W Polsce nawet w zimie możliwe jest wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Oszczędności wyniosą około 42% w zużyciu tradycyjnych nośników energii.
Zapewnienie dostępu do źródeł energii ma zasadnicze znaczenie w rozwoju ludzkości. Wzrost zaludnienia i podnoszenie poziomu życia wymuszają zwiększenie wytwarzania i zużywania energii. Tradycyjne źródła ulegają szybkiemu wyczerpaniu. Koniecznością staje się poszukiwanie nowych zasobów. Zgodnie z dyrektywą Unii Europejskiej w 2020 r. udział energii odnawialnych w całkowitym bilansie powinien stanowić 20%. Jednym ze źródeł alternatywnych jest promieniowanie słoneczne. Dodatkowo zgodnie z dyrektywą UE od 2015 r. budynki zarówno nowo projektowane, jak i modernizowane będą musiały być wyposażone w źródło energii odnawialnej.
rys. 1. Mapa napromieniowania słonecznego w Polsce (źródło: IMiGW)
Promieniowanie słoneczne
Przeanalizujemy możliwość wykorzystania energii słonecznej do przygotowania ciepłej wody w warunkach klimatycznych Polski. Energia promieniowania słonecznego jest wykorzystywana w wielu krajach. Czas operacji słonecznej zmienia się w ciągu roku i doby. Zmiany następują wraz z:
– szerokością geograficzną,
– porą dnia,
– porą roku,
– lokalizacją obiektu,
– stanem zanieczyszczenia środowiska (powietrza).
Chcąc określić możliwość wykorzystania energii promieniowania słonecznego, powinniśmy znać następujące jego parametry:
– usłonecznienie,
– napromieniowanie kWh/m2,
– natężenie promieniowania słonecznego kW/m2,
– strukturę promieniowania słonecznego,
– rozkład w czasie promieniowania zarówno w cyklu dobowym, jak i rocznym.
Na obszarze Polski roczna gęstość strumienia promieniowania słonecznego waha się w granicach 950–1250 kWh/m2. Jako jeden z korzystniejszych pod względem heliograficznym plasuje się m.in. region lubelski. Średnio roczne całkowite promieniowanie słoneczne wynosi tu ponad 1050 kWh/m2 (rys. 1).
Załączona mapa przedstawia obszary zróżnicowanych sum rocznego napromieniowania zgodne z przyjętą normą dla całego kraju 3600 MJ/m2, co odpowiada wartości 1000 kWh/m2 z odchyłkami +/- 10%.
Znając rozkład promieniowania, możemy określić tzw. koherentność (spójność źródła słonecznego z przewidywanym czasem i sposobem użytkowania energii). Zależy nam, by maksymalne moce danego źródła energii występowały w tym samym czasie, kiedy występuje największe zapotrzebowanie na energię użytkową. Jeżeli takie zjawisko nie występuje, energia musi być magazynowana w czasie, kiedy jest dostępna w dużych ilościach, aby mogła być wykorzystana w późniejszych okresach.
Uśrednione dane klimatyczne Warszawy przedstawiono w tab. 1 [1].
tab.1. Średnie miesięczne całkowite napromieniowanie na płaszczyznę poziomą I, udział promieniowania rozproszonego D [%] i temperatura powietrza zewnętrznego te dla Warszawy (uśrednione za okres 30 lat)
|
Miesiąc
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
V
|
VI
|
VII
|
VIII
|
IX
|
X
|
XI
|
XII
|
|
I
|
16,2
|
27,4
|
67,0
|
95,6
|
137,0
|
164,0
|
158,0
|
134,0
|
65,0
|
48,0
|
16,7
|
11,2
|
|
D
|
67,0
|
65,8
|
63,8
|
49,8
|
47,4
|
43,8
|
45,3
|
45,2
|
46,7
|
54,8
|
68,6
|
74,4
|
|
te
|
-3,5
|
-2,6
|
1,2
|
7,8
|
13,8
|
17,3
|
19,1
|
18,2
|
13,9
|
8,1
|
3,0
|
-0,6
|
Uzysk energetyczny kolektora
Kolektor słoneczny nie jest w stanie zaabsorbować całego promieniowania słonecznego, które dociera do jego powierzchni. Stosunek energii użytecznej, jaką potrafi wytworzyć kolektor, do energii promieniowania słonecznego nazywa się sprawnością kolektora. W literaturze można znaleźć różne pojęcia związane ze sprawnością: sprawność chwilowa, średnia dzienna, średnia miesięczna oraz średnia sprawność w całym cyklu roboczym kolektora (sezonie). Sprawnością chwilową kolektora można nazwać stosunek mocy użytecznej kolektora, jaką posiada w danej chwili, do wartości natężenia promieniowania słonecznego. Sprawność optyczna kolektora h0 jest to sprawność, jaką wykazywałby kolektor, jeśli pominięto by straty związane z oddawaniem przez kolektor ciepła do otocznia, czyli straty związane z przewodzeniem ciepła, promieniowaniem i konwekcją, straty te opisują współczynniki k1 i k2. Sprawność optyczna może być traktowana jako sprawność kolektora, w przypadku gdy różnica temperatur pomiędzy temperaturą kolektora a temperaturą otoczenia jest równa zero (?T = 0). Sprawności średnie dzienne, miesięczne oraz średnie sezonowe są uśrednieniem wartości chwilowej sprawności w opisywanym przez nie okresie. W tab. 2 pokazano zmianę sprawności średniej miesięcznej kolektora płytowego, sprawność instalacji oraz sprawność całego układu instalacji solarnej wraz z kolektorem w poszczególnych miesiącach roku. Temperaturę otoczenia rejonu Lublina odczytano, korzystając z serwisu internetowego IMiGW, a temperaturę kolektora z braku dokładnych danych technicznych założono. Natężenie promieniowania słonecznego obliczono na podstawie danych przy kolektorze ustawionym pod kątem 43° do poziomu.
