2022-09-25 19:52:11 
Ogrzewanie z fotowoltaiki
Możliwości pozyskiwania energii elektrycznej za pośrednictwem ogniw fotowoltaicznych potencjalnie mogą zapewnić dostateczne zasilanie systemu grzewczego pod warunkiem zainstalowania odpowiedniej mocy grzejnej i długotrwałego przechowywania uzyskanej energii.
Choć w cyklu całorocznym szacunkowa ilość dostarczonej energii sięga 800-900 kWh z zainstalowanej mocy na każdy kWp, to w okresie największego zapotrzebowania na energię cieplną w miesiącach grudzień - styczeń uzyskamy w ciągu miesiąca 15-20 kWh/ 1kWp i w rozbiciu na dzienne dostawy energii umożliwia trwałe obciążenie zasilania mocą jedynie 20-30W, co w praktyce wystarcza do ogrzania 1-2 m2 powierzchni mieszkalnej.
Oczywiście pojawia się też problem z zapewnieniem równomierności zasilania - w porze nocnej, a także przy intensywnym zachmurzeniu, gdy dopływu energii praktycznie nie będzie, jeśli nie zostanie wcześniej, w okresie nasłonecznienia dostatecznie zmagazynowana.
Nieco korzystnie przedstawia się pozyskiwanie energii elektrycznej z ogniw PV w początkowych i końcowych miesiącach sezonu grzewczego gdy miesięczne wartości energetyczne osiągają uzysk w miesiącach luty, listopad ok. 40 kWh/1kWp, a marcu czy październiku nawet do ok. 80 kWh/1kWp.
Przy znacznie mniejszym zapotrzebowaniu na energię cieplną w tym okresie wykorzystanie zasilania z fotowoltaiki w znacznym stopniu może uzupełnić grzewcze potrzeby energetyczne na ciepło wytwarzane również w innych źródłach.
Oczywiście problem magazynowania pozyskiwanej energii elektrycznej dotyczy przede wszystkim instalacji pracującej w systemie off-grid, zasilającej wydzielone odbiorniki elektryczne, a praca grzewcza w tym systemie będzie po prostu nieefektywna i nieopłacalna.
Przy typowych instalacjach fotowoltaicznych o mocy ok. 10 kWp i przy współpracy z siecią elektroenergetyczną potencjalny zapas energii netto możliwej do wykorzystania na cele grzewcze wyniesie w sezonie ok. 5000 kWh, co w połączeniu z bieżącą produkcją prądu może zapewnić ogrzewanie domu o stratach cieplnych rzędu 70 kWh/m2 i o powierzchni do 100 m2.
Jednak wykorzystanie sieci elektroenergetycznej do „przechowania” wytworzonej u siebie energii elektrycznej w wielu rejonach spotyka się z odmową zawarcia takiej umowy, co związane jest najczęściej ze złym stanem technicznym sieci elektrycznej.
W efekcie w sezonie letnim instalacja taka pracująca w systemie off-grid będzie przewymiarowana - wytwarzanej energii nie da się racjonalnie wykorzystać - a zimą wspomaganie ogrzewania z energią pozyskiwaną z fotowoltaiki będzie jedynie symboliczne.
Stabilne zasilanie energią z wiatru
Alternatywnym źródłem energii odnawialnej jest energia wiatrowa charakteryzująca się stabilnym poziomem pozyskiwania energii w cyklu całorocznym. W większości regionów Polski średni miesięczny poziom prędkości wiatru w ciągu roku ulega stosunkowo niewielkim zmianom, a nawet obserwuje się korzystne zjawisko przyrostu jego prędkości w okresie zimowym o 15-20 %, co przekłada się na efektywniejsze wytwarzanie energii elektrycznej.
Wiatr, choć jego prędkość i kierunek ulegają szybkim zmianom i trudno przewidzieć jaki uzyskamy efekt energetyczny, to funkcjonuje on praktycznie całodobowo, co ogranicza konieczność długotrwałego przechowywania pozyskiwanej energii.
Przyjmując średniomiesięczną prędkość wiatru na poziomie 4 m/s z generatora wiatrowego o mocy 1kW rocznie można pozyskać do ok. 750 kWh energii, co w przybliżeniu odpowiada efektywności wytworzenia przez ogniwa fotowoltaiczne i takiej samej mocy.
Jednak w miesiącach zimowych energia z wiatraka będzie 3-4 razy większa niż z instalacji PV - osiągając wartości rzędu 60 kWh/ miesiąc z 1 kW zainstalowanej mocy, co pozwala na zasilanie ciągłe z obciążeniem mocą 80-90 W. Jednak pełne wykorzystanie „ogrzewania wiatrem” ogranicza racjonalna wielkość instalowanego wiatraka na potrzeby pojedynczych domów jak i ze względu potencjalną uciążliwość takiego sąsiedztwa.
W praktyce przydomowe instalacje wiatrowe osiągają moc nie większą niż 2 kW określaną przy nominalnych prędkościach wiatru rzędu 10 - 13 m/s, co przy średniorocznej jego wartości na poziomie 4 m/s odpowiada mocy wytwarzania ok. 200 - 300 W.
