Wykorzystanie energii słonecznej (OZE)

W publikacji POLCEN w przystępny sposób zaprezentowano zagadnienia dotyczące innowacyjnych technologii produkcji energii na podstawie jednego z odnawialnych źródeł, którym jest promieniowanie słoneczne. Przedstawione w książce zagadnienia zostały opisane w trzech rozdziałach, z których każdy stanowi osobny blok tematyczny.

W rozdziale I książki zawarto podstawowe informacje dotyczące fotowoltaiki. Opisano komponenty składowe typowej instalacji fotowoltaicznej, ogniwa fotowoltaiczne oraz zasady powstawania prądu w ogniwie słonecznym. Omówiono również istotną problematykę ogniw perowskitowych stanowiących jedno z najnowocześniejszych i najbardziej efektywnych rozwiązań technologicznych polskiej myśli technicznej ostatnich lat. Zaprezentowano zagadnienia dotyczące falowników w instalacjach fotowoltaicznych z przedstawieniem ich klasyfikacji. Ukazano schemat rozmieszczenia ochrony przepięciowej dla budynku mieszkalnego. Omówiono zagadnienia związane z pożarem instalacji fotowoltaicznej. Odniesiono się do zagadnień związanych z rozliczeniem energii elektrycznej przez prosumentów. Przedstawiono korzyści wynikające z budowy instalacji fotowoltaicznej na podstawie wybranych przykładów: dwóch gospodarstw domowych i zakładu produkcyjnego. Przedstawiono zalety oraz wady instalacji słonecznej.

W rozdziale II zostały przedstawione informacje na temat kolektorów słonecznych. Omówiono w nim podstawową klasyfikację kolektorów solarnych wraz z opisem charakterystyki poszczególnych rodzajów. Wskazano typowe miejsca ich lokalizacji. Zobrazowano i opisano montaż kolektorów słonecznych na połaci dachowej oraz w połaci dachu budynku. Przedstawiono typowe rozwiązania techniczne zabudowy instalacji z układami solarnymi. Zwrócono uwagę na błędy popełniane na etapie projektowania instalacji solarnej związane z niedoszacowaniem i przewymiarowaniem układu solarnego. Poruszono też temat zabezpieczenia instalacji ciepłej wody przed poparzeniem ludzi. Oszacowano okres zwrotu inwestycji w przypadku rezygnacji z konwencjonalnych źródeł ciepła i zastąpienie ich instalacją solarną.

Rozdział III został poświęcony pompom ciepła. Omówiono w nim budowę pompy ciepła wraz z opisem zasady jej działania. Scharakteryzowano podstawowe rodzaje pomp ciepła mające zastosowanie w technice grzewczej. Poruszono kwestię ich efektywności energetycznej. Ukazano zalety i wady instalacji z pompami ciepła oraz zasygnalizowano problemy mogące wystąpić w pracy układów grzewczych. Odniesiono się też do źródeł ciepła funkcjonujących z instalacjami z pompami ciepła.

Mgr Zygmunt Katolik jest specjalistą w zakresie ciepłownictwa, działalności inwestycyjno-remontowej, systemu dystrybucji i przesyłu, odnawialnych źródeł energii. Jest autorem i współautorem ponad 50 publikacji na temat zagadnień ciepłowniczych.

Niniejsza książka zawiera ok.:

- 120 rysunków,

- 25 fotografie oraz

- 14 tabel,

- a także słownik pojęć.

Dodatkowo udostępniliśmy w formie plików pdf następujące ujednolicone akty prawne: ustawa o efektywności energetycznej oraz ustawa o odnawialnych źródłach energii. W publikacji wykorzystano dostępne materiały źródłowe stanowiące opracowania poświęcone tematyce odnawialnych źródeł energii oraz informacje publikowane w źródłach internetowych.

Publikacja jest skierowana przede wszystkim do studentów szkół wyższych o kierunku energetycznym, uczestników studiów podyplomowych o specjalności energetyka – odnawialne źródła energii, do uczniów techników energetycznych, do osób przygotowujących się do zainstalowania systemów wykorzystujących energię z odnawialnych źródeł w budynkach, do osób zajmujących się na co dzień tematyką odnawialnych źródeł energii oraz wszystkich Czytelników, którzy chcieliby zgłębić wiedzę w zakresie metod oraz technologii produkcji energii elektrycznej i cieplnej na podstawie odnawialnych źródeł energii.

