Technologia

Technologia

Sposoby wykorzystania energii słonecznej

W skali roku, w Polsce możemy liczyć na usłonecznienie  od 1390 do 1900 godzin, w zależności od regionu. Średnio przyjmuje się wartość około 1600 godzin.

Jest ono nierównomierne. Średnia ilość energii słonecznej docierającej  do ziemi  na obszarze Polski wynosi ok. 990 kWh/m²/rok. Najwięcej świeci słońce  w województwie lubelskim  i dostarcza ponad 1048 kWh/m² rocznie. Najmniej w województwach północnych (z wyłączeniem obszaru Wybrzeża Zachodniego). Mniej energii słonecznej jest też w rejonach o większym zanieczyszczeniu atmosfery, czyli na terenach uprzemysłowionych, np. na Śląsku. Tam wartość promieniowania może odbiegać nawet o 10% od średniej krajowej

Najwięcej ciepła dociera w okresie wiosenno-letnim, od połowy marca do połowy października, kiedy słońce znajduje się najdłużej nad horyzontem

Od dawna  energię słoneczną wykorzystywano do :

- rozniecania ognia

- oświetlenia

- ogrzewania pomieszczeń

- suszenia produktów żywnościowych

Obiekty mieszkalne budowano na zboczach nachylonych ku południowi, na polanach śródleśnych  w miejscach nasłonecznionych, by stworzyć w nich jak najkorzystniejsze warunki zamieszkania poprzez dogrzanie i zapobieżenie zawilgoceniu. Tradycyjne drewniane domy mieszkalne dłuższą ścianą zawsze zwrócone były na południe. Okna również znajdowały się tylko na tej ścianie, niekiedy także na ścianie szczytowej (krótszej). Od strony północnej nie robiono okien. Porą zimową przy temperaturach na zewnątrz ok. – 5 oC w pomieszczeniu dobrze nasłonecznionym  przed zachodem słońca temperatura może być wyższa nawet o 4o C w porównaniu do pomieszczenia o takiej samej pojemności i konstrukcji ale od strony północno wschodniej.

Współcześnie energię słoneczną wykorzystuje się  do:

•    podgrzewania wody do:

- zmywania naczyń

- utrzymania higieny osobistej

- prania bielizny w pralce /również automatycznej/

- podlewania warzyw i roślin ozdobnych w szklarniach

- do pojenia i pielęgnacji zwierząt,

- przygotowywania warzyw w procesie technologicznym /płukanie/

- w stawach rybnych

-  w basenach kąpielowych

•    w procesach produkcyjnych:

    - fermentacji sera

-  przygotowania pasz

- do podgrzewania wody technologicznej w małych zakładach przetwórstwa rolno - spożywczego

- do suszenie roślin, ziarna, drewna i materiałów budowlanych,

•    do podgrzewania powietrza:

- do  regulacji mikroklimatu w przechowalniach płodów rolnych,

- ogrzewania pomieszczeń inwentarskich, hal, magazynów, szklarni, tuneli foliowych i budynków mieszkalnych

 Energie promieniowania słonecznego można wykorzystywać metodami:

- pasywną

- aktywną


Metody pasywne tj bezpośrednie  wykorzystanie energii słonecznej do ogrzewania bez użycia dodatkowej energii z zewnątrz. Pozyskiwanie energii promieniowania słonecznego odbywa się w sposób naturalny, dzięki naturalnym zjawiskom wymiany ciepła i masy.

Systemy pasywne doskonale nadają się do ogrzewania budynków, podgrzewania wody, w różnego rodzaju zbiornikach naziemnych i podziemnych, otwartych i zamkniętych, do suszenia płodów, drewna, żywności przetworzonej, ceramiki itd.

W tym celu wznosi się  odpowiednią konstrukcję budynków, a zwłaszcza ścian, przegród zewnętrznych oraz dachów i otworów okiennych, werandy,  elementy szklarniowe, oranżerie, przeszklone wykusze dachowe, loggie półotwarte, baseny otwarte i zamknięte wbudowane w konstrukcję budynku, diafragmy koncentrujące promieniowanie i ekrany odbijające promienie i kierujące je do wewnątrz, powodując zwiększenie strumienia energii dostającego się do pomieszczeń.

