Energia wiatru powstaje dzięki różnicy temperatur mas powietrza, spowodowanej nierównym nagrzewaniem się powierzchni Ziemi. Turbina wiatrowa uzyskuje swoją moc poprzez konwersję wiatru poprzez moment obrotowy działając na łopaty wirnika produkując energię elektryczną. Energia wiatru jest szeroko dostępna, redukuje emisję gazów cieplarnianych, gdyż zastępuje energetykę konwencjonalną opartą na paliwach kopalnych.

Zmienność wiatru nie powoduje dużych wahań w działaniu systemów energetycznych, o ile nie stanowi dominującego udziału energii. Według duńskich doświadczeń zalecany udział energii wiatrowej w systemie energetycznym nie powinien przekraczać 20%.

Turbiny wiatrowe mogą być budowane i na lądzie, i na wodzie tzw. off-shore, przy czym większy uzysk energii jest możliwy na farmach morskich oraz ich lokalizacja jest mniej kłopotliwa dla skupisk ludzkich, jednak przyłączenie do sieci takiej elektrowni jest bardziej skomplikowane.

Współcześnie dostępne turbiny mają rozpiętość od kilkudziesięciu kW, po duże kilku megawatowe urządzenia. Na koniec roku 2008 całkowita zainstalowana moc wynosiła 1,5GW, stanowiąc 1,5% światowego zużycia energii elektrycznej. Moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce to ~724 MW (stan 31.12.2009, źródło URE).
Energia wiatrowa odgrywa coraz większą rolę w światowym bilansie energetycznym, decyduje o tym przede wszystkim rozwój dużych farm wiatrowych.
 

 

Farma wiatrowa. Farma wiatrowa w Małopolsce. (Źródło: http://krakoff.info)

 

Główny element siłowni wiatrowej to wirnik przekształcający energię wiatru w energię mechaniczną, z której z kolei generator produkuje energię elektryczną. Osadzony na wale wolnoobrotowym wirnik posiada zwykle trzy łopaty, wykonane ze wzmocnionego poliestrem włókna szklanego. Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę. Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów na minutę. Przekładania połączona jest z wałem szybkoobrotowym, a ten z kolei z generatorem. Generator, przekładnia, a także monitorujący siłownię system sterowania oraz układy smarowania, chłodzenia i hamulec umieszczone są w gondoli, zamocowanej wraz z wirnikiem na stalowej wieży o wysokości od 30 do 100 m. Na szczycie wieży znajduje się silnik i przekładnia zębata, których zadaniem jest obracanie wirnika i gondoli w kierunku wiatru.
 

 

Źródło: energiazwiatru.w.interia.pl

Najbardziej istotną cechą energii wiatrowej jest jej duża zmienność, zarówno w przestrzeni jak i w czasie. Zmienność wiatru w czasie dotyczy bardzo szerokiej skali czasu - od sekund do lat, z tego powodu wyróżniono różne rodzaje zmienności wiatru w czasie: wieloletnia, roczna, dobowa, synoptyczna.
 

Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru w zakresie jego prędkości od 4 do 25 m/s. Przy prędkości wiatru mniejszej od 4 m/s moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach powyżej 25 m/s ze względów bezpieczeństwa elektrownia jest zatrzymywana.

 

Źródło: Atlas klimatu Polski pod redakcją Haliny Lorenc, IMGW. Warszawa 2005
 

Wydajność siłowni wiatrowych w dużej mierze zależna jest od ich lokalizacji w terenie. Na wydajność siłowni zasadniczy wpływ ma ukształtowanie terenu (podłużne wzgórza, pojedyncze wzgórza i góry, skarpy zagłębienia, przełęcze), przeszkody (budynki, drzewa). Płaski obszar porośnięty trawą jest typowym przykładem terenu o jednolitej szorstkości. Na tym obszarze prędkość wiatru na wybranej wysokości jest prawie jednakowa. Przeszkody terenowe (budynki, rzędy drzew, pojedyncze drzewa), znajdujące się na drodze przesuwających się mas powietrza, powodują gwałtowne zmniejszenie prędkości wiatru i wzrost turbulencji w jej pobliżu. Zaburzenie w przepływie wywołane przeszkodą ma niezwykle negatywny wpływ na trwałość i żywotność konstrukcji elektrowni, aczkolwiek współczesne obiekty charakteryzują się wysoką niezawodnością i trwałością.
Podstawą budowy elektrowni wiatrowej jest rzetelny audyt wietrzności. Jest to badanie określające, jaką minimalną ilość energii może wyprodukować dane urządzenie, w danym miejscu, umieszczone na maszcie o określonej wysokości. Pomiar wiatru (zalecany 12 – miesięczny) dokonywany jest za pomocą masztu pomiarowego o określonej wysokości.
 

