Fotowoltaika szansą rozwoju dla komunikacji miejskiej
Photovoltaic as a chance development for urban transport
Schemat systemu fotowoltaicznego PV w autobusie miejskim
Energia elektryczna jest jednym z głównych czynników mających wpływ na rozwój gospodarczy świata. W najbliższych latach przewidywany jest wzrost konsumpcji energii elektrycznej pochodzącej z fotowoltaiki. Po raz pierwszy zjawisko fotoelektryczne zostało wykryte w 1839 r. przez francuskiego naukowca Antoniego Cezara Becquerela i wyjaśnione przez Alberta Einsteina w 1921 r., a następnie znalazło zastosowanie w latach 50. ubiegłego wieku w kosmonautyce. Fotowoltaika (photo – z jęz. gr. światło i voltaic – z jęz. ang. – słowo kojarzone z prądem elektrycznym) – to technologia aktywnej produkcji energii elektrycznej z promieniowania słonecznego.
Zobacz także
VOLT Polska Sp. z o.o. Inteligentna instalacja – fundament nowoczesnego prosumenta
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak...
Produkcja energii z odnawialnych źródeł to dziś standard, jednak jej charakter pozostaje niestabilny – zależny od pogody, pory dnia i sezonu. Odpowiednio zaprojektowana instalacja prosumencka może jednak skutecznie zniwelować te ograniczenia, zapewniając użytkownikowi realną kontrolę nad zużyciem energii, większą niezależność od rynku energii oraz ciągłość zasilania, nawet w sytuacjach awaryjnych.
VOLT Polska Sp. z o.o. Mądry prosument z inteligentną instalacją
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się...
Energia z OZE, przy wszystkich swoich zaletach, jest zmienna i nieprzewidywalna. Stworzenie w pełni sprawnej budynkowej elektrowni prosumenckiej – zapewniającej faktyczną niezależność od wahających się cen energii elektrycznej oraz samowystarczalność energetyczną i spełnienie celów środowiskowych (np. zmniejszenie emisji CO2) czy ciągłość dostaw energii – jest jednak możliwe!
Weidmüller Rozwiązania fotowoltaiczne Weidmüller: najwyższa jakość i bezpieczeństwo
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
Wśród wielu produktów do systemów fotowoltaicznych, oferowanych przez firmę Weidmüller, przedstawiamy dwa innowacyjne rozwiązania, dzięki którym instalacja PV będzie działać efektywnie przez długie lata.
W artykule:• Zrównoważony rozwój transportu• Rynek fotowoltaiki w Polsce • Rynek fotowoltaiki na świecie • Technologia fotowoltaiczna autobusów miejskich |
Słońce stanowi trzecie co do wielkości źródło energii odnawialnej na świecie. Do czynników zewnętrznych mających wpływ na ilość wytwarzanej energii elektrycznej wskutek przemian pozyskanego promieniowania Słońca zaliczamy: intensywność promieniowania, przejrzystość atmosfery oraz kąt padania promieni słonecznych. Intensywność promieniowania (irradiacja) to strumień promieniowania, padający na jednostkę powierzchni i wyrażony w (W/m2). Przejrzystość atmosfery to czynnik, który ma znaczący wpływ na wydajność zastosowanych instalacji fotowoltaicznych, przy czym para wodna, pyłki roślin oraz zanieczyszczenia zmieniają własności optyczne powietrza.
Fotowoltaika (PV) polega na bezpośredniej konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną. W odniesieniu do źródeł konwencjonalnych, promieniowanie słoneczne jest niewyczerpywalnym źródłem energii odnawialnej. Największe nasłonecznienie uzyskuje absorber w postaci modułu fotowoltaicznego zamontowany w stosunku do pozornego ruchu Słońca tak, aby promienie padały prostopadle. Ze względów ekonomicznych przyjmuje się do zastosowania krzem amorficzny, który absorbuje promieniowanie słoneczne z czterdziestokrotnie większą sprawnością w porównaniu z krzemem monokrystalicznym. Warstwa o grubości 1 mm wystarcza do zaabsorbowania ponad 90% energii słonecznej padającej na ogniwo, która może być osadzana na tanich podłożach takich jak: szkło, metal czy plastik [15].
