Energia przyjazna człowiekowi oraz środowisku
.:Energia wody:.
Woda ciągle wykonuje pracę. Kształtuje brzegi, wypłukuje skały, rzeźbi teren. To woda na Zeimi stanowi większą część. Dlatego siła wodna znalazła ogromne wykorzystanie w procesie otrzymywania energii.
.:Zastosowanie energii-turbiny wodne:.
Pierwsze próby zbudowania koła wodnego sięgają pierwszego wieku przed nasza erą, zastosowanego do napędzania żaren w młynach. Kilka wieków potem koła wodne napędzały młoty w kuźni, piły w tartakach oraz kilkanaście innych maszyn. Aktualnie turbiny wodne napędzają ogromne generatory ogromnych elektrowni wodnych. Między innymi w Norwegii większa część energii produkowana jest przy udziale wody.
Charakterystyka
Energetyka wodna stosuje potencjał grawitacyjny cieków wodnych. Jest ona w naszym kraju stosowana w małym stopniu gdyż stosuje ten potencjał jedynie w jedenastu procentach co daje nam ostatnie miejsce w Europie.
Konstrukcja ogromnych elektrowni wodnych powiązana jest z dużymi nakładami finansowymi dlatego aktualnie w kraju nie są prowadzone praktycznie żadne prace nad rozpoczęciem realizacji nowych ogromnych obiektów.
Natomiast rozwija się dział energetyki wodnej o niewielkich mocach jednostkowych, tzw. niewielka energetyka wodna konstruowana na ogół na występujących (często zdewastowanych) stopniach wodnych.
Ranga techniczno-ekonomiczna MEW nie bierze się jedynie z ich udziału w krajowym bilansie energetycznym ale jest powiązana głównie z zastosowaniem lokalnych możliwości produkcji energii elektrycznej; nie bez znaczenia jest także fakt, iż jeśli chodzi o elektrownie prywatne dają one źródło utrzymania jakiejś grupie osób, głównie na obszarach o ogromnym bezrobociu.
Zdefiniowanie "małej elektrowni wodnej - MEW" może być określone na wiele możliwości - zależności od wielkości spadu wody, mocy jednostkowej generatorów, sumarycznej mocy zainstalowanej, etc.
Na ogół przyjmuje się definicję niewielkich elektrowni wodnych na podstawie sumy mocy zainstalowanych generatorów. W zależności od państwa albo organizacji wielkość tej mocy przyjmowana jest przeróżnie, powiązane jest to ze stopniem uprzemysłowienia oraz proporcjami między mocami elektrowni wodnych a pozostałymi działającymi w Polsce.
W naszym kraju przyjęło się wykorzystywać oznaczenie niewielkiej elektrowni wodnej dla obiektów o mocy zainstalowanej do pięciu MW. Czasami spotkać można także oznaczenie MEW dla obiektów o mocy zainstalowanej do 0,5 MW.
Wykorzystuje się jeszcze wewnętrzny podział MEW na:
mikro elektrownie wodne
mini elektrownie wodne
małe elektrownie wodne
Rozróżnia się również trzy główne warianty eksploatacji MEW:
współpraca hydrozespołu wyłącznie z siecią państwową: W układzie tym elektrownie działają równolegle z siecią energetyczną, która decyduje o wielkości napięcia oraz częstotliwości.
praca samotna hydrozespołu na wydzieloną sieć energetyczną, nazywaną często siecią lokalną; vc celem elektrowni jest zasilanie odbiorców, którzy nie mają innego źródła energii elektrycznej; praca MEW w tym układzie echuje się ogromną zmiennością obciążenia w czasie.
współpraca z państwową siecią energetyczną i rezerwowe zasilanie wydzielonego sektora sieci lokalnej w przypadku braku napięcia w sieci państwowej.
Znaczna większość krajowych MEW ziała na sieć państwową, wielkość napięcia oraz częstotliwości narzucana jest zatem przez system energetyczny.