SPIS TREŚCI

Od Wydawcy 11

Od Autora 13

Wstęp 15

Rozdział 1. Słońce źródłem darmowej energii elektrycznej

1.1. System instalacji fotowoltaicznej i jego części składowe 17

1.2. Rodzaje ogniw fotowoltaicznych 19

1.2.1. Podział ogniw z uwagi na stopień uporządkowania struktury krystalicznej krzemu 20

1.2.2. Pierwsza generacja ogniw fotowoltaicznych 20

1.2.3. Druga generacja ogniw fotowoltaicznych 21

1.2.4. Ogniwa trzeciej generacji 22

1.2.5. Ogniwa perowskitowe 24

1.3. Jak powstaje energia elektryczna w ogniwie fotowoltaicznym 28

1.4. Wymiary paneli fotowoltaicznych 31

1.4.1. Waga paneli fotowoltaicznych 32

1.5. Od czego zależy efektywność instalacji fotowoltaicznej 34

1.5.1. Temperatura 35

1.5.2. Zacienienie 35

1.5.3. Nasłonecznienie 40

1.5.4. Warunki atmosferyczne 41

1.5.5. Miejsce montażu paneli fotowoltaicznych 41

1.5.6. Orientacja domu względem stron świata 45

1.5.7. Łatwość dostępu 46

1.5.8. Okablowanie i połączenia przewodów 46

1.5.9. Niedopasowanie wydajności falownika 46

1.5.10. Wiek paneli fotowoltaicznych 47

1.5.11. Straty w systemie fotowoltaicznym 47

1.5.12. Sposoby łączenia paneli fotowoltaicznych 48

1.6. Moc nominalna paneli fotowoltaicznych i ich sprawność 53

1.6.1. Tolerancja mocy paneli fotowoltaicznych 56

1.7. Dobór wielkości instalacji fotowoltaicznej dla domu 58

1.7.1. Dobór liczby paneli fotowoltaicznych 59

1.8. Systemy instalacji fotowoltaicznych 60

1.8.1. System fotowoltaiczny wydzielony typu off-grid 60

1.8.2. System fotowoltaiczny dołączony do sieci typu on-grid 62

1.8.3. System fotowoltaiczny hybrydowy 64

1.9. Falowniki w instalacjach fotowoltaicznych w domach jednorodzinnych 65

1.10. Zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej 68

1.11. Panele fotowoltaiczne a zagrożenie pożarowe 69

1.11.1. Przyczyny pożaru instalacji fotowoltaicznej 70

1.11.2. Przyczyny wystąpienia łuku elektrycznego w instalacji fotowoltaicznej 74

1.11.3. Jak uniknąć pożaru instalacji fotowoltaicznej 75

1.11.4. Działania prewencyjne 75

1.11.5. Postępowanie w przypadku pożaru instalacji fotowoltaicznej 78

1.12. Rozliczanie energii elektrycznej wytworzonej przez prosumentów 79

1.13. Instalacja fotowoltaiczna – korzyści dla użytkowników 80

1.13.1. Pierwszy przypadek – gospodarstwo domowe dwuosobowe 81

1.13.2. Drugi przypadek – gospodarstwo domowe czteroosobowe 84

1.13.3. Trzeci przypadek – zakład produkcyjny 88

1.14. Rachunek ekonomiczny 93

1.14.1. Rachunek okresu zwrotu nakładów 93

1.15. Fotowoltaika w obowiązującym systemie prawnym 98

1.15.1. Fotowoltaika w świetle nowych uwarunkowań prawnych w 2022 r. 99

1.15.2. Fotowoltaika w 2022 r. a rachunki za prąd 101

1.15.3. Czynniki decydujące o wprowadzeniu zmian do fotowoltaiki 103

1.16. Instalacja fotowoltaiczna a pozwolenie na budowę 104

1.17. Umowa z wykonawcą instalacji fotowoltaicznej 104

1.18. Zalety instalacji fotowoltaicznej 105

1.19. Wady instalacji fotowoltaicznej 106

1.20. Inne zastosowanie paneli słonecznych w życiu codziennym 107

Rozdział 2. Energia słoneczna źródłem ciepła dla domu

2.1. Instalacja solarna i rodzaje kolektorów słonecznych 115

2.1.1. Kolektory słoneczne – powietrzne 116

2.1.2. Kolektor cieczowy płaski 117

2.1.3. Kolektory cieczowe próżniowe 118

2.1.4. Kolektory słoneczne skupiające 119

