środa, 2 maja 2012

Energia słoneczna

Rozkład nasłonecznienia kuli ziemskiej z uwzględnieniem wpływu atmosfery ziemskiej. Zaczernione obszary mogłyby pokryć światowe zapotrzebowanie na energię, gdyby zostały pokryte ogniwami o efektywności 8%. (źródło Wikipedia).

Od 2000 roku produkcja ogniw fotowoltaicznych na świecie rozwija się w tempie około 40% rocznie. W 2000 roku wyprodukowano ogniwa o łącznej mocy 277 MW, w 2005 o łącznej mocy 1782 MW, a w 2010 o łącznej mocy 24 047 MW. Wzrost ten spowodował stopniowy spadek cen ogniw słonecznych. W styczniu 2002 roku średnia cena ogniw wynosiła około 5,5$/W, w styczniu 2012 roku wynosiła 2,3$/W

Dla zainteresowanych głębszym technicznym zgłębieniem tematu polecam dokument 
bardzo dobra strona (w jezyku angielskim )
oraz część książki zamieszczona w necie

----------------------------------

Spektrum (ładna nazwa ) promieniowania słonecznego jest szerokie ... my widzimy wąską część tego, ogniwa słoneczne wykorzystują też tylko część promieniowania słonecznego. 

Wybór panelu słonecznego wbrew pozorom nie jest prosty, należy szczególną uwagę zwrócić uwagę na jego wydajność (sprawność ). Panele różnie reagują na spektrum, temperaturę itd.  Częścią instalacji jest także inwerter z systemem śledzenia mocy maksymalnej (MPPT - Maximum Power Point Tracking ).

linki:
dobry raport z 3MW PV w Indiach
------------
Kolejnym ciekawym tematem jest Solar Space Power System  i nie jest to tylko fantazja



Małe elektrownie wiatrowe < 5 kW

Producenci małych elektrowni wiatrowych w obecnej chwili nie muszą spełniać rygorystycznych wymagań odnośnie jakości generowanej energii, wydajności (szczególnie podawanej przez producenta krzywej mocy), czy hałasu.  W dużych komercyjnych farmach wiatrowych, dane producenta muszą zgadzać się z rzeczywistością. Przed przyłączeniem takiej farmy do sieci wykonywane są rygorystyczne testy przyłączeniowe, po roku eksploatacji wykonuje się pomiary krzywej mocy itd.

Do najważniejszych dla nas jako użytkowników, parametrów małej elektrowni wiatrowej należą:

1. Moc turbiny, krzywa mocy

Producenci małych elektrowni wiatrowych bardzo różnie określają moc elektrowni wiatrowej. Najbardziej mylnym jest przedstawienie mocy maszyny jako maksymalnej CHWILOWEJ! mocy jaką jest w stanie wygenerować. Najbardziej odpowiednim sposobem przedstawienia charakterystyki turbiny jest krzywa mocy. Pomiar rzeczywistej krzywej mocy nie jest sprawą prostą (a zarazem jest :))ponieważ potrzebujemy mierzyć prędkość wiatru napływającego na turbinę (za pomocą anemometru) oraz moc generowaną przez turbinę. Z uzyskanych wyników można wykreślić krzywą mocy jak na rys. poniżej.