Plusy z energetycznego korzystania wody
Plusy wykorzystywania MEW:
Produkowanie "czystej" energii elektrycznej - brak wysyłania jakichkolwiek gazów albo produkowania ścieków;
zużywanie małych ilości energii na potrzeby własne, ok. 0,5-1%, przy ok.10% w przypadku elektrowni tradycyjnych;
cechują się małą pracochłonnością - do ich obsługi konieczny jest sporadyczny nadzór techniczny;
energia z MEW może być stosowana przez lokalnych odbiorców tak, iż można mówić o małych stratach przesyłu;
mogą stanowić awaryjne źródło energii w momencie uszkodzenia sieci przesyłowej;
regulują stosunki wodne w najbliższej okolicy, co ma wpływ na obszary rolnicze;
konstrukcja budowli piętrzącej sprawia powstanie pojemnika wodnego, który stając się cennym fragmentem krajobrazu może wpływać postęp turystyki oraz rekreacji w konkretnym regionie;
pobudzają aktywność w otoczeniu wiejskim (nowe miejsca pracy, obiekty towarzyszące);
budowla piętrząca jest w stanie także w pewnym stopniu osłabić wielkość zatapiania okolic w przypadku występowania powodzi.
Minusy oddziaływanie elektrowni wodnych:
pomniejszenie naturalnego przepływu wody może wpłynąć niezbyt korzystnie na występującą biocenozę rzeki (kumulacja glonów, które pobierają tlen może doprowadzić do masowego wymarcia ryb, gromadzenia się osadów dennych itd.);
w przypadku podniesienia poziomu wody może dojść do erozji brzegów jak również do zatapiania nadbrzeżnych siedlisk lęgowych ptaków.
Wcześniej podane minusy posiadają ważne znaczenie przy konstrukcji ogromnych przyzaporowych elektrowni wodnych, gdzie ich wielkość wpływa proporcjonalnie na kumulowanie negatywnego oddziaływania. Konstrukcja MEW, głównie na istniejących jazach ma mały negatywny wpływ na otoczenie.
.:Energia fal:.
Falowanie morza jest w stanie dostarczyć energii. Zastosowanie fal morskich jesteśmy w stanie zastosować na parę sposobów, np.:
pływak przemieszczający w górę oraz w dół, w miarę falowania powierzchni wody. Ruch ten napędza pompę, która dostarcza wodę pod ciśnieniem na turbinę, zasilając generator.
elektrownia, pracująca na zasadzie oscylującego słupa wody. Współzanurzona, otwarta u dołu komora wypełniona jest do konkretnej wysokości wodą, a nad nią jest powietrze. Gdy fala przepływa, podnosi słup, który wypycha powietrze na powierzchnię. Ten ruch popędza turbinę, zasilającą generator.
.:Energia pływów:.
Dogodne ujścia rzek do morza, dają możliwość zbudowania elektrowni wodnych, które wykorzystują siłę pływów. Zasada działania jest taka sama jak działanie normalnej elektrownii wodnej- obracająca turbina połączona z generatorem. Największa tego rodzaju elektrownia jest we Francji, o mocy 240MW.
.:Plusy oraz minusy elektrownii wodnych:.
+ekologiczne uzyskiwanie energii
+szerokie wykorzystanie (rzeki, morza)
-koszty
Rzeki Pomorza Środkowego, wypływające z morenowych wzgórz Pojezierza Kaszubskiego posiadają stosunkowo ogromne spadki, natomiast bardzo dobre warunki geologiczne do konstrukcji siłowni oraz zastosowania energii wodnej, chociaż znacznie mniejsze aniżeli np. u naszych sąsiadów za Bałtykiem (rzeki Norwegii, Szwecji i Finlandii posiadają ogromne spadki, co daje możliwość korzystnej lokalizacji elektrowni wodnych naprawdę ogromnej mocy).