Stosuje się  również różne wewnętrzne ściany magazynujące ciepło.

Ważnymi elementami są pułapki ciepła w postaci strychów, antresoli i wewnętrznych ścian wodnych, a także porcji wody lub innych płynów wmontowanych w ściany i stropy (termofory budowlane). Wszystko po to by utrzymać uwięzione ciepło podczas dni słonecznych zarówno w porze letniej jak i w czasie zimy. Szczególnie korzystne efekty daje zwiększanie pojemności cieplnej stropów, a więc podłóg i sufitów. Z tych powierzchni ciepło oddawane jest równomiernie i stosunkowo długo.

Znajomość tych właściwości jest bardzo ważne na etapie projektowania i lokalizacji nowo wznoszonych obiektów.

Innym prostym sposobem przechwytywania i kumulowania energii słonecznej są tzw. stawy słoneczne, czyli zbiorniki wody lub solanki o dużej powierzchni i głębokości 0,5- 2 m. Promieniowanie słoneczne padające na powierzchnię stawu wnika w głąb cieczy i jest pochłaniane przez zaczernione dno. W ten sposób warstwy przydenne osiągają temperaturę wyższą od temperatury otoczenia, pełniąc przy tym rolę magazynu energii, którą można pozyskiwać między innymi za pomocą pomp cieplnych.

W  podobny sposób można wykorzystać procesy ogrzewanie kamieni lub elementów ceramicznych w ciągu dnia, aby  oddawały ciepło w nocy lub w dni pochmurne.

Metody aktywne są to systemy, w których przemiana energii promieniowania słonecznego na ciepło użyteczne zachodzi dzięki zastosowaniu specjalnych urządzeń instalacyjnych - kolektorów słonecznych i bardzo często wymaga  wsparcia energią  z zewnątrz.

Kolektory słoneczne są to najczęściej płaskie konstrukcje prostokątne, których podstawową częścią jest absorber.

Energia słoneczna może być źródłem zarówno energii cieplnej jak i energii elektrycznej.

Kolektory do zamiany energii słonecznej na cieplną można podzielić na:

•    płaskie

–    gazowe

–    cieczowe

–    dwufazowe

•    płaskie próżniowe

•    próżniowo-rurowe (nazywane też próżniowymi/,

 Zadaniem absorbera jest pochłanianie w jak największym stopniu energii promieniowania słonecznego. W prostych rozwiązaniach kolektory pokrywane są zwykłą czarną farbą, w miarę wzrostu wymagań względem kolektorów stosuje się specjalne pokrycia selektywne dla absorbera. Zdolność absorbera do pochłaniania energii promieniowania słonecznego rośnie, a emisyjność (związana ze stratami) maleje. Kolektor posiada osłonę szklaną lub plastikową, ograniczającą straty do otoczenia.

Najprostszymi są kolektory słoneczne powietrzne. Są one budowane zwykle sposobem gospodarczym i z tego względu umykają statystykom. Wykorzystuje się tu kolektory fasadowe, pokrywające całą południową ścianę budynku.  Kolektory tego typu były upowszechniane przez IBMER i WOPR-y w latach siedemdziesiątych i osiemdziesiątych ubiegłego wieku. Wykorzystywano je do dosuszania siana w stodołach, dosuszania ziarna, podgrzewania powietrza w tunelach  i  budynkach inwentarskich. Ich budowa polega na wznoszeniu konstrukcji  na południowych ścianach stodół i budynkach inwentarskich. obudowywanych czarną folią ewentualnie pilśnią zamalowaną czarną farbą lub papą. Z pod tych konstrukcji było wysysane podgrzane powietrze i wtłaczane dmuchawą w kanały nawiewne w sianie lub rury porowate w zbożu lub do pomieszczeń. Kolektory powietrzne mają niską sprawność wymiany ciepła   i dlatego w instalacjach grzewczych spotyka się je rzadko. Zazwyczaj są stosowane w suszarniach. Niemniej zaczynają być wykorzystywane do wstępnego podgrzania powietrza w systemach ogrzewania powietrznego. Powietrze to jest następnie dogrzewane przez urządzenie konwencjonalne.

