URZĄDZENIA I SYSTEMY ENERGETYKI ODNAWIALNEJ

Urządzenia i systemy energetyki odnawialnej wyd. XVII 2024

Ryszard Tytko

Brak na rynku wydawniczym publikacji popularnonaukowej, dotyczącej praktycznego wykorzystania odnawialnych źródeł energii, stał się bardzo widoczny w obliczu rosnącego zainteresowania tą tematyką. W związku z tym podjąłem się opracowania publikacji skierowanej do szerokiego grona odbiorców, zainteresowanych tą dziedziną techniki, w teorii i w praktyce.
Jest to kolejne wydanie serii książek, które opublikowałem z dziedziny praktycznego wykorzystania OZE. Starałem się przedstawić w niej w sposób kompleksowy, zagadnienia związane z wykorzystaniem energii: słonecznej, geotermalnej, wodnej,wiatrowej, biomasy, wodoru i sposobie jej magazynowania. W opracowaniu tym szczególną uwagę zwróciłem na wpływ, jaki mają urządzenia zasilane z OZE na rozwój naszej gospodarki, ochronę środowiska oraz tworzenie nowych miejsc pracy. Treść książki dostosowałem do wymogów podstaw programowych dla zawodu technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej. Dokonałem aktualizacji danych, przedstawiłem najnowsze rozwiązania techniczne urządzeń zasilanych z OZE. W książce wykorzystałem szereg cząstkowych opracowań znajdujących się w innych publikacjach, na stronach internetowych, w broszurach informacyjnych firm produkujących i instalujących urządzenia OZE. Dużą trudność sprawiło mi szacowanie kosztów urządzeń zasilanych z OZE, omawianych w podręczniku, jak również określenie wartości nośników energii (dynamiczne zmiany).
Podręcznik ten powstał zgodnie z wymogami podstaw programu kształcenia dla zawodu technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej (311930). Jest on kompatybilny z wymogami stawianymi przez Dyrektywę Parlamentu Europejskiego i Radę w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych – 200928 WE, z dnia 23 kwietnia 2009 r. oraz Dyrektywę 20182001WE RED II.
Wyrażam serdeczne podziękowania wszystkim, którzy przyczynili się do powstania tej książki. Kieruję również słowa uznania do osób, które zajmują się: badaniami naukowymi, edukacją, finansowaniem, produkcją oraz montażem urządzeń wykorzystujących OZE. Osobom, firmom, które zainstalowały urządzenia wykorzystujące OZE, gratuluję wyboru, życzę im, aby urządzenia te pracowały niezawodnie oraz przynosiły wymierne korzyści finansowe. Książka ta ma również inspirować młodzież do zdobywania wiedzy z zakresu OZE, aby w przyszłości zakładali własne firmy produkując i instalując urządzenia wykorzystujące OZE lub podejmowali pracę w istniejących już firmach z branży OZE. Mam nadzieję, że niniejsza publikacja przyczyni się do wzrostu popularności OZE w naszym kraju oraz dynamicznego rozwoju firm produkujących i instalujących urządzenia zasilane z OZE. Efektem popularyzacji OZE będzie czystsze powietrze w naszym kraju, wzrost zamożności społeczeństwa, oszczędzanie tradycyjnych nośników energii oraz częściowe uniezależnienie się od dostaw surowców (ropa, gaz) z zagranicy. Polska wywiąże się także z międzynarodowych umów dotyczących wykorzystania OZE.
Oczekuję od Państwa uwag merytorycznych do treści zawartych w książce, które w miarę możliwości uwzględnię w kolejnych wydaniach. Testy i zadania egzaminacyjne wraz z odpowiedziami zamieściłem w książce „Zbiór zadań z odnawialnych źródeł energii”.
