Z wiatru, wody, powietrza i ziemi

Energię potrzebną do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ogrzewania budynków można z powodzeniem uzyskiwać z odnawialnych źródeł naturalnych. Kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, pompy ciepła oraz silniki i elektrownie wiatrowe to urządzenia najbardziej dziś pożądane.

Coraz nowocześniejsze i sprawniejsze dają nadzieję na tanie i powszechnie dostępne ciepło z nieograniczonych zasobów Ziemi.

POMPY CIEPŁA 

Są to urządzenia, które wykorzystują praktycznie nieograniczone zasoby energii odnawialnej oraz odpadowej (promieniowanie słoneczne, energia geotermalna itp.). Działają podobnie jak urządzenia chłodnicze w odwróconym obiegu. Pompa ciepła przekazuje energię cieplną ze źródła o niskiej temperaturze (tzw. dolne źródło ciepła) do źródła o temperaturze wyższej (tzw. górne źródło ciepła), gdzie ciepło to zostaje wykorzystane w celach ogrzewania, przygotowywania ciepłej wody użytkowej, podgrzewania wody w basenach, klimatyzacji.
Najczęściej jako dolne źródło ciepła wykorzystuje się wodę, grunt lub powietrze. Są również rozwiązania umożliwiające pozyskanie ciepła ze ścieków albo procesów unieszkodliwiania odpadów.

Wymiennik gruntowy pompy ciepła

W zależności od rodzaju nośnika ciepła niskotemperaturowego (dolnego źródła) oraz czynnika podgrzewanego w skraplaczu rozróżnia się następujące systemy pomp ciepła: woda-woda (W-W), woda-powietrze (W-P), powietrze-woda (P-W), powietrze-powietrze (P-P). Powyższa klasyfikacja jest dość uproszczona, gdyż pod hasłem "woda" rozumiemy również inne ciekłe nośniki ciepła, np. wodny roztwór glikolu w gruntowych wymiennikach ciepła albo ścieki. To samo odnosi się do powietrza, które oznacza, ogólnie rzecz biorąc, gazowy nośnik ciepła (np. gazy odlotowe, spaliny, opary gazowe).

• Pompy sprężarkowe (napędzane mechanicznie)

Obecnie najczęściej stosowane, w których sprężarki napędzane są silnikami elektrycznymi.

• Pompy sorpcyjne (napędzane termicznie)

Najbardziej popularne w tej grupie są tzw. pompy absorpcyjne napędzane ciepłem odpadowym.
Miarą efektywności energetycznej pompy ciepła jest tzw. współczynnik COP (wydajności grzejnej). Współczynnik ten określa stosunek mocy cieplnej Q_g otrzymanej w górnym źródle (instalacji c.o. lub c.w.u. ) o temp. T_g do mocy zużywanej do napędu sprężarki N.
Głównymi częściami składowymi pompy ciepła są: parownik, sprężarka, skraplacz, zawór regulacyjny (dławiący). W parowniku, w niskiej temperaturze i przy niskim ciśnieniu, ciepło jest pobierane z otoczenia przez odparowującą ciecz. Sprężarka podnosi ciśnienie, przy czym równocześnie wzrasta temperatura przez zmianę pracy na ciepło. W skraplaczu, w wyniku różnicy temperatur pomiędzy parą, będącą nośnikiem ciepła, a otoczeniem, ciepło jest oddawane, a para skrapla się. Urządzenie rozprężne (zawór dławiący) umieszczone jest pomiędzy skraplaczem a parownikiem. Przez zawór dławiący jest wtłaczana do części niskociśnieniowej taka ilość chłodnej cieczy, jaką nadąży odparować.
Przebieg tego procesu najprościej można określić tak, że energia cieplna pobrana z parownika jest oddawana w skraplaczu, który jest źródłem ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania.

KOLEKTORY SŁONECZNE

Są to elementy instalacji, które pośredniczą w zamianie energii słonecznej w cieplną. Czynnikiem pośredniczącym w wymianie ciepła może być powietrze lub ciecz, co wiąże się z podziałem kolektorów na powietrzne (rzadko stosowane w związku z małą sprawnością wymiany ciepła) i cieczowe.

