masa 6 kg) na dachu lub w jego bliskości na ścianie szczytowej. Przy małych turbinach nie jest wymagane pozwolenie na budowę (jeśli turbina nie wymaga fundamentu).
Generatory PV można montować na wolnej przestrzeni jako systemy naziemne, na dachach bądź na fasadach budynków. Dla zwiększenia ilości produkowanej energii elektrycznej montuje się je coraz częściej na tzw. tracerach, czyli systemach nadążających za ruchem słońca. Dzięki temu moduły mogą przechwycić więcej energii słonecznej i przetworzyć ją na odpowiednio większą ilość energii elektrycznej.

Ile energii można uzyskać?
Przykład 1 System PV dołączony do sieci w Niemczech:
Produkcja energii w okresie od 1 grudnia 2006 r. do 20 listopada 2008 r. przez system modułów fotowoltaicznych (PV) o mocy 5,74 kWp zainstalowany na dachu domku jednorodzinnego w Niemczech podłączonego do sieci za pomocą inwertera Sunny Boy 5000TL HC pokazana jest na wykresach 1 i 2. Przedstawiono na nich rozkłady produkcji energii elektrycznej odpowiednio: wykres 1 dzienne, wykres 2 - miesięczne. Dzięki pracy tego systemu od grudnia 2006 do listopada 2008 wygenerowano na potrzeby domu 16 786 kWh czystej energii, ograniczono emisję CO^₂ do atmosfery w ilości 11 750 kg oraz uzyskano wpływy ze sprzedaży tej energii do sieci w wysokości 9 568 €.

Zobacz galerię 2 zdjęcia

Autor: brak danych

Wykres 1. Dzienny rozkład produkcji energii

Źródło: Sunny Portal

Przykład 2 Układ hybrydowy autonomiczny w warunkach Polskich:
Generator PV: 5 modułów po 280 Wp każdy, razem 5 x 280 = 1400 Wp. Roczna produkcja 1300 kWh.
Turbina wiatrowa Sky Strem o mocy 1800 W: średnia dzienna produkcja 1,2 kWh (przy średniej prędkości wiatru 6 m/s). Roczna produkcja 5400 kWh.
Łączna roczna produkcja z obydwu źródeł energii: 6700 kWh, co daje przeciętnie 18 kWh dziennie. Zapobiega to emisji ok. 4500 kg CO^₂ w okresie rocznym.
Do obliczeń przyjęto akumulatory żelowe szczelne: 2250 Ah/24 V dla zapewnienia trzydniowej autonomii systemu.

Powyższe liczby należy traktować w sposób przybliżony. Ilość energii może być zarówno większa, jak i mniejsza. Zależy to od warunków pogodowych, usytuowania modułów i turbiny, właściwego i optymalnego zaprojektowania całego układu.

BIPV – fotowoltaika zintegrowana z budownictwem

Jeśli montaż systemu fotowoltaicznego przewidywany jest na etapie projektu budowlanego, można ograniczyć ilość materiałów budowlanych stosowanych do pokrycia dachów lub fasad dając w to miejsce moduły PV. Powinny być one układane od strony południowej i jeśli to możliwe, odpowiednio nachylone do poziomu (30-60 stopni) dla maksymalnego wykorzystania promieniowania słonecznego. Oczywiście na fasadzie moduły będą z reguły prostopadle do poziomu, w związku z czym będą produkować mniej energii, ale odpowiednio kształtując architekturę budynku można też sytuować je pod kątem. Na świecie istnieją firmy specjalizujące się w produkcji modułów do zastosowań zintegrowanych z budownictwem - BIPV (Building Integrated Photovoltaics). Uwzględniają one wymagania architektoniczne związane z odpowiednim designem. Tak więc są moduły przeznaczone na dachy oraz na fasady budynków. Mają one różne kształy, kolory, stopień przezroczystości, co pozwala na uzyskiwanie zaskakujących efektów i interesujących obiektów. Można je stosować również jako pergole i zadaszenia ograniczające silne promieniowanie słoneczne, zwłaszcza w krajach tropikalnych, albo też jako bariery dźwiękochłonne przy autostradach, które produkują jednocześnie prąd na potrzeby oświetlenia dróg.
Przy instalacji modułów należy zwrócić szczególną uwagę, aby nie były one narażone na zacienienie przez okoliczne drzewa oraz inne budynki, gdyż zmniejsza to ilość energii. Przy instalacji na dachach, tak płaskich jak i spadzistych, stosuje się specjalne zamocowania. Mogą to być zamocowania nadachowe albo umożliwiające zintegrowanie mudułów PV z pokryciem dachowym (InterSole New). Niezbędna do montażu powierzchnia zależy od zainstalowanej mocy oraz technologii, w jakiej moduły są wykonane. Dla zainstalowania 1 kWp mocy modułów należy zarezerwować powierzchnię 7-10 m² dla modułów wykonanych w technologii monokrystalicznej lub polikrystalicznej oraz około 20 m² dla modułów w technologii cienkowarstwowej (takich jak w budynku z fasadą PV).

Zobacz galerię 2 zdjęcia

Autor: SunnyLife

Mocowanie modułu PV do dachu