dr inż. Ryszard Tytko

Spis treści

Od Autora 17
1. Wykaz wybranych oznaczeń, wielkości i ich jednostek 19
2. Recenzja 22
3. Wprowadzenie 24
4. Sposób wytwarzania, podział i rodzaj energii otrzymywanej z OZE 27
5. Moc zainstalowana w poszczególnych źródłach energii w Polsce 30
6. Rodzaj, ilość i moc instalacji wytwarzających energię elektryczną z OZE 33
7. Energetyka jądrowa 35
8. Polski sektor energetyczny do roku 2050 39

Rozdział I
Energetyka słoneczna
1. Energia słoneczna 45
2. Atmosfera Ziemi 46
3. Oddziaływanie atmosfery z promieniowaniem 46
4. Wielkość energii słonecznej na Ziemi 47
5. Nasłonecznienie w Polsce 48
6. Zalety promieniowania słonecznego jako źródła energii 48
7. Wady promieniowania słonecznego jako źródła energii 48
8. Sposoby produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem energii słonecznej 49
8.1. Metoda heliotermiczna 49
8.2. Metoda helioelektryczna 50
9. Wiadomości wstępne z optoelektroniki 52
10. Budowa i zasada działania ogniw krzemowych 54
10.1. Podział ogniw PV 55
11. Ogniwa z krzemu monolitycznego I generacji 56
11.1. Budowa fotoogniwa 56
11.2. Technologia wytwarzania fotoogniwa I generacji 57
12. Rozwiązania techniczne w budowie ogniw fotowoltaicznych II generacji 59
12.1. Budowa fotoogniwa 59
12.2. Ogniwa P – TYPE (PERC) 59
12.3. Technologia N – TYPE 61
12.4. Łączenie ogniw PERC i PERT w moduły 64
12.5. Technologia wykonania busbarów (połączeń ogniw) 64
12.6. Moduł half cut cells – ogniwa połówkowe 66
13. Budowa i zasada działania ogniw fotowoltaicznych III generacji 67
13.1. Ogniwa CIS 68
13.2. Ogniwa CIGS 68
13.3. Ogniwa z tellurku kadmu (CdTe) 69
13.4. Ogniwa cienkowarstwowe jedno- i wielozłączowe z arsenku galu (GaAs) 71
14. Ogniwa PV III generacji z krzemu amorficznego (a-Si) budowane w technologii HJT 72
14.1. Budowa urządzenia 73
14.2. Technologia produkcji ogniw HJT 74
14.3. Polskie rozwiązania techniczne 75
15. Budowa ogniwa PV III generacji z krzemu amorficznego (a-Si) w technologii TOPCon 76
15.1. Budowa urządzenia 76
15.2. Technologia produkcji wafli krzemowych c-Si N–TYPE 78
15.3. Warstwa selektywna (ITO) w ogniwie TOPCon 78
15.4. Urządzenia do nakładania warstwy selektywnej 78
15.5. Połączenia za pomocą busbasów w ogniwach TOPCon 79
15.6. Ocena parametrów ogniw TOPCon 79
15.7. Parametry elektryczne modułu TOPCon firmy Jolywood w standardowych warunkach testowych STC 80
15.8. Parametry mechaniczne modułu TOPCon firmy Jolywood 80
16. Budowa ogniwa PV III generacji w technologii TOPCon i HJT 81
17. Ogniwa fotowoltaiczne z materiałów organicznych 82
17.1. Budowa i technologia wytwarzania 82
17.2. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne ogniw PV na podłożu polimerowym 83
17.3. Sposoby produkcji 85
17.4. Sposoby montażu fotoogniw polimerowych elastycznych na dachu płaskim 85
18. Organiczne ogniwa fotowoltaiczne (OPV), ogniwa IV generacji 87
19. Ogniwa fotowoltaiczne uczulane barwnikiem (DSSC) IV generacji 88
19.1. Zasada działania 88
19.2. Budowa, parametry ogniwa 90
20. Hybrydowe panele słoneczne 90
20.1. Zasada działania 90
20.2. Budowa urządzenia 92
21. Dwustronne baterie słoneczne (Double sided bificial solar panels) 94
21.1. Dachy pokryte dachówką w formie paneli fotowoltaicznych 94
21.2. Angielskie dachówki fotowoltaiczne 96
22. Najnowsze technologie wytwarzania ogniw fotowoltaicznych 97
22.1. Ogniwa perowskitowe 97
22.2. Moduły fotowoltaiczne z warstwą grafenową 98
22.3. Projekt „Quantum Glass” spółki ML System 99
22.4. Technologia skoncentrowanej fotowoltaiki (Concentrated Photovoltaics, CPV) 101
22.5. Moduły PV z powłoką grafenową 102
22.6. Ogniwa budowane w technologii C3 (Configurable Current Cells) 102
22.7. Ogniwa fotowoltaiczne łączące perowskit i krzem 103
22.8. Elewacja z folii fotowoltaicznej 104
22.9. Ogniwa PV klejone klejem ECA technologii Shingled (układane w formie gontów) 104
23. Utrata mocy fotoogniw funkcji czasu pracy 105
23.1. Dioda bocznikująca fotoogniwo (bypass) 105
23.2. Optymalizatory firmy Maxim Integrated 107
23.3. Optymalizatory firmy Tigo Energy (Tigo TS4-R-O) 108
23.4. Moduł fotowoltaiczny firmy AE Solar – odporny na zacienienie 108
24. Gorący punkt (hot spot) 109
24.1. Napięcie indukowane w module PID (Potential Induced Degradation) 110
24.2. Prąd upływu 110
24.3. Prąd doziemny 110
24.4. Pętla indukcyjna 110
24.5. Zwarcie doziemne po stronie DC instalacji PV 110
24.6. Badanie modułów fotowoltaicznych 111
24.7. Laboratorium do testowania systemów PV 113
25. Analiza pracy fotoogniwa 114
25.1. Podstawowe zależności 114
25.2. Wpływ temperatury na parametry fotoogniwa 118
25.3. Sposoby połączeń modułów PV 119
25.4. Wpływ promieniowania słonecznego na parametry modułu fotowoltaicznego 120
25.4.1. Współczynnik wypełnienia FF 121
26. Parametry osprzętu instalacji PV 122
26.1. Regulatory ładowania 122
26.2. Przetwornice napięcia 124
26.2.1. Falowniki 3-fazowe 126
26.2.2. Inwerter w instalacji fotowoltaicznej 127
26.2.3. Przykładowe rozwiązanie 135
26.2.4. Parametry elektryczne pracy falownika 1-fazowego 135
26.2.5. Wybrane parametry falowników trójfazowych 136
26.2.6. Falowniki średniej mocy 138
26.2.7. Falowniki hybrydowe 138
26.2.8. Panel fotowoltaiczny ze zintegrowanym mikrofalownikiem 139
26.2.9. Falowniki fotowoltaiczne z systemem kompensacji mocy biernej 140
26.2.10. Zagadnienia eksploatacyjne dotyczące załączenia do sieci falowników 142
26.3. MPP traker 144
26.4. Monitorowanie na poziomie paneli 145
26.4.1. Moduły fotowoltaiczne SolarEdge zintegrowane z optymalizatorami mocy 147
26.5. Modem komunikacyjny 147
26.5.1. Zasada działania 147
26.5.2. Charakterystyka urządzeń 148
26.6. Sposób łączenia przewodów po stronie DC 149
26.7. Dobór przewodów w instalacji fotowoltaicznej 149
26.7.1. Warunki doboru przekroju przewodów ze względu na obciążalność prądową długotrwałą 150
26.7.2. Wyznaczanie przekroju przewodów ze względu na obciążalność długotrwałą po stronie DC 151
26.7.3. Wyznaczanie przekroju przewodów po stronie DC ze względu na dopuszczalne spadki napięcia 152
26.7.4. Sprawdzenie wielkości strat mocy na przewodach łączących łańcuch (string) modułów fotowoltaicznych z falownikiem 153
26.7.5. Wyznaczanie przekroju przewodów i kabli ze względu na obciążalność długotrwałą i przeciążalność po stronie prądu zmiennego AC instalacji fotowoltaicznej 153
26.7.6. Wyznaczanie przekroju przewodów po stronie AC ze względu na dopuszczalne spadki napięcia 154
26.7.7. Dobór zabezpieczeń w instalacjach fotowoltaicznych 154
26.8. Mierniki instalacji fotowoltaicznych 155
26.9. Pomiary natężenia promieniowania słonecznego i temperatury modułu fotowoltaicznego 157
27. Dobór parametrów instalacji fotowoltaicznych 158
27.1. Rodzaje instalacji PV 158
27.2. Mała instalacja fotowoltaiczna 158
27.3. Wybrane układy połączeń fotoogniw 163
27.3.1. Sieć autonomiczna off-grid (wydzielona) 163
27.3.2. Praca mikroelektrowni PV na sieć „sztywną” (on-grid) 168
28. Wytyczne montażowe 170
28.1. Etapy realizacji inwestycji 170
28.2. Projekt techniczny 170
28.3. Etapy budowy 171
28. 4. Zagadnienia techniczne montażu instalacji 171
28.5. Sposób montażu ogniw PV w rzędach 171
28.6. Systemy zabezpieczeń w instalacjach fotowoltaicznych 173
28.6.1. Rodzaje zabezpieczeń instalacji fotowoltaicznej 174
28.7. Ochrona odgromowa instalacji fotowoltaicznych 174
28.7.1. Ochrona odgromowa – rodzaje ochrony 175
28.7.2. Ochrona odgromowa – ochrona zewnętrzna 176
28.7.3. Ochrona odgromowa farm fotowoltaicznych – ochrona zewnętrzna 179
28.7.4. System ochronny instalacji PV bez zewnętrznej ochrony odgromowej (zwodów pionowych) – ochrona wewnętrzna 180
28.7.5. Ogólne zasady doboru ograniczników po stronie DC 182
28.7.6. Ochrona przetężeniowa i zwarciowa 185
28.7.7. Ochrona przeciwporażeniowa w systemach fotowoltaicznych 186
28.8. Odbiór instalacji 187
29. BHP przy montażu instalacji fotowoltaicznej 188
29.1. Zasady BHP przy montażu instalacji fotowoltaicznych 188
29.2. Kompletność dostawy materiałów i urządzeń 190
29.3. Transport i składowanie 190
29.4. Dokumentacja techniczna 190
29.5. Narzędzia i sprzęt dodatkowy 190
29.6. Informacje ogólne 190
29.7. Przepisy bezpieczeństwa 191
29.8. Ochrona przeciwporażeniowa 191
29.8.1. Ochrona przeciwpożarowa 191
29.8.2. Postępowanie w razie pożaru budynku z instalacją PV 193
29.8.3. Analiza skutków pożarów instalacji fotowoltaicznych 194
29.8.4. Gaszenie pożaru nocą z instalacją PV na dachu 195
29.8.5. Łuk elektryczny 195