Na Pomorzu Środkowym szczególnie sprzyjające warunki energetyce daje rzeka Słupia, w trochę mniejszym stopniu Wieprza oraz Łupawa. Analizy nad zastosowaniem energii tych rzek przeprowadzone już w połowie dziewiętnastego wieku. Na tym terenie utworzono pionierskie elektrownie wodne: EW Struga na Słupi (1896 r.), EW Żelkowo (1906 r.) oraz "perłę w koronie" Elektrownia Wodna Gałąźnia Mała (1912 r.). Po raz pierwszy wykorzystano w niej nowoczesne rozwiązania techniczne, łącznie z kanałami doprowadzającymi ze sporej odległości wodę do obiektów elektrowni i sztolniami. Ten wzór potem wykorzystali budowniczy do konstruowania następnych elektrowni szczytowo-pompowych. Oryginalne, leciwe już urządzenia oraz maszyny , troskliwie konserwowane, doglądane - działają do dzisiaj. Wycieczki jakie odwiedzają Park Krajobrazowy "Dolina Słupi" posiadają natomiast w swoim programie zwiedzanie tej elektrowni, wkomponowanej w malowniczy krajobraz.
Ten obiekt, a także kilka innych jeszcze elektrowni wodnych spółki ENWOD, nie szpeci, ale zdobi okolicę. Trochę wcześniej na tych rzekach zbudowano kilka siłowni wodnych, napędzających młynów, tartaków, wytwórni papieru. Kilkanaście takich obiektów po oraz w czasie wojny przebudowano na elektrownie wodne. Niemcy miały ogromne kłopoty po wojnie w zaopatrzeniu w węgiel oraz ropę naftową, co sprzyjało rozwojowi energetyki wodnej. Kolejną ważną datą dla postępu (albo raczej regresu) elektrowni wodnych był r 1945. Kilka obiektów uległo zniszczeniu na skutek działań wojennych. Jeszcze więcej zostało unieruchomionych po demontażu maszyn, wywiezionych później przez Armię Czerwoną. Stopniowo jednak, obiekt po obiekcie, oddawano do użytku elektrownie oraz włączano je do sieci. W latach 70-tych zaczęto realizację programu odbudowy niewielkiej energetyki. W efekcie dziś spółka ENWOD eksploatuje osiemnaście elektrowni wodnych i Elektrownię Szczytowo-Pompową w Żydowie. W większej części są to obiekty cudownie wkomponowane w krajobraz, prawdziwe perełki techniki, owoce udanego mariażu nowej oraz muzealnej wprost technologii. Są one przedmiotem zaciekawienia turystów a także krajoznawców. Nie bez powodu. Praca kilkunastu specjalistów powodowała, iż pełnią one nieprzerwanie istotną funkcję w gospodarce oraz przyrodzie regionu. Bo przecież, poza wyrobem "czystej" energii elektrycznej, gromadzą one ogromne zapasy wody, poprawiają bilans wodny regionu. W latach suchych, zapasy wody z pojemników ratują spękaną glebę. Gdy przychodzą ulewne, długotrwałe deszcze pojemniki elektrowni gromadzą nadmiar wody oraz chronią przed powodzią niżej ułożone tereny.
Obiekty te przyciągają znaczną ilość miłośników technologii oraz środowiska. Szczególnie ciekawe są dla turystów elektrownie na Słupi, które tworzą niewielką kaskadę energetyczną, unikatową w kraju. Zdarzyło się nawet coś, co jeszcze parę lat temu było nie do pomyślenia: o pomoc zwrócili się do słupskich specjalistów inżynierowie z Niemiec, którzy zajmują się starymi elektrowniami wodnymi!
Powodem do dumy dla słupskich energetyków jest również wysoka sprawność urządzeń oraz przyrządów, estetyka, porządek w obiektach.
