Energetyka solarna w badaniach naukowych

Rozwój energetyki zależny jest od wielu czynników: stanu wiedzy, możli­wości technicznych, dostępu do nośników etc. Kluczowym pozostaje jed­nakże polityka. Jej prymat jest niepodważalny. Opłaty celowe, cła, akcyzy, koncesje... - to instrumenty, które determinują opłacalność zastosowania określonego nośnika energii. Na każdej zakupionej baryłce ropy naftowej państwo zarabia przynajmniej jeszcze raz tyle, ile płaci za nią eksporterowi. Podobne zyski przynosi sprzedaż obywatelom gazu ziemnego.

Korzystanie z importowanych paliw kopalnych ma z punktu widzenia ugrupowań rządzących jeszcze jedną poważną zaletę. Pozwala funkcjono­wać spółkom energetycznym, których udziałowcem jest Skarb Państwa. Fir­my te zapewniają każdorazowo przy zmianie władzy w Polsce kilkadziesiąt tysięcy miejsc pracy zapleczu i poplecznikom partii wygrywającej wybory. Profitów z tego tytułu jest znacznie więcej. Powszechne od lat finansowa­nie przychylnych władzy mediów przez zakup w nich reklam to najlepiej dostrzegalny przejaw korzyści płynących z tytułu nadzoru właścicielskiego nad nadmienionymi podmiotami gospodarczymi. Przykłady dokumentują­ce ten stan rzeczy przytaczać można bardzo długo.

Preferencje dla inwestycji obiektów wykorzystujących spalanie nośników w procesie wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej występują już na po­ziomie lokalnym. Dla wójtów, burmistrzów, prezydentów miast oznaczają nowe miejsca pracy i w tradycyjnym ujęciu aktywizację gospodarczą. Elek­trownie wiatrowe czy fotowoltaiczne z tego punktu widzenia mają znacz­nie mniej utylitarny charakter. Stanowią element zgoła odmiennego ładu. Porządku pisanego przez nowe technologie i automatyzację; postępu, który niesie za sobą obawy i niepewność.

W Polsce niechęć decydentów do Odnawialnych Źródeł Energii ma cha­rakter strukturalny i obecna jest na wszystkich szczeblach administracji tak publicznej, jak samorządowej i państwowej. Nietrudno dostrzec w takiej po­stawie naturalny lęk przed przebudową stosunków społecznych, jakie nieodwracalnie podążają wraz z rewolucją technologiczno-informatyczną, której energetyka jest integralną częścią. Odzwierciedlający się w Polsce w regula­cjach prawnych sceptycyzm wobec wytwarzania energii elektrycznej z in­nych niż kopaliny nośników - to nic innego jak obrona systemu politycznego przed zastąpieniem go innym.

Fotowoltaika spełnia wszelkie wymogi, by uchodzić za forpocztę prze­strzeni społecznej dającej się określić mianem demokracji energetycznej. Dla indywidualnych konsumentów jest to zdecydowanie najtańsze rozwią­zanie, które umozliwia samodzielną produkcję elektryczności. Jego siła tkwi w możliwości wykorzystania darmowego i powszechnie dostępnego dla każ­dego nośnika energii, jakim jest promieniowanie słoneczne. Z największą zatem przyjemnością oddaję Państwu do dyspozycji tom zawierający nauko­we opracowania związane z energetyką solarną, z których gros poświęcona jest właśnie produkcji energii elektrycznej z zastosowaniem technologii fo­to woltaicznej.

Część pierwsza książki koncentruje się na szeroko pojętej społecznej płaszczyźnie zagadnień z zakresu energetyki solarnej, przybliżając m.in. kwestie gospodarcze, prawne, polityczne. Otwiera ją rozdział autorstwa re­daktora naczelnego niniejszej monografii. Tekst może uchodzić za formę wprowadzenia do dalszych części książki. Treść poświęcona została histo­rii odkryć naukowych i procesowi pogłębiania wiedzy na temat zjawiska fotowoltaicznego. Przybliża dzieje praktycznego wykorzystania rezultatów poszukiwań badawczych. Przekaz nie dotyczy jednakże wyłącznie przeszłości. Narracja skonstruowana została tak, by wyeksponować także społeczne znaczenie masowego zastosowania ogniw słonecznych i roli, jaką ich upo­wszechnienie może odegrać w kształtowaniu nowych realiów politycznych.