tab. 2. Sprawność kolektora SOL25 plus (firmy Stiebel Eltron) i całego układu, gdzie: To – temperatura otoczenia, Tk – temperatura kolektora, I – średnie miesięczne całkowite napromieniowanie na płaszczyznę poziomą, ç kol. – sprawność kolektora, çprz. – sprawność przewodów, çu – sprawność całego układu instalacji solarnej
|
Miesiąc
|
To
|
Tk
|
ÄT
|
I
|
ç o
|
k1
|
k2
|
ç kol.
|
ç prz.
|
ç u
|
|
|
oC
|
oC
|
oC
|
W/m2
|
–
|
W/m2K
|
W/m2K
|
–
|
–
|
–
|
|
I
|
-0,5
|
50
|
50,5
|
1141
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,62
|
0,95
|
0,59
|
|
II
|
-4
|
55
|
59
|
1731
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,65
|
0,95
|
0,62
|
|
III
|
-0,5
|
60
|
60,5
|
2739
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,70
|
0,95
|
0,66
|
|
IV
|
8,5
|
70
|
61,5
|
3100
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,71
|
0,95
|
0,67
|
|
V
|
13
|
75
|
62
|
4817
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,73
|
0,95
|
0,70
|
|
VI
|
15,5
|
80
|
64,5
|
5580
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,74
|
0,95
|
0,70
|
|
VII
|
19,5
|
80
|
60,5
|
5171
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,74
|
0,95
|
0,70
|
|
VIII
|
17
|
75
|
58
|
4387
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,73
|
0,95
|
0,69
|
|
IX
|
15
|
70
|
55
|
2576
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,70
|
0,95
|
0,67
|
|
X
|
8,5
|
60
|
51,5
|
1782
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,68
|
0,95
|
0,64
|
|
XI
|
3
|
55
|
52
|
888
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,57
|
0,95
|
0,54
|
|
XII
|
-1
|
50
|
51
|
1009
|
0,781
|
2,838
|
0,0154
|
0,60
|
0,95
|
0,57
|
Zrealizowane instalacje słoneczne
Przykład 1
W klasztorze Redemptorystów w Tuchowie jest wykonana wielkoskalowa instalacja kolektorów słonecznych służących do przygotowania ciepłej wody. Instalacja została zrealizowana w listopadzie 2001 r. i jest przeznaczona do przygotowania ciepłej wody o temperaturze 50°C, przy jednostkowym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę na poziomie 70 dm3/(d?os.). W instalacji zastosowano 70 płaskich kolektorów słonecznych o łącznej powierzchni 127 m2. Kolektory zostały zainstalowane na dwóch połaciach dachowych, jako dwie niezależne baterie. Pierwsza bateria kolektorów jest zorientowana w kierunku wschodnim i nachylona do płaszczyzny poziomej pod kątem 60° (fot. 1a), a druga skierowana jest na zachód i nachylona do płaszczyzny poziomej pod kątem 45° (fot. 1b).
fot. 1 Kolektory słoneczne w klasztorze Redemptorystów w Tuchowie zorientowane: a) na wschód, b) na zachód
Pomiary były wykonywane codziennie o godzinie 21.45 w okresie od listopada 2001 r. do listopada 2007 r. i obejmowały m.in. następujące wartości:
– zużycie ciepłej wody w m3;
– ilość energii dostarczonej do przygotowania ciepłej wody przez kocioł gazowy w GJ;
– ilość energii dostarczonej do przygotowania ciepłej wody przez instalacje kolektorów słonecznych w GJ;
– ilość energii traconej w instalacji cyrkulacji ciepłej wody w budynku w GJ.
Ze względu na dużą liczbę danych użyto wartości uśrednionych.
Wykres. Uzysk ciepła z kolektorów słonecznych w klasztorze w Tuchowie
Przykład 2
W domu wypoczynkowym w Juracie została oddana do użytkowania w grudniu 2005 r. instalacja solarna przeznaczona do przygotowania ciepłej wody dla gości oraz na potrzeby kuchni.