Montaż kolektora słonecznego

Podział kolektorów cieczowych ze względu na budowę:

• płaskie - mają najprostszą budowę - składają się z absorbera promieni słonecznych i połączonych z nim miedzianych rurek, przez które przepływa ciecz odbierająca ciepło z absorbera, całość zamknięta jest w izolowanej obudowie.
• próżniowe - mogą być z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego albo z rurkami ciepła.
  Kolektory z bezpośrednim przepływem czynnika roboczego, składają się z kilku szklanych rur, w każdej z nich znajduje się absorber z pojedynczym układem rurki w rurce; wewnętrzną rurką płynie schłodzona w zasobniku ciecz, która przedostaje się do drugiej rurki i zawraca do instalacji zaopatrującej zasobnik; w czasie tej drogi ciecz przejmuje ciepło z absorbera, podwyższając dzięki temu swoją temperaturę (aby zmniejszyć straty podczas przewodzenia, w zewnętrznej rurze wytworzono próżnię).
  W kolektorach z rurkami ciepła, w każdej szklanej rurce absorber połączony jest z jedną rurką o specjalnej budowie (jej wewnętrzne ścianki pokryte są materiałem porowatym nasączonym cieczą, która paruje pod wpływem ciepła dostarczonego z absorbera), w której następuje skroplenie pary i ogrzanie wody; w kolektorach tych wykorzystanie promieniowania słonecznego jest bardziej efektywne (nie występują straty energii związane z konwekcyjnym ruchem powietrza wewnątrz kolektora); czynnikiem pośredniczącym w przekazywaniu ciepła z kolektora do wymiennika jest woda, wodny roztwór glikolu lub innej cieczy.

Wydajność energetyczna kolektora określa, ile energii mierzonej w kilowatogodzinach można uzyskać z 1m² powierzchni kolektora w ciagu roku.

OGNIWA FOTOWOLTAICZNE

Służą do bezpośredniej zamiany energii słonecznej na elektryczną. Składają się z półprzewodnikowej płytki o biegunach n i p. Gdy promienie padają na ogniwo, następuje uwolnienie elektronów (z ładunkiem ujemnym), przy czym jednocześnie powstają miejsca ich pozbawione (z ładunkiem dodatnim). Elektrony zaczynają przesuwać się w kierunku obszaru n, natomiast puste miejsca (nośniki ładunku) do obszaru p. Wskutek rozdzielenia ładunków przez pole elektryczne powstaje różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne. Ogniwa mają zwykle wymiary 10/10 cm oraz grubość od 0,2–0,4 mm. Do ich budowy, jako materiał półprzewodnikowy, stosuje się krzem mono- lub polikrystaliczny, selenek indowo-miedziowy (CuInSe2), tellurek kadmu (CdTe) lub krzem amorficzny. Droższe (wykorzystywane głównie w przemyśle kosmicznym) są ogniwa z arsenku galu (GaAs).

Dachówki solarne - ogniwa fotowoltaiczne zintegrowane z bitumicznym pokryciem dachu

Z pojedynczego ogniwa można uzyskać moc od 1–2 W. W celu uzyskania większych napięć lub mocy, ogniwa można łączyć szeregowo lub równolegle, tworząc moduły fotowoltaiczne. Moc modułów (o powierzchni 0,3–1 m²) wyrażana jest w watach mocy szczytowej, czyli mocy dostarczanej przez nie w warunkach standardowych (promieniowanie słoneczne o mocy 1000 W/m², temperatura otoczenia 25°C). Zwykle wynosi ona 30–120 W.
Moduły można łączyć w panele fotowoltaiczne. Dzięki połączeniu szeregowemu uzyskuje się większe napięcia, natomiast połączenie równoległe pozwala na osiągnięcie pożądanego natężenia prądu.