29.8.6. Zasady wyposażenia obiektów w gaśnice 196
29.8.7. Gaszenie urządzeń elektrycznych 196
29.8.8. Optymizery 196
29.8.9. Dokumentacja instalacji PV 197
29.8.10. Ubezpieczenie instalacji PV na wypadek pożaru 197
29.9. Bezpieczeństwo wykonywania prac przy urządzeniach elektrycznych 198
29.10. Oznaczenia i symbole 199
30. Montaż instalacji fotowoltaicznej 200
30.1. Systemy montażowe dla modułów skrzynkowych 201
30.1.1. Montaż na dachu spadzistym 201
30.1.2. Montaż ogniw PV na dachu płaskim lub płaszczyźnie poziomej 203
30.1.3. Sposób montażu modułów 205
30.1.4. Zintegrowane z dachem moduły fotowoltaiczne 205
30.1.5. Montaż fotoogniw „podążających za słońcem” 206
30.1.6. Konstrukcja do mocowania na stropie 207
30.1.7. Konstrukcja wsporcza mocowana do betonowych bloków 208
30.1.8. System samonośny 209
30.2. Montaż systemów PV na gruncie 209
30.3. Montaż instalacji fotowoltaicznej na konstrukcji aluminiowej na dachu płaskim 210
30.4. Montaż instalacji fotowoltaicznej na dachu spadzistym pokrytym dachówką betonową 212
30.5. Montaż instalacji fotowoltaicznej na konstrukcji aluminiowej na dachu płaskim pokrytym blachą falistą 216
30.6. Montaż instalacji fotowoltaicznej na dachu spadzistym pokrytym blachodachówką 216
30.7. Najnowsze rozwiązania techniczne w zakresie mocowania modułów PV 217
30.8. Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem – Instalacje BIPV (Building Integrated Photovoltaics BIPV) 218
30.9. Agrofotowoltaika (APV) 224
30.10. Łuki fotowoltaiczme 225
30.11. Szklarnie pokryte modułami PV Bifacjal 226
30.12. Pasieki na farmach PV 226
30.13. Instalacje fotowoltaiczne posadowione na wodzie (floating-PV) 227
30.14. Naziemna pionowa farma PV z dwustronnymi modułami 228
30.15. Fotowoltaika na polskich autostradach 229
31. Eksploatacja instalacji fotowoltaicznych 230
31.1. Wymiana uszkodzonego modułu 230
31.2. Mycie instalacji fotowoltaicznej 230
31.3. Sprawdzenie mocowania paneli 231
31.4. Usuwanie śniegu 231
31.5. Stan przewodów zasilających w instalacji prądu stałego (DC) 232
31.6. Sprawdzenie stanu technicznego falownika 232
31.7. Czynniki wpływające ujemnie na produkcję energii z elektrowni fotowoltaicznej 232
31.8. Uruchamianie systemu fotowoltaicznego 232
31.9. Projektowanie systemów PV za pomocą symulacji komputerowych 236
32. Magazynowanie energii z OZE 237
32.1. Magazyn energii z instalacji PV u prosumentów 239
32.2. Akumulatory litowo-jonowe 240
32.3. Akumulator sodowo-jonowy 243
32.4. Dobór wielkości mocy akumulatorów do instalacji fotowoltaicznej off-grid 244
32.5. Dobór wielkości mocy akumulatorów do instalacji fotowoltaicznej on-grid 245
32.6. Duże magazyny energii w Polsce – „Podstacja przyszłości w Garbcach” 246
32.7. Baterie przepływowe (redox flow cell) 247
32.7.1. Budowa akumulatora przepływowego 247
32.7.2. Wanadowe akumulatory przepływowe (all vanadium) 249
32.7.3. Przykładowe rozwiązania techniczne 249
32.7.4. Dalsze badania naukowe nad ogniwami przepływowymi 252
32.8. Wirtualna elektrownia złożona z tysięcy domowych baterii 252
32.9. Magazynowanie energii dzięki grawitacji 253
32.10. Recykling modułów fotowoltaicznych 255
32.11. Wykorzystywanie energii elektrycznej z fotoogniw do elektrolizy wody 256
32.12. Ogniwa paliwowe (fuel cells) 257
32.13. Współpraca mikroinstalacji fotowoltaicznych z siecią dystrybucyjną niskiego napięcia 260
33. Kolektory słoneczne 262
33.1. Dane statystyczne 262
33.2. Rodzaje i budowa kolektorów słonecznych 264
33.2.1. Podział kolektorów 264
33.3. Kolektory płaskie cieczowe 264
33.4. Budowa kolektorów płaskich, bilans energii 265
33.5. Przykładowe dane techniczne i charakterystyka identyfikacyjna kolektorów płaskich 268
33.5.1. Kolektory płaskie w wykonaniu standardowym 268
33.6. Budowa próżniowych rurowych kolektorów słonecznych 269
33.6.1. Kolektory próżniowe heat-pipe (gorąca rurka – ciepłowód) 269
33.6.2. Kolektory próżniowe heat-pipe z pojedynczą rurą próżniową 272
33.6.3. Kolektory próżniowe z U-rurą 273
33.7. Zwierciadło CPC 274
33.8. Ogólna charakterystyka kolektorów próżniowych 274
33.9. Kolektory słoneczne skupiające 275
33.9.1. Energia elektryczna i cieplna z systemów słonecznych 276
33.10. Kolektor cieczowy wykonany w formie maty z propylenu 277