Osobne miejsce należy się Elektrowni Szczytowo-Pompowej Żydowo. Mimo prawie trzydziestu lat eksploatacji nie zestarzała się technicznie, ani estetycznie. Ciągle prezentuje się wspaniale, a walory krajobrazu, w który elektrownia została wkomponowana, nawet się powiększyły. Ciekawa dla zwiedzających jest również sama zasada działania elektrowni. Dzięki połączeniu dwóch jezior (położonych na kilku poziomach) kanałem oraz trzema rurociągami (wszystkie o średnicy 5 m) aż 240 m wody spada co sekundę z wysokości 80 m, uruchamiając trzy turbozespoły o mocy 156 MW: Elektrownia w Żydowie jest w stanie wyprodukować energię w godzinach największego zapotrzebowania w krajowym systemie energetycznym. W okresie poza szczytem poboru, kiedy pojawia się w sieci nadwyżka energii elektrycznej, dwie turbiny odwracalne pompują wodę do górnego jeziora - pojemnika, akumulując energię wody do ponownego wykorzystania do wyrobu energii.
To swoiste perpetuum mobile daje elektrowni pełnić w systemie rolę regulacyjną. Dlatego ostaje ona pod stałym operatywnym kierownictwem Krajowej Dyspozycji Mocy. Jej moc przydała się w kilku momentach, szczególnie w ciężkie zimy, kiedy sprawność kilku elektrowni opalanych węglem drastycznie pomniejszyła się na skutek braku węgla.
.:Energia Słoneczna:.
Słońce jest głównym źródłem energii na Ziemi. Jako najbliższe ciało niebieskie względem naszej planety ma decydujący wpływ na nasze funkcjonowanie. Bez Słońca nie narodziło by się życie.
Ta duża kula gazowa, na której zachodzą cały czas przemiany wodoru w hel stała się punktem prac nad zastosowaniem energii słonecznej w szerszym wykorzystaniu już w połowie lat 70-tych w Polsce. Prace te prowadzone metodą fotowoltaiczną, opierały się na tworzeniu siły elektromotorycznej na skutek napromieniowania półprzewodnika przez promienie słoneczne. W celu nagromadzenia natomiast energii konstruuje się kolektory, które zamieniają energię słoneczną w cieplną przez specyficzną płytę absorpcyjną.
.:Zastosowanie energii:.
Częste pożary w gorących regionach naszej planety spowodowane są przez ogniskowanie promieni słonecznych w porannej rosie. Grecy prawie czterysta lat p.n.e zastosowali promienie słoneczne, skupione w szklanej kuli wypełnionej wodą, do rozniecenia ognia. Chińczycy dwieście lat p.n.e, zastosowali zakrzywione zwierciadła do skupiania promieni słonecznych. Dzisiaj wykorzystuje się także duże piece przemysłowe- w Mont Louis, we Francji wielopiętrowa budowla reflektorów, konkretnie ustawionych, tworzy gigantyczne zakrzywione zwierciadło, gdzie w punkcie skupienia da się uzyskać temperaturę do trzech tysięcy stopni Celcjusza.
.:Plusy oraz minusy baterii słonecznych:.
+ogromna wydajność
+bezpieczeństwo
+żywotność (prawie dwadzieścia pięć lat)
+rozmiary
+przekształcanie również rozproszonej części promieniowania słonecznego
-cena
Energia słoneczna jest w stanie być zamieniana w kolektorach wodnych oraz powietrznych w ciepło, które wykorzystywane później jest do:
- nagrzewania mieszkań, zakładów przemysłowych, obiektów użyteczności publicznej,
- ogrzewania wody dla gospodarstw domowych, rolnych, zakładów przemysłowych, basenów itp.
- suszenia produktów rolnych oraz drewna.
W naszych warunkach klimatycznych roczny zysk energetyczny z jednego metra kwadratowego kolektora słonecznego równy jest od 800 do 1100kWh. Wodę można nagrzewać energią słoneczną przez dwieście czterdzieści dni w roku. W praktyce dominują podstawowe instalacje dla domów jednorodzinnych oraz kolektory powietrzne wykorzystane głównie do celów suszarniczych. Znaczne instalacje działają w układzie biwalentnym z pompami ciepła oraz podgrzewaczami elektrycznymi.
