Energia wiatru i słońca. Kąty optymalne

zobacz artykuł w wersji pdf pdf 

Systemy (np. oświetlenia) wykorzystujące moduły fotowoltaiczne i turbiny wiatrowe w większości działają jako autonomiczne, zwane także wyspowymi lub z angielskiego „off-grid”, ponieważ działają niezależnie od sieci energetycznej. Możemy wyróżnić cztery zasadnicze elementy tych urządzeń: źródło zasilania, akumulator energii, obciążenie elektryczne (LED) oraz układ sterujący. Źródłem zasilania są moduły fotowoltaiczne oraz małe turbiny wiatrowe. Funkcję akumulacji energii pełnią akumulatory, najczęściej żelowe. Układ sterujący czuwa nad optymalnym ładowaniem akumulatora, chroni przed jego pełnym rozładowaniem oraz zarządza pracą obciążenia.

Jednym z kluczowych problemów jest dobór urządzeń oraz ich ustawienie. Nie jest tajemnicą, że natężenie promieniowania słonecznego charakteryzuje się w naszym kraju wysoką zmiennością w zależności od pory roku. W grudniu następuje szczególne przesilenie: najdłuższe noce w roku i najmniej energii słonecznej dochodzącej do powierzchni ziemi. Dosyć naturalnym podejściem wydawałoby się zaprojektowanie systemu dla najgorszego miesiąca w roku. Układ, który sprawdza się w grudniu, musi działać także w pozostałych okresach. Idąc tym tropem, okazuje się, że optymalny kąt pochylenia modułów fotowoltaicznych względem powierzchni ziemi to 67o. Oglądając produkty występujące w naszym kraju, w znacznej większości nachylenie wynosi standardowe 45o. Pochylenie ok. 45o rzeczywiście jest optymalne, ale dla układów, których zadaniem jest wyprodukowanie jak największej ilości energii w skali roku. W przypadku systemów autonomicznych maksymalizacja produkcji energii na niewiele się zdaje: nadwyżki energii z okresu letniego nie wykorzystamy w grudniu, ponieważ brak jest wystarczającego akumulatora. Tego typu błąd jest także często popełniany w przypadku instalacji kolektorów słonecznych na obiektach wykorzystywanych sezonowo – zwykle w okresie letnim. W takim przypadku kąt nachylenia powinien wynosić ok. 15o, co daje największy uzysk energetyczny w okresie letnim, a w pozostałych okresach pomaga nam uporać się z problemem nadpodaży energii cieplnej. Gorąco polecam poeksperymentować z internetowym narzędziem PVGIS (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php#) finansowanym z budżetu Unii Europejskiej, który pozwala przeprowadzić bardzo ciekawe obliczenia w przystępny sposób dla dowolnej lokalizacji na terenie Europy.

Z uwagi na wspomniany problem, jako uzupełnienie systemu zasilania opartego na modułach fotowoltaicznych, stosuje się turbiny wiatrowe. Energia wiatru i słońca wzajemnie się uzupełnia. Zwykle mocniejsze wiatry występują w okresie mniejszej podaży energii promieniowania słonecznego (przynajmniej na terenie naszego kraju). Prędkość wiatru jest jednak trudna do prognozowania i zależy ona, oprócz lokalizacji, także od tzw. współczynnika szorstkości terenu – sąsiedztwa zabudowań, wysokich drzew itp. Problem nie jest już zatem taki prosty jak w przypadku energii słonecznej, której to wartości możemy bardzo dobrze określić. Z pomocą mogą przyjść nam dane udostępnione przez Ministerstwo Infrastruktury, które obejmują szczegółowe dane meteorologiczne dla każdej godziny w roku dla ponad 50 lokalizacji znajdujących się na terenie Polski. Mogą one być potężnym orężem przy projektowaniu tego typu systemów, ponieważ możemy symulować zachowanie urządzeń po kolei dla każdej godziny w roku i szukać optymalnych konfiguracji. Oczywiście potrzebny jest specjalny algorytm, który będzie symulował pracę urządzeń. Oprogramowanie tego typu zostało opracowane przez autora w Instytucie Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku. Nie wchodząc w szczegóły samego rozwiązania, warto przejść do głównych konkluzji z otrzymanych wyników.

Pierwszą z nich jest wymóg indywidualnego podejścia do projektowania tego typu systemów w zależności od lokalizacji, w której mają pracować. System pracujący na Helu wcale nie musi poprawnie pracować w Krakowie! Ponadto z uwagi na różne warunki atmosferyczne możemy osiągnąć bardzo znaczną redukcję kosztów urządzenia, nie tracąc efektu końcowego!

Mam nadzieję, że ta garść informacji i spostrzeżeń uczuli czytelników na pewne niuanse związane z wykorzystywaniem odnawialnych źródeł energii. Wszystkie tego typu układy wymagają indywidualnego podejścia, ponieważ proces doboru urządzeń jest bardzo czuły zarówno na lokalizację, jak i warunki pracy w poszczególnych porach roku.

Michał Górski

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij