Przypisy i zalecana literatura

05 lipca 2011

przypis. 6.1.
47 Musimy bowiem uwzględnić kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię ziemi… – Szerokość geograficzna Cambridge to θ = 52o; intensywność światła słonecznego w południe jest pomnożona przez cos θ ≈ 0,6. Dokładny współczynnik zależy od pory roku i waha się pomiędzy cos(θ + 23o) = 0,26 i cos(θ – 23o) = 0,87 .

przypis. 6.2.
47 W typowym dla dla Wielkiej Brytanii miejscu jedynie przez 1/3 czasu słońce nie jest przesłonięte przez chmury. – Szkocki górzysty region Highlands cechuje 1100 godzin światła słonecznego rocznie – nasłonecznienie równe 25%. Najlepsze obszary w Szkocji otrzymują 1 400 godzin rocznie – 32%. Cambridge: 1 500 ± 130 godzin rocznie – 34%. Południowe wybrzeże Anglii (najbardziej słoneczna część Wielkiej Brytanii): 1 700 godzin rocznie – 39%. [2rqloc]. Dane dla Cambridge pochodzą z [2szckw]. Spójrz także na Rys. 6.16.
– ...średnia moc promieniowania słonecznego na metr kwadratowy skierowanego na południe dachu w Wielkiej Brytanii wynosi zaledwie 110 W/m2, zaś średnia moc promieniowania słonecznego na płaskiej powierzchni ziemi to 100 W/m2 – Źródło: NASA „Surface meteorology and Solar Energy” [5hrxls]. Jesteście zaskoczeni tym, że pomiędzy pochylonym dachem zwróconym na południe a płaskim dachem jest tak niewielka różnica? Mnie to zdziwiło. Realnie różnica wynosi zaledwie 10%. [6z9epq] .