Energia słoneczna może być również zamieniona w ogniwach fotowoltaicznych od razu w energię elektryczną. Pierwszym poważnym wykorzystaniem tego rozwiązania było w latach 50-tych wykorzystanie baterii słonecznych do zasilania satelitów. Codziennie miliony niewielkich baterii słonecznych zasilają nasze zegarki, kalkulatory, zabawki, radia lub przenośne telewizory. Ogromną wagę przywiązuje się aktualnie do zastosowania fotowoltaiki w systemach wolnostojących, które mogą być umieszczane na obszarach oddalonych od sieci elektro-elektrycznej albo tam, gdzie energia powinna być produkowana w sposób czysty, cichy oraz niezawodny. Dziesiątki tysięcy gospodarstw na całym świecie wykorzystuje system fotowoltaiczny do pokrycia większości albo niejednokrotnie całości swego zamówienia na energię. Prawie wszystkie satelity telekomunikacyjne, badawcze oraz wojskowe zasilają maszyny pokładowe bateriami słonecznymi. Kilkanaście krajów europejskich ma swoje narodowe plany postępu fotowoltaiki, upatrując w niej nie tylko szansę na ogromne powiększenie swego potencjału energetycznego, ale również mając na względzie ochronę środowiska naturalnego. W naszym kraju ogniwa fotowoltaiczne są przede wszystkim stosowane w przyrządach nawigacyjnych na Morzu Bałtyckim.
Konwersja fotochemiczna
Konwersja fototermiczna
Konwersja fotowoltaiczna
Zasoby energii słonecznej w naszym raju
W naszym kraju generalnie są dobre warunki do stosowania energii promieniowania słonecznego przy dostosowaniu rodzaju systemów oraz cech maszyn stosujących energię do charakteru, budowy czy rozkładu w czasie promieniowania słonecznego. Ogromne szanse postępu w niewielkim okresie posiadają technologie konwersji termicznej energii promieniowania słonecznego, które opierają się na zastosowaniu kolektorów słonecznych. Ze względu na duży udział promieniowania rozproszonego w całkowitym promieniowaniu słonecznym, praktycznego znaczenia w naszych warunkach nie posiadają słoneczne techniki wysokotemperaturowe, które opierają się na koncentratorach promieniowania słonecznego.
Ze względu na fizyko-chemiczną naturę procesów przemianom energetycznych promieniowania słonecznego na powierzchni naszej planty rozróżnić możemy trzy główne oraz pierwotne typy konwersji:
konwersję fotochemiczną energii promieniowania słonecznego prowadzącą dzięki fotosyntezie do tworzenia energii wiązań chemicznych w roślinach w procesach asymilacji
konwersję fototermiczną, która prowadzi do zamiany energii promieniowania słonecznego na ciepło
konwersję fotowoltaiczną, która prowadzi do zamiany energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.
Procesy konwersji fotochemicznej, która zapewnia nieprzerwany wyrób biomasy, która może być w późniejszych procesach biochemicznych oraz termochemicznych zamieniona w energie cieplną, elektryczną albo paliwa płynne.
Konwersję fototermiczną energii promieniowania słonecznego stosuje się do bezpośredniego wyrobu ciepła dwoma metodami: metodą pasywną (bierną) oraz metodą aktywną (czynną). W obu tych przypadkach zamiana energii promieniowania słonecznego odbywa się w specyficznych fragmentach kolektorów słonecznych nazywanych absorberami. Transmisja zaabsorbowanej energii słonecznej do odbiorników zachodzi w specyficznych instalacjach. Systemy pasywne do swej pracy nie potrzebują dodatkowej energii z zewnątrz. W tych systemach konwersja energii promieniowania słonecznego w ciepło zachodzi w sposób naturalny w istniejących albo specjalnie zbudowanych fragmentach budowy budynków, które pełnią rolę absorberów. Dla odmiany, w systemach aktywnych doprowadza się do instalacji dodatkową energię z zewnątrz, na ogół do napędu pompy albo wentylatora przetłaczających czynnik roboczy (bardzo często wodę albo powietrze) przez kolektor słoneczny. Działanie kolektora słonecznego jest powiązane z podgrzewaniem przepływającego przez absorber czynnika roboczego, który przenosi oraz oddaje ciepło w części odbiorczej instalacji grzewczej.
