Dr inż. Mariusz Szewczyk Politechnika Rzeszowska im. I. Łukasiewicza Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa Katedra Termodynamiki 35-959 Rzeszów, ul. W. Pola 2 Systemy solarne Główne metody konwersji EPS schemat fototermiczna konwersja niskotemperaturowa fototermiczna konwersja wyskotemperaturowa konwersja fotowoltaiczna konwersja fotochemiczna
Schemat przekształceń Kolor żółty rodzaje konwersji energii promieniowania słonecznego (EPS) Kolor zielony naturalne procesy przekształcania EPS Kolor łososiowy techniczne procesy transformacji EPS Kolor szary energia użyteczna (ramka niebieska) i nośniki energii (ramka czerwona) uzyskiwane w procesach przekształcania EPS
Fototermiczna konwersja niskotemperaturowa Niskotemperaturowa konwersja fototermiczna polega na wykorzystaniu energii termicznej powstałej podczas absorpcji promieniowania słonecznego przez powierzchnie ciał stałych i cieczy, bez koncentracji lub z bardzo niewielkim stopniem koncentracji promieniowania słonecznego. Wzrost temperatury medium lub struktur absorbujących lub/i transportujących energię termiczną w trakcie normalnej pracy nie przekracza 100 K.
Konwersja niskotemperaturowa rodzaje systemów Podstawowe technologie dokonujące niskotemperaturowej konwersji fototermicznej to: cieczowe kolektory fototermiczne - ciepło użytkowe, systemy pozyskiwania EPS w budownictwie pasywnym i niskoenergetycznym - ciepło użytkowe, powietrzne kolektory fototermiczne - ciepło użytkowe, suszarnie i odsalarnie słoneczne - ciepło użytkowe, stawy słoneczne - ciepło użytkowe lub energia elektryczna, wieże słoneczne energia elektryczna. Systemy wytwarzające ciepło użytkowe, w zależności od tego czy do wykorzystania otrzymanej energii termicznej wymagają dodatkowej energii z zewnątrz, czy też energia termiczna zostanie przemieszczona/wydzielona we właściwe miejsce dzięki naturalnym procesom wywołanym absorpcją promieniowania słonecznego, dzielimy na: systemy pasywne i systemy aktywne.
Zastosowania systemów pasywnych Pasywna metoda wykorzystania energii termicznej uzyskanej na drodze konwersji fototermicznej znalazła zastosowanie przede wszystkim w: systemach pozyskiwania EPS w budownictwie, przygotowywaniu ciepłej wody użytkowej CWU w kolektorach magazynujących i instalacjach termosyfonowych, wentylacji naturalnej i suszarniach słonecznych z wentylacją naturalną. Przygotowywanie ciepłej wody użytkowej CWU w kolektorach magazynujących i instalacjach termosyfonowych jest możliwe do zastosowania w lepszych niż Polskie warunkach klimatycznych lub w instalacjach działających okresowo w okresie letnim - instalacje termosyfonowe w celu właściwego działania wymagają bowiem takiego natężenia promieniowania które w Polsce występuje rzadko, a kolektorów magazynujących nie można stosować gdy temperatura obniża się poniżej temperatury zamarzania wody. Wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w suszarnictwie jest natomiast najbardziej efektywnym ekonomicznie sposobem wykorzystania energii promieniowania słonecznego.
Konwersja wysokotemperaturowa Podstawowym warunkiem uzyskania odpowiednio wysokiej temperatury czynnika roboczego jest zastosowanie kolektora skupiającego koncentratora promieniowania słonecznego zwiększającego irradiencję na absorberze. W układach pozyskiwania EPS stosowane układy koncentratorów zapewniają stopień koncentracji od kilku do 10000. W układach koncentrujących stosuje się albo reflektory lustra, albo refraktory soczewki skupiające. Stosowane mogą być tak koncentratory obrazowe jak i bezobrazowe. Ze względu na uzyskiwane temperatury absorbera, ściśle uzależnione od stopnia koncentracji, za układy wysokotemperaturowe uznaje się w zasadzie tylko te wykorzystujące koncentratory obrazowe. Koncentratory bezobrazowe (CPC) wykorzystywane są w konwersji niskotemperaturowej. Warunkiem niezbędnym efektywnego i ekonomicznego działania systemów wysokotemperaturowych jest roczne nasłonecznienie bezpośrednie mierzone w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku promieniowania przekraczające 7 GJ/m 2 (2 kwh/m 2 ). Warunek ten nie jest spełniony w Polsce nawet w miejscach posiadających najlepsze warunki słoneczne.