33.11. Świadectwa poprawności wykonania kolektorów 277
34. Słoneczne instalacje grzewcze 278
34.1. Bezpośrednie i pośrednie 278
34.1.1. Układ do podgrzewania wody bez zasobnika 278
34.1.2. Układ do podgrzewania wody z zasobnikiem 278
34.1.3. Pośrednie 279
34.1.4. Układ pompowy 279
35. Parametry techniczne instalacji solarnej do ogrzewania c.w.u., c.o., schematy 281
35.1. Instalacja solarna dla ciepłej wody użytkowej i wspomagania ogrzewania budynku 281
35.2. Przykładowe schematy systemów grzewczych wspomaganych kolektorami słonecznymi 282
36. Typowe elementy słonecznej instalacji grzewczej 288
36.1. Zbiorniki na wodę – charakterystyka ogólna 288
36.2. Zasobniki w instalacji solarnej 290
36.3. Przeciwdziałanie bakteriom Legionella Pneumophila w instalacji c.w.u. 290
36.4. Wymiennik ciepła 291
36.5. Zasobnik z jedną wężownicą 291
36.6. Zasobniki z dwiema wężownicami 291
36.7. Zasobnik płaszczowy 293
36.8. Zasobniki kombinowane (multiwalentne) – typu zbiornik w zbiorniku 293
37. Pompowe stacje solarne 294
37.1. Stacja solarna dwudrogowa 294
37.2. Jednodrogowa stacja solarna 295
38. Pompa solarna 295
39. Regulatory 296
40. Zasilacz bezprzerwowy, awaryjny, UPS 297
41. Czujniki temperatury 298
42. Elektroniczny termostat przylgowy 298
43. Wymiennik płytowy 298
44. Grzałka elektryczna 299
45. Odpowietrznik instalacji solarnej 300
46. Złączka kompensacyjna 300
47. Rotametr 300
48. Manometr 301
49. Separator powietrza 301
50. Licznik ciepła (ciepłomierz) 301
51. Uchwyty dachowe kolektora i konstrukcje wolnostojące 302
52. Oblachowanie kolektorów 303
53. Naczynie wzbiorcze 303
54. Zawór bezpieczeństwa 306
55. Wykonanie instalacji rurowej 306
56. Izolacja cieplna instalacji solarnej 307
57. Węże solarne 308
58. Układ hydrauliczny instalacji solarnej 308
59. Montaż i instalacja kolektorów 308
59.1. Możliwości usytuowania kolektorów 308
59.2. Odległość między rzędami kolektorów 309
60. Wpływ ustawienia kolektora na jego parametry energetyczne 310
61. Instalacje do ciepłej wody użytkowej w budynkach indywidualnych 312
61.1. Dobór urządzeń do instalacji solarnej 312
61.1.1. Warunki konieczne do określenia powierzchni kolektorów słonecznych 312
61.1.2. Wyznaczenie całkowitych oporów przepływu w typowej instalacji 312
61.1.3. Pojemność instalacji 313
61.1.4. Zużycie energii w gospodarstwie domowym 313
62. Instalacja do podgrzewania wody basenowej 314
63. Łączenie kolektorów w instalacje o dużej powierzchni czynnej 316
64. Zalecenia eksploatacyjne 318
65. Przykłady montażu kolektorów słonecznych 319
66. Dobór wielkości instalacji 319
67. Dobór wielkości kolektora i zasobnika 320
68. Lokalizacja zasobników wody użytkowej i zbiorników akumulacyjnych 321
69. Instalacje do przygotowania c.w.u. oraz wspomagania c.o. w budynkach indywidualnych 321
69.1. Efektywność pracy kolektorów słonecznych 324
70. Napełnienie i odpowietrzenie instalacji solarnej 328
71. Instalacje wielkogabarytowe 330
71.1. Największa instalacja solarna w Polsce 330
71.2. Instalacja wielkogabarytowa z magazynem ciepła 331
72. Płaskie kolektory powietrzne 335
72.1. Zasada działania 335
72 2 Budowa 335
72.3. Konstrukcje kolektorów 337
72.4. Zalety i wady stosowania kolektorów słonecznych i powietrznych 337
72.5. Rozwiązania konstrukcyjne instalacji 338
72.6. Sposoby rozdziału powietrza 340
72.7. Przykłady instalacji 340
72.7.1. Małe budynki 340
72.7.2. Mieszkania, pomieszczenia biurowe, szkoły, obiekty handlowe, itp. 342
72.7.3. Systemy przemysłowe 342
72.7.4. Suszenie płodów rolnych 345
72.7.5. Przechowalnie płodów rolnych 345
72.7.6. Ogrzewanie pomieszczeń inwentarskich 345
72.7.7. Podgrzewanie szklarni i tuneli foliowych 345
72.7.8. Ciepło technologiczne 346
72.8. Koszty i oszczędności wynikające ze stosowania dużych systemów solarnych do podgrzewania powietrza 346
72.9. Podsumowanie 347
73. Badania nad wykorzystaniem energii słonecznej w instalacjach solarnych w laboratorium OZE w ZSE nr 1 347
74. Symulacyjne programy komputerowe 348
75. Bilans energetyczny wydajności instalacji solarnej na podstawie symulacji 348
76. Informacje techniczne oraz zasady BHP obowiązujące przy montażu kolektorów płaskich 352
76.1. BHP podczas montażu 352
76.2. Kompletność dostawy 352
76.3. Transport i składowanie 353
