Fabryka słonecznej przyszłości

Według różnych źródeł jak choćby według danych Komisji Europejskiej budownictwo zużywa 40 % wyprodukowanej energii. Z tego faktu wynika promowanie energooszczędności w budownictwie przez rozpowszechnianie różnego typu izolacji. 

Ciekawym przykładem nowoczesnego budownictwa przemysłowego jest obiekt firmy Solvis w Brunszwiku stanowiący kompleks biur, hal produkcyjnych oraz magazynów o powierzchni 14 000 m². Zużywa on 75% mniej energii i wody od konwencjonalnych budynków i w 100 %  jest zasilany energią ze źródeł odnawialnych. Jedna czwarta energii dostarcza słońce pozostałą część pochodzi z zasilanej olejem rzepakowym elektrowni. 

 

Kompaktowa bryła budynku chroniona jest izolacją cieplną o grubości 12 cm dla podłogi, 24 cm dla ścian i 36 cm dla dachu. Okna we wszystkich częściach biurowych i produkcyjnych budynku, są potrójne.

Konstrukcja hal produkcyjnych i magazynowych została wzniesiona z płyt drewnianych tylko ściany centralnej części w której znajdują się biura zostały wzniesione z wysoko wytrzymałego betonu. Tutaj stoją 8 metrowe pylony na których podwieszony jest dach o szerokości 27 metrów dzięki czemu wewnątrz konstrukcji brak kolumn. Taka koncepcja daje duże pole do popisu i wykorzystano ją jako konstrukcje nośną dla kolektorów i paneli fotowoltaicznych. 

3 200 m² powierzchni ogniw fotowoltaicznych o mocy 330 kWp produkuje prąd. Większa część modułów rozstawiona jest na budynku, około 24 kWp  znajduje się na dachu parkingu dla rowerów, następne 20 kWp stoi na 8 jednoosiowych trakerach. 

Pozostała część prądu około 100 kW pochodzi z przyfabrycznej elektrowni o mocy cieplnej 160 kW.  Powierzchnia 180 m² kolektorów przymocowana do pylonów nad dachem wspomaga ogrzewanie i dostarcza słonecznego ciepła do buforów o łącznej pojemności 100 000 litrów. 

Cała ekologiczna koncepcja uzupełniana jest przez system wentylacji z odzyskiem ciepła oraz kanalizacja próżniowa. Dzięki całkowicie CO₂ neutralnej produkcji energii i pomysłowej idei architektonicznej zero emisyjna fabryka Solvis wyznaczyła nowe standardy i była pierwszą tego typu w Europie stając się wzorem dla innych.

Dach dla energii

Od kiedy zajmuje się energetyką solarną i podróżuję po naszym pięknym kraju i okolicach zawsze zwracam uwagę na dachy domów jednorodzinnych, które widzę po drodze. Robię to ponieważ zastanawiam się nad przydatnością danego przypadku do zainstalowania technologii solarnych, taka forma tzw. zboczenia zawodowego. Do tego celu najlepiej nadają się proste dachy płaskie, dachy jednopołaciowe (pulpitowe) lub dwupołaciowe, ponieważ oferują one dużo wolnej powierzchni pozwalającej zamontować kolektory słoneczne oraz moduły fotowoltaiczne.

Niestety z przykrością muszę stwierdzić, że polskim krajobrazie znaczną część stanowią domy z dachami wielopołaciowymi w tym także potworki architektoniczne w postaci tzw domków Gargamela. Podobno o gustach się nie dyskutuje ale takie rozwiązania nie tylko nie wyglądają najlepiej ale poza tym są droższe ze względu na dużą ilość dodatkowych materiałów izolacyjnych i konstrukcyjnych oraz większe koszty robocizny. Głównym mankamentem tego rodzaju rozwiązania jest barak miejsca np. na kolektory słoneczne.