Wymagania dotyczące poprawności krzywej mocy podawanej przez producenta elektrowni wiatrowej są ściśle określone w przypadku dużych komercyjnych turbin. Po wybudowaniu farmy wiatrowej przeprowadza się testy krzywej mocy i jeśli turbina ich nie przejdzie producent narażony jest na stratę reputacji i konsekwencje finansowe.
W przypadku małych elektrowni wiatrowych regulacje dopiero się tworzą. W niektórych krajach z systemem wsparcia dla mikrogeneracji działają instytytuty które certyfikują daną turbinę (UK - MicrogenerationCertificate Scheme  , Dania -Danish Certification, USA - Small Wind Certification Council ). Nie każdy producent małej turbiny może sobie pozwolić na certyfikat którejś z powyższych instytucji gdyż wpisowe na test też jest nie małe dlatego istnieją inne instytuty zajmujące się testowaniem małych elektrowni wiatrowych.
W poszukiwaniach turbiny wiatrowej przede wszystkim powinniśmy zacząć od pytania na ile moc lub krzywa mocy podawana przez producenta odpowiada rzeczywistości. Odpowiedzi należy szukać w upublicznianych testach krzywych mocy wybranych turbin (szukać w google "nazwa turbiny" power curve test ). Oprócz amerykańskiego NREL w Europie także działają podobne instytuty. Jednym z nim jest francuski SEPEN (strona po francusku ale po zalogowaniu się jest dostęp do kilkunastu szczegółowych raportów (w pdf) na temat wielu topowych małych elektrowni wiatrowych - polecam ! )
 Dla zainteresowanych podaję link do raportu NREL odnośnie testów krzywej mocy turbiny w której producent podaje 400 W a rezultat pomiarów jest taki że osiągi turbiny to maksymalnie 148 W. (Po opublikowaniu raportu producent zmienił moc turbiny na 125 W).



2 Prędkość obrotowa i sposoby jej ograniczania przy silnych wiatrach.

Podstawowym problemem z małymi elektrowniami wiatrowymi jest taki że jeśli zostawimy je bez obciążenia i przyjdzie duży wiatr to zaczną się bardzo szybko kręcić co może doprowadzić do ich zniszczenia (siła odśrodkowa oderwie łopatki ). Dodatkowo im większa prędkość obrotowa tym większy hałas. Stosowane są 3 rozwiązania ograniczające prędkość obrotową:
  • Furling , polega na odchyleniu osi wirnika od kierunku wiatru (przy pomocy specjalnej konstrukcji ogona ). Rozwiązanie jest tanie lecz wiąże się z tym że po przekroczeniu pewnej prędkości wiatru energia produkowana przez turbinę spada znacznie. Na youtube można znaleźć wiele filmików ( należy wpisać "furling wind turbine" ) ukazujących mechanizm w akcji.

  • Hamowanie elektromagnetyczne polega na zwieraniu wyjścia z generatora co powoduje wytworzenie dużej siły hamującej wirnik. Niezbędny jest odpowiedni kontroler tym sterujący. Rozwiązanie stosowane przez firmę SWWP w małych turbinkach Air Breeze. Jak powyżej po przekroczeniu pewnej prędkości wiatru generowana moc spada niemal do zera.
  • Zmiana kąta natarcia łopatki, (inaczej pitch control ) polega na zmianie kąta natarcia łopatki co powoduje zmianę siły nośnej (jej zmniejszenie ), co z kolei ogranicza obroty a jednocześnie pozwala na dalsze generowanie energii przy silnych wiatrach. Jest to najlepsze rozwiązanie, ale wiąże się z dodatkowym mechanizmem który zazwyczaj składa się z ciężarków zamocowanych przy łopatkach, które przy odpowiednio dużej prędkości obrotowej naciskają na sprężynę (która do tej pory nie dawała im się ruszyć ) i powodują zmianę kąta natarcia łopatek a co za tym idzie ograniczają dalsze zwiększenie się prędkości obrotowej.  
Należy zaznaczyć że rozwiązanie zmiany kąta natarcia łopatki stosuje się w komercyjnych elektrowniach wiatrowych wielkiej mocy natomiast pozostałych nie stosuje się. Znalazły one zastosowanie w małych elektrowniach wiatrowych gdyż są to rozwiązania tańsze a cena jest jednym z ważniejszych czynników którym kierują się klienci. Z dłuższej perspektywy patrząc turbina z mechanizmem pitch control jest bardziej wydajna (produkuje energię nawet podczas sztormów i ekstremalnych wiatrów ) i cichsza (skuteczne ograniczenie prędkości obrotowej ).