Zagadnienie przyszłości fotowoltaiki w naszym kraju stało się przed­miotem dociekań badawczych Moniki Ziółko. W rozdziale swego autor­stwa dokonała ona analizy porównawczej wykorzystania promieniowania słonecznego jako nośnika w procesie wytwarzania energii elektrycznej w Polsce oraz innych państwach Unii Europejskiej. Wskazała także okolicz­ności sprzyjające wzrostowi mocy zainstalowanej, a tym samym zwiększeniu udziału, jaki zajmuje w miksie energetycznym kraju ten sektor energetyki.

Perspektywy rozwoju fotowoltaiki w Polsce poddane zostały analizie także przez Przemysława Zaleskiego. Autor kreśli dynamikę wzrostu popularno­ści, jaka ostatnimi laty cechuje energetykę solarną w naszym kraju. Omawia też kwestie uwarunkowań prawnych, które stanowią istotny element konku­rencyjności na rynku technologii wytwarzania energii elektrycznej.

Prognozy dla fotowoltaiki w Polsce stanowią treść rozdziału napisanego przez Janusza Flaszę, Marka Popowicza, Pawła Matuszczyka, Tomasza Popławskiego. I tu w spectrum zainteresowania autorów znalazły się regulacje prawne. Przybliżono rozwój prosumenckich instalacji fotowoltaicznych w świetle aktualnych rozwiązań legislacyjnych wraz z przykładem opłacalności takiej instalacji dla budynku jednorodzinnego.

Dalsze losy branży fotowoltaicznej w dużej mierze związane są z akceptacją jej przez społeczeństwo, z przekonaniem do niej tych, którzy z konsumentów energii elektrycznej gotowi są stać się prosumentami. Kwestią doboru wielkości instalacji fotowoltaicznych do potrzeb małych gospodarstw domowych zajęli się Piotr Olczak i Monika Pepłowska. Analizę przeprowadzono dla lokalizacji miasta Poznania. W badaniach uwzględniono różne kąty nachylenia paneli fotowoltaicznych, nie odnoszono się natomiast do sprawności inwentera oraz instalacji domowej.

Rola i potencjalne znaczenie fotowoltaiki stały się inspiracją poszukiwań naukowych Lidii Grzegorczyk. W rozdziale swego autorstwa podejmuje niezwykle istotną kwestię możliwości, jakie niesie za sobą ta technologia dla przebudowy systemu energetycznego w Polsce. W tekście szczególne miejsce przypisano generacji rozproszonej, ściśle łącząc ją z OZE, a w szczególności wykorzystywaniu promieniowania słonecznego. W treści podjęto też zagadnienia pozycji, jaką ma szansę zająć fotowoltaika w zaopatrzeniu infrastruktury energetycznej miast, w tym również smart city.

Fotowoltaika jako narzędzie przebudowy istniejącego systemu elektro-energetycznego stanowi przedmiot dociekań w kolejnym rozdziale. Redaktor monografii uznaje proces „demokratyzacji energetyki” za zjawisko o charakterze globalnym właściwe dla najnowocześniejszych gospodarek świata. Dostrzega w nim wpływ upowszechnienia się fotowoltaiki będącej najtańszą kosztowo inwestycją w źródła zasilania w energetyce niezawodowej. Dostrzega też sprzeczność interesów między umasowieniem instalacji fotowoltaicznych a panującym w Polsce systemem politycznym. Jako prze-jaw tego stanu rzeczy wskazuje przykłady tworzenia barier natury administracyjno-prawnej dla inicjatywy i ruchy proobywatelskie będące nośnikami realizatorami idei prosumenckiej.

W ostatnim rozdziale części pierwszej Sławomir Szymocha podjął tematykę związaną z wykorzystaniem jednostek pomiarowych zasilanych fotowoltaicznie. Przeprowadzono przegląd obecnych rozwiązań z uwzględnieniem miejsca zastosowania oraz celowości wykorzystania energii fotowoltaicznej jako źródła zasilania. Omówiono problematykę wykorzystywania energii PV jako źródła zasilania oraz zasady doboru paneli. Autor przedstawia wy­korzystanie urządzeń pomiarowych zasilanych fotowoltaicznie w sektorze publicznym na terenie Polski. Nakreślił też związane ze stosowaniem w ta­kiej przestrzeni urządzeń fotowoltaicznych zalety w postaci edukacyjnego oddziaływania na stan wiedzy i świadomość społeczeństwa w zakresie od­nawialnych źródeł energii.