przypis. 6.3.
48 … oznaczałoby to około 10 m2 paneli na osobę. – Oszacowałem powierzchnię dachów skierowanych na południe na osobę, używając do tego powierzchni ziemi pokrytej budynkami na osobę (48 m2 w Anglii – Tabela I.6.), pomnożonej przez ¼, by otrzymać część dachów skierowaną na południe i zwiększając powierzchnię o 40%, uwzględniając nachylenie dachu. To daje nam 16 m2 na osobę. Panele mają zazwyczaj kształt nieustawnych prostokątów, przez co nie da się nimi przykryć całej powierzchni dachu i zazwyczaj jego część pozostanie niezabudowana; stąd 10 m2 paneli .
– Średnia moc dostarczana przez panele fotowoltaiczne… – Istnieje szeroko rozpowszechniony mit, zgodnie z którym panele słoneczne produkują prawie tyle samo energii w dni pochmurne, jak i w dni słoneczne. To oczywiście nie jest prawdą .
W jasny, acz pochmurny dzień panele fotowoltaiczne oraz rośliny nadal produkują energię, ale w znacznie mniejszej ilości – produkcja fotowoltaiczna spada prawie 10-krotnie, gdy słońce schowa się za chmury (ponieważ natężenie padającego światła spada 10-krotnie). Jak pokazuje Rys. 6.15. moc dostarczona przez panele fotowoltaiczne jest niemal wprost proporcjonalna do intensywności światła słonecznego, przynajmniej w temperaturze 25 oC. By jeszcze bardziej skomplikować sprawę dodam, że dostarczana moc zależy również od temperatury – bardziej rozgrzane panele dostarczają mniej mocy (zazwyczaj jest to strata 0,38% na każdy 1oC). Kiedy jednak sprawdzisz dane pochodzące z istniejących paneli (na przykład na stronie www.solarwarrior.com), możesz potwierdzić główną myśl: moc dostarczana przez panele w dni pochmurne jest znacznie mniejsza niż w dni słoneczne .
Ta sprawa jest często tuszowana przez osoby promujące panele słoneczne, gdy omawiają zależność paneli od światła słonecznego. Mówią, że „panele są bardziej wydajne w dni pochmurne”, co może i jest prawdą, jednak nie ma nic wspólnego z wytwarzaną mocą, która w dni pochmurne jest znacznie mniejsza .
– Wydajność przeciętnego panelu wynosi około 10%, zaś bardziej kosztownego – 20% – patrz: Rys. 6.18.; źródła: Turkenburg (2000), Sunpower, www.sunpowercorp.com, Sanyo, www.sanyo-solar.eu, Suntech .
– Masowa produkcja paneli o efektywności większej niż 30% byłaby wybitnym osiągnięciem… – To cytat z pracy Hopfielda i Golluba (1978), którzy odnosili się do paneli niewyposażonych w lustra lub soczewki koncentrujące promieniowanie .
Maksymalna teoretyczna sprawność, zwana limitem Shockleya-Queissera, dla standardowego ogniwa z jednym złączem P-N (ang.: single-junction) bez koncentratora wynosi 31% – najwyżej tyle energii słonecznej może zostać przekształcone w elektryczność (Shockley i Queisser, 1961). Przyczyna? Wydajność zależy od energii, tzw. przerwy energetycznej (pasma wzbronionego) w materiale, z którego zrobione jest ogniwo. Światło słoneczne zawiera fotony o różnej energii, fotony o energii poniżej pasma wzbronionego w ogóle nie zostają wykorzystane, fotony o energii powyżej tego pasma zostają wychwycone, ale nadmiar energii (w stosunku do energii pasma wzbronionego) zostaje utracony. Koncentratory (lustra lub soczewki) ograniczają koszt w przeliczeniu na wat mocy z systemów fotowoltaicznych i jednocześnie zwiększają ich wydajność. Limit Shockleya-Queissera dla paneli słonecznych z koncentratorem wynosi 41%. Jedynym sposobem, by przeskoczyć limit Shockleya-Queissera, jest produkcja wyrafinowanych systemów fotowoltaicznych, które dzielą światło na różne długości fali i przetwarzają każdy zakres fal przy użyciu oddzielnych pasm wzbronionych. To ogniwo o wielu złączach P-N (ang.: multiple-junction). Najnowsze ogniwa o wielu złączach P-N z koncentracją optyczną mają mieć sprawność rzędu 40%. [2tl7t6], www.spectrolab.com. W lipcu 2007 Uniwersytet Delaware ogłosił, że uzyskał sprawność rzędu 42,8% przy 20-krotnej koncentracji [6hobq2], [2lsx6t]. W sierpniu 2008 NREL ogłosiło uzyskanie 40,8% sprawności przy 326-krotnej koncentracji [62ccou]. Co ciekawe, oba te wyniki okrzyknięto rekordem świata w sprawności. Jakie ogniwa o wielu złączach P-N są dostępne na rynku? Uni-solar sprzedaje cienkowarstwowe panele o wielu złączach P-N, o mocy szczytowej 58 W i powierzchni 1 m2. Oznacza to sprawność przy pełnym nasłonecznieniu rzędu zaledwie 5,8% .

przypis. 6.4.
49 Rys. 6.5.: Dane dotyczące paneli fotowoltaicznych. – Dane oraz zdjęcie zamieszczone dzięki uprzejmości Jonathana Kimmitta . – Heliodynamics – www.hdsolar.com; patrz fot. 6.19. Podobny system jest produkowany przez Arontis www.arontis.se .