3. Sposób ukierunkowania do wiatru

Aby utrzymać wirnik turbiny prostopadle do kierunku wiatru w małych turbinach zazwyczaj stosuje się ogon (na stałe lub przez furling system) połączony z wirnikiem. Innym rozwiązaniem jest nakierowanie turbiny do wiatru za pomocą mechanizmu zwanego YAW umieszczonego w gondoli, lecz nie znalazło to zastosowania w małych turbinach. Trzecim rozwiązaniem jest pochylenie łopatek wirnika w taki sposób że turbina sama ustawia się do wiatru (rozwiązanie c poniżej), zmniejsza to rozmiary turbiny (brak ogona ) ale zmniejsza też jej współczynnik wykorzystania wiatru (pochylone łopatki pracują słabiej). 

Finanse czyli czy to sie opłaca

W kraju gdzie nie brakuje węgla i zbudowany jest system energetyczny oparty na wielkich elektrowniach węglowych (elektrownia Bełchatów jest NAJWIĘKSZĄ NA ŚWIECIE elektrownią na węgiel brunatny ) nikomu by się nie opłacało inwestować w odnawialne źródła energii. No ale że zapisaliśmy się do Unii Europejskiej dostaliśmy nakaz uzyskania 15 % ze źródeł odnawialnych do 2020 roku. No i jak tu zachęcić w inwestowanie w wiatraki z których każdy kosztuje 3 mln euro ? Trzeba wymyślić jakiś mechanizm wsparcia !

Najprostszym mechanizmem wsparcia jest tak zawany "feed-in tarrif" czyli z góry ustalona cena energii dla źródeł odnawialnych (powiedzmy 2 razy droższa niż węglowa ). W Polsce mamy (bo my lubimy inaczej ) system zielonych certyfikatów.

Jak to działa ?

Państwo narzuca (odpowiednią ustawą) przedsiębiorstwom sprzedającym energię odbiorcy końcowemu (czyli np. ENEA na zachodzie, ENERGA na północy, PGE na wschodzie - tym którym płacimy rachunki za prąd) żeby część energii którą sprzedają pochodziła z źródeł odnawialnych (w tym roku jest to 10,4 %). Jeśli nie są w stanie kupić aż tyle (a nie są bo w Polsce jest zaledwie kilka % energii pochodzącej z OZE) to muszą płacić karę zwaną opłatą zastępczą (która w tym roku wynosi jakieś 280 zł/MWh)

Jeśli mamy wiatrak o mocy 2MW który kręci się przez godzinę z pełną mocą to wyprodukuje od 2MWh = 2000kWh energii i takiż sam odpowiednik zielonych certyfikatów inaczej też zwany świadectwami pochodzenia energii. Jak czytamy powyżej zakład energetyczny chętnie kupi od nas te zielone certyfikaty jeśli sprzedamy mu trochę taniej niż kara którą musi zapłacić jeśli od nas ich nie kupi. Najwyższe ceny za zielone certyfikaty można uzyskać na Towarowej Giełdzie Energii

Więc teraz z wiatraka mamy dwa źródła dochodu.
  1.  za sprzedaż energii elektrycznej (cenę raz na rok oblicza Urząd Regulacji Energetyki ) i w tym roku jest to 198,90 zł/MWh
  2. za sprzedaż zielonych certyfikatów. Powiedzmy że sprzedajemy za 260 zł/MWh

W przypadku małych wiatraków do 10 kW (według najnowszej wesji ustawy 2.01 ) system zakłada 0.95 gr za każdą wyeksportowaną kWh, a dla wiatraków 10kW do 200 kW - 0.65gr/kWh
Załóżmy teraz że wchodzi nowa ustawa OZE, wypełniamy kartkę papieru, przychodzi pan z zakładu energetycznego i wymienia nasz licznik energii na dwustronny. Ogląda naszą instalację czy spełnia wymogi bezpieczeństwa i jeśli wszystko ok, oficjalnie możemy produkować energię.

Ile zarobimy ?