Często spotykany w Polsce dom w stylu zamku Gargamela

Nie tylko nie wygląda dobrze ale oferuje powierzchni dla "solarów"

Dziś bowiem dach ma pełnić nie tylko podstawową funkcję zamykania bryły budynku i praktycznej ochrony przed opadami atmosferycznymi. Coraz częściej to także  dodatkowa przestrzeń użytkowa zagospodarowywana jako dach tarasowy, widokowy czy coraz bardziej popularny dach zielony.  W ocenie coraz większej ilości osób najlepszym sposobem na wykorzystanie przestrzeni oferowanej przez dach jest produkcja energii. Poniżej kilka zdjęć z Brunszwiku w Niemczech obrazujące przykłady wykorzystania powierzchni dachowej.

Dom z dachem jednopołaciowym daje dużo powierzchni do wykorzystania

Przykład dachu dwuspadowego z kolektorami i panelami

Przykład z panelami ułożonymi między okna dachowe

Idealny dach dla fotowoltaiki cały pokryty panelami

Dachy budynków gospodarczych to ogromne powierzchnie do wykorzystania

 

Rekord i miara zacofania

Kolejne rekordy prądu ze słońca

Według Niemieckiego Związku Energetyki Solarnej w pierwszej połowie 2012 prawie 1 200 000 instalacji fotowoltaicznych wytworzyło 14,7 miliarda kilowatogodzin prądu pokrywając tym samym zapotrzebowanie 8 300 000 niemieckich gospodarstw domowych. Jest to 50% wzrost w stosunku do półrocza roku 2011. Szwajcarska grupa badawczo-doradcza Prognos przewiduje, że  udział prądu ze słońca w miksie energetycznym Niemiec wzrośnie z 3,2% w 2011 do 7% w 2016. W tym samym czasie wysokość taryfy za prąd ma wzrosnąć o niecałe 2,5%.

Produkcja prądu ze słońca wzrosła w Niemczech z 9.800 GWh do 14.700 GWh w ciągu roku

Jednocześnie koszty nowych instalacji fotowoltaicznych spadają w szybkim tempie w związku ze zmianami w systemie finansowania tego typu inwestycji zapisanymi w ustawie o OZE. Dzieje się tak ponieważ jak najwięcej inwestorów chce zdążyć z finalizacją przed kolejnymi cięciami w dotacjach. W 2013 roku szykuje się regres dla branży fotowoltaicznej w Niemczech, który będzie efektem mniejszego zainteresowania inwestycjami  w wielkie farmy solarne.  

Tak przedstawia się sytuacja w Niemczech gdzie bite są kolejne rekordy produkcji energii z OZE  a ustawa regulująca kwestie zasilania sieci energetycznych przez energię ze źródeł odnawialnych funkcjonuje od 7 grudnia 1991 a  ustawa poświęcona wyłącznie temu działowi energetyki tzw. EEG weszła w życie 1 kwietnia 2000.

Miara zacofania

Zupełnie inaczej rysuje się obraz polskiego rynku fotowoltaiki. Podstawowe kwestia obrazująca sytuację fotowoltaiki w Polsce to brak dokładnych, rzetelnych danych dotyczących mocy zainstalowanych ogniw. Urząd Regulacji Energetyki ocenia, że na koniec 2011 całkowita moc fotowoltaiki w naszym kraju wynosiła 2 MW. Podczas gdy w Niemczech moc podłączonych do sieci instalacji PV wyniosła 24 700 MW.

 Przede wszystkim jednak ciągle brak ustawy o OZE implementującej dyrektywę 28/2009/WE o promocji źródeł regeneratywnych. W grudniu minie 2 lata od wymaganego terminu wdrożenia dyrektywy co skutkować będzie karą 125 tys. euro  za każdy dzień opóźnienia a w ministerstwie gospodarki ciągle dąży się do promowania wątpliwego współspalania biomasy jako technologii odnawialnej. Niestety kosztem lepszych, na prawdę odnawialnych rozwiązań. Szerzej na ten temat na blogu pana Grzegorza Wiśniewskiego.

Dla mnie osobiście czas jaki upłynie od wejścia w życie ustawy o OZE w Niemczech, czyli od 1 kwietnia 2000 do momentu uchwalenia polskiego odpowiednika tego aktu prawnego to miara dystansu gospodarczego i organizacyjnego jaki dzieli oba państwa.    