Są, to elektrownie wiatrowe o mocy 0,5 kW do 20 kW
W odróżnieniu od dużych turbin wiatrowych mogą być stosowane tam, gdzie panują mniej korzystne warunki wiatrowe. Nie potrzebują znacznej ilości niezabudowanego terenu, nie emitują też uciążliwego szumu, jaki wytwarzają końcówki łopat dużych generatorów. Mogą być instalowane w miastach na słupach oświetleniowych oraz na dachach budynków.
 

 

Źródło: www.globe-energy.pl

 

Małe elektrownie wiatrowe znajdują szerokie zastosowanie do zasilania samodzielnych systemów telekomunikacyjnych i nawigacyjnych, gospodarstw oraz domów letniskowych, niewielkich osad ludzkich, pompowni i stacji odsalania wody morskiej, nawadniania, oświetlenia wolnostojących obiektów oraz wielu innych systemów odległych od sieci energetycznej. Małe elektrownie wiatrowe często współpracują w systemach hybrydowych z modułami fotowoltaicznymi lub generatorami dieslowskimi, co pozwala na niezawodne i optymalne zaspokojenie zapotrzebowania na energię.

W przypadku MEW pomiar wiatru przeprowadza się w miejscu wybranym pod lokalizację małej turbiny wiatrowej. Pomiar trwa nie krócej niż trzy miesiące i zostaje zakończony, jeżeli wyniki są zgodne z ogólną tendencją warunków wiatrowych danego obszaru.

Technologie energii słonecznej bazują na wykorzystaniu energii cieplnej do celów grzewczych, a także wykorzystują promieniowanie słoneczne do produkcji energii elektrycznej. Dziś energia słoneczna jest jednym z najszybciej rozwijających się przemysłów na świecie i jedną z najszybciej rozwijającą się technologią energetyczną.

Roczna gęstość promieniowania słonecznego w Polsce na płaszczyznę poziomą waha się w granicach 950 - 1250 kWh/m2. Około 80% całkowitej rocznej sumy nasłonecznienia przypada na sześć miesięcy sezonu wiosenno-letniego, od początku kwietnia do końca września, przy czym czas operacji słonecznej w lecie wydłuża się do 16 godz./dzień, natomiast w zimie skraca się do 8 godzin dziennie


Źródło: Atlas klimatu Polski pod redakcją Haliny Lorenc, IMGW. Warszawa 2005

W skali roku w Polsce możemy liczyć na usłonecznienie w przedziale od 1390 do 1900 godzin, w zależności od regionu. W województwie mazowieckim jest to 1550 do 1700 Średnio przyjmuje się wartość około 1600 godzin.

Planując inwestycje w technologie energii słonecznej należy jednak pamiętać, że nasłonecznienie podlega wahaniom w zależności od pory dnia i roku, a w naszej strefie klimatycznej pogoda jest kapryśna, co wpływa na zmienną ilość dni słonecznych w roku.

Zastosowania kolektorów słonecznych

Kolektory słoneczne służą do konwersji fotochemicznej energii słonecznej w ciepło użyteczne, do wykorzystania dla potrzeb ogrzewania pomieszczeń (c.o.), produkcji ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), chłodzenia oraz wytwarzania ciepła technologicznego.
 

Przeważnie kolektory słoneczne umieszczamy na dachach domów, stosunkowo rzadko na elewacjach. Spotyka się także konstrukcje wolnostojące, na działkach. Tego typu rozwiązania mają sens wtedy, kiedy posiadamy dość spory teren, a w pobliżu nie ma drzew czy zabudowań. Najlepiej jest zorientować powierzchnię kolektora w kierunku południowym. Wg badań optymalna wartość kąta nachylenia kolektora powinna wynosić ok. 42 - 55 st. C.

Najważniejszym elementem kolektora słonecznego jest absorber z blachy miedzianej lub aluminiowej, rzadziej stalowej, do której przymocowane na całej swojej długości są rury miedziane, przez które przepływa czynnik niezamarzający. Całość pokryta jest warstwą wysokoselektywną, czyli taka, która posiada bardzo wysoki współczynnik absorpcji dla promieniowania słonecznego oraz niski współczynnik emisji dla promieniowania podczerwonego. Aby uchronić absorber przed stratą ciepła do otoczenia umieszcza się go w szczelnym "pudle" dobrze izolowanym płytą poliuretanową lub wełną mineralną od spodu. Całość przykryta jest szybą. Drugim równie ważnym elementem jest jego przeźroczyste pokrycie. Najczęściej używa się szyb szklanych hartowanych o niskiej zawartości żelaza w celu zwiększenia przepuszczalności dla promieniowania słonecznego.