No właśnie ... to zależy jak wieje i ile z tej energii którą wyprodukujemy sami zużyjemy. Bardzo istotna też jest poprawna lokalizacja !. Przyjmijmy że mieszkamy w dobrym miejscu (odsłonięte od zachodu zwłaszcza ) wydaje mi się że możemy oczekiwać około 5 - 5.5 m/s na 24 metrach ) oraz co by nie mącić załóżmy że sprzedajemy całą wyprodukowaną energię...

Odnośnie prognozy rocznej produkcji... Mimo że producent podaje że przy średniej prędkości wiatru 5.5 m/s turbina wyprodukuje ponad 6000 kWh rocznie ja zakładam że turbina wyprodukuje 5000 kWh rocznie (5MWh).... 


 (uwaga: nie średnia prędkość wiatru a rozkład weybulla odpowiada za produkcje)

Zanim zabierzemy się do liczenia muszę zaznaczyć że pomijam energię jaką zużywamy bezpośrednio i zakładam że cała energia wyprodukowana z wiatraka trafia do sieci (jest tak na przykład w nocy jak śpimy albo jak nas nie ma w domu ale już jak piecyk elektryczny chodzi to niestety nie ... )


Liczymy ...

5 MWh * 0.95 = 4750zł   !   tyle w tym roku dostalibyśmy za wyeksportowane 5MWh.
w przypadku gdy nasza lokalizacja jest lepsza pod względem energetycznym (powiedzmy Hel) i wiatrak produkuje 6.5 MWh wartość wzrasta do 6175 zł. Trzeba także wsiąść pod uwagę ciągle rosnące ceny energii więc na przestrzeni 5 - 10 lat (w zależności od wietrzności ) możemy oczekiwać zwrotu kosztów inwestycji.

Turbina o której rozprawiam ma żywotność 25 lat więc tak czy siak będzie to na dłuższa metę opłacalna inwestycja. 

chwila ...
generator ... cena najlepszego według mnie istniejącego na rynku generatora który się dobrze nadaje to 4900 euro, do tego inwerter ... polecam Aurora wind 4.2kW - 1600 euro. (To są ceny bezpośrednich dystrybutorów). Koszty pozostałości to maszt ( pracujemy nad polskim masztem 24 m  )... najlepiej jakby dobry maszt nie przekraczał 1500 euro ... są europejskie konstrukcje 18metrów  w cenie 2200 euro + transport z Hiszpanii.

ok 4900 (turbina) + 1600(inwerter ) + 2000(maszt + fundament ) + 500 e (transport turbiny, masztu, inwertera) + 200 e (kable, rozłącznik ) +200 e (inne ) =   9400 euro ...

te powyższe 4750 to w zależności od kursu euro jakieś   1200 euro rocznie...

9400 koszta   .... 1200 e rocznie przychodu

No tak... ale na nową ustawę OZE jeszcze trzeba poczekać zapewne do przyszłego roku i wszystko się wyjaśni. Dodatkowo ma powstać nowy zawód regulowany (moja propozycja nazwy to "Instalator Systemów Mikrogeneracji" ) więc trzeba też pamiętać o kosztach z tym związanych.

podsumowanie:
Kluczowa w zbawieniu ludzkości jest tutaj świadomość społeczna dotycząca źródła dostępnej nam energii elektrycznej. Czy musimy grzebać w Ziemi  (degradacja środowiska ), skoro wszystko dociera od nas ze słońca  i jest za free ? Mamy technologie którą można te energie złapać ... czy jesteśmy na tym poziomie... ?
4ta rewolucja energetyczna (przejście na 100 % energii odnawialnych ) doprowadzi do daleko dalej idących zmian społecznych ... na dobre. Skończy się pogoń za ropą, skończy się szał korporacji wydobywczych i koncernów energetycznych - nie będą już potrzebni.


