Darmowy prąd w domu: elektrownia wiatrowa i ogniwa fotowoltaiczne

Są różne sposoby wytwarzania energii elektrycznej do użytku domowników, m.in. ogniwa fotowoltaiczne czy przydomowa elektrownia wiatrowa. Jakie urządzenia kupić, żeby mieć prąd za darmo? Czy to się opłaca? Jak można wytwarzać energię elektryczną?

Energię elektryczną wytwarza się przede wszystkim w generatorach, w wyniku indukcji elektromagnetycznej – gdy przewodnik porusza się względem zewnętrznego pola magnetycznego. W ten sposób energia mechaniczna jest zamieniana na elektryczną.

W konwencjonalnych elektrowniach i elektrociepłowniach generator jest napędzany przez turbinę parową, a ciepło potrzebne do wytwarzania przegrzanej pary wodnej uzyskuje się, spalając węgiel. W elektrowniach jądrowych powstaje ono w wyniku rozszczepiania jąder atomowych. Tam, gdzie do powierzchni Ziemi dociera najwięcej promieniowania słonecznego (w pobliżu równika), powstają elektrownie, w których to ono (w procesie konwersji fototermicznej) jest źródłem energii do wytwarzania pary.

Oprócz przegrzanej pary wodnej do napędu generatorów na mniejszą skalę stosuje się turbiny gazowe i silniki spalinowe. Atrakcyjne (choć wbrew pozorom wcale nietanie) jest napędzanie turbin energią płynącej wody i wiatru. Na rynku są też niewielkie generatory poruszane siłą ludzkich mięśni.

Energia elektryczna może też powstawać z energii chemicznej bez pośrednictwa ciepła - w ogniwach galwanicznych i paliwowych, w których jest wykorzystywana energia reakcji elektrochemicznych.

Ze względu na ogromne zasoby energii słonecznej (można je uznać za niewyczerpywalne) popularne stały się urządzenia do konwersji fotowoltaicznej - ogniwa fotowoltaiczne (PV) zamieniające światło (część promieniowania słonecznego) na energię elektryczną.

Wyczerpywanie się zasobów paliw i rosnące ceny energii elektrycznej wytwarzanej w konwencjonalnych elektrowniach powodują duże zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii i urządzeniami, które umożliwiają każdemu wytwarzanie prądu na własne potrzeby za darmo lub niewielkim kosztem.

Powszechnie stosowane są ogniwa fotowoltaiczne (fotoogniwa, ogniwa PV) - elementy półprzewodnikowe produkowane najczęściej z krzemu, rzadziej z germanu lub selenu – które tworzą tak zwane złącze p-n (positive-negative). Docierające do ogniwa fotony powodują powstanie pomiędzy jego pozytywną i negatywną warstwą napięcia elektrycznego - oświetlone złącze działa jak ogniwo elektryczne.

Typowe fotoogniwa krzemowe o wymiarach około 10x10 wytwarzają prąd o napięciu około 0,5 V i mocy 2 W. Łączy się je szeregowo w baterie o parametrach odpowiednich do konkretnych zastosowań. Są sprzedawane w postaci paneli przeznaczonych do zainstalowania na dachu, składających się z od kilku do kilkudziesięciu ogniw. Nominalne napięcie prądu dostarczanego przez pojedynczy panel wynosi 12 albo 24 V, a moc - do kilkuset kilowatów.

Energia słoneczna docierająca do powierzchni Ziemi powoduje nagrzewanie lądów i mórz. Różnice w ich temperaturze wywołują ruch powietrza, czyli wiatr, który z powodzeniem napędza turbiny generatorów prądu. W sprzedaży jest dostępnych wiele elektrowni wiatrowych przeznaczonych do zastosowania w indywidualnych gospodarstwach domowych.

Współczesne wiatraki są bardzo zaawansowane, jeśli chodzi o materiały używane do ich budowy i aerodynamikę. Mają wirniki o osi poziomej, przypominające śmigła oraz stateczniki powodujące samoczynne ustawianie ich w kierunku wiatru. Są też wiatraki o niewielkiej mocy z wirnikiem o osi pionowej działającym niezależnie od kierunku wiatru i odpornym na jego dużą siłę.

Przydomowe turbiny wiatrowe generują prąd o mocy od 100 W do kilku kilowatów. Mają wirniki o średnicy do 4 m i masę do mniej więcej 200 kg. Minimalna prędkość wiatru, przy której zaczynają produkować prąd, to 2,5-3 m/s, ale moc nominalną osiągają przy prędkości rzędu 10 m/s.

Mimo bardzo ważnej zalety fotoogniw i turbin wiatrowych, jaką jest wytwarzanie energii elektrycznej właściwie za darmo, nie są one powszechnie stosowane - wynika to oczywiście z ich wysokiej ceny. Jakby tego było mało, ponieważ ogniwa fotowoltaiczne nie działają po zmroku, a na wiatr napędzający turbiny też nie zawsze można liczyć, korzystanie z dostarczanej przez nie energii wymaga zastosowania drogich i nietrwałych akumulatorów i układu sterującego ich ładowaniem. To sprawia, że korzystanie z elektrowni słonecznych i wiatrowych jest nieopłacalne.

Jest szansa, że to się zmieni, gdy zostanie wdrożony system energetyki prosumenckiej, w którym energię wytwarzają sami jej odbiorcy, ale gdy ich odbiorniki jej nie pobierają, jest ona oddawana do sieci i mogą z niej korzystać sąsiedzi. Duże elektrownie wtedy jedynie uzupełniają jej niedostatki oraz dostarczają prąd dla przemysłu, kolei, infrastruktury miejskiej itp.

Żeby jednak system prosumencki zaczął funkcjonować, konieczne są zapowiadane od kilku lat zmiany w prawie energetycznym, które umożliwią wszystkim sprzedaż wyprodukowanej energii. Ministerstwo Gospodarki zapowiada promowanie małych elektrowni wykorzystujących lokalnie dostępne zasoby odnawialnych źródeł energii przez ustalenie cen energii korzystnych dla jej indywidualnych producentów.