2.2. Miejsca montażu instalacji solarnej 120

2.2.1. Montaż kolektorów słonecznych nad połacią dachu 122

2.2.2. Montaż kolektorów słonecznych w połaci dachu 123

2.3. Podgrzewacze ciepłej wody w instalacjach solarnych 126

2.3.1. Podgrzewacz monowalentny 126

2.3.2. Podgrzewacz biwalentny 127

2.3.3. Podgrzewacz multiwalentny 128

2.4. Warianty instalacji solarnej 128

2.4.1. Instalacja z podgrzewaczem wody z jedną wężownicą 129

2.4.2. Instalacja z zasobnikiem biwalentnym 130

2.4.3. Instalacja z zasobnikiem monowalentnym i wymiennikiem ciepła 131

2.4.4. Instalacja do ogrzewania wody basenowej 132

2.5. Układy kolektorów słonecznych w instalacjach solarnych 134

2.5.1. Kolektor solarny z wymiennikiem harfowym 134

2.5.2. Kolektor solarny z wymiennikiem harfowym dzielonym 135

2.5.3. Kolektor solarny z wymiennikiem meandrycznym 136

2.5.4. Kolektor z wymiennikiem meandrycznym odwróconym 137

2.5.5. Układ szeregowy kolektorów słonecznych 138

2.5.6. Układ równoległy kolektorów słonecznych 140

2.5.7. Połączenie równoległe większej liczby kolektorów słonecznych 142

2.5.8. Połączenie równoległe kolektorów słonecznych o różnych powierzchniach 143

2.5.9. Układ szeregowo-równoległy kolektorów słonecznych 144

2.5.10. Niestandardowe układy połączeń kolektorów słonecznych 146

2.6. Wielkość układu solarnego 148

2.6.1. Niedoszacowanie układu solarnego 149

2.6.2. Przewymiarowanie układu solarnego 149

2.7. Dobór kolektorów słonecznych do systemu solarnego 150

2.7.1. Ustalenie wielkości kolektora słonecznego 152

2.7.2. Wyznaczenie wymaganej wielkości powierzchni absorbera oraz liczby kolektorów 153

2.7.3. Wyznaczenie pojemności zasobnika ciepłej wody 157

2.8. Zabezpieczenie instalacji ciepłej wody przed poparzeniem 157

2.9. Błędy podczas montażu i uruchamiania instalacji solarnej 159

2.10. Opłacalność instalacji solarnej a alternatywne rozwiązania 164

2.10.1. Teoretyczny zwrot nakładów inwestycyjnych instalacji solarnej 166

2.10.2. Instalacja solarna a konwencjonalne źródła energii 166

2.11. Zalety i wady instalacji solarnej 170

Rozdział 3. Pompy ciepła

3.1. Budowa pompy ciepła – 175

3.2. Zasada działania pompy ciepła – 176

3.3. Rodzaje pomp ciepła – 179

3.3.1. Układy pracy pomp ciepła – 181

3.4. Efektywność pomp ciepła – 182

3.5. Dolne źródło ciepła – 184

3.5.1. Powietrze – 187

3.5.2. Grunt – 189

3.5.3. Woda gruntowa – 197

3.5.4. Wody powierzchniowe – 198

3.5.5. Ciepło ze ścieków – 199

3.6. Górne źródło ciepła – 202

3.6.1. Ciepła woda użytkowa – 202

3.6.2. Ogrzewanie podłogowe – 204

3.6.3. Ogrzewanie ścienne – 206

3.6.4. Ogrzewanie sufitowe – 207

3.6.5. Klimakonwektor – 208

3.6.6. Grzejniki niskotemperaturowe – 209

3.7. Problemy w pracy systemu grzewczego z pompą ciepła – 210

3.7.1. Błędy na etapie projektowania systemu – 211

3.7.2. Błędy montażowe – 213

3.7.3. Błędy eksploatacyjne – 216

3.8. Zalety instalacji z pompami ciepła – 217

3.9. Wady instalacji z pompami ciepła – 218

3.10. Koszty ogrzewania budynków pompą ciepła na tle innych metod ogrzewania – 219

3.10.1. Roczne zapotrzebowanie energetyczne budynku – 219

3.10.2. Koszty ogrzewania budynków różnymi metodami – 220

Zakończenie 229

Bibliografia 231

Słownik pojęć 239

Wykaz rysunków, fotografii i tabel 261