76.4. Dokumentacja techniczna 353
76.5. Narzędzia i sprzęt dodatkowy 353
76.6. Informacje ogólne 353
76.7. Odpowietrzanie solarnego obwodu pierwotnego 354
76.8. Prowadzenie rur solarnego obwodu pierwotnego 354
76.9. Podłączenie przewodów zbiorczych 354
76.10. Montaż kolektora 355
76.11. Połączenie kolektorów w baterię solarną 356
76.12. Napełnianie solarnego obwodu pierwotnego płynem solarnym 356
76.13. Odpowietrzenie instalacji 356
76.14. Prace izolacyjne 357
76.15. Przepisy bezpieczeństwa 357
76.16. Ochrona przeciwporażeniowa 357
76.17. Ochrona przeciwpożarowa 357
76.18. Bezpieczeństwo wykonywania prac przy urządzeniach elektrycznych 357
76.19. Elektryczne okablowanie urządzenia 358
76.20. Zabezpieczenie przed uderzeniem pioruna (piorunochron) i wyrównywanie potencjałów 358
76.21. Uruchomienie 358
76.22. Wyłączaniezatrzymanie 359
76.23. Kontrola instalacji 359
76.24. Eksploatacja instalacji solarnej do celów wspomagania ogrzewania budynku 359
76.25. Przegląd instalacji 360
76.26. Ważne informacje dla użytkownika instalacji 360
76.27. Warunki gwarancji 361
76.28. Najczęściej występujące usterki 361
77. Uwagi do montażu kolektorów rurowych próżniowych na dachu spadzistym i na powierzchni płaskiej 361
78. Instalacje o większych powierzchniach 362

Rozdział II
Energia cieplna ziemi i powietrza

1. Wstęp 363
1.1. Zasoby geotermalne 364
1.2. Źródła energii geotermalnej 364
1.3. Gejzery jako źródła energii geotermalnej 365
1.4. Gorące suche skały – źródło energii geotermalnej 365
1.5. Parametry termodynamiczne wód geotermalnych 365
1.6. Sposoby wykorzystania energii geotermalnej 368
1.7. Dobrodziejstwa płynące z wykorzystania energii geotermalnej 369
1.8. Zagrożenia wynikające z wykorzystania energii geotermalnej 369
2. Przykłady wykorzystania energii geotermalnej 369
2.1. Bezpośrednie zastosowania energii geotermalnej 371
2.2. Bezpośrednie sposoby wykorzystania energii geotermalnej w Polsce 373
3. Elektrociepłownie geotermalne 374
3.1. Wykorzystanie energii geotermalnej w elektrociepłowniach 374
4. Wielkość i rozmieszczenie w Polsce zasobów wód geotermalnych 377
4.1. Prowincje i okręgi posiadające wody geotermalne 377
4.2. Charakterystyka złóż geotermalnych w Polsce 378
5. Przykładowe instalacje geotermalne w Polsce 380
5.1. Funkcjonujące ciepłownie geotermalne 380
5.2. Zakład w Mszczonowie 380
5.3. Ciepłownia w Pyrzycach 381
5.4. Geotermia na Podhalu 384
5.5. Pierwszy zakład geotermalny w Polsce 384
5.6. Schemat zagospodarowania wód geotermalnych w Bańskiej Niżnej 386
5.7. Kaskadowy system wykorzystania energii geotermalnej 387
5.8. Geotermia Uniejów 387
5.9. System wykorzystania niskotemperaturowej wody geotermalnej do celów ciepłowniczych i konsumpcyjnych w mieście Słomniki 388
5.10. Ciepłownia geotermalna w Stargardzie Szczecińskim 390
5.11. Geotermia w Toruniu 390
5.12. Plan wykorzystania energii geotermalnej w Polsce do roku 2030 393
6. Wnioski 393
7. Energia cieplna płytkich złóż geotermalnych 397
7.1. Właściwości gruntu 397
8. Pompy ciepła 401
8.1. Informacje ogólne dotyczące pomp ciepła 403
8.2. Budowa oraz zasada działania pompy ciepła 403
8.3. Ogólne warunki instalacji 405
8.4. System grzewczy z pompą ciepła 406
9. Instalacje dolnego źródła ciepła WQA 407
9.1. Systemy powietrzne (powietrzewoda) 407
9.1.1. Rodzaje powietrznych pomp ciepła 409
9.2. Systemy gruntowe poziome (solankawoda) 416
9.3. Wymienniki gruntowe pionowe 424
9.4. Wody gruntowe 426
9.5. Wody geotermalne 427
10. Górne źródło ciepła WNA 427
11. Wybrane przykłady urządzeń do instalacji pomp ciepła 428
11.1. Dolne źródło ciepła – grunt, instalacja solanka – woda 428
11.2. Gruntowe pompy ciepła, instalacja woda – woda 430
11.3. Pompa ciepła z bezpośrednim odparowaniem czynnika 431
11.4. Pompy ciepła na powietrze wentylacyjne 434
12. Aspekty ekonomiczne zastosowania pomp ciepła i porównanie ich z innymi instalacjami grzewczymi 438
13. Sezonowy współczynnik efektywności SPF 439
14. Wizualizacja pracy instalacji z pompą ciepła 440
15. Absorpcyjne pompy ciepła 441
15.1. Zasada działania 441
15.2. Współpraca pompy ciepła z instalacją solarną, chłodzenie przez grzanie 443
16. Wady i zalety pomp ciepła 443