Część drugą książki poświęcono nowym technologiom oraz pionier­skim projektom i rozwiązaniom technicznym. Wprowadzeniem do niej jest rozdział traktujący o budowie współczesnych ogniw fotowoltaicznych. Na­pisany został przez Pawła Matuszczyka reprezentującego Politechnikę Częstochowską. Autor podejmuje się przybliżenia konstrukcji nowoczesnych ogniw oraz omawia ich techniczne możliwości. Zważywszy na istnienie kil­kunastu ich typów kryteria klasyfikacji i podziału nabierają szczególnego znaczenia przez wzgląd na odmienną charakterystykę ich pracy, a przez to także i zastosowanie.

Kontynuacją, a zarazem pewnym zawężeniem tematycznym wspomnia­nego zagadnienia, pozostaje tekst następnego rozdziału, który Paweł Ma­tuszczyk napisał wspólnie z Januszem Flaszą. Autorzy skupili uwagę na właściwościach półprzewodzących barwników oraz ogniw fotowoltaicznych zbudowanych z materiałów organicznych. W treści przybliżone zostały wła­ściwości pracy takich jednostek łączących w sobie wspomniane elementy, zalety oraz wady ich stosowania.

Modelowanie i analiza pracy modułu fotowoltaicznego w lokalnych warun­kach atmosferycznych - to tytuł rozdziału pióra Bartosza Cerana. Przedsta­wił on wyniki badań symulacyjnych mających na celu określenie wpływu nasłonecznienia, temperatury pracy oraz parametrów konstrukcyjnych mo­dułu fotowoltaicznego na jego wydajność energetyczną, np. na podstawie pomiarów natężenia promieniowania słonecznego określono ilość energii wytworzonej przez moduł w wybranych miesiącach, wpływ natężenia pro­mieniowania słonecznego na sprawność urządzenia etc.

Rozdział autorstwa Tomasza Jarmudy oraz Stanisława Mikulskiego przed­stawia model symulacyjny modułu fotowoltaicznego o mocy 20 W wykona­nego w technologii polikrystalicznej, zaimplementowanego w środowisku MATLAB & SIMULINK. Wprowadzono w nim możliwość implementa­cji nierównomiernego rozkładu strumienia promieniowania słonecznego (irradiancji) na powierzchni modułu.

Artur Bugała oraz Grażyna Frydrychowicz-Jastrzębska podjęli kwestię rozwoju technologii słonecznych ogniw organicznych III generacji. Przed-

stawiono nie tylko najważniejsze tendencje, jakie dominują obecnie w ich produkcji, ale też wyeksponowano zalety wybranych rozwiązań: elastyczność i giętkość, niską masę cząsteczkową, stosukowo niewielkie koszty wytworze­nia etc. Szczególną uwagę poświęcono szerokim możliwościom ingerencji w chemiczną strukturę substratów celem ich modyfikacji, co umożliwia uzy­skanie struktur o zróżnicowanych własnościach i implikuje wszechstronny zakres ich aplikacji.

Niezwykle istotną kwestię, jaką jest diagnostyka sprawności paneli fo­towoltaicznych, podjęli Jakub Osuchowski i Paweł Michalski. Rozdział po­rusza zagadnienia dotyczące możliwości wykorzystania metod wizyjnych. Główny nacisk położono na rozwiązania, które można wykorzystywać dla dużych powierzchni, na jakich znajdują się farmy fotowoltaiczne. Wyeks­ponowane zostało wykorzystanie parametru współczynnika odbicia, który można potraktować jako informację o czystości powierzchni badanej. Au­torzy zaproponowali też hybrydowy model danych, który integruje wiele z aktualnie dostępnych danych w jednym zbiorczym formacie, a zarazem pozwala na przechowywanie informacji termowizyjnej, topologicznej oraz o paśmie RGB.

Poruszana w części pierwszej książki problematyka wykorzystania ener­gii słonecznej w systemach grzewczych stosowanych w budownictwie jedno­rodzinnym kontynuowana jest w kolejnym rozdziale pióra Piotra Olczaka, Jadwigi Zabagło, Stanisława Kandefera oraz Jakuba Dziedzica. Autorzy nie zajęli się wprawdzie fotowoltaiką, lecz solarnymi panelami do grzania wody, czyli urządzaniami starszej generacji. Zadanie, jakie postawili przed sobą, ma jednak zgoła odmienny cel niż propagowanie nowych rozwiązań. Przed­miotem analizy było ustalenie, w jakim stopniu wykorzystanie nawet zupeł­nie najprostszych technologii przyjaznych środowisku może przyczynić się w przypadku domostw ogrzewanych z wykorzystaniem kopalnych surow­ców energetycznych do ograniczenia niepożądanych emisji pyłu oraz odpa­dów w postaci popiołu.