W celu polepszenia jakości powietrza w miastach zachodzi konieczność poszukiwania nowych rozwiązań w sektorze transportu miejskiego. Obecnie przemysł fotowoltaiczny jest jednym z najdynamiczniej rozwijających się sektorów globalnej gospodarki. Era gospodarki bazującej na przemyśle naftowym ustępuje miejsca nowej gospodarce, opartej na czystszych i bardziej zrównoważonych źródłach energii.
Jednym z kluczowych czynników nowoczesnej gospodarki umożliwiających rozwój społeczno-gospodarczy jest sprawny i efektywny system transportowy. Wraz ze wzrostem popytu na transport zauważa się tendencję w kierunku budowania nowej infrastruktury i otwierania rynków.
Zrównoważony rozwój transportu
Rozwój transportu odbywa się według zasad zrównoważonego rozwoju. Pojęcie zrównoważony rozwój transportu rozumiane jest jako proces zmian w sektorze transportu wykazujący cechy rosnącego zrównoważenia. Zrównoważenie to zintegrowane działania ludzkie oraz konieczność podejmowania skoordynowanych decyzji pomiędzy różnymi sektorami, grupami interesów oraz systemami legislacyjnymi. System zrównoważonego transportu uwzględnia kryterium dostępności do usług transportowych zgodnie z wymogiem bezpieczeństwa zdrowotnego i ekologicznego, z uwzględnieniem zasady sprawiedliwości międzypokoleniowej, a także kryterium efektywności ekonomicznej oraz kryterium ograniczania wpływu na środowisko i wykorzystanie przestrzeni. Zakłada się, że sektor transportu powinien zużywać mniej energii w bardziej prośrodowiskowy sposób, lepiej korzystać z nowoczesnej infrastruktury i ograniczać negatywny wpływ na środowisko oraz najważniejsze zasoby naturalne takie jak wodę, ziemię i ekosystemy. Jednocześnie nie należy ograniczyć mobilności [16].
Rynek fotowoltaiki w Polsce
Sektor fotowoltaiki to niewątpliwie jeden z najdynamiczniej rozwijających się obszarów OZE. Dotyczy to zarówno Polskich, jak i światowych uwarunkowań. Polski rynek fotowoltaiczny charakteryzuje się dużym, jednakże dotąd niedostatecznie wykorzystywanym, potencjałem rozwoju. Zgodnie z danymi z końca kwietnia 2019 r. łączna moc zainstalowana w źródłach fotowoltaicznych wynosiła 486,5 MW. Natomiast w maju 2019 r. przekroczyła już 700 MW. Na rysunku 1. przedstawiono dynamikę wzrostu mocy zainstalowanej w źródłach fotowoltaicznych w Polsce w latach 2011– 2018.
Rys. 1. Moc zainstalowana w źródłach fotowoltaicznych w Polsce w latach 2011– 2018 w MW. Opracowanie własne na podstawie: [2]
W ostatnich latach obserwuje się dynamiczny wzrost liczby nowych instalacji fotowoltaicznych. W ubiegłym roku Polska osiągnęła w tym względzie poziom umożliwiający jej zaistnienie na europejskim rynku. Generując roczny przyrost rzędu 235 MW została sklasyfikowana na 9. miejscu. Zgodnie z szacunkami uwzględniającymi aktualne inwestycje i trendy, Polska może w najbliższym czasie (nawet jeszcze w 2019 r.) znaleźć się na 4. miejscu w UE w klasyfikacji rocznych przyrostów nowych źródeł fotowoltaicznych [1].
W niedawno opublikowanym projekcie „Polityki Energetycznej Polski do 2040 r.” [3] oraz „Krajowym planie na rzecz energii i klimatu na lata 2021–2030” [4] zakłada się jeszcze większy wzrost mocy zainstalowanej w źródłach fotowoltaicznych już w 2020 r. Najbardziej optymistyczne założenia rozwoju sektora PV znajdują się w projekcie „Polityki Energetycznej Polski do 2040 r.”. Łączna moc instalacji fotowoltaicznych ma wynieść w 2040 r. ponad 20,2 GW. Natomiast zgodnie z Krajowym planem na rzecz energii i klimatu przewiduje się powstanie w 2040 r. 15,7 GW instalacji. Na podstawie tych założeń fotowoltaika będzie stanowić w 2040 r. około 25% całkowitej mocy zainstalowanej w OZE.