Ciepło może być odbierane  z absorbera  przez wodę lub mieszankę niezamarzającą przepływającą systemem rurek i transportowane do zasobnika lub wprost do instalacji grzewczej. Kolektory cieczowe mają sprawność dużo wyższą. Są więc powszechnie stosowane w instalacjach grzewczych

Słoneczny kolektor cieczowy pochłania padające na jego powierzchnię czołową promieniowanie słoneczne, co powoduje podgrzanie przepływającego czynnika roboczego. Czynnikiem tym jest woda lub mieszanka niezamarzająca (mieszanka wody z glikolem). Jeśli system jest przewidziany do całorocznej pracy instalacji słonecznej wtedy jako czynnik roboczy kolektora stosuje się mieszankę niezamarzającą. Czynnik roboczy w pętli kolektorowej znajduje się bowiem w stałym kontakcie z otoczeniem atmosferycznym.

W celu oddzielenia obiegu mieszanki od właściwego obiegu wody grzewczej stosuje się wymienniki ciepła, które pośredniczą w wymianie ciepła  pomiędzy pętlą kolektora słonecznego, a częścią magazynującą i odbierającą podgrzaną wodę użytkową. Pozyskana przez czynnik roboczy kolektora energia promieniowania słonecznego jest przekazywana do zbiornika magazynującego za pośrednictwem wymiennika ciepła. Czynnikiem magazynującym jest z reguły woda. System automatycznej kontroli funkcjonowania instalacji umożliwia  jednoczesne dostarczanie do zbiornika magazynującego pozyskanej energii z pętli kolektora, jak również odbieranie energii ze zbiornika magazynującego i przekazanie jej do celów grzewczych. Pozyskiwanie ciepła w tym przypadku i jego przepływ są wymuszane działaniem urządzeń mechanicznych, takich jak pompy cyrkulacyjne w systemach cieczowych, lub wentylatory w systemach powietrznych.

Zasada określania wielkości kolektorów i zasobników ciepłej wody dla rodziny czteroosobowej

•    Podgrzewacz powinien mieć pojemność nie mniejszą niż 100 l/osobę.

•    Dla czteroosobowej rodziny dla przygotowania ciepłej wody przyjmuje się kolektor o powierzchni 6 – 8 m2  do 10 m2  a podgrzewacz  o pojemności co najmniej 400l.

Kolektory słoneczne sprzęgnięte z innymi urządzeniami tworzą instalacje solarne. Instalacje solarne zapewniają ciepłą wodę  do celów użytkowych , podgrzewanie wody w basenie i wspomaganie centralnego ogrzewania.

W skład instalacji solarnej wchodzą:

- kolektory słoneczne

- zbiornik z wymiennikiem

- zespół pompowy z zaworem bezpieczeństwa

- sterownik elektroniczny

- mocowania kolektora słonecznego

- płyn niezamarzający

- pompka do napełniania układu oraz naczynie wzbiorcze

- śrubunki oraz zespoły przyłączeniowe kolektora oraz zbiornika

- konstrukcja wsporcza kolektorów w przypadku zbyt płaskiego dachu.

    Koszt budowy instalacji solarnej do podgrzewania wody dla potrzeb bytowych wynosi ok. 12000 zł.

Najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest instalacja solarna z zasobnikiem dwu wężownicowym. Jeden wymiennik podłączony jest do baterii kolektorów a drugi do zasilania ciepłą wodą z pieca c. o.

W sezonie letnim kolektory zapewniają z reguły 100% pokrycie zapotrzebowania na ciepłą wodę (przy prawidłowo dobranej instalacji ) więc nie ma potrzeby zasilania z pieca, zaś w sezonie zimowym przy słabszym nasłonecznieniu załącza się zasilanie z pieca, niezależnie czy jest to piec ze sterownikiem i czujnikami temperatury czy tradycyjny bez sterowania.