Wydajność takiej właśnie instalacji słonecznej z kolektorem płaskim omówiona została w rozdziale pióra Danuty Proszak-Miąsik. Autorka wska­zuje, jak uniknąć jej przewymiarowania lub nie wy miarowania, a tym sa­mym uniknąć przegrzania i uszkodzenia urządzenia.

Estera Bożek oraz Mariusz Zdunek także podjęli badania związane z sze­roko pojętą energetyką solarną. Przedmiotem ich zainteresowań jest wyko­rzystanie koncentratorów promieniowania słonecznego. Uzyskiwanie tym sposobem ciepła o bardzo wysokiej temperaturze analizowano w kontekście zasilania chłodziarki sorpcyjnej. Rozwiązanie to pozwala wykorzystać w okresie letnim potencjał promieniowania słonecznego do produkcji chło­du w momencie największego zapotrzebowania.

Modułowy sterownik systemów solarnych, a precyzyjniej jego koncept znalazł się w centrum zainteresowań badawczych Jana Porzuczka. Oma­wia on rozwiązanie, które umożliwia integrację funkcji znacząco popra­wiających komfort i niezawodność eksploatacji instalacji. Prezentowane podejście może uchodzić za zbieżne z głównym nurtem automatyzacji sys­temów fotowoltaicznych, tak w budownictwie mieszkaniowo-biurowym, jak i w projektach przemysłowych.

Paweł Wajss oraz Mariusz Filipowicz w rozdziale swego autorstwa przy­bliżyli koncepcję sferycznego układu nadążnego za pozornym ruchem Słońca po nieboskłonie, działającego w oparciu o zasadę zmiany położenia środka ciężkości. Przedstawiono wyniki pierwszych testów prototypu urzą­dzenia zbudowanego na Wydziale Energetyki i Paliw AGH.

SPIS TREŚCI

Noty o autorach           

Wstęp

Gospodarka - Prawo - Polityka

Piotr Kwiatkiewicz

Od odkrycia zjawiska fotowoltaicznego po farmy solarne

Monika Ziółko

Rozwój fotowoltaiki w polsce na tle innych krajów Unii Europejskiej

Przemysław Zaleski

Perspektywy rozwoju fotowoltaiki w Polsce

Janusz Flasza, Marek Popowicz, Paweł Matuszczyk, Tomasz Popławski

Rozwój prosumenckich instalacji fotowoltaicznych w świetle najnowszych rozwiązań legislacyjnych

Piotr Olczak, Monika Pepłowska

Problematyka doboru wielkości przydomowych instalacji fotowoltaicznych

Lidia Grzegorczyk

„Kolos na glinianych nogach” alternatywą dla współczesnej ekoenergetyki - generacja rozproszona a technologie słoneczne           

Piotr Kwiatkiewicz

Proobywatelski wymiar energetyki rozproszonej - casus fotowoltaiki

Sławomir Szymocha

Autonomiczna jednostka fotowoltaiczna jako wielofunkcyjny system użyteczności publicznej    

Technika

Paweł Matuszczyk

Budowa współczesnych ogniw fotowoltaicznych          

Paweł Matuszczyk, Janusz Flasza

Organiczne ogniwa fotowoltaiczne uczulane barwnikiem

Bartosz Ceran

Modelowanie i analiza pracy modułu fotowoltaicznego w lokalnych warunkach atmosferycznych           

Tomasz Jarmuda, Stanisław Mikulski

Symulacja stochastycznych zmian irradiancji na powierzchni modułów PBV w środowisku Matlab & Simulink

Artur Bugała, Grażyna Frydrychowicz-Jastrzębska

Dynamiczny rozwój technologii słonecznych ogniw organicznych III generacji

Jakub Osuchowski, Paweł Michalski

Analiza powierzchni paneli fotowoltaicznych z wykorzystaniem metod wizyjnych

Piotr Olczak, Jadwiga Zabagło, Stanisław Kandefer, Jakub Dziedzic

Wpływ pracy instalacji solarnej z kolektorami płaskimi w domu jednorodzinnym na ograniczenie emisji zanieczyszczeń i strumienia odpadów    

Danuta Proszak-Miąsik

Określenie wydajności instalacji słonecznej z kolektorem płaskim

Estera Bożek, Mariusz Zdunek

Nowoczesne systemy chłodnicze zasilane skoncentrowanym promieniowaniem słonecznym

Jan Porzuczek

Koncepcja modułowego sterownika systemów solarnych

Paweł Wajss, Mariusz Filipowicz

Układ nadążny za pozornym ruchem słońca o kształcie sferycznym