Źródło: http://www.southface.org

Próżniowe kolektory słoneczne
Kolektory próżniowe to wysoko zaawansowany, szczytowy produkt techniki solarnej. Jest do 30% sprawniejszy od kolektorów płaskich, zwłaszcza w okresach wiosennym i jesienno - zimowym. Wynika to ze zdolności kolektora próżniowego do absorbowania promieniowania rozproszonego i drastycznie ograniczonych strat ciepła dzięki próżni w rurach kolektora.
 

Źródło: postcarbon.pl

W tego typu kolektorach słonecznych powierzchnia absorbująca znajduje się wewnątrz szklanych rurek, które ze względu na panującą w nich próżnię muszą być dodatkowo odporne na działanie ciśnienia. Kilka rurek połączonych szeregowo lub częściej przez rozdzielacz tworzą kolektor słoneczny. Dużą zaletą kolektorów próżniowych są wysokie temperatury uzyskiwane przez czynnik grzewczy. Temperatury rzędu 150 st. C mogą posłużyć do ogrzewania wody, ale także do produkcji pary technologicznej.

Ogniwa fotowoltaiczne
Ogniwa fotowoltaiczne (PV) służą do przekształcania energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną za pomocą tzw. ogniw słonecznych. Ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały (DC), który przekształcany jest w prąd zmienny (AC) lub bezpośrednio ładuje akumulatory. Wykorzystuje się je w elektrowniach słonecznych, do ogrzewania domów, w małych zegarkach i kalkulatorach, a przede wszystkim w przestrzeni kosmicznej, gdzie promieniowanie słoneczne jest dużo silniejsze.

Obecnie wyróżnia się trzy typy ogniw fotowoltaicznych:

-monokrystaliczne – wykorzystujące jednorodną warstwę krzemu;
-polikrystaliczne – wykorzystujące niejednorodną warstwę krzemu;
-amorficzne – krzemowe ogniwa, w których krzem jest materiałem mniej uporządkowanym w stosunku do klasycznych ogniw.

Ogniwa monokrystaliczne stosuje się zazwyczaj przy mocach do 150-180W jednego panelu fotowoltaicznego, z kolei polikrystaliczne są stosowane dla mocy powyżej 200W w jednym panelu fotowoltaicznym. Natomiast ogniwa z krzemu amorficznego są powszechnie używane w produktach wymagających małej mocy zasilania (kalkulatory kieszonkowe, zegarki, itp.).
Typowe ogniwo fotowoltaiczne jest to płytka półprzewodnikowa z krzemu krystalicznego lub polikrystalicznego, w której została uformowana bariera potencjału np. w postaci złącza p-n. Grubość płytek zawiera się w granicach 200 - 400 mikrometrów. Na przednią i tylnią stronę płytki naniesione są metaliczne połączenia, będące kontaktami i pozwalające płytce działać jako ogniwo fotowoltaiczne.

Źródło: Solarpraxis AG, Berlin, Germany

Pojedyncze ogniwo produkuje zazwyczaj pomiędzy 1 a 2 W, co jest niewystarczające dla większości zastosowań. Dla uzyskania większych napięć lub prądów ogniwa łączone są szeregowo lub równolegle tworząc moduł fotowoltaiczny. Moduły są hermetyzowane, aby uchronić je przed korozją, wilgocią, zanieczyszczeniami i wpływami atmosfery. Obudowy muszą być trwałe, ponieważ dla modułów fotowoltaicznych oczekuje się czasów życia przynajmniej 20 - 30 lat. Na rynku znajduje się szeroki wachlarz modułów o różnej wielkości pokrywający zapotrzebowanie na szybko rosnącą ilość zastosowań fotowoltaicznych
 

1. Ogniw fotowoltaicznych.
2. Kontrolera – ma za zadanie stabilizowanie energii wychodzącej z ogniwa oraz stanowi jednocześnie system ładujący akumulatory.
3. Akumulatorów – przy systemie off-grid.
4. Inwertera – będącego przetwornicą napięcia stałego na napięcie zmienne sieciowe – 230V.
Przemysł fotowoltaiczny rozwija się bardzo dynamicznie - notowany jest wzrost o 50% rocznie, a nawet więcej. Poszukiwane są nowe rozwiązania dążące do lepszych uzysków ogniw, oraz minimalizacji kosztów wytworzenia. Nawet pomimo tak silnego rozwoju, energia z ogniw fotowoltaicznych stanowi tylko 0,02% całkowitego zużycia energii elektrycznej na świecie.