Również energia elektryczna pozyskiwana z instalacji wiatrowej musi być magazynowana , co w praktyce w skali mikro sprowadza się do podłączenia akumulatorów, a większe instalacje współpracują w siecią w układzie on-grid.
Wiatrak na dachu
Wytwarzana energia przez przydomową turbinę wiatrową wykorzystywana jest z reguły do zasilania wydzielonego obwodu, bez bezpośredniej współpracy z siecią elektroenergetyczną. Standardowy zestaw podstawowy wykorzystywany do ładowania akumulatorów składa się z poziomej lub pionowej turbiny wiatrowej i generatora prądu zamocowanych na maszcie ustawionym najczęściej na dachu budynku mieszkalnego bądź gospodarczego.
Dzięki takiej lokalizacji uzyskuje się korzystne warunki przepływu powietrza - im wyżej tym wiatr silniej wieje - a wiatrak nie przeszkadza w zagospodarowaniu terenu.
Efektywność pozyskiwania energii uzależniona jest w znacznym stopniu o lokalnej wietrzności, która w Polsce osiąga regionalnie różne wartości.
Dobre warunki wiatrowe powinny zapewniać średnioroczną prędkość wiatru na poziomie ok. 4 m/s, co występuje głównie w obrębie obszarów nadmorskich czy Suwalszczyzny oraz rejonach górskich - np. na Śnieżce wiatr wieje średnio w ciągu roku z prędkością 10m/s.
Oczywiście w istotna jest też miejscowa konfiguracja terenu i sąsiednich obiektów czy zadrzewienia, które nie mogą utrudniać przepływu powietrza.
Jednak precyzyjna ocena miejscowych warunków wiatrowych wymaga przeprowadzenia długotrwałych pomiarów pod względem prędkości i długotrwałości wiatru oraz jego kierunku.
Na takiej podstawie można w przybliżeniu określić spodziewany uzysk energii elektrycznej i dobrać odpowiednie urządzenie np. o parametrach optymalnie dostosowanych do zakresu występujących prędkości.
Pod tym względem istotna jest charakterystyka mocy wytwarzania prądu w funkcji prędkości wiatru. Jest to zależność w postępie geometrycznym charakteryzująca się znacznym wzrostem lub spadkiem wytwarzanej mocy przy niewielkich zmianach prędkości wiatru, gdy ogniwach PV zależność mocy elektrycznej od dopływu energii słonecznej zmienia się proporcjonalnie do intensywności oświetlenia.
Pod względem konstrukcyjnym śmigła tworzące powierzchnie napędowe występują w wersjach z pionową lub poziomą osią obrotu.
Wpływa to nie tylko na wygląd urządzenia i wymagania montażowe, ale również na efektywność produkcji prądu i oddziaływanie na otoczenie.
Popularne turbiny wiatrowe z 3-6 ramionami śmigła o osi poziomej przy mocy do 2 kW mają średnicę ok. 2m, co umożliwia umieszczeniu ich na maszcie o długości od 4 metrów w miejscu umożliwiającym obrót głowicy o 360 stopni.
Umieszczona na głowicy płetwa zapewnia samoczynne ustawianie się wiatraka stosownie do kierunku wiatru. Natomiast wiatraki o osi pionowej utworzone z kilku ukształtowanych łopat zajmują niewiele miejsca przy czym charakteryzują się cichą pracą - np. 600 watowa turbina wiatrowa z osią pionową ma średnicę ok. 0,5 m i wysokość ok. 1,5 m.
Niezależnie od typu turbiny prąd wytwarzany jest najczęściej przez generator trójfazowy prądu zmiennego o podobnej konstrukcji jak alternatory samochodowe.
Układ prostowniczy i regulator napięcia na 12 V lub 24 V utrzymują stałe parametry pracy niezależnie od prędkości obrotowej turbiny a wytwarzany prąd przekazywany jest do akumulatora pełniącego rolę buforu w instalacji zasilającej.
Zgromadzona energia może być wykorzystywana bezpośrednio jako zasilanie niskim napięciem lub przetwarzana w inwertorze na napięcie sieciowe, co zapewnia większe możliwości wykorzystania.
Ze względu na relatywnie niewielką wytwarzaną moc, wykorzystanie energii z turbiny wiatrowej najczęściej ogranicza się do zasilania awaryjnego np. oświetlenia komunikacyjnego czy układów elektrycznych w instalacji grzewczej oraz indywidualnego i stałego zasilania np. chłodziarki, co jest szczególnie korzystne ze względu na cykliczny tryb jej załączania.
Przy przeciętnym zużyciu energii elektrycznej przez to urządzenie rzędu 200-400 kWh rocznie można uzyskać z turbiny wiatrowej o mocy nominalnej 600-1000W bezpłatny prąd do jego zasilania.
Autor: Cezary Jankowski
Opracowanie: Aleksander Rembisz
Zdjęcia: OEM ENRGY, Fronius, Columbus Energy, budownictwob2b.pl