przypis. 6.5.
50 Park Słoneczny w Mühlhausen w Bawarii. – Szacuje się, że ta 25-hektarowa farma będzie produkować średnio 0,7 MW energii (17 000 kWh dziennie) .
Nowojorska stacja metra Stillwell Avenue ma wbudowane w sklepienie cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne z silikonu amorficznego, dostarczające 4 W/m2 (Fies i inni, 2007) .
Elektrownia słoneczna Nellis w Nevadzie została oddana do użytku w grudniu 2007, zajmuje 56 hektarów i ma produkować 30 GWh energii rocznie. To 6 W/m2 [5hzs5y] .
Elektrownia słoneczna Serpa w Portugalii, „najpotężniejsza elektrownia słoneczna na świecie” [39z5m5] [2uk8q8], dysponuje panelami śledzącymi słońce, zajmującymi 60 ha (czyli 600 000 m2 lub 0,6 km2), które mają generować 20 GWh energii rocznie, średnio 2,3 MW. Daje to moc na jednostkę powierzchni rzędu 3,8 W/m2 .
– Moc z elektrowni słonecznych, potrzebna do dostarczenia tych 50 kWh dziennie na osobę w Wielkiej Brytanii, to więcej niż 100-krotna moc dostarczana przez wszystkie panele słoneczne zainstalowane obecnie na świecie. Dostarczenie 50 kWh dziennie każdemu Brytyjczykowi wymagałoby średniej mocy na poziomie 125 GW, do czego potrzeba 1 250 GW mocy zainstalowanej. Do końca roku 2007 moc zainstalowana w fotowoltaice na całym świecie osiągnęła 10 GW; przyrost mocy zainstalowanej wynosi około 2 GW rocznie .

przypis. 6.6.
51 Wyłożenie 5% powierzchni Wielkiej Brytanii panelami słonecznymi wydaje się z wielu względów nierealne. Wydaje się mi to nieprawdopodobne, gdyż Brytyjczycy wolą na swojej wsi prowadzić farmy lub wypoczywać, a nie „uprawiać” panele słoneczne. Odstręcza również cena. To nie jest książka o ekonomii, jednak podam kilka liczb. W oparciu o koszty bawarskiej farmy słonecznej można wyliczyć, iż dostarczenie 50 kWh energii dziennie na osobę kosztowałoby 91 000 euro na osobę. O ile elektrownia ta działałaby kolejne 20 lat bez dodatkowych inwestycji, hurtowa cena energii wyniosłaby 0,25 euro za 1 kWh. Więcej w: David Carlson, BP solar [2ahecp] .

przypis. 6.7.
52 przeciętny Brytyjczyk wyrzuca ok. 300 g jedzenia dziennie. Źródło: Ventour (2008) .
– Fot. 6.10. Miskant uprawiany bez nawozów azotowych daje w USA plon ok. 24 t suchej masy z hektara rocznie. W Wielkiej Brytanii plony wynoszą 12–16 t/ha rocznie. Suchy miskant ma wartość kaloryczną netto rzędu 17 MJ/kg, zatem brytyjskie plony odpowiadają gęstości energetycznej rzędu 0,75 W/m2. Źródła: Heaton i inni (2004) oraz [6kqq77]. Takie plony osiągane są dopiero po trzech latach niezakłóconego wzrostu .
– Rys. 6.11. Przytoczone tu liczby pochodzą z następujących prac: Rogner (2000) energia netto pozyskana z drewna, rzepaku, trzciny cukrowej i plantacji tropikalnych; Bayer Crop Science (2003) rzepak na biodiesel; Francis i inni (2005) oraz Asselbergs i inni (2006) jatrofa; Mabee i inni (2006) brazylijska trzcina cukrowa; Schmer i inni (2008) proso rózgowe, gleby gorszej jakości w USA; Shapouri i inni (1995) kukurydza na etanol; Królewska Komisja ds. Zanieczyszczenia Środowiska (2004); Grupa robocza Towarzystwa Królewskiego ds. biopaliw (2008); Energy for Sustainable Development Ltd (2003); Archer i Barber (2004); Boyer (1982); Monteith (1977) .