Do zasobnika dwuwężownicowego można także dołączyć grzałkę, która zapewni ciepłą wodę w przypadku, gdy w okresie marzec-wrzesień przez kilka dni z rzędu zabraknie słońca.

Zysk energetyczny  z instalacji solarnych zależy od:

•    Rodzaju urządzenia solarnego

•    Rodzaju czynnika roboczego: ciecz, woda, powietrze, mieszane.

•    Typ kolektora: stacjonarny, heliostatyczny, lustrzany lub inny.

•    Wielkości powierzchni grzewczej.

•    Wielkości rozbioru wody /c.w.u/ i zaopatrzenia grzewczego /c. o./

•    Pojemność układu.

•    Rodzaju zasobników i ich wielkości

•    Azymut i orientacja kolektorów.

•    Kąt nachylenia płaszczyzny grzewczej kolektora.

•    Wysokość nad poziomem morza.

•    Lokalizacja i rodzaj obszaru: z zanieczyszczeniami czy bez nich.

•    Ukształtowanie terenu.

•    Prędkość wiatru, wilgotność

•    Usytuowanie kolektora i rodzaj podłoża.

•    Okres eksploatacji kolektorów

Instalacja słoneczna może pokryć zapotrzebowanie, energetyczne

-    Dla ciepłej wody użytkowej do 80 %

-    Dla centralnego ogrzewania do 10 %

-    Dla wody w basenie, sezonowo do 90 %

Innym rodzajem kolektorów słonecznych są fotoogniwa zamieniające energię słoneczną na energię elektryczną. Mają zastosowanie przede wszystkim tam, gdzie dostęp do publicznej sieci energii elektrycznej jest ograniczony lub w ogóle niemożliwy. Jeżeli najbliższa sieć elektryczna znajduje się dalej niż 10 km od odbiorcy, a zapotrzebowanie na energię jest małe (np. pojedynczy dom), to nawet dziś instalowanie ogniw fotoelektrycznych może być opłacalne. Są one także szeroko wykorzystywane w kieszonkowych kalkulatorach, satelitach kosmicznych, utrzymują pod napięciem ogrodzenia pastwisk, a nawet zasilają urządzenia nawadniające i sprzęt domowy. Eksperymentalnie służą także do napędu samochodów.

W Polsce najważniejszy obszar zastosowań rynkowych technologii fotowoltaicznych to zasilanie znaków i świateł nawigacyjnych w gospodarce morskiej.

Kolektory słoneczne montuje się na zewnątrz budynku – tak, by padały na nie promienie słoneczne.

Pamiętajmy że zapotrzebowanie budynku na energię grzewczą zimą i do ochładzania latem w dużej mierze zależy od jego strat energetycznych na które maja wpływ lokalizacja, klimat i lokalnych warunki

Dlatego planując lokalizację budynku oraz jego kształt należy brać pod  uwagę:

- osłonę od wiatrów / za drzewami, poniżej szczytu góry - wzniesienia/

- usytuowanie  z dala od bagien i zbiorników wodnych,

- osłony ziemne części budynku , ekrany – wysokie płoty,

-  zieleń na dachu i ścianach,

- koncentracje zabudowy w terenie,

- najlepiej żeby budynek miał zwartą bryłę   bez występów i wnęk,

-  minimalna liczba okien od strony północnej itp.

- rozwiązanie przestrzenne wewnątrz budynku maksymalnie sprzyjające ochronie cieplnej

-  wysokie parametry izolacyjności termicznej przegród zewnętrznych, a także przegród wewnętrznych dzielących pomieszczenia o różnej temperaturze wnętrz

- odpowiednie rozmieszczenie otworów okiennych i drzwiowych, itp.

- instalacja grzewcza o bardzo wysokiej sprawności, zaopatrzona w urządzenia regulacyjne i automatykę pogodową.

 

                        Henryk Pałka