Konwersja wysokotemperaturowa rodzaje systemów Wysokotemperaturowa konwersja fototermiczna stosowana jest w systemach służących do produkcji energii elektrycznej lub wytwarzania ciepła technologicznego. Systemy termokonwersji wysokotemperaturowej różnią się między sobą budową koncentratora, sposobem usytuowania odbiornika względem koncentratora oraz wykorzystania ciepła w odbiorniku i dzielą się na trzy zasadnicze typy: układy z odbiornikiem centralnym, układy z odbiornikami rozproszonymi, układy kolektorów indywidualnych dyskowych.
Konwersja fotoelektryczna Konwersja fotoelektryczna opiera się na efekcie fotowoltaicznym odkrytym w 1839 r. przez E. Bequerela. Zasada działania współczesnych ogniw fotowoltaicznych opiera się na zjawiskach zachodzących w złączu p-n oświetlonym przez fotony o odpowiedniej energii. Bariera potencjału występująca na złączu p-n prowadzi do segregacji ładunków dodatnich i ujemnych powstałych na skutek wyrzucenia przez fotony promieniowania elektronów z sieci krystalicznej do pasma przewodnictwa. Ponieważ rozdzielone ładunki są nośnikami nadmiarowymi przesuniętymi z jednego obszaru do drugiego powstaje potencjał elektryczny pomiędzy zewnętrznymi powierzchniami ogniwa. Konwersja fotowoltaiczna jest najprostszym sposobem przetwarzania energii bezpośrednio z postaci najbardziej pierwotnej (energia promieniowania słonecznego) w postać najbardziej przetworzoną (energia elektryczna).
Konwersja fotoelektryczna rodzaje systemów Panele i ogniwa fotowoltaiczne wykorzystywane są w dwojakiego typu systemach. 1. Systemy autonomiczne (off grid) stosowane do: zasilania urządzeń przenośnych, zasilania systemów produkcji nośników chemicznych np. wodoru, zasilania urządzeń zewnętrznych konsumenckich i przemysłowych, zasilania pojedynczych budynków i osiedli nie podłączonych do sieci; W większości przypadków systemy te wyposażone są w układ akumulacyjny złożony z akumulatorów pozwalających ma długotrwałe ładowanie i głębokie rozładowanie lub drugie źródło energii w postaci siłowni wiatrowej lub silnika cieplnego. 2. Systemy sieciowe (grid connected) zsynchronizowane z siecią elektroenergetyczną: zdecentralizowane (niezawodowe) w postaci instalacji skompletowanych z samodzielnych paneli ustawionych na powierzchni dachu/gruntu lub instalacji zintegrowanych z elementami infrastrukturalnymi lub budynkami, zcentralizowane (zawodowe) w postaci wielkopowierzchniowych zestawów paneli o mocy powyżej 200 kw (elektrownie fotowoltaiczne); Systemy takie nie posiadają układu akumulacji, a energia elektryczna oddawana jest poprzez inwertory bezpośrednio do sieci wewnętrznej lub zewnętrznej.
Konwersja fotochemiczna Konwersja fotochemiczna polega na przekształceniu energii kwantu promieniowania elektromagnetycznego w energię wiązania chemicznego bez pośrednictwa innego nośnika energii. Konwersja taka jest dokonywana w sposób naturalny podczas procesu fotosyntezy przekształcając energię promieniowania słonecznego w energię biomasy. Odbywa się to jednak z bardzo niską sprawnością - w energię chemiczną podczas fotosyntezy przekształcane jest w zależności od typ cyklu fotosyntezy i warunków klimatycznych od 3 do 6 % energii padającej na powierzchnię terenów zielonych. Systemy techniczne wykorzystujące konwersję fotochemiczną produkują chemiczne nośniki energii i oparte są na trzech podstawowych schematach: prowadzenie naturalnej fotosyntezy w warunkach kontrolowanych zwiększających jej sprawność (np. poprawa naświetlenia, podniesienie stężenia CO 2 ), realizacja reakcji fotosyntezy bez udziału organizmów żywych z udziałem odpowiednich katalizatorów (np. prace prof.. Nazimka z UMCS), wykorzystanie reakcji fotochemicznych do rozkładu związków chemicznych, sterylizacji itp. fotoliza wody.