przypis. 6.8.
53 Najbardziej wydajne rośliny w Europie mają zaledwie 2-procentową efektywność w procesie zamiany energii słonecznej w węglowodany, rzeczywista moc dostarczona na jednostkę powierzchni wynosi jakieś 0,5 W/m2. Przy niskim nasłonecznieniu najbardziej wydajne rośliny, solidnie nawożone, mają efektywność rzędu 2,4% (Monteith, 1977). Przy wyższym nasłonecznieniu efektywność konwersji spada. Wg Turkenburga (2000) i Schiermeiera i in. (2008), efektywność konwersji energii słonecznej na energię biomasy wynosi mniej niż 1% .
Oto kilka źródeł na potwierdzenie mojego oszacowania 0,5 W/m2 dla energii z roślin w Wielkiej Brytanii. Królewska Komisja ds. Zanieczyszczenia Środowiska szacuje potencjalną gęstość energetyczną upraw energetycznych w Wielkiej Brytanii na 0,2 W/m2 (Royal Commission on Environmental Pollution, 2004). Na stronie 43 analizy Towarzystwa Królewskiego nt. biopaliw (Grupa robocza Towarzystwa Królewskiego ds. biopaliw – Royal Society working group on biofuels, 2008) miskant zajmuje pierwsze miejsce, dostarczając jakieś 0,8 W/m2 energii chemicznej .
W Ocenie sytuacji energetycznej na świecie ONZ (World Energy Assessment) Rogner (2000) pisze: „Zakładając efektywność konwersji na prąd rzędu 45% oraz plony rzędu 15 ton suchej masy z hektara na rok, wytworzenie 1 megawata prądu z instalacji na biomasę pracującej przez 4 tys. godzin rocznie wymagałoby 2 km2 plantacji”. Daje to energię na jednostkę powierzchni rzędu 0,23 W(e)/m2 (1 W(e) oznacza 1 wat mocy elektrycznej) .
Energy for Sustainable Development Ltd (2003) szacuje, że rośliny krzewiaste (np. wierzba, topola) mogą dostarczyć ponad 10 ton suchej masy z hektara na rok, co odpowiada gęstości energetycznej rzędu 0,57 W/m2 (suche drewno ma wartość kaloryczną 5 kWh na kg) .
Wg Archera i Barbera (2004), chwilowa sprawność zdrowego liścia w warunkach optymalnych zbliża się do 5%, ale długookresowa efektywność gromadzenia energii dzisiejszych upraw wynosi 0,5 – 1%. Archer i Barber sugerują, że modyfikacje genetyczne mogą podnieść sprawność gromadzenia energii roślin, a szczególnie roślin o fotosyntezie C4, które same z siebie ewoluowały w kierunku bardziej efektywnej fotosyntezy. Rośliny C4 rosną głównie w tropikach i lubią wysokie temperatury; nie rosną w temperaturach niższych niż 10 °C. Roślinami C4 są: trzcina cukrowa, kukurydza, sorgo, proso afrykańskie czy proso rózgowe. Zhu i inni (2008) szacują teoretyczny limit efektywności konwersji energii słonecznej na energię biomasy na poziomie 4,6% dla typu fotosyntezy C3 (przy 30 °C i obecnym stężeniu CO2 w atmosferze rzędu 380 ppm) oraz 6% dla fotosyntezy typu C4. Twierdzą, że najwyższe rzeczywiście uzyskane wartości efektywności konwersji dla roślin C3 i C4 wyniosły odpowiednio 2,4% oraz 3,7%, a także (cytując Boyera, 1982), że średnia efektywność konwersji najpopularniejszych upraw w USA jest 3 – 4 razy niższa niż te rekordowe wyniki (i wynosi 1%). Jednym z powodów, dla których rośliny nie osiągają teoretycznego limitu, jest fakt, że nie potrafią wykorzystać całego promieniowania jasnego światła słonecznego. Oba opracowania (Zhu i inni, 2008; Boyer, 1982) omawiają możliwości modyfikacji genetycznych w celu uzyskania bardziej wydajnych roślin .
– Nawet w dobrym kotle, podczas spalania suchego drewna, przez komin ucieka 20% ciepła. Źródła: Grupa robocza Towarzystwa Królewskiego ds. biopaliw (2008); Królewska Komisja ds. Zanieczyszczenia Środowiska (2004) .