Rynek fotowoltaiczny ma stać się najważniejszym obszarem inwestycji w ramach energetyki odnawialnej. Ważnym jest jednak fakt, iż w dalszym ciągu największą rolę w obrotach branży fotowoltaicznej odgrywają prosumenci, którzy są wspierani dotacjami UE. Szybki rozwój charakteryzuje jednak autoproducentów oraz farmy fotowoltaiczne. Podmioty te sprzedają energię na zasadach rynkowych. Postępująca coraz intensywniej komercjalizacja branży PV przyczynia się do wzrostu znaczenia na rynku banków inwestycyjnych, również banków działających w segmencie detalicznym i obsługujących prosumentów.
Rys. 2. Prognozy dla sektora. Opracowanie własne na podstawie: [1]
Na podstawie zaprezentowanych danych można przyjąć z dużym prawdopodobieństwem, iż warunki realizowania inwestycji w sektorze OZE, a tym samym w PV, będą ulegać dalszej poprawie. Najbliższe lata będą w Polsce atrakcyjne zarówno dla inwestorów, jak i dostawców rozwiązań na rynku fotowoltaiki. Zakłada się również, że technologie PV staną się liderem krajowego rynku inwestycji energetycznych, zaś Polska obejmie pozycję jednego z ważniejszych rynków europejskiej fotowoltaiki.
Rynek fotowoltaiki na świecie
Sytuacja sektora PV zarysowuje się równie pozytywnie w globalnym ujęciu. Uzasadnieniem tego stwierdzenia są dane zobrazowane na rysunku 3.
Rys. 3. Moc zainstalowana w źródłach fotowoltaicznych na świecie w latach 2010 – 2018 w MW. Opracowanie własne na podstawie: [2]
Przedstawiono na nim moc zainstalowaną w źródłach fotowoltaicznych na świecie w latach 2010–2018. Zawężając analizę do krajów Unii Europejskiej (stan na koniec kwietnia 2019 r.) można stwierdzić, iż rynek fotowoltaiki ulega dynamicznemu rozwojowi wraz z wdrożeniem Dyrektywy OZE w 2009 r. Od tego momentu do 2018 r. odnotowano ponad dziesięciokrotny wzrost mocy zainstalowanej w źródłach fotowoltaicznych w krajach UE. Na koniec 2018 r. moc ta wynosiła 116 GW. Rok 2018 był rekordowy, powstało bowiem w tym czasie również ponad 50% więcej nowych instalacji fotowoltaicznych, niż w 2017 r. [1].
Największy wzrost odnotowano w tym względzie w Niemczech. Był to przyrost o ponad 3 GW. Kolejno w Holandii (o 1,5 GW), Francji (o 1,3 GW) i na Węgrzech (o ponad 0,5 GW) [1,5].
Technologia fotowoltaiczna autobusów miejskich
Jednym z najważniejszych powodów rozwoju autobusowych systemów transportu są coraz większe wymagania pasażerów co do komfortu podróży. Chodzi tu przede wszystkim o takie udogodnienia jak klimatyzacja, ogrzewanie, komunikacja audiowizualna z organizatorem transportu (m.in. telewizja pokładowa, informacje foniczne) oraz oświetlenie wewnętrzne. Nowoczesne autobusy wyposażane są także w funkcje elektronicznego wspomagania zarządzaniem ruchem miejskim. Proces ten wspomagają systemy GPS, Wi-Fi oraz monitoring. Wszystkie te elementy przyczyniają się do rosnącego obciążenia wewnętrznej instalacji elektrycznej. W związku z tym pobór prądu we współczesnych autobusach miejskich stanowi ważne zagadnienie do rozwiązania [6].
Odciążenie pracy alternatora oraz zużycia akumulatorów jest coraz częściej realizowane poprzez stosowanie paneli fotowoltaicznych (na rysunku 4. przedstawiono schemat systemu fotowoltaicznego PV w autobusie miejskim). Jednakże takie rozwiązanie jest ściśle związane z potrzebą zmierzenia się z ważnymi problemami o naukowo-badawczym charakterze. Inaczej bowiem wygląda montaż i efektywność panelu nieruchomego (montowanego zazwyczaj na dachu budynku) oraz panelu przemieszczającego się wraz z autobusem.