Smak słońca

Słońce oddziałuje na nas w różny sposób nad czym się na co dzień nie zastanawiamy.  Najprzyjemniejszym z nich do niedawna wydawało mi się odczuwanie ciepłego dotyku słońca czy też oglądania jego efektu w postaci pięknej opalenizny. Od kiedy poznałem temat słonecznego gotowania wiem, że równie przyjemny i zdrowy jest jego smak.

W opisanych w poprzednim wpisie kuchenkach i piekarnikach przyrządza się różne dania od najprostszego gotowania jajek po wymagające trochę więcej pracy ciasta.

W piekarniku typu pudełkowego można dogotowywać ryż, warzywa, kartofle, drób, pieczenie, ryby ale także ciastka, ciasta oraz chleb. Kuchenka paraboliczna osiągająca temperatury powyżej 180 ^oC pozwoli smażyć cebulę, mięso, naleśniki, ugotować makaron.

To proste

Nie ma prostszego sposobu gotowania niż za pomocą pudełkowego piekarnika solarnego w którym nic nie może się nie udać. Po przygotowaniu i przyprawieniu potrawy zamykamy ją w piekarniku wystawionym na słońce i czekamy aż wykona ono swoją pracę. Potrawy wymagające duszenia w wodzie należy przygotować w czarnym naczyniu i przykryć aby nie zaparować szyb. Kąt nachylenia reflektora powinien być taki aby kierować jak najwięcej promieni do wewnątrz. Po 2 do 3 godzinach danie jest gotowe, nie trzeba nic mieszać czy pilnować.

To łatwe

W piecyku mojego wykonania udaje się osiągać temperaturę w wysokości 110 ^oC co pozwala ugotować jajka, podpiec kiełbasę i zapiekanki. 

 Piekarnik z kiełbaskami wystawiony na słońce (nieopodal jabłoni)

 Reflektor podparty jest kijkiem i przytrzymywany przez sznurek z napinaczem by nie ruszał do wiatr

 Piekarnik osiągnął temperaturę 110 stopni

 Po godzinie kiełbaski gotowe

 Tyle samo czasu potrzeba zapiekankę

 Efekt rumiana, chrupiąca zapiekanka 

To bardzo smaczne

Pierwszym przyrządzonym moim piecyku daniem, które wymagało nieco większego wysiłku przy przygotowaniu było brazylijskie ciasto kokosowe. Przepis na to nieskomplikowane jedzenie przedstawia się następująco.

250g margaryny, 250g cukru, 250g wiórek kokosowych, 6 jajek, ½ cytryny, szczypta soli, łyżeczka proszku do pieczenia, 50g mielonych migdałów

Po wymieszaniu margaryny, cukru cytryny, soli i jajek razem z migdałami, kokosem i proszkiem do pieczenia wylewamy masę do formy. Wstawiamy na 2 godziny do piekarnika.

Brazylijskie ciasto kokosowe czeka w piekarniku

 

Po godzinie zaczyna się rumienić

Po dwóch godzinach jest gotowe i smakuje słońcem

Gotowanie w piecyku solarnym daje dużą satysfakcję ponieważ dzięki takiemu prostemu urządzeniu oszczędzamy gaz, prąd, węgiel. Jednocześnie robimy coś dla siebie bo dbamy o zdrowie spożywając smaczne wartościowe  potrawy pełne życiodajnej energii słońca przygotowane przez słońce. Co prawda w warunkach europejskich gdzie na gotowanie zużywa się nieznaczną część energii oszczędności nie będą oszałamiające, jednak liczy się każda kilowatogodzina. Natomiast dla gospodarstwa domowego w Afryce gdzie gotowanie ma znaczny udział w zużyciu energii gotowanie słoneczne przynosi znaczne odciążenie w wydatkach.