Granice podziału miedzy dwoma wcześniej wymienionymi metodami stosowania konwersji termicznej są dość płynne. Z jednej strony w systemach pasywnych dopuszcza się wykorzystanie pewnych fragmentów regulujących przepływ energii otrzymanej z promieniowania słonecznego. W przypadku, kiedy wykorzystane są w tym celu maszyny mechaniczne można mówić o systemach semiaktywnych. Z drugiej strony często celowo wykorzystuje się uzupełniające się wzajemnie w jednej instalacji grzewczej systemy pasywne oraz aktywne równocześnie. Mówi się wówczas o systemach kombinowanych.
Konwersja fotowoltaiczna opiera na bezpośredniej zmianie energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. Odbywa się to dzięki zastosowaniu tzw. efektu fotowoltaicznego, który polega na utworzeniu siły elektromotorycznej w substancjach o niejednorodnej budowie, w czasie ich ekspozycji na promieniowanie elektromagnetyczne. jedynie w specjalnie spreparowanych maszynach zrobionych z półprzewodników nazywanych ogniwami słonecznymi wystawionych na promieniowanie słoneczne, efekt fotowoltaiczny zmierzony pojawiającą się siłą elektromotoryczną jest na tyle ogromny, by mógł być stosowany praktycznie do generacji energii elektrycznej. Ogniwa słoneczne łączy się ze sobą w układy nazywane modułami fotowoltaicznymi, a te z kolei wykorzystywane są do konstrukcji systemów fotowoltaicznych.
Systemy fotowoltaiczne da się podzielić na systemy podłączone do sieci trójfazowej elektroenergetycznej przez specyficzne maszyny nazywane falownikiem i na systemy autonomiczne zasilające od razu maszyny prądu stałego, na ogół z zastosowaniem okresowego gromadzenia energii w akumulatorach elektrochemicznych.
Klasyfikacja wcześniejsza nie obejmuje słonecznych systemów z koncentratorami słonecznymi i systemów ogromnej mocy stosujące heliostaty wykorzystywane na świecie w elektrowniach, elektrociepłowniami oraz piecach słonecznych. Maszyny te stosują tylko promieniowanie bezpośrednie, a jak powiedzieliśmy już w naszym kraju promieniowanie to stanowi w zależności od pory roku 25 -50% promieniowania całkowitego oraz dlatego znaczenie praktyczne tych technologii dla naszego kraju jest marginalne.
Zasoby energii słonecznej w naszym kraju
Z punktu widzenia zastosowania energii promieniowania słonecznego w kolektorach płaskich najważniejszymi parametrami są roczne wartości nasłonecznienia (insolacji) - wyrażające liczbę energii słonecznej jaka pada na jednostkę powierzchni płaszczyzny w konkretnym czasie. Na ilustracji niżej oraz w tabeli niżej wskazano rozkład sum nasłonecznienia na jednostkę powierzchni poziomej wg Instytutu Meteorologii oraz Gospodarki Wodnej dla wskazanych rejonów kraju.
Rys. 1. Rejonizacja średniorocznych sum promieniowania słonecznego całkowitego padającego na jednostkę powierzchni poziomej w kWh/m2/rok. Liczby pokazują całkowite zasoby energii promieniowania słonecznego w czasie roku dla konkretnych rejonów kraju.
Roczna gęstość promieniowania słonecznego w naszym kraju na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2, natomiast średnie usłonecznienie równe jest 1600 godzin na rok. Warunki meteorologiczne cechują się bardzo nierównym rozkładem promieniowania słonecznego w cyklu rocznym. Prawie 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, ale czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do szesnastu godzin na dzień, natomiast w zimą maleje do ośmiu godzin dziennie.
Tabela 1. Potencjalna energia użyteczna w kWh/m2/rok w konkretnych rejonach Polski
Rejon Rok
(I-XII) Półrocze letnie
(IV-IX) Sezon letni
(VI-VIII) Półrocze zimowe...
AnaMarie83