Rys. 4. Schemat systemu fotowoltaicznego PV w autobusie miejskim [13]
Podczas montażu panelu fotowoltaicznego konieczne jest uwzględnienie oporu czołowego pojazdu. W związku z tym panele montowane są w pozycji horyzontalnej. Jednakże takie położenie obwarowane jest mniejszą (o około 13% w stosunku do optymalnego położenia) produktywnością ogniw [13]. Do niższej efektywności przyczynia się również wysoka zabudowa miejska, która obniża stopień nasłonecznienia paneli montowanych na autobusach.
Oprócz wysokiej zabudowy, efektywność tego procesu jest także obniżana przez mniejszą przezroczystość powietrza miejskiego (szczególnie nad ulicami). Ponadto na dachach autobusów znajduje się wiele urządzeń i elementów technicznych, które mogą ograniczać zarówno montaż, jak i efektywność działania paneli fotowoltaicznych. Należy również wspomnieć o tak oczywistych ograniczeniach jak uzależnienie nasłonecznienia od pór roku oraz warunków geograficznych [6].
Pojazd będący w ruchu utrudnia również skuteczność naświetlania poszczególnych ogniw panelu. W tym przypadku dynamika zmian oświetlenia charakteryzuje się znacznie większymi wahaniami, niż można zaobserwować w nieruchomych panelach. Konieczne jest w związku z tym adaptacyjne śledzenie punktu pracy ogniw, który gwarantuje maksimum uzyskiwanej mocy [6]. Konstrukcja autobusów miejskich narażona jest na działanie wielu naprężeń mechanicznych. Montaż ogniw fotowoltaicznych na dachu autobusu powoduje, że naprężenia te są przenoszone również na nie. Panele fotowoltaiczne są wrażliwe na działanie takich sił, co w konsekwencji podnosi ryzyko ich uszkodzeń. W związku z tym konieczne jest stosowanie takich rozwiązań montażu, które zminimalizują przenoszenie naprężeń i zapewnią ochronę przed uszkodzeniem paneli. Konstrukcja montażu i same panele nie mogą być zbyt masywne. Nie można bowiem narazić konstrukcji dachu autobusu na zbyt duże obciążenie oraz zwiększenie masy całkowitej pojazdu, co w konsekwencji przyczyni się do większego spalania, które miało być ograniczone przez zamontowanie paneli fotowoltaicznych [6]. Często stosowanym rozwiązaniem jest montowanie paneli polikrystalicznych, które charakteryzują się dużą elastycznością w porównaniu ze standardowymi panelami montowanymi na budynkach [13].
Montaż paneli fotowoltaicznych na dachu autobusu obniża jego właściwości aerodynamiczne. Ponadto przytwierdzenie go do poszycia dachu może przenosić do pewnego stopnia ciepło z autobusu na panele, co przyczyni się również do nagrzania paneli i zmniejszenia ich sprawności przetwarzania energii słonecznej [6].
Pomimo wielu wymagań, jakie należy uwzględnić podczas stosowania paneli fotowoltaicznych w autobusach miejskich, zaleca się stosowanie tej technologii. W wielu polskich miastach takie autobusy funkcjonują z powodzeniem [7, 8, 9, 10]. Pomimo zmniejszenia produktywności paneli podczas montażu w pozycji horyzontalnej oraz innych czynników obniżających skuteczność nasłonecznienia ogniw fotowoltaicznych, ich montaż na jak największej powierzchni dachu autobusu przyczynia się do zmniejszenia kosztów jego eksploatacji [6].
Wdrożenie takiego rozwiązania przyczynia się do [6, 11]:
- zredukowania zużycia paliwa;
- przedłużenia żywotności akumulatorów autobusu;
- ograniczenia ilości przypadków wyładowania akumulatorów autobusu;
- ograniczenia hałasu i emisji szkodliwych cząstek spalin [12, 14] podczas postoju autobusu na przystankach końcowych. Istnieje bowiem możliwość wyłączenia silnika spalinowego bez obawy przed wyładowaniem się akumulatora przez włączone urządzenia elektryczne.
Ponadto zmniejszenie zużycia paliwa przyczynia się do zwiększania bezpieczeństwa energetycznego kraju. Kolejnym pozytywnym efektem zastosowania paneli fotowoltaicznych w komunikacji miejskiej jest promowanie wśród społeczeństwa odnawialnych źródeł energii [6].