17. Instalacje nawiewno-wywiewne z rekuperatorem w budynkach mieszkalnych 445
17.1. Instalacje nawiewno-wywiewne, informacje ogólne 445
17.2. Budowa oraz zasada działania instalacji nawiewno-wywiewnej 445
17.3. Koncepcja samowystarczalnego budynku niskoenergetycznego zasilanego z OZE 450
17.3.1. Przepisy unijne i krajowe w tym zakresie 450
17 3 2 Standard WT 2021 451
17.3.4.Ogrzewanie w standardzie WT 2021 453

Rozdział III
Energia wiatru

1. Wstęp 459
2. Wiatr i jego zasoby energetyczne 460
2.1. Wpływ czynników środowiskowych 461
2.2. Róża wiatrów 462
2.3. Zasoby na lądzie 463
2.4. Szorstkość terenu 465
3. Podstawa działania elektrowni wiatrowej 467
3.1. Podstawowe informacje o krzywej mocy 467
3.2. Parametry pracy siłowni wiatrowych 468
3.3. Silniki wiatrowe 469
3.4. Lokalne oddziaływanie energetyki wiatrowej 472
4. Budowa elektrowni wiatrowej 473
4.1. Metody regulacji mocy oddawanej przez elektrownie wiatrowe 475
4.1.1. Koncepcje pracy siłowni wiatrowej 475
4.1.2. Regulacja ustawienia elektrowni w kierunku wiatru (Yaw Control) 476
4.1.3. Regulacja kąta ustawienia łopat (Active Pitch Regulation) 476
4.1.4. Regulacja przez zmianę prędkości obrotowej generatora 476
4.1.5. Regulacja przez zmianę obciążenia (Load Control) 477
4.1.6. Regulacja przez „przeciągnięcie” (Stall Regulation) 477
4.1.7. Regulacja lotkami łopat wirnika (Aileron Control) 477
4.2. Generatory 477
4.3. Krótka charakterystyka nowych konstrukcji elektrowni wiatrowych 479
5. Zainstalowana moc i sposób montażu elektrowni wiatrowych 481
5.1. Wielkość mocy i energii, zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych w UE 482
5.2. Sposób montażu konstrukcji elektrowni wiatrowych 484
6. Struktura kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych w przypadku energetyki wiatrowej 200-500 kW 486
7. Rozmieszczenie elektrowni pracujących w Polsce 487
7.1. Przeznaczenie pojedynczej elektrowni wiatrowej 488
7.1.1. Elektrownia wiatrowa V80 488
8. Optymalizacja warunków pracy silnika wiatrowego 489
9. Systemy sterowania w elektrowni wiatrowej 490
9.1. Sterowniki 490
9.2. Zdalne sterowanie 493
9.3. Sterowanie w małych elektrowniach wiatrowych 494
10. Małe elektrownie wiatrowe – charakterystyka 494
10.1. Elektrownia wiatrowa „Zefir-6” 5 kW 495
10.2. Turbina wiatrowa o mocy 1,5 kW 496
11. Wybrane wyniki badań, elektrowni wiatrowej ECO-H-1,5 kW 497
12. Mikroelektrownie wiatrowe z pionową osią obrotu 500
13. Wybrane wyniki badań, małej elektrowni wiatrowej 504
14. Programy do symulacji pracy elektrowni wiatrowych 506
15. Perspektywy rozwoju energetyki wiatrowej na morzu bałtyckim 506
16. Podsumowanie 510

Rozdział IV
Energia wody

1. Wstęp 511
2. Parametry elektrowni wodnych 512
3. Rozwiązania konstrukcyjne elektrowni wodnych 513
3.1. Budowle hydrotechniczne, elementy elektrowni wodnych, urządzenia mechaniczne 513
3.2. Elektrownie zbiornikowe i przepływowe 515
3.2.1. Elektrownie zbiornikowe – szczytowo-pompowe 516
3.2.2. Elektrownie wodne przepływowe 519
3.3. Wybrane przykłady 519
3.3.1. Elektrownia Małomice 519
3.3.2. Elektrownia Solina 520
4. Mała energetyka wodna 520
5. Zasada działania i budowa turbin wodnych 522
5.1. Rozwiązania współczesne z turbinami Francisa 523
5.2. Współczesne rozwiązania z turbinami Kaplana 524
5.3. Rozwiązania z turbinami Peltona 525
6. Mikro elektrownie wodne 526
7. Prądnice elektryczne 529
7.1. Budowa i zasada działania prądnic asynchronicznych (indukcyjnych) 530
7.2. Prądnice synchroniczne (hydrogeneratory), budowa zasada działania 534
8. Regulatory turbin wodnych 538
8.1. Elektrohydrauliczny regulator prędkości obrotowej turbiny lub jej mocy 538
8.2. Rodzaje automatyzacji procesów ruchowych w MEW 539
9. Procesy ruchowe w MEW 540
9.1. Zakres i stopień automatyzacji procesów rozruchowych 541
10. Sposoby automatyzacji procesów ruchowych MEW 542
10.1. Układ sterowania łopatek turbiny (USW) 542
10.2. Automatyczny regulator prędkości kątowej turbiny (ART) 542
10.3. Układ sterowania aparatu kierowniczego turbiny (USK) 542
10.4. Układ automatycznej regulacji napięcia prądnicy synchronicznej (ARN) 543
10.5. Automatyczny synchronizator prądnicy synchronicznej (ASG) 543
10.6. Układ automatycznego sterowania procesami rozruchowymi turbozespołu (USR) 543