Wyróżnia się trzy podstawowe konfiguracje systemów fotowoltaicznych:

• wolno stojące (korzystają jedynie z energii produkowanej w ogniwach),
• hybrydowe (kombinacja panelu fotowoltaicznego i innego systemu wytwarzania energii, jak np. generator spalinowy, gazowy lub wiatrowy),
• dołączone do sieci (energia z sieci pobierana jest wtedy, gdy zapotrzebowanie na nią przewyższa jej produkcję w ogniwach).

Wyposażeniem dodatkowym potrzebnym do prawidłowego działania fotoogniw są akumulatory, kontrolery napięcia oraz falowniki. Najprostszym sposobem magazynowania energii produkowanej w małych systemach fotowoltaicznych PV jest wykorzystanie elektrycznych akumulatorów, zwłaszcza, że ogniwa wytwarzają prąd stały konieczny do ładowania akumulatora, który następnie dostarcza energię elektryczną do miejsca obciążenia wtedy, gdy nie ma promieniowania słonecznego lub jest ono niewystarczające. Żywotność akumulatora zależy od sposobu kontroli jego ładowania i rozładowania, szczególnie w przypadku akumulatorów ołowiowo-kwasowych. Dobry kontroler ładowania akumulatora ograniczy głębokość i szybkość rozładowania, odpowiednio do temperatury akumulatora. Głównymi funkcjami falownika są: zamiana napięcia stałego na zmienne, nadanie kształtu wyjściowej fali zmiennonapięciowej.

AGREGATY KOGENERACYJNE

Kogeneracja - jest to skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i cieplnej w jednym urządzeniu, przy ograniczeniu strat przesyłu i transformacji. Wytwarzane ciepło może być używane dla systemu centralnego ogrzewania lub na potrzeby technologiczne. Energię elektryczną można wykorzystywać na potrzeby własne albo sprzedawać do sieci elektroenergetycznych lub innym odbiorcom.
Układ kogeneracyjny składa się z silnika spalinowego przystosowanego do spalania gazu lub turbiny gazowej, prądnicy synchronicznej albo asynchronicznej, wymienników ciepła i układów automatyki. W układach kogeneracyjnych mogą być wykorzystywane różne rodzaje paliw. Spośród paliw odnawialnych zastosowanie znajdują: gaz ze zgazowania biomasy, gaz wysypiskowy oraz biogaz pofermentacyjny.
Układy skojarzone charakteryzują się bardzo wysoką efektywnością wykorzystania energii chemicznej paliwa. W tradycyjnych elektrowniach znaczna jej ilość jest tracona w postaci tzw. ciepła odpadowego. Produkcja skojarzona jest dużo bardziej efektywna niż oddzielna produkcja energii elektrycznej i cieplnej, gdyż do jej wytwarzania używane jest ciepło tracone w klasycznych zespołach na chłodzenie silnika oraz odprowadzane do atmosfery przez układ wydechowy. Duża wydajność wykorzystania energii chemicznej paliwa wpływa na obniżenie kosztów produkcji energii oraz zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do atmosfery.
Układy skojarzone znajdują zastosowanie wszędzie tam, gdzie występuje równoczesne zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną. Energia elektryczna może być łatwo przekształcana w inne użyteczne formy energii, dlatego też układy skojarzone należy dobierać ze względu na potrzeby cieplne. Czynnikami determinującymi możliwość zastosowania kogeneracji są stałe i odpowiednio duże zapotrzebowanie na energię cieplną (np. ciepła woda użytkowa w szpitalu lub hotelu, komory fermentacyjne w oczyszczalniach ścieków) i zapewnienie regularnych dostaw paliwa (np. oczyszczalnia ścieków, wysypiska śmieci).
W przypadku małych i średnich systemów, układy kogeneracyjne są wykorzystywane w zakładach przemysłowych, szpitalach, hotelach, centrach sportowych, ośrodkach edukacyjnych, osiedlach mieszkaniowych, oczyszczalniach ścieków komunalnych, na wysypiskach śmieci.
Dzięki zastosowaniu agregatów kogeneracyjnych zmniejsza się zużycie paliwa na wytworzenie jednostki energii, co powoduje redukcję emisji zanieczyszczeń, ogranicza się również straty energii w sieciach przesyłowych (ze względu na mniejsze odległości pomiędzy źródłem a odbiorcami energii).