Podsumowanie
Wdrażanie fotowoltaiki w Polsce ze względu na położenie geograficzne obecnie odgrywa rolę rozproszonego źródła energii. Inwestowanie w systemy PV jest pozytywnym aspektem ze względu na coraz nowocześniejsze instalacje fotowoltaiczne i stopę zwrotu inwestycji w krótkim okresie. Ogniwa fotowoltaiczne znajdują coraz większe zastosowanie w transporcie autobusowym ze względu na wzrost ich sprawności oraz zmniejszające się koszty instalacji. Efekty ekonomiczne i ekologiczne przyczyniają się do podejmowania decyzji w niezależne, odnawialne źródła energii, tj. w fotowoltaikę ze względu na możliwość uzyskania korzyści finansowych oraz środowiskowych. Polskie miasta są coraz częściej postrzegane jako nowoczesne, proekologiczne, a decydenci kierują się głównie potrzebą poprawy jakości powietrza, chęcią obniżenia poziomu hałasu oraz podnoszenia standardu usługi przewozu pasażerów.
Literatura
- Instytut Energetyki Odnawialnej, Rynek Fotowoltaiki w Polsce, Instytut Energetyki Odnawialnej Warszawa 2019.
- International Renewable Energy Agency – www.irena.org [dostęp 15.08.2019].
- Polityka Energetyczna Polski do 2040 r., Ministerstwo Energii, Warszawa 2018.
- Krajowy plan na rzecz energii i klimatu na lata 2021-2030. Założenia i cele oraz polityka działania, Ministerstwo Energii, Warszawa 2019.
- Jäger-Waldau A., Bodis K., Kougias I., Szabo S., The New European Renewable Energy Directive - Opportunities and Challenges for Photovoltaics, European Commission, Joint Research Centre, Energy Efficiency and Renewables Unit, 21027 Ispra, Italy.
- Duk M., Technologia fotowoltaiczna autobusów miejskich zmniejszająca zużycie paliwa, „Przegląd Elektrotechniczny 2018”, nr 9.
- Szymajda M., MZA testują panele fotowoltaiczne na swoich autobusach, https://www.transport-publiczny.pl/wiadomosci/mza-testuja-panele-fotowoltaiczne-na-swoich-autobusach-48078.html, dostęp [dostęp 16.08.2019].
- Dybalski J., Solaris montuje ogniwa słoneczne na autobusach dla Warszawy, https://www.transport-publiczny.pl/wiadomosci/solaris-montuje-ogniwa-sloneczne-na-autobusach-dla-warszawy-50217.html, [dostęp 16.08.2019].
- Kraków: kolejne autobusy z fotowoltaiką na dachu, https://www.gramwzielone.pl/energia-sloneczna/30241/krakow-kolejne-autobusy-z-fotowoltaika-na-dachu, [dostęp 16.08.2019].
- Panele fotowoltaiczne na dachach autobusów miejskich w Lublinie, http://eko.org.pl/index_news.php?dzial=2&kat=19&art=1020, [dostęp 16.08.2019].
- Fotowoltaika w autobusach - http://www.planergia.pl/post/fotowoltaika-w-autobusach-1024 [dostęp 15.08.2019].
- Merkisz, J., Bajerlein, M.,, Zastosowanie paneli fotowoltaicznych w autobusie miejskim w aspekcie zmniejszenia emisji substancji szkodliwych, „Zeszyty Naukowe WSEI. Seria: Transport i Informatyka 2012”, nr 1.
- Gęca M., Wendeker M., Grabowski Ł., Badania eksploatacyjne struktur fotowoltaicznych zamocowanych na pokładzie autobusu miejskiego z silnikiem diesla, „Combustion Engines 2015”, nr 3.
- Merkisz, J., Bajerlein, M., Daszkiewicz, P., The Influence of the Application of Photovoltaic Cells in City Buses to Reduce Fuel Consumption – (CO2) and Exhaust Emissions (HC, PM, and NOx), International Conference on Power and Energy Systems, Lecture Notes in Information Technology, Vol.13, 2012.
- Klugmann E., Klugmann-Radziemska E. 1999. Alternatywne źródła energii. Energetyka fotowoltaiczna. Wydaw. Ekonomia i Środowisko. Białystok.
- Pawłowska B. 2013 Zrównoważony rozwój transportu na tle współczesnych procesów społeczno-gospodarczych. Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego. Gdańsk.