10.7. Układ automatycznego sterowania procesami odstawiania turbozespołu (USO) 543
10.8. Układ automatycznej regulacji poziomu wody (ARP) 543
10.9. Auto operator (AOP) 544
10.10. Układ sterowania zamknięć wlotowych wody do turbiny (USZ) 544
10.11. Układ programujący pracę szczytową MEW (UPP) 545
10.12. Sterowanie prądnicami asynchronicznymi 545
11. Sposoby przekazywania napędu z turbiny na prądnice 545
11.1. Bezpośrednie sprzęgnięcie wału z prądnicą 545
11.2. Przekazywanie napędu przez przekładnie 545
11.3. Przekładnie pasowe 545
11.4. Przekładnie zębate 546
12. Pomocnicze wyposażenie mechaniczne 547
12.1. Kraty na ujęciach wody i ich czyszczenie 547
12.2. Zamknięcie dopływu wody do turbin 548
12.3. Wyposażanie budynków elektrowni w dźwignice 549
13. Systemy pracy, zabezpieczeń, pomiary w MEW 549
13.1. Zabezpieczenia bloków z prądnicami synchronicznymi i transformatorowymi o mocy do 5000 kVA 550
13.2. Zabezpieczenia prądnic asynchronicznych o mocy do 250 kVA i napięciu do 1000 V, zasilających bezpośrednio szyny zbiorcze 551
13.3. Zabezpieczenia bloków, prądnica asynchroniczna – transformator o mocy do 250 kVA 552
13.4. Zabezpieczenia turbozespołów 552
13.5. Ochrona przeciwporażeniowa 553
13.6. Ochrona od przepięć oraz instalacje piorunochronne 555
13.7. Ochrona przeciwpożarowa 555
13.8. Bezpieczeństwo wykonywania prac przy urządzeniach elektrycznych 555
13.9. Udzielanie pierwszej pomocy osobom porażonym prądem elektrycznym 556
13.10. Sygnalizacja zakłóceń pracy 556
13.11. Pomiary 556
13.12. Potrzeby własne elektrowni 558
13.13. Uziomy 558
14. Wybrane elementy dokumentacji małej elektrowni wodnej Zakopane – Olcza 559
14.1. Opis techniczny, charakterystyka elektrowni 559
15. Podsumowanie 562

Rozdział V
Energia biomasy

1. Pojęcie biomasy 563
2. Drewno jako biopaliwo 566
2.1. Wierzba energetyczna 567
2.2. Gazyfikacja biomasy 569
2.3. Kotły do spalania drewna 573
2.4. Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne kotłów do spalania drewna V generacji 576
2.5. Kotły małej mocy 578
2.6. Piec MS 578
2.7. Kotły dużej mocy 579
2.8. Budowa małych kotłów V generacji zgazowujących drewno 580
2.9. Kotły do spalania peletu 581
3. Piece kominkowe V generacji 582
3.1. Kominek z płaszczem wodnym 582
3.2. Kominek pracujący w systemie zintegrowanym 584
3.3. Ciepła woda z kominka 586
4. Słoma jako biopaliwo 587
4.1. Kotły do spalania słomy 588
4.2. Kotły małej mocy na słomę 590
4.3. Kotłownie średniej mocy 592
4.4. Kotłownie dużej mocy 592
4.5. Peletowanie słomy 592
4.6. Maszyny do produkcji brykietów ze słomy 593
4.7. Wnioski 595
5. Osady ściekowe (analog torfu) i kotły na osady ściekowe 596
6. Biogaz 596
6.1. Biogazownie rolnicze 600
6.2. Biogazownie rolnicze oparte na procesie fermentacji metanowej 601
6.3. Wybrane zagadnienia z analizy porównawczej opłacalności ekonomicznej, biogazowni rolniczej 606
6.4. Charakterystyka pierwszej biogazowni rolniczej działającej w Polsce 609
6.5. Mikroinstalacje kontenerowe 611
6.6. Małe biogazownie rolnicze 612
6.7. Wnioski dotyczące perspektyw rozwoju biogazowni rolniczych 615
7. Biogaz z oczyszczalni ścieków 617
7.1. Gospodarka energią elektryczną i ciepłem na przykładzie oczyszczalni ścieków „Kujawy” w Krakowie 618
7.2. Opis działania oczyszczalni 618
7.3. Wytwarzanie biogazu 619
7.4. Generatory zasilane biogazem 619
8. Biogaz wysypiskowy z odpadów 621
8.1. Elektrociepłownia biogazowa – wysypisko Barycz 623
9. Skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i chłodu w oparciu o paliwa biogazowe – agregaty kogeneracyjne 626
9.1. Geneza 626
9.2. Zasada działania 626
9.3. Dobór agregatu 627
9.4. Wytwarzanie i sprzedaż chłodu w oparciu o ciepło z kogeneracji 627
10. Wzbogacanie i oczyszczanie biogazu 629
11. Główne zalety wykorzystania biogazu 631
12. Problemy wynikające z produkcji biogazu 631
13. Biopaliwa płynne I generacji 632
13.1. Bioetanol 632
13.2. Biodiesel 633
14. Biopaliwa II generacji 638
15. Biopaliwa III generacji 641
16. Współspalanie biomasy i paliw kopalnych 643
17. Elektrociepłownie wykorzystujące do spalania biomasę 646
18. Wnioski 650
19. Wymienniki do odzysku ciepła ze spalin (rekuperatory) 651
20. Wychwytywanie, transport, składowanie, dwutlenku węgla (CO2) 653
Literatura 655