Ciepło wytwarzane przez kolektory jest dostarczane do instalacji ciepłej wody. Kolektory zlokalizowane są na dachu budynku oznaczonego numerami 2 i 4.
Orientacja kolektorów jest południowa.
Koszt kosztorysowy instalacji wyniósł około 1 mln PLN. Już w 2006 r. oszczędności wyniosły ponad 300 tys. PLN.
fot. 2. Miejsce lokalizacji kolektorów
fot. 3. Widok kolektorów na dachu w ośrodku wypoczynkowym w Juracie (projekt instalacji opracował dr Jerzy Adamczyk współpracujący z firmą EKOprojekt)
Wnioski
Kolektory słoneczne stają się coraz bardziej popularne i coraz więcej się ich widzi na dachach domów, jednak świetnie z nimi współgrające pompy ciepła są w dalszym stopniu bardzo mało wykorzystywane. Nawet w najmniejszym stopniu pompy ciepła nie mogą obecnie konkurować na rynku z kotłami opalanymi surowcami mineralnymi, takimi jak węgiel czy gaz. Trudno jest przekonać inwestorów, że można pozyskiwać darmowe i czyste ekologicznie ciepło ze środowiska. Trzeba jednak intensywnie szukać nowych źródeł energii i rozwijać technikę z nimi związaną, by nie być zaskoczonym w przyszłości. Należy w końcu obalić panujący wszechobecnie stereotyp kolektora słonecznego wykorzystywanego tylko i wyłącznie w okresie lata. Kolektory nie muszą być tylko źródłem ciepła do przygotowania ciepłej wody użytkowej, lecz jak udowodniono, mogą być także ważnym ogniwem służącym do zapewnienia odpowiedniej ilości ciepła w zimie. Oczywisty jest fakt, iż same kolektory nie podołają ogrzaniu domu w sezonie zimowym. Jednak odpowiednio dobrana ich powierzchnia powoduje, że ciepło zgromadzone przez nie w trakcie lata i zakumulowane w zbiorniku ciepła staje się wystarczająco dobrym dolnym źródłem pompy ciepła, która jest w stanie ogrzać budynek w trakcie całego okresu zimowego. Właściwie dobrana powierzchnia kolektorów słonecznych, a także odpowiednie ich ustawienie zarówno w stosunku do podłoża, jak i w odpowiednim kierunku świata jest podstawą przy projektowaniu słonecznych instalacji grzewczych.
W warunkach klimatycznych Polski nawet w miesiącach chłodnych (zimowych) możliwe jest wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Oszczędności wyniosą około 42% w zużyciu tradycyjnych nośników energii.
Należy podkreślić, że wprowadzenie do szerszego stosowania instalacji wykorzystujących odnawialne źródła ciepła spowoduje zmniejszenie emisji do środowiska substancji zanieczyszczających środowisko – w zależności od paliwa (CO2, NOx, SO2, pyły, para wodna).
– Kolektory płaskie są zbudowane z przezroczystej osłony ze szkła chroniącej kolektor przed uszkodzeniem; absorbera z metalu z powłoką selektywną absorbującą promieniowanie słoneczne; wymiennika ciepła (najczęściej są to rurki miedziane przymocowane do absorbera); izolacji zazwyczaj z wełny mineralnej lub pianki poliuretanowej.
rys. 1. Kolektor płaski
– Kolektory próżniowo-rurowe są zbudowane z rur próżniowych, w których absorber znajduje się w próżni, co znacznie poprawia wydajność całej instalacji, dodatkowym elementem może być zwierciadło doświetlające absorber od nienasłonecznionej strony.
Kolektory próżniowo-rurowe mają nieco większą wydajność niż płaskie, ale są droższe. W miesiącach letnich kolektory płaskie charakteryzują się wyższą sprawnością niż kolektory próżniowo-rurowe.
rys. 2. Kolektor próżniowy: 1 – rurka doprowadzająca czynnik zimny, 2 – rurka odprowadzająca ogrzany czynnik, 3 – rura próżniowa zewnętrzna, 4 – próżnia między rurami, 5 – rura próżniowa wewnętrzna, 6 – przestrzeń, którą powraca ogrzany czynnik, 7 – wypełnienie wewnętrznej rury próżniowej
dr inż Jerzy Adamczyk
Politechnika Lubelska
Literatura
1. R. Wnuk, Wykorzystanie odnawialnych źródeł ciepła w budownictwie – poradnik, KAPE, Warszawa 2000.
2. G. Wiśniewski, S. Gołębiowski, M. Gryciuk, Kolektory słoneczne, poradnik wykorzystania energii słonecznej, COIB, Warszawa 2001.
3. M.A. Wołoszyn, Wykorzystanie energii słonecznej w budownictwie jednorodzinnym, COIB, Warszawa 1999.