Na terenach o silnych wiatrach energię można mieć za darmo

SILNIKI WIATROWE

Przeznaczone są do przetwarzania energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną, która następnie jest wykorzystywana do wytwarzania energii elektrycznej.
Ze względu na położenie osi obrotu wiatraka względem płaszczyzny ziemi wyróżnia się:

• turbiny o osi pionowej - mają mniejszą wydajność oraz większe wymagania odnośnie minimalnych prędkości wiatru, jednak nie wymagają zmiany kierunku położenia podczas zmiany kierunku wiatru; najpopularniejsze wśród nich są turbiny Darrieusa i Savoniusa;
• turbiny o osi poziomej - ewentualnie odchylonej od poziomu o 5-10°; są stosowane częściej niż pierwsze, ponieważ osiągają znacznie lepsze wydajności, ale muszą być ustawione dokładnie w kierunku wiatru.

Turbina wiatrowa wyposażona jest m.in. w:

• wirnik (rotor), który przekłada energię wiatru na energię mechaniczną. Rotor zamontowany jest na odpowiednio wysokiej wieży. Wysokość ta uzależniona jest przede wszystkim od siły i pionowego rozkładu prędkości wiatru na danym obszarze. Wirnik musi być ustawiony zawsze w kierunku wiatru (przed lub za wieżą). Aby to osiągnąć stosuje się gondolę, która dzięki specjalnej siłowni może być obracana nawet o 360°;
• generator - wykorzystuje dostarczoną energię mechaniczną do wytworzenia prądu (stałego lub zmiennego) i przekazuje go do sieci.

Silniki wiatrowe można podzielić dodatkowo - w zależności od stosunku prędkości wiatru na końcach płatów wirnika do prędkości wiatru (tzw. wyróżnik szybkobieżności turbiny l) - na:

• wolnobieżne - λ <1,5 - charakteryzują się one dużym momentem rozruchowym i mają od 12-40 łopat;
• średniobieżne - 1,5 < λ < 3,5 – mają 4-7 łopat;
• szybkobieżne - λ > 3,5 - mają mniejszy moment rozruchowy od silników wolnobieżnych, wyposażone są w 1–3 łopat. Mogą osiągnąć najwyższą sprawność aerodynamiczną.

 
ELEKTROWNIE WODNE

Stosowane są do zamiany energii potencjalnej wody na energię kinetyczną, a następnie na energię elektryczną. Najogólniej elektrownie wodne można podzielić na:

• elektrownie z naturalnym dopływem wody; wśród nich wyróżnia się:
  - przepływowe - wykonywane bezpośrednio na rzece; podlegają one znacznym wahaniom dobowym i sezonowym, gdyż ilość wytworzonej energii jest ściśle uzależniona od ilości przepływającej w danym momencie wody w rzece,
  - regulacyjne (nazywane również zbiornikowymi), w których zbiornik wodny, znajdujący się przed elektrownią, umożliwia ograniczenie i wyrównanie różnic w wahaniach ilości przepływającej wody;
• elektrownie szczytowo-pompowe - znajdujące się pomiędzy dwoma zbiornikami wodnymi (górnym i dolnym) i wyposażone w stacje pomp, które w okresach zmniejszonego zapotrzebowania na energię pompują wodę ze zbiornika dolnego do górnego, aby w okresie zwiększonego zapotrzebowania mogła ona być wykorzystana do napędzania turbin wodnych i produkcji prądu.

Elektrownie można podzielić również pod względem wielkości mocy, jaką się dzięki nim uzyskuje.
Wyróżnia się:

• duże elektrownie wodne o mocy powyżej 10 MW,
• małe elektrownie wodne o mocy od 0,2 do 10 MW,
• mikroelektrownie o mocy poniżej 200 kW.

redakcja Informatora Budowlanego i Instalacyjnego