Piekarnik i kuchenka zasilane słońcem

Tak się składa, że promieniowanie słoneczne o wiele łatwiej można wykorzystać do wytwarzania ciepła niż prądu co w praktyce jest możliwe dzięki przemysłowo wytwarzanym modułom fotowoltaicznym.  Aby uzyskać ciepło i je nie stracić należy zachować kilka prostych zasad

• - promienie słoneczne trafiające na czarną powierzchnię podgrzewają ją jak dzieje się to z czarnymi ubraniami lub ciemnymi samochodami 
• - za pomocą lupy można skupić promienie słoneczne uzyskując temperaturę kilkuset stopni
• - dzięki lusterku można dowolnie przekierowywać promienie i za pomocą kilku lusterek można tak jak przy lupie skupić je w jednym punkcie.
• - ciepło słoneczne można gromadzić i podtrzymywać przy użyciu materiałów izolacyjnych jak np. wełna.   
• - szyby przepuszczają słońce i jednocześnie zapobiegają szybkiej ucieczce ciepła choć oczywiście słabiej niż materiały izolacyjne, podwójne oszklenie daje lepszy efekt
• - promieniowanie słońca przetwarzane są w ciepło gdy po przejściu przez szybę trafi na ciemną powierzchnię. Przy szczelnej konstrukcji i dobrej izolacji wewnątrz piecyka temperatura może dojść do 180 ^oC

Zasadniczo można wyróżnić dwa typy konstrukcji urządzeń pozwalających uzyskać ciepło z promieniowania słońca: piekarnik solarny wykorzystujący efekt cieplarniany oraz kuchenka paraboliczna działająca na zasadzie koncentracji promieni słonecznych. Oba urządzenia różnią się wykorzystaniem promieniowania bezpośredniego i rozproszonego. Piekarnik wykorzystuje oba rodzaje promieniowania dlatego też wystarczy nakierować na południe i dobrze działa w dni kiedy słońce  co jakiś czas wygląda i chowa się za chmury  natomiast kuchenka działa dzięki promieniowaniu bezpośredniemu w związku z czym co raz na pół godziny należy nastawiać ją za poruszającym się słońcem. 

Piekarnik solarny to izolowana skrzynka z czarnymi ścianami wewnątrz przykryta od góry podwójną szybą. Krótkie fale promieniowania słonecznego są przetwarzane przez ciemną powierzchnię w długofalowe promieniowanie cieple. Formy do pieczenia i garnki mają czarną powierzchnią tak aby absorbować promieniowanie. Ponieważ powstałe wewnątrz długofalowe promieniowanie cieplne jest zatrzymywane przez podwójne okno oraz izolowane ścianki wewnątrz dochodzi do wzrostu temperatury. Producenci piekarników typlu pudełkowego jak Sun Oven  czy LAZOLA podają 160 ^oC  jako maksymalną temperaturę jaka może w nich powstać. Piecyk solarny można skonstruować samemu z ogólnie dostępnych materiałów. Najprostsze eksperymentalne piekarniki powstają nawet z kartonów po pizzy czy pudełek po butach budowane przez uczniów np. na lekcjach techniki w celu przybliżenia zasady działania.

Do zbudowania profesjonalnych, dobrze działających piecyków potrzebne są: szyby, drewniane listwy, drewniane płyty klejone, wkręty, gwoździe, klej do drewna, wełna do izolacji, zużyte płyty aluminiowe z druku offsetowego (dostępne w większych drukarniach), czarna farba żaroodporna.

Poniżej zdjęcia obrazujące powstawanie piecyka własnej roboty. Jest to piecyk pudełkowy typu ULOG rozwinięty przez Urlicha Oehlera około 1985 w Bazylei wielokrotnie kopiowany i modyfikowany, ze względu na łatwą dostępność do materiałów konstrukcyjnych oraz instrukcji montażu  najbardziej rozpowszechniony w Europie.