Regulacje Prawne, bariery i nowa ustawa OZE

jeśli chcemy naszą mikrogenerację podłączyć do sieci to obecnie jest słabo... Bo to koncesje na wytwarzanie energii, bo to wnioski do zakładu energetycznego o wydanie warunków przyłączenia... i wiele innych utrudnień ...
ALE !
"Robi się" pierwsza ustawa w historii Polski o odnawialnych źródłach energii. Przedstawiony w zeszłym roku projekt ustawy został "skamieniowany" przez ludzi i instytucje zajmujących się tym tematem od lat (głównie inwestorzy i deweloperzy farm wiatrowych ). No i ma być lepiej.
Jeśli chodzi o mikrogenerację to zniesiona ma być koncesja na wytwarzanie energii, największe współczynniki korekcyjne dla fotowoltaniki i mikro źródeł wiatrowych, obowiązek zakupu energii przez zakład energetyczny no i wogóle brzmi to utopijnie wszystko aż tak że założyłem tą stronę :).

Będę uaktualniał tą podstronę a tymczasem do poczytania polecam publikacje nowo powołanego Instytutu Energii Odnawialnej

update 01.07.2012
Ministerstwo Gospodarki przedstawiło kluczowe elementy projektu Ustawy o odnawialnych źródłach energii. 

w skrócie:
do 40 kW - mikro - brak obowiązku prowadzenia działalności

fotowoltaika do 100 kW 1.1zł /kWh
wiatrowa do 200 kW 0.65 zł / kWh

mamy więc feed in dla powyższych (trochę marnie dla wiatrowej ).

fotowoltaika powyżej 100 kW 2.85 zielonego certyfikatu
wiatr 200 do 500 kW 1.2 zielonego
wiatr > 500kW 0.9 zielonego
wiatr na morzu 1.8 zielonego

-----
zobacz także nowsze posty:

mini, mikro, piko bello - nowa ustawa OZE

Niezwykła Turbina

moc 30 kW i do 1000 litrów wody dziennie... Afryka będzie rajem ...
link do producenta

polecam video

Gaz Łupkowy - łapki koncernów

Zapraszam do obejrzenia filmu na temat chciwości koncernów naftowych. Tym razem na celowniku polski gaz łupkowy.

wtorek, 1 maja 2012

Teoria - energia z wiatru

Podstawy wiedzy ogólnej dotyczącej energetyki wiatrowej znajdują się tutaj  . Jest to moja praca z 2003 roku. Poniżej spis treści. Polecam także poradnik małej energetyki wiatrowej


2.Moc uzyskiwana z turbiny wiatrowej.
3.Pomiary wiatru.
            3.1.Anemometr.
           3.2.Interpretacja pomiarów.
           3.3.Szorstkość.
           3.4.Przeszkody.
            3.5.Ocena produkcji energii.
4.Siły działające na łopatkę.
            4.1.Siła ciągu.
            4.2.Aerodynamika wirnika.
5.Budowa elektrowni wiatrowych.
            5.2.Wieża.
            5.3.Wirnik.
            5.4.Bezpieczeństwo.
6.Kontrola mocy.
            6.5.Inne rozwiązania.
7.Charakterystyki mechaniczne wirnika.
            7.1.Optymalne obroty wirnika.
            7.2.Ile łopatek ?.
8.Inne rozwiązania turbin wiatrowych.
9.Stała – zmienna prędkość obrotowa.
10.Elektrownie z generatorem asynchronicznym.
10.1.Zasada działania.
10.2.Układ z maszyną asynchroniczną dwubiegową.
10.5.Maszyna dwustronnie zasilana.
            10.5.2.Sterowanie.
            10.5.3.Przekształtnik.
11.Elektrownie wiatrowe z maszyną synchroniczną.
11.3.Maszyna synchroniczna połączona przez przekształtnik – bez przekładni głównej
13.Kolekcjonowanie mocy i transport energii.

13.1.Linia przesyłowa napięcia zmiennego.

14.Problemy farm wiatrowych.
            14.1.Przysłanianie.
            14.2.Hałas.
            14.3.Wybór miejsca.
            14.4.Rzeczywiste farmy wiatrowe.