 Do budowy piekarnika wykorzystano sklejane płyty drewniane będące odpadem z remontu mieszkania

Po wycięciu ścian i zbiciu ramy otrzymujemy szkielet piekarnika

Boczne ściany są nachylone pod kątem 30 stopni

Widok pudełka od dołu

Największą trudność sprawia przygotowanie ram okiennych

Prawie gotowe okno przed założeniem ostatniej ramy

Okno razem z przymocowanym do niego na zawiasach reflektorem

Złączone dwie płyty z druku offsetowego (50x70cm) z odrysowanymi wzorem niecki do wycięcia

Płyta offsetowa daje się łatwo ciąć  

Również zaginanie krawędzi i składanie niecki w całość nie stanowi większego problemu

Gotową nieckę pomalowana farbą żaroodporną

Gotowa niecka mocowana do ramy

Piekarnik prawie gotowy

Pozostaje tylko od spodu włożyć izolację, w tym przypadku są to zwykłe gazety

Szybę z reflektorem trzeba przytwierdzić do zamkniętego od dołu pudełka

Piekarnik solarny gotowy

 

Widok piekarnika od tyłu

Piekarnik otwarty wystawiony w kierunku słońca

Piekarnik  ustawiony na tylnej ściance

Takie ustawienie z kątem nachylenia okna 60 stopni przeznaczone do pieczenia w zimowe, słoneczne dni

Kuchenka paraboliczna składa się z lustrzanej powierzchni tak uformowanej, że odbite promienie skupiają się w jednym punkcie, ogniskowej. W tym miejscu umieszczony czarny garnek zostaje podgrzany przez wielokrotnie skoncentrowane słońce.  Kuchenki paraboliczne występują w różnych odmianach i wielkościach od mini ekspres parzący kawę do wielkich kuchni dla setek ludzi.  Takie kuchenki są dostępne, można je zamówić i złożyć, ich producenci podają maksymalną osiąganą  temperaturę w wysokości 200 ^oC EG Solar  a nawet 300 ^oC Solar Papillon. 

Najpowszechniejszym modelem kuchenki parabolicznej produkowanej seryjnie jest SK 14 rozwinięty w Niemczech w latach 80-tych.

Seryjnie produkowana kuchenka paraboliczna

Do zbudowania eksperymentalnych egzemplarzy używa się np. parasole. można także zrobić to samemu z talerza anteny satelitarnej oklejając wewnętrzną stronę połyskową taśmą aluminiową, ewentualnie folią aluminiową do pakowania żywności. 

Przykład innowacyjnego wykorzystania parasola

Poniżej zdjęcia kuchenki zbudowanej w garażu z talerza satelitarnego.   

Antena satelitarna, folia aluminiowa, kilka desek, uchwyt, czarny garnek  kilka godzin i kuchenka gotowa

Widok z tyłu

Kuchenka  wystawiano dokładnie na południe

Promienie słoneczne po odbiciu od talerza skupiają się na spodzie garnka

Zwykły srebrny garnek pomalowany czarnym żaroodpornym lakierem

Na tym zdjęciu widać, że powierzchnia talerza nie jest idealnie gładka mimo to pozwala zagotować wodę

Porównanie kuchenki parabolicznej i piecyka pudełkowego

Każdy rodzaj urządzenia do gotowania ze słońcem ma swoje typowe wady i zalety. Kuchenka solarna ze względu na osiąganie wysokich temperatur doskonale nadaje się do smażenia potraw jak np. naleśniki oraz do gotowania wody. Trzeba natomiast utrzymywać w czystości reflektor i uważać na to by przez przypadek nie oślepiać sąsiadów lub wywołać pożaru. Z kolei piecyk solarny jest prosty w budowie i użytkowaniu. Nic nie może się w nim przypalić tak więc osoba gotująca może zostawić na dłuższy czas i zająć się innymi sprawami. Wadą może być tutaj właśnie wydłużony czas gotowania oraz przygotowania mniejszej ilości posiłku niż w przypadku kuchenki parabolicznej. 

Modele hybrydowe

W praktyce występują połączenia elementów obu urządzeń i tak piecyki wyposażane są w reflektory kierujące jak najwięcej promieni słonecznych do wnętrza a po zamknięciu utrzymują temperaturę oraz kuchenki koncentryczne w których garnek chroniony jest przed wiatrem przez osłony w postaci szyb lub folii